DE2743090A1 - Vorrichtung zur herstellung folienfoermiger granulate aus metallischen schmelzen - Google Patents

Vorrichtung zur herstellung folienfoermiger granulate aus metallischen schmelzen

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Description

389-25 - 25/77 1- September 1977
CASCH/UMA
BATTELLE - INSTITUT E.V., Frankfurt/Main
Vorrichtung zur Herstellung folienförmiger Granulate aus metallischen Schmelzen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung folienförmiger Granulate durch Zerteilung und rasche Erstarrung metallischer Schmelzen, mit einem zentralen rotierenden Teller und Einrichtungen zur Förderung der Metallschmelze auf dem zentralen Teller. Insbesondere betrifft sie eine Vorricntung, mit der neuartige Lagerlegierungen auf der Basis des Aluminiums mit hohen Anteilen an Blei, Legierungen auf der Basis von Kupfer oder refraktären Metallen wie Niob oder Vanadium für die Herstellung von Leitern und Supraleitern, Legierungen des Bleis für Akkumulatoren und des
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Zinks zur Anfertigung von Dachbelägen sowie Legierungen des Aluminiums mit Eisen mit hoher Warmfestigkeit und Korrosionsbeständigkeit hergestellt werden können.
Der steigende Bedarf an rasch erstarrten, folienförmigen Granulaten aus metallischen Schmelzen ist darin begründet, daß durch die hohe Erstarrungsgeschwindigkeit ein optimaler Gefügeaufbau gewährleistet wird, der für die Weiterverarbeitung unabdingbar ist. Beispielsweise gehen Legierungen des Aluminiums mit einigen Gewichtsprozent Eisen nach einer Erstarrungsgeschwindigkeit von mehr als ICr °C/sec aus dem spröden und wenig korrosionsbeständigen Zustand in den duktilen, warmfesten und korrosionsbeständigen Zustand über. Die bekannten Verfahren und Vorrichtungen gestatten es jedoch nicht, in wirtschaftlicher Weise diese Legierung im erwünschten Zustand herzustellen, da der Anteil an gröberen Legierungsteilchen, die mit einer nicht ausreichenden Geschwindigkeit erstarren, noch zu groß ist, um bei der Weiterverarbeitung gute Eigenschaften des resultierenden Halbzeugs zu gewährleisten.
Das bekannte Verdüsungsverfahren zur raschen Erstarrung metallischer Schmelzen erzeugt nur einen kleinen Anteil an hochwertigem Granulat mit optimalem Gefügeaufbau. Unter Verwendung eines rotierenden Saughebers werden die Schmelzenteilchen auf Kühlbleche abgeschleudert, wo sie sich zu länglichen, dünnen Flocken oder Folien ausziehen und rasch erstarren. Der erzielte Durchsatz bei dieser Vorrichtung ist jedoch nicht befriedigend. Sowohl Verdüsurigsmethoden als auch rotierende Saugheber können ferner nicht bei der Verarbeitung von hochschmelzenden, insbesondere von aggressiven
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Schmelzen, etwa auf der Basis refraktärer Metalle, wie Titan, Vanadin, Niob, Chrom oder auf der Basis einiger Superlegierungen von Nickel oder Kobalt verwendet werden, da die Schmelzen bei Temperaturen von ca. 1200 0C und mehr mit den Vorrichtungsmaterialien heftig reagieren.
