ES2961855T3 - Dispositivo para la atomización de un flujo de masa fundida mediante un gas - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un dispositivo para atomizar una corriente fundida metálica, intermetálica o cerámica mediante un gas para formar un polvo esférico, que comprende: - una cámara de fusión (1); - una cámara de pólvora (2); - una bobina de inducción (3) en la cámara de fusión (1); - un material fundido, preferentemente una varilla de fusión (7), en la bobina de inducción (3); y - una boquilla atomizadora (5) para la corriente fundida (8) de material fundido fundido por la bobina de inducción (3), cuya boquilla interconecta las cámaras de fusión y de polvo (1, 2) y está dispuesta en una placa de boquilla (4).), presentando la tobera de atomización (5) un perfil de tobera exclusivamente convergente con flancos de tobera (13) que tienen una sección transversal en forma de arco circular, de modo que el gas de atomización (V) y la corriente fundida y las gotitas generadas a partir de ella alcanzan una velocidad máxima que está preferiblemente por debajo de la velocidad acústica del gas atomizador (V). (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN

Dispositivo para la atomización de un flujo de masa fundida mediante un gas

La invención se refiere a un dispositivo para la atomización de un flujo de masa fundida metálico, intermetálico o cerámico mediante un gas dando lugar a polvo esférico con las características indicadas en el preámbulo de la reivindicación 1.

En lo que a los antecedentes de la invención se refiere, ha de indicarse que el polvo metálico se utiliza en numerosos ámbitos de la técnica a escala industrial para la producción de componentes o capas funcionales. Son ejemplos de ellos aceros sinterizados, metales duros, materiales de trabajo de contacto, imanes permanentes, cerámicas y capas proyectadas térmicamente.

En particular en el ámbito de la fabricación aditiva y moldeo por inyección de metales se establecen requisitos particulares en lo que se refiere a la esfericidad y distribución del tamaño de partículas, dado que estas representan un requisito necesario para la capacidad de procesamiento procedimental. Para la producción de polvos metálicos esféricos se han impuesto cuatro tecnologías básicas, la atomización de alambres asistida por plasma - véase el documento WO 2011 054113 A1, la esferodización por plasma de polvos con superficies irregulares - véase el documento EP 1689519 B1, el proceso de electrodo rotativo por plasma - véase el documento US 5147448 A, así como la atomización con gas de masas fundidas líquidas.

Esta última puede utilizarse también en determinadas cerámicas y comprende una pluralidad de diferentes procedimientos para la producción de masas fundidas líquidas:

• VIGA (Vacuum Induction Gas Atomization (atomización de gas por inducción al vacío) - fusión inductiva en crisoles cerámicos y fríos)

• EIGA (Electrode Induction Gas Atomization (atomización de gas por inducción de electrodos) - fusión inductiva sin crisol de varillas metálicas o intermetálicas)

• PIGA (Plasma Inert Gas Atomization (atomización de gas por plasma inerte) - fusión de plasma en el crisol frío

La producción del chorro de colada a atomizar en procedimientos de fusión basados en crisol puede producirse a este respecto a través de volcado del crisol (vertido), a través de una salida de base del crisol o a través de una fusión de una varilla (electrodo). La selección del procedimiento de fusión preferente se produce en correspondencia con propiedades específicas del material a fundir. De este modo pueden no fundirse, por ejemplo, metales o aleaciones de alto punto de fusión y afines al oxígeno en crisoles cerámicos, dado que los materiales de crisol no resisten las temperaturas de proceso o son reducidos por la masa fundida.

