EP0149027A2 - Verfahren und Vorrichtung zur Herstellung von kugelförmigen metallischen Partikeln - Google Patents

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EP0149027A2
EP0149027A2 EP84112730A EP84112730A EP0149027A2 EP 0149027 A2 EP0149027 A2 EP 0149027A2 EP 84112730 A EP84112730 A EP 84112730A EP 84112730 A EP84112730 A EP 84112730A EP 0149027 A2 EP0149027 A2 EP 0149027A2
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EP
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gas
hot gas
fluidized bed
gas stream
jacket
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EP0149027B1 (de
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Wolfgang Seidler
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    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F1/00Metallic powder; Treatment of metallic powder, e.g. to facilitate working or to improve properties
    • B22F1/06Metallic powder characterised by the shape of the particles
    • B22F1/065Spherical particles
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B22CASTING; POWDER METALLURGY
    • B22FWORKING METALLIC POWDER; MANUFACTURE OF ARTICLES FROM METALLIC POWDER; MAKING METALLIC POWDER; APPARATUS OR DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR METALLIC POWDER
    • B22F2998/00Supplementary information concerning processes or compositions relating to powder metallurgy

Definitions

  • the invention relates to a method and a device for producing spherical metallic particles.
  • the invention is based on the object of specifying a method and a device for producing spherical metallic particles, in particular for use as an abrasive, which is uncomplicated and economical and which actually produces spherical, crack-free abrasive particles of high uniformity.
  • a device for this should be able to be operated outside of a metal smelter or foundry without taking up much space.
  • it should be able to be created with comparatively low investment costs and work economically in production, eg. B. by extensive heat recovery.
  • a solution of the task succeeds procedurally according to the invention in that metal parts such as scrap, chips and. ⁇ .
  • metal parts such as scrap, chips and. ⁇ .
  • a melting zone preferably in the form of a melt fluidized bed in suspension and melted.
  • the process succeeds in a surprisingly simple and economical manner in producing just enough molten material that abrasive particles with the status nascendi can be produced from it in a continuous process.
  • the use of inexpensive output is material we scrap, chips and. ä. of considerable B edeu- tung.
  • the metal parts are atomized into small droplets after melting in the gas stream and these are carried away by the drag forces of the gas from the fluidized bed and the gas stream.
  • the process of melting and atomizing the droplets is advantageously in balance. As soon as the melt is heated to a corresponding thin liquid, it is atomized into small droplets directly in the hot gas stream due to its energy content and turbulence. The gas flow has a visual effect by only discharging those droplets that are small enough in relation to the existing towing forces. This results in a surprising uniformity of the particles through the kinetic system of the gas flow.
  • the method further provides that the droplets for solidification, preferably slowly and therefore without cracks, are introduced into cooler vapor or gas layers and collected after solidification.
  • the droplets are avoided by the gas flow in a flight corresponding to a ballistic curve while avoiding high acceleration forces, such as are used in the known method discharge from the fluidized bed and preferably solidify at the highest point to an ideal spherical shape.
  • the starting material is preferably composed of metalworking chips or fine shredder scrap and waste grain and is used to produce tablets, preferably by compression molding. It is advantageously achieved that shaped bodies of approximately the same dimensions and / or weight are used as the starting material. Under certain circumstances, it is provided that a shaped body approximately corresponds in shape and weight to a penny coin of German currency. Shaped bodies of this type are known with regard to their behavior in gas flows and can easily be produced on small presses.
  • An advantageous generation of the hot gas flow is achieved by using a burner charged with fuel gas and oxygen.
  • an expedient embodiment provides that a reducing gas atmosphere is set in the hot gas stream. This is advantageous in order to avoid decarburization of the generated particles.
  • the creation of a stable equilibrium of forces in the fluidized bed is favored in that the hot gas flow is passed from below through an expanding flow channel, which is preferably partially designed as a fluidized bed furnace.
  • This flow formation is favored by the fact that a flow channel designed as a Venturi nozzle is used to guide the hot gas flow.
  • the hot gas stream is surrounded by a cooling jacket gas stream.
  • the kinetic energy of the jacket gas can at least correspond to that of the hot gas flow.
  • the jacket gas flow takes over the atomization of the melt into droplets and the discharge of the droplets, while the hot gas flow essentially supplies the thermal energy for the melting process.
  • the method according to the invention is particularly economical.
  • the temperature of the jacket gas can be significantly lower than that of the hot gas stream.
  • the temperature of the hot gas stream is controlled in order to achieve a predetermined mean arithmetic particle size of the particles.
  • the temperature of the hot gas stream can be regulated according to the resulting mean arithmetic grain size with a constant feed quantity.
  • the method provides that the trapped particulates process a K lassifizier-, are preferably subjected by sifting or sieving.
  • the grains that have been removed from the finished product during the screening can be added to the starting material.
