DE102019122000A1

DE102019122000A1 - Verfahren und Vorrichtung zum Zerteilen einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit

Info

Publication number: DE102019122000A1
Application number: DE102019122000.9A
Authority: DE
Inventors: Henrik Franz; Sergejs Spitans
Original assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Current assignee: ALD Vacuum Technologies GmbH
Priority date: 2019-08-15
Filing date: 2019-08-15
Publication date: 2021-02-18
Also published as: AU2020328173A1; EP3983157A1; CN114245762A; TW202112469A; WO2021028477A1; US11919089B2; US20220410264A1; JP2022544669A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Zerteilen einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, insbesondere eines Schmelzstrahls, das die Schritte umfasst: Bereitstellen der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, die sich in Form eines Flüssigkeits-strahls (10) in einer ersten Richtung (12) bewegt; und Erzeugen von den Flüssigkeitsstrahl (10) umgebenden hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfeldern, die in der ersten Richtung (12) wandern und den Flüssigkeitsstrahl (10) in der ersten Richtung (12) beschleunigen, wodurch der Flüssigkeits-strahl (10) zerstäubt wird.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zerteilen, d.h. zum Zerstäuben bzw. Verdüsen, einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit. Das Zerstäuben bzw. Verdüsen der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit dient dazu, die elektrisch leitfähige Flüssigkeit in Mikrotropfen zu zerteilen. Insbesondere kann das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen von hochreinen sphärischen Metallpulvern durch Zerstäuben bzw. Verdüsen eines Schmelzstrahls eingesetzt werden.
Hintergrund der Erfindung
Aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren und Vorrichtungen zum Erzeugen von zerstäubten Mikrotropfen basieren häufig auf einer Inertgasverdüsung eines flüssigen bzw. verflüssigten Materials. Aus der Praxis sind diese Verfahren insbesondere aus dem Gebiet der Metallpulverherstellung bekannt. Hierbei wird ein Schmelzstrahl einer Metall- oder Metalllegierungsschmelze bereitgestellt und mittels eines durch eine Inertgasdüse aufgebrachten Inertgases zerstäubt.
Ein Nachteil solcher Metallpulverherstellungsverfahren ist der hohe Verbrauch an Inertgas und damit verbundene hohe Betriebskosten.
Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu überwinden. Insbesondere besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Zerteilen einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, insbesondere eines Schmelzstrahls, bereitzustellen, die eine Verringerung der Betriebskosten ermöglichen.
Die Aufgaben werden durch ein Verfahren und durch eine Vorrichtung zum Zerteilen einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit gemäß den unabhängigen Patentansprüchen gelöst. Weiterbildungen und Ausführungsformen des Verfahrens und der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche und der nachstehenden Beschreibung.
Beschreibung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Zerteilen einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, insbesondere eines Schmelzstrahls, umfasst den Schritt des Bereitstellens der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, die sich in Form eines Flüssigkeitsstrahls in einer ersten Richtung bewegt.
Das Zerteilen bezeichnet im Rahmen der vorliegenden Erfindung das Zerstäuben oder Verdüsen der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit. Der Flüssigkeitsstrahl bezeichnet hier einen kontinuierlichen Flüssigkeitsstrahl oder zumindest eine Reihung von nah aufeinanderfolgenden Flüssigkeitstropfen. Der Flüssigkeitsstrahl bewegt sich im Wesentlichen entlang einer Strahlmittelachse des Flüssigkeitsstrahls in der ersten Richtung. Insbesondere kann die elektrisch leitfähige Flüssigkeit eine Metall- oder Metalllegierungsschmelze sein, die in Form eines Schmelzstrahls bereitgestellt wird. Jedoch sind das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung nicht auf die Zerstäubung von Metallschmelzen beschränkt, sondern können zum Zerstäuben einer beliebigen elektrisch leitfähigen Flüssigkeit eingesetzt werden, welche mittels elektromagnetischer Wanderfelder beeinflussbar sind.
Ein weiterer Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens ist das Erzeugen von den Flüssigkeitsstrahl umgebenden hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfeldern, die in der ersten Richtung wandern und den Flüssigkeitsstrahl in der ersten Richtung beschleunigen, wodurch der Flüssigkeitsstrahl zerstäubt wird.
