DE3730147A1

DE3730147A1 - Verfahren zur herstellung von pulvern aus geschmolzenen stoffen

Info

Publication number: DE3730147A1
Application number: DE19873730147
Authority: DE
Inventors: Sigurd Dr Rer Nat Joensson; Michael Dipl Ing Hohmann; Gerhard Dr Ing Gross; Hans-Wilhelm Dr Ing Bergmann
Original assignee: Leybold AG; Messer Griesheim GmbH
Current assignee: Messer Griesheim GmbH; Balzers und Leybold Deutschland Holding AG
Priority date: 1987-09-09
Filing date: 1987-09-09
Publication date: 1989-03-23
Also published as: GB8815700D0; GB2209536A; SE8803140L; US4897111A; JPH01100211A; FR2620045A1; SE8803140D0

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Pulvern aus geschmolzenen Stoffen durch Zerstäuben der Schmelze zu Partikeln mittels strömender Medien und Abkühlung der Partikel während ihrer Fallbewegung, mit einer Schmelzvorrichtung, mit einer Zerstäubungs vorrichtung sowie mit einem der Zerstäubungsvorrich tung zugeordneten, an die Schmelzkammer angesetzten Verdüsungsturm.

Es ist bekannt, daß Pulver, z. B. Metallpulver, durch Verdüsen aus der Schmelze hergestellt werden können (DOS 30 34 677). Dabei wird ein Schmelzstrahl entweder durch ein Gas oder durch eine Flüssigkeit, wie Wasser oder Öl, bei hoher relativer Geschwindigkeit des Ver düsungsmediums zum Schmelzenstrahl zu feinen Tröpf chen zerrissen, die in einer nachfolgenden Kühlstrecke erstarren.

Als nachteilig bzw. einschränkend hat sich jedoch her ausgestellt, daß gasverdüste Pulver nur eine grobe mittlere Teilchengröße von typischerweise 40-150 µm besitzen. Auch bei den durch Ultraschall verdüsten Pulvern konnte nur eine graduelle Verringerung der mittleren Teilchengröße erreicht werden. Hinzu kommt eine nur geringe Kühlwirkung des Gases in der nachfol genden Kühlstrecke, besonders unterhalb von ca. 600°C, die bei Legierungen aus Metallen wie z. B. Aluminium basismetallen zu unerwünschten Ausscheidungen während der Pulverherstellung führen können.

Bei den durch Wasser oder Öl verdüsten Pulvern lassen sich kleinere mittlere Teilchengrößen einstellen, als dies bei der Verdüsung mit Gasen möglich ist. Man er hält aber Pulver, die zumindest an der Oberfläche der Pulverteilchen unerwünschte Reaktionsprodukte, wie z. B. Oxide, Hydride, Karbide etc., aufweisen. (Bei der Gasverdüsung kann dies durch die Verwendung von Inertgasen vermieden werden.)

Zusätzliche Schwierigkeiten können sich bei den durch Wasser oder Öl verdüsten Pulvern durch die Notwendig keit ergeben, die Pulver von dem Verdüsungsmedium zu trennen.

Weiterhin ist auch ein Verfahren zur Herstellung von feinen Metallpulvern bekannt, bei dem ein Metallschmelzenstrom in eine Öffnung eines Behäl ters durch Einwirken eines mit Überschallge schwindigkeit strömenden Gases eingeführt wird, wobei das Verhältnis des Gasdruckes in der Nähe der Öffnung außerhalb des Behälters und des Gas druckes innerhalb des Behälters größer als 5 eingestellt wird und wobei das in den Behälter strömende Gas vor dem Einströmen auf eine Tempe ratur im Bereich zwischen dem 0,7- und 1,5fachen der Erstarrungstemperatur des Metalls (in °K) aufweist, wobei der Schmelzstrahl zunächst in Fasern aufgeteilt wird, wobei diese Fasern im Bereich des Unterdruckes im heißen Gas zu Tröpf chen umgeformt werden und wobei diese Tröpfchen im weiteren zu kugeligen Metallpulvern erstarren (DPS 33 11 343). Die Metallschmelze wird dabei an einer Stelle in der Behälteröffnung mit dem Gas in Berührung gebracht, an der der Gasdruck auf weniger als 60% des Druckes vor der Öffnung abgefallen ist. Dieses vorbekannte Verfahren er möglicht es, Feinstpulver mit Teilchen-Durchmes sern von weniger als 40 µm mit einer relativ engen Teilchen-Durchmesserverteilung bei relativ geringem Energieverbrauch herzustellen.