  • the proportion of the precipitated grains is small, but adding them improves the pressing process.
  • the primary energy is advantageously used economically in the process in that waste heat from the hot gas stream is used to preheat the starting material. This is possible because of the continuous operation.
  • the waste heat from the hot gas stream can also be used to heat the jacket gas, or exhaust gas from the fluidized bed furnace can be collected and reused as jacket gas.
  • a device for producing spherical metallic particles, in particular for use as an abrasive, for carrying out the method according to claims 1-16 corresponds to the features of device claims 17-25.
  • the most important element of the device for carrying out the invention is a fluidized bed furnace 1 with a furnace wall 8.
  • This furnace wall 8 forms a flow guide body 9 with a flow channel 10 which widens continuously from bottom to top.
  • a device 2 for generating hot gas is arranged below the flow channel 10 .
  • this is designed as a plasma torch 31 and has a feed 32 and a feed 33 for plasma gas.
  • a feed 34 for electrical energy, for example for generating an arc, is also provided.
  • the plasma torch has a nozzle mouthpiece 35 in the form of an acceleration nozzle.
  • a nozzle 36 with an annular outlet channel 37 is arranged around this nozzle mouthpiece 35.
  • the nozzle 36 serves to supply jacket gas 15 and is connected to the ring channel 14. This jacket gas is supplied through line 38 and an actuator 39.
  • the actuator 39 is set by a pressure sensor 40 depending on the pressure.
  • the plasma torch 31 supplies a hot gas stream 3 which flows through the flow channel 10 of the fluidized bed furnace 1 with relatively high kinetic and thermal energy.
  • the feed container 4 is arranged above the fluidized bed furnace 1. It has a metering discharge 5 with a discharge member 20 z. B. in the form shown, or in the form of a metering channel.
  • the supply container 4 is formed with a gas-permeable bottom 19 and closed at the top with a intragsschleuse E 21st This is on the pressure side with a compressed gas line 24 in Connection that branches at point 41 into lines 18 and 38 for cooling gas and jacket gas.
  • a collecting container 25 which surrounds the fluidized bed furnace 1 in a ring shape, is arranged with a conically inclined bottom 26.
  • the furnace wall 8 is preferably made of porous, highly refractory sintered material. It is surrounded by a double wall 16 which, together with the furnace wall 8, encloses a coolant space 17 surrounding it.
  • a gaseous cooling medium is supplied to the coolant chamber 17 via the line 18.
  • a water injection 43 can be provided to condition the cooling medium.
  • the cooling medium can cool through the furnace wall 8 according to the arrows 44 through the furnace wall 8 and generate a further insulating coolant curtain between the hot gas stream 3 and the furnace wall 8.
  • a magnet system 12 is arranged on the outside 11 of the fluidized bed furnace 1 in the region or just above the fluidized bed 45. This is such that its Magnetic field 13 (indicated by fine dashed lines) penetrates the flow channel 10 in its almost narrowest area above the fluidized bed 45. This magnetic field 13 causes ufgabe possibilityer from the 4 A falling body 46 of the feed material to be braked and thus lose their energy case, before entering into the fluidized bed 45th With a lower arrangement of the magnet system 12, braking and holding the falling bodies 46 in the fluidized bed 45 is also possible, at the latest until they are liquid.
  • a radiation pyrometer 27 is arranged in the exemplary embodiment shown as an example of a possible arrangement of measuring and control devices for this purpose. This detects the temperature of the fluidized bed 45 and converts the determined value into an electrical signal. This signal is applied with the signal line 28 to the actuator 29 in the feed 32 for plasma gas and the actuator 30 in the feed 33 for plasma gas.
  • the gas suction device 23 is put into operation. This sucks hot gas rising from the fluidized bed furnace 1 through the gas-permeable base 19 and presses it through the line 24 and the branch line 38 into the ring channel 14 of the nozzle 36. At a sufficiently high pressure generated by the gas suction device 23, the ring channel 14 emerges through the Outlet channel 37 of the nozzle 36 jacket gas 15 at a speed substantially higher than the speed of the hot gas.
  • the body oriented 46 to the center of the stabilized fluidized bed 45 They are melted in a very short time through the plasma, and it is formed in the area of the fluidized bed 45, a fluidized melt.
  • This consists of individual droplets 49.
  • These individual droplets 49 are discharged from the fluidized bed furnace 1 by absorbing kinetic energy after reaching sufficient smallness in a throwing parabola 42 and solidify at the zenith of the throwing parabola 42 in the acceleration-free state. This gives bodies of an ideal spherical shape. These are collected in the collecting device 6 as finished goods 7 and deducted from them in accordance with the arrows 48.
  • an adjustable pressure of the jacket gas 15 in front of the nozzle opening 37 is kept constant with the help of a pressure sensor 40 and the actuator 39 influenced by this.
