EP0124023A1 - Vorrichtung und Verfahren zur Zerstäubung von flüssigen Metallen zwecks Erzeugung eines feinkörnigen Pulvers - Google Patents

Vorrichtung und Verfahren zur Zerstäubung von flüssigen Metallen zwecks Erzeugung eines feinkörnigen Pulvers Download PDF

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EP0124023A1
EP0124023A1 EP84104377A EP84104377A EP0124023A1 EP 0124023 A1 EP0124023 A1 EP 0124023A1 EP 84104377 A EP84104377 A EP 84104377A EP 84104377 A EP84104377 A EP 84104377A EP 0124023 A1 EP0124023 A1 EP 0124023A1
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gas
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    • B22F9/00—Making metallic powder or suspensions thereof
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    • B22F9/08—Making metallic powder or suspensions thereof using physical processes starting from liquid material by casting, e.g. through sieves or in water, by atomising or spraying
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    • B22F2009/088—Fluid nozzles, e.g. angle, distance

Definitions

  • the invention relates to a device for atomizing liquid metals according to the preamble of claim 1 and to a method according to the preamble of claim 2.
  • Metal atomization for the production of a powder for powder metallurgical and other applications has been published for a long time and is known from extensive specialist literature.
  • the process of atomization by means of a gas jet is preferred.
  • gas jet air, nitrogen, noble gas
  • Known devices for gas jet atomization have, as an essential tool, a centrally symmetrical body for guiding the liquid metal to be atomized (metal jet) and the atomizing gaseous medium (gas jet), a so-called nozzle (see, for example, US-A-2 997 245). Such devices are intended to achieve the most complete possible dissolution of the liquid metal jet into individual small droplets.
  • the invention has for its object to provide a device and a method for atomizing liquid metals, by means of which extremely high cooling rates of the melt and extremely fine-grained powder particles can be achieved.
  • the gas dynamic conditions in the atomization chamber should be optimized to ensure the greatest possible disintegration of the metal.
  • 1 shows a schematic longitudinal section through a device for atomizing liquid metals.
  • 1 is a rotationally symmetrical housing with preferably cylindrical boundary surfaces.
  • the housing 1 has an annular cooling channel 2 for receiving a liquid or gaseous coolant.
  • annular chamber 3 is provided, which serves for the gas supply (atomizing agent).
  • the chamber 3 merges into a conical narrow annular gap nozzle 4 which runs coaxially with the longitudinal axis of the housing 1.
  • the housing 1 On the outlet side of the annular gap nozzle 4, the housing 1 is closed off with a stepped flange (end plate) 5.
  • the latter has a sharp annular edge 6 and an annular resonance chamber 7 on its inner (bore) side.
  • a sleeve 8 In the central longitudinal bore of the housing 1 there is a sleeve 8, the exit end of which is cut conically and has a sharp exit edge 9.
  • the sleeve 8 provided with a bore 10 for receiving the liquid metal to be atomized has a thread 11 at its inlet end, via which it is held on the housing 1 by means of a round nut 12.
  • the sleeve 8 is in its longitudinal direction slidable relative to the housing 1 and can thus be clamped in any position relative to the latter.
  • their exit edge 9 can be varied with respect to the position of the annular gap nozzle 4 and the annular edge 6.
  • the components 1, 5, 8 and 12 are advantageously made of metallic materials with graded heat resistance and different thermal conductivity.
  • the sleeve 8 can also consist of a heat-resistant material such as ceramic material.
  • the invention is in no way material-specific; their characteristic geometry can in principle be transferred to all suitable material combinations.
  • Fig. 2 shows a longitudinal section through an atomization zone of the device on an enlarged scale.
  • the reference numerals correspond exactly to those in FIG. 1. From Fig. 2 is in particular appreciated that the trailing edge 9 of the sleeve 8 with advantage over the imaginary continuation of the conical movement area of the annular gap nozzle is recessed 4 j so that the exit cone of the sleeve 8 does not match the taper of the annular gap nozzle in a Escape lies.
  • FIG 3 shows a diagram of the gas dynamic conditions in the atomization zone.
  • the sound intensity in decibels is plotted as a function of frequency in kHz.
  • Nitrogen under a pressure of 80 bar was used as the atomizing agent.
  • the components 1, 5, 8 and 12 according to FIG. 1 were made of steel, the actual dimensions being approximately half as large as shown in FIG. 1.
  • the sleeve 8 was set in such a way that its outlet edge 9 was set back approximately 1.2 mm with respect to the imaginary section of the extension of the conical jacket corresponding to the annular gap nozzle 4 with the jacket of the cylindrical bore 10 of the sleeve 8 (see FIG. 2! .
  • the annular cooling channel 2 of the housing 1 was cooled with water, while the annular chamber 3 serving for gas supply was pressurized with nitrogen at 80 bar pressure as the atomizing agent.
  • the annular chamber 3 serving for gas supply was pressurized with nitrogen at 80 bar pressure as the atomizing agent.
  • the invention is not exhausted in the description of the figures or in the aforementioned exemplary embodiment.
  • an inert gas such as argon or helium can of course also be used as the latter.
  • the average total opening angle of the cone of the gas jet should be approximately 35 to 55 °.
  • the advantageous effect of the new atomization device consists in the generation of a gas jet which moves at least at the speed of sound against the liquid metal jet and which, in addition to a more or less continuous band, has clearly perceptible discrete sound frequencies of high intensity. This is achieved by special training of a resonance room and a targeted guidance of the gas emitters.

