DE1153228B

DE1153228B - Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten, insbesondere zum Zerkleinern oder Aufschliessen eines Materials

Info

Publication number: DE1153228B
Application number: DEK36737A
Authority: DE
Inventors: Eric Nilsson; Sven Nilsson; Erik Hagelin
Original assignee: KOHLSWA JERNVERKS AB
Current assignee: KOHLSWA JERNVERKS AB
Priority date: 1958-01-17
Filing date: 1959-01-16
Publication date: 1963-08-22
Also published as: FR1227274A

Description

Verfahren und Vorrichtung zum Bearbeiten, insbesondere zum Zerkleinern oder Aufschließen eines Materials Das übliche Verfahren, um Metalle und andere feste Stoffe zu pulverisieren, besteht darin, daß diese Stoffe in Mühlen oder ähnlichen Anlagen zermahlen werden. Es ist auch bekannt, ein geschmolzenes Metall in einem oder mehreren Strahlen auf eine sich mit hoher Geschwindigkeit drehende Scheibe zu lenken, so daß das Metall zu feinen Drähten oder Strängen erstarrt, die dann zu Pulver zermahlen werden. Weiterhin ist es bekannt, gegen einen Strahl geschmolzenen Metalls Luft oder ein Gas zu blasen und ihn dadurch zu pulverisieren. Hierbei ist es weiterhin bekannt, den Luftstrahl zur Erzeugung eines Verdichtungsstoßes mit überschallgeschwindigkeit konzentrisch der Oberfläche des Metallschmelzenstrahles zuzuleiten.
Das nach den bisher bekannten Verfahren hergestellte Pulver enthält jedoch sehr unterschiedliche Korngrößen. Auch konnten mit Gas- oder Luftstrahlen, auch wenn diese der Erzeugung eines Verdichtungsstoßes mit Überschallgeschwindigkeit konzentrisch der Oberfläche des Materials zugeleitet wurden, nur Flüssigkeiten, z. B. Metallschmelzen, zerstäubt werden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das zuletzt erwähnte, ein mit Oberschallgeschwindigkeit konzentrisch der Oberfläche des Materials zugeleiteten Gasstrom benutzende Verfahren so zu verbessern, daß eine gute und gleichmäßige Zerkleinerung in feinste Teilchen von etwa 0,1 bis 100[. nicht nur von Material in flüssigem, sondern auch in festem Aggregatzustand ermöglicht wird.
Diese Aufgabe ist nach dem erfindungsgemäßen Verfahren dadurch gelöst, daß im Gasstrom in an sich bekannter Weise eine mit Ultraschallfrequenz schwingende Stoßfront erzeugt wird. Dadurch wird erreicht, daß im Gegensatz zu dem bekannten Verfahren, bei dem eine durch den Verdichtungsstoß erzeugte ruhende Stoßfront verursacht wird, die nur einen Druck bewirkt, nach dem erfindungsgemäßen Verfahren nunmehr auf das Material eine mit Ultraschallfrequenz schwingende Stoßfront einwirkt, deren Wirkung mit Ultraschallfrequenz erfolgenden Schlägen entspricht. Da die durch die schwingende Stoßfront erzeugten Stoßwellen gemäß der Erfindung infolge ihrer großen Amplitude und großen Geschwindigkeit von dem Material, auf das sie auftreffen, zum größten Teil absorbiert werden, wird praktisch die ganze Energie der schwingenden Stoßfront auf das Material übertragen und dient dort zur Bearbeitung und insbesondere zum Zerkleinern, Pulverisieren, Zerstäuben oder Aufschließen desselben.
Im Buch von Bergmann, »Der Ultraschall« (1954), ist auf den Seiten 30 bis 39 bereits ein Gasstrom-Schwinggenerator nach Hartmann beschrieben, der im wesentlichen aus einer Düse und einem gegenüberliegenden Hohlraum als Resonator besteht und mit dem mit Ultraschallfrequenz schwingende Stoßwellen erzeugt werden. Das Wesen der Erfindung besteht demgegenüber darin, die von diesen mit großer Amplitude erzeugten Stoßwellen mit überschallgeschwindigkeit abgestrahlten Impulse konzentrisch auf den zu bearbeitenden Körper zu richten.