Todos los procedimientos de atomización de masas fundidas líquidas de caída libre mediante un gas de atomización tienen una influencia en la esfericidad y la porosidad de gas de las partículas de polvo resultantes, tal como se desprende del artículo científico Schulz G., "Laminar sonic and supersonic gas flow atomization - the NANOVAL process", World Congress on PM & Particulate Materials, Advances in PM, 1996, 1, p. 43-54. Hasta el momento no es posible producir polvos atomizados con gas libres de satélites en las superficies de las partículas de polvo y sin porosidad de gas, lo cual es estado de la técnica mediante PREP o atomización por plasma. PREP y atomización por plasma tienen por su parte, no obstante, importantes desventajas en lo que se refiere a la rentabilidad y son correspondientemente mucho más caros que polvos atomizados con gas.

Entre los procedimientos de atomización asistidos por gas, se hace una diferenciación básica entre diferentes configuraciones de la atomización de caída libre (boquilla de caída libre, boquilla monobloque) y la atomización guiada por chorro de gas utilizando una boquilla Laval.

Un dispositivo para la atomización de un flujo de masa fundida mediante un gas dando lugar a polvo esférico con las características indicadas en el preámbulo de la reivindicación 1 con una boquilla Laval de este tipo se conoce por el documento WO 2015/092008 A1 y comprende una cámara de fusión, una cámara de polvo, una bobina de inducción en la cámara de fusión y una boquilla de atomización Laval con un perfil de boquilla convergente-divergente que conecta estas dos cámaras entre sí, dispuesta en una placa de boquilla.

A través de la boquilla de atomización, el flujo de masa fundido, que está rodeado radialmente por un gas de atomización presurizado y producido inductivamente a partir del material fundido en la cámara de fusión mediante la bobina de inducción, se introduce en la boquilla debido al efecto de la fuerza de gravedad y se divide en finas gotitas dentro de y tras la boquilla de atomización. Estas se solidifican dando lugar a las partículas de polvo a producir.

Ha podido verse en este contexto que las partículas de polvo producidas de este modo requieren mejora en lo que se refiere a la formación de satélites y a la aparición de porosidad de gas.

El objetivo de la presente invención es crear un dispositivo de atomización para la atomización de gas de masas fundidas de metal y cerámica líquidas, que con la mayor rentabilidad posible evite en gran medida la formación de satélites y la aparición de porosidad de gas.

Este objetivo se resuelve de acuerdo con la parte caracterizadora de la reivindicación 1 mediante el uso de una nueva boquilla de pulverización guiada por chorro de gas con un perfil de boquilla únicamente convergente con flancos de boquilla en forma de arco circular en sección transversal, de modo que tanto el gas de atomización, como también el flujo de masa fundida y las gotitas producidas a partir de esta alcancen una velocidad máxima, preferentemente por debajo de la velocidad del sonido del gas de atomización. La velocidad de gas del gas de atomización no supera de este modo, a diferencia de la atomización Laval conocida, la velocidad del sonido durante el proceso de atomización.

Ha podido verse que con un perfil de boquilla de este tipo pueden producirse partículas de polvo de mejor calidad con alta rentabilidad, evitándose en gran medida la formación de satélites y porosidad de gas.

En las reivindicaciones dependientes se indican variantes preferentes de la invención. De este modo, la superficie de la placa de boquilla puede ser en el lado de salida de boquilla plana y estar orientada en perpendicular con respecto a la dirección de flujo del flujo de masa fundida. Por el lado de salida de boquilla se forma de este modo un canto pronunciado, desde el cual parte un efecto de arremolinamiento adicional, el cual favorece la formación de partículas a partir del flujo de masa fundida.

De acuerdo con otra forma de realización preferente, la bobina de inducción puede estar configurada ajustable en altura.

De forma ventajosa, a través de esta ajustabilidad en altura de la bobina puede variarse la altura de caída libre del chorro de vertido que forma el flujo de masa fundida hasta la boquilla. Dado que la temperatura de masa fundida se reduce en particular debido a la entrega de potencia de radiación al aumentar la altura de caída, puede modificarse la viscosidad de la masa fundida al entrar en la boquilla y de este modo controlarse de forma precisa la distribución de tamaño de partícula resultante.

