DE102015107876A1

DE102015107876A1 - Vorrichtung und Verfahren zum Zerstäuben von Schmelzen

Info

Publication number: DE102015107876A1
Application number: DE102015107876.7A
Authority: DE
Inventors: Humberto Chaves; Clemens Kirmse; Hans-Peter Heller; Tobias Dubberstein
Original assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Current assignee: Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date: 2015-05-19
Filing date: 2015-05-19
Publication date: 2016-11-24
Also published as: EP3297781A1; WO2016184455A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zerstäuben von Schmelzen. Dabei wird Schmelzgut (6), das durch eine Spaltöffnung (5) in eine von Treibfluid durchströmte Auslassöffnung (2.1) gelangt, bei Kontakt mit dem Treibfluidstrom (3.1) entlang der Innenwand des Strömungskanals (10.2) geschert, wobei in einem in Strömungsrichtung (3) hinter der Spaltöffnung (5) liegenden Expansionsbereich für den Treibfluidstrom (3.1), eine Temperaturverringerung des Treibfluidstroms (3.1) durch eine Erhöhung der Ruhetemperatur des Treibfluids ausgeglichen wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Zerstäuben von Schmelzen.
Pulver dienen in vielen Bereichen der Technik als Ausgangsmaterial. Hinsichtlich der Homogenität von Pulvern sowie Form und Größe darin enthaltener Partikel werden dabei hohe Qualitätsanforderungen gestellt. Insbesondere Technologien wie 3D-Druckverfahren oder Lasersintern erfordern Pulver mit Partikeldurchmessern im Mikrometerbereich, da die Größe der Partikel die Strukturauflösung zu fertigender Gebilde beschränkt. Auch im Bereich der Fertigung von Komposit-Materialien sind Pulver gewünscht, die besonders kleine Partikelgrößen aufweisen, da die Partikelgrößen der verwendeten Komposit-Pulver die abschließenden Eigenschaften der Komposit-Materialien beeinflussen.
Verfahren zur Herstellung von Pulvern beruhen vornehmlich auf der Gaszerstäubung von Schmelzen, wobei ein Gastrom mit hoher Strömungsgeschwindigkeit so auf eine Schmelze gerichtet wird, dass Partikel aus der Schmelze abgeschert werden. Bekannt sind unterschiedliche Verfahren oder Vorrichtungen der Gaszerstäubung von flüssigen Metallen und Schmelzen. Hierzu zählt beispielsweise der sogenannte Free Fall Atomizer, bei dem ein kompakter Strang einer Schmelze durch eine Öffnung hindurch in einen Bereich gelangt, in dem Düsen für ein Zerstäubungsgas beabstandet angeordnet sind. Ein weiterer Zerstäuber mit der Bezeichung Closed Coupled Atomizer umfasst mehrere nahe einer Auslassöffnung für Schmelze angeordnete Gasdüsen, um den gewünschten Scherungserfolg der Schmelze zu erreichen.
Bei einer weiteren Zerstäubervariante wird so vorgegangen, dass ein Schmelzstrang und das Gas durch eine Lavaldüse hindurch geleitet werden, wobei das Gas gegenüber der Schmelze stark beschleunigt wird. Infolge der erhöhten Relativgeschwindigkeit zwischen Gas und Schmelze werden größere Scherkräfte erreicht, die zu einer verbesserten Zerstäubung beitragen.
Nach allgemeiner Auffassung kann der Vorgang des Zerstäubens in mindestens zwei Stufen gegliedert werden. Im Bereich der Primärzerstäubung, in dem der Gasstrom auf die Schmelze trifft, werden erste noch verhältnismäßig große Partikel (Tropfen, Fragmente) aus der Schmelze herausgelöst. Im darauffolgenden Bereich der Sekundärzerstäubung bewirkt die noch vorhandene Relativgeschwindigkeit ein weiteres Zerteilen der Produkte der Primärzerstäubung durch aerodynamische Kräfte in noch kleinere Partikel.
Problematisch bei dem zuvor beschriebenen Vorgang ist jedoch, dass das mittels Lavaldüse beschleunigte Gas im Expansionsbereich sehr stark abkühlt. Da in diesem Bereich vorzugsweise auch der Arbeitsbereich der Primär- und Sekundärzerstäubung liegen kann, kühlen auch die Produkte der Primärzerstäubung abrupt ab und erstarren, bevor eine Sekundärzerstäubung in gewünschtem Maß erfolgt ist.
Bislang wird das Problem dadurch gelöst, dass die Schmelze über die Schmelztemperatur erhitzt wird (Überhitzung), wodurch sich die Erstarrung der Partikel im Expansionsbereich verzögert. Die dabei hervorgerufene Verzögerung reicht jedoch nicht aus, um eine zufriedenstellende Zerteilung der Partikel im Mikrometerbereich zu erreichen. Ferner kommt die Problematik hinzu, dass die verhältnismäßig hohe Temperaturdifferenz im Expansions- bzw. Arbeitsbereich zu einer raschen Verfestigung der Oberfläche von im Inneren noch schmelzflüssigen Partikeln führt.