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Abstract

Sehr feinkörnige Metallpulver werden durch Zerstäubung eines flüssigen Metallstrahls mittels eines Gasstrahls hergestellt, welcher außer einem kontinuierlichen Band von Schallfrequenzen mindestens noch eine um mindestens 5 Dezibel über der durchschnittlichen Intensität dieses Bandes liegende diskrete Schallfrequenz enthält, wobei der Gasstrahl in einer rotationssymmetrischen Vorrichtung mittels einer hohlkegelförmigen Düse (4) und einem ringförmigen Resonanzraum (7) mit einer ringförmigen Kante (6) erzeugt wird und unter einem totalen Öffnungswinkel von durchschnittlich 35 bis 55° konzentrisch gegen den flüssigen Metallstrahl geschleudert wird. Vorzugsweise sollen in der Zerstäubungszone des Gasstrahls mindestens 3 diskrete Schallfrequenzen mit je mindestens 10 Dezibel Überhöhung gegenüber dem kontinuierlichen Band vorhanden sein.

Description

  • Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Zerstäubung von flüssigen Metallen nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs l und von einem Verfahren nach der Gattung des Oberbegriffs des Anspruchs 2.
  • Die Metallzerstäubung zwecks Herstellung eines Pulvers für pulvermetallurgische und andere Anwendungen wird seit längerer Zeit publiziert und ist aus einer umfangreichen Fachliteratur bekannt. Dabei nimmt das Verfahren der Zerstäubung mittels eines Gasstrahls (Luft, Stickstoff, Edelgas) eine Vorzugsstellung ein. Bekannte Vorrichtungen zur Gasstrahl-Zerstäubung besitzen als wesentliches Werkzeug einen zentralsymmetrischen Körper zur Führung des flüssigen zu zerstäubenden Metalls (Metallstrahl) sowie des zerstäubenden gasförmigen Mediums (Gasstrahl), eine sogenannte Düse (vergl. z.B. US-A-2 997 245). Mit derartigen Vorrichtungen soll eine möglichst vollständige Auflösung des flüssigen Metallstrahls in einzelne kleine Tröpfchen erreicht werden.
  • In der Pulvermetallurgie gibt es nun Anwendungsfälle, die es als wünschenswert erscheinen lassen, die Abkühlungsgeschwindigkeit während der Erstarrung der Tröpfchen bis zu extrem hohen Werten zu steigern, um ganz bestimmte, gezielte Strukturen zu verwirklichen. Insbesondere sollen auf diese Weise Steigerungen aus gesättigten oder übersättigten Schmelzen vermieden und homogene Gefüge erreicht werden. Dies bedingt wiederum spezielle Vorrichtungen, welche ganz bestimmte gasdynamische Bedingungen im Zerstäubungsbereich zu verwirklichen gestatten. Die bereits bekannten Vorrichtungen und Düsen erfüllen diese Bedingungen nicht oder nur in unzureichendem Masse.
  • Es besteht daher ein grosses Bedürfnis, die bekannten Vorrichtungen zur Metallzerstäubung sowie deren Methoden dermassen zu verbessern, dass die vorgenannten Mängel möglichst weitgehend behoben werden können.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Zerstäubung von flüssigen Metallen anzugeben, mittels welchem extrem hohe Abkühlungsgeschwindigkeiten der Schmelze und äusserst feinkörnige Pulverpartikel erzielt werden können. Dabei sollen die gasdynamischen Verhältnisse im Zerstäubungsraum optimiert gestaltet werden, um eine möglichst weitgehende Desintegration des Metalls zu gewährleisten.
  • Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil der Ansprüche 1 und 2 angegebenen Merkmale gelöst.
  • Die Erfindung wird anhand des nachfolgenden, durch Figuren näher erläuterten Ausführungsbeispiels beschrieben.
  • Dabei zeigt:
    • Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Zerstäubung von flüssigen Metallen,
    • Fig. 2 einen Längsschnitt durch die Zerstäubungszone der Vorrichtung gemäss Fig. 1 in vergrössertem Massstab,
    • Fig. 3 ein Diagramm der gasdynamischen Verhältnisse in der Zerstäubungszone: Schallintensität des Gasstrahls in Funktion der Frequenz.
  • In Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch eine Vorrichtung zur Zerstäubung von flüssigen Metallen dargestellt. 1 ist ein rotationssymmetrisches Gehäuse mit vorzugsweise zylindrischen Begrenzungsflächen. Das Gehäuse 1 weist einen ringförmigen Kühlkanal 2 zur Aufnahme eines flüssigen oder gasförmigen Kühlmittels auf. Im mittleren Teil des Gehäuses 1 ist eine ringförmige Kammer 3 vorgesehen, welche der Gaszuführung (Zerstäubungsmittel) dient. Die Kammer 3 geht in eine konisch ausgebildete, zur Längsachse des Gehäuses 1 koaxial verlaufende schmale Ringspalt-Düse 4 über. Auf der Austrittseite der Ringspalt-Düse 4 ist das Gehäuse 1 mit einem abgesetzten Flansch (Endplatte) 5 abgeschlossen. Letzterer weist auf seiner innenliegenden (Bohrungs-) Seite eine scharfe ringförmige Kante 6 sowie einen ringförmigen Resonanzraum 7 auf. In der zentralen Längsbohrung des Gehäuses 1 befindet sich eine Hülse 8, deren Austrittsende konisch zugeschnitten ist und eine scharfe Austrittskante 9 aufweist. Die mit einer Bohrung 10 zur Aufnahme des flüssigen, zu zerstäubenden Metalls versehene Hülse 8 besitzt an ihrem eintrittseitigen Ende ein Gewinde 11, über welches sie mittels einer Rundmutter 12 am Gehäuse 1 festgehalten ist. Mittels dieses Mechanismus ist die Hülse 8 in ihrer Längsrichtung gegenüber dem Gehäuse 1 verschiebbar und kann somit in jeder relativen Lage zum letzteren festgeklemmt werden. Dadurch kann insbesondere ihre Austrittskante 9 gegenüber der Lage der Ringspalt-Düse 4 und der ringförmigen Kante 6 variiert werden. Die Bauelemente 1, 5, 8 und 12 werden vorteilhafterweise aus metallischen Werkstoffen mit abgestufter Warmfestigkeit und unterschiedlicher Wärmeleitfähigkeit gefertigt. Je nach Schmelztemperatur des zu zerstäubenden Metalls kann jedoch insbesondere die Hülse 8 auch aus einem hitzebeständigen Werkstoff wie beispielsweise Keramikmaterial bestehen. Die Erfindung ist jedoch in keiner Weise werkstoffspezifisch; ihre charakteristische Geometrie lässt sich prinzipiell auf alle geeigneten Werkstoffkombinationen übertragen.
  • Fig. 2 zeigt einen Längsschnitt durch eine Zerstäubungszone der Vorrichtung in einem vergrösserten Masstab. Die Bezugszeichen entsprechen genau denjenigen der Fig. l. Aus der Fig. 2 ist insbesondere ersichtlich, dass die Austrittskante 9 der Hülse 8 mit Vorteil gegenüber der gedachten Fortsetzung der konischen Bewegungsfläche der Ringspalt-Düse 4 zurückversetzt istj so dass der Austrittskegel der Hülse 8 nicht mit dem Kegel der Ringspalt-Düse in einer Flucht liegt.
