SE462704B - Foerfarande vid atomisering av vaetskor och anordning foer genomfoerande av foerfarandet - Google Patents

Description

10 15 20 25 30 462 704 ' 2 varför sådant pulver pá grund av kostnaderna endast kommer till användning i begränsad omfattning.

Vid atomisering av metallsmältor, där en tappstråle träffas av en eller flera gasstràlar, utbildas i kontaktytan mellan smälta och gasen en instabilitet på ytan av smältan som resulterar i att smältan dras ut i tunna filmer.

När dessa filmer nått en viss tjocklek kommer de på grund av ytspänningen hos smältan att brytas upp i tràdformade bitar, som i sin tur snörpes av i ett antal bitar, som antar en form med minsta möjliga ytenergi vilket är en sfärisk form.

Dessa sfäriska droppar stelnar mycket hastigt pá grund av värmestrålning och konvektiv avledning av värme till gasen till pulverpartiklar.

Hur stor partikel som bildas i ett visst volymelement i atomiseringsförloppet pâverkas av ett flertal parametrar.

Smältans ytspänning, atomiseringsmediets densitet och hastighet är de mest inflytelserika förutom den geometriska utformningen av atomiseringsförloppet.

För en given smälta, atomiseringsmunstycke och atomise- ringsmedium är det svårt att påverka ytspänningen respektive densiteten, varför det är med atomiseringsmediets hastighet som partikelstorleken enklast kan påverkas. Vid de flesta etablerade atomiseringsprocesser strävar man därför medelst höga tryck på atomiseringsmediet och vid gasformiga medier dessutom via Lavalutformning av munstyckena nå höga hastig- heter.

Vid gasformiga atomiseringsmedier avtar emellertid gashastig- heten mycket snabbt efter munstycket, varför oftast endast en mindre del av atomiseringsförloppet äger rum inom området där max hastighet föreligger.

En större eller mindre del av smältan kommer att brytas upp till partiklar i ett område längre från munstycket där 10 15 20 25 30 3 462 704 hastigheten är väsentligt mindre, i vissa fall ända ner till 10% av maxhastigheten. Detta resulterar i ett grovt pulver med stor spridning mellan minsta och största partikel.

Ett annat problem sammanhänger med svårigheten att få atomiseríngsmedium att "gripa" tag i vätskan, varför ofta en stor del av detsamma passerar förbi utanför det egentliga atomiseringsområdet med låg verkningsgrad som resultat.

Förfarandet enligt uppfinningen går ut på en lösning av ovannämnda och andra därmed sammanhängande problem, och kännetecknas därav, att nära mediets utblåsningsmunstycke, dvs där dess hastighet fortfarande är hög, en barriär i form av en fast kropp eller en motriktad mediaström àstadkommes i och för en mångfaldigad ökning av kontaktytan mellan vätskan/- smältan och mediet, samtidigt som en kraftig ökad turbulens àstadkommes, gynnsam för atomiseringsprocessen och härigenom effektiv spridning av vätska i mediet, varigenom vätskan sönderdelas i små partiklar, dvs atomiseringen förbättras och finkornigt pulver erhålls.

Detta ernås alltså genom att en mångfaldig ökning åstadkom- mes av kontaktytan mellan smälta och atomiseríngsmedium, samtidigt som det i kontaktområdet erhålls en kraftig, för dispersionen/atomiseringen gynnsam turbulens.

Vidare sker atomiseringsförloppet inom ett kort avstånd från munstycket där atomiseringsmediets hastighet fortfarande är hög, sammantaget med att en stor andel av gasen deltar i atomiseringsförloppet ger en hög verkningsgrad.

Genom detta förfaringssätt kan man således till låg kostnad erhålla en radikal sänkning av medelkornstorleken, och en minskning av storleksspridningen på pulvret kan uppnås.

Barriären kan bestå av en fast kropp, eventuellt kyld exempelvis med vatten, eller av ett material som är termiskt 10 15 20 25 30 462 704 4 och kemiskt resistent mot blandstrålen. Barriären kan även bestå av en motriktad mediaström, bestående av gas och/eller fluid dvs med barriär avses i detta fall gränsytan/kontakt- ytan mellan blandstrålen och den motriktade mediastrålen.

Förfarandet kan tillämpas vid såväl vertikala som horison- tella atomiseringsprocesser. Man kan även vid lämpligt val av barriär atomisera en stålsmälta eller legeringar med ännu högre smältpunkt.

Uppfinningen avser även anordning för utförande av nämnda förfaringssätt, och det som kännetecknar denna anordning framgår av nedanstående anfodringskrav.

