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Verfahren und Vorrichtung zum Herstellen von,Granulaten Zum Herstellen
von Granulaten, insbesondere aus Metallen und Metallegierungen, aber auch aus schmelzflüssigen
keramischen Materialien, ist eine Reihe von Verfahren bekannt, deren gemeinsames
Merkmal darin besteht, daß sie zu Produkten mit sehr unterschiedlicher Teilchengröße
führen und nicht ohne weiteres die Möglichkeit bieten, diese Korngrößenverteilung
in erwünschter 'Weise einzuengen. Dies ist in allen Fällen, in denen nur Teilchen
eines bestimmten Größenintervalls für eine Weiterverwendung brauchbar sind, nachteilig,
da die außerhalb dieses Größenbereiches liegenden Teilchen durch Sieben oder Sichten
abgetrennt und gegebenenfalls von neuem eingeschmolzen und grannliert werden müssen.
Ferner ist nur bei einem Teil dieser Verfahren die Verwendung von Vakuum oder Schutzgasatmosphäre
möglich, so daß die Granulierung von korrosionsempfindlichen oder zur Bildung von
Lunkern und Gaseinschlüssen neigenden Werkstoffen nach den bekannten Verfahren nur
in beschränktem Umfang durchführbar ist.
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Das Verfahren der Erfindung gestattet demgegenüber die Herstellung
von Granulaten, insbesondere von Federspitzenkörnern aus geschmolzenen Metallen
oder Metallegierungen, in einer gleichmäßigen, jedoch mit einfachen Mitteln regelbar
veränderlichen Teilchengröße unter Arbeitsbedingungen, die der Natur des jeweils
zu granulierenden Werkstoffes weitgehend angepaßt werden können. Erfindungsgemäß
wird die zu granulierende Schmelze in Rotation versetzt, und aus ihr
werden
unter der Einwirkung zentrifugal gerichteter Kräfte Schmelzstrahlen von gegebenem
Durchmesser abgetrennt. DieaustretendenSchmelzstrahlen werden in im wesentlichen
tangentialer Richtung abgeschlendert und die entstandenen Schmelztröpfchen, gegebenenfalls
unter Verwendung besonderer Kühlmedien, zur Erstarrung gebracht. Mit Vorteil wird
die Menge der jeweils austretenden Schmelze so geregelt, daß sie sich in Form einzelner
aufeinanderfolgender Tröpfchen ablöst.
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Die Vorrichtungen zur Durchführung des *Verfahrens bestehen im wesentlichen
aus einem Schmelzgefäß, das in Rotation versetzt werden kann und in seiner Wand
vorzugsweise senkrecht zur Rotationsachse, also radial angeordnete Kanäle aufweist.
Sie können jedoch auoh in einer oder mehreren Koordinaten von dies-er Grundrichtung
abweichen. Die Kanäle werden vorzugsweise oberhalb des Sthmelzspiegels angebracht,
der sich im ruhenden Gefäß einstellt, so daß die Schmelze unter der Wirkung der
Rotationsbewegung an der Innenwand des Schmelzgefäßes hochsteigt und dann bei gleichmäßiger
Rotationsgeschwindigkeit in praktisch stets gleichbleibenden Mengen für den Eintritt
in die Kanäle zur Verfügung steht. Das Schmelzgefäß kann z. B. im unteren Teil sich
in einem Schaft fortsetzen, durch dessen Drehung die Rotation bewirkt wird. Es ist
jedoch auch möglich, das Schmelzgefäß in anderer Weise, etwa dürch Aufsetzen und
eine umlaufende Scheibe, in Rotation zu bringen. Da bei der Ausübung des erfindungsgenläßen
Verfahrens das Schmelzgefäß vorteilhafterweisee mit regelbar veränderlicher Geschwindigkeit
rotiert, liegt in der Abstimmung der Rotationsgeschwindigkeit der Schmelze auf den
Durchmesser des abgetrennten Schmelzstrahles eine Möglichkeit, den Schmelzstrahl
bereits vor dem Abschleudern in Schmelztropfen aufzuteilen. Auf diese Weise hat
man es in dee Hand, die Schmelze entweder in einem verhältnismäßig geschlossenen
Strahl oder in mehr oder weniger dicht aufeinanderfolgenden Einzeltröpfchen aus
den Kanälen nach außen austreten züi lassen. Größe und Menge der abgeschleuderten
Schmelztröpfchen und damit der gebildeten Granulatteilchen werden außer von der
Rotationsgeschwindigkeit wesentlich von der Weite der Kanäle beeinflußt; jedoch
spielt dabei auch die Viskosität der Schmelze, die wiederum von der Überhitzungstemperatur
abhängig ist, eine gewisse Rolle. Je nach der Temperatur des Schmelzgutes und der
Unfdrehungszahl des Schinelzgefäßes können beispielsweise aus einem Austrittskanal
iooo und mehr Einzeltröpfchen pro Sekunde durch die Mündung austreten und vom Schmelzgefäß
abgeschlendert werden.