Ha de indicarse que la ajustabilidad en altura de la bobina puede usarse por separado del resto de la presente invención en dispositivos de atomización con otros tipos de boquillas de pulverización lográndose las ventajas descritas.

De acuerdo con otra forma de realización preferente, la bobina de inducción puede estar configurada de modo que se estrecha cónicamente en dirección de la boquilla de pulverización, habiendo dispuesta coaxialmente en la bobina de inducción una varilla cilíndrica del material a pulverizar para la producción del flujo de masa fundida.

Otras reivindicaciones dependientes se refieren a parámetros para la configuración y dimensionamiento del perfil de boquilla, con los cuales resultan resultados particularmente buenos en calidad en las partículas de polvo producidas. Para evitar repeticiones, se hace referencia al ejemplo de realización anterior.

Para poder adaptar el dispositivo de atomización de acuerdo con la invención de modo lo más racional y rápido posible a diferentes fines de uso, en una forma de realización preferente adicional, la boquilla de pulverización puede estar dispuesta en un inserto de boquilla separado, dispuesto de forma separable en la placa de boquilla.

Otras características, detalles y ventajas de la invención resultan de la siguiente descripción de un ejemplo de realización mediante el dibujo que acompaña. Este muestra:

Fig. 1una sección axial esquemática de un dispositivo de atomización.

Los componentes principales del dispositivo de atomización representados en el dibujo son una cámara de fusión 1, una cámara de polvo 2 (denominada también cámara de atomización), una bobina de inducción 3 dispuesta en la cámara de fusión 1 y una placa de boquilla 4 dispuesta entre las dos cámaras 1, 2, en la cual, una boquilla de pulverización 5 sirve para la conexión de estas dos cámaras 1, 2. La placa de boquilla 4 es plana por el lado de salida 16 y está orientada en perpendicular con respecto a la dirección de flujo de un flujo de masa fundida 8.

En la cámara de fusión 1 que se encuentra bajo una presión de argón p1 se introduce parcialmente el material a atomizar en forma de una varilla 7 cilíndrica provista de una punta 6 de 45° en la bobina de inducción 3 cónica con tres espiras, tal como se conoce, por ejemplo, básicamente por el documento DE 41 02 101 A1. La conicidad de la bobina de inducción 3 se corresponde con la conicidad de la punta 6 de la varilla 7 por atomizar. La punta 6 y, en particular, la superficie de la punta 6, se calienta inductivamente a través de corriente de frecuencia media que atraviesa la bobina de inducción 3, hasta que en la superficie resulta una fase fundida. Este flujo de masa fundida 8 fluye por la superficie cónica hacia abajo y gotea desde la punta 6 en forma de un chorro de vertido continuo. El flujo de masa del chorro de vertido que forma el flujo de masa fundida 8 puede variarse a través de la potencia eléctrica acoplada inductivamente en un amplio intervalo entre 0,4 kg/min y 2,5 kg/min. Se considera particularmente adecuado para la atomización un flujo de masa fundida de entre 0,8 y 1,5 kg/min. Durante la atomización la varilla 7 rota lentamente alrededor de su eje de simetría S y se desplaza de forma continua hacia abajo. Del diámetro D de la varilla 7, que puede encontrarse entre 30 y 200 mm, y la velocidad de descenso ajustada resulta la correspondiente velocidad de fusión. Desde el punto de vista de técnica de proceso han resultado particularmente ventajosos diámetros de varilla D de entre 80 y 150 mm.

A través de una suspensión 9 lineal representada únicamente de forma esquemática en el dibujo, se realiza la ajustabilidad en altura AH de la bobina de inducción 3, a través de la cual puede variarse la altura de caída libre del chorro de vertido hasta la boquilla y, de este modo, tal como se ha mencionado arriba, la viscosidad de la masa fundida al entrar en la boquilla. Como técnicamente razonable han resultado separaciones entre boquilla de pulverización 5 y bobina de inducción 3 de 3 a 100 mm. En caso de separaciones entre bobinas más pequeñas existe el riesgo de descargas de tensión de la bobina a la boquilla, en caso de separaciones más grandes existe el riesgo de división del chorro de vertido antes de la entrada en la abertura de boquilla. Han resultado además particularmente ventajosas espiras de bobina horizontales, dado que de este modo puede evitarse un desvío del chorro de vertido debido a fuerzas electromagnéticas al abandonar el campo magnético de bobina a diferencia de espiras de bobina ascendentes.