Nun ist im Bild 17 (Seite 36) des zitierten Buches von Bergmann bereits eine Vorrichtung zur Bündelung der von einer Schallpfeife erzeugten Ultraschallschwingungen beschrieben. Diese Vorrichtung konnte aber keine Anregung in Richtung der Erfindung geben, da Stoßwellen, die beim Gegenstand der Erfindung ausschließlich ausgenutzt werden, infolge ihrer großen Amplitude und größeren Geschwindigkeit ein grundsätzlich anderes Stoßverhalten an festen Wänden zeigen als Schallwellen. Sie werden nämlich von festen Wänden größtenteils absorbiert, während Schallwellen, wie die zitierte Vorrichtung zeigt, von festen Wänden nahezu vollständig reflektiert werden. Das Verfahren gemäß der Erfindung unterscheidet sich also von dem bei der bekannten Vorrichtung zur Bündelung der von einer Schallpfeife erzeugten Ultraschallschwingungen angewandten Verfahren dadurch, daß die von einem an sich bekannten Ultraschallgenerator erzeugten energiereichen Stoßwellen mit einer möglichst großen Energiedichte unmittelbar auf den zu bearbeitenden Körper gerichtet werden.
Besonders vorteilhafte Verhältnisse' ergeben sich, wenn als zu bearbeitendes Material ein fester, vorzugsweise metallischer Stoff und als Gas ein inertes oder reduzierendes Gas verwendet werden. Auch kann es von Vorteil sein, daß das Gas vorgewärmt wird. Besonders vorteilhafte Ergebnisse ergeben sich bei Ultraschallfrequenzen von 40 bis 100 kHz.
Die Erfindung bezieht sich auch auf eine Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens gemäß der Erfindung, bei der in bekannter Weise mindestens eine Austrittsöffnung einer Gaszuleitung ringförmig um die Bearbeitungsstelle des Materials angeordnet ist. Die Erfindung besteht darin, daß in der Gaszuleitung unmittelbar vor der Austrittsöffnung ein an sich bekannter Generator zum Erzeugen von Stoßwellen von Ultraschallfrequenz vorgesehen ist. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, die Stoßwellen durch die Austrittsöffnung gebündelt unmittelbar der Bearbeitungsstelle des Materials zuzuführen, ohne daß diese Wellen vorher an festen Wänden reflektiert werden müssen. Hierbei ist es vorteilhaft, die Austrittsöffnungen für den Gasstrom im wesentlichen quer zur Materialzuführungsrichtung anzuordnen. Dadurch wird eine konzentrische Bündelung der Stoßwellen und gleichzeitig eine sukzessive Bearbeitung des jeweils zugeführten Materials erreicht.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist ein nach dem Prinzip des Hartmann-Generators ausgebildeter Ultraschallfrequenzgenerator vorgesehen. Nach einer anderen vorteilhaften Ausführungsform weist die Gaszuleitung mehrere Düsen auf, und die Austrittsöffnungen sind in einer gegenüber diesen Düsen drehbaren ringförmigen Wand angeordnet, so daß dadurch ein Generator nach dem bekannten Prinzip der rotierenden Lochsirene geschaffen wird.
Mit dem Verfahren und mit den Vorrichtungen gemäß der Erfindung kann nicht nur festes und flüssiges Material, insbesondere Metall, sehr fein und gleichmäßig pulverisiert werden, sondern es ist auch möglich, andere, z. B. organische Stoffe aufzuschließen oder zu zerkleinern.
Die Erfindung ist in der folgenden Beschreibung an Hand zweier Ausführungsbeispiele im einzelnen erläutert. Es zeigt Fig.1 einen Vertikalschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung, Fig. 2 einen Ausschnitt aus Fig. 1 in größerer Darstellung, Fig. 3 einen Vertikalschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel einer .Vorrichtung gemäß der Erfindung.
