DE29824461U1 - Device for producing fine powders by atomizing melts with gases - Google Patents
Device for producing fine powders by atomizing melts with gasesInfo
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DatumDate
9. November 20009 November 2000
GasenGases
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Herstellung feiner Pulver mit vorzugsweise sphärischem Habitus durch Zerstäubung von Schmelzen mit Gasen, wie beispielsweise aus der EP-A-O 444 767 bekannt.The present invention relates to a device for producing fine powders with preferably spherical habit by atomizing melts with gases, as known for example from EP-A-0 444 767.
Zur Herstellung von Metallpulvern sind Gasverdüsungstechniken industriell weit verbreitet. Dabei werden unterschiedlichste Düsenkonstruktionen eingesetzt, denen allen gemeinsam ist, daß ein unter Druck stehendes Verdüsungsgas aus einer bzw. aus mehreren Gasdüsen entweicht und sich als turbulenter Strahl unter einem Winkel einer aus einer Schmelzedüse auslaufenden Schmelze nähert und diese zerstäubt. Eine Übersicht unterschiedlicher Düsenkonstruktionen ist beispielsweise A. J. YuIe und J. J. Dunkley, "Atomization of Melts", Oxford, 1994, Seite 165 bis 189, zu entnehmen. Auf dem Weg zur Schmelze verliert das Gas einen großen Teil seiner Energie. Bei Verdüsungsgasdrücken bis etwa 35 bar werden als Ergebnis relativ grobe Metallpulver mit mittleren Korndurchmessern dßo im Verdüsungszustand um etwa 50 pm und größer erhalten. Die so hergestellten Pulver haben zumeist eine breite Korngrößenverteilung, weil der Zerstäubungsimpuls durch die Turbulenzen starken Schwankungen unterliegt. Aus J. Ting et al., "A novel high pressure gas atomizing nozzel for liquid metal atomization", Adv. Powder Metallurgy and Particulate Materials, 1996, Seite 97 bis 108, sind spezielle Hochdruckdüsen mit Betriebsdrücken von bis zu 100 barGas atomization techniques are widely used in industry to produce metal powders. A wide variety of nozzle designs are used, all of which have in common that a pressurized atomization gas escapes from one or more gas nozzles and approaches a melt flowing out of a melt nozzle as a turbulent jet at an angle and atomizes it. An overview of different nozzle designs can be found, for example, in A. J. YuIe and J. J. Dunkley, "Atomization of Melts", Oxford, 1994, pages 165 to 189. The gas loses a large part of its energy on the way to the melt. At atomization gas pressures of up to about 35 bar, the result is relatively coarse metal powder with average grain diameters dßo in the atomized state of about 50 pm and larger. The powders produced in this way usually have a broad grain size distribution because the atomization pulse is subject to strong fluctuations due to the turbulence. From J. Ting et al., "A novel high pressure gas atomizing nozzle for liquid metal atomization", Adv. Powder Metallurgy and Particulate Materials, 1996, pages 97 to 108, special high-pressure nozzles with operating pressures of up to 100 bar are
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Telefon (0211)572^31;'*' '/' ''.A ',!"JBHMAiJk, ailssttdprf: : (BLf :300205 00) 40113276 Telefax (0211) 588225 '"' "' ""#StäifcS[iarkasU'Düs<&Mor/tB*LZ:30050110) 10090769Telephone (0211)572^31;'*''/'''.A',!"JBHMAiJk, ailssttdprf: : (BLf :300205 00) 40113276 Fax (0211) 588225 '"'"'""# StäifcS[iarkasU 'Düs<&Mor/tB*LZ : 30050110) 10090769
bekannt, die bei sehr hohem Gasverbrauch mittlere Korngrößen von etwa 20 pm erzeugen können. Alle bekannten Verfahren und Vorrichtungen mit turbulenter Gasströmung sind zur direkten Herstellung von feinen Pulvern mit mittleren Korndurchmessern dso um etwa 10 pm nicht geeignet.known which can produce average grain sizes of about 20 pm with very high gas consumption. All known processes and devices with turbulent gas flow are not suitable for the direct production of fine powders with average grain diameters dso of about 10 pm.
Aus der DE 33 11 343 A1 sind ein Verfahren zur Herstellung von feinen Metallpulvern sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens bekannt, welche die Verwendung von laminaren Gasströmungen in einer konzentrischen Laval-Düse mit vorgewärmtem Verdüsungsgas vorschlagen. Die Schmelzedüse ist so positioniert, daß sie sich im konvergenten Teil der Laval-Düse befindet, d.h., daß die Schmelzedüse in die Laval-Düse hineinragt. Die Strömung im Oberteil der Laval-Düse ist laminar. Im Vergleich zu Verfahren mit turbulenten Gasströmungen ergeben sich feinere Pulver mit engerer Korngrößenverteilung bei vergleichsweise geringem spezifischen Gasverbrauch, wie beispielsweise in Fig. 2 der Veröffentlichung von G. Schulz, "Laminar sonic and supersonic gas flow atomization", PM^TEC '96, World Congress on Powder Metallurgy and Particulate Materials, USA, 1996, Seite 1 bis 12, dargestellt ist. Der spezifische Gasverbrauch für die Herstellung eines Stahlpulvers mit einem mittleren Korndurchmesser von 10 pm liegt bei etwa 7 bis 8 Nm^ Ar/kg entsprechend ca. 12,5 kg bis 14,2 kg Ar/kg Stahl.DE 33 11 343 A1 discloses a method for producing fine metal powders and a device for carrying out the method, which propose the use of laminar gas flows in a concentric Laval nozzle with preheated atomization gas. The melt nozzle is positioned so that it is in the convergent part of the Laval nozzle, i.e. the melt nozzle extends into the Laval nozzle. The flow in the upper part of the Laval nozzle is laminar. In comparison to methods with turbulent gas flows, finer powders with a narrower grain size distribution are obtained with a comparatively low specific gas consumption, as shown for example in Fig. 2 of the publication by G. Schulz, "Laminar sonic and supersonic gas flow atomization", PM^TEC '96, World Congress on Powder Metallurgy and Particulate Materials, USA, 1996, pages 1 to 12. The specific gas consumption for the production of a steel powder with an average grain diameter of 10 pm is about 7 to 8 Nm^ Ar/kg, corresponding to about 12.5 kg to 14.2 kg Ar/kg steel.
