EP3297781A1 - Vorrichtung und verfahren zum zerstäuben von schmelzen - Google Patents

Vorrichtung und verfahren zum zerstäuben von schmelzen

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EP3297781A1
EP3297781A1 EP16729178.0A EP16729178A EP3297781A1 EP 3297781 A1 EP3297781 A1 EP 3297781A1 EP 16729178 A EP16729178 A EP 16729178A EP 3297781 A1 EP3297781 A1 EP 3297781A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
flow
temperature
driving fluid
melt
outlet opening
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP16729178.0A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Humberto Chaves
Clemens KIRMSE
Hans-Peter Heller
Tobias Dubberstein
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Original Assignee
Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Technische Universitaet Bergakademie Freiberg filed Critical Technische Universitaet Bergakademie Freiberg
Publication of EP3297781A1 publication Critical patent/EP3297781A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • B22F2009/0888—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 atomising using a fluid casting construction of the melt process, apparatus, intermediate reservoir, e.g. tundish, devices for temperature control

Definitions

  • the invention relates to a device and a method for atomizing melts.
  • Powders serve as starting material in many fields of technology. With regard to the homogeneity of powders and the shape and size of particles contained therein, high quality requirements are imposed. In particular, technologies such as 3D printing or laser sintering require powders with particle diameters in the micrometer range, since the size of the particles
  • Processes for the production of powders are based primarily on the gas atomization of melts, wherein a gas stream with high flow velocity is directed onto a melt in such a way that particles are sheared off from the melt.
  • Various methods or devices of gas atomization of liquid metals and melts are known. These include, for example, the so-called free fall atomizer, in which a compact strand of a melt passes through an opening into an area in which nozzles are arranged spaced for a sputtering gas.
  • Another nebulizer called the Closed Coupled Atomizer, includes a plurality of gas nozzles positioned near a melt outlet port to achieve the desired melt slugging efficiency.
  • the procedure is such that a melt strand and the gas are passed through a Laval nozzle, wherein the
  • Gas is greatly accelerated compared to the melt. Due to the increased relative velocity between gas and melt, greater shear forces are achieved, which contribute to improved atomization.
  • the process of atomization can be divided into at least two stages.
  • the first relatively large particles drops, fragments
  • the relative velocity still present causes a further division of the products of the primary atomization by aerodynamic forces into even smaller particles.
  • the problem with the process described above is that the gas accelerated by means of a Laval nozzle cools very strongly in the expansion region. Since the working range of the primary and secondary atomization can preferably also be in this range, the products of the primary atomization abruptly cool and solidify before a secondary atomization to the desired extent has taken place.
  • the problem is solved by heating the melt above the melting temperature (overheating), which delays the solidification of the particles in the expansion area.
  • the resulting delay is not sufficient to achieve a satisfactory dispersion of the particles in the micrometer range.
  • the problem arises that the relatively high temperature difference in the expansion or working range leads to a rapid solidification of the surface of still molten particles inside.
  • EP 1 190 996 A2 Another solution is shown in EP 1 190 996 A2, which also deals with the problem of solidification of melts in the outlet region of Laval nozzles.
  • Proposed is a device for atomizing melts, in particular slag melts, in which the melt passes through an annular gap into a gas flow-through, designed as a Laval nozzle outlet opening.
  • a solidification of the melt in the region of the annular gap is counteracted in particular by setting a dip tube designed to convey the gas into rotation in the region of the annular gap.
  • a lance is arranged, via which the propellant gas is conveyed into the outlet opening.
  • the proposed solution requires an increased apparatus or design effort, which is considered to be disadvantageous in terms of the associated higher costs.
  • the solution described in EP 1 190 996 A2 like the solutions described in DE 10 2004 001 346 A1 and WO 02/04154 A1, requires the arrangement of the lance, via which the propellant gas is conveyed into the outlet opening, in a
  • the object is achieved with a device according to the features of the independent claim 1 and a method according to the features of the independent claim 11.
  • Advantageous embodiments and further developments of the invention can be realized with features described in the subordinate claims.
  • the inventively proposed device for atomizing melts comprises a crucible with at least one outlet opening, which has an at least partially diverging flow channel in the flow direction, and a flow channel driving fluid tube for conveying driving fluid into the outlet opening, wherein the driving fluid tube is arranged such that between the Lower edge and / or the outer periphery of themaschinefluidrohrs and the inner edge and / or the inner circumference of the outlet opening a gap opening for the passage of molten material is formed.
  • the device further comprises a heating device with which a quiescent temperature of the drive fluid can be adjusted and / or regulated such that a temperature change in the flow channel of the drive fluid tube and in the flow channel of the outlet port, in particular in the region of the diverging flow channel, can be compensated.
  • the outer walls of the drive fluid tube provided according to the invention can be in direct contact with the melt when the melt is in the crucible.
  • the temperature which the driving fluid has before leaving the heating device and entering the flow channel of the driving fluid tube or into the flow channel of the outlet opening is to be understood below.
  • the region of the flow channel with a divergent flow cross-section is referred to as an expansion region.
  • the advantage of the device according to the invention consists first of all in the fact that, due to the gap opening formed between the drive fluid tube and the outlet opening, the melt entering the outlet opening forms a thin melt film which ensures an enlarged shear surface with the fluid flow.
  • the shear rate is particularly high here, because on the wall of the divergent flow channel, the speed of the melt film is low or equal to zero and very high on the side facing the drive fluid. The shear rate is given by the quotient of the difference between these speeds and the thickness of the melt film.
  • the drive fluid tube and / or the crucible can be designed to be adjustable in height for adjusting a distance between the drive fluid tube and the crucible. This is necessary to ensure opening and closing of the gap opening and / or a change in the size of the gap opening. Accordingly, a lifting device can be provided, with which at least the driving fluid tube or crucible is adjustable in height so that the relative distance between the driving fluid tube and melting crucible is variable.
  • the opening of the gap opening is not achieved by a height adjustment of themaschinefluidrohrs or crucible, but by melting a arranged in the gap opening sealing ring having a melting temperature corresponding to the melting temperature of the melt or above the melting temperature of the melt lies.
  • the shape of the lower edge and / or the shape of the outer circumference of the drive fluid tube and the shape of the inner edge and / or the shape of the inner circumference of the outlet opening is formed such that when a height adjustment of themaschinefluidrohrs and / or the crucible, a fluid-tight Closing the gap opening is guaranteed.
  • the drive fluid tube and the outlet opening are arranged coaxially.
  • the shape of the lower edge and / or the shape of the outer circumference of the drive fluid tube and the shape of the inner edge and / or the shape of the inner circumference of the outlet opening are formed such that the gap formed by the distance betweenmaschinefluidrohr and outlet opening different Shapes preferably has a ring shape.
  • a further advantage is in particular in the heating device, with which the rest temperature of the driving fluid is adjustable and / or regulated so that a caused by an expansion of the fluid flow in the region of the divergent flow channel cooling of the fluid flow is compensated / compensated.
  • disadvantages known from the prior art such as the freezing or clogging of the outlet opening or of the annular gap can be reduced, without requiring additional heating or overheating of the melt in the region of the outlet opening.
  • a working region can be defined in the flow direction of the drive fluid at least in the region of the flow channel of the outlet opening, in which a predeterminable working temperature can be maintained.
  • this can define a region in which a favorable working temperature for the atomization of the melt is ensured.
  • different operating temperatures for example for different melts and / or atomization parameters (in terms of particle shape and particle size) can also be set.
  • the quiescent temperature can be controlled such that the working temperature in the working range not below 70% of the melting temperature of the melt, preferably at least 100% of the melting temperature of Melted, particularly preferably maintained at least 130% of the melting temperature of the melt.