Eine weitere Lösung geht aus EP 1 190 996 A2 hervor, die ebenfalls die Problematik der Erstarrung von Schmelzen im Auslassbereich von Lavaldüsen behandelt. Vorgeschlagen wird eine Einrichtung zum Zerstäuben von Schmelzen, insbesondere Schlackenschmelzen, bei der die Schmelze über einen Ringspalt in eine von Gas durchströmte, als Lavaldüse ausgebildete Auslassöffnung gelangt. Einer Erstarrung der Schmelze im Bereich des Ringspaltes wird insbesondere dadurch entgegengewirkt, dass ein zur Förderung des Gases ausgebildetes Tauchrohr im Bereich des Ringspaltes in Rotation versetzt wird. Innerhalb des rotierenden Tauchrohrs ist eine Lanze angeordnet, über die das Treibgas in die Auslassöffnung befördert wird. Die vorgeschlagene Lösung erfordert einen gesteigerten apparativen bzw. konstruktiven Aufwand, was hinsichtlich der damit verbundenen höheren Kosten als nachteilig anzusehen ist.
Aufgabe ist es daher, Möglichkeiten zur Zerstäubung von Schmelzen bereitzustellen, mit denen auf einfache Weise insbesondere kleine Partikelgrößen im Mikrometerbereich bereitgestellt werden können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und einem Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung zum Zerstäuben von Schmelzen weist einen Schmelztiegel mit mindestens einer Auslassöffnung, die in Strömungsrichtung einen zumindest teilweise divergierenden Strömungskanal aufweist, und ein Treibfluidrohr mit Strömungskanal zur Förderung von Treibfluid in die Auslassöffnung auf, wobei das Treibfluidrohr derart angeordnet ist, dass zwischen der Unterkante und/oder dem Außenumfang des Treibfluidrohrs und der Innenkannte und/oder dem Innenumfang der Auslassöffnung eine Spaltöffnung zum Durchfluss von Schmelzgut gebildet ist. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung weiterhin eine Heizeinrichtung auf, mit der eine Ruhetemperatur des Treibfluids derart einstellbar und/oder regelbar ist, dass eine Temperaturänderung im Strömungskanal des Treibfluidrohrs und im Strömungskanal der Auslassöffnung, insbesondere im Bereich des divergierenden Strömungskanals, ausgleichbar ist.
Bei der vorstehend beschriebenen Ruhetemperatur soll nachfolgend die Temperatur verstanden werden, die das Treibfluid aufweist, bevor es die Heizeinrichtung verlässt und in den Strömungskanal des Treibfluidrohrs bzw. in den Strömungskanal der Auslassöffnung gelangt. Weiterhin ist anzumerken, dass insbesondere der Bereich des Strömungskanals mit divergierendem Strömungsquerschnitt als Expansionsbereich bezeichnet wird.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht zunächst darin, dass durch die zwischen Treibfluidrohr und Auslassöffnung gebildete Spaltöffnung in die Auslassöffnung gelangende Schmelze einen dünnen Schmelzfilm bildet, der eine vergrößerte Scherfläche mit dem Fluidstrom gewährleistet. Die Scherrate ist hier besonders hoch, denn an der Wand des divergierenden Strömungskanals ist die Geschwindigkeit des Schmelzfilms gering bzw. gleich Null und auf der zum Treibfluid zugewandten Seite sehr hoch. Die Scherrate ergibt sich aus dem Quotient der Differenz dieser Geschwindigkeiten und der Dicke des Schmelzfilms.
Das Treibfluidrohr und/oder der Schmelztiegel können zum Einstellen eines Abstandes zwischen dem Treibfluidrohr und dem der Schmelztiegel höhenverstellbar ausgebildet sein. Dies ist erforderlich, um ein Öffnen und Schließen der Spaltöffnung und/oder eine Änderung der Größe der Spaltöffnung zu gewährleisten. Entsprechend kann eine Hebevorrichtung vorgesehen sein, mit der zumindest das Treibfluidrohr oder der Schmelztiegel so höhenverstellbar ist, dass der relative Abstand zwischen Treibfluidrohr und Schmelztiegel veränderbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Öffnung der Spaltöffnung nicht durch eine Höhenverstellung des Treibfluidrohrs oder des Schmelztiegels erreicht, sondern durch Einschmelzen eines in der Spaltöffnung angeordneten Dichtringes, der eine Schmelztemperatur aufweist, die der Schmelztemperatur des Schmelzgutes entspricht oder oberhalb der Schmelztemperatur des Schmelzgutes liegt.
Vorzugsweise ist die Form der Unterkante und/oder die Form des Außenumfangs des Treibfluidrohrs sowie die Form der Innenkannte und/oder die Form des Innenumfangs der Auslassöffnung derart gebildet, dass bei einer Höhenverstellung des Treibfluidrohrs und/oder des Schmelztiegels ein fluiddichtes Verschließen der Spaltöffnung gewährleistet ist. Vorzugsweise sind das Treibfluidrohr und die Auslassöffnung koaxial angeordnet.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die Form der Unterkante und/oder die Form des Außenumfangs des Treibfluidrohrs sowie die Form der Innenkannte und/oder die Form des Innenumfangs der Auslassöffnung derart gebildet sind, dass die durch den Abstand zwischen Treibfluidrohr und Auslassöffnung gebildete Spaltöffnung unterschiedliche Formen vorzugsweise eine Ringform aufweist.