Genauer gesagt können die in die erste Richtung wandernden hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfelder, aufgrund deren Anordnung umfänglich um den Flüssigkeitsstrahl, außenliegende Schichten des Flüssigkeitsstrahls stärker beschleunigen als innenliegende Schichten des Flüssigkeitsstrahls. Die hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfelder erzeugen nämlich Lorentz-Kräfte starken tangentialen Komponenten in den außenliegenden Schichten des Flüssigkeitsstrahls, die insbesondere und im Wesentlichen die außenliegenden Schichten beschleunigen. Hierdurch stellt sich ein kritisches Geschwindigkeitsprofil mit einem großen Geschwindigkeitsgradienten in dem Flüssigkeitsstrahl ein, welches sich im Längsschnitt als U-förmiges Geschwindigkeitsprofil in dem Flüssigkeitsstrahl darstellen kann. Insbesondere kann hier ein Geschwindigkeitsprofil einer laminaren Rohrströmung im Wesentlichen in das U-förmige Geschwindigkeitsprofil umgekehrt werden. Der Druck innerhalb des Flüssigkeitsstrahls wird gegenüber einem den Flüssigkeitsstrahl umgebenden Druck abrupt bzw. schlagartig erhöht, so dass der Flüssigkeitsstrahl aufgrund des Druckunterschieds zerfällt bzw. zerstäubt/verdüst wird. Das Zerstäuben bzw. Verdüsen führt zu einem Zerfall des Flüssigkeitsstrahls in Ligamente und erzeugt so die gewünschten Mikropartikel. Zusätzlich zu der Druckerhöhung innerhalb des Flüssigkeitsstrahls kann es auch zu einer Überhitzung des Flüssigkeitsstrahls kommen.
Im Unterschied zu herkömmlichen Zerstäubungsverfahren kann durch das erfindungsgemäße Verfahren ein homogener Flüssigkeitsstrahl, beispielsweise ein Schmelzstrahl, mittels hochfrequenter elektromagnetischer Wanderfelder zerstäubt werden. Hierfür ist kein einzubringendes Inertgas erforderlich, wodurch die Betriebskosten des Verfahrens reduziert werden können.
In einer Weiterbildung können die hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfelder eine Wechselstrom-Frequenz von wenigstens 0,1 MHz, vorzugsweise wenigstens 1 MHz, weiter bevorzugt von wenigstens 10 MHz, noch weiter bevorzugt von wenigstens 100 MHz aufweisen. Beispielsweise können die elektromagnetischen Wanderfelder eine Wechselstrom-Frequenz zwischen 0,1 MHz und 100 MHz aufweisen. Die Wechselstromfrequenz kann nach Maßgabe der weiteren Verfahrensparameter einstellbar sein, insbesondere in Abhängigkeit des Materials des zu zerstäubenden Flüssigkeitsstrahls und/oder der Größe der zu erzeugenden Mikropartikel bzw. Mikrotropfen.
Gemäß einer Ausführungsform können die hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfelder mittels einer Spulenanordnung mit wenigstens einem Polpaar, vorzugsweise mit einer Mehrzahl von Polpaaren erzeugt werden. Beispielsweise kann die Spulenanordnung wenigstens zwei Polpaare, weiter bevorzugt mit wenigstens drei Polpaaren, noch weiter bevorzugt wenigstens vier oder mehr Poolpaare umfassen. Im Falle einer Spulenanordnung mit einer Mehrzahl Polpaaren, können die Polpaare jeweils von entlang der Strahlmittelachse parallel zu den benachbarten Polpaaren angeordnet sein. Die Spulenanordnung kann so angesteuert werden, dass die hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfelder in der ersten Richtung wandern, d.h. dass diese sich im Wesentlichen in der ersten Richtung bewegen.
In einer Ausführungsform kann ein weiterer Schritt des Verfahrens das Erzeugen eines den Flüssigkeitsstrahl umgebenden Gasstroms sein, der sich im Wesentlichen in der ersten Richtung bewegt und den Flüssigkeitsstrahl in der ersten Richtung zusätzlich beschleunigt. Als Gas kann vorzugsweise Inertgas verwendet werden, beispielsweise Argon. Das Gas kann einen hohen Druck aufweisen, beispielsweise zwischen 0 Pa und 10 MPa, vorzugsweise zwischen 0,1 MPa und 5 MPa. Der Gasstrom kann mittels einer Inertgasdüse erzeugt werden. Der Gasstrom kann in Form einer überlagernden Beschleunigung zusätzlich zu und gemeinsam mit den hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfeldern auf den Flüssigkeitsstrahl einwirken. Der Gasstrom kann den Flüssigkeitsstrahl gleichzeitig zu, zeitlich und/oder räumlich vor und/oder zeitlich und/oder räumlich nach der Spulenanordnung beschleunigen. Dabei wirkt der Gasstrom über Scherspannungen auf den Flüssigkeitsstrahl ein. Somit stellt sich das kritische Geschwindigkeitsprofil (U-Geschwindigkeitsprofil) und damit der hohe innere Druck in dem Flüssigkeitsstrahl mittels der hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfelder und mittels des Gasstroms ein, wodurch der Flüssigkeitsstrahl effektiv zerstäubt wird. Trotz eines zusätzlichen Aufbringens eines Gasstroms, kann auch in diesem Ausführungsbeispiel der Gasverbrauch gegenüber herkömmlichen Verdüsungsverfahren reduziert werden, da die Zerstäubung nicht allein durch den Gasstrom, sondern gemeinsam mit den elektromagnetischen Wanderfeldern bewirkt wird.