In Fig. 1 ist- ein Schmelztiegel 1 mit einer elektrischen Heizvorrichtung 2 zum Schmelzen eines. in ihn eingebrachten Metalls 3 (z. B. Zink oder Blei) versehen. Durch ein Loch 4 im Boden des Tiegels 1 strömt ein Strahls des geschmolzenen Metalls und fällt in einen Mittelkanal 6 eines Stoßwellenerzeugers7, wo das Metall pulverisiert wird. Das pulverisierte Metall wird in einem Behälter 7 a gesammelt. Wie aus Fig. 2 ersichtlich, besteht der Stoßwellenerzeuger aus drei Hauptteilen 8, 9 und 10, die miteinander starr, beispielsweise mittels Schraubgewinden 11, -12 verbunden sind. Die Teile 8, 9 und 10 sind im wesentlichen ringförmig. Das Teil 8 bildet den Mittelkanal 6, der mit feuerfestem (z. B. keramischem:) Material verkleidet sein kann. An diesem Teil befindet sich ein Kranz kleiner Sacklöcher 13. Auf jeder Seite eines jeden Sackloches 13 sind Vertiefungen 14 und 15 vorgesehen.
In dem Teil 9 sind Vertiefungen 16 und 17 direkt vor den Vertiefungen 14 bzw. 15 derart angeordnet, daß die Vertiefungen 14 und 16 gemeinsam einen und die Vertiefungen 15 und 17 gemeinsam einen weiteren Hohlraum bilden. Diese Räume kann man als Reflektoren und Resonanzräume bezeichnen. Ein Spalt 18 erstreckt sich von den Vertiefungen 15; 17 an den Sacklöchern 13 vorüber in den Mittelkanal 6 und bildet dadurch eine in diesen mündende ringförmige Austrittsöffnung 18'. Konzentrisch mit jedem Sackloch 13 ist eine Düse 19 angeordnet. Diese Düsen 19 stehen ihrerseits in Verbindung mit einer durch die Teile 9 und 10 gebildeten kreisförmigen Druckkammer 20, in die unter hohem (überkritischem) Druck (mindestens 0,9 atü, jedoch vorzugsweise 20 bis 40 atü) durch eine Leitung 21 ein Gas hineingeleitet wird.
Die beschriebene Vorrichtung arbeitet wie folgt: Beim Zuführen von Druckluft oder einem anderen Gas (z. B. Wasserstoff) durch die Leitung 21 und Ausströmen durch die Düsen 19 werden Stoßwellen erzeugt, die über den Spalt 18 auf die Mittellinie des Kanals 6 gerichtet werden und dort auf das zu pulverisierende Material s treffen. Die außerordentlich hohe sich auf eine kleine Stelle konzentrierende Energie der Stoßwellen bewirkt einen starken Pulverisierungseffekt, der in der Regel auch eine rasche Erhitzung mit sich bringt. Das pulverisierte Material fällt in den Behälter 7 a.
Es hat sich erwiesen, daß, selbst wenn der feste Stoff, z. B. ein Metall, sich während der Pulverisierang bis zum Glühen erhitzt, nur ein kleiner Prozentsatz Oxyd (etwa 2 bis 3'%) in dem pulverisierten Material im Behälter 7a erhalten wird, obwohl sich der Vorgang in Luft (also nicht in einer Schutzatmosphäre) abspielt.
Bei der Erzeugung der Stoßwellen in der dargestellten Vorrichtung handelt es sich um einen komplizierten Vorgang. Soweit bisher feststellbar ist, geht er etwa folgendermaßen in drei Etappen vor sich: 1. Primäre Stoßwellen werden erzeugt, wenn die Luft (das Gas) mit Überschallgeschwindigkeit durch die Düsen 19 entweicht.
2. In den Sacklöchern 13 werden Ultraschallwellen (mit Schallgeschwindigkeit) erzeugt.
3. Die primäre Stoßwelle, die eine gewölbte Wellenfront hat und im Spalt 18 instabil ist, erzeugt unter Einwirkung der Ultraschallwelle eine sekundäre Stoßwelle mit hohem Energiegehalt. Diese sekundären Stoßwellen haben den Charakter von Relaxations- oder Kippschwingungen, die infolge der Instabilitätsverhältnisse durch die Ultraschallwellen ausgelöst werden. Es handelt sich also bei den sekundären Stoßwellen um eine Reihe transienter überschallschwingungen mit gleicher Frequenz wie der der erzeugten Ultraschallwellen. Das durch eine Düse 19 mit überschallgeschwindigkeit hinausjagende Gas schafft somit eine Stoßwellenfront, die in Beziehung zur Mündung der Löcher 13 vor- und zurückpendelt. Da die Stoßwellenfront instabil ist, wirkt sie wie ein hin- und zurückgehender Kolben, der die sekundäre Stoßwelle (Relaxationswellen) erzeugt. Die Breite des Spaltes 18 muß sehr sorgfältig gewählt werden, damit tatsächlich Kippschwingungen erzeugt werden. Die Abmessung dieser Spaltbreite muß unter anderem im Hinblick auf die Machsche Zahl des ausströmenden Gases besdmmt werden.