Aus der DE 35 33 964 C1 ist sind ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Feinstpulvern in Kugelform bekannt, bei denen das Verdüsungsgas über einen radialsymmetrischen, beheizbaren Gastrichter in die Laval-Düse eingeführt wird, wobei das aus der innerhalb dieses Gastrichters plazierten Schmelzedüse austretende Metall durch Wärmeübertragung durch Strahlung, welche vom beheizten Gastrichter ausgeht, überhitzt bzw. beheizt wird.From DE 35 33 964 C1 a method and a device for producing ultra-fine powders in spherical form are known, in which the atomizing gas is introduced into the Laval nozzle via a radially symmetrical, heatable gas funnel, whereby the metal emerging from the melt nozzle placed inside this gas funnel is overheated or heated by heat transfer by radiation emanating from the heated gas funnel.
Aus der DE 37 37 130 A1 sind ebenfalls ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Herstellen von Feinstpulvern bekannt, bei denen der durch das strömende Gas in der Laval-Düse entstehende Unterdruck dazu benutzt wird, Schmelze aus einer separaten Schmelzeinrichtung anzusaugen. Auch hierbei handelt es sich um ein radialsymmetrisches Düsensystem mit innerhalb der Laval-Düse plazierter Schmelzedüse.DE 37 37 130 A1 also discloses a method and a device for producing ultrafine powders, in which the negative pressure created by the flowing gas in the Laval nozzle is used to suck in melt from a separate melting device. This is also a radially symmetrical nozzle system with a melt nozzle placed inside the Laval nozzle.
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Aus der Veröffentlichung von G. Schulz, "Laminar sonic and supersonic gas flow atomization - The NANOVAL-Process", Adv. Powder Metall. & Particulate Mater. (1996), 1, S. 43 - 54, ist es weiterhin bekannt, daß es zur Herstellung feiner Metallpulver notwendig ist, den aus der radialsymmetrischen Düse austretenden Massenstrom klein zu halten, wenn feine Pulver hergestellt werden sollen. Angegeben sind hier 12 bis 30 kg/h und Düse bei Schmelzedüsendurchmessern von 1 mm oder weniger.From the publication by G. Schulz, "Laminar sonic and supersonic gas flow atomization - The NANOVAL-Process", Adv. Powder Metall. & Particulate Mater. (1996), 1, pp. 43 - 54, it is also known that in order to produce fine metal powders it is necessary to keep the mass flow exiting the radially symmetrical nozzle small if fine powders are to be produced. 12 to 30 kg/h per nozzle is specified here for melt nozzle diameters of 1 mm or less.
Allen vorbekannten Verfahren und Vorrichtungen ist gemeinsam, daß diese gravierende technische und wirtschaftliche Nachteile aufweisen. So sind die bisher verwendeten konzentrischen oder auch radialsymmetrischen Düsensysteme mit Schmelzedüsendurchmessern von 1 mm oder weniger, bauartbedingt besonders anfällig gegenüber mechanischen Verstopfungen durch mitgerissene Fremdpartikel oder Gasblasen. Ferner treten aufgrund eines gegebenen ungünstigen Verhältnisses von äußerer Schmelzedüsenoberfläche zum Schmelzevolumen hohe Wärmeverluste auf, die ein unerwünschtes Einfrieren der Schmelzedüsen bewirken können und dann, wie auch die mechanischen Verstopfungen, einen Abbruch der Verdüsung und längere Stillstandzeiten zur Folge haben. Darüber hinaus sind die bisher erzielbaren Produktionsleistungen gering und die spezifischen Gasverbräuche hoch. Bei der Herstellung von feinen Pulvern bestimmen die Produktionsleistung und der spezifische Gasverbrauch ganz entscheidend die Fertigungskosten. Es besteht daher Bedarf für ein Verdüsungsverfahren und -vorrichtungen, die durch geringe Gasverbräuche und hohe Produktionsleistung gekennzeichnet sind.All previously known processes and devices have in common that they have serious technical and economic disadvantages. For example, the concentric or radially symmetrical nozzle systems used to date with melt nozzle diameters of 1 mm or less are, due to their design, particularly susceptible to mechanical blockages caused by entrained foreign particles or gas bubbles. Furthermore, due to an unfavorable ratio of the external melt nozzle surface to the melt volume, high heat losses occur, which can cause the melt nozzles to freeze undesirably and then, like the mechanical blockages, lead to the atomization being stopped and longer downtimes. In addition, the production outputs achievable to date are low and the specific gas consumption is high. When producing fine powders, the production output and the specific gas consumption are crucial to the production costs. There is therefore a need for an atomization process and device that is characterized by low gas consumption and high production output.
