DE2954313C2

DE2954313C2 - Verfahren zur Herstellung sphärischer Teilchen oder von Fasern mit vorbestimmtem Durchmesser aus einer Schmelze

Info

Publication number: DE2954313C2
Application number: DE19792954313
Authority: DE
Inventors: Shigeki Tokai Aichi Kobayashi; Setsuo Chigasaki Kanagawa Ueda; Tokuyoshi Nagoya Aichi Yamada; Takashi Ama Aichi Yasuda
Original assignee: Sato Technical Research Laboratories Ltd
Current assignee: Sato Technical Research Laboratories Ltd
Priority date: 1979-09-11
Filing date: 1979-09-11
Publication date: 1986-06-19

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung sphärischer Teilchen oder von Fasern mit einem analytisch vorbestimmten Durchmesser aus einer Schmelze, welche im wesentlichen aus Metall und/oder Schlacke — Flußmittel eingegossen — gebildet ist, wobei die Schmelze auf die Mitte eines rotierenden Drehtellers gegeben und in einen freien Raum mit einer Atmosphäre aus Luft oder Inertgas abgeschleudert wird.

Für die Herstellung von etwa sphärischen Teilchen oder Fasern mit rundem Querschnitt durch Aufbringen einer Schmelze auf die Oberfläche eines rotierenden Körpers sind bereits zahlreiche Verfahren vorgeschlagen worden. Die meisten bisherigen Verfahren können dabei je nach der Schmelzart in zwei Kategorien eingeteilt werden, nämlich einmal bezüglich der Herstellung sphärischer Teilchen und zum anderen bezüglich der Herstellung von Fasern aus leicht verglasbaren, nichtmetallischen Schmelzen.

Ein Beispiel für diese bisherigen Verfahren findet sich in der US-PS 36 60 544, die sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von kugelförmigen Teilchen (Schrot) aus Ferrolegierungen bezieht. Dabei wird eine Drehtrommel mit einer nach unten konvexen Bodenfläche um eine zentrale öffnung herum und einem rotierenden Prallstock verwendet, der einen zentralen konischen Vorsprung und eine radial abgehende, nach oben konkave Oberseite aufweist, wobei dieser Prallstock konzentrisch unter der Trommel angeordnet ist und der Spalt zwischen konkaver und konvexer Fläche auf einer festen Größe gehalten wird. Der Prallstock wird dabei gegenläufig zur Trommel in Drehung versetzt, und Metallschmelze wird durch die Trommelöffnung auf den konischer. Mittelvorsprung des Prallstocks aufgebracht und beim Durchgang durch den genannten Spalt granuliert, wobei das so gebildete Granulat vom Umfang des Prallstocks ausgetragen wird und in ein Wasserbad hineinfällt.

Dieses bisherige Verfahren ist mit dem Nachteil behaftet, daß innere Flüssigkeitsreibung und eine intensive Kühlwirkung unweigerlich zu einem Aufplatzen oder Aufbrechen des Metallschmelzstroms führen, wenn die Schmelze den Spalt zwischen den beiden gekrümmten, gegenläufig rotierenden Flächen passiert. Infolgedessen können keine Teilchen gleichmäßiger Form und Größe erhalten werden.

Aus der US-PS 28 25 108 ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von Metallfasern aus einer Schmelze bekannt, wobei diese Schmelze mit hoher Geschwindigkeit aus einer Düse auf einen Drehteller gegeben wird. Dieser Drehteller dient als Kühlfläche, wobei die Schmelze außerhalb der Mitte auf diese Kühlfläche aufgebracht wird. Durch den Abstand des Auftreffpunktes von der Mitte kann dort der Fadendurchmesser des entstehenden Fadens bestimmt werden. Da aber dort die Schmelze unmittelbar beim Auftreffen auf die Drehscheibe zum Erstarren gebracht wird, kann der Durchmesser der Fasern nicht genau vorherbestimmt werden; kugelförmige Teilchen können dort überhaupt nicht gewonnen werden. Im übrigen ist wegen der Verwendung des Drehtellers selbst als Kühlfläche die Materialauswahl für den Drehteller ebenso wie die Art der verarbeitbaren Schmelzmaterialien beschränkt

Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein verbessertes Verfahren zur Herstellung von speziell sphärischen Teilchen oder Fasern rundem Querschnitts aus Schmelzen, Schlacken bzw. Flußmitteln unter Gewährleistung gleichmäßig vorherbestimmbarer Form und Abmessungen der Teilchen bzw. Fasern zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mil einem Verfahren der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß ein Kühlgas mit niedrigerer Temperatur und einem höheren Druck als den entsprechenden atmosphärischen Werten zur Erzeugung von sphärischen Teilchen entgegengesetzt zu dem auf dem Drehteller gebildeten Schmelzstrom und zur Erzeugung von Fasern gleichsinnig mit diesem Schmelzstrom zugeführt wird.