Mediet för mediaströmmen eller den motriktade mediaströmmen kan bestå av vatten, annan vätska exempelvis flytande gas eller enbart av gas, såsom kväve eller argon, eller bland- ningar därav.

Alternativt kan barriären bestå av en stillastående eller roterande platta, eller också kan gasinblåsningen roteras.

Uppfinningen, såväl förfarandet som anordningen, är närmare exemplifierat i bifogade figurer, av vilka fig l visar en anordning för utförande av förfarandet enligt uppfinningen, fig 2a själva atomiseringsförloppet med gasbarriär och fig 2b med exempel på en barriärskapande dysa. Fig 3 visar en annan barriärutformning, Fig 4 en alternativ anordning för utföran- det av förfarandet och fig 5a motsvarande atomiseringsförlopp med gasbarriär sett uppifrån samt fig 5b detta förlopp sett från sidan med detalj av den barriärskapande dysan. Fig 6 visar ett alternativt atomiseringsförlopp.

I fig 1 visas en vertikal atomiseringskammare l med en _ gjutlåda 2 för metallsmälta. Media (gas och/eller fluid) tillförs via en gaskylare 3 och en kompressor 4 till dysor i kammare 1. Atomiserat pulver föres från kammaren l via 10 15 20 25 30 35 5 462 704 rörledning till en cyklon 5 för pulvrets behandling och avskiljning.

Metallsmälta, exempelvis stål, tappas från gjutlådan 2 (fig 2a) genom en i botten av denna låda anordnad tappsten i form av en företrädesvis rund tappstråle 6, vertikalt nedåt, in i en med inertgas fylld atomiseringskammare 1.

I kammarens övre del, runt den nedströmmande tappstrålen, är ett gasmunstycke 7 placerat, bestående av en ringformad dysa eller flera mindre dysor.

Medelst dysan/dysorna skapas en ringformad gasridà 9 runt tappstrålen, som under spetsig vinkel träffar (8) tappstrål- en, på avstånd från dysan/dysorna 7. När gasen träffar tappstrålen splittras densamma och dras med in gasströmmen.

På ett lämpligt avstånd under träffpunkten placeras den enligt uppfinningen benämnda barriären 10.

Barriären 10 består vid högsmältande metaller, såsom stål, företrädesvis av en gasbarriär 11. Denna åstadkommes genom att, i företrädesvis samma centrumlinje som tappstrålen och gasridån, på ett lämpligt avstånd under dysan/dysorna, från ett munstycksarrangemang 12 rikta en gas och/eller fluidström uppåt dvs en andra ström riktas företrädesvis rakt mot den första strömmen 9-6 som i centrumdelen innehåller fragment av smälta 13.

När de tvâ strömmarna träffar varandra minskas hastigheten i kollisionsområdet varvid trycket ökar. Genom tryckökningen expanderar gasen radiellt utåt varvid hastigheten åter ökas, Om rörelseenergin är lika i de två strålarna blir resultat- riktningen nästan helt radiell dvs vinkelrätt mot strålarnas infallsriktning.

Smältan som befinner sig i centrumdelen av den första strålen 13 kommer i kollisionsområdet att ändra riktning och dras med i den radiellt expanderande gasen varvid en effektiv atomisering åstadkommas.

En ytterligare förbättring av atomiseringsförloppet åstad- kommes när den motriktade strålens rörelseenergi väljs mindre eller större än den första. Vid ett dylikt förfarande 10 15 20 25 30 462 704 6 antar riktningen på den expanderande gasen en krökt bana (fig 2a) Det bättre atomiseringsförloppet beror av att fragmenten av smältan, närmast att likna vid en parabelform. som dras med av gasen, ständigt tvingas att ändra riktning varvid en större exponering mot gasen åstadkommes.

Rörelseenergin i den motriktade gasströmmen väljs med fördel mindre i förhållande till den första varvid den ovan beskriv- na effekten åstadkommes, samtidigt som gaslpartikelblandning- en får en summariktning snett nedåt. Vid det omvända förhål- landet på rörelseenergin riktas summastrålen snett uppåt.

Rörelseenergin i den motriktade strâlen kan vara 10 till l000% av den första företrädesvis mellan 30-60%. Barriären kan enligt denna utföringsform erhållas från ett munstycke enligt fig 2b, med en eller flera centrala dysor 14 för barriärstrålar. Vid sidan av dessa kan man anordna hjälp- dysor 15 för att hindra vätska (smälta) att träffa barriär- munstycket vid oönskade ställen.