  • the driving fluid tube is preferably arranged in the device according to the invention so that the main flow direction of the driving fluid is directed coaxially to the central axis of the outlet opening.
  • the mouth of the Examfluidrohrs is arranged in the flow direction of the driving fluid in front of the mouth of the outlet opening.
  • a flow channel of the Schwarzfluidrohrs in the mouth direction i. have a constant flow cross-section in the direction of the outlet opening.
  • a drive fluid flow channel formed from the drive fluid tube and the outlet opening may be designed in the form of a Laval nozzle, wherein the smallest flow cross section is formed in the region of the gap opening or at the mouth of the flow channel of the drive fluid tube.
  • the divergent part of the Laval nozzle need not be located in the crucible, but the diverging flow channel may be formed in a discharge stone, which is connected at the outlet opening interchangeable with the crucible.
  • the outlet brick is preferably connected to the crucible with a correspondingly temperature-stable adhesive or kit.
  • Auslaufsteine having different slopes or geometries of the diverging flow channel.
  • nozzles with different properties can be provided.
  • the manufacturing technology complex geometry of a flow channel does not have to be formed in the crucible, but is provided in the form of a reusable Auslaufsteine. Due to the shape of the flow channels, particularly high flow velocities for the driving fluid can be achieved, which contributes to an increase in the relative velocity between the melt and the driving fluid. The increased shear effect has a positive effect on the primary and secondary from secondary atomization and contributes to the formation of very small particle sizes.
  • At least one further outlet opening for a further fluid flow is provided in the inner wall of the outlet opening, at the mouth of the outlet opening and / or in the crucible, which at least partially flows through the driving fluid flow and / or the working area in its spatial extent limited.
  • the already mentioned heating device can be formed with an electrical resistance heater, with a plasma torch and / or with a chemical burner.
  • a protective gas atmosphere may be required. Accordingly, means for providing a protective gas atmosphere may be provided. Conceivable is a realization by inert gas flows in desired areas.
  • the device according to the invention can also be arranged in a container or surrounded by an enclosure, in which a protective gas atmosphere, for example. Provided with argon.
  • All components of the device according to the invention which come into contact with the melt or with the heated blowing fluid flow, are formed from a temperature-resistant material, preferably a ceramic, or have a suitably temperature-resistant coating.
  • the procedure is such that molten material which passes through a gap opening into a flow channel of an outlet opening through which fluid flows - which may preferably have a flow cross section which at least partially diverges in the direction of flow - contacts the driving fluid flow along the inner wall of the Flow channel is accelerated, with a Temperature change of the driving fluid flow is compensated for at least in the flow channel of the outlet opening by adjusting a quiescent temperature of the driving fluid.
  • the melt which may be a metallic or non-metallic material, should at least be brought to a temperature at which sufficient flowability is ensured.
  • the melt flows not as a compact strand, but as a thin film along the inner wall of the flow channel of the outlet opening, wherein the melt film on the contact side with themaschinefluidstrom against the wall side is greatly accelerated, which facilitates the shear of the melt film and favors the primary atomization.
  • the quiescent temperature is increased with the heater so far that caused by the expansion of graspfluidstroms temperature reduction in the flow channel of graspfluid raw rs and especially in the expansion region in the further flow, in which preferably the primary atomization of the melt can take place, adjusted or compensated for a predetermined temperature can be.
  • the quiescent temperature is kept substantially above the melting temperature of the melt. In this way, the solidification of formed particles can be delayed in regions, in order to bring about the desired sputtering success, in particular in the area of secondary atomization (in terms of particle shape and / or particle size).
  • An influence on the atomization process can be adjusted and / or regulated by a change in the quiescent temperature of the drive fluid. It is particularly favorable if the propellant fluid at rest above the
  • Melting temperature of the melt is heated to keep a temperature drop below a predetermined operating temperature in the expansion range low. Accordingly, the quiescent temperature can be adjusted and / or regulated that in the working range a working temperature can be maintained, which is not below 70% of the melting temperature of the melt, preferably at least 100% corresponds to the melting temperature of the melt, more preferably at least 130% corresponds to the melting temperature of the melt. In this case, physical and / or chemical properties of different melts should be taken into account in order to ensure the desired sputtering success.
  • temperature monitoring may be performed at various positions along the flow path of the motive fluid stream, providing temperature information to the heater.
  • the driving fluid in the region of the annular gap and / or in the region of the outlet opening in the flow channel can be accelerated to 50% of the speed of sound.
  • the flow rate of the motive fluid can also be accelerated to the speed of sound, most preferably to 200% sonic velocity.
  • the flow velocity of the driving fluid can be varied as an influencing variable of the atomization process. If there is sound velocity in the region of the annular gap, the flow parameters in the flow channel of the driving fluid tube are defined by known gas-dynamic relationships.
  • the working area may extend from the gap opening in the flow direction of the driving fluid flow.
  • the working range of at least one further fluid flow, which flows through the driving fluid flow at least in regions can be limited and / or influenced. This makes it possible to set the boundaries of a workspace.
  • the at least one further fluid stream may have a temperature and / or flow velocity which is unequal to the flow of the blowing fluid.
  • a limitation of the working range can preferably be achieved with a further fluid flow having a lower temperature than the driving fluid flow.
  • Not belonging to the work area are understood areas in which the desired working temperature can not be met. Such areas may be formed as defined cooling areas for cooling the particles.
  • the quiescent temperature can be regulated as a function of the flow velocity of the drive fluid at the gap opening and / or as a function of the flow velocity of the drive fluid in the expansion region.
  • a driving fluid is understood as gas or vapor.
  • the driving fluid used is mono- and / or polyatomic gases and / or vapors.
  • FIG. 1 shows a schematic representation of an exemplary embodiment of the device according to the invention.
  • the device for atomizing melts, which has a crucible 1 with at least one outlet opening 2.1.
  • the outlet opening 2.1 has a flow channel 10.2 with a diverging flow cross-section.
  • the flow channel 10.2 is located centrally within a discharge block 17, which is cemented with a cement attached to the outlet opening 2.1 at the crucible 1.
  • the device comprises a drive fluid tube 4 with flow channel 10.1 for conveying propellant fluid into the outlet opening 2.1.
  • the drive fluid pipe 4 is arranged such that between the outer circumference of the drive fluid pipe 4 tapering in the direction of flow 3 or in the direction of the opening and the inner circumference of the outlet opening 2. 1 5 gap is formed to the flow of melt 6 in the outlet 2.1.
  • the drive fluid tube 4 is set up in a height-adjustable manner, so that the size of the annular gap 5 can be varied by means of the lifting device 18 in the direction of the arrow 18.1.
  • Reference number 7 shows a heating device connected to the drive fluid tube 4, with which a quiescent temperature of the drive fluid supplied via an inlet opening 8 can be adjusted and / or regulated such that a temperature change of the motive fluid flow 3.1 at least in the flow channel 10.2, i. in the expansion region, in which the flow channel 10.2 between the mouth of the outlet opening 2.1 and the mouth of the outlet opening 2.2 has a diverging course, can be compensated.
  • the data acquisition required for regulating the quiescent temperature takes place by means of temperature sensors (not shown) which can be arranged in the region of the flow channels 10.1 and 10.2 and in the flow direction 3 behind the mouths of the outlet openings 2.1 and / or 2.2 or directed towards these areas.
  • the heating device 7 may be formed with an electrical resistance heater, a plasma torch and / or a chemical burner, depending on the type of drive fluid, which rest temperature and / or which melt are used.
  • the flow channel 10. 1 has a flow cross section that is constant in the flow direction 3.
  • the flow channel has a converging flow cross-section.