Der Erfindung liegt in Anbetracht dieses Standes der Technik die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art unter Meidung der beschriebenen Nachteile derart zu verbessern, daß eine kostengünstige Fertigung feiner, gasverdüster Pulver ermöglicht wird. Darüber hinaus sollen Stillstandzeiten durch Verstopfungen aufgrund unreiner Schmelze und durch Einfrierungen aufgrund von Wärmeverlusten vermieden werden. Vor allem sollen Metall-, Metallegierungs-, Salz-, Salzgemisch- oder auch Polymerschmelzen großtechnisch kostengünstig, insbesondere aber mit einem geringen Gasverbrauch und hohem Schmelzedurchsatz fein und gleichmäßig zerstäubt werden. Darüber hinaus soll die Schmelzedüse gegen mechanische Verstopfung aufgrund unreiner Schmelzen sowie gegen Einfrieren weitestgehend stabil sein.In view of this state of the art, the invention is based on the object of improving a device of the type mentioned at the beginning while avoiding the disadvantages described so that a cost-effective production of fine, gas-atomized powders is possible. In addition, downtimes due to blockages caused by impure melts and freezing due to heat losses should be avoided. Above all, metal, metal alloy, salt, salt mixture or polymer melts should be finely and evenly atomized on a large scale at low cost, but in particular with low gas consumption and high melt throughput. In addition, the melt nozzle should be as stable as possible against mechanical blockages caused by impure melts and against freezing.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch eine Schmelzedüse mit im wesentlichen rechteckigem Austrittsquerschnitt, aus der die Schmelze in Form eines Films ausfließt, und eine zunächst konvergierende und dann divergierende laminar durchströmte Gasdüse mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt, in Form einer linearen Laval-Düse, durch welche die Schmelze gemeinsam mit einem Verdüsungsgas durchtritt, wobei die laminare beschleunigte Gasströmung im konvergenten Teil der Laval-Düse den Schmelzefilm stabilisiert und gleichzeitig verstreckt, bis nach Passieren des engsten Querschnitts der Laval-Düse der Schmelzefilm gleichmäßig über seine gesamte Länge zerstäubt ist.The object is achieved according to the invention by a melt nozzle with a substantially rectangular outlet cross-section, from which the melt flows out in the form of a film, and an initially converging and then diverging laminar flow gas nozzle with a substantially rectangular cross-section, in the form of a linear Laval nozzle, through which the melt passes together with an atomization gas, wherein the laminar accelerated gas flow in the convergent part of the Laval nozzle stabilizes the melt film and at the same time stretches it until, after passing the narrowest cross-section of the Laval nozzle, the melt film is evenly atomized over its entire length.
Überraschenderweise gelingt es, den aus der im wesentlichen rechteckigen Schmelzedüse primär austretenden Schmelzefilm, der wegen seiner großen Oberfläche unter freiem Ausfluß instabil wäre, durch das Einbringen in die beschleunigte Gasströmung im konvergenten Teil der ebenfalls im wesentlichen rechteckig ausgebildeten Laval-Düse zu stabilisieren. Damit wird ein äußerst günstiges Verhältnis von äußerer Schmelzedüsenoberfläche zum Schmelzevolumen erreicht, so daß Verstopfungen durch Einfrierungen ausgeschlossen sind. Ferner können einzelne Fremdpartikel in verunreinigten Schmelzen im ungünstigsten Fall nur einen geringen Teil des Querschnitts der Schmelzedüse beeinflussen, so daß der Verdüsungsvorgang auch dann nicht zum Erliegen kommt. Unterhalb des engsten Querschnitts der Laval-Düse wird der Schmelzefilm mit hohem spezifischen Impuls gleichmäßig zu einem feinen Pulver mit vorzugsweise sphärischem Habitus zerstäubt.Surprisingly, it is possible to stabilize the melt film that primarily emerges from the essentially rectangular melt nozzle, which would be unstable due to its large surface area if it were to flow freely, by introducing it into the accelerated gas flow in the convergent part of the Laval nozzle, which is also essentially rectangular. This achieves an extremely favorable ratio of the external melt nozzle surface to the melt volume, so that blockages due to freezing are ruled out. Furthermore, in the worst case, individual foreign particles in contaminated melts can only affect a small part of the cross-section of the melt nozzle, so that the atomization process does not come to a standstill. Below the narrowest cross-section of the Laval nozzle, the melt film is evenly atomized with a high specific impulse to form a fine powder with a preferably spherical shape.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Vorschlag der Erfindung entspricht das Verhältnis des Drucks oberhalb der Laval-Düse und unterhalb der Laval-Düse mindestens dem kritischen Druckverhältnis des verwendeten Verdüsungsgases, so daß das Gas im engsten Querschnitt der Laval-Düse Schallgeschwindigkeit erreicht. Vorteilhafterweise ist das Druckverhältnis > 2, vorzugsweise > 10.According to a further advantageous proposal of the invention, the ratio of the pressure above the Laval nozzle and below the Laval nozzle corresponds at least to the critical pressure ratio of the atomization gas used, so that the gas reaches the speed of sound in the narrowest cross section of the Laval nozzle. The pressure ratio is advantageously > 2, preferably > 10.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Vorschlag der Erfindung ist das Verdüsungsgas vorgewärmt. Gemäß einem weiteren vorteilhaften Vorschlag ist d'&e aus der Schmelzedüse austretende Schmelze mittels Strahlung aufgeheizt. Die Vorwärmung des Verdüsungsgases und das Aufheizen der Schmelze mittels Strahlung sind aber keine notwendigen Voraussetzungen für die Herstellung. Vorzugsweise wird auf eine Vorwärmung des Verdüsungsgases und ein AufheizenAccording to a further advantageous proposal of the invention, the atomizing gas is preheated. According to a further advantageous proposal, the melt emerging from the melt nozzle is heated by means of radiation. However, preheating the atomizing gas and heating the melt by means of radiation are not necessary prerequisites for production. Preferably, preheating the atomizing gas and heating
der aus der Schmelzedüse austretenden Schmelze mittels Strahlung verzichtet, wodurch sich zum einen der apparative Aufwand erheblich reduziert und zum anderen Energie eingespart wird.The melt emerging from the melt nozzle is not subjected to radiation, which considerably reduces the amount of equipment required and saves energy.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Vorschlag der Erfindung sind durch die Schmelzedüse auch verunreinigte Schmelzen verdüsbar. Vorteilhafterweise sind als zu verdüsende Schmelzen Metalle, Metallegierungen, Salze, Salzgemische oder schmelzbare Kunststoffe, wie Polymere, verwendbar.According to a further advantageous proposal of the invention, contaminated melts can also be sprayed through the melt nozzle. Advantageously, metals, metal alloys, salts, salt mixtures or meltable plastics, such as polymers, can be used as the melts to be sprayed.