En liknande effekt som den ovan beskrivna fås om barriären utgörs av en fast kropp, exempelvis en rund platta som place- ras vinkelrätt och med samma centrumlinje som blandstràlen.

(Se fig 3) Kompressionen av gasen sker då mot denna platta 16 varefter expansion som sker radiellt utåt drar med en tunn film av smältan.

När smältfilmen när plattans kant sker en uppbrytning av filmen i partiklar liknande det ovan beskrivna förloppet.

Kroppen som barriären utgörs av kan vara okyld eller under- ifrån kyld på lämpligt sätt exempelvis medelst vattenkanaler 17. Vid okylda kroppar tillverkas dessa i ett material som är termiskt och kemiskt resistent mot den heta smältan och gasen.

I det fall kroppen är kyld bildas ett skyddsskikt mot den heta metallen genom att metall närmast plattan stelnar. 10 15 20 25 30 7 462 704 Barriären kan företrädesvis ha en geomet som är kongruent med tvärsnittet, på den del av gastråler som är uppblandad med smälta 13. Storleken på barriären utförs lämpligen så att de längdskaliga dimensionerna blir lika som tvärsnittet, vid träffpunkten, på den del av gasstrålen som är blandad med smälta eller upp till 20 gånger större, företrädesvis 4 till 10 gånger större.

Man kan även låta en fast barriär (exempelvis fig 3) efter hand avsmältas och ingå i det atomiserade pulvret, (ej visat).

Vid förfarande och anordning enligt ovan, där gas strömmar ur munstycken eller över kanten på en yta, uppkommer sekun- dära strömningar (turbulens) i gränsskiktet mellan den strömmande och stillastående gasen. Denna turbulens kan vid atomisering av vätskor med hög smältpunkt typ smältor orsaka att smälta partiklar dras med och svetsar fast på munstycken och andra ytor där så inte är önskvärt.

För att förhindra dylika effekter att uppkomma på kroppar som utgör barriären, eller på munstycken som skapar gasbarriä- rer kan dessa förses med extra, på lämpliga platser placerade, hjälpdysor i ändamål att eliminera turbulens på kritiska områden och därmed förhindra att smälta partiklar fastnar. Dessa hjälpdysor kan se ut som vid 15 i fig 2b, eller som 18 i fig 30 I fig 4 visas en horisontell atomiseringsanläggning med dess atomiseringskammare 19 och dess cyklon 20.

Anläggningen för atomisering innehåller ett slutet system, som företrädesvis hålls under ett visst övertryck (se fig l och 4), som exempelvis kan vara 500 mmVp så att lufttillträde förhindras. I ena änden på kammaren (l,l9) är som nämnt gjutlådan 2 anordnad.

I fig Sa och 5b visas atomiseringen enligt anläggningen fig 4. Från dysorna 21 (exempelvis avlånga, spaltformade eller en rad smådysor) strömmar medium 22 mot tappstrålen 23, och 10 15 20 25 30 462 704 8 den erhållna blandstràlen träffar en barriär (fast eller från en eller flera dysor 25) och avlänkas därvid, varvid en god atomisering erhålls. Hjälpdysorna är enligt fig 5b anordnade, en spaltformad 26 och flera små separata 27.

Dysan 26 kan även åstadkomma själva barriären.

För skapande av blandstràlen 24 fig 5a-b utnyttjas ett strömningstekniskt fenomen som uppstår då två gas eller fluidstrålar träffar varandra under en viss vinkel. Det är känt att i eller strax före skärningspunkten mellan två mediastrålar som träffar varandra under en vinkel föreligger strömningstekniska fenomen som till större eller mindre grad dominerar förloppet beroende på storleken av denna vinkel.

Vid små vinklar exempelvis mindre än 50 är injektorverkan på grund av undertrycket strax före skärningspunkten den dominerande egenskapen medan det vid större vinklar exempel- vis 1200 uppstår en strömning bakåt av media i förhållande till mediastrålarnas huvudriktning.

Man kan utnyttja bägge dessa fenomen genom att välja en vinkel mellan två mediastrålar 22,22 så att en tillbakaström- ning av media uppstår och att den inom en kortare sträcka åter på grund av injektorverkan dras tillbaka in i mediastrå- larna. Resultatet blir att en zon utbildas framför skärnings- punkten där strömningen inte har någon företrädesvis riktning utan närmast består av två vortexvirvlar där ett ständigt utbyte mellan tillbakaströmmande media och indragning av media äger rum. Genom ändring av vinkeln kan denna zon fås större eller mindre. Vinkeln mellan mediaströmmarna kan vara 0-600 men är företrädesvis mellan 5-200.

