DE2456682C3 - Verfahren zum Zerstäuben eines Metallstrahls - Google Patents

Description

log

dm

worin

dm den mittleren Gewichtsdurchmesser der Pulverteilchen bedeutet, den man erzielen will, und
da den Durchmesser des Metallstrahles,
K einen Funktionskoeffizienten der Gasnatur,
We die Weberzahl

ρ
V

die Dichte des Metalls,

die Geschwindigkeit der Gasmoleküle

Auftreffpunkt und

ö die Oberflächenenergie des flüssigen Metalles
bedeuten.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerstäuben eines Strahles aus geschmolzenem Metall durch Aufblasen eines aus mindestens einer Düse austretenden Druckgasstrahls auf den flüssigen Metallstrahl, wobei die Gasmoleküle anfänglich mit örtlicher Schallgeschwindigkeit austreten und innerhalb des Bereiches der örtlichen Schallgeschwindigkeit eine Stoßwellenzone bilden, und danach an Geschwindigkeit verlieren.

Es sind schon Verfahren ähnlich der vorgenannten Art zur Herstellung von Metallpulver aus flüssigem Metall bekannt, bei welchen man in den oberen Teil großer senkrechter Gefäße, sogenannter Reaktoren, einen flüssigen Metallstrahl mittels einer Gießpfanne einführt und diesen flüssigen Strahl am Eintritt des Reaktors durch vorzugsweise neutrale Gasstrahlen zu feinen Tröpfchen aufteilen, die sich unter Entstehung von Pulver abkühlen, das man am Boden des Reaktors sammelt.

Die praktische Durchführung dieses bekannten Verfahrens ist jedoch mit mehreren Mängeln behaftet, insbesondere einem Rückschlag von Metalltröpfchen zu den Düsen, die zu einer Verstopfung dieser Düsenmundstücke führen können, einer übertriebenen Ausbreitung der Tröpfchenwolke, von denen eine gewisse Anzahl auf die Behälterwände vor der Verfestigung auftrifft, und eine mangelhafte Form gewisser Teilchen des erhaltenen Pjlvers in Gestalt von Nadeln, Plättchen usw., was in gewissen Fällen, insbesondere bei der Siebung, stört. Dieses Zerstäubungsverfahren durch Gasstrahlen führt außerdem meistens zu einem außerordentlich hohen Gasverbrauch.

Das erfindungsgemäße Verfahren richtet sich auf die

ίο Verdüsung von Gasen, wobei zu bemerken ist, daß Flüssigkeiten nicht die Erscheinung einer Stoßwellenzone ergeben.

In den technischen Berichten DEW, 12. Band, 1972, Heft 1 sind Verdüsungsverfahren beschrieben, bei denen die Gasstrahlen mit Unterschallgeschwindigkeit auf den Metallstrahl auftreffen. Ausgehend von der Austrittsöffnung der Gasinjektordüse besteht bekanntermaßen eine Zone, in welcher die Geschwindigkeit der Moleküle gleich der örtlichen Schallgeschwindigkeit ist, und zwar soll dies auch für Düsen gelten, die nicht dafür vorgesehen sind, Ultraschall zu entwickeln.

Daraus folgt, daß bei dieser Pulverisiervorrichtung selbst bei Benutzung normaler Düsen, also nicht bei Benutzung von Laval-Düsen, die Gasmoleküle auf das Metall mit einer Geschwindigkeit auftreffen können, die gleich der örtlichen Schallgeschwindigkeit ist. Der Fachmann erhält hierbei keine Anregung, den Zusammenstoß zwischen den Gasmolekülen und dem Metall innerhalb oder außerhalb der Stoßwellenzone vorzusehen, sondern im bekannten Fall ist es vielmehr auch möglich, die Stoßwellenzone bis in den Metallstrahl hineinzuführen. Dann aber haben die Gasmoleküle im Augenblick des Zusammenstoßes mit dem Metallstrahl örtliche Schallgeschwindigkeit, und es treten die vorgenannten Nachteile auf, daß Metalltröpfchen zu den Injektordüsen aufsteigen, diese verstopfen oder daß eine übertriebene Ausbreitung der Tröpfchenwolke auftritt mit der Folge einer mangelhaften Ausbildung der Pulverteilchen in Gestalt von Nadeln usw.