Die für die Herstellung von sphärischen Teilchen oder Fasern zu verwendende Schmelze besteht hauptsächlich aus einem Material wie Metall, Flußmittel und Schlacke. Die Schmelzentemperatur wird vorzugsweise zwischen der Schmelztemperatur und einer um etwa 100° C darüber liegenden Temperatur gehalten. Die praktischen Arbeitstemperaturen werden somit in erster Linie unter Berücksichtigung der Schmelztemperaturen bestimmt. Für metallische Werkstoffe, wie Eisen und Stahl, wird eine Schmelzentemperatur von 1200— 1800°C bevorzugt, während die Schmelzentemperatur für geschmolzene Flußmittel bei 600—1300°C und beispielsweise für die Herstellung von Schlackenwolle aus geschmolzenen Schlacken bei 1100-1800° C Hegt
Für die Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens müssen die folgenden Faktoren zweckmäßig eingestellt werden:

1. Kinematische Viskosität der Schmelze

2. Oberflächenspannung der Schmelze,
3. Drehzahl der Drehscheibe,

4. effektiver Durchmesser der Drehscheibe,

5. Durchsatz- oder Strömungsmenge der Schmelze aus dem Leitungsauslaß,

6. Abstand zwischen Leitungsauslaß und Drehscheibe,

7. Durchmesser des Leitungsauslasses und

8. Zusammensetzung der Schmelze.

Die kinematische Viskosität der Schmelze wird im Bereich von 0,001 — 10 cm²/s eingestellt. Bei einer kinematischen Viskosität von über lOcmVs ist kein gleichmäßiger Fallstrom durch eine Leitung mehr möglich. Wenn jedoch die Schmelze mit einem wesentlich über

Atmosphärendruck liegenden Druck beaufschlagt wird kann eine Viskosität von mehr als 10 cm²/s zulässig sein. Andererseits lassen sich außerordentlich niedrige kinematische Viskositäten von unter 0,001 cmVs nur mit übermäßig hohen Temperaturen erreichen, was als unwirtschaftlich angesehen werden kann. 3ei hoher kinematischer Viskosität kann die Schmelze im allgemeinen leicht in Form von ununterbrochenen, fadenförmigen Produkten, d. h. Fasern, erstarren, während sich feine Teilchen leicht mit niedriger kinematischer Viskosität der Schmelze erzielen lassen.

Die Oberflächenspannung der Schmelze liegt vorteilhaft im Bereich von 10—400 dyn -cnrVg. Oberflächenspannung und Dichte sind der Schmelze eigene Eigenschaften. Im Fall von Schmelzen und Werkstoffen, wie Eisen- und Nichteisenmetallen, metallurgischen Rußmitteln, Schlacken usw„ liegen die genannten Verhältnisse im oben angegebenen Bereich.

Durchmesser und Drehzahl der Drehscheibe, auf welche die Schmelze aufgegeben wird, sind wesentliche Faktoren, die eine enge Beziehung zur genannten kinematischen Viskosität und Oberflächenspannung der Schmelze selbst besitzen. Die Drehzahl der Drehscheibe liegt vorzugsweise bei 3000—30 000 U/min. Bei einer Drehzahl von unter 3000 U/min ist die entstehende Fliehkraft zu gering, um einen ausreichend dünnen Film- oder Schichtstrom auf der Drehscheibe zu bilden. Je höher die Drehzahl ist, um so besser werden die Ergebnisse; die obere Drehzahlgrenze von 30 000 U/ min ist jedoch für die Erzielung des erfindungsgemäß angestrebten Ergebnisses ausreichend. Drehzahlen über dieser oberen Grenze können unweigerlich zu schwierige mechanische Bedingungen zur Folge haben und zu aufwendige mechanische Konstruktionen erfordern.

Der Durchmesser der Drehscheibe aus Feuerfestmalerial wird unter Berücksichtigung ihrer Drehzahl und der kinematischer Viskosität der Schmelze bestimmt. Erfindungsgemäß soll die über eine Leitung auf das Zentrum der Drehscheibe aufgegebene Schmelze zu einer Radialströmung gezwungen werden, so daß sie eine dünne Strömungsschicht vorbestimmter Dicke am Rand der Drehscheibe bildet. Diese Dicke bestimmt sich als Funktion der kinematischen Viskosität der Schmelze, der Drehzahl der Drehscheibe, des Durchmessers derselben und der Strömungsgeschwindigkeit der Schmelze aus dem Leitungsauslaß, so daß diese Dicke entsprechend den physikalischen Eigenschaften der Schmelze gewählt wird.

Die verwendete Drehscheibe besitzt vorzugsweise einen Durchmesser von 50—200 mm. Eine Vorrichtung zum Antreiben der Drehscheibe von mehr als 200 mm Durchmesser mit einer Drehzahl von 3000 U/inin oder mehr wirft zahlreiche konstruktive Schwierigkeiten auf, während es bei einem Drehscheibendurchmesser von weniger als 50 mm schwierig ist, eine ausreichend große Fliehkraft zur Bildung des dünnen Schmelzenstroms der erforderlichen Dicke zu erzeugen. Mit dem Scheibendurchmesser ist der effektive Durchmesser des Scheibenoberteils aus dem genannten, in die Rotoreinheit eingebauten Feuerfestblock, nicht aber der Durchmesser des den Block halternden Metallhalters gemeint.

