DE3104003C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Her­ stellen von Pulver aus Metallegierungen mit Blei und/oder Cadmium als Schwerme­ tallkomponenten, die an Luft Oxide bilden, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1. Daneben bezieht sich die Er­ findung auch auf die zugehörige Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 3.

Zum Herstellen von Metallpulver ist das Zerstäuben einer Metallschmelze als wirtschaftliches Verfahren bekannt. Bei diesem Verfahren werden als Zerteilungsmedium ent­ spannende Druckgase oder Druckwasser verwendet. Hierbei wird die Schmelze über einen Gießtrichtr ausgegossen und der fallende Schmelzstrahl vom Druckmedium zer­ teilt.

Die Anordnung der Düsen kann unterschiedlich erfolgen, z. B. von der Seite gegen den Schmelzstrahl gerichtet sein oder den Schmelzstrahl als Ringdüse umgeben. Der Verdüsungseffekt wird durch Einstellung des Düsen­ winkels beeinflußt. Die Intensität der Verdüsung wird durch den Druck des Verdüsungsmediums und die über die Düsengröße oder den Düsenspalt einstellbare Gas- bzw. Wassermenge bestimmt. Über die Temperatur der Schmelze ist die Viskosität einstellbar. Es ist üblich, daß das Erschmelzen der Metalle oder Metallegierungen und das Gießen durch einen Trichter an Luft erfolgt. Dabei treten bei den höheren Temperaturen vor allem Metalle mit hohem Dampfdruck von der Schmelze und während des Gießprozesses an die Umgebung aus. Bei oxidablen Me­ tallen entstehen aber dabei Metalloxide, die als feiner Rauch an die Umgebung gehen.

Durch Abdecksalze auf der Oberfläche der Schmelze kön­ nen die Verdampfungsverluste verkleinert werden. Bei der üblichen Technik werden die Arbeiter im Bereich der zu hohen Arbeitsplatzkonzentrationen (MAK-Werte = Maximale Arbeitsplatz-Konzentration) durch entspre­ chende Schutzvorrichtungen, wie Atemmaske bzw. Helm mit Sekundärbelüftung, geschützt. Die abrauchenden Metalle bzw. Metalloxide werden durch Filteranlagen geleitet, so daß die nach außen gehende Abluft die vorgeschriebenen Emissionswerte nicht überschreitet. Bei verschiedenen Schwermetallen treten aber selbst bei den zugelassenen Emissionswerten unerwünschte Umweltbelastungen auf.

Aus der DE-OS 15 58 370 ist ein Verfahren zur Her­ stellung von Metallpulver mit beispielsweise beson­ ders niedrigen Oxidgehalten bekannt, bei dem die Me­ tallschmelze mittels Inertgas, beispielsweise Argon, zerstäubt und die so erhaltenen Metallpartikel danach einer, ebenfalls unter Schutzgas stattfindenden Flüs­ sigkeitsbenetzung ausgesetzt werden. Weiterhin sind beispielsweise aus der DE-OS 22 40 643 Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von nicht verunreinigtem Metallpulver bekannt, bei denen in einem geschlossenen Reaktor mit Gas als Zerstäubungs- und Auffangmedium gearbeitet wird, das durch einen separaten Wasserkreis­ lauf gekühlt ist.

Beim Verdüsen mit Gasen, wie z. B. oder Schutz­ gas, sind hohe Gasvolumina erforderlich, was zu einer großen Abluftmenge führt oder im Falle eines Gaskreis­ laufes einen erheblichen Aufwand erfordert. Beispiels­ weise beim Verdüsen einer Roheisenschmelze mit Luft fin­ det während der Verdüsung eine Oxidation statt, wobei durch eine nachfolgende Glühung durch Reaktion zwischen dem Kohlenstoffgehalt des Roheisens und dem gebildeten Fe₂O₃ Kohlenmonoxid entsteht, weswegen kein separates Schutzgas erforderlich ist. Das Eisenoxid wird dabei durch Filteranlagen aus der Abluft abgeschieden.

Für die pulvermetallurgische Verarbeitung werden auch Metallpulver bzw. Metallegierungspulver benötigt, die Komponenten mit hohem Dampfdruck und einer starken Oxidationsneigung besitzen, und für die Emissionen nur in kleiner Konzentration zugelassen sind. In die­ ser Richtung liegen z. B. die bei Umweltgesprächen besonders beachteten Metalle Blei und Cadmium.

Aufgabe der Erfindung ist daher, die bekannten Ver­ fahren dahingehend zu verbessern, daß auch Metall- oder Metallegierungspulver mit Schwermetallkomponenten durch Druckverdüsung herstellbar sind, sowie eine zu­ gehörige Vorrichtung anzugeben. Insbesondere soll dabei keine Umweltbelastung durch Emission von Schwer­ metallen oder Schwermetalloxiden auftreten.