Dysorna 21,21 kan arrangeras så att två horisontellt riktade, i vertikalplanet parallella mediastrålar med en stor utbred- ning i höjdled jämfört med bredden och med en vinkel i horisontalplanet i förhållande till varandra skapas, varvid ovan beskrivna zon bildas. Uppifrån och ner i den vertikalt, 10 15 20 25 30 a. e.- 704 .la- Ch h utmed hela munstyckets höjd utbildade zonen, strömmar tappstrålen 23 varvid strâlen under sin väg nedåt successivt rivs sönder och blandas i det förbipasserande atomiserings- mediet.

Mediastrålar med stor utbredning i en riktning kan åstadkom- mas genom spaltformiga dysor eller genom ett antal, på rad, tätt sittande exempelvis cirkulära dysor.

Munstyckena för mediastrålarna kan beroende av aktuellt tryck och medium utformas för under respektive överkritiskt tryckförhållande (Lavaldysa).

Då flödet av smälta är rätt anpassat till mediamunstyckets kapacitet sker inblandningen dvs partiell atomiseringen utmed hela munstyckets höjd.

Fördelen med ovan beskrivna arrangemang av dysor 21 är att en homogenare inblandning (partiell atomisering) av vätskan i median kan ernàs, vilket även efter passagen av en barriär visar sig i form av en snävare fraktion av partiklarna.

Dysarrangemanget 21 kan även användas för fullständig atomisering, utan en barriär, varvid partiklar inom ett snävt storleksintervall kan framställas dock med en större medelpartikelstorlek.

I fig 6 visas en alternativ utföringsform av sättet och anordningen enligt uppfinningen. Mellan tvâ elektroder 28,29 anordnas en ljusbåge 30. Mot ljusbâgen riktas mediaströmmar (gas och eller fluid) 31, och som barriär tjänar mediaström- mar från motsatt håll 32, och en effektiv atomisering åstadkommes av den i ljusbågen bildade vätskan 35. I detta fall erhålls den vätska, som skall atomiseras från minst en av elektrc erna 29. Man kan även erhålla vätska från en fast kropp, som smältes medelst laser eller dylikt (ej visad) på ett snarlikt sätt. Frammatningen av elektroderna i fig 6 eller i laserfallet kan anordnas medelst matarverk 34.

Dysorna, såväl för den första median som barriärmedian kan vara 10 15 462 704 10 ringformade eller bestå av flera mindre dysor. Förfarandet enligt fig 6 utförs lämpligen i en kammare liknande de som tidigare beskrivits (ej visad).

Partiklar, som bildas vid atomiseringen, dras med i gasstrål- en mot kammarens andra ända, varvid de innan de träffar kammarens gavel genom strålning och konvektiv värmeledning till gasen har stelnat till pulver. I kammaren finns före- trädesvis i gaveln varemot gas/pulverblandningen strömmar ett utloppshâl.

Från utloppshålet är kammaren via rörledningar förbundet med en cyklon, vari pulver och gas separeras. Gasen kan efter separeringen gå till en kompressor via en gaskylare för återcirkulation till atomiseringsmunstyckena.

I systemet ingår i övrigt nödvändiga ventiler, kylutrust- ningar och styrorgan för att reglera gastryck, temperaturer, olika mediaflöden etc.

Anordningarna och förfaringssätten enligt ovan kan varieras pà màngahanda sätt inom ramen för patentkraven.

Claims (1)