  • the flow channels 10.1 and 10.2 form a common flow channel for driving fluid in the form of a Laval nozzle, the smallest flow cross section at the Mouth ofmaschineth ofmaschineth ofmaschineth ofmaschineth ofmaschineth ofmaschineth ofmaschineth ofmaschineth.
  • two further flow channels 11 for fluid flows 11.1 are formed in the region of the outlet of the outlet block 17 by the arrangements 16 (cooling device), the openings 12 of the flow channels 11 being directed toward the mouth region of the outlet opening 2.2 in order to influence the driving fluid flow 3.1.
  • the arrangement of the orifices 12 makes it possible, with a suitable flow velocity, for a crossing 9 of the fluid flows 11.1 in the region of the driving fluid flow 3.1. This makes it possible, the Examfluidstrom 3.1 in one for the primary and
  • Secondary atomization favorable work area A (hatched shown) limit.
  • the working region A is formed between the outlet opening 2.1 and the intersection 9 of the fluid streams 11.1.
  • temperature sensors (not shown) are directed at the working area A or arranged there in order to ensure a data acquisition of the heating device 7 required for the quiescent temperature control.
  • a fusible material is melted by supplying energy in the crucible 1.
  • a sufficient supply of energy should be provided, so that the melt 6 reaches a suitable flowability to reach after lifting the Examfluidrohrs 4 through the thus opened annular gap 5 in the flow from the drive fluid flow 3.1 3.1 outlet.
  • the driving fluid flow 3.1 has a speed of sound, so that the incoming melting material 6 is accelerated as a result of the driving fluid flow 3.1.
  • aerodynamic forces that urge the melt to the inner wall of the flow channel 10.2 act. It forms a thin film or a thin layer of
  • the wall side has a significantly lower flow velocity.
  • the difference in flow-side flow velocity causes shear stresses within the melt film which tend to break the melt film and thereby induce primary atomization.
  • the primary atomization of the melt can already begin immediately after entry into the outlet opening 2.1, whereby drops 13 of the melt 6 are entrained with the blowing fluid stream 3.1.
  • the first Mach joints 14 are indicated, which cause a further division (secondary atomization) of formed droplets. Mach's shocks are unsteady pressure, density and velocity changes when transitioning from supersonic to subsonic flow.
  • the temperature change in the cooling and mixing region 15 leads to the solidification of the particles formed.
  • the secondary atomization is interrupted and limited in the present case, the work area.
  • a compensation of the temperature change caused in the flow channel 10.2 due to the expansion of themaschinefluidstroms 3.1 below a favorable for the primary and / or Sekundärzerstäubung working temperature is done by regulating or increasing the rest temperature of the driving fluid to the heater 7.
  • the regulation of the rest temperature based on Temperature sensors are made or preset, if appropriate tabular values are available.
  • the following table shows an example of a presetting of the temperature T 0 by means of the heating device 7 in order to obtain a temperature equal to the melting temperature T s at the outlet opening 2.1 in the expansion region of the motive fluid stream 3.1 at a flow velocity of the motive fluid.
  • the compensation is based on the relationship:
  • T 0 (1 + (kl) / 2) T s
  • k the adiabatic exponent
  • T 0 the quiescent temperature
  • T s the temperature at the speed of sound of the motive fluid.
  • Table 1 above illustrates the relationship between the required quiescent temperature of the motive fluid and the melting temperature (in degrees Kelvin), depending on the type of motive fluid used for primary atomization.
  • the melt is heated above its melting temperature. In this case, less energy needs to be expended for the temperature adjustments in the expansion area. It may be sufficient if the quiescent temperature is set below the melting temperature of the melted material 6. It should be noted that the risk of freezing increases with decreasing fluid temperature. This may require an adjustment of the size of the annular gap 5.
  • a working region A is defined as a function of the driving fluid and melt 6, in which particularly favorable conditions for the primary and secondary atomization of the melt can be provided.
  • the quiescent temperature is adjusted so that the working temperature in the working area A, which can be located according to Figure 1 between the outlet port 2.1 and the intersection 9 of the fluid streams 11.1, not below.
  • the working temperature is set above the melting temperature of the melt.
  • different quiescent temperatures may be required for the temperature adjustment or temperature compensation.
  • the energy required to melt tin or copper can be provided by means of resistance heating. For melting of ceramic materials higher temperatures are required, which can be achieved for example with a plasma torch. In this case, it makes sense to overheat the melt before entering the outlet opening 2.1.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Zerstäuben von Schmelzen. Dabei wird Schmelzgut (6), das durch eine Spaltöffnung (5) in eine von Treibfluid durchströmte Auslassöffnung (2.1) gelangt, bei Kontakt mit dem Treibfluidstrom (3.1) entlang der Innenwand des Strömungskanals (10.2) geschert, wobei in einem in Strömungsrichtung (3) hinter der Spaltöffnung (5) liegenden Expansionsbereich für den Treibfluidstrom (3.1), eine Temperaturverringerung des Treibfluidstroms (3.1) durch eine Erhöhung der Ruhetemperatur des Treibfluids ausgeglichen wird.

Description

Vorrichtung und Verfahren zum Zerstäuben von Schmelzen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zum Zerstäuben von Schmelzen.
Pulver dienen in vielen Bereichen der Technik als Ausgangsmaterial. Hinsichtlich der Homogenität von Pulvern sowie Form und Größe darin enthaltener Partikel werden dabei hohe Qualitätsanforderungen gestellt. Insbesondere Technologien wie 3D-Druckverfahren oder Lasersintern erfordern Pulver mit Partikeldurchmessern im Mikrometerbereich, da die Größe der Partikel die
Strukturauflösung zu fertigender Gebilde beschränkt. Auch im Bereich der Fertigung von Komposit-Materialien sind Pulver gewünscht, die besonders kleine Partikelgrößen aufweisen, da die Partikelgrößen der verwendeten Komposit-Pulver die abschließenden Eigenschaften der Komposit-Materialien beeinflussen.
Verfahren zur Herstellung von Pulvern beruhen vornehmlich auf der Gaszerstäubung von Schmelzen, wobei ein Gastrom mit hoher Strömungsgeschwindigkeit so auf eine Schmelze gerichtet wird, dass Partikel aus der Schmelze abgeschert werden. Bekannt sind unterschiedliche Verfahren oder Vorrichtungen der Gaszerstäubung von flüssigen Metallen und Schmelzen. Hierzu zählt beispielsweise der sogenannte Free Fall Atomizer, bei dem ein kompakter Strang einer Schmelze durch eine Öffnung hindurch in einen Bereich gelangt, in dem Düsen für ein Zerstäubungsgas beabstandet angeordnet sind. Ein weiterer Zerstäuber mit der Bezeichung Closed Coupled Atomizer umfasst mehrere nahe einer Auslassöffnung für Schmelze angeordnete Gasdüsen, um den gewünschten Scherungserfolg der Schmelze zu erreichen.
Bei einer weiteren Zerstäubervariante wird so vorgegangen, dass ein Schmelz- sträng und das Gas durch eine Lavaldüse hindurch geleitet werden, wobei das
Gas gegenüber der Schmelze stark beschleunigt wird. Infolge der erhöhten Relativgeschwindigkeit zwischen Gas und Schmelze werden größere Scherkräfte erreicht, die zu einer verbesserten Zerstäubung beitragen.
Nach allgemeiner Auffassung kann der Vorgang des Zerstäubens in mindestens zwei Stufen gegliedert werden. Im Bereich der Primärzerstäubung, in dem der Gasstrom auf die Schmelze trifft, werden erste noch verhältnismäßig große Partikel (Tropfen, Fragmente) aus der Schmelze herausgelöst. Im darauffolgenden Bereich der Sekundärzerstäubung bewirkt die noch vorhandene Relativgeschwindigkeit ein weiteres Zerteilen der Produkte der Primärzer- stäubung durch aerodynamische Kräfte in noch kleinere Partikel.