Die Ultraschallwellen, die eine relativ kleine Energiedichte haben, werden in dem einen Resonator für die Ultraschallwellen bildenden Raum 15, 17 reflektiert. Die sekundären Stoßwellen, die überschallgeschwindigkeit und sehr große Energiedichte haben, werden wahrscheinlich in einem gewissen Ausmaß in dem Raum 15, 17 reflektiert. Die in dem Spalt 18 gebildeten Stoßwellen werden teilweise durch die Wände der Vertiefungen 14, 16 abgeleitet und zur Mittellinie des Kanals 6 gelenkt.
Den Stoßwellen wird somit eine Gestaltung vermittelt, die etwa einem Konus vergleichbar ist, dessen abwärts gerichtete Spitze (Scheitelpunkt) sich im wesentlichen in der Mitte des Kanals. 6 befindet. Der Winkel an der Konusspitze verändert sich ständig infolge der Schwingungen der Stoßwellenfront im Spalt 18 und der Reflektierungen gegen die Wände der Vertiefungen 14 und 16. Der Stoßwellenkonus erhält dadurch den Charakter eines sich rhythmisch öffnenden (entfaltenden) und sich dann in einem gewissen Maße schließenden Schirmes. Der Scheitelpunkt des Konus, d. h. der Konzentrationspunkt der Stoßwellen, wird deshalb axial entlang der Achse des Kanals 6, also ein Stück entlang dem Stab oder Strahl des zu pulverisierenden Metalls auf und ab pendeln.
Es ist hervorzuheben, daß die Ultraschallwellen kleine Amplituden und geringe Energiedichte haben und daß sie ferner leicht von festen Stoffen reflektiert werden (wobei es sich im wesentlichen um eine Totalflexion handelt). Aus diesem Grunde ist die Energieübertragung von Ultraschallwellen auf einen festen Körper nur gering.
Stoßwellen dagegen (mit überschallgeschwindib keit) haben große Energiedichte und werden in geringerem Maße vom festen Stoff reflektiert. Sie werden somit so stark vom festen Stoff absorbiert, daß ein starker Pulverisierungseffekt bewirkt wird. Dieser Effekt läßt sich durch Vorwärmung oder Schmelzen des Stoffes noch erhöhen, da dann die Energieübertragung von der Stoßwelle auf den Stoff noch verstärkt wird. Das durch die Leitung 21 zugeführte Gas kann gegebenenfalls vorgewärmt werden.
Die Energiedichte in Stoßwellen steigert sich mit dem Quadrat der Amplitude und dem Quadrat der Frequenz. Dies ist bei der Dimensionierung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zu beachten. Gebührende Beachtung ist ferner dem Druck und Charakter des Gases, der Größe, Gestaltung und relativen Lage der Vertiefungen, der Breite des Spaltes usw. zu widmen.
In dem in Fig. 3 gezeigten Ausführungsbeispiel hat ein ringförmiger Teil 22 eine ringförmige Kammer 23, in die Druckgas durch eine oder mehrere Leitungen 24 zugeführt wird. Das Druckgas strömt durch durch Düsen 25 in Richtung auf eine Löcher 27 aufweisende Wand 26' eines rotierenden Körpers 26. Ein Stab 28 aus Metall oder anderem festen Stoff wird in einem MittelkänalZ9 im Körper 26 eingeführt.
Auch in. diesem Fall werden Stoßwellen hoher Energiedichte erzeugt, die sich auf den Stab 28 konzentrieren und ihn pulverisieren.
Bei der Dimensionierung der Vorrichtung gemäß der Erfindung sind alle wesentlichen Faktoren sorgfältig zu beachten, so daß wirklich eine Stoßwelle erhalten wird, die sich auf ein Zentrum konzentriert (konvergiert) und ausreichend hohe Frequenz, z. B. 40 000 bis 100 000 Schwingungen pro, Sekunde, hat. In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung wurde ein Gasdruck von 30 atü und 80 000 Schwingungen pro Sekunde angewendet. Die Erfindung ist jedoch nicht nur auf diese Werte beschränkt.