10 15 20 25 30 462 704 ll Patentkrav Förfarande vid atomisering av vätskor, företrädesvis metall- smältor, vid vilket vätska, företrädesvis metallsmälta, inblandas i en mediastråle (6,22,31), bestående av gas och/- eller vätska, så att den uppbrytes i små partiklar, dvs atomi- seringen âstadkommes, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att nära mediets utblåsningsmunstycke, dvs när dess hastig- het fortfarande är hög, en barriär i form av en fast kropp eller en motriktad mediaström åstadkommes i och för en mângfaldigad ökning av kontaktytan mellan vätskan/smältan och mediet, samtidigt som en kraftigt ökad turbulens åstad- kommes, gynnsam för atomiseringsprocessen, och härigenom effektiv spridning av vätska i mediet, varigenom vätskan sönderdelas i små partiklar, dvs atomiseringen förbättras och finkornigt pulver erhålls. Förfarande för atomisering av metallsmältor enligt patent- krav 1, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att som barriär användes en kropp (16), kyld exempelvis med vatten (17), varvid pâ kroppen bildas ett tunnt stelnat skikt, som skyddar kroppen mot vätskans angrepp, vilken kropp är stillastående eller roterar. Förfarande enligt patentkrav 1, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att som barriär användes en kropp (16) av ett material som är termiskt, mekanisk och kemiskt resistent mot vätske-mediablandningen, vilken kropp är stillastående eller roterar. Förfarande enligt patentkrav 1-3, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att som barriär (10,25,32) användes en gas- och/ eller fluidström (11), riktad huvudsakligen i motsatt riktning och mot blandstrålen av vätska och media. 10 15 20 25 30 462 704 72 Förfarande enligt något eller några av föregående patentkrav, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att en barriär (11) användes som har en geometri, som företrädesvis är kongruent med tvärsnittet på den del av mediastrålen, som innehåller vätska (13) (blandstrâlen), där den träffar barriären, och att barriären ges längdskaliga dimensioner, lika med eller upp till 20 gånger större än detta tvärsnitt, företrädesvis 4 till 10 gångar. Förfarande enligt något eller några av föregående patent- krav, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att gas- och/eller vätskeströmmen som utgör barriären, âstadkomes med en eller flera dysor, och att rörelseenergin från dessa är 10 till l000% av rörelseenergin i mediastrålen/strålarna, företrädes- vis 30 till 60%. Förfarande enligt något eller nâgra av föregående patent- krav, k ä n n e t e c k n a t d ä r a v, att dysorna för gas och eller fluid förses med hjälpdysor (15,18,26,27) som förhindrar att vätska/smälta på grund av turbulens/injektor- verkan kommer i kontakt med gasdysorna eller barriärkroppen på oönskade ställen. Förfarande enligt något eller några av föregående patent- krav, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att vätska åstad- kommes medelst tillförande av energi till en metall eller metallegering (28), samt att media (31) pâförs vätskan (35) för erhållande av en blandstrâle samt att blandstrâlen riktas mot en barriär, exempelvis motriktad mediastråle (32). Förfarande enligt patentkrav 8, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att energin åstadkommas medelst elektrisk ljusbåge, laser eller dylikt. 10 15 20 25 30 35 10. 11. 12. 13. 14. 13 462 704 Anordning för utförande av förfaringssättet enligt något eller några av föregående patentkrav, innefattande en gjutlåda (2) för vätska, såsom metallsmälta, och munstycken (7,2l) för mediastrâlar, avsedda att träffa en tappstrâle (6,23) från gjutlådan, eller annan vätskeansamling (35), k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att i anordningen ingår en barriär i form av en fast kropp eller en motriktad media- ström, placerad i den blandade vätske-/mediaströmmens väg nära munstyckena för mediastrålarna och avsedd att åstadkomma en kraftigt ökad kontaktyta mellan vätskan/smältan och media- strömmen och att åstadkomma en effektiv dispersion av vätska i mediet och härvid effektiviserad atomisering. Anordningen enligt patentkrav 10, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att barriären utgörs av en fast kropp (16), eventuellt vattenkyld, eventuellt roterbar, och/eller utförd i ett material, som är termiskt och kemiskt resistent mot blandstrâlen. Anordningen enligt patentkrav 10, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att barriären åstadkommes av en eller flera dysor (12), riktade företrädesvis i motsatt riktning och mot blandstrålen, i ändamål att rikta en eller flera gas- och/ eller fluidstrålar mot blandstrålen i och för effektivise- ring av atomiseringen. Anordningen enligt patentkrav 10, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att barriären även åstadkommes med hjälpdysor (l5,18,26,27) för förhindrande att vätska på grund av turbulens/injektorverkan kommer i kontakt med gasdysorna och/eller barriärkroppen på oönskade ställen. Anordning för utförande av förfaringssättet enligt något eller några av patentkrav 1 - 9, k ä n n e t e c k n a d d ä r a v, att metall eller metallegering är anordnad att tillföras exempelvis i tråd-, stång- eller pulverform 462 704 14 (28,29), samt att energi i form av laser, ïjusbâge (30) eïïer dyïikt är anordnad att tiïïföras meta11/ïegeringen för dess smäitning och att den bildade vätskan (35) är anordnad att utsättas för mediabestrålning (31), och den härvid bildade bïandstrâïen är anordnad att utsättas för en barriär, exempeïvis en motriktad mediastråie (32), i avsikt att effektivt atomisera vätskan. ll