Problematisch bei dem zuvor beschriebenen Vorgang ist jedoch, dass das mittels Lavaldüse beschleunigte Gas im Expansionsbereich sehr stark abkühlt. Da in diesem Bereich vorzugsweise auch der Arbeitsbereich der Primär- und Se- kundärzerstäubung liegen kann, kühlen auch die Produkte der Primärzerstäubung abrupt ab und erstarren, bevor eine Sekundärzerstäubung in gewünschtem Maß erfolgt ist.
Bislang wird das Problem dadurch gelöst, dass die Schmelze über die Schmelz- temperatur erhitzt wird (Überhitzung), wodurch sich die Erstarrung der Partikel im Expansionsbereich verzögert. Die dabei hervorgerufene Verzögerung reicht jedoch nicht aus, um eine zufriedenstellende Zerteilung der Partikel im Mikrometerbereich zu erreichen. Ferner kommt die Problematik hinzu, dass die verhältnismäßig hohe Temperaturdifferenz im Expansions- bzw. Arbeits- bereich zu einer raschen Verfestigung der Oberfläche von im Inneren noch schmelzflüssigen Partikeln führt.
Eine weitere Lösung geht aus EP 1 190 996 A2 hervor, die ebenfalls die Problematik der Erstarrung von Schmelzen im Auslassbereich von Lavaldüsen be- handelt. Vorgeschlagen wird eine Einrichtung zum Zerstäuben von Schmelzen, insbesondere Schlackenschmelzen, bei der die Schmelze über einen Ringspalt in eine von Gas durchströmte, als Lavaldüse ausgebildete Auslassöffnung gelangt. Einer Erstarrung der Schmelze im Bereich des Ringspaltes wird insbesondere dadurch entgegengewirkt, dass ein zur Förderung des Gases ausge- bildetes Tauchrohr im Bereich des Ringspaltes in Rotation versetzt wird. Innerhalb des rotierenden Tauchrohrs ist eine Lanze angeordnet, über die das Treibgas in die Auslassöffnung befördert wird. Die vorgeschlagene Lösung erfordert einen gesteigerten apparativen bzw. konstruktiven Aufwand, was hinsichtlich der damit verbundenen höheren Kosten als nachteilig anzusehen ist. Die in EP 1 190 996 A2 beschriebene Lösung erfordert ebenso wie die in DE 10 2004 001 346 AI und WO 02/04154 AI beschriebenen Lösungen die Anordnung der Lanze, über die das Treibgas in die Auslassöffnung befördert wird, in einem Tauchrohr.
Aufgabe ist es daher, Möglichkeiten zur Zerstäubung von Schmelzen bereitzustellen, mit denen auf einfache Weise insbesondere kleine Partikelgrößen im Mikrometerbereich bereitgestellt werden können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 und einem Verfahren gemäß den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
Die erfindungsgemäß vorgeschlagene Vorrichtung zum Zerstäuben von Schmelzen weist einen Schmelztiegel mit mindestens einer Auslassöffnung, die in Strömungsrichtung einen zumindest teilweise divergierenden Strömungskanal aufweist, und ein Treibfluidrohr mit Strömungskanal zur Förderung von Treibfluid in die Auslassöffnung auf, wobei das Treibfluidrohr derart angeordnet ist, dass zwischen der Unterkante und/oder dem Außenumfang des Treibfluidrohrs und der Innenkannte und/oder dem Innenumfang der Auslassöffnung eine Spaltöffnung zum Durchfluss von Schmelzgut gebildet ist. Erfindungsgemäß weist die Vorrichtung weiterhin eine Heizeinrichtung auf, mit der eine Ruhetemperatur des Treibfluids derart einstellbar und/oder regelbar ist, dass eine Temperaturänderung im Strömungskanal des Treibfluidrohrs und im Strömungskanal der Auslassöffnung, insbesondere im Bereich des divergierenden Strömungskanals, ausgleichbar ist.
Es ist nicht erforderlich, dass das Treibfluidrohr in einem Rohr, beispielsweise einem Tauchrohr, angeordnet ist. Vielmehr können die Außenwände des erfindungsgemäß vorgesehenen Treibfluidrohres unmittelbar in Kontakt mit der Schmelze stehen, wenn sich Schmelze in dem Schmelztiegel befindet. Bei der vorstehend beschriebenen Ruhetemperatur soll nachfolgend die Temperatur verstanden werden, die das Treibfluid aufweist, bevor es die Heizeinrichtung verlässt und in den Strömungskanal des Treibfluidrohrs bzw. in den Strömungskanal der Auslassöffnung gelangt. Weiterhin ist anzumerken, dass insbesondere der Bereich des Strömungskanals mit divergierendem Strömungsquerschnitt als Expansionsbereich bezeichnet wird.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht zunächst darin, dass durch die zwischen Treibfluidrohr und Auslassöffnung gebildete Spaltöffnung in die Auslassöffnung gelangende Schmelze einen dünnen Schmelzfilm bildet, der eine vergrößerte Scherfläche mit dem Fluidstrom gewährleistet. Die Scherrate ist hier besonders hoch, denn an der Wand des divergierenden Strömungskanals ist die Geschwindigkeit des Schmelzfilms gering bzw. gleich Null und auf der zum Treibfluid zugewandten Seite sehr hoch. Die Scherrate ergibt sich aus dem Quotient der Differenz dieser Geschwindigkeiten und der Dicke des Schmelzfilms.
Das Treibfluidrohr und/oder der Schmelztiegel können zum Einstellen eines Abstandes zwischen dem Treibfluidrohr und dem der Schmelztiegel höhenverstellbar ausgebildet sein. Dies ist erforderlich, um ein Öffnen und Schließen der Spaltöffnung und/oder eine Änderung der Größe der Spaltöffnung zu gewährleisten. Entsprechend kann eine Hebevorrichtung vorgesehen sein, mit der zumindest das Treibfluidrohr oder der Schmelztiegel so höhenverstellbar ist, dass der relative Abstand zwischen Treibfluidrohr und Schmelztiegel veränderbar ist.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird die Öffnung der Spaltöffnung nicht durch eine Höhenverstellung des Treibfluidrohrs oder des Schmelztiegels erreicht, sondern durch Einschmelzen eines in der Spaltöffnung angeordneten Dichtringes, der eine Schmelztemperatur aufweist, die der Schmelztemperatur des Schmelzgutes entspricht oder oberhalb der Schmelztemperatur des Schmelzgutes liegt.
Vorzugsweise ist die Form der Unterkante und/oder die Form des Außenum- fangs des Treibfluidrohrs sowie die Form der Innenkannte und/oder die Form des Innenumfangs der Auslassöffnung derart gebildet, dass bei einer Höhenverstellung des Treibfluidrohrs und/oder des Schmelztiegels ein fluiddichtes Verschließen der Spaltöffnung gewährleistet ist. Vorzugsweise sind das Treib- fluidrohr und die Auslassöffnung koaxial angeordnet.
Weiterhin kann es vorgesehen sein, dass die Form der Unterkante und/oder die Form des Außenumfangs des Treibfluidrohrs sowie die Form der Innenkante und/oder die Form des Innenumfangs der Auslassöffnung derart gebildet sind, dass die durch den Abstand zwischen Treibfluidrohr und Auslassöffnung gebildete Spaltöffnung unterschiedliche Formen vorzugsweise eine Ringform aufweist.
