SE502701C2 - Sätt och anordning för uppvärmning av pulver samt användning av anordningen - Google Patents

Description

-02 701 2 tyget. Föreliggande uppfinning är särskilt framtagen för att lösa problem förknippade med sådan förvärmning av pulver innan detta matas till ett formverktyg för kom- paktering.

Det finns ett flertal sätt för uppvärmning av pul- ver vilka till viss del skiljer sig åt beroende på vil- ken sorts pulver som skall uppvärmas och beroende på uppvärmningens syfte.

Vid uppvärmning av väsentligen löst eller icke packat metallpulver föreligger problemet att pulvret fungerar som ett isolerande material, eftersom det be- står av pulverpartiklar vars totala kontaktyta med var- andra är relativt liten med den följd att pulvret är poröst och innehåller stor mängd luft. Ett löst eller icke packat pulver kan exempelvis ha en täthet som är endast en tredjedel av tätheten hos en massiv, hårt packad pulverpresskropp, dvs innehållande två tredje- delar luft i mellanrummen mellan pulverpartiklarna.

Detta medför att värmeöverföringen mellan pulverpartik- larna försvåras. Ett icke packat pulver har således en relativt låg värmekonduktivitet jämfört med en kompakte- rad pulverpresskropp.

Vid förvärmning av metallpulver för ett efterföl- 'jande kompakteringssteg är det viktigt att en jämn tem- peratur i uppnås i pulvret innan det kompakteras, efter- som en ojämn temperatur medför en ojämn täthet i pulver- presskroppen.

Det är vidare viktigt att pulvret inte överhettas när det förvärms, eftersom detta kan medföra oxidation av pulvret med den följd av det blir ohomogent och den resulterande pulverpresskroppen får ojämn täthet.

Vidare får uppvärmningsutrustningen inte bli för komplicerad och inte för stor, utan den skall lätt kunna appliceras till en befintlig kompakteringsutrustning.

Ett känt sätt att åstadkomma en förvärmning av metallpulver inför ett efterföljande kompakteringssteg 10 502 701 3 beskrivs i ovannämnda EP-A2-O 516 467. I detta dokument anvisas ett för en kompakteringspress avsett system för förvärmning och matning av polymerbelagt pulver. Pulvret uppvärms samtidigt som det frammatas i en horisontell matarskruv försedd med spiralformade värmeelement anord- nade utanpå och längs med ett matarskruven omslutande hölje. Detta system har en komplicerad uppbyggnad med många rörliga delar med risk för driftstörningar, och kräver dessutom energi för matarskruvens rotation.

Ett huvudändamål med föreliggande uppfinning är att på ett enkelt och driftsäkert sätt åstadkomma en upp- värmning av pulver så att en jämn temperatur uppnås i pulvret, speciellt en jämn förvärmning av metallpulver som därefter kompakteras.

Ett särskilt ändamål med föreliggande uppfin- ning är att dessutom förhindra att pulvret överhettas.

Dessa och andra ändamål uppnås genom att pulvret temporärt delas upp i delflöden, som värms var för sig till en förutbestämd temperatur. Därefter sammanföres delflödena till ett gemensamt utloppsflöde av uppvärmt pulver. Uppvärmningen av delflödena styrs på ett sådant sätt, hela tvärsnittet hos vart och ett av delflödena innan att en jämn temperatur uppnås över väsentligen dessa sammanföres.

Sålunda anvisas enligt föreliggande uppfinning ett sätt för uppvärmning av pulver, särskilt för förvärmning av ett metallpulver för en efterföljande kompaktering därav, vilket sätt kännetecknas av att pulvret uppdelas temporärt i ett antal separata, av tyngdkraften pådrivna vilka delflö- den uppvärmes var för sig till en och samma förutbestämd delflöden med var sitt inlopp och utlopp, utloppstemperatur och därefter sammanföres till ett gemensamt utloppsflöde av uppvärmt pulver, varvid upp- värmningen av delflödena styrs på ett sådant sätt att den förutbestämda utloppstemperaturen uppnås över vä- 502 701 10 15 4 sentligen hela tvärsnittet hos vart och ett av delflö- dena innan dessa sammanföres.

