DE2555715C2

DE2555715C2 - Vorrichtung zum Zerstäuben geschmolzenen Materials

Info

Publication number: DE2555715C2
Application number: DE2555715A
Authority: DE
Inventors: Stig A. Tierp Karlsson
Original assignee: Uddeholms AB
Current assignee: KLOSTER SPEEDSTEEL SOEDERFORS SE AB
Priority date: 1974-12-18
Filing date: 1975-12-11
Publication date: 1985-06-05
Also published as: FR2294787B1; US4233007A; GB1528964A; DE2555715A1; ATA959575A; SE394604B; JPS51108659A; JPS5910961B2; SE7415957L; BR7508333A; AT347991B; FR2294787A1; IT1052810B

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zerstäuben geschmolzenen Materials, vorzugsweise von Metallschmelzen, durch zwei Strömungsmiltelstrahlen, die unter hohem Druck von gegenüberliegenden Seiten gegen den Materialstrom gerichtet sind. Diese Vorrichtung besteht aus einem Gießbehälter mit mindestens einer Gießöffnung und zwei Schlitzdüsen zu beiden Seiten der Gießöffnung, von denen die erste als Flachdüse in bezug auf die Mittelachse der Gießöffnung so gerichtet ist, daß sie einen spitzen Winkel hierzu bildet.

Derartige Vorrichtungen sind aus der DE-OS 57 862 bekannt. Bei diesen ist es aber schwierig, die Schlitzdüsen optimal einzustellen, und sie sind empfindlich gegen unvermeidliche Schwankungen der Arbeitsbedingungen.

Das in solchen Vorrichtungen erhaltene Metallpulver, meist aus hochlegiertem Stahl, dient in erster Linie der Verarbeitung durch isostatisches Heißpressen. Hierfür sind die Hauptforderungen an das Pulver:

a) niedriger Sauerstoffgehalt, d. h. das Pulver soll an der Oberfläche nicht oxidiert sein (hoch legierter Stahl enthält normalerweise Legierungsbestandteile, die sehr beständige, nur schwierig reduzierbare Oxide enthalten),

b) kugelig geformte Teilchen mit einer glatten Oberfläche, d. h. ohne Blasen oder Höhlungen,

c) genaue Größenverteilung,

d) möglichst feine MikroStruktur.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe bestand nun darin, eine Vorrichtung zu bekommen, mit Hilfe derer Metallpulver erhöhter Qualität, insbesondere bezüglich der genannten Eigenschaften, erhalten werden können und die weniger empfindlich gegen Schwankungen der Arbeitsbedingungen ist.

Diese Aufgabe wird mit einer Vorrichtung gelöst, die die eingangs genannten Merkmale hat und dadurch gekennzeichnet ist, daß die zweite Schlitzdüse in einer Ebene senkrecht zur Gießrichmng mit ihrer konkaven Seite zur Gießöffnung gerichtet gekrümmt und in derselben Richtung wie die Gießöffnung ausgerichtet ist.

Es wurde überraschenderweise festgestellt, daß bei Ersatz der zweiten Schlitzdüse in der Vorrichtung nach der DE-OS 20 57 862 durch eine Schlitzdüse mit den Merkmalen der Erfindung wesentliche Vorteile hinsichtlich der betrieblichen Zuverlässigkeit sowie Produktausbeute erreicht werden. Außerdem kann die Ausbeute an Metallpulver wesentlich gesteigert werden, beispielsweise von etwa 90 auf etwa 98%.

Bei einer bevorzugten Ausführunpsform hat die zweite Schlitzdüse eine Kreisbogenkrümmung, deren Mitteipunkt zweckmäßig mit der ursprünglichen Mittellinie des Stromes aus geschmolzenem Metal! im wesentlichen zusammenfällt. Die Schlitzdüse erstreckt sich zweckmäßig über einen Kreisbogensektor von mindestens 120°, und vorzugsweise ist die Schlitzdüse im wesentlichen halbkreisförmig, d. h. ein Kreisbogensektor vonetwT 180°.