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Bei -einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Vorrichtung weisen die Austrittskanäle einen kreisförmigen Querschnitt auf. Es ist
jedoch auch jede andere Querschnittsform, z. B. oval oder viereckig, im Rahmen der
Erfindung anwendbar. Wie schon erwähnt, werden die Kanäle zweckmäßig oberhalb des
Schnielzspiegels angeordnet. Sie können jedoch auch in dem Teil der Schmelzgefäßwand
vorgesehen werden, der noch von der ruhenden Schmelze bedeckt ist. Bei dieser Ausführungsform
muß jedoch der Durchmesser der Kanäle so gewählt werden, daß die ruhende
Schmelze infolge ihrer Viskosität ohne die Einwirkung von Zentrifugalkräften nicht
auf Grund ihres Eigengewichtes durch die Kanäle austritt.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung erlaubt in einfacher Weise, auch
Granulate mit vorbestimmter, sich über einen größeren Bereich erstreckender Korngrößenverteilung
herzustellen, indem in der Wand des rotierenden Schmelzgefäßes mehrere Kanäle mit
verschieden großem Querschnitt angebracht werden. Neben der Veränderung der Rotationsgeschwindigkeit
'des Schmelzgefäßes sowie der Viskosität der Schmelze und des Durchmessers der Kanäle
liegt eine weitere Steuerungsmöglichkeit bei dem Verfahren der Erfindung auch in
der Verteilung der oberhalb des ruhenden Schmelzspiegels angeordneten Kanäle, die
gegebenenfalls unterschiedlichen Durchmesser aufweisen. Werden die Kanäle z. B.
in schraubenlinienförmig steigender Verteilung derart angebracht, daß sich diejenigen
mit dem größten Durohmesser im größten Abstand von dem Schmelzspiegel befinden,
so wird je nach der Rotationsgeschwindigkeit für den Austritt aus den oberen
Kanälen eine kleinere Schmelzmenge zur Verfügung stehen als für die Beaufschlagung
der tiefer gelegenen, da sich - die Stärke der unter der Einwirkung der Zentrifugalkraft
an der Wand des Schinelzgefäßes hochsteigenden Schmelzgutschicht mit zunehmender
Entfernung vom Schmelzspiegel verringert. Man kann auf diese Weise also auch den
mengenmäßigen Anteil bestimmter Körnungen innerhalb gewisser Grenzen beeinflussen.
Schließlich ist es auch möglich, bestimmte Kanäle an den Stellen der Wand des Schmelzgefäßes
anzubringen, an denen infolge der Formgebung der Wand bevorzugte Werte der Rotationsgeschwindigkeit
erreicht werden, wodurch Zentrifugalkräfte von abgestufter C xröße zur Einwirkung
auf die Schmelze gelangen.
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Gemäß der Erfindung kann das zu granulierende Material entweder im
ruhenden Schmelzgefäß eingeschmolzen und erst dann mit diesem zur Rotation gebracht
oder das Einschmelzen auch im bereits rotierenden Schmelzgefäß vorgenommen werden.