Die Geschwindigkeit der Schmelze beim Austritt aus dem Leitungsauslaß liegt vorzugsweise bei 5—500 cm/s, je nach der kinematischen Viskosität der Schmelze. Mit zunehmender Viskosität der Schmelze wird deren Austrittsgeschwindigkeit unter demselben statischen Schmelzendruck niedriger und umgekehrt. Diese Austrittsgeschwindigkeit der Schmelze beeinflußt auch die Dicke des auf dem Umfangsrand der Drehscheibe gebildeten dünnen Schmelzenstroms.

Der Innendurchmesser r_o (mm) des verwendeten Leitungsauslasses liegt vorzugsweise im Bereich von 3—30 mm. Bei einem größeren Innendurchmesser als 30 mm kann zuviel Schmelze auf die Drehscheibe strömen, so daß an deren Umfangsrand, bei vorgegebenen Größen von Scheibendurchmesser und -drehzahl, eine zu dicke Schmelzenschicht entsteht Wenn andererseits der Innendurchmesser des Leitungsauslasses zu klein ist, wird der Abstand h_o (mm) zwischen dem Auslaß und der Drehscheibe aufgrund der angegebenen, bevorzugten Beziehung

zu klein, und die Einstellung dieses Spalts wird ziemlich schwierig. Der Grund für die bevorzugte Wahl dieses Bereichs des Abstands h_o ist folgender: Wenn der Abstand A₀ kleiner ist als rjl mm, neigt die Schmelze zu einem Anstauen (swell) und zu einer Behinderung der gleichmäßigen Strömung auf der Drehscheibe; wenn dagegen der Abstand h_o größer ist als \(rJ2) + 2} mm, trifft der frei aus dem Auslaß herausfallende Strom unmittelbar auf die Scheibenoberfläche auf, wobei ungünstige Turbulenz in der dünnen Schmelzschicht hervorgerufen und die Herstellung von Kugelteilchen oder Fasern speziell festgelegter Abmessungen schwierig wird.

Im folgenden sind bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 einen schematischen lotrechten Schnitt zur Verdeutlichung der Art und Weise, auf welche sich die über eine Leitung auf das Zentrum einer Drehscheibe aufgegebene Schmelze ausbreitet und auf der Drehscheibe einen dünnen Schmeizenstrom bzw. -film mit Grenzschicht bildet,

Fig. 2A und 2B eine schematische Aufsicht bzw. eine schematische Schnittansicht zur Veranschaulichung der Art und Weise, auf welche sich eine dünne Schmelzenschicht einer vorbestimmten Dicke, die vom Umfangsrand der Drehscheibe herabgeschleudert wird, unmittelbar nach dem Abschleudern in lineare Ströme oder Strahlen eines vorbestimmten Radius aufteilt, die ihrerseits zu sphärischen Tropfen mit bestimmtem Radius aufbrechen,
Fig.3 einen schematischen lotrechten Schnitt zur Veranschaulichung der Abhängigkeit von Flugweite oder Raumbewegung und Größe sowohl der linearen Ströme als auch der anschließend entstehenden sphärischen Tropfen, bei sonst gleichen Bedingungen, von der Drehzahl der Drehscheibe,

Fig.4A bis 4D schematische Aufsichten auf die Schmelzenströme nach F i g. 3 bei jeweils verschiedenen Drehzahlen der Drehscheibe,

Fig.5 eine graphische Darstellung der Beziehung zwischen dem mittleren Durchmesser von Stahlteilchen und der Drehzahl der Drehscheibe,

F i g. 6A und 6B graphische Darstellungen der Beziehung zwischen dem Teilchendurchmesser bzw. dem Faserdurchmesser und der Drehscheiben-Drehzahl bei jeweils gleichem Flußmittel, und

Fig. 7A und 7B den F i g. 6A und 6B ähnelnde graphische Darstellungen für andere Ausführungsbeispiele der Erfindung.

In den Figuren, in denen einander entsprechende Tei-

le mit jeweils gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, sind eine Leitung 1, eine Drehscheibe 2, ein dünner Schmelzenstrom 3, lineare Schmelzen-Strahlen 4, sphärische Tropfen 5, ein Zwischenbehälter 6, eine Gasringleitung 7, eine Leitplatte 8, ein Ringschlitz 9, ein Gestängemechanismus 10, ein Scheibenblock ti aus Schmelzsiliziumoxid oder Graphit, ein Mittelblock 11a aus einem speziellen Feuerfestmaterial, ein umschließender bzw. Ring- oder Außenblock Hb aus Schmelzsiliziumoxid, in der Seitenwandfläche eines der Blöcke vorgesehene Nuten lic, ein Seitenring 12 :ines Halters, ein Vorsprung 12a an der Innenfläche des Seitenrings, eine Bodenplatte 13 des Halters, ein von der Bodenplatte nach unten abgehender kurzer Schenkel oder Flansch 14, eine Nabe 15, eine wärmeisoüerende Feuerziegelschicht 16, eine Matte 17 aus einem wärmeisolierenden Fasermaterial, ein gieß- oder formbares, feuerfestes Füllmaterial 18, eine Platte 19 aus neutralem Feuerfestmaterial, ein Erstarrungskammer-Gehäuse 20 und ein Antriebsmechanismus 21 dargestellt.