La boquilla de pulverización 5 simétrica en rotación se encuentra con su punto central en el eje de simetría S de la varilla 7 de la bobina 3 con la separación H por debajo de la espira inferior en la bobina de inducción 3. Está dispuesta en un inserto de boquilla 11 separado, que se encuentra dispuesto en la placa de boquilla 4 de forma separable, el cual se enfría indirectamente a través de la presión con la presión p1 sobre la placa de boquilla 4 enfriada mediante agua. El flujo de masa fundida 8 es rodeado radialmente por el gas que fluye desde la cámara de fusión 1 a la cámara de polvo 2, contraído y acelerado a través de la abertura circular de la boquilla de pulverización 5 hasta como máximo velocidad del sonido en la salida de boquilla. La fuerza impulsora para ello es la diferencia de presión positiva entre la presión de gas en la cámara de fusión p1 y la presión de gas p2 en la cámara de polvo 2. Esta diferencia de presión es de al menos 0,2 bares, como máximo de 25 bares. Las diferencias de presión particularmente ventajosas técnicamente se encuentran en la zona entre 2 bares y 10 bares.

También en caso de altas diferencias de presión p1 - p2 se acelera el gas de atomización V en la boquilla de pulverización 5, debido a la forma de boquilla únicamente convergente, como máximo hasta la velocidad del sonido, dado que en el intervalo por encima de la velocidad del sonido un perfil de boquilla convergente actúa como difusor y ralentiza de nuevo el gas. Cuanto mayor es la diferencia de presión p1 - p2, más probable es que se alcance el límite de la velocidad del sonido en el perfil de boquilla. Como consecuencia el flujo de gas no es laminar, dado que la presión de gas es directamente en la salida de boquilla una función de la diferencia de presión y significativamente mayor que la presión de entorno p2 en la cámara de polvo.

El gas de atomización provoca tensiones de presión y cizallamiento en el flujo de masa fundida 8 en forma de chorro, debido a lo cual este se contrae y acelera. La velocidad de masa fundida en el chorro de masa fundida se reduce a este respecto radialmente desde el exterior hacia el interior. Tras abandonar la boquilla de pulverización 5, caen momentáneamente las tensiones de presión y cizallamiento debido a la apertura del filamento de chorro de masa fundida 12 en gotitas individuales, que en la cámara de atomización se solidifican dando lugar a partículas de polvo esféricas. Sorprendentemente no se requieren para ello ni un flujo de gas laminar ni velocidades de gas superiores a la velocidad del sonido. Al contrario, debido a la atomización únicamente en el intervalo de por debajo de la velocidad del sonido, se mejora con respecto a la atomización LAVAL conocida la esfericidad de las partículas de polvo y se reduce la porosidad de gas. Esto se logra mediante un perfil de boquilla únicamente convergente, en cuyo caso los flancos de boquilla 13 están configurados en sección transversal en forma de arco circular en forma de un círculo parcial con un radio R de 2 a 15 mm, preferentemente de 5 mm y una altura h de la boquilla de pulverización 5, la cual es inferior al radio circular de convergencia R. Una tangente T en la salida de boquilla presenta un ángulo W de < 90 ° con respecto al lado de salida de boquilla. En el ejemplo de realización concreto la altura h es de 4,5 mm con un radio de convergencia R de 5 mm. El diámetro de la boquilla d puede variar de 2 a 20 mm. En el ejemplo de realización el diámetro d es de 10 mm. Con estos parámetros se logra en un polvo de aleación de Ti con una presión de p1 = 4,5 bares y p2 = 930 milibares un valor d<50>de 50 pm.