  • a radiation pyrometer 27 which continuously detects the temperature, converts it into electrical control signals and, via the signal line 28 or a (not shown) controller of a conventional type, the control elements 47 for the supply of electrical energy and 29 and 30 for the supply of gases.
  • Cooling the furnace wall 8 also ensures its resistance in the high temperature area.
  • the invention results in an unprecedentedly favorable production of spherical metallic particles using the most modern technical features tel, which leads to low energy consumption in the manufacture of a product of unprecedented quality.

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  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Manufacture Of Metal Powder And Suspensions Thereof (AREA)
  • Furnace Details (AREA)
  • Crucibles And Fluidized-Bed Furnaces (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von kugelförmigen metallischen Partikeln, insbesondere zur Verwendung als Strahlmittel und ist dadurch gekennzeichnet, daß Metallteile wie Schrott, Späne u. ä. in dosierter Menge in einen der Schwerkraft entgegengerichteten energiereichen Heißgasstrom aufgegeben und in einer Schmelzzone, vorzugsweise in Form einer Schmelz-Wirbelschicht in Schwebe gehalten, geschmolzen und zerstäubt und danach ausgetragen werden. Der Heißgasstrom wird von unten her durch einen Stromungskanal in Venturiform, der vorzugsweise teilweise als Wirbelschichtofen ausgebildet ist, hindurchgeleitet. Im Bereich bzw. oberhalb der Zone der Wirbelschicht ist von außen her ein Magnetfeld angelegt. Der Heißgasstrom ist von einem kühleren Mantelgasstrom umgeben.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von kugelförmigen metallischen Partikeln.
  • Es ist bekannt, metallische Partikel, insbesondere zur Verwendung als Strahlmittel, durch Zerstäuben eines Gießstrahles aus schmelzflüssigem Eisen mittels eines quergerichteten Wasserstrahles herzustellen. Die dabei entstehenden etwa tropfenförmigen Gebilde erstarren anschließend in einem Wasserbad, oder bereits in dem dabei entstehenden Wassernebel bzw. - dampf. Bei der bekannten Herstellung ergeben sich vielfach Erstarrungsgebilde, deren Form von der Kugelform abweicht. Vielfach gleichen sie einem länglichen, in einem Schwanz auslaufenden Tropfen. Solche Strahlmittel haben ein schlechteres Schütt- bzw. Fließverhalten als kugelförmige und ergeben bei ihrer Anwendung in einer Strahlanlage schlechtere Ergebnisse. Insbesondere unterliegen unrunde Strahlmittelpartikel einem höheren Abrieb und erzeugen infolgedessen relativ mehr Staub. Die im Wasserbad erstarrten Partikel weisen auch häufig Risse auf.
  • Ein weiterer Nachteil der bekannten Herstellungsart ist die Tatsache, daß sie einen Schmelzofen benötigt und daher nur in einer Metallhütte oder in einer Gießerei wirtschaftlich betrieben werden kann.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von kugelförmigen metallischen Partikeln, insbesondere zur Verwendung als Strahlmittel, anzugeben, das unkompliziert und wirtschaftlich ist und wirklich kugelförmige, rißfreie Strahlmittelpartikel von hoher Gleichmäßigkeit liefert. Eine Vorrichtung hierfür soll außerhalb einer Metallhütte oder Gießerei bei geringem Raumbedarf ohne Risiken betrieben werden können. Sie soll darüber hinaus mit vergleichsweise niedrigen Investitionskosten erstellbar sein und in der Produktion wirtschaftlich arbeiten, z. B. durch weitgehenden Wärmerückgewinn.
  • Eine Lösung der gestellten Aufgabe gelingt verfahrensmäßig nach der Erfindung dadurch, daß Metallteile wie Schrott, Späne u. ä. in dosierter Menge in einen der Schwerkraft entgegengerichteten, energiereichen Strom von heißem Gas aufgegeben und in einer Schmelzzone, vorzugsweise in Form einer Schmelz-Wirbelschicht in Schwebe gehalten und geschmolzen werden.
  • Mit dem Verfahren gelingt es in überraschend einfacher und wirtschaftlicher Weise, jeweils gerade soviel geschmolzenes Material herzustellen, daß aus diesem in einem kontinuierlichen Verfahren Strahlmittelpartikel im status nascendi hergestellt werden können. Für die Wirtschaftlichkeit ist dabei die Verwendung von preisgünstigem Ausgangsmaterial wir Schrott, Späne u. ä. von erheblicher Bedeu- tung.
  • Dabei ist in Ausgestaltung des Verfahrens vorgesehen, daß die Metallteile nach dem Schmelzen im Gasstrom zu kleinen Tröpfchen zerstäubt und diese vermögen der Schleppkräfte des Gases aus der Wirbelschicht und dem Gasstrom,a-usgetra- gen werden.