Ein weiterer Vorteil besteht insbesondere in der Heizeinrichtung, mit der die Ruhetemperatur des Treibfluids so einstellbar und/oder regelbar ist, dass eine durch eine Expansion des Fluidstroms im Bereich des divergierenden Strömungskanals hervorgerufene Abkühlung des Fluidstroms ausgleichbar/kompensierbar ist. Auf diese Weise können aus dem Stand der Technik bekannte Nachteile, wie das Einfrieren oder Zusetzen der Auslassöffnung bzw. des Ringspaltes verringert werden, ohne dass im Bereich der Auslassöffnung eine zusätzliche Heizung oder eine Überhitzung der Schmelze erforderlich sind.
Die zur Regelung der Ruhetemperatur erforderlichen Einrichtungen und Sensoren sind hinreichend bekannt und werden hier nicht weiter ausgeführt.
Infolge der Anpassung/Kompensation der Temperatur im Strömungskanal des Treibfluidrohrs und insbesondere im Expansionsbereich des Strömungskanals der Auslassöffnung kann in Strömungsrichtung des Treibfluids zumindest im Bereich des Strömungskanals der Auslassöffnung ein Arbeitsbereich definiert sein, in dem eine vorgebbare Arbeitstemperatur eingehalten werden kann. Vorteilhafterweise kann dadurch ein Bereich definiert sein, in dem eine für die Zerstäubung der Schmelze günstige Arbeitstemperatur gewährleistet ist. Für einen solchen Arbeitsbereich können auch unterschiedliche Arbeitstemperaturen, beispielsweise für verschiedene Schmelzen und/oder Zerstäubungsparameter (hinsichtlich Partikelform und Partikelgröße) eingestellt sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Ruhetemperatur derart geregelt sein, dass die Arbeitstemperatur im Arbeitsbereich nicht unterhalb von 70% der Schmelztemperatur des Schmelzgutes, bevorzugt auf mindestens 100% der Schmelztemperatur des Schmelzgutes, besonders bevorzugt auf mindestens 130% der Schmelztemperatur des Schmelzgutes gehalten ist. Die Möglichkeit, dass die Temperatur des Treibfluids nahe der Schmelztemperatur des Schmelzgutes gehalten werden kann, wirkt sich günstig auf die Primär- und Sekundärzerstäubung der Schmelze aus.
Das Treibfluidrohr ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise so angeordnet, dass die Hauptströmungsrichtung des Treibfluids koaxial zur mittleren Achse der Auslassöffnung gerichtet ist. Vorzugsweise ist die Mündung des Treibfluidrohrs in Strömungsrichtung des Treibfluids vor der Mündung der Auslassöffnung angeordnet. Dabei kann ein Strömungskanal des Treibfluidrohrs in Mündungsrichtung, d. h. in Richtung der Auslassöffnung einen konstanten Strömungsquerschnitt aufweisen.
Besonders günstig ist es, wenn der Strömungskanal des Treibfluidrohrs in Mündungsrichtung einen konvergierenden Strömungsquerschnitt aufweist. In diesem Fall kann ein aus dem Treibfluidrohr und der Auslassöffnung gebildeter Strömungskanal für Treibfluid in Form einer Lavaldüse ausgebildet sein, wobei der kleinste Strömungsquerschnitt im Bereich der Spaltöffnung bzw. an der Mündung des Strömungskanals des Treibfluidrohrs ausgebildet ist. Der divergente Teil der Lavaldüse muss sich dabei nicht im Schmelztiegel befinden, sondern der divergierende Strömungskanal kann in einem Auslaufstein gebildet sein, der an der Auslassöffnung austauschbar mit dem Schmelztiegel verbunden ist. Vorzugsweise ist der Auslaufstein mit einem entsprechend temperaturstabilen Klebemittel oder Kit mit dem Schmelztiegel verbunden. Es können Auslaufsteine vorgesehen sein, die unterschiedliche Steigungen oder Geometrien des divergierenden Strömungskanals aufweisen. Somit können Düsen mit unterschiedlichen Eigenschaften bereitgestellt werden. Vorteilhaft ist dabei auch, dass die fertigungstechnisch aufwendige Geometrie eines Strömungskanals nicht im Schmelztiegel ausgebildet sein muss, sondern in Form eines wiederverwendbaren Auslaufsteine bereitgestellt wird.