Die Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die Gesamt­ heit der kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst. Eine zugehörige Vorrichtung wird mit dem Patent­ anspruch 3 angegeben, wobei die Unteransprüche vorteil­ hafte Weiterbildungen beinhalten.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren werden durch das Ver­ düsen mit Wasser wesentlich geringere Gasmengen durch den entstehenden Unterdruck an der Düse angesaugt. Durch die raschere Abkühlung mit Druckwasser ist die Oxidation an der Oberfläche der Pulverteilchen sehr klein. Ins­ besondere durch den geschlossenen Wasserkreislauf für das Zerstäuben und Auffangen des Pulvers lassen sich die Umweltprobleme beherrschen, da nur ein einziger Abluft­ kanal mit Gas-Dampfaustritt und Filter erforderlich ist.

Durch die Verwendung eines Schmelzraumes, der einen geschlossenen Schutzgasraum bildet, entstehen dort kei­ ne Metalloxide, welche durch zusätzliche Filteranlagen zurückgehalten werden müßten. Die während des Erschmel­ zens und Gießens verdampfenden Schwermetalle werden an kälteren Stellen des Schmelzraumes niedergeschlagen und können für den Schmelzprozeß wiedergewonnen werden. Der abgeschlossene Schmelzraum wird unmittelbar vor dem Gießen mit einem Zwischenraum und dem Verdüsungsraum verbunden, z. B. durch einen Schieberverschluß des Bo­ denloches im Schmelztiegel. Auch der Zwischenraum ist schutzgasgespült, so daß der fallende Schmelzstrahl auf dem Weg zur Zerstäuberdüse nicht oxidiert wird.

Durch die Wasserverdüsung wird die Schmelze in Pulver zerteilt und rasch abgekühlt. Die Feinanteile des Metallpulvers oder Legierungspulvers können in der Ab­ luft durch Filter leicht zurückgehalten werden.

Anhand eines in der Figur dargestellten Fließbildschemas wird die Erfindung noch näher erläutert.

Das Schmelzen einer Metallegierung, z. B. AgCd-Le­ gierung, erfolgt in einem induktiv beheizten kippbaren Schmelztiegel 1 innerhalb eines geschlossenen und mit Schutzgas gefüllten Schmelzraumes 100. Der als Schutz­ gas verwendete Stickstoff steht beim Erreichen der Schmelztemperatur unter einem Druck von etwa 1000 mbar. Bei Schmelzkomponenten mit niedrigem Dampfdruck kann der Schmelzraum mit Unterdruck, bei solchen Komponenten mit hohem Dampfdruck mit Überdruck betrieben werden. Dadurch kann die Verdampfungsrate klein gehalten werden.

Vor der Stickstoffspülung wird der Schmelzraum 100, begrenzt durch die wassergekühlte Abdeckhaube 4, über die Vakuumpumpe 6 auf etwa 1 × 10^-3 Torr evakuiert. Die abgepumpte Luft wird nach Reinigung durch einen in der Vakuumpumpe 6 vorge­ schalteten Filter dem Abluftkanal zugeführt. Das Bestücken des Tiegels 1 erfolgt nach Abheben der wassergekühlten Ab­ deckhaube 4 mit den zu schmelzenden Metallen im kalten Zustand. Anschließend wird der Schmelzraum evakuiert und mit Stickstoff gefüllt. Der Stickstoffeintritt erfolgt bei 6 a und der Stickstoffaustritt bei 7.

Zur Erhaltung konstanter Druckverhältnisse im Schmelzraum dient das Druckausgleichsystem 8. Alle Vorgänge, wie Nachchargieren, Temperaturmessung und Probeentnahme, erfolgen über die gasdicht abgeschlossene Chargiereinrichtung 4 a. Nach völligem Schmelzen des Legierungspulvers wird die Schmelze ebenfalls unter Stickstoff in den Gießtrichter 3 ge­ gossen. Zur Freigabe des Schmelzstrahles zum Verdüsen wird der Schiebeverschluß 5 unter dem Gießtrichtr 3 geöffnet.

In dem Schmelzraum 100 mit abgeschlossenem Stickstoff- Kreislauf kann kein Abrauchen und damit keine Emission von Metalloxiden in Erscheinung treten. Der fallende Schmelzstrahl wird über den Zwischenraum 20 mit der Ring­ düse 10 verbunden und dadurch mit einem Wasserdruck von etwa 30 bar in der Verdüsungskammer 11 zerstäubt.

Der für die Zerstäubung erforderliche Wasserdruck wird in der Wasserhochdruckpumpe 9 erzeugt, die sich in dem ge­ schlossenen Wasserkreislauf 14 befindet. Das benötigte Wasser wird aus dem Wasserbecken 13 bezogen. Nach dem Zer­ stäubungsprozeß wird das Pulver in dem mit Wasser ge­ füllten Auffangbehälter 12 aufgefangen.