Vor allem bei der ersten Arbeitsweise werden beim Anlauf-en des Schmelzgefäßes bis
zum Erreichen einer gewissen Rotationsgeschwindigkeit Körner von abweichender Größe
erhalten. Erfindungsgemäß läßt sich dies dadurch vermeiden, daß die Kanäle zunächst
vorübergehend, z. B. durch eine keramische Schmiermasse, locker verschlossen werden.
Erst bei Erreichen einer gewissen Umdrehungsg,eschwindigkeit wird dann der Verschluß
der Kanäle durch das unter bestimmten Zentrifugaldrücken stehende Schmelzgut ausgetrieben.
Damit -,verden die Kanäle für den Durchtritt und das Abschleudern der Schmelze freigegeben,
so daß erst von dieser Rotationsgeschwindigkeit an die
Granulierung
einsetzt und dadurch die Gewähr für die Entstehung von. Granulatkörnern einheitlicher
Größe gegeben ist.
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Die von der Außenwand des Schinelzgefäßes im wesentlichen in tangentialer
Richtung abgeschleuderten Schmelztröpfchen können durch entsprechende Bemessung
des freien Flugweges infolge der Abstrahlung ohne besondere Maßnahmen zur Erstarrung
gebracht werden. Wenn dafür Sorge getragen wird, daß die Schmelztröpfchen nach dem
Austritt aus den in der Wand des Schmelzgefäßes befindlichen Kanälen vor ihrer Erstarrung
nicht auf irgendwelche Hindernisse auftreffen, so formen sie sich während des freien
Fluges in weitgehender Annäherung zu kugeligen Gebilden. Um den abgeschleuderten
Schmelztröpfchen durch Verlängerung des Flugweges ohne erhöhten Raumbedarf für die
Granulierungsvorrichtung Gelegenheit zu einer Abkühlung zu bieten, können die Kanäle
in der Wand des Schmelzgefäßes nicht waagerecht, also unter go' zur Rotationsachse,
sondern schräg nach oben angeordnet werden. Dadurch wird erreicht, daß die aus den
so gerichteten Kanälen abgeschleuderten Schmelztröpfchen sich nach der Ablösung
von der Kanalöffnung zunächst auf dem aufsteigenden Ast ihrer Flugbahn bewegen und
so einen längeren Weg zurücklegen, bis sie in das Auffanggefäß niederfallen.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung kann jedoch auch so durchgeführt
werden, daß die Schmelztröpfchen bereits nach kurzer Flugzeit der Einwirkung eines
gasförmigen oder flüssigen Kühlmittels ausgesetzt werden, in dem sie ohne nennenswerte
Formänderung zu kugeligen Teilchen erstarren. Als Kühlmedien, seien sie gasförmiger
oder flüssiger Natur, werden dabei solche Stoffe gewählt, die gegenüber dem zu granulierenden
Werkstoff indifferent sind oder reduzierend wirken und beispielsweise Oberflächenänderungen
der gebildeten Granulatteilchen wirksam verhindern. Derartige Maßnahmen sind von
besonderer Bedeutung, wenn es sich bei den herzustellenden Granulaten um Metalle
oder Legierungen handelt, die bei erhöhter Temperatur gegen Luft oder andere sauerstoffhaltige
Gase empfindlich sind. Andererseits können als Kühlmittel auch solche Stoffe gewählt
werden, die bei den Temperaturen, mit denen die Granulatteilchen in das Kühlmittel
gelangen, noch eine chemische Reaktion auslösen. Das ist beispielsweise der Fall
bei Kohlenwasserstoffen, die sich an der Oberfläche der noch nicht vollständig erkalteten
Körner unter Kohlenstoffabscheidung thermisch zersetzen und etwa zu einer oberflächlichen
Aufkohlung des Granulates führen.