Aus der deutschen Patentschrift 8 47 675 ist ferner eine Ringdüse zur Herstellung von Pulver durch Zerstäuben von Metallschmelzen mittels Gasen bekannt, wobei der Metallstrahl in freiem Fall durch die Düse geführt wird. Es ist dort auch die Erscheinung beschrieben, daß durch die Verdüsungsstrahlen flüssige Metalltröpfchen gegen die Düse zurückgeschleudert werden können und zu deren Verstopfen führen. Das Zerstäubungsmittel kann hierbei durch die Ringdüsen kegelförmig auf den Metallstrahl geblasen werden. Als Abhilfemaßnahme ist dort beschrieben, daß die schädlichen Ansätze in der Düse dann nicht auftreten, wenn die Halbierungslinie des von der Innen- und von der Außenfläche des Düsenmundstückes gebildeten Winkels zu dem Metallstrahl bei nicht mehr als 20°, vorzugsweise zwischen 1 und 5° liegt. Eine Anweisung an den Fachmann, die Stoßwellenzone bzw. deren Länge als Parameter bei der Verhinderung des unerwünschten Metallrückschlages gegen die Düse zu verwenden, ist aber nicht beschrieben,

Aufgabe der Erfindung ist es, einen optimalen Abstand zwischen Düse und Auftreffstelle des Gases auf den Metallstrahl bei geringstmöglichem Gasverbrauch, wirksamer Zerstäubung und unter Vermeidung der Rückschlaggefahr zu gewährleisten.

fts Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Abstand zwischen dem Vorderende der Stoßwellenzone und der Auftreffstelle auf dem Metallstrahl derart klein gewählt wird, daß die Geschwindig-

keit der auftreffenden Gasmoleküle 90% der örtlichen Schallgeschwindigkeit beträgt. Unter örtlicher Schallgeschwindigkeit ist hier die Schallgeschwindigkeit unter den örtlichen Temperatur- und Druckbedingungen zu verstehen, !n vorteilhafter Weise kann man erfindungsgemäß die beim Verdüsen von Metall sich vor der Düse im Zerstäubungsmedium bildende Stoßwelle dazu benutzen, bei einem optimalen Ausnutzungsgrad des zur Verdüsung benutzten Druckgases den Metallrückschlag gegen die Düse mit Sicherheit zu verhindern. Gleichzeitig wird der Gasverbrauch erheblich herabgesetzt, denn die maximale Geschwindigkeit der Moleküle gestattet eine geringste Strömungsmenge des Gases.

Von Abramovitch gemäß seiner Arbeit »Serie of Turbulent Jets« (MIT Press 1966) durchgeführte Versuche haben gezeigt, daß die Länge der Stoßwellenzone im wesentlichen eine Funktion der Gasart, des Einsprühdaickes und des Durchmessers der Injektordüse ist. Die von den Erfindern durchgeführten Untersuchungen und erlangten Erfahrungen haben dann zu der Schlußfolgerung geführt, daß die verschiedenen vorstehend genannten Mängel eng mit dem Vorhandensein der Stoßwellenzone und insbesondere mit der Lage des Auftreffpunktes des Gasstrahles auf das flüssige Metall relativ zu dieser Zone verknüpft sind. Wichtig ist also, daß die Moleküle des Gases im Augenblick des Auftreffens auf das Metall die oben angegebenen Geschwindigkeit kleiner als die örtliche Schallgeschwindigkeit haben. Der Auftreffpunkt der Gasmoleküle befindet sich infolgedessen außerhalb der Stoßwellenzone, was den ungünstigen Einfluß dieser Stoßwellen ausschaltet.

In weiterer vorteilhafter Ausbildung der Erfindung hat man es für zweckmäßig angesehen, wenn man das Verhältnis zwischen der Massenströmungsmenge A des Gases und der Massenströmungsmenge M des Metalls auf einen Wert eingeregelt, welcher der Gleichung entspricht

log

worin die hier angegebenen Parameter die im Anspruch 2 gegebene Bedeutung haben.

Durch die neue Erfindung sind dem Fachmann klare Maßnahmen an die Hand gegeben, daß man durch Ausgestaltung der Stoßwelle bzw. durch genaue Einregelung des Auftreffpunktes der Gasmoleküle auf dem Metallstrahl ein Verdüsungsverfahren erreicht, bei welchem die Gasstrahlen mit Unterschallgeschwindigkeit auf den Metallstrahl auftreffen und somit der Metallrückschlag und die Verstopfung der Düsen, ferner die übertriebene Ausbreitung der Tröpfchenwolke und die mangelhafte Form gewisser Teilchen des erhaltenen Pulvers in Gestalt von Nadeln usw. vermieden sind.

Nachstehend wird das Verfahren gemäß der Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben, die lediglich zur Erläuterung dienen.