Bei der Vorrichtung nach der Erfindung ist es möglich, Winkei zwischen dem Schmelzmetallstrom und dem Strömungsmittelstrahl aus der ersten Schlitzdüse bis zu 60" einzustellen. Dieser erste Strömungsmittelstrahl soll einen Winkel von 30 bis 60°, vorzugsweise etwa 40 bis 45°, mit dem Strom der Metallschmelze bilden, während der Winkel zwischen dem ersten und dem zweiten Strömungsmittelstrahl 25 bis 60° betragen soll. Es ist ferner zweckmäßig, daß der zweite Strömungsmittelstrahl einen Winkel von nicht mehr als ± 10° mit dem ursprünglichen Schmelzmetallstrom bildet. Die Winkel werden zwischen der Mittellinie der Gießöffnung und den Mittelebenen der Schlitzdüsen gerechnet.
Als besonders zweckmäßig hat es sich erwiesen, wenn der zweite Strömungsmittelstrahl im wesentlichen parallel zur ursprünglichen Richtung des Metallstromes ist, während der erste Strömungsmittelstrahl einen Winkel von 40 bis 45" mit dem Strom der Metallschmelze bildet. Der negative Winkelbereich zwischen dem zweiten Strömungsmittelstrahl und dem Strom geschmolzenen Metalls ist gewöhnlich nicht so vorteilhaft wie die parallele Ausrichtung mit dem Metallstrom oder der erwähnte positive Winkelbereich. Ein negativer Winkel führt zu einem längeren Abstand zwischen dem Schnittpunkt der .Strömungsmittelstrahlung mit dem Metallstrom und dem Düsenauslaß mit der Folge, daß der Strömungsmittelstrahl viel von seiner ursprünglichen kinetischen Energie verliert.

Es ist wichtig, daß die Schlitzdüsen der Vorrichtung so ausgebildet sind, daß die Strömungsmittelstrahlen so zusammenhängend wie möglich sind und daß der Abstand zwischen den Schlitzdüsen für das zweite Strömungsmittel, das vorzugsweise aus einem unter den herrschenden Bedingungen nicht reaktionsfähigen Gas,

b5 beispielsweise Argon oder bevorzugt Stickstoff, besteht, und dem geschmolzenen Metall möglichst kurz ist. damit das Strömungsmittel möglichst hohe kinetische Energie besitzt. Die Breite und die Dicke der Strö-

mungsmittelstrahlen sowie ihre Geschwindigkeit und ihr Volumen können abgewandeil werden, indem man de Dicke und Breite der Schlitzdüsen verändert und den Gasdruck in den Düsen regelt Auch kann die Breite des Stromes der Metallschmelze innerhalb gewisser Grenzen abgewandelt werden. Mittels dieser Variablen und durch Änderung der Winkel zwischen den Strahlen kann die Vorrichtung gemäß der Erfindung so gebaut werden, daß die Teilchen der gewünschten Gestalt und Größenverteilung erhalten werden.

Die Vorrichtung nach der Erfindung ist in erster Linie zum Gebrauch bei der Herstellung hoch legierter Siahlpulver für pulvermetaliurgische Zwecke bestimmt. Der Durchmesser des Stromes der Metallschmelze soll dabei in der Größenordnung von 8 mm liegen. Die mit der Vorrichtung nach der Erfindung hergestellten Metallpulver zeigen eine sehr hochwertige Beschaffenheit und bestehen im wesentlichen aus runden Teilchen, was von großer Bedeutung für die Versinterung des Pulvers unter Verdichtung ist. Runde Teilchen erleichtern die Verdichtung und sind auch günstig für die spätere Verwendung des Pulvers.

In der Zeichnung zeigt

F i g. 1 eine Vorrichtung nach der Erfindung im Schnitt,

F i g. 2 und F i g. 3 in größerem Maßstab einen Querschnitt und einen Grundriß der Düsenanordnung nach der Erfindung.