Ferner sind Verfahren bekannt, die entweder mit feststehenden oder langsam beweglichen Kühlflächen arbeiten, die konzentrisch in einem bestimmten Winkel zur Flugbahn der auftreffenden Schmelzentröpfchen angeordnet sind oder es wird ein rasch rotierender Zylinder benutzt, in dessen Achse die Sprühquelle steht. Die letztere Anordnung führt zu einer starken thermischen Belastung schmaler Ringzonen, sowie zu der Gefahr, daß die auftreffenden Schmelzentröpfchen hängenbleiben und sich ein dicker Aufbau von übereinanderliegenden miteinander verschweißten Teilchen aus erstarrter Schmelze bildet. Hinzu kommt, daß die Zentrifugalkräfte die auftreffenden Teilchen auf die Innenwand des rotierenden Zylinders pressen. Dies führt zu Schwierigkeiten bei der Ablösung und dem Abtransport. Auch treten bei Verwendung größerer Zylinderdurchmesser bei den erforderlichen Drehzahlen, wie diese zur Erzeugung dünner Sprühfolien benötigt werden, Unwuchterscheinungen auf. Diese werden durch unregelmäßige Verteilung der aufgeschleuderten Schmelzenteilchen noch verstärkt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist nun die Schaffung einer Vorrichtung zur Herstellung folienförmiger Granulate durch rasche Erstarrung von metallischen Schmelzen, die sowohl hinsichtlich des Durchsatzes als auch in Bezug auf die erwünschte hohe Erstarrunga-
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geschwindigkeit allen Anforderungen genügt und es darüberhinaus auch gestattet, refraktäre Schmelzen bei Arbeitstemperaturen von bis zu 3500 0C zu verarbeiten.
Es hat sich nun gezeigt, daß diese Aufgabe in technisch sehr fortschrittlicher Weise gelöst werden kann, wenn die Vorrichtung einen mit dem zentralen Teller gekoppelten,· rotationssymmetrischen, peripheren, konischen Teller aufweist, dessen Oberfläche als Kühlfläche ausgebildet ist, und auf den die von dem zentralen Teller abgeschleuderten Schmelzenteilchen auftreffen, zu Folien ausgezogen und anschließend durch die Zentrifugalkraft von der Oberfläche abgelöst und abgeschleudert werden. Die vorteilhaften Ausbildungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung gehen aus den Ansprüchen 2 bis hervor.
Da die erfindungsgemäße Vorrichtung sich in einem geschlossenen Gehäuse befindet, ist es möglich, z.B. im Gegensatz zu den bekannten Sprühverfahren, auch im Vakuum oder unter Schutzgas zu arbeiten.
Der rotierende, konische Teller ist vorzugsweise in Form eines wassergekühlten Hohlkörpers aus Kupfer angefertigt und hält somit auch hocherhitzten refraktären metallischen Schmelzen stand.
Eine große Beachtung muß der Oberfläche des konischen Kühltellers geschenkt werden. In vielen Fällen erweist sich eine galvanische Belegung mit einem anderen Metall, etwa mit Chrom, in einer . Schichtdicke von wenigen /um als vorteilhaft. Auch das Aufbringen
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V-
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von Ruß ergibt gute Resultate, in den meisten Fällen genügt eine blanke Kupferoberfläche, die nach einer gewissen Zeit nachpoliert wird.
Arbeitet man in einer Gasatmosphäre, so treten an den peripheren Teilen des Teller, nämlich dort, wo die Schmelzentröpfchen auftreffen, zusätzlich Gasbewegungen auf, die nach außen gerichtet sind und die Ablösung der erstarrten Schmelzenteilchen fördern. Dieser Gasstrom dient gleichzeitig zur weiteren Abkühlung der abgeschleuderten Teilchen. Die rotierbare Lagerung des konischen Tellers läßt sich einfach gestalten und ermöglicht die erforderlichen hohen Drehzahlen im Bereich von etwa 6000 U/min. Die an den konischen Teller abgegebene Erstarrungswärme der aufgeschleuderten Schmelzentröpfchen ist wesentlich und es muß daher für eine rasche und intensive Ableitung gesorgt werden. Dies erfolgt erfindungsgemäß durch zwei Maßnahmen. Gemäß einer Ausführungsform wird ein konischer Teller vorgesehen, der mit einer Kühlflüssigkeit, z.B. Wasser gefüllt ist. Der resultierende Dampf strebt dann bei der hohen Zentrifugalbeschleunigung rasch zur Rotationsachse und kann von dort aus abgeführt, gekühlt, kondensiert und wieder zurückgeführt werden. Bei einer mittleren Wärmebelastung genügt auch ein unterhalb des rotierenden, konischen Tellers möglichst nahe angebrachter, feststehender Kühlblock, der z.B. mit flüssigem Stickstoff gefüllt ist, wobei der gewünschte Wärmeübergang durch Abstrahlung erfolgt.
Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Erläuterung weiterer Einzelheiten
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anhand der beigefügten Abbildung sowie aus der Schilderung von Ausführungsbeispielen hervor.
In der beiliegenden Figur wird in schematischer Vereinfachung die erfindungsgemäße Vorrichtung gezeigt, bei der der zentrale Teller als Gegenelektrode for eine darüber angeordnete, selbstverzehrende Elektrode aus dem Legierungsmaterial ausgebildet ist. Selbstverständlich kann die Schmelze auch aus einem Einfülltrichter durch ein Rohr auf den rotierenden Teller aufgebracht werden.
In der beiliegenden Figur wird die selbstverzehrende Elektrode 1 durch öffnung 2 in das zylindrische Gehäuse 3 der erfindungsgemäßen Vorrichtung geführt. Der zentrale Teller 1J ist als Gegenelektrode ausgebildet. Die im Lichtbogen 5 entstehenden Schmelzentröpfchen werden von dem zentralen, rotierenden Teller 4 auf den konischen Teller 6 abgeschleudert und dort sowohl in radialer als auch in tangentialer Richtung zu dünnen Folien ausgezogen. Unmittelbar nach dem Erstarren heben sich die Folien ab und werden in den ringförmigen Vorratsraum 7 abgeschleudert. Der zentrale und der konische Teller werden über Keilriemen 8 und 9 mit Hilfe eines Motors 10 zur Rotation gebracht. Zur Gewährleistung einer einwandfreien Rotation sind ferner um die Rotationsachse Lagerelemente vorgesehen.
Der mit hoher Geschwindigkeit rotierende, konische Teller 6 ist innen hohl ausgebildet, über das Zuführungsrohr 12 wird Kühlwasser eingeleitet. Der entstehende Dampf wird in Form von Blasen aufgrund der hohen Zentrifugalbeschleunigung zur Drehachse gefördert
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und aus dem Stutzen 13 abgeleitet.
Mit dieser Ausführungsform können unter Schutzgas mit vermindertem Druck,wie dies aus dem Vakuum-Lichtbogenofen bekannt ist, auch refraktäre Metalle und Legierungen, z.B. auf der Basis von Titan, Vanadin oder Niob, zu rasch erstarrten Sprühfolien verarbeitet werden. Das umgebende Gehäuse 3 ist in diesem Fall als vakuumdichtes Gefäß ausgebildet.
Die nachfolgenden Beispiele erläutern die vorliegende Erfindung:
Beispiel 1
Mit einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, bei der der Durchmesser des zentralen Tellers 50 mm, der Durchmesser des konischen Tellers 500 mm und der öffnungswinkel des konischen Tellers 150 ° beträgt, wird mit einer Drehzahl von 6000 U/min und einem Wasserdurchsatz von 3 l/min eine auf 1100 0C aufgeheizte Aluminiumschmelze mit einem Anteil von 8 Gew.-JS Eisen zu Sprühfolien mit optimaler Gefügeausbildung, d.h. im Lichtmikroskop homogenen Erscheinung, verarbeitet. Der Durchsatz beträgt 10 kg/min. Die Verarbeitung erfolgt in einer Atmosphäre unter Normaldruck. Durch zusätzliche Wasserkühlung der Wandungen des die Vorrichtung umgebenden Gehäuses kann die Temperatur der Argonatmosphäre in dem Gehäuse wesentlich gesenkt werden. Dabei übernimmt das Argon einen Teil der Ablösungsarbeit der auf dem rotierenden, konischen Teller auftretenden Schmelzenteilchen, da es an der Oberfläche des Tellers mit großer Geschwindigkeit von innen nach außen strömt.