Im folgenden sind anhand der Figuren die Ergebnisse von erfindungsgemäß durchgeführten Untersuchungen beschrieben.

F i g. 1 veranschaulicht die Bedingungen, unter denen sich bei Aufgabe einer Schmelze über eine Leitung 1 mit einem Auslaß mit einem Radius r_o bei konstanter Zufuhrgeschwindigkeit U₀ auf eine Drehscheibe 2, die sich mit fester Winkelgeschwindigkeit ω (rad/s) dreht, unter Bildung eines stabilen dünnen Schmelzenstroms bzw. Dünnschichtstroms 3 die Filmdicke h und die Geschwindigkeitsverteilung in diesem Strom 3 in Abhängigkeit vom Radius r der Drehscheibe ändern. Wenn sich die Schmelze einer idealen Flüssigkeit nähert, kann der lotrechte Strom mit der Geschwindigkeit U₀ ohne jede Turbulenz in einen Dünnschichtstrom umgesetzt werden, sofern die lotrechte volumetrische Strömungsmenge STr₀ ²U₀ über die Querschnittsfläche πr<? gleich der horizontalen volumetrischen Strömungsmenge 2 .TrJi₀U₀ aus der zylindrischen Auslaßöffnung mit dem Radius r_o und der Höhe h₀ ist. d. h. wenn der Abstand h_o zwischen dem Leitungsauslaß und der Scheibenoberfläche so gewählt ist. daß er der Kontinuitätsbedingung genügt, die sich durch folgende Gleichung bestimmt:

h_n = rjl

Zur besseren Verdeutlichung beträgt das Verhältnis zwischen der lotrechten Koordinate gemäß F i g. 1 und der radialen Koordinater 5:1.

F i g. 2 veranschaulicht die Art und Weise, auf welche ein Dünnschichtstrom 3 mit einer Geschwindigkeit U und einer Dicke h vom Rand einer den Radius R besitzenden Scheibe unter einem Winkel Φ zur Tangentialrichtung abgeschleudert wird Der Dünnschichtstrom 3 teilt sich dabei unmittelbar nach dem Abschleudern in freie, lineare Ströme bzw. Strahlen 4 mit einem Radius r_c auf. Diese linearen Strahlen 4 werden weiterhin zu sphärischen Tröpfchen 5 mit dem Radius r_s aufgelöst Die Bedingung für den Dünnschichtstrom mit der Oberflächenspannung ff(dyn/cm) und der Dicke h (cm) für die Auftrennung in lineare Ströme oder Strahlen mit dem Radius r_c(cm) bestimmt sich durch folgende Gleichung:

r_c — alAp

worin Ap (dyn/cm²) den Druckunterschied zwischen Innen- und Außenseite der Linearstrahlfläche bedeutet
Anhand der Fig. 3 und 4 ist nunmehr die Art und Weise beschrieben, auf welche die Bewegungen des Dünnschichtstroms auf der Drehscheibe, der linearen Strahlen und der sphärischen Tröpfchen entsprechend der jeweiligen Winkelgeschwindigkeit ω variieren, wenn die Schmelze über die Leitung 1 mit fester Ausstoßgeschwindigkeit gleichmäßig auf die Drehscheibe 2 eines festgelegten Radius R aufgegeben wird. Die Slrömungslinien für ω=0, ω\, <&i und ωι in der lotrechten Schnittansicht gemäß Fig.3 entsprechen den Slrömungslinien für die betreffenden Größen von ω in der Aufsicht gemäß F i g. 4. Wenn die Drehscheibe stillsteht (ω = 0) und die Schmelze mit ausreichend hoher Durchsatzmenge zugeführt wird, fließt die Schmelze vom Scheibenumfang in Form dreier Film- bzw. Schichtströme herab. In diesem Fall hängen die mittlere tangentiale Geschwindigkeitsskomponente Üo-0 und der Radius des linearen Stroms r_c nur vom statischen Druck ab; Da sich der statische Druck an der Schicht mit der Dicke des Schichtstroms ändert, wird letzterer unter Bildung von Löchern örtlich aufgebrochen, um sich weiter zu dicken linearen Strahlen oder Strömen verschiedener Radien aufzuteilen. Die Bewegung der dicken Filme und der linearen Strahlen geht schnell in eine Fallbewegung unter Schwerkraftwirkung über. Dabei werden die dikken linearen Ströme oder Strahlen mit unterschiedlichen Radien zu großen sphärischen Tropfen verschiedener Radien r_s aufgebrochen. Infolge des Vorhandenseins von Gravitation ergibt sich außerdem zusätzlich zur mittleren radialen Geschwindigkeitskomponentc Ü_r ei-

ne vertikale Geschwindigkeitskomponente Ü_y. Diese kann ebenfalls zueiner Erhöhung der resultierenden Geschwindigkeit U führen, so daß die sphärischen Teilchen mit großem Radius r_s während ihrer Raum- bzw. Fallbewegung weiter zu kleineren sphärischen Tröpfchen aufgebrochen werden. Dabei wird es unmöglich, lineare Strahlen oder sphärische Teilchen mit bestimmten Abmessungen zu erhalten. Solange der Radius R und die Winkelgeschwindigkeit ω vergleichsweise klein sind, treten unvermeidbar ähnliche Erscheinungen auf.