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Bei Stoffen die gegen Wärmespannungen empfindlich sind, kann unter
Umständen die Notwendigkeit bestehen, die Abkühlung der Schmelztröpfchen besonders
milde zu gestalten. Erfindungsgemäß werden in solchen Fällen als Kühlmedien Schäume
benutzt, bei denen gegebenenfalls entweder die Gasphase oder die flüssige Phase
oder beide gegen den Granulatwerkstoff inert sind. Die Verwendung dieser schaumförmigen
Kühlmedien bietet den weiteren Vorteil, daß die eintretenden, ,gegebenenfalls noch
plastischen Granulatteilchen , el infolge des wiederholten Durchganges durch
eine Vielzahl von Phasengrenzflächen auch mechanisch rasch, aber ohne weitere Verformung
abgebremst werden. Die Kühlung kann auch so vorgenommen werden, daß die schaumförrnigen
Kühlmedien während des Granuliervorganges erzeugt werden, Z. B. durch Einwirkung
von vermindertem Druck auf gashaltige Flüssigkeiten, wie Öle.
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Die Granulierung nach dem Verfahren der Erfindung kann mit besonderem
Vorteil auch kontinuierlich durchgeführt werden, indem man die Schmelze durch feste
oder flüssige Einsätze laufend ergänzt.
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In gewissen Fällen kann es wünschenswert sein, beim Granulieren von
Mehrstoffsystemen eine oder mehrere Komponenten erst unmittelbar vor der Granulierung
zuzugeben, z. B. dann, wenn eine der Komponenten bei der Grannlierungstemperatur
bereits einen erheblichen Dampfdruck besitzt. Dabei kann erfindungsgemäß die Vorrichtung
zur kontinuierlichen Beschickung so ausgestaltet sein, daß die einzelnen Komponenten,
aus denen das Schmelzgut zusammengesetzt ist, gesondert dem Schmelzgefäß zugeführt
werden können.
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Bei dem Verfahren der Erfindung kan-ni nicht nur die Abkühlung der
-gebildeten Schmelztröpfchen, sondern auch die Beschickung des Schmelzgefäßes, das
Einsetzen des zu grannlierenden Werkstoffes und die Granulierung selber unter Ausschaltung
von Luft oder sauerstoffhaltiggen Gasen im Vakuum oder in einer beliebigen, Gasatmosphäre
durchgeführt werden, wobei letzte gegebenenfalls auch unter vermindertem Druck zur
Anwendung gelangen kann. Auf diese Weise! läßt sich das Verfahren zur Herstellung
von Granulaten für alle schmelzbaren Werkstoffe, insbesondere auch für sauerstoffempfindliche,-
Metalle oder Metallegierunm gen, unbeschränkt heranziehen,.
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Das Erwärmen und Flüssighalten des Schmelzeinsatzes kann in an sich
bekannter Weise entweder durch Gasbeheizung, durch elektrische Kurzschlußheizung
oder auf induktivem Wege erfolgen, wobei im letzten Fall Schmelzgefäße aus nichtleitendem
Werkstoff zweckmäßig mit einem metallischen, Mantel umgeben werden, um eine gleichmäßige
Erwärmung von außen her zu ermöglichen.
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Ein für die Durchführung des Verfahrens geeignetes Schmelzgefäß is-t
beispielsweise in der Abbildung dargestellt. Darin bedeutet i den Schaft und 2 das
eigentliche Schmelzgefäß mit dem Schmelzraum 3. In der Wand befinden sich
die durchgehenden Kanäle 4, die gemäß Abbildung senkrecht zur Rotationsachse des
Schmelzgefäßes gerichtet sind. Der Schmelzraum 3 verengt sich oberhalb der
Kanäle 4 zu einer Öffnung 5, die der Beschickung des Schme-lzraurnles
3 dient.
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Für den Fall, daß die- Beheizung der Schmelze auf induktivem Wege
erfolgen soll, ist es zweckmäßig die Außenwand des Tiegels mit einer rota.-tionssymmetrischien
Abkröpfung zu versehen' auf die der der gleichmäßigen Erwärmung dienende
metallische
Außenmantel aufgesetzt werden kann. Dabei wird die Außenewand des Schmelzgefäßes
oberhalb. der Abkröpfung, 6 zylindrisch ausgeführt.