Durch die Form der Strömungskanäle können besonders hohe Strömungsgeschwindigkeiten für das Treibfluid erreicht werden, was zu einer Erhöhung der Relativgeschwindigkeit zwischen Schmelze und Treibfluid beiträgt. Die dadurch gesteigerte Scherwirkung wirkt sich positiv auf die Primär- und Sekundärzerstäubung aus und trägt zur Ausbildung besonders kleiner Partikelgrößen bei.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Innenwand der Auslassöffnung, an der Mündung der Auslassöffnung und/oder im Schmelztiegel mindestens eine weitere Auslassöffnung für einen weiteren Fluidstrom vorgesehen, der den Treibfluidstrom zumindest bereichsweise durchströmt und/oder den Arbeitsbereich in seiner räumlichen Ausdehnung begrenzt. Zur Begrenzung und Beeinflussung des Arbeitsbereichs können auch mehrere weitere Fluidströme vorgesehen sein, die durch flexible Schläuche an verschiedenen Positionen im Arbeitsbereich bereitgestellt sind. Dadurch, dass der Treibfluidstrom im Arbeitsbereich mittels weiteren Fluidströmen beeinflussbar und/oder begrenzbar ist, kann bei der Zerstäubung des Schmelzgutes Einfluss auf die Partikelform und/oder Partikelgröße genommen werden. Die bereits erwähnte Heizeinrichtung kann mit einem elektrischen Widerstandsheizer, mit einem Plasmabrenner und/oder mit einem chemischen Brenner gebildet sein.
Für bestimmte Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine Schutzgasatmosphäre erforderlich sein. Entsprechend können Mittel zur Bereitstellung einer Schutzgasatmosphäre vorgesehen sein. Denkbar ist eine Realisierung durch Schutzgasströmungen in gewünschten Bereichen. Zweckgemäß kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch in einem Behälter angeordnet oder von einer Einhausung umgebenen sein, in der eine Schutzgasatmosphäre, bspw. mit Argon bereitgestellt ist.
Sämtliche Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die mit Schmelzgut oder mit dem erhitzen Treibfluidstrom in Berührung kommen, sind aus einem temperaturbeständigem Material, vorzugsweise einer Keramik gebildet oder weisen eine entsprechend temperaturbeständige Beschichtung auf.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Zerstäuben von Schmelzen wird so vorgegangen, dass Schmelzgut, das durch eine Spaltöffnung in einen von Treibfluid durchströmten Strömungskanal einer Auslassöffnung gelangt – der vorzugsweise einen in Strömungsrichtung zumindest teilweise divergierenden Strömungsquerschnitt aufweisen kann – bei Kontakt mit dem Treibfluidstrom entlang der Innenwand des Strömungskanals beschleunigt wird, wobei eine Temperaturänderung des Treibfluidstroms zumindest im Strömungskanal der Auslassöffnung durch eine Anpassung einer Ruhetemperatur des Treibfluid ausgeglichen wird.
Das Schmelzgut, bei dem es sich um ein metallisches oder nichtmetallisches Material handeln kann, sollte zumindest auf eine Temperatur gebracht werden, bei der eine ausreichende Fließfähigkeit gewährleistet ist.
Vorteilhafterweise fließt die Schmelze nicht als kompakter Strang, sondern als dünner Film entlang der Innenwand des Strömungskanals der Auslassöffnung, wobei der Schmelzfilm auf der Kontaktseite mit dem Treibfluidstrom gegenüber der Wandseite stark beschleunigt wird, was die Scherung des Schmelzfilms erleichtert und die Primärzerstäubung begünstigt.
Vorteilhafterweise wird die Ruhetemperatur mit der Heizeinrichtung soweit erhöht, dass eine durch die Expansion des Treibfluidstroms hervorgerufene Temperaturverringerung im Strömungskanal des Treibfluidrohrs und insbesondere im Expansionsbereich im weiteren Strömungsverlauf, in dem vorzugsweise die Primärzerstäubung der Schmelze stattfinden kann, auf eine vorgegebene Temperatur angepasst oder kompensiert werden kann. Dabei wird die Ruhetemperatur im Wesentlichen oberhalb der Schmelztemperatur des Schmelzgutes gehalten. Auf diese Weise kann die Erstarrung gebildeter Partikel bereichsweise verzögert werden, um den gewünschten Zerstäubungserfolg insbesondere im Bereich der Sekundärzerstäubung (hinsichtlich Partikelform und/oder Partikelgröße) herbeizuführen.
Ferner kann in Strömungsrichtung des Treibfluids zumindest im Expansionsbereich – insbesondere im Bereich mit divergierendem Strömungsquerschnitt des Strömungskanals der Auslassöffnung – ein Arbeitsbereich definiert werden, in dem eine vorgebbare Arbeitstemperatur des Treibfluids eingehalten wird.
Eine Beeinflussung des Zerstäubungsvorganges kann durch eine Änderung der Ruhetemperatur des Treibfluids eingestellt und/oder geregelt werden. Besonders günstig ist es, wenn das Treibfluid im Ruhezustand oberhalb der Schmelztemperatur des Schmelzgutes erhitzt wird, um einen Temperaturabfall unterhalb einer vorgegebenen Arbeitstemperatur im Expansionsbereich gering zu halten. Entsprechend kann die Ruhetemperatur so eingestellt und/oder geregelt werden, dass im Arbeitsbereich eine Arbeitstemperatur eingehalten werden kann, die nicht unterhalb von 70% der Schmelztemperatur des Schmelzgutes liegt, bevorzugt mindestens 100% der Schmelztemperatur des Schmelzgutes entspricht, besonders bevorzugt mindestens 130% der Schmelztemperatur des Schmelzgutes entspricht. Dabei sollten physikalische und/oder chemische Eigenschaften unterschiedlicher Schmelzen berücksichtigt werden, um den gewünschten Zerstäubungserfolg gewährleisten zu können.