Der Durchmesser der Löcher 13 kann etwas größer gehalten werden als der Durchmesser der Düsen 19. Andererseits können die Düsen 25 einen größeren Durchmesser erhalten als die Löcher 27. In gewissen Fällen können parallele Schlitze die Löcher ersetzen. Die Druckluft kann man somit durch einen ringförmigen Schlitz gegen eine Kante blasen, die ebenfalls ringförmig ist und einen Rand einer toroidförmigen Res.onatorkammer bildet. Direkt gegenüber dieser Resonatorkamm.ex liegt eine weitere, ebenfalls toroidförmige Resonatorkammer. Diese beiden Kammern wirken auch als Reflektoren (Ablenke.r), und in dem Schlitz oder Spalt zwischen ihnen werden die Stoßwellen erzeugt, die auf eine kleine Stelle konzentriert werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE: 1. Verfahren zum Bearbeiten, insbesondere zum Zerkleinern, Pulverisieren, Zerstäuben oder Aufschließen eines Materials, bei dem ein Gas zur Erzeugung eines Verdichtungsstoßes mit Überschallgeschwindigkeit konzentrisch der Oberfläche des Materials zugeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß im Gasstrom in an sich bekannter Weise eine mit Ultraschallfrequenz schwingende Stoßfront erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zu bearbeitende Material ein fester, vorzugsweise ein metallischer Stoff ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein inertes oder reduzierendes Gas verwendet wird.
4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gas vorgewärmt ist.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Ultraschallfrequenzen von 40 bis 100 kHz erzeugt werden.
6. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei der mindestens eine Austrittsöffnung einer Gaszuleitung ringförmig um die Bearbeitungsstelle des Materials angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß in: der Gaszuleitung (20, 23) unmittelbar vor der Austrittsöffnung (18', 27) ein an sich bekannter Generator zum Erzeugen von Stoßwellen von Ultraschallfrequenz vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der das zu bearbeitende Material der Bearbeitungsstelle zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsöffnung (18', 27) für den Gasstrom im wesentlichen quer zur Materialzufüh:rungsrichtung angeordnet ist. B. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein. nach dem Prinzip des Hartmann-Generators- ausgebildeter Ultraschallfrequenzerzeuger verwendet wird, 9. Vorrichtung nach Anspruch 8; dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein. Resonatonhohlrauen. (13) ringförmig um die ringförmige Austrittsöffnung (18') angeordnet ist und: daß die Gaszuleitungen (19) zu dem Resonatorhahlraum (13) und die Weiterleitung (1$) zur Austrittsöffnung (18') einen im wesentlichen rechten Winkel miteinander bilden. 10: Vorrichtung nach Anspruch 9; dadurch gekennzeichnet, daß die Verlängerungen der Weiterleitungsrichtungen zur ringförmigen Austrittsöffnung.(18') auf einem Kegelmantel liegen, dessen Scheitelpunkt in der Bearbeitungsstelle des Materials liegt. 11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der ringförmigen Austrittsöffnung (18') zugekehrten und abgekehrten Seite des bzw. der Hartmann-Generatoren erweiterte Hohlräume (14, 16 bzw. 15, 17)-vorgesehen sind. 12. Vorrichtung- nach einem- der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet; daß sie aus. mehreren den Zuführungskanal (6) für das zu bearbeitende Material umgebenden Ringen (8, 9 10) zusammengesetzt ist. 13. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Gaszuleitung (23) mehrere nach, innen gerichtete Düsen (25) aufweist und daß die Austrittsöffnungen (27) in einer gegenüber diesen Düsen drehbaren ringförmigen Wand (26') angeordnet sind. In Betracht gezogene Druckschriften: Deutsche Patentschriften Nr. 738 749; 950 422, 514 623, 180 904, 264 725, 758 686; österreichische Patentschrift Nr. 180 739; britische Patentschrift Nr. 712 699; Bergmann: »DerUltraschall«, 6. Auflage (1954), S. 30 bis 39 und 903;