  • Mit Vorteil steht dabei der Prozeß des Schmelzens und der Tröpfchenzerstäubung im Gleichgewicht. Sobald nämlich die Schmelze zu einer entsprechenden Dünnflüssigkeit erhitzt ist, wird sie unmittelbar im heißem Gasstrom durch dessen Energiegehalt und Turbulenz zu kleinen Tröpfchen zerstäubt. Dabei übt der Gasstrom eine Sichtwirkung aus, indem er nur diejenigen Tröpfchen austrägt, die im Verhältnis zu den bestehenden Schleppkräften klein genug sind. Dadurch wird eine überraschende Gleichmäßigkeit der Partikel durch das kinetische System der Gasströmung erreicht.
  • Weiter sieht das Verfahren vor, daß die Tröpfchen zur Erstarrung, vorzugsweise langsam und daher rißfrei in kühlere Dampf- bzw. Gasschichten eingeleitet und nach erfolgter Erstarrung aufgefangen werden. Dabei werden die Tröpfchen unter Vermeidung hoher Beschleunigungskräfte, wie sie beim bekannten Verfahren zur Anwendung gelangen, vom Gasstrom in einer, einer ballistischen Kurve entsprechenden Flugbahn aus der Wirbelschicht ausgetragen und erstarren dabei vorzugsweise im höchsten Punkt zu einer idealen Kugelform.
  • Die Erzeugung einer gleichmäßigen Wirbelschicht wird dadurch begünstigt, daß nach einem weiteren Vorschlag das Ausgangsmaterial vorzugsweise aus Metallbearbeitungsspänen oder feinem Schredderschrott und Ausfallkörnung zusammengesetzt ist und daraus, vorzugsweise durch Formpressen tablettierte Körper hergestellt werden. Mit Vorteil wird dadurch erreicht, daß Formkörper von annähernd gleichen Abmessungen und/oder gleichem Gewicht als Ausgangsmaterial verwendet werden. Unter Umständen ist dabei vorgesehen, daß ein Formkörper in Form und Gewicht annähernd einer Pfennigmünze Deutscher Währung entspricht. Derartige Formkörper sind bezüglich ihres Verhaltens in Gasströmungen bekannt und können einfach auf kleinen Pressen hergestellt werden.
  • Eine vorteilhafte und mit einfachen Mitteln erzielbare Erzeugung des Heißgasstroms wird durch Verwendung eines mit Brenngas und Sauerstoff beschickten Brenners erreicht.
  • Auch kann mit Vorteil zur Erzeugung des Heißgasstroms ein Plasmabrenner verwendet werden, dessen Flamme besonders heiß und dessen Gasstrom besonders schnell ist.
  • Weiter sieht eine zweckmäßige Ausgestaltung vor, daß im Heißgasstrom eine reduzierende Gasatmosphäre eingestellt wird. Dies ist vorteilhaft, um eine Randentkohlung der erzeugten Partikel zu vermeiden.
  • Die Entstehung eines stabilen Kräftegleichgewichts in der Wirbelschicht wird dadurch begünstigt, daß der Heißgasstrom von unten her durch einen sich erweiternden Strömungskanal, der vorzugsweise teilweise als Wirbelschichtofen ausgebildet ist, hindurch geleitet wird.
  • Dabei ergibt sich mit Vorteil infolge der Querschnittserweiterung eine günstige Verteilung der Strömungsgeschwindigkeit über den Querschnitt, insbesondere im oberen Teil. Weiterhin werden Berührungen der flüssigen Partikel mit den Wänden vermieden. Trotzdem wird eine Ablenkung der flüssigen Partikel nach außen erreicht, die ein günstiges automatisches Austragen zur Folge hat.
  • Begünstigt wird diese Strömungsausbildung dadurch,daß zur Führung des Heigasstroms ein als Venturidüse ausgebildeter Strömungskanal verwendet wird.
  • Beim Aufgeben der Metallteile des Ausgangsmaterials muß die diesen Teilchen durch den Fall innewohnende kinetischen Energie ausgeglichen werden. Mit Vorteil ist daher vorgesehen, daß im Bereich bzw. oberhalb der Zone der Wirbelschicht von außen her ein Magnetfeld angelegt ist. Dadurch wird ein mit Fallgeschwindigkeit ankommendes ferromagnetisches Teil vom Magnetfeld zuverlässig gebremst, so daß es keinesfalls nach unten durchfallen kann. Die Möglichkeit der Verwendung dieses Magnetfeldes macht dabei von der Erkenntnis Gebrauch, daß ein Partikel bevor es Schmelztemperatur erreicht hat, seine ferromagnetische Eigenschaft verliert, weshalb das Magnetfeld bei der Austragung der geschmolzenen Partikel keinen verzögernden Einfluß ausübt.