Der vorliegenden Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zu finden, die geeignet ist, gasverdüste Pulver mit einer noch feineren Teilchengröße von extremer Gleichmäßigkeit und Reinheit zu schaffen.

Erfindungsgemäß geschieht dies mit einem Verfah ren, bei dem tiefsiedendes verflüssigtes Gas über die Zerstäubungsvorrichtung unter Druck auf den in den Verdüsungsturm eintretenden Schmelzen strahl gespritzt wird.

Vorzugsweise steht dabei das verflüssigte Gas unter einem Druck von mehr als 50 bar und wird durch eine oder mehrere auf den Schmelzenstrahl gerichtete Düsen der Zerstäubungsvorrichtung ge spritzt, wobei ein aus einer Düse austretender Flüssiggasstrahl und der lotrecht nach unten zu aus der Schmelzkammer ausfließende Schmelzen strahl einen Winkel miteinander bilden, der kleiner als ein rechter Winkel ist.

Mit Vorteil wird flüssiger Stickstoff oder flüs siges Argon mit einem Druck von 50 bis 700 bar auf den Schmelzenstrahl gespritzt. Die Durch satzmenge an tiefsiedendem verflüssigtem Gas wird zweckmäßigerweise dabei so eingestellt, daß die Wärmemenge, die durch das Flüssiggas der Schmelze entzogen werden kann, mehr als das Doppelte, vorzugsweise das 8- bis 10fache der Wärmemenge beträgt, die der Schmelze entzogen werden muß, um sie auf Umgebungstemperatur abzu kühlen.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, die Schmel ze unter Überdruck in den Verdüsungsturm eintre ten zu lassen, um sicherzustellen, daß der Schmelzenstrahl eine genau definierbare Qualität, d. h. Geschwindigkeit, Form und Gleichmäßigkeit aufweist.

Je nach den gewählten Legierungsbestandteilen kann es sich als notwendig erweisen, die Schmel ze unter Vakuum zu erschmelzen und diese ohne den Zutritt von Luft-Sauerstoff direkt der Ver düsung zuzuführen. Ebenso kann es zweckmäßig sein, den Verdüsungsturm vorzukühlen und das Zerstäubungsmedium abzukühlen, damit die aus den Düsen austretenden und auf den Schmelzen strahl gerichteten Gasstrahlen möglichst parallel bleiben.

Die Vorrichtung zur Durchführung des vorstehend beschriebenen Verfahrens weist zweckmäßigerweise einen in die Druckleitung zwischen der Hochdruck pumpe und den Düsen eingeschalteten Wärmetauscher zur Kühlung des flüssigen Gases unter seine Siede temperatur auf.

Um unerwünschte Reaktionen zwischen der in den Kühlturm eintretenden Schmelze und der Umgebungs luft auszuschließen, kann im Verdüsungsturm mit Vorteil vor der Verdüsung eine Schutzgasatmosphäre eingestellt werden.

Um eine unerwünschte Verunreinigung des Verdüsungs turms schon vor dem Verdüsungsvorgang auszuschlie ßen, kann der Verdüsungsturm gegenüber dem Schmelz raum durch eine Membrane oder Ventil verschlossen sein, die erst im Augenblick des Auftreffens des Schmelzenstrahls aufschmilzt.

Vorzugsweise sind die Düsen für das tiefsiedende verflüssigte Gas an in der Wand des Düsenraums schwenkbar gelagerten Halterungen befestigt, wobei die Stellung der Düsen von außen her mit hoher Genauigkeit horizontal und vertikal in einem Bereich zwischen 30 bis 90° veränderbar ist.