Für eine Regelung der Temperaturänderung kann an verschieden Positionen entlang des Strömungsverlaufs des Treibfluidstroms eine Temperaturüberwachung erfolgen, wobei Temperaturinformationen an die Heizeinrichtung bereitgestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Treibfluid im Bereich des Ringspaltes und/oder im Bereich der Auslassöffnung im Strömungskanal auf 50% Schallgeschwindigkeit beschleunigt werden. Vorzugsweise kann die Strömungsgeschwindigkeit des Treibfluids auch auf Schallgeschwindigkeit, besonders bevorzugst auf 200% Schallgeschwindigkeit beschleunigt werden. Vorteilhafterweise kann die Strömungsgeschwindigkeit des Treibfluides als Einflussgröße des Zerstäubungsvorganges variiert werden. Wenn im Bereich des Ringspaltes Schallgeschwindigkeit vorliegt, sind die Strömungsparameter im Strömungskanal des Treibfluidrohrs durch bekannte gasdynamische Zusammenhänge festgelegt.
Der Arbeitsbereich kann sich von der Spaltöffnung ausgehend in Strömungsrichtung des Treibfluidstroms erstrecken. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Arbeitsbereich von mindestens einem weiteren Fluidstrom, der den Treibfluidstrom zumindest bereichsweise durchströmt, begrenzt und/oder beeinflusst werden. Dadurch ist es möglich, die Grenzen eines Arbeitsbereiches festzulegen.
Es können auch Arbeitsbereiche definiert werden, die von unterschiedlich temperierten Fluidströmen durchströmt werden, so dass solche Arbeitsbereiche mehr als eine Temperaturzone aufweisen können. Strömungen weiterer Fluidströme können auch derart gerichtet sein, dass innerhalb des Arbeitsbereichs vorteilhafte Strömungsverhältnisse hervorgerufen werden, die beispielsweise die Verweildauer von Partikeln im Arbeitsbereich beeinflussen.
Zweckmäßigerweise kann der mindestens eine weitere Fluidstrom eine gegenüber dem Treibfluidstrom ungleiche Temperatur und/oder Strömungsgeschwindigkeit aufweisen. Eine Begrenzung des Arbeitsbereichs kann vorzugsweise mit einem weiteren Fluidstrom erreicht werden, der eine geringere Temperatur als der Treibfluidstrom aufweist. Nicht dem Arbeitsbereich zugehörig werden solche Bereiche verstanden, in denen die gewünschte Arbeitstemperatur nicht eingehalten werden kann. Solche Bereiche können als definierte Kühlbereiche zur Abkühlung der Partikel gebildet sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Ruhetemperatur in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Treibfluids an der Spaltöffnung und/oder in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Treibfluids im Expansionsbereich geregelt werden.
Gemäß der Erfindung wird ein Treibfluid als Gas oder Dampf verstanden. Vorzugsweise werden als Treibfluid ein- und/oder mehratomige Gase und/oder Dämpfe eingesetzt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der 1, die eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt, beispielhaft näher erläutert.
In 1 ist eine Vorrichtung zum Zerstäuben von Schmelzen dargestellt, die einen Schmelztiegel 1 mit mindestens einer Auslassöffnung 2.1 aufweist. In Strömungsrichtung 3 (Pfeilrichtung) des Treibfluids weist die Auslassöffnung 2.1 einen Strömungskanal 10.2 mit divergierendem Strömungsquerschnitt auf. Der Strömungskanal 10.2 befindet sich zentral innerhalb eines Auslaufsteins 17, der mit einem Zement gekittet an der Auslassöffnung 2.1 am Schmelztiegel 1 angebracht ist. Weiterhin umfasst die Vorrichtung ein Treibfluidrohr 4 mit Strömungskanal 10.1 zur Förderung von Treibfluid in die Auslassöffnung 2.1. Dabei ist das Treibfluidrohr 4 so angeordnet, dass zwischen dem sich in Strömungsrichtung 3 bzw. in Mündungsrichtung verjüngenden Außenumfang des Treibfluidrohrs 4 und dem Innenumfang der Auslassöffnung 2.1 ein Ringspalt 5 zum Durchfluss von Schmelzgut 6 in die Auslassöffnung 2.1 gebildet ist.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform der Vorrichtung ist das Treibfluidrohr 4 höhenverstellbar eingerichtet, so dass die Größe des Ringspaltes 5 mittels der Hebevorrichtung 18 in Richtung des Pfeils 18.1 variiert werden kann. Die Höhenverstellbarkeit ist von Vorteil, um während des Schmelzvorgangs den Ringspalt 5 möglichst dicht geschlossen zu halten. Erst wenn die Schmelze die gewünschte Temperatur bzw. Fließfähigkeit erreicht hat, wird mittels der Hebevorrichtung 18 das Treibfluidrohr angehoben und der Ringspalt 5 geöffnet, so dass die Schmelze 6 in die Auslassöffnung 2.1 gelangen kann.