Die Erfindung befaßt sich nicht mit diesen Erscheinungen, die bei vergleichsweise kleinen Größen des Radius R und ziemlich kleinen Größen der Winkelgeschwindigkeit ω auftreten.
Bei ausreichend hoher Drehzahl der Drehscheibe [O)=(Ui) bildet sich auf der gesamten Drehscheibenoberfläche ein Dünnschichtstrom in Grenzschichtform. Dieser Dünnschichtstrom, der unter einem kleinen Winkel Φ mit hoher Geschwindigkeit vom Scheibenrand herabgeschleudert wird, teilt sich in freie lineare Strahlen eines festen Radius auf, die dann zu sphärischen Tröpfchen eines festen Radius aufbrechen.

Wie erwähnt, ist es zur Erzeugung linearer Strahlen oder sphärischer Tröpfchen einer festen Größe nötig, zumindest in der Nähe des Scheibenumfangs einen Dünnschichtstrom mit bzw. als Grenzschicht auszubilden; zu diesem Zweck muß die Drehscheibe bei konstanter Strömungsmenge mit ziemlich hoher Winkelgeschwindigkeit rotieren. Außerdem ist es zur Erzeugung linearer Strahlen eines ziemlich großen, festen Radius r,· oder sphärischer Tröpfchen eines ziemlich großen, festen Radius r_s erforderlich, ein unregelmäßiges Aufbrechen der linearen Ströme oder Strahlen auf der Drehscheibe zu verhindern. Zur Erfüllung dieser Bedingungen empfiehlt es sich, eine Scheibe mit vergleichsweise kleinem Radius R mit hoher Drehzahl in Drehung zu versetzen, wie dies aus den vorstehenden Erläuterungen hervorgehen dürfte. Beim bisherigen Verfahren, bei dem eine vergleichsweise niedrige Drehzahl von z. B.

1500 bis 5000 bzw. 500 U/min bei einem Scheibendurchmesser von 50 bis 200 mm angewandt wird, ist es schwierig, eine turbulente Grenzschicht sowie lineare Strahlen oder sphärische Tröpfchen eines festen Radius zu bilden.

In F i g. 3 sind die Rechteckkoordinatenachsen mit einem Ursprung O'am Drehscheibenumfang gesetzt. Die horizontale Richtung eines linearen Schleuderstrahls mit dem Winkel Φ ist die x-Achse, während die vertikale Abwärtsrichtung auf der y-Achse liegt. Die Geschwindigkeit des linearen Strahls oder des sphärischen Teilchens an einem beliebigen Punkt in der x— y-Ebene ist mit u bezeichnet, während ihre Geschwindigkeitskomponenten in x- und y-Richtung mit u_x bzw. u_y bezeichnet sind und der Winkel zwischen u und U_x mit α angegeben ist.

Im allgemeinen können Silikatschmelzen aufgrund ihrer hohen Viskositäts- und ihrer niedrigen Oberflächenspannungswerte einfach zu stabilen, feinen, linearen Strahlen verformt und in Form von Fasern zum Erstarren gebracht werden. Andererseits neigen Metallschmelzen mit niedrigen Viskositäts- und hohen Oberflächenspannungswerten zur Bildung ziemlich dicker linearer Strahlen. Bei den üblicherweise angewandten Kühlgeschwindigkeiten können lineare Metallschmelzenstrahlen außerdem leicht zum Erstarren gebracht werden, nachdem sie während der Bewegung durch den freien Raum in sphärische Tröpfchen aufgebrochen worden sind. Aus diesem Grund lassen sich die bisherigen Verfahren ziemlich genau in zwei Kategorien einteilen, nämlich in Verfahren zur Herstellung von Fasern aus leicht verglasbaren, nicht-metallischen Schmelzen und in Verfahren zur Herstellung von sphärischen oder kugelförmigen Teilchen aus Metallschmelzen. Im Fall von Silikatschmelzen kann jedoch die Viskosität durch Erwärmung auf höhere Temperatur ebenfalls verringert werden, während der Widerstand Φ mittels eines Gegenstroms heißen Gases erhöht werden kann. Hierdurch kann eine Verzögerung der Erstarrung hervorgerufen und die Bildung von sphärischen Tröpfchen aus Silikatschmelzen gewährleistet werden. Andererseits kann auch bei Metallschmelzen die Oberflächenspannung durch Erwärmung auf höhere Temperaturen oder durch Zugabe von die Oberflächenspannung erniedrigenden Elementen, wie S, Se, Sb, La, Ce, B, Sn, O, usw, beträchtlich herabgesetzt werden. Wenn kalte Gasströme parallel zu den linearen Schmelzenströmen geleitet werden, werden ebenfalls der Widerstand Φ herabgesetzt und die Erstarrung beschleunigt Unter diesen Bedingungen können Metallschmelzen in Form von Fasern zum Erstarren gebracht werden.