Gemäß einem weiteren vorteilhaften Vorschlag der Erfindung reagiert die zu verdüsende Schmelze nicht mit dem Verdüsungsgas, ist also inert gegenüber dem Gas. Wenn der zu verdüsende Stoff nicht mit dem Verdüsungsgas reagiert, also inert gegenüber dem Gas ist, bilden sich aus den Schmelzetröpfchen unter dem Einfluß der Oberflächenspannung kugelförmige Partikel aus. Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung reagiert die zu verdüsende Schmelze mit dem Verdüsungsgas ganz oder teilweise. Reagiert der zu verdüsende Stoff, also die Schmelze, ganz oder teilweise mit dem Verdüsungsgas, so bilden sich dabei Reaktionsprodukte, die die Einformung der Schmelzetröpfchen zu Kugeln behindern können, so daß sich unregelmäßig geformte Pulverteilchen bilden. Wird in den Partikelstrahl vorteilhafterweise ein Substrat in einem Abstand, bei dem die Partikel zumindest noch teilweise flüssig sind, eingebracht, so ist die direkte Herstellung eines Halbzeuges möglich, sogenannte Sprühkompaktierung.According to a further advantageous proposal of the invention, the melt to be atomized does not react with the atomization gas, i.e. is inert towards the gas. If the material to be atomized does not react with the atomization gas, i.e. is inert towards the gas, spherical particles form from the melt droplets under the influence of the surface tension. According to a further proposal of the invention, the melt to be atomized reacts completely or partially with the atomization gas. If the material to be atomized, i.e. the melt, reacts completely or partially with the atomization gas, reaction products are formed which can hinder the formation of the melt droplets into spheres, so that irregularly shaped powder particles are formed. If a substrate is advantageously introduced into the particle jet at a distance at which the particles are still at least partially liquid, the direct production of a semi-finished product is possible, so-called spray compaction.
Das Verhältnis der Querschnittsflächen von Schmelzdüsenaustritt zum engsten Querschnitt der Laval-Düse ist bei linearen Systemen immer größer als bei radialsymmetrischen Düsen. Da die Durchflußmengen von Gas und Metall und dgl. bei sonst gleichen Bedingungen proportional zur entsprechenden Düsenquerschnittsfläche sind, ergeben sich verfahrensgemäß lineare Systeme geringere spezifische Gasverbräuche. Mit der Länge des Düsensystems nimmt die Einsparung dabei zu. Durch die Proportionalität von Schmelzedüsenquerschnittsfläche und Schmelzedurchsatz läßt sich durch Anpassung der Düsenlänge jede gewünschte Produktionsleistung auf einfache Weise einstellen. Die charakteristischen Eigenschaften des Metallpulvers, wie Korngröße, Breite der Korngrößenverteilung und Kornform, bleiben dabei unverändert wohingegen der spezifische Gasverbrauch sinkt.The ratio of the cross-sectional areas of the melt nozzle outlet to the narrowest cross-section of the Laval nozzle is always larger in linear systems than in radially symmetrical nozzles. Since the flow rates of gas and metal etc. are proportional to the corresponding nozzle cross-sectional area under otherwise identical conditions, linear systems result in lower specific gas consumption. The savings increase with the length of the nozzle system. Due to the proportionality of the melt nozzle cross-sectional area and melt throughput, any desired production output can be easily set by adjusting the nozzle length. The characteristic properties of the metal powder, such as grain size, width of the grain size distribution and grain shape, remain unchanged, whereas the specific gas consumption decreases.
Für die erfindungsgemäße Vorrichtung wird eine Düse zur Zerstäubung von Schmelzen vorgeschlagen, die eine Schmelzdüse und eine in Strömungsrichtung unter deren Austritt angeordnete Gasdüse aufweist und dadurch gekennzeichnet ist, daß die Schmelzdüse einen im wesentlichen rechteckigen Austrittsquerschnitt aufweist, daß die Gasdüse ebenfalls einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt in Form einer linearen Laval-Düse aufweist, daß die Gasdüse eine zunächst konvergierende laminare beschleunigte Gasströmung erzeugt, die den Schmelzefilm stabilisiert und gleichzeitig verstreckt, bis nach Passieren des engsten Querschnittes im divergenten Teil der Gasdüse der Schmelzefilm gleichmäßig über seine gesamte Länge zerstäubt wird. Durch die erfindungsgemäße Düse mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt, das heißt einem rechteckigen oder weitgehend rechteckigen Querschnitt, kann die Querschnittsfläche über eine Veränderung der Länge des Rechtecks so angepaßt werden, daß jeder beliebige Schmelzedurchsatz erreichbar ist und derart eine hohe Produktionsleistung gegeben ist.For the device according to the invention, a nozzle for atomizing melts is proposed, which has a melt nozzle and a gas nozzle arranged in the flow direction below its outlet and is characterized in that the melt nozzle has an essentially rectangular outlet cross-section, that the gas nozzle also has an essentially rectangular cross-section in the form of a linear Laval nozzle, that the gas nozzle initially generates a converging laminar accelerated gas flow, which stabilizes the melt film and at the same time stretches it until, after passing the narrowest cross-section in the divergent part of the gas nozzle, the melt film is evenly atomized over its entire length. By means of the nozzle according to the invention with an essentially rectangular cross-section, that is to say a rectangular or largely rectangular cross-section, the cross-sectional area can be adapted by changing the length of the rectangle so that any desired melt throughput can be achieved and a high production output is thus achieved.