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Sofern für das Schmelzgefäß Werkstoffe vexwendet werden müssen, bei
denen die Herstellung glatter Austrittskanäle durch einfaches Bohren Schwierigkeiten
bereitet, können die Kanäle durch glatte- Röhrchen, vorzugsweise aus keramischem
Material, gebildet werden, die:- in entsprechende Bohrungen in der Wand des Schmelzgefäßes
fest eingelegt sind.
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je nach Art des zu grannlieTenden Stoffes und der gewählten Arbeitsbedingungen
können dieAustrittsöffnungen der Kanäle in Quexschnittsfürm und Querschnittsaibmessung
von der Grundform des Kanals abweichend gestaltet, beispielsweise erweitert -Werden.
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Das den Hauptteil der Vorrichtung zur! Ausübung des erfindungsgemäßen
Verfahrens bildende Schmelzgiefäß kann in einfacher Weise auch zweiteilig hergestellt
werden, in-dem auf einen nach oben geöff neten Tiegelkörper ein zweiter, im Boden
mit einer Bohrung versehener Tiegel umgekehrt aufgesetzt wird, wobei die Berührungsflächen
dicht aufeinander eingeschliffen werden müssen. In diesem Fall werden die Austrittskanäle
durch Rillen gebildet, die in die Berührungsflächen der beiden; Tiegelkörper eingeschliffen-
sind und als solche als Austrittskanäle dienen oder entsprechende Austrittsröhrchen
aufnehmen.
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Beim Arbeiten mit größeren Schmelzmengen sind die entsprechend dimensionierten
Schmelzgefäße infolge der Rotation erheblichen Drücken a.usgesetzt, besonders dann,
wenn WeTkstoffe mit hohem spezifischen Gewicht granuliert werden müssen. Dabei hat
es sich als zweckmäßig erwiesen, das eigentliche Schmelzgefäß mechanisch dadurch
zu entlasten, daß es gegebenenfalls unter Verwendung einer pulveTförmigen Zwischenschicht
in ein vorzugsweise metallisches Stützrohr eingelegt wird, das auf niedrigerer Temperatur
als das Schmelzgefäß selbst gehalten werden kann und somit erhöhte mechanische Widerstandsfähigkeit
aufweist.
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Das Verfahren gemäß der Erfindung ist, wie schon mehrfach erwähnt,
einer breiten Anwendung für die Herstellung von Granulaten aller Art fähig, wobei
die ArMtsbedingungen, insbesondere durch Regelung der Rotationsgeschwindigkeit,
der Überbitzunzstemper&tur sowie der Zahl, Größe und. Anordnuig de# Austrittskanäle
den Anforderungen, die an Kornform, Korngröße und Kornvexteilung des Granulates
gestellt werden, weitestgehend und elastisch angepaßt werden können. Die Möglichkeit,
das Verfahren sowohl im Vakuum als auch unter jeder beliebigen Schutzgasatmosphäre
durchzuführen, macht seine Anwendung von der chemischen Natur der zu granulierenden
Stoffe weitgehend unabhängig.
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Das Verfahren erlaubt insbesondere- die Herstellung von Granulaten
in Kugelform und ist da-
her hervorragend geeignet für die Erzeugung von Federspitzenkörnern
für Fül.1federhalter aus den für diese Zwecke Ühlichen Legierungmen, fÜr Schmuckgranulate
und auch für Kugeln kleinerer Abmessungen für die Kugellagerind::ustrie.
Da die Granulatkörnex nur mit verhältnismäßig geringen Abweichungen von der
geometrischen Kugelform aus dem für hohe Durchsatzmengen geeigneten Prozeß anfallen,
ist bei der Verwendung des Granulals für die voTbenannten oder ähnliche- Zwecke
nur eine geringe mechanische Nachbeaxbeitung erforderlich, wodurch gegenüber den
bisher üblichen, Methoden zur Gewinnung von kugelförmigen Gebilden gan2 erheblich&
Fortschritte erzielt werden können.