Ein weiterer Vorteil besteht insbesondere in der Heizeinrichtung, mit der die Ruhetemperatur des Treibfluids so einstellbar und/oder regelbar ist, dass eine durch eine Expansion des Fluidstroms im Bereich des divergierenden Strömungskanals hervorgerufene Abkühlung des Fluidstroms ausgleichbar/kompensierbar ist. Auf diese Weise können aus dem Stand der Technik bekannte Nachteile, wie das Einfrieren oder Zusetzen der Auslassöffnung bzw. des Ringspaltes verringert werden, ohne dass im Bereich der Auslassöffnung eine zusätzliche Heizung oder eine Überhitzung der Schmelze erforderlich sind.
Die zur Regelung der Ruhetemperatur erforderlichen Einrichtungen und Sensoren sind hinreichend bekannt und werden hier nicht weiter ausgeführt.
Infolge der Anpassung/Kompensation der Temperatur im Strömungskanal des Treibfluidrohrs und insbesondere im Expansionsbereich des Strömungskanals der Auslassöffnung kann in Strömungsrichtung des Treibfluids zumindest im Bereich des Strömungskanals der Auslassöffnung ein Arbeitsbereich definiert sein, in dem eine vorgebbare Arbeitstemperatur eingehalten werden kann. Vorteilhafterweise kann dadurch ein Bereich definiert sein, in dem eine für die Zerstäubung der Schmelze günstige Arbeitstemperatur gewährleistet ist. Für einen solchen Arbeitsbereich können auch unterschiedliche Arbeitstemperaturen, beispielsweise für verschiedene Schmelzen und/oder Zerstäubungsparameter (hinsichtlich Partikelform und Partikelgröße) eingestellt sein.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann die Ruhetemperatur derart geregelt sein, dass die Arbeitstemperatur im Arbeitsbereich nicht unterhalb von 70 % der Schmelztemperatur des Schmelzgutes, bevorzugt auf mindestens 100 % der Schmelztemperatur des Schmelzgutes, besonders bevorzugt auf mindestens 130 % der Schmelztemperatur des Schmelzgutes gehalten ist. Die Möglichkeit, dass die Temperatur des Treibfluids nahe der Schmelztemperatur des Schmelzgutes gehalten werden kann, wirkt sich günstig auf die Primär- und Sekundärzerstäubung der Schmel- ze aus.
Das Treibfluidrohr ist bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorzugsweise so angeordnet, dass die Hauptströmungsrichtung des Treibfluids koaxial zur mittleren Achse der Auslassöffnung gerichtet ist. Vorzugsweise ist die Mündung des Treibfluidrohrs in Strömungsrichtung des Treibfluids vor der Mündung der Auslassöffnung angeordnet. Dabei kann ein Strömungskanal des Treibfluidrohrs in Mündungsrichtung, d.h. in Richtung der Auslassöffnung einen konstanten Strömungsquerschnitt aufweisen.
Besonders günstig ist es, wenn der Strömungskanal des Treibfluidrohrs in Mündungsrichtung einen konvergierenden Strömungsquerschnitt aufweist. In diesem Fall kann ein aus dem Treibfluidrohr und der Auslassöffnung gebildeter Strömungskanal für Treibfluid in Form einer Lavaldüse ausgebildet sein, wobei der kleinste Strömungsquerschnitt im Bereich der Spaltöffnung bzw. an der Mündung des Strömungskanals des Treibfluidrohrs ausgebildet ist. Der divergente Teil der Lavaldüse muss sich dabei nicht im Schmelztiegel befinden, sondern der divergierende Strömungskanal kann in einem Auslaufstein gebildet sein, der an der Auslassöffnung austauschbar mit dem Schmelztiegel verbunden ist. Vorzugsweise ist der Auslaufstein mit einem entsprechend temperaturstabilen Klebemittel oder Kit mit dem Schmelztiegel verbunden. Es können Auslaufsteine vorgesehen sein, die unterschiedliche Steigungen oder Geometrien des divergierenden Strömungskanals aufweisen. Somit können Düsen mit unterschiedlichen Eigenschaften bereitgestellt werden. Vorteilhaft ist dabei auch, dass die fertigungstechnisch aufwendige Geometrie eines Strömungskanals nicht im Schmelztiegel ausgebildet sein muss, sondern in Form eines wiederverwendbaren Auslaufsteine bereitgestellt wird. Durch die Form der Strömungskanäle können besonders hohe Strömungsgeschwindigkeiten für das Treibfluid erreicht werden, was zu einer Erhöhung der Relativgeschwindigkeit zwischen Schmelze und Treibfluid beiträgt. Die dadurch gesteigerte Scherwirkung wirkt sich positiv auf die Primär- und Se- kundärzerstäubung aus und trägt zur Ausbildung besonders kleiner Partikelgrößen bei.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in der Innenwand der Auslassöffnung, an der Mündung der Auslassöffnung und/oder im Schmelztiegel mindestens eine weitere Auslassöffnung für einen weiteren Fluidstrom vorgesehen, der den Treibfluidstrom zumindest bereichsweise durchströmt und/oder den Arbeitsbereich in seiner räumlichen Ausdehnung begrenzt. Zur Begrenzung und Beeinflussung des Arbeitsbereichs können auch mehrere weitere Fluidströme vorgesehen sein, die durch flexible Schläuche an verschiedenen Positionen im Arbeitsbereich bereitgestellt sind. Dadurch, dass der Treibfluidstrom im Arbeitsbereich mittels weiteren Fluidströmen beeinflussbar und/oder begrenzbar ist, kann bei der Zerstäubung des Schmelzgutes Einfluss auf die Partikelform und/oder Partikelgröße genommen werden. Die bereits erwähnte Heizeinrichtung kann mit einem elektrischen Widerstandsheizer, mit einem Plasmabrenner und/oder mit einem chemischen Brenner gebildet sein.
Für bestimmte Anwendungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann eine Schutzgasatmosphäre erforderlich sein. Entsprechend können Mittel zur Bereitstellung einer Schutzgasatmosphäre vorgesehen sein. Denkbar ist eine Realisierung durch Schutzgasströmungen in gewünschten Bereichen. Zweckgemäß kann die erfindungsgemäße Vorrichtung auch in einem Behälter angeordnet oder von einer Einhausung umgebenen sein, in der eine Schutzgasatmosphäre, bspw. mit Argon bereitgestellt ist.
Sämtliche Bestandteile der erfindungsgemäßen Vorrichtung, die mit Schmelz- gut oder mit dem erhitzen Treibfluidstrom in Berührung kommen, sind aus einem temperaturbeständigem Material, vorzugsweise einer Keramik gebildet oder weisen eine entsprechend temperaturbeständige Beschichtung auf.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Zerstäuben von Schmelzen wird so vorgegangen, dass Schmelzgut, das durch eine Spaltöffnung in einen von Treibfluid durchströmten Strömungskanal einer Auslassöffnung gelangt - der vorzugsweise einen in Strömungsrichtung zumindest teilweise divergierenden Strömungsquerschnitt aufweisen kann - bei Kontakt mit dem Treibfluidstrom entlang der Innenwand des Strömungskanals beschleunigt wird, wobei eine Temperaturänderung des Treibfluidstroms zumindest im Strömungskanal der Auslassöffnung durch eine Anpassung einer Ruhetemperatur des Treibfluid ausgeglichen wird.
Das Schmelzgut, bei dem es sich um ein metallisches oder nichtmetallisches Material handeln kann, sollte zumindest auf eine Temperatur gebracht werden, bei der eine ausreichende Fließfähigkeit gewährleistet ist.