Gemäß einem vorteilhaften Vorschlag der Erfindung ist der Austrittsquerschnitt der Schmelze- und/oder der Laval-Düse dergestalt modifiziert, daß die beiden kurzen Seiten des Rechtecks des Düsenquerschnitts durch halbe Kreisbögen mit einem Durchmesser entsprechend der Länge der kurzen Seiten ersetzt sind, so daß ein weitgehend rechteckiger Querschnitt gegeben ist.According to an advantageous proposal of the invention, the outlet cross-section of the melt and/or Laval nozzle is modified in such a way that the two short sides of the rectangle of the nozzle cross-section are replaced by half circular arcs with a diameter corresponding to the length of the short sides, so that a largely rectangular cross-section is provided.
Gemäß einem weiteren besonders vorteilhaften Vorschlag der Erfindung ist das Verhältnis der langen Rechteckseite und der kurzen Rechteckseite des Austrittsquerschnitts der Schmelze- und/oder der Laval-Düse mindestens > 1, bevorzugt > 2, besonders bevorzugt > 10. Gemäß einem weiteren vorteilhaften Vorschlag der Erfindung ist die Länge der linearen Laval-Düse im engsten Querschnitt größer als die Länge der Schmelzedüse. Vorteilhafterweise ist das Verhältnis der Breite der Laval-Düse zur Breite der Schmelzedüse > 1 und < 100, bevorzugt < 10.According to a further particularly advantageous proposal of the invention, the ratio of the long rectangular side and the short rectangular side of the outlet cross section of the melt and/or Laval nozzle is at least > 1, preferably > 2, particularly preferably > 10. According to a further advantageous proposal of the invention, the length of the linear Laval nozzle in the narrowest cross section is greater than the length of the melt nozzle. Advantageously, the ratio of the width of the Laval nozzle to the width of the melt nozzle is > 1 and < 100, preferably < 10.
Gemäß einem weiteren besonders vorteilhaften Vorschlag der Erfindung wird der Schmelzedurchsatz durch Verlängerung der Längsseite der Schmelzedüse und entsprechende Verlängerung der Längsseite der Laval-Düse um den gleichen Betrag auf die gewünschte Produktionsleistung angepaßt, ohne daß sich dabei dieAccording to a further particularly advantageous proposal of the invention, the melt throughput is adapted to the desired production output by extending the longitudinal side of the melt nozzle and correspondingly extending the longitudinal side of the Laval nozzle by the same amount, without the
Korngröße des herzustellenden Pulvers verändert oder sich der spezifische Gasverbrauch erhöht.The grain size of the powder to be produced changes or the specific gas consumption increases.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung der zugehörigen Zeichnungen, in denen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt ist. Dabei zeigen:Further details, features and advantages of the present invention emerge from the following description of the accompanying drawings, in which a preferred embodiment of the invention is shown schematically. In the drawings:
Fig. 1 in einer schematischen perspektivischen Ansicht das erfindungsgemäße Verdüsungsprinzip undFig. 1 shows in a schematic perspective view the atomization principle according to the invention and
Fig. 2 eine Projektion des Austrittsquerschnitts der Schmelzedüse auf den engsten Querschnitt der Laval-Düse.Fig. 2 a projection of the exit cross-section of the melt nozzle onto the narrowest cross-section of the Laval nozzle.
Fig. 1 zeigt in einer schematisch perspektivischen Ansicht das vorrichtungsgemäße Verdüsungsprinzip. Ein Gasraum 1 mit einem hohen Druck P1 ist von einem Gasraum 2 mit niedrigem Druck P2 durch eine zunächst konvergierende und dann divergierende Gasdüse 3 mit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt in Form einer linearen Laval-Düse getrennt. Das Druckverhältnis p^/p2 oberhalb der Laval-Düse und unterhalb der Laval-Düse entspricht dabei mindestens dem kritischen Druckverhältnis des verwendeten Verdüsungsgases, so daß das Gas im engsten Querschnitt der Laval-Düse 3 Schallgeschwindigkeit erreicht. Je höher der Verdüsungsgasdruck pi ist, desto feiner ist das erzeugte Pulver. Aus der filmbildenden Schmelzedüse 4 mit im wesentlichen rechteckigem Austrittsquerschnitt fließt die Schmelze 5 filmartig aus. Die Schmelzedüse 4 ist dabei als Gießverteiler oder Schmelztiegel ausgebildet Die Schmelze 5 des zu zerstäubenden Materials wird über bekannte Verfahrenstechniken erzeugt und bereitgestellt. Der Austritt der Schmelzedüse 4 ist oberhalb der Laval-Düse 3 positioniert und parallel zu dieser ausgerichtet Infolge der Druckdifferenz strömt das Verdüsungsgas vom Gasraum 1 in den Gasraum 2. Im konvergenten Teil der Laval-Düse 3 wird das Gas in laminarer Strömung bis auf Schallgeschwindigkeit im engsten Querschnitt beschleunigt. Das Gas strömt immer mit höherer Geschwindigkeit als die Schmelze 5 und stabilisiert, verstreckt und beschleunigt den Schmelzefilm 6. Unterhalb des engsten Querschnitts der Laval-Düse 3 wird der dünne Schmelzefilm 6 schließlich mit hohem spezifischen Impuls über seine gesamte Länge gleichmäßig zu einem feinenFig. 