Die Inertgasdüse kann eine Lavaldüse sein.
In einer Ausführungsform können die hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfelder mittels einer in die Inertgasdüse integrierten Spulenanordnung erzeugt werden. In diesem Fall kann der Flüssigkeitsstrahl im Wesentlichen gleichzeitig mittels des Gasstroms und mittels der hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfelder beschleunigt werden.
In einer Ausführungsform können die hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfelder mittels einer entlang der Strahlmittelachse der Inertgasdüse vor- oder nachgelagerten Spulenanordnung erzeugt werden. In diesem Fall wirken die Beschleunigungen des Flüssigkeitsstrahls durch die hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfelder und den Gasstrom zumindest teilweise nacheinander auf den Flüssigkeitsstrahl bzw. den zumindest teilweise bereits zerstäubten Flüssigkeitsstrahl ein.
In einer Ausführungsform kann der Flüssigkeitsstrahl mittels eines über eine Ringdüse eingebrachten weiteren Gasstroms zerstäubt werden. Dieser weitere Gasstrom kann impulsartig bzw. prallartig auf den Flüssigkeitsstrahl bzw. den zumindest teilweise bereits zerstäubten Flüssigkeitsstrahl einwirken. Auch hierfür kann als Gas Inertgas verwendet werden, beispielsweise Argon. Die Ringdüse kann entlang der Strahlmittelachse betrachtet der Spulenanordnung nachgelagert sein. Die Ringdüse kann entlang der Strahlmittelachse betrachtet der Inertgasdüse nachgelagert sein.
Das Verfahren kann insbesondere ein EIGA-Verfahren (EIGA, engl.: „Electrode Induction Melting (Inert) Gas Atomization“) sein oder in einem EIGA-Verfahren verwendbar sein. Das Verfahren kann ein VIGA-Verfahren (VIGA, engl.: „Vacuum Induction Melting combined with Inert Gas Atomization“), ein PIGA-Verfahren (PIGA, engl.: „Plasma Melting Induction Guiding Gas Atomization“), ein CCIM-Verfahren (CCIM, engl.: „Cold Crucible Induction Melting“) oder ein sonstiges Verfahren zur Pulverherstellung sein.
Der Flüssigkeitsstrahl kann insbesondere durch Abschmelzen einer vertikal aufgehängten, rotierenden Elektrode mittels einer konischen Induktionsspule erzeugt werden. Hierzu kann die Elektrode kontinuierlich in Richtung der Induktionsspule verlagert werden, um mittels dieser berührungslos an- bzw. abgeschmolzen zu werden. Die Rotationsbewegung der Elektrode um die eigene Längsachse kann für ein gleichförmiges Schmelzen der Elektrode sorgen. Das Abschmelzen der Elektrode und das Zerstäuben des dadurch erzeugten Schmelzstrahls können unter Vakuum oder unter einer Inertgasatmosphäre erfolgen, um ungewünschte Reaktionen des abgeschmolzenen Materials, beispielsweise mit Sauerstoff, zu vermeiden. Das EIGA-Verfahren kann zur keramikfreien Herstellung hochreinen Metall- bzw. Edelmetallpulvern eingesetzt werden, wie beispielsweise zur Herstellung von Pulvern aus Titan-, Zirkonium-, Niob- und Tantallegierungen.
In einer Weiterbildung kann das Verfahren ferner den Schritt eines Abkühlens des zerstäubten Flüssigkeitsstrahls zum Erzeugen von erstarrten, insbesondere sphärischen, Partikeln umfassen. Die Abkühlung kann dabei unter lokalen Abkühlbedingungen erfolgen. Auch kann das Abkühlen speziell durch eine in einem Auffangbehälter integrierte Kühleinrichtung aktiv beeinflusst werden.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Zerteilen einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, insbesondere eines Schmelzstrahls. Die Vorrichtung umfasst eine Flüssigkeitsquelle zum Bereitstellen eines sich in einer ersten Richtung bewegenden Flüssigkeitsstrahls der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit und eine Spulenanordnung mit wenigstens einem Polpaar, die der Flüssigkeitsquelle in Bezug auf die Bewegungsrichtung des Flüssigkeitsstrahls nachgelagert und bezogen auf eine Strahlmittelachse koaxial zu dem Flüssigkeitsstrahl angeordnet ist. Die Spulenanordnung ist dazu eingerichtet, hochfrequente elektromagnetische Wanderfelder zu erzeugen, die den Flüssigkeitsstrahl umgeben und in der ersten Richtung wandern, um den Flüssigkeitsstrahl mittels der hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfelder in der ersten Richtung zu beschleunigen und den Flüssigkeitsstrahl dadurch zu zerstäuben.