Die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung besitzt eine Kammer 1, die beispielsweise aus nichtrostendem Stahl gefertigt sein kann. Wenn die zerstäubten Metallteile^ η während ihres freien Falles Zeit zum Abkühlen haben sollen, muß die Kammer sehr hoch sein. Die im nachstehenden Beispiel benutzte Kammer war 8 m hoch. Um die Kammerhöhe zu verringern, hat die in F i g. 1 gezeigte Vorrichtung an üirern unteren Ende eine Wirbel schicht 2, die künstlich die Suspensionsdauer der Metallteilchen verlängert. Diese Wirbelschicht 2 wird durch mehrere Argonstrahlen gebildet, die am unteren Ende der Kammer 1 durch mehrere Gaseinlässe 41 eingeführt werden, welche ringförmig um die Wirbeischicht liegen. Am Umfang des unteren Kammerteils rings um die Wirbelschicht 2 befindet sich ein wassergekühlter Mantel 3 mit einem Wassereinlaß 38 und einem Wasserauslaß 39. Dieser wassergekühlte Mantel kinn auch die gesamte Kammer umgeben, was in der Zeichnung nicht dargestellt ist. Um die Kühlbedingungen in der Kammer t zu verbessern, kann letztere auch mit Innenkühleinrichtungen und innerer Gasumwälzung ausgerüstet werden. Während des Zerstäubens ist die Kammer vorzugsweise mit einem unter den herrschenden Bedingungen nicht reaktionsfähigen Gas, beispielsweise Argon, gefüllt, das auch zur Aufrechterhaltung der Wirbelschicht benutzt werden sollte, so daß eine Oxidation an der Teilchenoberfläche ausgeschaltet ist. In der Wand der Kammer ist ein GasauslaH 42 für überschüssiges Gas angeordnet. Die fertigen Teilchen werden unter der Wirbelschicht durch ein Drehventil 40 abgezogen.

Die Zerstäubungseinrichtungen sind an der Decke der Kammer 1 angeordnet und bestehen aus einem Gießbehälter 4. der mit geschmolzenem Metall gefüllt und mit einem Abstichloch 5 versehen ist, durch das ein Strom geschmolzenen Metalls zwischen Schlit/düsen 6 und 7 ausfließt. Die Schlitzdüse 6 ist eine gerade Schlitzdüse üblicher Art. deren Konstruktion verschieden sein kann. Beispielweise kann sie i^ine bekannte De-Laval-Düse sein. Die Schlitzdüse 7 jedoch, die das Wesentliche bei der Erfindung ist, besitzt einen halbkreisförmigen Schlitz und wird nachstehend näher beschrieben. Die Schlitzdüsen 6 und 7, die durch Leitungen 8 und 9 mit Hochdruckstickstoff gespeist werden, sind in solcher Weise gestaltet und ausgerichtet, daß die Düse 6 einen Stickstoffstrahl unter einem Winke! von etwa 45° auf den M°tallstrom richtet, so daß der Strom in Richtung des Stickstoffstrahles abgelenkt wird und darauf von einem anderen Stickstoffstrah! geschnitten wird, der durch die Schlitzdüse 7 im wesentlichen parallel zur

to ursprünglichen Richtung des Metaüstromes gelenkt wird. Auf diese Weise wird der Schmeizmetaiistrom zu einzelnen Teilchen 10 zerstäubt, die auf ihrem Weg durch die Kammer 1 und die Wirbelschicht 2 abgekühlt werden.

Fig.2 und 3 zeigen in größerer Ausführlichkeit die Düsenkonstruktion für die Zuleitung des Strömungsmittels im Falle von Stickstoff gegen einen Strom aus geschmolzenem Metall. F i g. 2 zeigt einen Teil einer Platte 19, die aus Stahl bestehen kann, worin sich eine Gießöffnung 20 für den Strom der Metallschmelze und zwei Kanäle 21 und 22 für die Stickstoffzufuhr zu den Düsen 23 und 24 befinden, die auf der Bodenseite der Platte angebracht sind, z. B. durch Anschweißen oder An_: schrauben der Platte. Zwischen den Kanälen 21 und 22 und innerhalb der Düsen sind Verbindungskanäle ausgebohrt. Der Gießbehälter ist auf die Oberseite der Platte 19 aufzusetzen. In Fig. 2 ist die Mittellinie der Gießöffnung durch eine gestrichelte Linie 25 angedeutet. Die Düse 23 besitzt eine Ausnehmung 26 in der Düsenkante, die sich senkrecht zur Zeichnungsebene erstreckt und durch eine Platte 28 abgedeckt ist, die sich auch senkrecht zur Zeichnungsebene erstreckt. Die Platte 28 ist mit einer flachen Kerbe 30 versehen, die bei Befestigung der Platte 28 auf die Ausnehmung 26 einen schmalen Schütz 32 mit dem Düsenkörper bildet. Die Länge des Schlitzes 32 ist größer als der ursprüngliche Durchmesser des Schmelzmetallstromes. Die Deckplatte 28 kann an dem Düsenkörper mittels nicht dargestellter Bolzen angebracht sein.