1 shows the atomization principle of the device in a schematic perspective view. A gas chamber 1 with a high pressure P1 is separated from a gas chamber 2 with a low pressure P2 by an initially converging and then diverging gas nozzle 3 with a substantially rectangular cross-section in the form of a linear Laval nozzle. The pressure ratio p^/p2 above the Laval nozzle and below the Laval nozzle corresponds at least to the critical pressure ratio of the atomization gas used, so that the gas reaches the speed of sound in the narrowest cross-section of the Laval nozzle 3. The higher the atomization gas pressure pi, the finer the powder produced. The melt 5 flows out of the film-forming melt nozzle 4 with a substantially rectangular outlet cross-section in the form of a film. The melt nozzle 4 is designed as a pouring distributor or melting crucible. The melt 5 of the material to be atomized is produced and provided using known process technologies. The outlet of the melt nozzle 4 is positioned above the Laval nozzle 3 and aligned parallel to it. As a result of the pressure difference, the atomization gas flows from the gas chamber 1 into the gas chamber 2. In the convergent part of the Laval nozzle 3, the gas is accelerated in laminar flow up to the speed of sound in the narrowest cross section. The gas always flows at a higher speed than the melt 5 and stabilizes, stretches and accelerates the melt film 6. Below the narrowest cross section of the Laval nozzle 3, the thin melt film 6 is finally atomized evenly over its entire length with a high specific impulse to form a fine
Partikelstrahl 7 aus Schmelzetröpfchen zerstäubt, die dann ihre Wärme abgeben und zu einem feinen Pulver erstarren. Der stabile dünne Schmelzefilm 6 ist die Voraussetzung für die Erzeugung besonders feiner Pulver mit einem mittleren Korndurchmesser d5o von etwa 10 pm.Particle beam 7 is atomized from melt droplets, which then release their heat and solidify into a fine powder. The stable thin melt film 6 is the prerequisite for the production of particularly fine powders with an average grain diameter d5o of about 10 pm.
Fig. 2 zeigt eine Projektion der Austrittsfläche 8 der Schmelzedüse 4 auf den engsten Querschnitt 9 der Laval-Düse 3. Der Austrittsquerschnitt 8 der Schmelzedüse 4 und der engste Querschnitt 9 der Lavaldüse 3 weisen an den beiden kurzen Seiten bscj, b^ Kreisbögen mit einem Durchmesser entsprechend der Länge der kurzen Seiten bscj, b|d auf, so daß jeweils ein weitgehend rechteckiger Querschnitt gegeben ist. Das in Fig 2 nicht maßstabsgetreu wiedergegebene Verhältnis der langen Rechteckseiten aSCj, a^, des Austrittsquerschnitts 8 der Schmelzedüse 4 und des engsten Querschnitts 9 der Laval-Düse 3, und der kurzen Rechteckseiten bS(j, b|d, des Austrittsquerschnitts 8 der Schmelzedüse 4 und des engsten Querschnitts 9 der Laval-Düse 3 ist dabei > 10. Die Länge aid des engsten Querschnitts 9 der Laval-Düse 3 ist dabei größer als die Länge aS(j im Austrittsquerschnitt 8 der Schmelzedüse 4. Das Verhältnis bicj/bsd der Breite b|d der Laval-Düse 3 zur Breite bscj der Schmelzedüse 4 ist hier > 1 und < 10.Fig. 2 shows a projection of the exit surface 8 of the melt nozzle 4 onto the narrowest cross section 9 of the Laval nozzle 3. The exit cross section 8 of the melt nozzle 4 and the narrowest cross section 9 of the Laval nozzle 3 have circular arcs on the two short sides b sc j, b^ with a diameter corresponding to the length of the short sides b sc j, b|d, so that a largely rectangular cross section is provided in each case. The ratio (not shown to scale in Fig. 2) of the long rectangular sides a SC j, a^, of the outlet cross section 8 of the melt nozzle 4 and the narrowest cross section 9 of the Laval nozzle 3, and the short rectangular sides b S( j, b|d, of the outlet cross section 8 of the melt nozzle 4 and the narrowest cross section 9 of the Laval nozzle 3 is > 10. The length aid of the narrowest cross section 9 of the Laval nozzle 3 is greater than the length a S( j in the outlet cross section 8 of the melt nozzle 4. The ratio bicj/bsd of the width b|d of the Laval nozzle 3 to the width b sc j of the melt nozzle 4 is here > 1 and < 10.