Die vorstehend umrissenen Prinzipien lassen sich wie folgt zusammenfassen:

1. Für eine vorgegebene Strömungsmenge der Schmelze, werden Radius R und Winkelgeschwindigkeit ω der Drehachse unter Berücksichtigung der kinematischen Viskosität ν so gewählt, daß sich am Drehscheibenumfang ein Dünnschichtstrom mit Grenzschicht einer spezifisch festgelegten Dikke Λ bildet.

2. Wenn der Dünnschichtstrom vom Drehscheibenumfang herabgeschleudert wird, bilden sich unter der Wirkung der Oberflächenspannung σ freie lineare Strahlen eines festen Radius r_a der durch die genannte spezifische Dicke h bestimmt wird.

3. Die linearen Strahlen mit dem Radius r_c brechen zu sphärischen Tröpfchen eines festen Radius a, der durch den Strahlradius r_c bestimmt wird, unter der Wirkung des durch das Umgebungsgas hervorgerufenen Widerstands 0auf.

4. Zur Beschleunigung der Bildung der sphärischen Tröpfchen und zur Verkürzung der Raumbewegungsstrecke des Strahls bzw. der Tröpfchen wird der Widerstand Φ erfindungsgemäß dadurch vergrößert, daß horizontale Gasströme genau entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung der linearen Strahlen eingeblasen werden, wobei auch die Gastemperatur verringert oder der Gasdruck erhöht werden kann. Zur Verhinderung eines Abbrechens der Fasern sowie einer Bildung von sphärischen Teilchen wird der Widerstand Φ erfindungsgemäß dadurch herabgesetzt, daß waagerechte Gasströme genau in Bewegungsrichtung der linearen Strahlen eingeblasen werden, wobei auch die Gastemperatur erhöht bzw. der Gasdruck erniedrigt werden kann.

Wenn bei der Faserherstellung auf die Drehscheibe eine Schmelze aufgegeben wird, die bestimmte feste oder flüssige Teilchen in Suspension enthält, können sich diese Teilchen von der Schmelze trennen, während gleichzeitig auch die Fasern aus der Schmelze gebildet werden können. Wenn beispielsweise auf die Drehscheibe eine Schmelze aus Kupol- oder Hochofenschlacke, suspendiert in Guß- oder Roheisentröpfchen, aufgegeben wird, können die suspendierten, schwereren Eisenteilchen über kürzere Bewegungsstrecken herabfallen, während die freien, linearen Strahlen der geschmolzenen Schlacke zu Fasern erstarren können. Die Eisenteilchen und die Schlackefasern können daher getrennt gewonnen werden.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von sphärischen Teilchen und von Fasern beruht auf Untersuchungen bezüglich der quantitativen Regelung oder Einstellung der Dicke des Dünnschichtstroms mit Trennschicht, d. h. des Dünnschichtstroms mit sowohl tangentialer als auch radialer Geschwindigkeitskomponente über die Gesamtdicke hinweg. Wenn die kinematische Viskosität der Schmelze vergleichsweise hoch ist und ein vergleichsweise großer Radius der sphärischen Teilchen bzw. Fasern verlangt wird, sollte auf der Drehscheibe ein Dünnschichtstrom mit laminarer Grenzschicht eingestellt werden, während im anderen Fall ein Dünnschichtstrom mit turbulenter Grenzschicht erzeugt werden sollte. Der Dünnschichtstrom läßt sich nicht bilden, wenn eine Drehscheibe mit kleinem Radius mit verhältnismäßig geringer Drehzahl in Drehung versetzt wird. Erfindungsgemäß wurden Versuche sowohl mit niedrigviskosen Strömungsmitteln, wie Wasser, wäßrige Glyzerinlösung, verschiedene Metallschmelzen usw., und hochviskosen Strömungsmitteln, wie metallurgische Schlacken, synthetische Flußmittel usw, unter Verwendung von Scheiben mit Radien von 25 bis 150 mm durchgeführt, wobei diese Scheiben mit Drehzahlen im Bereich von 3000 bis 30 000 U/min angetrieben wurden. Aufgrund dieser Versuche wurde mittels theoretischer Berechnungen und anderer Versuche bestätigt, daß die Dicke des Dünnschichtstroms mit Grenzschicht und somit der Radius der sphärischen Teilchen bzw. Fasern, wie sie bei der Trennung oder Aufspaltung des Dünnschichtstroms gebildet werden, in einem weiten Bereich steuerbar ist Im Hinblick auf die Ergebnisse dieser Versuche werden erfindungsgemäß wesentlich höhere Drehzahlen der Drehscheibe als bei den bisherigen Verfahren angewandt Infolge dieser hö-