Die Düse 24 ist anders als die Düse 23 mit einem halbkreisförmigen Schlitz 33 versehen, der mit einem in die Düsenkante eingeschnittenen Schlitz verbunden ist. Wie aus Fig. 3 ersichtlich, fällt der gedachte Mittelpunkt des halbkreisförmigen Schlitzes 33 mit der Mittellinie der Gießöffnung zusammen. In F i g. 3 ist auch die Düse 24 in ihrer Lage in bezug zur Düse 23 dargestellt, so daß eine beide Enden des Schlitzes 33 verbindende Linie parallel zu dem Schlitz 32 der Düse 23 liegt.

Die vorstehend für die Winkel zwischen dem

so Schmelzmetallstrom und dem ersten Strömungsmittelstrahl einerseits und zwischen dem ersten und dem zweiten Strömungsmittelstrahl andererseits definierten Bereiche sind gewählt, weil ein zu großer Winkel zwischen dem Strömungsmittelstrahl und der Schmelze bedeutet, daß die Teilchen zu weit gegen die Schlitzdüsen geschleudert werden und man Gefahr läuft, daß diese sich dann verstopfen. |e kleiner der Winkel zwischen dem Strom aus dem Gießbehälter und dem Strömungsmittelstrahl ist, desto rascher wird die Schmelze aus

bo ihrem Weg gestoßen und so vor einem Rückstau bewahrt. Wenn jedoch der Winkel zu klein ist. sind die erzeugten Teilchen zu groß und unregelmäßig. Praktisch der gleiche Grund begrenzt den Winkel zwischen den beiden Strömurigsmittclstrahlen. Der negative Win-

bi kel zwischen dem Schmcl/.metallstrahl und dem zweiten Strömungsmittelstrahl ist im allgemeinen nicht sehr zweckmäßig, weil sich unter anderem ein zu großer Abstand zwischen den Schiilzdüsen und ihren Schnittpunk-

ten ergibt. Um die gewünschten, genau definierten und scharfen Strömungsmittelstrahlen zu erzielen, muß der Abstand zwischen den Schlitzdüsen und den Schnittpunkten der Strömungsmittelstrahlen so kurz wie möglich gehalten werden.

Beispiel

der üblichen Technik nicht mehr zu erhalten wäre. Außerdem erreicht man eine wesentlich verbesserte Ausbeute, und bei einigen zwanzig Versuchen, die praktisch durchgeführt wurden, lag die Ausbeute bei etwa 97 bis 98%. Dies ist eine wesentliche Verbesserung gegenüber dem Stande der Technik, wo die entsprechende Ausbeute bei etwa 90% liegt.

Die benutzte Vorrichtung entsprach im wesentlichen Tabelle der F i g. 1, aber im unteren Teil der Granulierkammer wurde keine Wirbelschicht benutzt. Die Kammerhöhe betrug 8 m. Die Versuche wurden durchgeführt, um Werkzeugschnellstahl mit einem senkrechten Abstichstrom zu zerstäuben. Die Flachdüse hatte eine Schlitzweite von 0,70 mrn und eine Länge von 40 rnrn, während die Schlitzbreite der Halbkreisdüse 0,60 mm und ihr Durchmesser 67 mm betrugen. Die Flachdüse mit dem geraden Schlitz war unter einem Winkel von 22° gegen den Strom der Metallschmelze gerichtet und auf einem Abstand von etwa 30 mm von der Mittellinie angeordnet. Die gekrümmte Düse war parallel zum Schmelzmetallstrom gerichtet und in einem Abstand von 33,5 mm von der Mittellinie dieses Stromes angeordnet.

Die kreisförmige Abstichöffnung des Gießbehälters hatte einen Durchmesser von 8 mm und ergab eine Fließgeschwindigkeit von 45 kg Stahl je Minute. Als Strömungsmittel wurde Stickstoff benutzt. In der Zufuhrleitung vor den Düsen gemessen betrug der Gasdruck in diesem Falle 14,7 bar für beide Düsenteile. Die gesamte verbrauchte Gasmenge betrug 800 NmVh.