Ebenso ist es zweckmäßig, die vorzugsweise als Flach- oder Rundstrahldüsen ausgebildeten Düsen in ihren Halterungen längsverschieblich zu la gern und ihren Abstand zum Schmelzenstrahl so verringerbar zu gestalten, daß ein Aufweiten des Strahls aus dem flüssigen Gas ausgeschlossen ist.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausfüh rungsmöglichkeiten zu; eine davon ist in den an hängenden Zeichnungen schematisch näher darge stellt, und zwar zeigen:

Fig. 1 das Schema einer Anlage zur Herstel lung von Pulvern aus einer Schmelze,

Fig. 2 das Schaltschema für die Versorgung der Zerstäubungsvorrichtung der An lage nach Fig. 1 mit tiefsiedendem verflüssigtem Gas.

Die Anlage besteht im wesentlichen aus einer Schmelzkammer 3, einer in der Schmelzkammer 3 angeordneten Schmelzvorrichtung 4, einem be heizten Tiegel 5 mit einer Auslauföffnung 6 und einer ersten Stromzuführung 7 und einer zweiten Stromzuführung 37, dem unterhalb der Schmelzkammer 3 angeordneten Verdüsungsturm 8 mit der Zerstäubungsvorrichtung 9 und dem Auf fangbehälter 10, dem an die Düsen 11, 12 der Zerstäubungsvorrichtung 9 über eine Drucklei tung 14 mit Hochdruckpumpe 30 und einen in diese eingeschalteten Kühler 13 angeschlossenen Gas-Vorratsbehälter 15, dem Zyklon 16 mit Absaug leitung 17 und Absauggebläse 18 und schließlich dem Pulver-Sammler 20 mit der in die Sauglei tung 22 eingeschalteten Saugpumpe 21.

Wie Fig. 2 zeigt, können anstelle eines einzigen Gas-Vorratsbehälters 15 auch zwei Gas-Vorratsbe hälter 15, 15′ vorgesehen sein, die verflüssigten Stickstoff oder verflüssigtes Argon enthalten. Die Druckleitungen 14 bzw. 14′ können nun mit einer Reihe von Druck-Temperatur- und Durchfluß- Überwachungsgeräten 27, 28 in Verbindung stehen, so daß vor und während des Prozesses der Zustrom von Gas zu den Düsen 11, 11′ bzw. 12 genau über wacht und über die Hochdruckpumpen 29, 30 bzw. die Absperrorgane 31 bis 36 geregelt werden kann.

Vier senkrecht zueinander angeordnete Flachstrahl- oder Rundstrahldüsen (Vollstrahldüsen) 11, 12, ... mit einer Düsenöffnung von 0,5 bis 2 mm werden in ihren Halterungen so eingestellt, daß sie erstens einen Winkel zwischen 30 bis 90 Grad gegen die Vertikale bilden, zweitens auf die Achse A des Verdüsungsturms 8, in der sich auch die Auslauf öffnung 6 des Tiegels 5 befindet, zielen und drittens mindestens jeweils zwei der Flachstrah len 11, 12, ... sich in einer Linie schneiden (bei Vollstrahldüsen in einem Fleck), die einen möglichst geringen Abstand von der Achse des Verdüsungsturms 8 haben. Hierdurch wird ver hindert, daß der Schmelzenstrahl 23 an den Flachstrahlen vorbeifallen kann.

In einer Schmelzkammer 3, in der sich ein Tie gel 5 mit einer Austrittsdüse (2 bis 8 mm Durchmesser) am Boden befindet, die durch eine Stopfenstange verschlossen ist, wird eine Alu miniumlegierung geschmolzen. Die Schmelzkammer 3 befindet sich über dem Verdüsungsturm 8 und ist gegen diesen thermisch isoliert. Der Verdüsungs raum 24 ist durch eine Membrane 25 verschlossen.

Der Verdüsungsraum 24 wird durch Einspritzen von tiefsiedendem verflüssigtem Argongas so lange gekühlt, bis sich am Boden des Verdüsungsraums 24 flüssiges Argon absetzt. Das beim Kühlen der An lage verdampfte Argon verdrängt die Luft im Ver düsungsraum 24 und schafft eine inerte Atmosphäre.