Gemäß einer Ausführungsform stellt man ein Pulver aus flüssigem Stahl unter Benutzung eines Injektors von 2,5 mm Durchmesser her, der mit Argon von einem Druck von 20 Bar gespeist wird. Die vorstehend genannten Untersuchungen von Abramovitch gestatten die Schlußfolgerung, daß bei einem solchen Injektor und einem solchen Argondruck die Länge der Stoßwellenzone 87,5 mm beträgt. Der Abstand zwischen dem Austrittsende des Rohres und dem flüssigen Metallstrahl wurde dann zu einem Wert von 100 mm gewählt, was einer Geschwindigkeit der Gasmoleküle von 238 m/Sek., d. h. einer etwas kleineren Geschwindigkeit als der örtlichen Schallgeschwindigkeit in Argon entspricht, die etwa 265 m/Sek. beträgt. Unter diesen Bedingungen wurde kein merklicher Wiederaufstieg der Metalltröpfchen zu den Injektoren festgestellt, und die Streuung der Tröpfchenwolke war schwach genug, daß sich keine Aufschleuderung von Tröpfchen auf die

ίο Behälterwandung vor ihrer Verfestigung ergab. Andererseits war das erhaltene Pulver frei oder praktisch frei von Teilchen in Form von Schuppen oder Nadeln, wie mikroskopische Untersuchungen zeigten.
Andererseits wurde festgestellt, daß bei den oben definierten Geschwindigkeitsbedingungen der Gasmoleküle beim Auftreffen auf das flüssige Metall, d. h. bei V kleiner als die örtliche Schallgeschwindigkeit ein optimalen Wert des Verhältnisses zwischen der Massenströmung des Gases (A) und der Massenströmung des flüssigen Metalls (M) besteht, der insbesondere die Erreichung eines geringsten Verbrauches an Versprühungsgas gestattet Dieser Optimalwert des Verhältnisses wird erhalten, wenn man die folgende Gleichung beachtet:

log

dm

= ^K Og -TT

We,

worin dm der durchschnittliche Gewichtsdurchmesser der erhaltenen Pulverteilchen ist, da der Durchmesser des zu versprühenden flüssigen Metallstrahles ist, We die Weberzahl ist,d. h.

We =

P V² da

Hierin bedeutet Pdie Dichte des flüssigen Metalls, Vdie Geschwindigkeit jedes Gasstrahles beim Auftreffen auf das flüssige Metall, 6 die Oberflächenenergie des flüssigen Metalls.

K ist ein Koeffizient, der sich in Funktion, insbesondere der Natur der Versprühungsgases, etwas ändert, jedoch immer zwischen -0,5 und -0,7 liegt und vorzugsweise nahe —0,57 gewählt wird.

Gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung, die diesem Optimalwert Rechnung trägt, erhält man aus flüssigem Stahl ein aus kugeligen Teilchen gebildetes Pulver einer durchschnittlichen Körnung

nahe 140 μ bei Werten des Verhältnisses von -rr- der

Massengasströmung zur Massenmetallströmungsmenge von 0,2 für eine Versprühung mittels Stickstoff und von 0,3 für eine Versprühung mittels Argon unter Verwendung einer Versprühvorrichtung, die mit Injektoren ausgerüstet ist, deren Kennzeichen (Durchmesser, Abstand eines Injektors vom Auftreffpunkt usw.) aufgrund der Gleichung 1 berechnet sind. Die Anzahl dieser Injektoren beträgt 4.

Die Erfindung ist keineswegs auf Metallpulver oder auf die Verwendung von Stickstoff oder Argon beschränkt, sondern läßt sich unter denselben Bedingungen auf andere Metalle oder Metallegierungen sowie auf andere Gase anwenden, obgleich neutrale Gase wegen ihrer chemischen Inaktivität bevorzugt werden.

6s Im übrigen kann die Ausrichtung der Injektoren zu der Ausströmrichtung des Metalls und ebenso ihre Zahl und Verteilung beliebig sein.

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Zerstäuben eines Strahls aus geschmolzenem Metall durch Ausblasen eines aus mindestens einer Düse austretenden Durchgasstrahls auf den flüssigen Metallstrahl, wobei die Gasmoleküle aus der Düse anfänglich mit örtlicher Schallgeschwindigkeit austreten und innerhalb des Bereiches der örtlichen Schallgeschwindigkeit eine Stoßwellenzone bilden, und danach an Geschwindigkeit verlieren, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen dem Vorderende der Stoßwellenzone und der Auftreffstelle auf den Metallstrahl derart klein gewählt wird, daß die Geschwindigkeit der auftreffenden Gasmoleküie 90% der örtlichen Schallgeschwindigkeit beträgt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis der Massenströmungsmenge A des Gases und der Massenströmungsmenge M des Metalls auf einen Wert eingeregelt wird, welcher der Gleichung entspricht