Enligt föreliggande uppfinning anvisas även en anordning för uppvärmning av pulver, särskilt för för- värmning av metallpulver för en efterföljande kompakte- ring därav, vilken anordning på i och för sig känt sätt innefattar en pulverförrådsbehållare och en pulverupp- värmningsenhet för mottagning av pulver från förràdsbe- hållaren och för uppvärmning därav, och vilken anordning kännetecknas av att pulveruppvärmningsenheten innefattar ett flertal på inbördes avstånd belägna uppvärmnings- ytor, vilka mellan sig avgränsar ett flertal strömnings- kanaler med var sin övre inloppsöppning för mottagning av pulver från förrådsbehållaren och med var sin undre utloppsöppning för avgivande av ett delflöde av uppvärmt pulver, och ett organ för sammanföring av delflödena till ett gemensamt utloppsflöde av uppvärmt pulver.

Enligt föreliggande uppfinning anvisas även använd- ning av en anordning enligt uppfinningen för förvärmning av metallpulver, varvid det förvärmda pulvret i det gemensamma utloppsflödet leds till ett formverktyg och kompakteras däri.

Ett för uppfinningen nytt och utmärkande särdrag är att pulvret uppdelas i ett antal separata delflöden, vilket gör det möjligt att åstadkomma en snabb och jämn uppvärmning av samtliga pulverpartiklar, eftersom det tillförda värmet inte behöver ledas genom en större pulvermassa med låg värmekonduktivitet. Uttrycket "separata delflöden" skall häri anses omfatta även vä- sentligen separata delflöden med en viss begränsad in- bördes kontakt.

Ett annat utmärkande särdrag hos uppfinningen är att vart och ett av dessa delflöden uppvärms jämnt var för sig och till en för alla delflödena gemensam, förut- bestämd temperatur, innan delflödena sammanföres. Detta särdrag är viktigt eftersom man, på grund av pulvrets 502 701 5 lága värmekonduktivitet, inte kan förlita sig på någon väsentlig temperaturutjämning i det gemensamma utlopps- flödet om delflödena har blivit ojämnt uppvärmda.

Ytterligare kännetecken och fördelar hos förelig- gande uppfinning framgår av den efterföljande beskriv- ningen och av patentkraven.

Föreliggande uppfinning skall i det följande för- klaras närmare med ett icke begränsande utföringsexem- pel, under hänvisning till de bifogade figurerna.

Fig 1 visar schematiskt ett föredraget utförings- exempel av en anordning enligt uppfinningen i förening med en kompakteringsutrustning.

Fig 2 visar uppvärmningsenheten i fig 1 i större skala.

Fig 3 visar en datorsimulerad pulvertemperaturpro- fil för uppvärmningsenheten i fig 1 och 2.

Fig 4 visar en datorsimulerad temperaturprofil för ett andra utförande av en uppvärmningsenhet.

Fig 5 visar en datorsimulerad temperaturprofil för en uppvärmningsenhet omfattande tre uppvärm- ningszoner.

Anordningen i fig 1 och 2 innefattar en pulverför- rådsbehållare 10 och en därunder anordnad uppvärmnings- enhet 20 för mottagning av metallpulver från förrådsbe- hàllaren 10 och för uppvärmning därav. I fig 1 visas schematiskt även en till uppvärmningsenheten 20 anslu- ten, ej närmare beskriven kompakteringsanordning 40.

Förrådsbehållaren 10 är upphängd i ett stativ 11, som på motstàende sidor om förràdsbehållaren 10 uppvisar en rad vertikalt fördelade nivåinställningstappar 12 eller liknande, som uppbär en vertikalt flyttbar konsoll 15 med ett uppåt öppet spår 16 för mottagning av i sidled utskjutande upphängningsaxlar 13 på behàllarens 10 utsida. Förrådsbehållaren 10 mynnar nertill i en trattformad utloppsöppning 14. 502 701 Uppvärmningsenheten 20, som är belägen rakt nedan- för förràdsbehàllarens 10 utloppsöppning 14, innefattar ett vertikalt utsträckt, i sina ändar öppet hölje 21, som vid sin övre ände 22 mottager och omsluter förràds- behàllarens 10 utloppsöppning 14 och som vid sin nedre ände 23 via ett nedan beskrivet ventilorgan 24 är för- bundet med ett utloppsorgan 25.