In den nachfolgenden Beispielen ist die Herstellung feiner Pulver durch Zerstäubung von Schmelzen mit Gasen beschrieben:The following examples describe the production of fine powders by atomizing melts with gases:
Eine Lötzinnschmelze Sn62Pb36Ag2 mit einer Temperatur von 400 CC wird aus einer Graphitschmelzedüse mit einem rechteckigen Austrittsquerschnitt von 15 mm2 bei einer Länge von 30 mm und einem Durchmesser von 0,5 mm ausgegeben. Die verwendete Laval-Düse weist an ihrem engsten Querschnitt eine Länge von 33 mm und eine Dicke von 3,0 mm auf. Als Verdüsungsgas wird Stickstoff mit einem Überdruck p-j von 20 bar über Umgebungsdruck verwendet. Im Gasraum 2, dem sogenannten Sprühturm, befindet sich ebenfalls Stickstoff mit einem Überdruck P2 von 0,1 bar. Die Verdüsung findet bei einem Schmelzedurchsatz von 143 g/s entsprechend 8,6 kg/min = 516 kg/h bei einem spezifischen Gasverbrauch von 2,8 kg Stickstoff (N2) pro kg Metall statt. Der erzielte mittlere Korndurchmesser des hergestellten Pulvers beträgt 9A solder melt Sn62Pb36Ag2 with a temperature of 400 ° C is discharged from a graphite melt nozzle with a rectangular outlet cross-section of 15 mm 2 with a length of 30 mm and a diameter of 0.5 mm. The Laval nozzle used has a length of 33 mm and a thickness of 3.0 mm at its narrowest cross-section. Nitrogen with an overpressure pj of 20 bar above ambient pressure is used as the atomization gas. Gas space 2, the so-called spray tower, also contains nitrogen with an overpressure P2 of 0.1 bar. Atomization takes place at a melt throughput of 143 g/s corresponding to 8.6 kg/min = 516 kg/h with a specific gas consumption of 2.8 kg nitrogen (N2) per kg metal. The average grain diameter of the powder produced is 9
Eine Stahlschmelze der Legierung 42 Cr Mo 4, Werkstoffnummer 1.7225, wird mit einer Temperatur von 1750 0C aus einer Zirkondioxidschmelzedüse mit einer weitgehend rechteckigen Austrittsöffnung von 35 mm^, einer Länge von 50 mm und einem Durchmesser von 0,7 mm ausgegeben. Die Laval-Düse weist an ihrem engsten Querschnitt eine Länge von 55 mm und eine Dicke von 3,5 mm auf. Als Verdüsungsgas wird Agon mit einem Überdruck pi von 30 bar über Umgebungsdruck verwendet. Im Sprühturm 2 befindet sich ebenfalls Stickstoff mit einem Überdruck P2 von 0,1 bar. Die Verdüsung erfolgt bei einem Schmelzedurchsatz von 333 g/s entsprechend 20 kg/min, entsprechend 1200 kg/h bei einem spezifischen Gasverbrauch von 4,5 kg Agon (Ar) pro kg Metall. Es wird ein mittlerer Korndurchmesser des herzustellenden Pulvers von 9,5 pm erzielt.A steel melt of alloy 42 Cr Mo 4, material number 1.7225, is discharged at a temperature of 1750 0 C from a zirconium dioxide melt nozzle with a largely rectangular outlet opening of 35 mm^, a length of 50 mm and a diameter of 0.7 mm. The Laval nozzle has a length of 55 mm and a thickness of 3.5 mm at its narrowest cross-section. Agon with an overpressure pi of 30 bar above ambient pressure is used as the atomization gas. Spray tower 2 also contains nitrogen with an overpressure P2 of 0.1 bar. Atomization takes place at a melt throughput of 333 g/s corresponding to 20 kg/min, corresponding to 1200 kg/h with a specific gas consumption of 4.5 kg Agon (Ar) per kg of metal. An average grain diameter of 9.5 pm is achieved for the powder to be produced.
Eine Silberschmelze mit einer Temperatur von 1060 0C wird aus einer Graphitschmelzedüse mit einem weitgehend rechteckigen Austrittsquerschnitt von 20 miT|2 bei einer Länge von 20 mm und einem Durchmesser von 1,0 mm ausgegeben. Die Laval-Düse weist an ihrem engsten Querschnitt eine Länge von 24 mm und eine Dicke von 4,0 mm auf. Als Verdüsungsgas wird Stickstoff (N2) mit einem Überdruck pi von 18 bar über Umgebungsdruck verwendet. Im Sprühturm 2 befindet sich ebenfalls Stickstoff (IM2) mit einem Überdruck P2 von 0,1 bar. Die Verdüsung erfolgt bei einem Schmelzedurchsatz von 233 g/s entsprechend 14 kg/min, entsprechend 840 kg/h bei einem spezifischen Gasverbrauch von 1,67 kg Stickstoff (N2) pro kg Metall. Es wird ein mittlerer Korndurchmesser von 9,0 pm erzielt.A silver melt with a temperature of 1060 0 C is discharged from a graphite melt nozzle with a largely rectangular outlet cross-section of 20 miT|2 with a length of 20 mm and a diameter of 1.0 mm. The Laval nozzle has a length of 24 mm and a thickness of 4.0 mm at its narrowest cross-section. Nitrogen (N2) with an overpressure pi of 18 bar above ambient pressure is used as the atomization gas. Spray tower 2 also contains nitrogen (IM2) with an overpressure P2 of 0.1 bar. Atomization takes place at a melt throughput of 233 g/s corresponding to 14 kg/min, corresponding to 840 kg/h with a specific gas consumption of 1.67 kg nitrogen (N2) per kg metal. An average grain diameter of 9.0 pm is achieved.
Eine Aluminiumschmelze mit einer Temperatur von 800 0C wird aus einer Tonerdeschmelzedüse (AI2O3) mit einem weitgehend rechteckigen Austrittsquerschnitt von 120 mm2 bei einer Länge von 200 mm und einem Durchmesser von 0,6 mm ausgegeben. Die Laval-Düse weist an ihrem engsten Querschnitt eine Länge von 205 mm und eine Dicke von 3,0 mm auf. Als Verdüsungsgas wird esm Gemisch aus Stickstoff und Sauerstoff mit einem Sauerstoffgehalt von 1 % mitAn aluminium melt with a temperature of 800 0 C is discharged from an alumina melt nozzle (AI2O3) with a largely rectangular outlet cross-section of 120 mm 2 with a length of 200 mm and a diameter of 0.6 mm. The Laval nozzle has a length of 205 mm and a thickness of 3.0 mm at its narrowest cross-section. A mixture of nitrogen and oxygen with an oxygen content of 1 % with
einem Überdruck pi von 30 bar über Umgebungsdruck verwendet. Im Sprühturm 2 befindet sich ebenfalls das Stickstoff-/Sauerstoffgemisch mit einem Überdruck P2 von 0,2 bar, wobei geringe Anteile des Sauerstoffs mit Aluminiumpartikeln oberflächlich reagierten und eine dünne stabile Oxidschicht ausbilden. Die Verdüsung erfolgt bei einem Schmelzedurchsatz von 785 g/s entsprechend 74,1 kg/min, entsprechend 2826 kg/h bei einem spezifischen Gasverbrauch von 5,9 kg Stickstoff (N2) pro kg Metall. Es wird ein mittlerer Korndurchmesser von 10,1 pm erzielt.an overpressure pi of 30 bar above ambient pressure. Spray tower 2 also contains the nitrogen/oxygen mixture with an overpressure P2 of 0.2 bar, whereby small amounts of oxygen react with aluminum particles on the surface and form a thin, stable oxide layer. Atomization takes place at a melt throughput of 785 g/s, corresponding to 74.1 kg/min, corresponding to 2826 kg/h, with a specific gas consumption of 5.9 kg nitrogen (N2) per kg metal. An average grain diameter of 10.1 pm is achieved.
