DE2743090B2

DE2743090B2 - Vorrichtung zur Herstellung folienförmiger Granulate aus metallischen Schmelzen

Info

Publication number: DE2743090B2
Application number: DE2743090A
Authority: DE
Inventors: Dietrich Dipl.-Ing. Dr. 6233 Kelkheim Merz; Heinrich Dr. 6236 Eschborn Winter
Original assignee: Battelle Institut eV
Current assignee: Battelle Institut eV
Priority date: 1977-09-24
Filing date: 1977-09-24
Publication date: 1979-08-16
Also published as: GB2004920B; DE2743090A1; JPS5447858A; US4259270A; GB2004920A; DE2743090C3

Description

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Die Erfindung betriff! eine Vorrichtung zur Herstellung folienförmiger Granulate durch Zerteilung und rasche Erstarrung metallischer Schmelzen bestehend aus einem zentralen rotierenden Teller und damit gekoppelten rotationssymmetrisnhen peripheren konisehen Teller sowie Einrichtungen zur Förderung der Metallschmelze auf den zentralen Teller. Insbesondere betrifft sie eine Vorrichtung, mit der neuartigen Lagerlegierungen auf der Basis des Aluminiums mit hohen Anteilen an Blei, Legierungen auf der Basis von Kupfer oder refrp.ktären Metallen wie Niob oder Vanadium für die Herstellung von Leitern und Supraleitern, Legisrungen dts Bleis -:<ir Akkumulatoren und des Zinks zur Anfertigung vr-n Dachbelägen sowie Legierungen des Aluminiums mit t.sen 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 10⁵°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 m> 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 Verclüsungsmethoden als auch rotierende Saugheber können ferner nicht bei der Verarbeitung von hochschmelzenden, insbesondere von aggressiven Schmelzen, etwa auf der Basis refraklarer Metalle, wie Titan, Vanadin, Niob, Chrom oder auf der Basis einiger Supperlegierungen von Nickel oder Kobalt verwendet werden, da die Schmelzen bei Temperaturen von etwa I200°C 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 Zylinders¹ 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.

In der AT-PS I 35 675 wird eine Vorrichtung zur Herstellung von Meteükörnem beschrieben, bei der über dem das Metall zerspritzenden Teller eine ebenfalls rotierende Scheibe angeordnet ist, die das flüssige Metall aufnimmt und durch die Rotationsbewegung auf den Teller schleudert. Der Oberfläche des peripheren Tellers wird aus einem oder mehreren Rohren Kühlwasser zugeführt. Durch Regelung der Kühlwassermenge und Änderung der Richtung der auf die Zerstäuberscheibe auftretenden Wasserstrahlen sollen Form und Größe der Metallkörner sowie der Zerteilungsgrad des flüssigen Metalles beeinflußt werden. Die Schmelze wird von der oeripheren Scheibe in einen mit Wasser gefüllten Behäl: ;r gespritzt. Sie erstarrt nicht auf der Oberfläche der peripheren Scheibe sondern im Wasser. Mit dieser Vorrichtung lassen sich folienförmige Granulate nicht herstellen, da eine Haftung der Metallschmelze durch Benetzung der Oberfläche des peripheren Tellers nicht gegeben ist und damit auch nicht der für eine rasche Abführung der Wärme erforderliche intensive Kontakt mit dem Oberflächenmaterial. Vielmehr zieht sich die Schmelze zu Tropfen zusammen, die durch einen Wasserdampfmantel von der Scheibe getrennt sind.

Ähnliche Schleudervorrichtungen sind auch aus DE-PS 6 95 485 und der FR-PS 12 58813 bekannt. Bei diesen Vorrichtungen wird jedoch eine Kühlung des rotationssymmetrischen peripheren Tellers nicht vorgesehen. Daher können sie zur Herstellung folienförmiger Granulate aus refraktären Schmelzen nicht herangezogen werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung isl nun die Schaffung einer Vorrichtung zur Herstellung folienförmiger Granulate, die sowohl hinsichtlich des Durchsatzes als auch in bezug auf die erwünschte hohe Erstarrungsgeschwindigkeit allen Anforderungen genügt und es darüber hinaus auch gestattet, refraktäre Schmelzen bei Arbeitstemperaturen von bis zu 3500° C zu verarbeiten.

Es hat sich nun gezeigt, daü diese Aufgabe in technisch sehr fortschrittlicher Weise gelöst werden kann, wenn der periphere Teller zur Einleitung eines Kühlmittels innen hohl ist. und der zentrale Teller als

Gegenelektrode für eine darüber angeordnete selbstverzehrende Elektrode ausgebildet ist, von der die Schmelze, die im Lichtbogen entsteht, auf den zentralen Teller fällt

Da die erfindungsgemäße Vorrichtung sich in einem geschlossenen Gehäuse befindet, ist es möglich, auch im Vakuum oder unter Schutzgas zu arbeiten.