Inuti höljet 21 är monterat flertal på inbördes avstånd belägna fluidvärmeelement 26, vilka sträcker sig vertikalt utmed väsentligen hela höljets 21 höjd. Det skall understrykas att antalet värmeelement 26 i prakti- ken kan variera avsevärt fràn det endast schematiskt visade exemplet. Värmeelementen 26 har väsentligen for- men av inbördes parallella, skivformiga väggelement.

Värmeelementens 26 mot varandra vända ytor bildar upp- värmningsytor 27, som mellan sig avgränsar ett flertal vertikala, plattformiga, planparallella strömningskana- ler 28.

Uppvärmningsytornas 27 inbördes avstånd ligger företrädesvis i intervallet 1-30 mm, företrädesvis 5-20 mm, i beroende av bl a pulvermaterial, strömningshastig- heter och uppvärmningstemperatur.

Strömningskanalerna 28 har var sin övre inloppsöpp- ning 28a för mottagning av metallpulver från förràdsbe- hàllaren 10 och var sin undre utloppsöppning 28b för avgivande av delflöden av uppvärmt pulver till utlopps- organet 25. Värmeelementens 26 övre horisontella kanter 26c är takàsformade för att styra pulver från förràdsbe- hållaren 10 ner i respektive strömningskanal 28.

I det i fig l och 2 visade utförandet av uppfin- ningen åstadkommas uppvärmningen av ytorna 27 medelst en fluid, såsom olja, vilken leds uppvärmd till uppvärm- ningsenheten 20 och inmatas genom ett inlopp 26a hos varje värmeelement 26, för att genomströmma invändiga (ej visade) flödesbanor i varje värmeelement 26 och 502 701 7 därefter utmatas genom utlopp 26b. Inloppen och utloppen 26a och 26b kan byta plats jämfört med exemplet i fig 2.

Ventilorganet 24, vars uppgift är att reglera delflödenas strömningshastighet i kanalerna 28, innefat- tar dels ett hölje 29 förbundet upptill med höljet 21 och nedtill med utloppsorganet 25, dels en över väsent- ligen hela höljets 29 tvärsnitt utsträckt ventilkropp 30. Ventilkroppen 30 har ett mot antalet utloppsöppning- ar 28b svarande antal separata genomströmningsöppningar 31 samt är rörlig fram och åter i dubbelpilens P rikt- ning tvärs delflödena för samtidig styrning av dessa. I fig 1 âskådliggörs schematiskt ett kolv-cylinderaggregat 32 för åstadkommande av ventilkroppens 30 sidoförskjut- ning.

Uppvärmningsytorna 27 kan tillföras värme på andra sätt. Ett sådant sätt är att uppvärmningsenheten inne- fattar från strömningskanalerna 28 separata elektriska motstàndselement, vilka är anordnade i omedelbar anslut- ning till och fördelade över uppvärmningsytorna 27.

Vidare kan de elektriska motstàndselementen vara så anordnade att uppvärmningsytorna 27, sett i flödesrikt- ningen, är uppdelade i ett flertal zoner med inbördes olika effekttillförsel. Sådana motstândselement kan utgöras av separata elpatroner eller en över hela upp- värmningsytan utsträckt folie.

Den ovan beskrivna anordningen fungerar på följande sätt. Pulvret i förrådsbehållaren 10 får med tyngdkraf- tens hjälp rinna ned i uppvärmningsenhetens 20 övre inloppsöppningar 28a för att delas upp i ett antal ver- tikalt strömmande, av tyngdkraften pàdrivna delflöden (ej visade). Dessa delflöden, som fyller ut strömnings- kanalerna 28 fullständigt, uppvärmes var för sig till en och samma förutbestämd temperatur Tut i strömningskana- lerna 28 genom kontakten mot uppvärmningsytorna 27, varvid effekttillförseln från uppvärmningsytorna 27 502 701 8 tillsammans med ventilorganet 24 styr till vilken tempe- ratur pulvret värms upp.