Vorteilhafterweise fließt die Schmelze nicht als kompakter Strang, sondern als dünner Film entlang der Innenwand des Strömungskanals der Auslassöffnung, wobei der Schmelzfilm auf der Kontaktseite mit dem Treibfluidstrom gegen- über der Wandseite stark beschleunigt wird, was die Scherung des Schmelzfilms erleichtert und die Primärzerstäubung begünstigt.
Vorteilhafterweise wird die Ruhetemperatur mit der Heizeinrichtung soweit erhöht, dass eine durch die Expansion des Treibfluidstroms hervorgerufene Temperaturverringerung im Strömungskanal des Treibfluid roh rs und insbesondere im Expansionsbereich im weiteren Strömungsverlauf, in dem vorzugsweise die Primärzerstäubung der Schmelze stattfinden kann, auf eine vorgegebene Temperatur angepasst oder kompensiert werden kann. Dabei wird die Ruhetemperatur im Wesentlichen oberhalb der Schmelztemperatur des Schmelzgutes gehalten. Auf diese Weise kann die Erstarrung gebildeter Partikel bereichsweise verzögert werden, um den gewünschten Zerstäubungserfolg insbesondere im Bereich der Sekundärzerstäubung (hinsichtlich Partikelform und/oder Partikelgröße) herbeizuführen.
Ferner kann in Strömungsrichtung des Treibfluids zumindest im Expansionsbereich - insbesondere im Bereich mit divergierendem Strömungsquerschnitt des Strömungskanals der Auslassöffnung - ein Arbeitsbereich definiert werden, in dem eine vorgebbare Arbeitstemperatur des Treibfluids eingehalten wird.
Eine Beeinflussung des Zerstäubungsvorganges kann durch eine Änderung der Ruhetemperatur des Treibfluids eingestellt und/oder geregelt werden. Be- sonders günstig ist es, wenn das Treibfluid im Ruhezustand oberhalb der
Schmelztemperatur des Schmelzgutes erhitzt wird, um einen Temperaturabfall unterhalb einer vorgegebenen Arbeitstemperatur im Expansionsbereich gering zu halten. Entsprechend kann die Ruhetemperatur so eingestellt und/oder geregelt werden, dass im Arbeitsbereich eine Arbeitstemperatur eingehalten werden kann, die nicht unterhalb von 70 % der Schmelztemperatur des Schmelzgutes liegt, bevorzugt mindestens 100 % der Schmelztemperatur des Schmelzgutes entspricht, besonders bevorzugt mindestens 130 % der Schmelztemperatur des Schmelzgutes entspricht. Dabei sollten physikalische und/oder chemische Eigenschaften unterschiedlicher Schmelzen berücksichtigt werden, um den gewünschten Zerstäubungserfolg gewährleisten zu können.
Für eine Regelung der Temperaturänderung kann an verschieden Positionen entlang des Strömungsverlaufs des Treibfluidstroms eine Temperaturüberwachung erfolgen, wobei Temperaturinformationen an die Heizeinrichtung bereitgestellt werden.
Gemäß einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Treibfluid im Bereich des Ringspaltes und/oder im Bereich der Auslassöffnung im Strömungskanal auf 50 % Schallgeschwindigkeit beschleunigt werden. Vorzugsweise kann die Strömungsgeschwindigkeit des Treibfluids auch auf Schallgeschwindigkeit, besonders bevorzugst auf 200 % Schallgeschwindigkeit beschleunigt werden. Vorteilhafterweise kann die Strömungsgeschwindigkeit des Treibfluides als Einflussgröße des Zerstäubungsvorganges variiert werden. Wenn im Bereich des Ringspaltes Schallgeschwindigkeit vorliegt, sind die Strömungsparameter im Strömungskanal des Treibfluidrohrs durch bekannte gasdynamische Zusammenhänge festgelegt.
Der Arbeitsbereich kann sich von der Spaltöffnung ausgehend in Strömungsrichtung des Treibfluidstroms erstrecken. Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens kann der Arbeitsbereich von mindestens einem weiteren Fluidstrom, der den Treibfluidstrom zumindest bereichsweise durchströmt, begrenzt und/oder beeinflusst werden. Dadurch ist es möglich, die Grenzen eines Arbeitsbereiches festzulegen.
Es können auch Arbeitsbereiche definiert werden, die von unterschiedlich temperierten Fluidströmen durchströmt werden, so dass solche Arbeitsbereiche mehr als eine Temperaturzone aufweisen können. Strömungen weiterer Fluidströme können auch derart gerichtet sein, dass innerhalb des Arbeitsbe- reichs vorteilhafte Strömungsverhältnisse hervorgerufen werden, die beispielsweise die Verweildauer von Partikeln im Arbeitsbereich beeinflussen.
Zweckmäßigerweise kann der mindestens eine weitere Fluidstrom eine gegenüber dem Treibfluidstrom ungleiche Temperatur und/oder Strömungsgeschwindigkeit aufweisen. Eine Begrenzung des Arbeitsbereichs kann vorzugsweise mit einem weiteren Fluidstrom erreicht werden, der eine geringere Temperatur als der Treibfluidstrom aufweist. Nicht dem Arbeitsbereich zugehörig werden solche Bereiche verstanden, in denen die gewünschte Arbeitstemperatur nicht eingehalten werden kann. Solche Bereiche können als definierte Kühlbereiche zur Abkühlung der Partikel gebildet sein.
Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens kann die Ruhetemperatur in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Treibfluids an der Spaltöffnung und/oder in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Treibfluids im Expansionsbereich geregelt werden.
Gemäß der Erfindung wird ein Treibfluid als Gas oder Dampf verstanden. Vorzugsweise werden als Treibfluid ein- und/oder mehratomige Gase und/oder Dämpfe eingesetzt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Figur 1, die eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung zeigt, beispielhaft näher erläutert.
In Figur 1 ist eine Vorrichtung zum Zerstäuben von Schmelzen dargestellt, die einen Schmelztiegel 1 mit mindestens einer Auslassöffnung 2.1 aufweist. In Strömungsrichtung 3 (Pfeilrichtung) des Treibfluids weist die Auslassöffnung 2.1 einen Strömungskanal 10.2 mit divergierendem Strömungsquerschnitt auf. Der Strömungskanal 10.2 befindet sich zentral innerhalb eines Auslaufsteins 17, der mit einem Zement gekittet an der Auslassöffnung 2.1 am Schmelztiegel 1 angebracht ist. Weiterhin umfasst die Vorrichtung ein Treibfluidrohr 4 mit Strömungskanal 10.1 zur Förderung von Treibfluid in die Auslassöffnung 2.1. Dabei ist das Treibfluidrohr 4 so angeordnet, dass zwischen dem sich in Strömungsrichtung 3 bzw. in Mündungsrichtung verjüngenden Außenumfang des Treibfluidrohrs 4 und dem Innenumfang der Auslassöffnung 2.1 ein Ring- spalt 5 zum Durchfluss von Schmelzgut 6 in die Auslassöffnung 2.1 gebildet ist.
Bei der hier gezeigten Ausführungsform der Vorrichtung ist das Treibfluidrohr 4 höhenverstellbar eingerichtet, so dass die Größe des Ringspaltes 5 mittels der Hebevorrichtung 18 in Richtung des Pfeils 18.1 variiert werden kann. Die
Höhenverstellbarkeit ist von Vorteil, um während des Schmelzvorgangs den Ringspalt 5 möglichst dicht geschlossen zu halten. Erst wenn die Schmelze die gewünschte Temperatur bzw. Fließfähigkeit erreicht hat, wird mittels der Hebevorrichtung 18 das Treibfluidrohr angehoben und der Ringspalt 5 geöffnet, so dass die Schmelze 6 in die Auslassöffnung 2.1 gelangen kann.