Der rotierende, konische Teller ist in Form eines wassergekühlten Hohlkörpers aus Kupfer angefertigt und hält somit auch hocherhitzten refraktären metallisehen 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 μπι als vorteilhaft Auch das Aufbringen von Ruß ergibt guie 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 Tellers, nämlich dort, wo die Schrnelzentröpfchen auftrcffcn, zusätzlich Gasbcwcgungen auf, die nach außen gerichtet sind u.;d 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 muß rasch und intensiv abgeleitet werden. Dies erfolgt erfindungsgemäß durch Kühlung des konischen Tellers mit einer Kühlflüssigkeit, z. B. Wasser. Der resultierende Dampf strebt dann bei der hohen Zentrifugalbeschleunigung rasch zur Rotationsachse und kann von dort aus ss abgeführt, gekühlt, kondensiert und wieder zurückgeführt werden.

Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Erläuterung weiterer Einzelheiten anhand der beigefügten Abbil- -»o dung 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 für »5 eine darüber angeordnete, selbstverzehrende Elektrode aus dem Legierungsmaterial ausgebildet ist.

In der Figur wird die selbstverzehrende Elektrode 1 durch Öffnung 2 in das zylindrische Gehäuse 3 der erfindungsgemäßen Vorrichtung geführt. Der zentrale >o Teller 4 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 »0 Rotation gebracht. Zur Gewährleistung einer einwandfreien Rotation sind ferner um die Rotationsachse Lagerclemente !1 vorgesehen.

Der mit hoher Geschwindigkeit rotierende, konische Teller 6 ist innen hohl ausgebildet. Über das ft5 Zuführungsrohr 12 wird Kühlwasser eingeleitet. Der entstehende Dampf wird in i-orm von Blasen aufgrund der hohen Zentrifugalbeschleunigung zur Drehachse gefördert und aus dem Stutzen 13 abgeleitet

Mit dieser Vorrichtung 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"C heiße Aluminiumschmelze mit einem Anteil von 8 Gew.-% Eisen zu Sprühfolien mit optimaler Gf'ügeausbildung, d. h. im Lichtmikroskop homogenen Erscheinung, verarbeitet. Der Durchsatz beträgt 10 kg/min. Die Verarbeitung erfolgt in einer Atmosphäre unter Normaldruck. Durch zusätzliche Wasserkühlung tier 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.

Durch Vorpressen und Strangpressen wird aus den Sprühfolien der Aluminiumlegierung mit 8 Gew.-% Eisen, Halbzeug mit guten mechanischen Eigenschaften hergestellt Das Halbzeug kann bis zu 300°C eingesetzt werden und eignet sich aufgrund seiner hohen Korrosionsfestigkeit zur Herstellung von Rohren für Meerwasserentsalzungsanlagen.

Beispiel 2

Es ν ird eine selbstverzehrende Elektrode aus Niob mil 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, vvird in tiner Atmosphäre aus gereinigtem Argon unter einem Druck von 100 torr bis zu 1 kg/min einer Kupferlegierung mit 15Gew.-% 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.-% zu dieser Legierung ergeben eine weitere Steigerung der supraleitenden Eigenschaften dieser Drähte. Dabei wird eine Sprungtemperatur T_c von 18,4° K, eine kritische Stromdichte von 3.10⁵ A/cm² und eine kritische obere magnetische Feldstärke von 45OkG erreicht. Di.se Drähte weisen eine hohe Eigenstabilität auf und eignen sich zum Einsatz in supraleitenden Hochstromkabeln und Spulen.

Bis zu einem Schmelzen-Durchsatz von I kg/min kann der erfindungsgemäße rotierende Donpelteller durch Abstrahlung auf einen in unmittelbarer Nähe unterhalb angeordneter,, festen, geschwärzten Kühl-'}lock, der mit flüssigem Stickstoff gekühlt wird, ausreichend gekühlt werden. Bei einem größeren Schmelzendurchsatz ist eine Wasserkühlung erforrlcr-

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lieh, bei der im wesentlichen ein Dampf-Wassergemisch zentriert. Uleiben bei hohen Drehzahlen Schmelzenteil-

frcigesetzt wird. Dieses kann in einem Kühler chcn haften, so bildet sich zum Ausgleich eine neue

ko.ndeir.icrt und der Anlage wieder zugeführt werden. Verteilung des Kühlwassers aus. die die Unwucht

Als nützlicher Nebeneffekt wird gefunden, daß sich der kompensiert,

mit Wasser gefüllte rotierende Hohlteller selbst >

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Vorrichtung zur Herstellung folienförmiger Granulate durch Zerteilung und rasche Erstarrung metallischer Schmelzen bestehend aus einem zentralen rotierenden Teller und damit gekoppelten rotationssymmetrischen peripheren konischen Teller sowie Einrichtungen zur Förderung der Metallschmelze auf dem zentralen Teller, dadurch gekennzeichnet, daß der periphere Teller (6) zur Einleitung eines Kühlmittels innen hohl ist, und 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 den zentralen Teller (4) fällt.