När pulvret har uppnått den förutbestämda tempera- turen Tut, sammanföres de uppvärmda delflödena till ett gemensamt utloppsflöde 33 med hjälp av det trattformade utloppsorganet 25. Ventilorganet 24 säkerställer att det uppvärmda pulver som befinner sig i utloppsorganet 25, inte åstadkommer någon ojämn uppbromsning av delflödena.

Tack vare ventilorganet 24 åstadkommes en lika stor strömningshastighet hos alla delflödena. Utan ventil- organet 24 skulle i detta exempel de centrala delflödena strömma snabbare än de perifera delflödena med ojämn uppvärmning som följd.

Såsom nämnts ovan är det viktigt att uppvärmningen av pulvret styrs på ett sådant sätt, att samma tempera- tur Tut uppnås över väsentligen hela tvärsnittet hos vart och ett av delflödena innan dessa sammanföres, eftersom det inte sker någon väsentlig värmeöverföring och temperaturutjämning efter det att delflödena har sammanförts till ett gemensamt utloppsflöde 33.

Det är vidare viktigt att pulvret inte blir över- hettat, eftersom det i så fall kan oxideras och få ojämn densitet, vilket i sin tur kan leda till en inhomogen pulverpresskropp. För att förhindra överhettning kan uppvärmningsytornas 27 temperatur styras på olika sätt, och vilka yttemperaturer man väljer kan också variera, men företrädesvis gäller att yttemperaturen vid utlopps- öppningarna 28b aldrig får överstiga den förutbestämda utloppstemperaturen Tut för pulvret. Därigenom säker- ställer man att pulvret inte överhettas även om en driftstörning i anläggningen skulle medföra ett tempo- rärt stillestånd hos delflödena i uppvärmningsenheten 20. Det mest optimala torde vara att yttemperaturen vid utloppsöppningarna 28b är ungefär lika med den förutbe- stämda utloppstemperaturen Tut för pulvret. 10 15 20 582 791 9 Uppvärmningsytornas 27 yttemperatur vid strömnings- kanalernas 28 inloppsöppningar 28a kan styras så att den antingen överstiger eller understiger den förutbestämda temperaturen Tut. Vilket av dessa alternativ man använ- der beror till stor del på vilket pulver som används och på hur lång uppehâllstiden i strömningskanalerna 28 får lov att vara.

Efter att pulvret har förvärmts enligt ovanstående beskrivning leds det uppvärmda, gemensamma utloppsflödet 33 via en fram- och åter rörlig pressko 41 till ett i kompakteringsanordningen ingående formverktyg för att kompakteras.

Pulvret, som utsätts för värmning, kan utgöras av olika sorters pulver och innefattar huvudsakligen me- tallbaserade pulver, företrädesvis järnpulver.

Den förutbestämda utloppstemperaturen för pulvret beror till stor del på vilken sorts pulver man arbetar med, och för järnpulver ligger den i intervallet 50-250°C.

De för pulvret avsedda strömningskanalerna 28, kan även utformas som rörkanaler med fyrkantig eller cirku- lär profil och som kanaler som uppifrån sett är spiral- formade eller veckbladsformade. Ett annat alternativ är att utforma strömningskanalerna 28 som koncentriska ringformiga utrymmen.

För att åskådliggöra hur pulvertemperaturprofilen kan se ut i olika uppvärmningsenheter enligt förelig- gande uppfinning har datorsimuleringar utförts och re- sultatet av tre sådana visas i fig 3-5. I de tredimen- sionella diagrammen i fig 3-5 avser de tre koordinat- riktningarna pulvertemperatur, uppehållstid i ström- ningskanal respektive pulverposition i en 10 mm bred strömningskanal.