  • Eine weitere wesentliche Ausgestaltung des Verfahrens sieht vor, daß der Heißgasstrom von einem kühlenden Mantelgasstrom umgeben ist. Dabei kann die kinetische Energie des Mantelgases mindestens derjenigen des Heißgasstroms entsprechen. Andererseits kann es von Vorteil sein, wenn die kinetische Energie des Mantelgases wesentlich größer ist als diejenige des Heißgasstroms. In diesem Falle übernimmt die Mantelgasströmung die Zerstäubung der Schmelze zu Tröpfchen und das Austragen der Tröpfchen, während der Heißgasstrom im wesentlichen die thermische Energie für den Schmelzprozeß liefert. Auf diese Weise gestaltet sich das Verfahren nach der Erfindung besonders wirtschaftlich. Dabei kann die Temperatur des Mantelgases wesentlich niedriger sein als die des Heißgasstroms.
  • In weiterer Ausgestaltung ist mit Vorteil vorgesehen, daß zur Erzielung einer vorbestimmten mittleren arithmetischen Korngröße der Partikel die Temperatur des Heißgasstromes gesteuert wird.
  • Dabei kann bei konstanter Aufgabemenge die Temperatur des Heißgasstromes nach der sich ergebenden mittleren arithmetischen Korngröße geregelt werden.
  • Weiter können zur Beeinflussung der Kugelform der Partikel zusätzlich eine oder mehrere der folgenden Parameter eingestellt werden:
    • - Menge des zugeführten Mantelgases,
    • - Temperatur des Mantelgases,
    • - Energiegehalt des Mantelgases,
    • - Energie des Magnetfeldes.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung sieht das Verfahren vor, daß die aufgefangenen Partikel einem Klassifizier- vorgang, vorzugsweise durch Sichtung oder Siebung, unterzogen werden. Dabei können die bei der Sichtung aus dem Fertiggut ausgeschiedenen Ausfallkörnungen dem Ausgangsmaterial zugeschlagen werden. Der Anteil der Ausfallkörnungen ist zwar gering, ihre Zumischung verbessert aber den Pressvorgang.
  • Mit Vorteil ergibt sich eine ökonomische Nutzung der Primärenergie beim Verfahren dadurch, daß Abwärme des Heißgasstroms zur Vorwärmung des Ausgangsmaterials verwendet wird. Dies ist wegen der kontinuierlichen Betriebsweise möglich.
  • Dabei kann auch die Abwärme des Heißgasstromes zur Erwärmung von Mantelgas verwendet werden, bzw. es kann Abgas des Wirbelschichtofens aufgefangen und als Mantelgas wiederverwendet werden.
  • Eine Vorrichtung zur Herstellung von kugelförmigen metallischen Partikeln, insbesondere zur Verwendung als Strahlmittel, zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 - 16 entspricht den Merkmalen der Vorrichtungsansprüche 17 - 25.
  • Die Erfindung wird in Zeichnungen in einer bevorzugten Vorrichtungs-Ausführungsform gezeigt, wobei aus den Zeichnungen weitere wesentliche Einzelheiten der Erfindung entnehmbar sind.
  • Die Vorrichtung zur Durchführung der Erfindung weist als wesentlichstes Element einen Wirbelschichtofen 1 mit einer Ofenwand 8 auf. Diese Ofenwand 8 bildet einen Strömungsleitkörper 9 mit sich stetig von unten nach oben erweiternden Strömungskanal 10. Unterhalb des Strömungskanals 10 ist eine Einrichtung 2 zur Erzeugung von Heißgas angeordnet. Diese ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als Plasmabrenner 31 ausgebildet und weist eine Zuführung 32 und eine Zuführung 33 für Plasmagas auf.
  • Weiterhin ist eine Zuführung 34 für elektrische Energie, beispielsweise zur Erzeugung eines Lichtbogens, vorgesehen. Der Plasmabrenner besitzt ein Düsenmundstück 35 in Form einer Beschleunigungsdüse. Um dieses Düsenmundstück 35 ist eine Düse 36 mit ringförmigem Austrittskanal 37 angeordnet. Die Düse 36 dient zur Zuführung von Mantelgas 15 und ist an den Ringkanal 14 angeschlossen. Diesem wird Mantelgas durch die Leitung 38 und ein Stellorgan 39 zugeführt. Das Stellorgan 39 wird von einem Drucksensor 40 druckabhängig eingestellt.
  • Der Plasmabrenner 31 liefert einen Heißgasstrom 3, der den Strömungskanal 10 des Wirbelschichtofens 1 mit relativ hoher kinetischer und thermischer Energie durchströmt.