Mit dem Bezugszeichen 7 ist eine mit dem Treibfluidrohr 4 verbundene Heizeinrichtung dargestellt, mit der eine Ruhetemperatur des über eine Einlassöffnung 8 zugeführten Treibfluids so einstellbar und/oder regelbar ist, dass eine Temperaturänderung des Treibfluidstroms 3.1 zumindest im Strömungskanal 10.2, d.h. im Expansionsbereich, in dem der Strömungskanal 10.2 zwischen der Mündung der Auslassöffnung 2.1 und der Mündung der Auslassöffnung 2.2 einen divergierenden Verlauf aufweist, ausgleichbar ist. Die zur Regelung der Ruhetemperatur erforderliche Datenerfassung erfolgt mittels dafür vorgesehenen Temperatursensoren (nicht gezeigt), die im Bereich der Strömungskanäle 10.1 und 10.2 sowie in Strömungsrichtung 3 hinter den Mündungen der Auslassöffnungen 2.1 und/oder 2.2 angeordnet oder auf diese Bereiche gerichtet sein können.
Die Heizeinrichtung 7 kann mit einem elektrischen Widerstandsheizer, einem Plasmabrenner und/oder einem chemischen Brenner gebildet sein, je nach dem welche Art Treibfluid, welche Ruhetemperatur und/oder welches Schmelzgut eingesetzt werden.
Gemäß dem hier gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Strömungskanal 10.1 einen in Strömungsrichtung 3 konstanten Strömungsquerschnitt auf. Bei einer hier nicht gezeigten Ausführungsform weist der Strömungskanal einen konvergierenden Strömungsquerschnitt auf. In diesem Fall bilden die Strö- mungskanäle 10.1 und 10.2 einen gemeinsamen Strömungskanal für Treibfluid in Form einer Lavaldüse, wobei der kleinste Strömungsquerschnitt an der Mündung des Treibfluidrohrs 4 ausgebildet ist.
Im vorliegenden Beispiel sind im Bereich der Mündung des Auslaufsteins 17 durch die Anordnungen 16 (Kühlungseinrichtung) zwei weitere Strömungska- näle 11 für Fluidströme 11.1 gebildet, wobei die Mündungen 12 der Strömungskanäle 11 zur Beeinflussung des Treibfluidstroms 3.1 auf den Mündungsbereich der Auslassöffnung 2.2 gerichtet sind. Die Anordnung der Mündungen 12 ermöglicht bei geeigneter Strömungsgeschwindigkeit eine Kreuzung 9 der Fluidströmungen 11.1 im Bereich des Treibfluidstroms 3.1. Dadurch ist es möglich, den Treibfluidstrom 3.1 in einen für die Primär- und
Sekundärzerstäubung günstigen Arbeitsbereich A (schraffiert dargestellt) zu begrenzen. Im Beispiel der Figur 1 ist der Arbeitsbereich A zwischen der Auslassöffnung 2.1 und der Kreuzung 9 der Fluidströme 11.1 gebildet. Zweckgemäß sind Temperatursensoren (nicht gezeigt) auf den Arbeitsbereich A gerich- tet oder dort angeordnet, um eine für die Ruhetemperaturregelung erforderliche Datenerfassung der Heizeinrichtung 7 zu gewährleisten.
Nachfolgend wird ein Beispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens beispielhaft anhand der Figur 1 näher erläutert.
Zunächst wird ein schmelzbares Material durch Energiezufuhr im Schmelztiegel 1 geschmolzen. Dabei sollte eine ausreichende Energiezufuhr bereitgestellt werden, so dass die Schmelze 6 eine geeignete Fließfähigkeit erreicht, um nach dem Abheben des Treibfluidrohrs 4 durch den dadurch geöffneten Ringspalt 5 in die vom Treibfluidstrom 3.1 durchströmte Auslassöffnung 2.1 zu gelangen. An dieser Eintrittsstelle in die Auslassöffnung 2.1 weist der Treibfluidstrom 3.1 Schallgeschwindigkeit auf, so dass das eintretende Schmelzgut 6 infolge der Treibfluidströmung 3.1 beschleunigt wird. Dabei wirken aerodynamischen Kräfte, die das Schmelzgut an die Innenwand des Strömungskanals 10.2 drängen. Es bildet sich ein dünner Film bzw. eine dünne Schicht der
Schmelze, die wandseitig eine deutlich geringere Fließgeschwindigkeit aufweist. Die Differenz zur strömungsseitigen Fließgeschwindigkeit verursacht innerhalb des Schmelzfilms Scherspannungen, die zum Abreißen des Schmelzfilms führen und dadurch die Primärzerstäubung induzieren. So kann die Primärzerstäubung der Schmelze bereits unmittelbar nach Eintritt in die Auslassöffnung 2.1 einsetzen, wobei Tropfen 13 der Schmelze 6 mit dem Treibfluidstrom 3.1 mitgerissen werden. Am Ausgang der Auslassöffnung 2.2 sind die ersten Mach'schen Stöße 14 angedeutet, die eine weitere Zertei- lung (Sekundärzerstäubung) gebildeter Tropfen bewirken. Mach'sche Stöße sind unstetige Druck-, Dichte- und Geschwindigkeitsänderungen beim Übergang von Überschall- auf Unterschallströmung. Im weiteren Strömungsverlauf treffen die Fluidströmungen 11.1, die eine geringere Temperatur als der Treibfluidstrom 3.1 aufweisen, im Kreuzungspunkt 9 auf die Tropfen 13 und kühlen diese ab. An den Grenzflächen zwischen den Fluidströmen 11.1 und dem Treibfluidstrom 3.1 führt die Temperaturänderung im Kühl und Mischbereich 15 zum Erstarren der gebildeten Partikel. Somit wird die Sekundärzerstäubung unterbrochen und im vorliegenden Fall der Arbeitsbereich begrenzt.
Eine Kompensation der im Strömungskanal 10.2 aufgrund der Expansion des Treibfluidstroms 3.1 hervorgerufenen Temperaturänderung unterhalb einer für die Primär- und/oder Sekundärzerstäubung günstigen Arbeitstemperatur erfolgt durch Regulierung bzw. Erhöhung der Ruhetemperatur des Treibfluids an der Heizeinrichtung 7. Dabei kann die Regulierung der Ruhetemperatur auf Basis von Temperatursensoren erfolgen oder voreingestellt sein, sofern entsprechende Tabellenwerte vorliegen.
Die nachfolgende Tabelle zeigt ein Beispiel für eine Voreinstellung der Temperatur T0 mittels der Heizungseinrichtung 7, um an der Auslassöffnung 2.1 im Expansionsbereich des Treibfluidstroms 3.1 bei einer Strömungsgeschwindigkeit des Treibfluids gleich der Schallgeschwindigkeit eine Temperatur gleich der Schmelztemperatur Ts zu erhalten. Dabei erfolgt die Kompensation nach der Beziehung:
(1) T0=(l+(k-l)/2)Ts wobei k der adiabatische Exponent, T0 die Ruhetemperatur und Ts die Temperatur bei Schallgeschwindigkeit des Treibfluids sind. Fluid Adiabatischer Einzustellende Fluidbeispiel Exponent Ruhetemperatur
To
Edelgas, einatomig 1,66 To=l,33Ts Argon, Helium
Zweiatomiges Gas 1,40 T„=l,2Ts Luft, Stickstoff
Tabelle 1: Erforderliche Ruhetemperatur bei Schallgeschwindigkeit des Treib- fluids
Die vorstehende Tabelle 1 verdeutlicht den Zusammenhang zwischen der erforderlichen Ruhetemperatur des Treibfluids und der Schmelztemperatur (in Grad Kelvin) in Abhängigkeit von der Art des Treibfluids, das für die Primärzerstäubung eingesetzt wird.