Eine Kaliumchloridschmelze mit einer Temperatur von 820 0C wird aus einer Graphitschmelzedüse mit einem weitgehend rechteckigen Austrittsquerschnitt von 30 mm2 bei einer Länge von 30 mm und einem Durchmesser von 1,0 mm ausgegeben. Die Laval-Düse weist an ihrem engsten Querschnitt eine Länge von 33 mm und eine Dicke von 3,5 mm auf. Als Verdüsungsgas wird Luft mit einem Überdruck p·] von 20 bar über Umgebungsdruck verwendet. Im Sprühturm 2 befindet sich ebenfalls Luft mit einem Überdruck P2 von 0,1 bar. Die Verdüsung erfolgt bei einem Schmelzedurchsatz von 220 g/s entsprechend 13,2 kg/min, entsprechend 792 kg/h mit einem spezifischen Gasverbrauch von 22,1 kg Luft pro kg Salz. Es wird ein mittlerer Korndurchmesser von 8,5 pm erzielt.A potassium chloride melt with a temperature of 820 0 C is discharged from a graphite melt nozzle with a largely rectangular outlet cross-section of 30 mm2, a length of 30 mm and a diameter of 1.0 mm. The Laval nozzle has a length of 33 mm and a thickness of 3.5 mm at its narrowest cross-section. Air with an overpressure p·] of 20 bar above ambient pressure is used as the atomization gas. Spray tower 2 also contains air with an overpressure P2 of 0.1 bar. Atomization takes place at a melt throughput of 220 g/s, corresponding to 13.2 kg/min, corresponding to 792 kg/h, with a specific gas consumption of 22.1 kg of air per kg of salt. An average grain diameter of 8.5 pm is achieved.
Eine Polyethylenschmelze (LDPE) wird mit einer Temperatur von 175 0C aus einer Edelstahlschmeizedüse mit einem rechteckigen Austrittsquerschnitt von 15 mm^ bei einer Länge von 30 mm und einem Durchmesser von 0,5 mm ausgegeben. Die Laval-Düse weist an ihrem engsten Querschnitt eine Länge von 33 mm und eine Dicke von 3,0 mm auf. Als Verdüsungsgas wird Stickstoff (N2) mit einem Überdruck p<| von 10 bar über Umgebungsdruck verwendet. Im Sprühturm 2 befindet sich ebenfalls Stickstoff (N2) mit einem Überdruck P2 von 0,1 bar. Die Verdüsung erfolgt mit einem Schmelzedurchsatz von 20 g/s entsprechend 1,2 kg/min, entsprechend 72 kg/h mit einem spezifischen Gasverbrauch von 9,1 kg Stickstoff (N2) pro kg Polymer. Es wird ein mittlerer Korndurchmesser von 20 &mgr;&igr;&eegr; erzielt.A polyethylene melt (LDPE) is discharged at a temperature of 175 ° C from a stainless steel melt nozzle with a rectangular outlet cross-section of 15 mm^, a length of 30 mm and a diameter of 0.5 mm. The Laval nozzle has a length of 33 mm and a thickness of 3.0 mm at its narrowest cross-section. Nitrogen (N2) with an overpressure p<| of 10 bar above ambient pressure is used as the atomization gas. Spray tower 2 also contains nitrogen (N2) with an overpressure P2 of 0.1 bar. Atomization takes place with a melt throughput of 20 g/s, corresponding to 1.2 kg/min, corresponding to 72 kg/h, with a specific gas consumption of 9.1 kg nitrogen (N2) per kg polymer. An average grain diameter of 20 μηι is achieved.
1 Gasraum mit Druck p-|1 gas chamber with pressure p-|
2 Gasraum mit Druck P22 Gas chamber with pressure P2
3 Laval-Düse3 Laval nozzle
4 Schmelzedüse4 Melt nozzle
5 Schmelze5 Melt
6 Schmelzefilm6 Melt film
7 Partikelstrahl7 Particle beam
P1 Druck oberhalb der Laval-Düse P2 Druck unterhalb der Laval-Düse aS(j Länge der Schmelzedüse bscj Breite der Schmelzedüse Länge der Laval-Düse Breite der Laval-DüseP1 Pressure above the Laval nozzle P2 Pressure below the Laval nozzle a S( j Length of the melt nozzle b sc j Width of the melt nozzle Length of the Laval nozzle Width of the Laval nozzle
Claims (15)
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|---|---|---|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115003436A (en) * | 2019-09-24 | 2022-09-02 | Ald真空技术股份有限公司 | Device for atomizing a melt stream by means of a gas |
-
1998
- 1998-12-14 DE DE29824461U patent/DE29824461U1/en not_active Expired - Lifetime
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115003436A (en) * | 2019-09-24 | 2022-09-02 | Ald真空技术股份有限公司 | Device for atomizing a melt stream by means of a gas |
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