El inserto de boquilla 11 está producido por lo demás a partir de un material específico, que ha de ser atomizado, es decir, por ejemplo, de TiAl o titanio. Su diámetro E puede estar entre 20 y 200 mm, preferentemente en 140 mm.

La varilla 7 puede ser, por ejemplo, un llamado electrodo EIGA con un diámetro D de hasta 150 mm. En el ejemplo de realización mostrado se selecciona un diámetro D de 115 mm.

Para la bobina de inducción 3 en forma de una bobina cónica, enfriada interiormente, de cobre, con una pendiente de 45°, el diámetro interior I de la espira superior 14 puede ser de hasta 170 mm, concretamente, por ejemplo, de 130 mm y la separación vertical G de las espiras superior, central e inferior 14, 15, 10 presentar una dimensión de 3 a 20 mm, preferentemente de 8 mm. El diámetro D del tubo de bobina puede ser de 10 a 30 mm, preferentemente de 16 mm. Es posible también una sección transversal rectangular.

La separación H entre el lado inferior de la bobina de inducción 3 y la bobina 5 es de 10 mm.

Claims (9)

REIVINDICACIONES

1. Dispositivo para la atomización de un flujo de masa fundida metálico, intermetálico o cerámico mediante un gas dando lugar a polvo esférico, comprendiendo

- una cámara de fusión (1),

- una cámara de polvo (2),

- una bobina de inducción (3) en la cámara de fusión (1),

- un material de fusión, preferentemente varilla de fusión (7) en la bobina de inducción (3) y

- una boquilla de pulverización (5) dispuesta en una placa de boquilla (4), que une entre sí las cámaras de fusión y polvo (1, 2), para el flujo de masa fundida (8) fundido del material de fusión a través de la bobina de inducción (3),

caracterizado por que

- la boquilla de pulverización (5) tiene un perfil de boquilla únicamente convergente con flancos de boquilla (13) en forma de arco circular en sección transversal, de modo que tanto el gas de atomización (V), como también el flujo de masa fundida y las gotitas producidas a partir de este alcanzan una velocidad máxima preferentemente por debajo de la velocidad del sonido del gas de atomización (V).

2. Dispositivo según la reivindicación 1,caracterizado por quela superficie de la placa de boquilla (4) es plana por su lado de salida de boquilla y está orientada en perpendicular con respecto a la dirección de flujo del flujo de masa fundida (8).

3. Dispositivo según la reivindicación 1 o 2,caracterizado por quela bobina de inducción (3) es ajustable en altura.

4. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por quela bobina de inducción (3) está configurada de modo que se estrecha cónicamente en dirección de la boquilla de pulverización (5), habiendo dispuesta coaxialmente en la bobina de inducción (3) una varilla cilindrica (7) del material por atomizar para la producción del flujo de masa fundida (8).

5. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por queel perfil de boquilla es simétrico en rotación y la boquilla de pulverización (5) presenta un diámetro (d) en el punto de la sección transversal más pequeña de 3 a 15 mm, preferentemente de 6 a 12 mm, de manera particularmente preferente de 10 mm.

6. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por queel perfil de sección transversal de los flancos de boquilla(13) está formado por un arco de círculo parcial con un radio (R) de 2 a 10 mm, preferentemente de 5 mm.

7. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por quela tangente (T) en la salida de boquilla presenta un ángulo (W) de < 90 ° con respecto al lado de salida de boquilla.

8. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por quela altura (h) de la boquilla de pulverización (5) es de entre 2,5 y 9,5 mm, preferentemente de 4,5 mm.

9. Dispositivo según una de las reivindicaciones anteriores,caracterizado por quela boquilla de pulverización (5) está dispuesta en un inserto de boquilla (11) separado que se encuentra dispuesto de forma separable en la placa de boquilla (4).