  • Oberhalb des Wirbelschichtofens 1 ist der Aufgabebehälter 4 angeordnet. Er weist einen dosierenden Austrag 5 mit einem Austragsorgan 20 z. B. in der gezeigten Form, oder aber in Form einer Dosierrinne auf. Der Aufgabebehälter 4 ist mit einem gasdurchlässigem Boden 19 ausgebildet und nach oben hin mit einer Eintragsschleuse 21 verschlossen. Diese steht druckseitig mit einer Druckgasleitung 24 in Verbindung, die sich an der Stelle 41 in die Leitungen 18 und 38 für Kühlgas und Mantelgas verzweigt.
  • Zum Auffangen der aus dem Wirbelschichtofen 1 in einer Wurfparabel 42 ausgetragenen Fertiggutteilchen 7 ist ein den Wirbelschichtofen 1 ringförmig umgebender Auffangbehälter 25 mit konisch nach außen geneigtem Boden 26 angeordnet.
  • Die Ofenwand 8 besteht vorzugsweise aus porösem, hochfeuerfestem Sintermaterial. Sie ist von einer Doppelwand 16 umgeben, die zusammen mit der Ofenwand 8 einen diese umgebenden Kühlmittelraum 17 einschließt. Mit der Leitung 18 wird dem Kühlmittelraum 17 ein gasförmiges Kühlmedium zugeführt. Dabei kann zur Konditionierung des Kühlmediums eine Wassereindüsung 43 vorgesehen sein.
  • Im Zusammenwirken mit der porösen Ofenwand 8 wird erreicht, daß das Kühlmedium unter Kühlung der Ofenwand 8 entsprechend den Pfeilen 44 durch die Ofenwand 8 hindurch treten kann und einen weiteren isolierenden Kühlmittelschleier zwischen dem Heißgasstrom 3 und der Ofenwand 8 erzeugt.
  • Im Bereich, bzw. dicht oberhalb der Wirbelschicht 45 ist an der Außenseite 11 des Wirbelschichtofens 1 ein Magnetsystem 12 angeordnet. Dieses ist so beschaffen, daß sein Magnetfeld 13 (angedeutet durch feingestrichelte Linien) den Strömungskanal 10 in seinem annähernd engstem Bereich oberhalb der Wirbelschicht 45 durchsetzt. Dieses Magnetfeld 13 bewirkt, daß aus dem Aufgabebehälter 4 herabfallende Körper 46 des Aufgabegutes abgebremst werden und damit ihre Fallenergie verlieren, bevor sie in die Wirbelschicht 45 eintreten. Bei tieferer Anordnung des Magnetsystems 12 ist auch ein Abbremsen und Halten der herabfallenden Körper 46 in der Wirbelschicht 45 möglich, spätestens bis diese flüssig sind.
  • Zur Einstellung einer mittleren arithmetischen Korngröße des Fertiggutes 7 ist es erforderlich, die Temperatur der Wirbelschicht 45 einzustellen. Als Beispiel für eine hierfür mögliche Anordnung von Meß- und Regeleinrichtungen ist im gezeigten Ausführungsbeispiel ein Strahlungspyrometer 27 angeordnet. Dieses erfaßt die Temperatur der Wirbelschicht 45 und wandelt den ermittelten Wert in ein elektrisches Signal um. Dieses Signal wird mit der Signalleitung 28 dem Stellorgan 29 in der Zuführung 32 für Plasmagas und dem Stellorgang 30 in der Zuführung 33 für Plasmagas aufgeschaltet.
  • Ein weiteres Stellorgang 47 für elektrische Energie kann ebenfalls direkt oder über einen (nicht gezeigten) Wandler bzw. Regler von der Signalleitung 28 angesteuert sein. Der Betrieb der gezeigten Vorrichtung, soweit er nicht bereits erwähnt wurde, läuft wie folgt ab:
    • Zur Ingangsetzung der Vorrichtung wird der Plasmabrenner 31 gezündet und dadurch ein Heißgasstrom 3 erzeugt, der den Wirbelschichtofen 1 bzw. dessen Strömungskanal 10 mit einem Gasstrahl 3 durchsetzt. Dieser ist reich an kinetischer und thermischer Energie.
  • Nunmehr wird die Gasabsaugeinrichtung 23 in Betrieb gesetzt. Diese saugt aus dem Wirbelschichtofen 1 aufsteigendes heißes Gas durch den gasdurchlässigen Boden 19 und drückt dieses durch die Leitung 24 sowie die Zweigleitung 38 in den Ringkanal 14 der Düse 36. Bei einem von der Gasabsaugeinrichtung 23 erzeugten genügend hohen Druck tritt aus dem Ringkanal 14 durch den Austrittskanal 37 der Düse 36 Mantelgas 15 mit einer wesentlich über der Geschwindigkeit des Heißgases liegenden Geschwindigkeit aus.