Bei der Verdüsung wird die Schmelze, nachdem die Stopfenstange (nicht näher dargestellt) gezogen wurde, in einer Auslauföffnung 6 zu einem feinen, gleichmäßigen und stabil fließenden Schmelzen strahl 23 geformt, der auf die Membrane 25 fällt, diese schmilzt und dann in den Verdüsungsraum 24 fällt. Die Verdüsungsgeschwindigkeit beträgt ca. 4 kg Schmelze/min; hierzu werden ca. 300 l/min flüssiges Argon verwendet. Das Argon wird auf ca. 250 bar komprimiert und vor der Auslauföffnung unter die Siedetemperatur bei Normaldruck gekühlt. Das bei der Verdüsung verdampfte Gas wird abge führt und in einem oder mehreren Zyklonen 16 von mitgerissenen feinen Pulverteilchen (0,5- 10 µm) getrennt, wobei die Pulverteilchen gleichzeitig klassiert werden können.

Am Boden der Verdüsungsanlage bildet sich ein Sumpf 26 aus flüssigem Gas und gröberen Teil chen (typischerweise größer 10 µm). Nach der Verdüsung und nach Absetzen der Teilchen kann das flüssige Gas über die Saugleitung 22 abge zogen und das Pulver aus dem Pulver-Sammler 20, dem Auffangbehälter 10 und dem Zyklon 16 ent nommen werden.

Beim Verdüsen von Schmelzen aus Eisenlegierungen werden vier senkrecht zueinander angeordnete Flachstrahldüsen mit einer Düsenöffnung von 0,5 bis 2 mm eingestellt, daß sie erstens einen Winkel zwischen 90 bis 30 Grad gegen die Verti kale bilden, zweitens auf die Achse des Verdü sungsturms 8, in der sich auch die Auslauföff nung 6 des Tiegels 5 befindet, zielen und drit tens mindestens jeweils zwei der Flachstrahlen in einer Linie schneiden, die einen möglichst geringen Abstand von der Achse des Verdüsungs turms 8 haben.

Der Verdüsungsraum 24 wird durch Einspritzen von tiefsiedendem verflüssigtem Stickstoff so lange abgekühlt, bis sich am Boden des Verdü sungsraums 24 flüssiger Stickstoff absetzt. Der beim Kühlen der Anlage verdampfte Stickstoff verdrängt die Luft im Verdüsungsraum 24 und schafft eine Schutzgasatmosphäre.

Die Eisenlegierung wird erschmolzen und in einen vorgeheizten Tiegel 5, der eine Austrittsöff nung 6 (2 bis 8 mm Durchmesser) am Boden auf weist, gegossen. Der Tiegel 5 befindet sich über dem Verdüsungsturm 8 und ist gegen diesen thermisch isoliert. Der Verdüsungsraum 24 ist durch eine Membrane 25 verschlossen.

Die Schmelze wird in der Austrittsöffnung 6 zu einem feinen, gleichmäßigen und stabil fließen den Schmelzenstrahl 23 geformt, der auf die Membrane 25 fällt, diese schmilzt und in den Verdüsungsraum 24 fällt. Die Verdüsungsgeschwin digkeit beträgt ca. 8 kg Schmelze/min; hierzu werden ca. 300 l/min flüssiger Stickstoff ver wendet. Der Stickstoff wird auf ca. 600 bar komprimiert und vor den Düsen 11, 12, ... auf eine Temperatur unter, gleich oder nahe der Siedetemperatur bei Normaldruck gekühlt.

Das bei der Verdüsung verdampfte Gas wird abge führt und in einem oder mehreren Zyklonen 16 von mitgerissenen feinen Pulverteilchen (0,5-10 µm) getrennt, wobei die Pulverteilchen gleichzeitig klassiert werden können.

Am Boden der Verdüsungsanlage bildet sich ein Sumpf 26 aus flüssigem Gas und gröberen Teil chen (typischerweise größer 10 µm). Nach der Verdüsung und nach Absetzen der Teilchen kann das flüssige Gas abgelassen und das Pulver ent nommen werden.