Mit dem Bezugszeichen 7 ist eine mit dem Treibfluidrohr 4 verbundene Heizeinrichtung dargestellt, mit der eine Ruhetemperatur des über eine Einlassöffnung 8 zugeführten Treibfluids so einstellbar und/oder regelbar ist, dass eine Temperaturänderung des Treibfluidstroms 3.1 zumindest im Strömungskanal 10.2, d. h. im Expansionsbereich, in dem der Strömungskanal 10.2 zwischen der Mündung der Auslassöffnung 2.1 und der Mündung der Auslassöffnung 2.2 einen divergierenden Verlauf aufweist, ausgleichbar ist.
Die zur Regelung der Ruhetemperatur erforderliche Datenerfassung erfolgt mittels dafür vorgesehenen Temperatursensoren (nicht gezeigt), die im Bereich der Strömungskanäle 10.1 und 10.2 sowie in Strömungsrichtung 3 hinter den Mündungen der Auslassöffnungen 2.1 und/oder 2.2 angeordnet oder auf diese Bereiche gerichtet sein können.
Die Heizeinrichtung 7 kann mit einem elektrischen Widerstandsheizer, einem Plasmabrenner und/oder einem chemischen Brenner gebildet sein, je nach dem welche Art Treibfluid, welche Ruhetemperatur und/oder welches Schmelzgut eingesetzt werden.
Gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Strömungskanal 10.1 einen in Strömungsrichtung 3 konstanten Strömungsquerschnitt auf. Bei einer hier nicht gezeigten Ausführungsform weist der Strömungskanal einen konvergierenden Strömungsquerschnitt auf. In diesem Fall bilden die Strömungskanäle 10.1 und 10.2 einen gemeinsamen Strömungskanal für Treibfluid in Form einer Lavaldüse, wobei der kleinste Strömungsquerschnitt an der Mündung des Treibfluidrohrs 4 ausgebildet ist.
Im vorliegenden Beispiel sind im Bereich der Mündung des Auslaufsteins 17 durch die Anordnungen 16 (Kühlungseinrichtung) zwei weitere Strömungskanäle 11 für Fluidströme 11.1 gebildet, wobei die Mündungen 12 der Strömungskanäle 11 zur Beeinflussung des Treibfluidstroms 3.1 auf den Mündungsbereich der Auslassöffnung 2.2 gerichtet sind. Die Anordnung der Mündungen 12 ermöglicht bei geeigneter Strömungsgeschwindigkeit eine Kreuzung 9 der Fluidströmungen 11.1 im Bereich des Treibfluidstroms 3.1. Dadurch ist es möglich, den Treibfluidstrom 3.1 in einen für die Primär- und Sekundärzerstäubung günstigen Arbeitsbereich A (schraffiert dargestellt) zu begrenzen. Im Beispiel der 1 ist der Arbeitsbereich A zwischen der Auslassöffnung 2.1 und der Kreuzung 9 der Fluidströme 11.1 gebildet. Zweckgemäß sind Temperatursensoren (nicht gezeigt) auf den Arbeitsbereich A gerichtet oder dort angeordnet, um eine für die Ruhetemperaturregelung erforderliche Datenerfassung der Heizeinrichtung 7 zu gewährleisten.
Nachfolgend wird ein Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielhaft anhand der 1 näher erläutert.
Zunächst wird ein schmelzbares Material durch Energiezufuhr im Schmelztiegel 1 geschmolzen. Dabei sollte eine ausreichende Energiezufuhr bereitgestellt werden, so dass die Schmelze 6 eine geeignete Fließfähigkeit erreicht, um nach dem Abheben des Treibfluidrohrs 4 durch den dadurch geöffneten Ringspalt 5 in die vom Treibfluidstrom 3.1 durchströmte Auslassöffnung 2.1 zu gelangen. An dieser Eintrittsstelle in die Auslassöffnung 2.1 weist der Treibfluidstrom 3.1 Schallgeschwindigkeit auf, so dass das eintretende Schmelzgut 6 infolge der Treibfluidströmung 3.1 beschleunigt wird. Dabei wirken aerodynamischen Kräfte, die das Schmelzgut an die Innenwand des Strömungskanals 10.2 drängen. Es bildet sich ein dünner Film bzw. eine dünne Schicht der Schmelze, die wandseitig eine deutlich geringere Fließgeschwindigkeit aufweist. Die Differenz zur strömungsseitigen Fließgeschwindigkeit verursacht innerhalb des Schmelzfilms Scherspannungen, die zum Abreißen des Schmelzfilms führen und dadurch die Primärzerstäubung induzieren.