9 10

heren Drehzahlen können größere Schmelzmengen Unter den angegebenen Bedingungen wurde mittels

auch mittels Drehscheiben mit vergleichsweise kleinem dreier verschiedener Drehscheibendurchmesser

Radius behandelt werden. De=60 mm, 120 mm und 170 mm sphärische Stahlteil-

Die Erfindung ist auf verschiedenen Gebieten an- chen durch Behandlung des Stahlschmelzenstroms in wendbar. Insbesondere kann das erfindungsgemäße 5 einer Stickstoffatmosphäre hergestellt. Fig.5 veran-Verfahren zur Herstellung von Fasern für metallurgi- schaulicht die Beziehung zwischen der Drehzahl und sehe Schlacken eingesetzt werden, die erhebliche Men- dem Durchmesser der hergestellten Teilchen unter Angen an Siliziumoxid enthalten, beispielsweise Hochofen- gäbe der Durchmesservariationsbereiche für jeden efschlacke von der Roheisengewinnung, Elektroofen- fektiven Scheibendurchmesser. Der Variationsbereich schlacke und Kupolofenschlacke ebenso verwendbar io der Teilchendurchmesser war beträchtlich enger als der sind bei diesem Verfahren synthetisierte Produkte aus zulässige Toleranzbereich für Stahlschrotgrößen gemäß verschiedenen anorganischen Substanzen, wie Glas, Mi- der japanischen Industrienorm. Diese Ergebnisse zcineralfasern, verschiedene metallurgische Flußmittel, gen, daß durch geeignete Wahl von Durchmesser und feuerfeste Silikate und Borate; metallhaltige Elemente, Drehzahl der Drehscheibe sphärische Teilchen bedie zu einer starken Verringerung der Oberflächenspan- 15 stimmter Größen hergestellt werden können. Die Bedienung führen, Halbleitermaterialien, wie Silizium, und or- hung zwischen Drehzahl und Teilchendurchmesser ge¹-ganische Substanzen, wie Kunstharz. maß F i g. 5 stimmte ziemlich gut mit dem Ergebnis der

Das Verfahren zur Herstellung sphärischer Teilchen theoretischen Berechnungen überein, ist mit folgenden Ausgangsstoffen durchführbar: Metallurgische Schlacken der oben genannten Art sowie 20 B e i s ρ i e 1 2 Schlacke von basischen Sauerstoffkonvertern, elektromagnetisches Material, das zu Teilchen oder Pulver zer- Herstellung von sphärischen Teilchen und Fasern ■ kleinen werden muß, Eisen, Stahl, Nichteisenmetall und aus Flußmittelschmelze M Legierungen davon, z. B. Kohlenstoffstahl, SpezialStahl,

Grauguß, Aluminium, Kupfer, Magnesium und Zink; 25 Der Antrieb der Rotoreinheit erfolgte auf dieselbe

Ferrolegierungen wie Ferromangan, Ferrosilizium, Fer- Weise wie bei Beispiel 1. Die Ausgangsleistung des

rochrom und Ferronickel; und organische Substanzen, Elektromotors für den Antrieb der Hydraulikölpumpe

wie Kunstharz. betrug jedoch nur 10 kW. Der Drehzahl-Regelbereich

Im folgenden ist die Erfindung anhand von speziellen betrug 0 bis 30 000 U/min. Es wurde eine Leitung aus

Beispielen näher erläutert. 30 Graphit mit einem Auslaßöffnungsdurchmesser

(J₀= 10 mm verwendet, und ein geschmolzenes Flußmil-

Beispiel 1 tel der nachstehend angegebenen Zusammensetzung

wurde zur Herstellung von sowohl sphärischen Teilchen

Herstellung von sphärischen Stahlteilchen _{aJs auch Fasern au}f _dne Graphitscheibe mit der Kon-

Eine Rotoreinheit wurde mittels einer hydrostati- 35 struktion gemäß Fig.5 der DE-PS 29 36 691 ausgesehen Kraftübertragung aus Hydraulikölpumpe mit va- ben.
riabler Fördermenge und Hydraulikmotor fester Leistung angetrieben, wobei die Hydraulikpumpe ihrerseits ■ Zusammensetzung der Flußmittelschmelze: durch einen Elektromotor mit einer Ausgangsleistung ' 41,2% SiO₂,4,0% Al₂O₃,1,9% Fe₂O₃.26,5% CaO, von 30 kW angetrieben wurde. Die Drehzahl der Schei- 40 0,7% MgO, 7,2% Na₂0,11,4% NaF, 7,4% AIF,. be wurde mittels eines photoelektrischen Fühlers unmittelbar gemessen und durch ein elektronisches PI-Re- Dichte der Flußmittelschmelze: 2,7 g/cm . gelsystem auf eine konstante Größe eingestellt. Der Re- , gelbereich der Drehzahl lag bei 2000 bis 12 000 U/min. Bei Erwärmung auf hohe Temperatur zur Vernnge-Über eine Leitung aus Schmelzsiliziumoxid (Hartfeuer- 45 rung der kinematischen Viskosität erstarrte die Flußmitporzellan) mit einem Auslaßdurchmeser cf_o=20mm telschmelze in Form von sphärischen Teilchen, während wurde Stahlschmelze aus einem Zwischenbehälter zu- bei niedrigerer Temperatur zur Erhöhung der kmematigeführt, in welchem die Schmelzenhöhe auf 700 mm ge- sehen Viskosität die Flußmittelschmelze in Form von halten wurde. Die Stahlschmelze wurde dabei in einer Fasern erstarrte. Die temperaturabhängige Änderung Massendurchsatzmenge von etwa 490 kg/min auf das 50 der Oberflächenspannung bei der angegebenen SiIi-Zentrum der rotierenden Drehscheibe aufgegeben. Die katschmelze war vernachlässigbar klein. Sphärische Betriebsbedingungen waren folgende: Teilchen und Fasern wurden mittels einer Drehscheibe