Auflistung der Einzelteile:

3 Schmelzkammer
4 Schmelzvorrichtung
5 beheizter Tiegel
6 Auslauföffnung
7 Stromzuführung
8 Verdüsungsturm
9 Zerstäubungsvorrichtung
10 Auffangbehälter
11 Düse
12 Düse
13 Kühler
14 Druckleitung
15 Gas-Vorratsbehälter
16 Zyklon
17 Absaugleitung
18 Abaugpumpe
19 Pulversammler
20 Pulversammler
21 Saugpumpe
22 Saugleitung
23 Schmelzstrahl
24 Verdüsungsraum
25 Membrane
26 Sumpf
27 Durchflußmeßgerät
28 Druckmeßstelle
29 Hochdruckpumpe
30 Hochdruckpumpe
31-36 Absperrorgan
37 Stromzuführung

Claims

1. Verfahren zur Herstellung von Pulvern aus ge schmolzenen Stoffen durch Zerstäuben der Schmel ze zu Partikeln mittels strömender Medien und Abkühlung der Partikel während ihrer Fallbewe gung, mit einer Schmelzvorrichtung (4), mit einer Zerstäubungsvorrichtung (9) sowie mit einem der Zerstäubungsvorrichtung (9) zugeord neten, an die Schmelzkammer (3) angesetzten Verdüsungsturm (8), dadurch gekennzeichnet, daß tiefsiedendes verflüssigtes Gas über die Zerstäubungsvorrichtung (9) unter Druck auf den in den Verdüsungsturm (8) eintretenden Schmelzenstrahl (23) gespritzt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net, daß das tiefsiedende verflüssigte Gas unter einem Druck von mehr als 50 bar durch eine oder mehrere auf den Schmelzenstrahl (23) gerichtete Düsen (11, 12, ...) der Zerstäubungsvorrichtung gespritzt wird, wobei ein aus einer Düse (11, 12, ...) austretender Flüssiggasstrahl und der lotrecht nach unten zu aus der Schmelzkammer ausfließende Schmelzenstrahl (23) einen Winkel (α) miteinander bilden, der kleiner als ein rechter Winkel ist.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß flüssiger Stickstoff oder flüssiges Argon mit einem Druck von 50 bis 700 bar auf den Schmelzenstrahl (23) gespritzt wird.

4. Verfahren nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Durchsatzmenge an tiefsiedendem verflüssig tem Gas so eingestellt wird, daß die Wärme menge, die durch das Flüssiggas der Schmelze entzogen werden kann, mehr als das Doppelte, vorzugsweise das 8- bis 10fache der Wärmemenge beträgt, die der Schmelze entzogen werden muß, um sie auf Umgebungstemperatur abzukühlen.

5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze unter Überdruck in den Verdüsungs turm (8) eintritt.

6. Verfahren nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schmelze unter Vakuum oder Inertgas ge schmolzen wird und ohne Zutritt von Luft direkt der Verdüsung zuführbar ist.

7. Verfahren nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Verdüsungsturm (8) vorkühlbar ist.

8. Verfahren nach einem oder mehreren der vorher gehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Verdüsung im Verdüsungsturm (8) eine Schutzgasatmosphäre einstellbar ist.

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen in die Druckleitung (14) zwischen der Hochdruckpumpe (29) und den Düsen (11, 12, ...) eingeschalteten Wärmetauscher (13) zur Kühlung des flüssigen Gases auf oder nahe seiner Siedetemperatur bei Normaldruck durch ein tief siedendes verflüssigtes Gas, vorzugsweise flüs siger Stickstoff.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, daß der Verdüsungsturm (8) gegenüber der Schmelzkammer (3) durch eine Membrane (25) oder Ventil verschlossen ist, die erst im Augenblick des Auftreffens des Schmelzenstrahls (23) aufschmilzt.

11. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 10, da durch gekennzeichnet, daß die Düsen 11, 12, ...) für das tiefsiedende verflüssigte Gas an in der Wand der Zerstäubungsvorrichtung (9) schwenkbar gelagerten Halterungen befestigt sind, wobei die Stellung der Düsen (11, 12, ...) von außen her mit hoher Genauigkeit hori zontal und vertikal in einem Bereich zwischen (α=) 30 bis 90° veränderbar ist.

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 bis 11, da durch gekennzeichnet, daß die vorzugsweise als Flachstrahldüsen ausgebildeten Düsen (11, 12, ...) in ihren Halterungen längsverschieblich gelagert sind und ihr Abstand zum Schmelzen strahl (23) so verringerbar ist, daß eine Auf weitung des Strahls aus dem flüssigen Gas ver nachlässigbar ist.