So kann die Primärzerstäubung der Schmelze bereits unmittelbar nach Eintritt in die Auslassöffnung 2.1 einsetzen, wobei Tropfen 13 der Schmelze 6 mit dem Treibfluidstrom 3.1 mitgerissen werden. Am Ausgang der Auslassöffnung 2.2 sind die ersten Mach'schen Stöße 14 angedeutet, die eine weitere Zerteilung (Sekundärzerstäubung) gebildeter Tropfen bewirken. Mach'sche Stöße sind unstetige Druck-, Dichte- und Geschwindigkeitsänderungen beim Übergang von Überschall- auf Unterschallströmung. Im weiteren Strömungsverlauf treffen die Fluidströmungen 11.1, die eine geringere Temperatur als der Treibfluidstrom 3.1 aufweisen, im Kreuzungspunkt 9 auf die Tropfen 13 und kühlen diese ab. An den Grenzflächen zwischen den Fluidströmen 11.1 und dem Treibfluidstrom 3.1 führt die Temperaturänderung im Kühl und Mischbereich 15 zum Erstarren der gebildeten Partikel. Somit wird die Sekundärzerstäubung unterbrochen und im vorliegenden Fall der Arbeitsbereich begrenzt.
Eine Kompensation der im Strömungskanal 10.2 aufgrund der Expansion des Treibfluidstroms 3.1 hervorgerufenen Temperaturänderung unterhalb einer für die Primär- und/oder Sekundärzerstäubung günstigen Arbeitstemperatur erfolgt durch Regulierung bzw. Erhöhung der Ruhetemperatur des Treibfluids an der Heizeinrichtung 7. Dabei kann die Regulierung der Ruhetemperatur auf Basis von Temperatursensoren erfolgen oder voreingestellt sein, sofern entsprechende Tabellenwerte vorliegen.
Die nachfolgende Tabelle zeigt ein Beispiel für eine Voreinstellung der Temperatur T₀ mittels der Heizungseinrichtung 7, um an der Auslassöffnung 2.1 im Expansionsbereich des Treibfluidstroms 3.1 bei einer Strömungsgeschwindigkeit des Treibfluids gleich der Schallgeschwindigkeit eine Temperatur gleich der Schmelztemperatur T_S zu erhalten. Dabei erfolgt die Kompensation nach der Beziehung: T₀ = (1 + (k – 1)/2)T_S (1) wobei k der adiabatische Exponent, T₀ die Ruhetemperatur und T_S die Temperatur bei Schallgeschwindigkeit des Treibfluids sind.

Fluid Adiabatischer Exponent Einzustellende Ruhetemperatur T₀ Fluidbeispiel

Edelgas, einatomig 1,66 T₀ = 1,33 T_S Argon, Helium

Zweiatomiges Gas 1,40 T₀ = 1,2 T_S Luft, Stickstoff

Tabelle 1: Erforderliche Ruhetemperatur bei Schallgeschwindigkeit des Treibfluids
Die vorstehende Tabelle 1 verdeutlicht den Zusammenhang zwischen der erforderlichen Ruhetemperatur des Treibfluids und der Schmelztemperatur (in Grad Kelvin) in Abhängigkeit von der Art des Treibfluids, das für die Primärzerstäubung eingesetzt wird.
Bei einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Schmelzgut oberhalb seiner Schmelztemperatur erhitzt. In diesem Fall muss weniger Energie für die Temperaturanpassungen im Expansionsbereich aufgewendet werden. Es kann ausreichen, wenn die Ruhetemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Schmelzgutes 6 eingestellt wird. Dabei ist zu beachten, dass die Gefahr des Einfrierens mit fallender Fluidtemperatur zunimmt. Dies kann eine Anpassung der Größe des Ringspaltes 5 erforderlich machen.
Je nach Schmelzgut und Treibfluid ergeben sich verschiedene Temperaturbeziehungen, die im Anwendungsfall empirisch bestimmt werden können.
Soll eine bestimmte Partikelgröße und/oder Partikelform realisiert werden, so wird in Abhängigkeit vom Treibfluid und Schmelzgut 6 ein Arbeitsbereich A definiert, in dem besonders günstige Bedingungen für die Primär- und Sekundärzerstäubung des Schmelzgutes bereitgestellt werden können. Dabei wird die Ruhetemperatur so eingestellt, dass die Arbeitstemperatur im Arbeitsbereich A, der sich gemäß 1 zwischen der Auslassöffnung 2.1 und der Kreuzung 9 der Fluidströme 11.1 befinden kann, nicht unterschritten wird. Für besonders kleine Partikel wird die Arbeitstemperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Schmelzgutes eingestellt.