  • In Fig. 3 ist ein Diagramm der gasdynamischen Verhältnisse in der Zerstäubungszone dargestellt. Die Schallintensität in Dezibel ist in Funktion der Frequenz in kHz aufgetragen. Als Zerstäubungsmittel wurde Stickstoff unter einem Druck von 80 bar verwendet.
    • Ausführungsbeispiel: Siehe Fig. 1 bis 31
  • Aus Stahl wurden die Bauelemente 1, 5, 8 und 12 gemäss Fig. 1 gefertigt, wobei die wirklichen Dimensionen ungefähr halb so gross waren wie in der Fig. 1 eingezeichnet. Die Hülse 8 wurde derart eingestellt, dass ihre Austrittskante 9 ca. 1,2 mm gegenüber dem gedachten Schnitt der Verlängerung des der Ringspalt-Düse 4 entsprechenden Kegelmantels mit dem Mantel der zylindrischen Bohrung 10 der Hülse 8 zurückversetzt war (siehe Fig. 2!). Der ringförmige Kühlkanal 2 des Gehäuses 1 wurde mit Wasser gekühlt, während die der Gaszuführung dienende ringförmige Kammer 3 mit Stickstoff von 80 bar Druck als Zerstäubungsmittel beaufschlagt wurde. Wie aus dem Diagramm der Fig. 3 hervorgeht, traten neben einem annähernd kontinuierlichen, als "Geräusch" zu interpretierenden Frequenzband von durchschnittlich ca. 30 Dezibel Schallintensität noch 3 weitere charakteristische diskrete Frequenzen im Ultraschallbereich von ca. 40, 80 und 130 kHz auf, welche in ihrer Intensität das kontinuierliche Band um ca. 15 bis 25 Dezibel überragten. Diese diskreten "Töne" können hauptsächlich für den vorteilhaften Desintegrationsmechanismus in der Zerstäubungszone des flüssigen Metalls herangezogen werden.
  • Die Erfindung erschöpft sich nicht in der Figurenbeschreibung noch im vorgenannten Ausführungsbeispiel. Bei der Durchführung des Verfahrens ist wesentlich, dass mindestens eine diskrete Schallfrequenz vorhanden ist, deren Intensität um mindestens 5 Dezibel über dem Durchschnitt des kontinuierlichen Bandes liegt, wobei die Druckamplitude mindestens den gleichen Wert erreichen soll wie der zur Erzeugung des Gasstrahles aufgewendete Stillstandsdruck des treibenden Gases. Als letzteres kann neben Stickstoff selbstverständlich auch ein Edelgas, z.B. Argon oder Helium verwendet werden. Vorteilhafterweise sollen mindestens 3 diskrete Schallfrequenzen mit mindestens 10 Dezibel Ueberhöhung gegenüber dem kontinuierlichen Band im Frequenzbereich von ca. bis 200 kHz vorhanden sein. Der mittlere totale Oeffnungswinkel des gedachten Kegels der Gasstrahler soll dabei ca. 35 bis 55° betragen.
  • Die vorteilhafte Wirkung der neuen Zerstäubungsvorrichtung besteht in der Erzeugung eines mindestens unter Schallgeschwindigkeit sich gegen den flüssigen Metallstrahl hin fortbewegenden Gasstrahls, welches ausser einem mehr oder weniger kontinuierlichen Band deutlich wahrnehmbare diskrete Schallfrequenzen hoher Intensität besitzt. Dies wird durch eine besondere Ausbildung eines Resonanzraumes sowie eine gezielte Führung der Gasstrahler erreicht.