I fig 3 simulerades en värmetillförsel till upp- värmningsytorna 27 medelst ett uppvärmt fluidum i form av olja med en temperatur på ca 200°C. Av diagrammet 582 701 10 15 20 25 10 framgår att pulvret i direkt kontakt med uppvärmnings- ytorna relativt snabbt värmdes upp till den förutbe- stämda temperaturen Tut (200°), varefter temperaturpro- filen tvärs strömningskanalen planades ut så att alla pulverpartiklar uppnådde den förutbestämda utloppstempe- raturen Tut under uppehàllstiden i strömningskanalen.

Vid den i fig 4 visade datorsimuleringen tillfördes värme i stället medelst elektriska motståndselement, varvid alla och uppvärmningsytorna tillfördes en och samma effekt. Av figuren framgår att pulvret uppvärmdes väsentligen jämnt i tvärsnittet under hela uppvärmnings- förloppet, men att pulvret i början hade en kraftigt kylande effekt pà uppvärmningsytorna innan temperaturen i pulvret började stiga.

Vid den i fig 5 visade datorsimuleringen tillfördes värme också medelst elektriska motståndselement, men här var uppvärmningsytorna, sett i flödesriktningen, uppde- lade i tre zoner med inbördes olika effekttillförsel.

Effekttillförseln var störst vid strömningskanalernas inloppsöppningar och minskade sedan stegvis i de två efterföjande zonerna i riktning mot strömningskanalernas utloppsöppningar. Uppvärmningen blev således kraftigare i början och pulvret nådde snabbare upp till den förut- bestämda utloppstemperaturen Tut. Effekttillförseln vid utloppsöppningarna motsvarade en uppvärmningseffekt som precis gav den förutbestämda utloppstemperaturen. Ef- fekttillförseln vid inloppsöppningarna motsvarade där- emot en uppvärmningseffekt som gav en högre temperatur än den förutbestämda utloppstemperaturen Tut.

Fördelen med förreliggande uppfinning är att man på ett driftsäkert sätt erhåller ett jämnt uppvärmt pulver.

Vidare föreligger ingen risk för överhettning av pulv- ret, vilket för järnpulver kan medföra en oönskad oxida- tion.

Claims (18)

10 15 20 25 30 502 701 ll PATENTKRAV

1. l. Sätt för uppvärmning av pulver, särskilt för förvärmning av metallpulver för en efterföljande kompak- tering därav, k ä n n e t e c k n a t av att pulvret uppdelas temporärt i ett antal väsentligen separata, av tyngdkraften pådrivna delflöden med var sitt inlopp och utlopp, vilka delflöden uppvärmes var för sig till en och samma förutbestämd utloppstemperatur (Tut) och där- efter sammanföres till ett gemensamt utloppsflöde (33) av uppvärmt pulver, varvid uppvärmningen av delflödena styrs på ett sådant sätt att den förutbestämda utlopps- temperaturen (Tut) uppnås över väsentligen hela tvär- snittet hos vart och ett av delflödena innan dessa sam- manföres.

2. Sätt enligt krav 1, att uppvärmningen av delflödena åstadkommes genom att k ä n n e t e c k n a t av pulvret bringas i kontakt med delflödena avgränsande (27), styrs på sådant sätt att den inte över- uppvärmningsytor (28b) stiger nämnda förutbestämda utloppstemperatur (Tut).

3. Sätt enligt krav 1, (27) nas utlopp (28b) styrs på sådant sätt att den ungefär är vars yttemperatur vid delflödenas utlopp k ä n n e t e c k n a t av att uppvärmningsytornas yttemperatur vid delflöde- lika med nämnda förutbestämda utloppstemperatur (Tut). k ä n n e - (27) tur vid delflödenas inlopp (28a) styrs på sådant sätt

4. Sätt enligt något av kraven 2-3, t e c k n a t av att uppvärmningsytornas yttempera- att den överstiger nämnda förutbestämda utloppstempera- .

5. Sätt enligt kravet 2 eller 3, t e c k n a t tur k ä n n e - (27) tur vid delflödenas inlopp (28a) styrs på sådant sätt av att uppvärmningsytornas yttempera- att den understiger nämnda förutbestämda utloppstempera- tur (Tut). 502 70? 10 15 20 25 30 35 12

6. Sätt enligt nàgot av kraven 2-5, k ä n n e - t e c k n a t av att uppvärmningsytorna (27) lade i ett flertal, successiva zoner med inbördes olika effekttillförsel för är uppde- i delflödenas strömningsriktning nämnda uppvärmning.