Der Wasserkreis­ lauf des Auffangbehälters 12 und der dazu gehörigen Einrichtungen ist geschlossen, so daß darüber keine Metalle nach außen gelangen können. Bei der Reinigung des Wasserbeckens 13 wird das enthärtete Wasser bis zur Wiederverwendung in nicht dargestellte Tanks gepumpt. Umweltprobleme können über das verwendete Wasser nicht auftreten. Bei der Verdüsung von Metallen oder Metall­ legierungen geht das Gas-Dampf-Gemisch aus der Ver­ düsungskammer 11 über den Gas-Dampfaustritt 15 und den Filter 17, die Gaspumpe 18 und den Gaspuffer 19 mit Druckausgleichbehälter in den Abluftkanal.

Die Dauer eines Schmelz- und Verdüsungsprozesses betägt etwa 1 bis 1 ¹/₂ Stunden. Vom gesamten Prozeß der Pulver­ herstellung nimmt die Schmelzzeit den größten Anteil ein.

Die Dauer der Verdüsung hängt vom Durchmesser der Aus­ lauföffnung in dem Gießtrichter ab. Bei etwa 12 mm Düsendurchmesser dauert die Verdüsung von 200 kg Schmelze etwa 4 Minuten. Der Schutzgaskreis des Schmelz- und Gießprozesses wird über einen in der Figur nicht darge­ stellten Druckpilot überwacht.

Nach den bisher bekannten Verfahren wurde durch Analysen der Abluft eine Emission an Schwermetallen der Klasse I nach TA-Luft (1974) von etwa 100 g/Std. gemessen. Durch das er­ findungsgemäße Verfahren konnte die Emission an Schwer­ metallen der Klasse I nach TA-Luft (1974) um etwa eine Größen­ ordnung gesenkt werden.

Die Verdüsungskammer 11 kann ebenfalls mit Stickstoff gespült und mit einem Schutzgaskreislauf verbunden werden. Wegen der raschen Abkühlung durch das Druck­ wasser ist diese Maßnahme in den meisten Fällen nicht notwendig.

Claims (7)

1. Verfahren zum Herstellen von Pulver aus Metallegie­ rungen mit Blei und/oder Cadmium als Schwermetallkomponenten, die an Luft Oxide bilden, durch Zerstäuben von Schmelzen dieser Metallegierungen mittels Druckverdüsung durch ein fluides Medium, wobei die Me­ tallegierung innerhalb eines geschlossenen Schmelzraumes in einem Schmelztiegel erschmolzen wird und von dort die Schmelze über einen Gießtrichter in eine Zerstäuberdüse geleitet und durch das fluide Medium in eine Verdüsungs­ kammer zerstäubt und in einem Flüssigkeitsbad aufgefan­ gen wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

• a) Das Erschmelzen erfolgt unter Schutzgas,
• b) beim Abguß wird die Schmelze über einen schutzgasge­ spülten Zwischenraum (20) in die Zerstäuberdüse (10) geleitet,
• c) dort wie die Schmelze durch Druckwasser als fluides Medium zerstäubt,
• d)das so erzeugte Pulver wird in Wasser aufgefangen und
• e) das Wasser wird im Kreislauf als Druckwasser zur Zer­ stäuberdüse zurückgeführt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß als Schutzgas Stickstoff verwendet wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach An­ spruch 1 oder 2, mit einem abgeschlossenen Behälter als Schmelzraum, der einen kippbaren und heizbaren Schmelz­ tiegel, einen Gießtrichter sowie eine Zerstäuberdüse enthält, und mit einer sich daran anschließenden Verdü­ sungskammern, dadurch gekennzeich­ net, daß zwischen Zerstäuberdüse (10) und der Ver­ düsungskammer (11) ein separater Zwischenraum (20) vor­ handen ist, der eine Schutzgaszufuhr (21) aufweist, und daß die Verdüsungskammer (11) durch einen Auffangbe­ hälter (12) mit Wasser abgeschlossen ist, der mit einem Sammelbecke (13) verbunden ist, von dem der Zerstäu­ berdüse (10) über eine Hochdruckpumpe (9) Wasser als Druckmedium über eine Leitung zuführbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Zwischenraum (20) vom Gießtrichter (3) über einen Verschluß (5) abtrenn­ bar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Zerstäuberdüse (10) ringförmig ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdüsungskam­ mer über einen Gas-Dampfaustritt (15) mit anschlie­ ßendem Filter ( 17) mit einem Abluftkanal verbunden ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Filter (17) und Abluftkanal eine Gaspumpe (18) mit Gaspuffer (19) vorhanden ist.