Je nach Art des Schmelzgutes können für die Temperaturanpassung bzw. Temperaturkompensation unterschiedliche Ruhetemperaturen erforderlich sein. So hat es sich gezeigt, dass die zum Schmelzen von Zinn oder Kupfer erforderliche Energie mittels Widerstandsheizung bereitgestellt werden kann. Zum Schmelzen von keramischen Materialien sind höhere Temperaturen erforderlich, die beispielsweise mit einem Plasmabrenner erreicht werden können. In diesem Fall bietet es sich an, die Schmelze vor Eintritt in die Auslassöffnung 2.1 zu überhitzen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1190996 A2 [0008]

Claims

Vorrichtung zum Zerstäuben von Schmelzen, aufweisend einen Schmelztiegel (1) mit mindestens einer Auslassöffnung (2.1), die einen in Strömungsrichtung (3) zumindest teilweise divergierenden Strömungskanal (10.2) aufweist, und ein Treibfluidrohr (4) mit Strömungskanal (10.1) zur Förderung von Treibfluid in die Auslassöffnung (2.1), wobei das Treibfluidrohr (4) derart angeordnet ist, dass zwischen der Unterkante und/oder dem Außenumfang des Treibfluidrohrs (4) und der Innenkannte und/oder dem Innenumfang der Auslassöffnung (2.1) eine Spaltöffnung (5) zum Durchfluss von Schmelzgut (6) gebildet ist, und eine Heizeinrichtung (7), mit der eine Ruhetemperatur des Treibfluids derart einstellbar und/oder regelbar ist, dass eine Temperaturänderung des Treibfluidstroms (3.1) in den Strömungskanälen (10.1/10.2) ausgleichbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung (3) des Treibfluids zumindest im Strömungskanal (10.2) der Auslassöffnung (2.1) ein Arbeitsbereich (A) gebildet ist, in dem eine vorgebbare Arbeitstemperatur des Treibfluidstroms (3.1) eingehalten ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ruhetemperatur derart regelbar ist, dass die Arbeitstemperatur im Arbeitsbereich (A) nicht unterhalb von 70% der Schmelztemperatur des Schmelzgutes (6), bevorzugt auf mindestens 100% der Schmelztemperatur des Schmelzgutes (6), besonders bevorzugt auf mindestens 130% der Schmelztemperatur des Schmelzgutes (6) gehalten ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibfluidrohr koaxial zur mittleren Achse der Auslassöffnung angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungskanal (10.1) des Treibfluidrohrs (4) in Mündungsrichtung einen konstanten, vorzugsweise konvergierenden Strömungsquerschnitt aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (10.1/10.2) in Form einer Lavaldüse ausgebildet sind, wobei der kleinste Strömungsquerschnitt an der Mündung des Strömungskanals (10.1) des Treibfluidrohrs (4) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Auslassöffnung (12) für mindestens einen weiteren Fluidstrom (11.1) vorgesehen ist, der den Treibfluidstrom zumindest bereichsweise durchströmt und/oder den Arbeitsbereich in seiner räumlichen Ausdehnung begrenzt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibfluidrohr (4) und/oder der Schmelztiegel (6) zum Einstellen eines Abstandes zwischen dem Treibfluidrohr (4) und dem der Schmelztiegel (6) höhenverstellbar ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (10.2) in einem Auslaufstein (17) gebildet ist, der an der Auslassöffnung (2.1) austauschbar mit dem Schmelztiegel (6) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (7) mit einem elektrischen Widerstandsheizer, mit einem Plasmabrenner und/oder mit einem chemischen Brenner gebildet ist.
Verfahren zum Zerstäuben von Schmelzen, bei dem Schmelzgut (6), das durch eine Spaltöffnung (5) in einen von Treibfluid durchströmten Strömungskanal (10.2) einer Auslassöffnung (2.1) gelangt, bei Kontakt mit dem Treibfluidstrom (3.1) entlang der Innenwand des Strömungskanals (10.2) beschleunigt wird, wobei eine Temperaturänderung des Treibfluidstroms (3.1) zumindest im Strömungskanal (10.2) durch eine Anpassung der Ruhetemperatur des Treibfluids ausgeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung (3) des Treibfluids zumindest in einem Expansionsbereich des Strömungskanals (10.2) ein Arbeitsbereich (A) gebildet wird, in dem eine vorgebbare Arbeitstemperatur des Treibfluidstroms (3.1) eingehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ruhetemperatur des Treibfluids derart eingestellt wird, dass im Arbeitsbereich (A) eine Arbeitstemperatur eingehalten wird, die nicht unterhalb von 70% der Schmelztemperatur des Schmelzgutes (6) liegt, bevorzugt mindestens 100% der Schmelztemperatur des Schmelzgutes (6) entspricht, besonders bevorzugt mindestens 130% der Schmelztemperatur des Schmelzgutes (6) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibfluid im Strömungskanal (10.2) auf zumindest 50% Schallgeschwindigkeit, vorzugsweise auf Schallgeschwindigkeit, besonders bevorzugt auf 200% Schallgeschwindigkeit beschleunigt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Arbeitsbereich (A) von mindestens einem weiteren Fluidstrom (11.1), der den Treibfluidstrom (3.1) zumindest bereichsweise durchströmt, begrenzt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine weitere Fluidstrom (11.1) eine gegenüber dem Treibfluidstrom (3.1) ungleiche Temperatur, vorzugsweise geringere Temperatur aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Ruhetemperatur in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Treibfluidstroms (3.1) an der Spaltöffnung (5) und/oder in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Treibfluidstroms (3.1) im Expansionsbereich, geregelt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Treibfluide und weitere Fluide vorzugsweise ein- und/oder mehratomige Gase und/oder Dämpfe eingesetzt werden.