7. Sätt enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a t av att det uppvärmda pulvret i utloppsflödet (33) leds till ett formverktyg och där- efter kompakteras däri.

8. Sätt enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a t av att den förutbestämda utlopps- temperaturen ligger i intervallet 50-250°C.

9. Sätt enligt något av de föregående kraven, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda pulver innefattar metallpulver, företrädesvis järnpulver.

10. Anordning för uppvärmning av pulver, särskilt för förvärmning av metallpulver för en efterföljande kompaktering därav, vilken anordning innefattar en (10) (20) från förrådsbehállaren (10) och för uppvärmning därav, pulverförràdsbehâllare och en pulveruppvärmningsenhet för mottagning av pulver k ä n n e t e c k n a d av att pulveruppvärmningsenheten (20) innefattar ett flertal pà inbördes avstånd belägna uppvärmningsytor (27), vilka mellan sig avgränsar ett flertal strömningskanaler (28) med var sin övre inloppsöppning (28a) för mottagning av pulver fràn (10) (28b) uppvärmt pulver, förràdsbehållaren och med var sin undre utloppsöppning för avgivande av ett delflöde av och ett organ (25) för sammanföring av delflödena av uppvärmt pulver till ett gemensamt ut- loppsflöde (33) av uppvärmt pulver.

11. Anordning enligt krav 10, av att ett delflödena reglerande ventilorgan k ä n n e t e c k - n a d (24), vilket är anordnat mellan à ena sidan strömnings- (28) undre utloppsöppningar (28b) och á andra (25) för sammanföring av delflödena av kanalernas sidan organet 10 15 20 25 30 35 502 701 13 är inrättat att styra delflödena på ett sådan sätt att en förutbe- uppvärmt pulver, och vilket ventilorgan (24) stämd utloppstemperatur (Tut) uppnås över väsentligen hela tvärsnittet hos vart och ett av delflödena innan dessa sammanföres.

12. Anordning enligt kravet 11, k ä n n e t e c k - (24) (28) utloppsöppningar (28b) ut- n a d av att ventilorganet innefattar ett över strömningskanalernas sträckt ventilkropp (30), som är rörlig fram och åter tvärs delflödena för samtidig styrning av dessa.

13. Anordning enligt något av kraven 10-12, k ä n n e t e c k n a d av att uppvärmningsytorna (27) är så att det från förrådsbe- hållaren (10) mottagna pulvret uppdelas i väsentligen väsentligen planparallella, skivformade delflöden i strömningskanalerna (28).

14. Anordning enligt något av kraven 10-13, k ä n n e t e c k n a d av att nämnda inbördes avstånd mellan uppvärmningsytorna (27) ligger i intervallet 1-30 mm, företrädesvis 5-20 mm.

15. Anordning enligt något av kraven 10-14, k ä n n e t e c k n a d av att uppvärmningsenheten (20), för uppvärmning av uppvärmningsytorna (27), innefattar från strömningskanalerna (28) separata, elektriska mot- ståndsvärmeelement, vilka är anordnade i anslutning till och är fördelade över uppvärmningsytorna (27).

16. Anordning enligt kravet 15, k ä n n e t e c k - n a d av att de elektriska motståndsvärmeelementen är så grupperade, att uppvärmningsytorna (27), sett i flö- desriktningen, är uppdelade i ett flertal zoner med inbördes olika effekttillförsel.

17. Anordning enligt något av kraven 10-14, k ä n n e t e c k n a d av att uppvärmningsenheten (20), för uppvärmning av uppvärmningsytorna (27), innefattar ett från strömningskanalerna (28) separat, uppvärmt fluidum, som strömmar i termisk kontakt med uppvärm- ningsytorna (27). 14

18. Användning av en anordning enligt något av kraven 10-17 för förvärmning av metallpulver, varvid det uppvärmda pulvret i det gemensamma utflödet leds till ett formverktyg och därefter kompakteras däri.