Claims (3)

  1. l. Vorrichtung zur Zerstäubung von flüssigen Metallen zwecks Erzeugung eines feinkörnigen Pulvers, bestehend aus einem zentralsymmetrischen, Kanäle für die Zufuhr des flüssigen zu zerstäubenden Metalls sowie des zur Zerstäubung dienenden Gases enthaltenden Körper, dadurch gekennzeichnet, dass in einem durch zylindrische Mantelflächen begrenzten Gehäuse (1) je ein ringförmiger Kühlkanal (2) und eine der symmetrischen Gasverteilung dienende ringförmige Kammer (3) sowie eine mit konischen Begrenzungsflächen versehene Ringspalt-Düse (4) zur Erzeugung eines hohlkegelförmigen Gasstrahls vorgesehen ist, dass ferner das Gehäuse (1) auf seiner dem Gasaustritt aus der Düse (4) zugewandten Stirnseite mit einem einen hohlkegelförmigen, ringförmigen Resonanzraum (7) mit einer scharfen ringförmigen Kante (6) aufweisenden Flansch (5) abgeschlossen ist, und dass sich in der zentralen Längsbohrung des Gehäuses (1) eine mit einer Austrittskante (9) mit kegelförmiger Begrenzungsfläche und mit einem Gewinde (11) versehene, in Längsrichtung verschiebbare, einstellbare und mit einer Rundmutter (12) am Gehäuse (1) festgehaltene Hülse (8) zur Aufnahme des die Bohrung (10) durchfliessenden flüssigen Metallstrahls befindet.
  2. 2. Verfahren zur Zerstäubung von flüssigen Metallen zwecks Erzeugung eines feinkörnigen Pulvers, wobei ein Strahl flüssigen Metalls durch einen zu ihm konzentrisch verlaufenden und nach seinem Innern gerichteten, einen einhüllenden Mantel bildenden, ringförmigen, mit Schallschwingungen überlagerten Gasstrahl desintegriert wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrahl ausser einem kontinuierlichen Band von Schallfrequenzen mindestens noch eine diskrete Schallfrequenz enthält, deren Intensität mindestens um 5 Dezibel über dem Durchschnitt derjenigen des kontinuierlichen Bandes liegt und deren Druckamplitude mindestens den gleichen Wert erreicht wie der zur Erzeugung des Gasstrahles aufgewendete statische Stillstandsdruck des treibenden Gases.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, -dadurch gekennzeichnet, dass der Gasstrahl fächerförmig um einen gedachten Kegelmantel nach dessen Spitze und nach der Achse des Strahles flüssigen Metalles hin geführt wird, wobei der gedachte Kegel einen Oeffnungswinkel von 35 bis 55° aufweist, und dass der Gasstrahl mindestens 3 diskrete Schallfrequenzen von mindestens 10 Dezibel Ueberhöhung gegenüber dem kontinuierlichen Band im Frequenzbereich von 10 kHz bis 200 kHz enthält.
EP84104377A 1983-05-03 1984-04-18 Vorrichtung und Verfahren zur Zerstäubung von flüssigen Metallen zwecks Erzeugung eines feinkörnigen Pulvers Expired EP0124023B1 (de)

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