  • Durch dosierenden Austrag 5 über das Austragsorgan 20 werden nunmehr Körper 46 des im Aufgabebehälter vorrätig gehaltenen Aufgabegutes ausgetragen und gelangen entsprechend dem Pfeil 47 durch den Heißgasstrom 3 hindurchfallend zunächst in den Bereich des Magnetfeldes 13, in dem ihre Fallgeschwindigkeit abgebremst wird. Beim weiteren Niedersinken in die Wirbelschicht 45 werden die Körper 46 von der Wirbelschicht 45 aufgefangen. In dieser herrscht ein stabiles Gleichgewicht zwischen der Schwerkraft der eingetragenen Körper 46 und dem Impuls von Heißgasstrom 3 und Mantelgas 15.
  • Weil das Mantelgas 15 eine wesentlich höhere Geschwindigkeit besitzt als das Plasmagas, orientieren sich die Körper 46 nach der Mitte der stabilisierten Wirbelschicht 45. Sie werden hier in kürzester Zeit durch das Plasma geschmolzen und es bildet sich im Bereich der Wirbelschicht 45 eine Wirbelschichtschmelze. Diese besteht aus Einzeltröpfchen 49. Diese Einzeltröpfchen 49 werden durch Aufnahme von kinetischer Energie nach Erreichen genügender Kleinheit in einer Wurfparabel 42 aus dem Wirbelschichtofen 1 ausgetragen und erstarren im Zenit der Wurfparabel 42 im beschleunigungslosen Zustand. So ergeben sich Körper von einer idealen Kugelform. Diese werden in der Auffangvorrichtung 6 als Fertiggut 7 aufgefangen und entsprechend den Pfeilen 48 daraus abgezogen.
  • Durch die Ausbildung des Aufgabebehälters 4 mit einem gasdurchlässigen Boden 19 und Anschluß an die Gasabzugseinrichtung 23 wird heißes Abgas aus dem Wirbelschichtofen in den Aufgabebehälter 4 eingesaugt. Dabei werden die darin eingelagerten Körper 46 des Aufgabegutes vorgewärmt. Hierdurch wird die Energiebilanz des Verfahrens sehr positiv beeinflußt. Eine gleiche positive Wirkung ergibt sich dadurch, daß das aus dem Aufgabebehälter 4 abgesaugte noch warme Abgas durch die Leitung 24 und die Zweigleitung 38 als Mantelgas 15 wieder in den Kreislauf zurückgeführt wird.
  • Weil die kinetische Energie des Mantelgases 15 für die gleichmäßige mittlere arithmetische Korngröße der Partikel 49 von Einfluß ist, wird mit Hilfe eines Drucksensors 40 und das von diesem beeinflußte Stellorgan 39 ein einstellbarer Druck des Mantelgases 15 vor der Düsenöffnung 37 konstant gehalten.
  • Um die Schmelztemperatur der Schmelze im Bereich der Wirbelschicht 45 auf konstantem Temperaturniveau halten zu können, ist ein Strahlungspyrometer 27 vorgesehen, das die Temperatur laufend ermittelt, in elektrische Stellsignale umwandelt und über die Signalleitung 28 bzw. einen (nicht gezeigten) Regler üblicher Bauart die Stellorgane 47 für die Einspeisung der elektrischen Energie und 29 bzw. 30 für die Zufuhr der Gase beeinflußt.
  • Eine Kühlung der Ofenwand 8 sorgt im übrigen für deren Widerstandsfähigkeit im Hochtemperaturgebiet.
  • Insgesamt ergibt sich durch die Erfindung eine bisher unerreicht günstige Herstelllung von kugelförmigen metallischen Partikeln unter Einsatz modernster technischer Mittel, der zu geringem Energieverbrauch bei der Herstellung eines Produktes bisher unerreichter Qualität führt.

Claims (25)

1. Verfahren zur Herstellung von kugelförmigen metallischen Partikeln, inbesondere zur Verwendung als Strahlmittel, durch Zerstäuben und nachfolgendem Erstarren der zerstäubten Partikel zu Festkörpern bei Flug durch eine kühlende Gas- bzw. Dampfschicht,
dadurch gekennzeichnet,
daß Metallteile wie Schrott, Späne u. ä. in dosierter Menge in einen der Schwerkraft entgegengerichteten, energiereichen Strom von heißem Gas aufgegeben und in einer Schmelzzone, vorzugsweise in Form einer Schmelz-Wirbelschicht in Schwebe gehalten und geschmolzen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Metallteile nach dem Schmelzen im Gasstrom zu Tröpfchen zerstäubt und diese durch die Schleppkräfte des Gases aus der Wirbelschicht und dem Gasstrom ausgetragen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Tröpfchen zur Erstarrung, vorzugsweise langsam, in kühlere Gas- bzw. Dampfschichten eingeleitet und nach erfolgter Erstarrung aufgefangen werden.
4. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Ausgangsmaterial vorzugsweise aus Metallbearbeitungsspänen oder feinem Shredderschrott und Ausfallkörnung zusammengesetzt ist und daraus vorzugsweise durch Formpressen tablettierte Körper hergestellt werden.
5. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erzeugung des Heißgasstromes ein mit Brenngas und Sauerstoff beschickter Brenner oder ein Plasmabrenner verwendet wird.
6. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Heißgasstrom eine reduzierende Gasatmosphäre eingestellt wird.
7. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Heißgasstrom von unten her durch einen sich erweiternden Strömungskanal, der vorzugsweise teilweise als Wirbelschichtofen ausgebildet ist, hindurchgeleitet wird.
8. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Führung des Heißgasstromes ein als Venturidüse ausgebildeter Strömungskanal verwendet wird.
9. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß im Bereich bzw. oberhalb der Zone der Wirbelschicht von außen her ein Magnetfeld angelegt ist.
10. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Heißgasstrom von einem kühleren Mantelgasstrom umgeben ist.
11. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die kinetische Energie des Mantelgases mindestens derjenigen des Heißgasstromes entspricht und daß dessen Temperatur wesentlich niedriger ist als die des Heißgasstromes.
12. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Erzielung einer vorher bestimmten mittleren arithmetischen Korngröße der Partikel die Temperatur des Heißgasstromes gesteuert wird.
13. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß zur Beeinflussung der Kugelform der Partikel zusätzlich einer oder mehrere der folgenden Parameter gesteuert werden:
- Menge des zugeführten Mantelgases,
- Temperatur des Mantelgases,
- Energiegehalt des Mantelgases,
- Energie des Magnetfeldes.
14. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die aufgefangenen Partikel einem Klassifiziervorgang, vorzugsweise durch Sichtung oder Siebung, unterzogen werden, wobei insbesondere die bei der Sichtung oder Siebung aus dem Fertiggut ausgeschiedene Ausfallkörnung dem Ausgangsmaterial zugeschlagen wird.
15. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß Abwärme des Heißgasstromes zur Vorwärmung des Ausgangsmateriales und/oder zur Erwärmung von Mantelgas verwendet wird.
16. Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß Abgas des Wirbelschichtofens aufgefangen und direkt als Mantelgas wiederverwendet wird.
17. Vorrichtung zur Herstellung von kugelförmigen metallischen Partikeln, insbesondere zur Verwendung als Strahlmittel, zur Durchführung des Verfahrens nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 16,
dadurch gekennzeichnet,
daß diese einen Heißgasofen mit einer Einrichtung (2) zur Erzeugung eines Heißgasstromes (3), einen Vorrats-und/oder Aufgabebehälter (4) mit einer dosierenden Austragsvorrichtung (5) und eine Auffangvorrichtung (6) für Fertiggut (7) aufweist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Heißgasofen als Wirbelschichtofen (1) mit Beheizung von unten ausgebildet ist und eine Ofenwand (8) aufweist, die als Strömungsleitkörper (9) mit einem sich von unten nach oben erweiternden Strömungskanal (10) ausgebildet ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 17 oder 18,
dadurch gekennzeichnet,
daß an der Außenseite (11) der Ofenwand (8) ein Magnetsystem (12) mit einem die Wirbelschicht durchsetzenden Magnetfeld (13) angeordnet ist.
20. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Einrichtung (2) zur Erzeugung des Heißgasstromes (3) ein Brenner nach Art eines Schweißbrenners oder ein Plasmabrenner ist.
21. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß der Schweiß- bzw. Plasmabrenner (2) einen diesen außen umgebenden Ringkanal (14) für ein Mantelgas (15) aufweist.
22. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ofenwand (8) aus einem vorzugsweise diamagnetischen, temperaturbeständigen Material, z. B. Keramik, besteht, wobei insbesondere die Ofenwand (8) aus einem porösen Material besteht, daß sie von einer Doppelwand (16) umschlossen ist, die mit der Ofenwand (8) einen diese umgebenden Kühlmittelraum (17) einschließt und daß dieser an eine vorzugsweise ein gasförmiges Kühlmedium führende Leitung (18) angeschlossen ist.
23. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Aufgabebehälter (4) einen gasdurchlässigen Boden (19) oder einen sonstigen Gaseinlaß und/oder ein dosierendes Austragsorgan (20) aufweist.
24. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Aufgabebehälter (4) mit einer Eintragsschleuse (21) nach oben abgeschlossen und mit einem Abzugsstutzen (22) an eine Gasabsaugeinrichtung (23) angeschlossen ist, wobei insbesondere die Gasabsaugeinrichtung (23) durch eine Leitung (24) mit dem Ringkanal (14) für Mantelgas in Verbindung steht.
25. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Auffangeinrichtung (6) einen den Wirbelschichtofen (1) ringförmig umgebenden Behälter (25) mit konisch nach außen geneigtem Boden (26) aufweist.
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