Zum Vergleich wurde der gleiche Versuch mit geraden Schlitzen in beiden Düsen duchgeführt. Alle anderen Parameter wurden unverändert gehalten. Die Teilchengrößenverteilung der bei beiden Versuchen erhaltenen Pulver findet sich in der nachstehenden Tabelle. Daraus ist ersichtlich, daß die Benutzung einer gekrümmten Düse nach der Erfindung zu feineren Teilchen mit einer kleineren Fraktion an Überkorn führt. Dies bedeutet, daß bei Bedarf für ein Pulver einer bestimmten Größenverteilung solches Pulver mit kleinerem Gasverbrauch je Gewichtseinheit Pulver erhalten werden kann. Die verminderte Menge Überkorn bedeutet, daß eine kleinere Menge solcher Teilchen abgesiebt werden muß. Da durch das Zerstäuben gebildete große Tropfen langsamer abkühlen, haften sie an den Wänden des Gerätes oder führen zu einer Verklebung der feineren Teilchen in der Auffangschicht. Bei früheren Methoden wurden daher beim Absieben nicht nur die gröbsten Teilchen, sondern auch ein Teil der kleinen Teilchen entfernt, was zu geringerer Ausbeute führt Im Hinblick auf die bessere und sicherere Zerstäubung bei Anwendung der Erfindung wird dieser Nachteil ausgeschaltet und die Ausbeute weiter verbessert.

Es hat sich gezeigt daß die neue Düsenart unter verschiedenerlei Bedingungen mit Vollkommenheit arbeitet So wurde durch Versuche festgestellt, daß die Düsendrücke zwischen 6,9 und 19,6 bar an der gekrümmten Düse und zwischen 3,9 und 19,6 bar an der Flachdüse mit dem geraden Schlitz schwanken können. Die Zerstäubungsgeschwindigkeit erwies sich veränderlich zwisehen 20 und 70 kg/min.

Ein Hauptvorteil der Benutzung einer gekrümmten Düse gemäß der Erfindung scheint in der Tatsache zu liegen, daß keine große Genauigkeit bei der Anbringung des Düsenrohres an dem Gießbehälter erforderlieh ist Selbst wenn der Düsenwürfel etwas schief zu der Krümmungsform der Düse angebracht ist, ergibt sich eine Größenverteilung der Teilchen, die bei Anwendung

Durchgang	44	eine Flachdüse und	zwei Flachdüsen
durchs Sieb	58	eine gekrümmte	Pulveranteil in %
μηι	74	Schlitzdüse
	100	Pulveranteil in %
149	10,6	3,4
177	17,0	6,4
200	23,3	10,1
250	30,1	17,2
315	36,3	26,6
400	41,2	28,5
500	64,0	39,2
630	77,8	48,0
800	82,8	55,0
<800	91,6	68,5
	97,0	77,0
99,9	87,3
	95,8
	4,1
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Zerstäuben geschmolzenen Materials, vorzugsweise von Metallschmelzen durch zwei Strömungsmittelstrahlen, die unter hohem Druck von gegenüberliegenden Seiten gegen den Materialsirom gerichtet sind, bestehend aus einem Gießbehälter mit mindestens einer Gießöffnung und zwei Schlitzdüsen zu beiden Seiten der Gießöffnung, von denen die erste als Flachdüse in bezug auf die Mittelachse der Gießöffnung so gerichtet ist, daß sie einen spitzen Winke! hierzu bildet, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schlitzdüse (7, 3.3) in einer Ebene senkrecht zur Gießrichtung mit ihrer konkaven Seite zur Gießöffnung (20) gerichtet gekrümmt und in derselben Richtung wie die Gieliöffpung ausgerichtet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schlitzdüse (7, 33) eine Kreisbogenkrümmung hat.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Krümmungsmitte dieser Schlitzdüse (7, 33) weitgehend mit der Mitte der Gießöffnung (20) zusammenfällt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Schlitzdüse (7, 33) einen Kreisbogensektor von mindestens etwa 120° deckt und vorzugsweise etwa halbkreisförmig ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelebenc der ersten Düse (6,32), der Flachdüse, einen Winkel von etwa 30 bis 60° mit der Miueiiinie der Gießöffnung (20) bzw. mit der Mittelebene der gekrümmten Schlitzdüse (7,33) bildet.