Bei einer Ausführungsvariante des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das Schmelzgut oberhalb seiner Schmelztemperatur erhitzt. In diesem Fall muss weniger Energie für die Temperaturanpassungen im Expansionsbereich aufgewendet werden. Es kann ausreichen, wenn die Ruhetemperatur unterhalb der Schmelztemperatur des Schmelzgutes 6 eingestellt wird. Dabei ist zu beachten, dass die Gefahr des Einfrierens mit fallender Fluidtemperatur zunimmt. Dies kann eine Anpassung der Größe des Ringspaltes 5 erforderlich machen.
Je nach Schmelzgut und Treibfluid ergeben sich verschiedene Temperaturbeziehungen, die im Anwendungsfall empirisch bestimmt werden können.
Soll eine bestimmte Partikelgröße und/oder Partikelform realisiert werden, so wird in Abhängigkeit vom Treibfluid und Schmelzgut 6 ein Arbeitsbereich A definiert, in dem besonders günstige Bedingungen für die Primär- und Sekundärzerstäubung des Schmelzgutes bereitgestellt werden können. Dabei wird die Ruhetemperatur so eingestellt, dass die Arbeitstemperatur im Arbeitsbereich A, der sich gemäß Figur 1 zwischen der Auslassöffnung 2.1 und der Kreuzung 9 der Fluidströme 11.1 befinden kann, nicht unterschritten wird. Für besonders kleine Partikel wird die Arbeitstemperatur oberhalb der Schmelztemperatur des Schmelzgutes eingestellt. Je nach Art des Schmelzgutes können für die Temperaturanpassung bzw. Temperaturkompensation unterschiedliche Ruhetemperaturen erforderlich sein. So hat es sich gezeigt, dass die zum Schmelzen von Zinn oder Kupfer erforderliche Energie mittels Widerstandsheizung bereitgestellt werden kann. Zum Schmelzen von keramischen Materialien sind höhere Temperaturen erforderlich, die beispielsweise mit einem Plasmabrenner erreicht werden können. In diesem Fall bietet es sich an, die Schmelze vor Eintritt in die Auslassöffnung 2.1 zu überhitzen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zum Zerstäuben von Schmelzen, aufweisend einen Schmelztiegel (1) mit mindestens einer Auslassöffnung (2.1), die einen in Strömungsrichtung (3) zumindest teilweise divergierenden Strömungskanal (10.2) aufweist, und ein Treibfluidrohr (4) mit Strömungskanal (10.1) zur Förderung von Treibfluid in die Auslassöffnung (2.1), wobei das Treibfluidrohr (4) derart angeordnet ist, dass zwischen der Unterkante und/oder dem Außenumfang des Treibfluidrohrs (4) und der Innenkannte und/oder dem Innenumfang der Auslassöffnung (2.1) eine Spaltöffnung (5) zum Durchfluss von Schmelzgut (6) gebildet ist, und eine Heizeinrichtung (7), mit der eine Ruhetemperatur des Treibfluids derart einstellbar und/oder regelbar ist, dass eine Temperaturänderung des Treibfluidstroms (3.1) in den Strömungskanälen (10.1/10.2) ausgleichbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung (3) des Treibfluids zumindest im Strömungskanal (10.2) der Auslassöffnung (2.1) ein Arbeitsbereich (A) gebildet ist, in dem eine vorgebbare Arbeitstemperatur des Treibfluidstroms (3.1) eingehalten ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ruhetemperatur derart regelbar ist, dass die Arbeitstemperatur im Arbeitsbereich (A) nicht unterhalb von 70 % der Schmelztemperatur des Schmelzgutes (6), bevorzugt auf mindestens 100 % der Schmelztemperatur des Schmelzgutes (6), besonders bevorzugt auf mindestens 130 % der Schmelztemperatur des Schmelzgutes (6) gehalten ist.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibfluidrohr koaxial zur mittleren Achse der Auslassöffnung angeordnet ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Strömungskanal (10.1) des Treibfluidrohrs (4) in Mündungsrichtung einen konstanten, vorzugsweise konvergierenden Strömungsquerschnitt aufweist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Strömungskanäle (10.1/10.2) in Form einer La- valdüse ausgebildet sind, wobei der kleinste Strömungsquerschnitt an der Mündung des Strömungskanals (10.1) des Treibfluidrohrs (4) ausgebildet ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Auslassöffnung (12) für mindestens einen weiteren Fluidstrom (11.1) vorgesehen ist, der den Treibfluidstrom zumindest bereichsweise durchströmt und/oder den Arbeitsbereich in seiner räumlichen Ausdehnung begrenzt.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibfluidrohr (4) und/oder der Schmelztiegel (6) zum Einstellen eines Abstandes zwischen dem Treibfluidrohr (4) und dem der Schmelztiegel (6) höhenverstellbar ausgebildet sind.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strömungskanal (10.2) in einem Auslaufstein (17) gebildet ist, der an der Auslassöffnung (2.1) austauschbar mit dem Schmelztiegel (6) verbunden ist.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizeinrichtung (7) mit einem elektrischen Widerstandsheizer, mit einem Plasmabrenner und/oder mit einem chemischen Brenner gebildet ist.
11. Verfahren zum Zerstäuben von Schmelzen, bei dem Schmelzgut (6), das durch eine Spaltöffnung (5) in einen von Treibfluid durchströmten Strömungskanal (10.2) einer Auslassöffnung (2.1) gelangt, bei Kontakt mit dem Treibfluidstrom (3.1) entlang der Innenwand des Strömungskanals (10.2) beschleunigt wird, wobei eine Temperaturänderung des Treibfluidstroms (3.1) zumindest im Strömungskanal (10.2) durch eine Anpassung der Ruhetemperatur des Treibfluids ausgeglichen wird.
Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass in Strömungsrichtung (3) des Treibfluids zumindest in einem Expansionsbereich des Strömungskanals (10.2) ein Arbeitsbereich (A) gebildet wird, in dem eine vorgebbare Arbeitstemperatur des Treibfluidstroms (3.1) eingehalten wird.
Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Ruhetemperatur des Treibfluids derart eingestellt wird, dass im Arbeitsbereich (A) eine Arbeitstemperatur eingehalten wird, die nicht unterhalb von 70 % der Schmelztemperatur des Schmelzgutes (6) liegt, bevorzugt mindestens 100 % der Schmelztemperatur des Schmelzgutes (6) entspricht, besonders bevorzugt mindestens 130 % der
Schmelztemperatur des Schmelzgutes (6) entspricht.
Verfahren nach Anspruch 11 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibfluid im Strömungskanal (10.2) auf zumindest 50 % Schallgeschwindigkeit, vorzugsweise auf Schallgeschwindigkeit, besonders bevorzugt auf 200% Schallgeschwindigkeit beschleunigt wird.
Verfahren nach Anspruch 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass Arbeitsbereich (A) von mindestens einem weiteren Fluidstrom (11.1), der den Treibfluidstrom (3.1) zumindest bereichsweise durchströmt, begrenzt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine weitere Fluidstrom (11.1) eine gegenüber dem Treibfluidstrom (3.1) ungleiche Temperatur, vorzugsweise geringere Temperatur aufweist.
Verfahren nach Anspruch 11 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Ruhetemperatur in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Treibfluidstroms (3.1) an der Spaltöffnung (5) und/oder in Abhängigkeit von der Strömungsgeschwindigkeit des Treibfluidstroms (3.1) im Expansionsbereich, geregelt wird. Verfahren nach Anspruch 11 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass als Treibfluide und weitere Fluide vorzugsweise ein- und/oder mehratomige Gase und/oder Dämpfe eingesetzt werden.
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