mit einem effektiven Durchmesser De=90 mm bei verZusammensetzung der Stahlschmelze: schiedenen Drehzahlen hergestellt F i g. 6A und 6B zei-

1,0% Kohlenstoff, 1,0% Silizium, 1,0% Mangan, 55 gen die Beziehung zwischen der Drehzahl und dem

0,03% Phosphor, 0,02% Schwefel, Durchmesser der hergestellten sphärischen Teilchen

0,008% Sauerstoff, 0,15% Kupfer bzw. Fasern unter zusätzlicher Angabe des Durchmes-

Temperatur der Stahlschmelze: Serbereichs der Produkte. Die Betriebsbedingungen wa-

1500°C ren folgende:

Dichte der Stahlschmelze: 60

7,0 g/cm³ Herstellung sphärischer Teilchen:

Kinematische Viskosität der Stahlschmelze: Schmelzentemperatur 1250° C

0,93 χ 10-²Cm²Zs Massendurchsatzmenge

Oberflächenspannung der Stahlschmelze: der Schmelze 6 kg/min

1176dyn/cm 65 kinematische Viskosität

der Schmelze 0,74cm²/s

Die aus Schmelzsiliziumoxid bestehende Drehscheibe Oberflächenspannung

hatte den Aufbau nach DE-PS 29 36 691, F ig. 4. derSchmelze 510dyn/cm

11

Herstellung von Fasern:	1150⁰C	5	I,2cm²/s
Schmelzentemperatur
Massendurchsatzmenge	2 kg/min	510 dy n/cm
der Schmelze
kinematische Viskosität
der Schmelze
Oberflächenspannung
der Schmelze

Hie Beziehung zwischen der Drehzahl und dem jo Durchmesser der sphärischen Teilchen bzw. Fasern gemäß F i g. 6 stimmte gut mit dem Ergebnis der theoretischen Berechnung überein, wobei der Größentoleranzbereich sehr klein war. Die hergestellten Fasern waren sämtlich länger als 500 mm. 15

Beispiel 3

Herstellung von sphärischen Teilchen und Fasern

aus Hochofenschlacke 20

Sphärische Teilchen und Fasern aus Hochofenschlakkc wurden unter Anwendung desselben Verfahrens und derselben Vorrichtung wie in Beispiel 2, jedoch unter den folgenden Bedingungen hergestellt: 25

Zusammensetzung der Hochofenschlacke:

35,5% SiO₂,10,2% Al₂O₃,1,8% FeO, 45,3% CaO, 7,2% MgO

30 Dichte der Hochofenschlacke: 2,65 g/cm³

Herstellung sphärischer Teilchen:

Schmelzentemperatur	1550⁰C	35
Massendurchsatzmenge
der Schmelze	5,5 kg/min
kinematische Viskosität
der Schmelze	0,85 cm²/s
Oberflächenspannung		40
der Schmelze	520 dyn/cm
Herstellung von Fasern:
Schmelzentemperatur	1450°C
Massendurchsatzmenge		45
der Schmelze	1,5 kg/min
kinematische Viskosität
der Schmelze	I,5cm²/s
Oberflächenspannung
der Schmelze	520 dyn/cm

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Die F i g. 7A und 7 B veranschaulichen die Beziehung zwischen der Drehzahl und dem Durchmesser der sphärischen Teilchen bzw. der Fasern unter Angabe der Durchmesservariationsbereiche.

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Hierzu 7 Blatt Zeichnungen

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Claims

Patentanspruch:

Verfahren zur Herstellung sphärischer Teilchen oder von Fasern mit einem analytisch vorbestimmten Durchmesser aus einer Schmelze, welche im wesentlichen aus Metall und/oder Schlacke gebildet ist, wobei die Schmelze auf die Mitte eines rotierenden Drehtellers gegeben und in einen freien Raum mit einer Atmosphäre aus Luft oder Inertgas abgeschleudert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Kühlgas mit niedrigerer Temperatur und einem höheren Druck als den entsprechenden atmosphärischen Werten

zur Erzeugung von sphärischen Teilchen entgegengesetzt zu dem auf dem Drehteller gebildeten Schmelzstrom oder

zur Erzeugung von Fasern gleichsinnig mit diesem Schmelzstrom

zugeführt wird.