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Durch Vorpressen und Strangpressen wird aus den Sprühfolien der Aluminiumlegierung mit 8 Gew.-it Eisen, Halbzeug mit guten mechanischen Eigenschaften hergestellt. Das Halbzeug kann bis zu 300 0C eingesetzt werden und eignet sich aufgrund seiner hohen Korrosionsfestigkeit zur Herstellung von Rohren für Meerwasserentsalzungsanlagen.
Beispiel 2
Es wird eine selbstverzehrende Elektrode aus Niob mit einem Durchmesser von 2 mm in einem Kupfermantel mit einem Gesamtdurchmesser von 5 mm hergestellt. In der erfindungsgemäßen Vorrichtung, deren zentraler Teller als Gegenelektrode ausgebildet ist, wird in einer Atmosphäre aus gereinigtem Argon unter einem Druck von 100 torr bis zu 1 kg/min einer Kupferlegierung mit 15 Gew.-& Niob in feinster Verteilung in Form von Sprühfolien, die an der Oberfläche blank sind, hergestellt.
Nach dem Vorpressen und Strangpressen der Sprühfolien werden Drähte gezogen, die gute supraleitende Eigenschaften aufweisen. Zusätze von Zinn von etwa 5 Gew.-ί zu dieser Legierung ergeben eine weitere Steigerung der supraleitenden Eigenschaften dieser Drähte. Dabei wird eine Sprungtemperatür T von 18,4 0K, eine kritische Stromdichte von 3.1Cr A/cm und eine kritische obere magnetische Feldstärke von 450 kG erreicht. Diese Drähte weisen eine hohe Eigenstabilität auf und eignen sich zum Einsatz in supraleitenden Hochstromkabeln und Spulen.
Bis zu einem Schmelzen-Durchsatz von 1 kg/min kann der erfindungs-
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gemäße rotierende Doppelteller durch Abstrahlung auf einen in unmittelbarer Nähe unterhalb angeordneten, festen, geschwärzten Kühlblock, der mit flüssigem Stickstoff gekühlt wird,ausreichend gekühlt werden. Bei einem größeren Schmelzendurchsatz ist eine Wasserkühlung erforderlich, bei der im wesentlichen ein Dampf-Wassergemisch freigesetzt wird. Dieses kann in einem Kühler kondensiert und der Anlage wieder zugeführt werden. Als nützlicher Nebeneffekt wird gefunden, daß sich der mit Wasser gefüllte rotierende Hohlteller selbst zentriert. Bleiben bei hohen Drehzahlen Schmelzenteilchen haften, so bildet sich zum Ausgleich eine neue Verteilung des Kühlwassers aus, die die Unwucht kompensiert.
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Claims (5)

- ic/- 27A3090 389-25 - 25/77 7· September 1977 CASCH/UMA Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Herstellung folienförmiger Granulate durch Zerteilung und rasche Erstarrung metallischer Schmelzen mit einem zentralen rotierenden Teller und Einrichtungen zur Förderung der Metallschmelze auf den zentralen Teller, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen mit dem zentralen Teller (4) gekoppelten, rotationssymmetrischen, peripheren, konischen Teller (6) aufweist, dessen Oberfläche als Kühlfläche ausgebildet ist, und auf dem die von dem zentralen Teller abgeschleuderten Schmelzenteilchen auftreffen, zu Folien ausgezogen und anschließend durch die Zentrifugalkraft von der Oberfläche abgelöst und abgeschleudert werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der konische periphere Teller (6) einen öffnungswinkel von ca. 120 - 170 ° besitzt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der konische periphere Teller (6) zur Einleitung eines Kühlmittels, innen hohl ausgebildet ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß unterhalb des peripheren konischen Tellers (6) ein Kühlblock vorgesehen ist. 909813/0500
ORIGINAL INSPECTED
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zentrale Teller (4) als Gegenelektrode für eine darüber angeordnete, selbstverzehrende Elektrode (1) ausgebildet ist, von der die Schmelze, die im Lichtbogen (5) entsteht, auf dem zentralen Teller fällt.
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