Die Vorrichtung kann dazu eingerichtet sein, das vorstehend beschriebene Verfahren zum Zerteilen der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit auszuführen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Spulenanordnung zum Erzeugen der hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfelder meine Mehrzahl von Polpaaren umfassen. Beispielsweise kann die Spulenanordnung wenigstens zwei Polpaare, weiter bevorzugt mit wenigstens drei Polpaaren, noch weiter bevorzugt wenigstens vier oder mehr Poolpaare umfassen. Die Polpaare einer Mehrzahl von Polpaaren können jeweils von entlang der Strahlmittelachse des Flüssigkeitsstrahls parallel zu den benachbarten Polpaaren angeordnet sein. Die Spulenanordnung kann derart ansteuerbar sein, dass die hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfelder mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit in der ersten Richtung wandern, d.h. dass diese sich mit der vorbestimmten Geschwindigkeit im Wesentlichen in der ersten Richtung bewegen.
In einer Weiterbildung können die hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfelder eine Wechselstrom-Frequenz von wenigstens 0,1 MHz, vorzugsweise wenigstens 1 MHz, weiter bevorzugt von wenigstens 10 MHz, noch weiter bevorzugt von wenigstens 100 MHz aufweisen. Beispielsweise können die elektromagnetischen Wanderfelder eine Wechselstrom-Frequenz zwischen 0,1 MHz und 100 MHz aufweisen. Die Wechselstromfrequenz kann nach Maßgabe der weiteren Verfahrensparameter eingestellt oder einstellbar sein, insbesondere in Abhängigkeit des Materials des zu zerstäubenden Flüssigkeitsstrahls und/oder der Größe der zu erzeugenden Mikropartikel bzw. Mikrotropfen.
Gemäß einer Ausführungsform kann die Vorrichtung eine Inertgasdüse umfassen, die dazu ausgebildet ist, einen den Flüssigkeitsstrahl umgebenden und sich im Wesentlichen in der ersten Richtung bewegenden Gasstrom zu erzeugen, um den Flüssigkeitsstrahl mittels des Gasstroms in der ersten Richtung zusätzlich zu beschleunigen. Der Gasstrom kann ein Inertgasstrom sein, wobei als Inertgas beispielsweise Argon verwendet werden kann.
Der Gasstrom kann mittels einer Inertgasdüse in Form einer Lavaldüse erzeugt werden.
In einer Ausführungsform kann die Spulenanordnung in der Inertgasdüse angeordnet bzw. integriert sein. Die Spulenanordnung und die Inertgasdüse können koaxial zueinander angeordnet sein. In diesem Fall kann der Flüssigkeitsstrahl im Wesentlichen gleichzeitig mittels des Gasstroms und mittels der hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfelder beschleunigt werden.
In einer Ausführungsform kann die Spulenanordnung entlang der Strahlmittelachse betrachtet der Inertgasdüse vor- oder nachgelagerten sein. In diesem Fall wirken die Beschleunigungen des Flüssigkeitsstrahls durch die hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfelder und den Gasstrom zumindest teilweise nacheinander auf den Flüssigkeitsstrahl bzw. den zumindest teilweise bereits zerstäubten Flüssigkeitsstrahl ein.
Der Gasstrom kann durch die Anordnung der Inertgasdüse in Form einer überlagernden Beschleunigung zusätzlich zu und gemeinsam mit den hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfeldern auf den Flüssigkeitsstrahl einwirken. Somit kann das kritische Geschwindigkeitsprofil in dem Flüssigkeitsstrahl mittels der hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfelder und mittels des Gasstroms einstellbar sein, um den Flüssigkeitsstrahl effektiv zu zerstäuben. Trotz eines zusätzlichen Aufbringens eines Gasstroms, kann auch in diesem Ausführungsbeispiel der Gasverbrauch im Vergleich zu herkömmlichen Verdüsungsvorrichtungen reduziert werden, da die Zerstäubung nicht allein durch den Gasstrom, sondern gemeinsam mit den elektromagnetischen Wanderfeldern bewirkbar ist.
In einer Weiterbildung kann die Vorrichtung eine Ringdüse umfassen, wobei die Ringdüse dazu eingerichtet ist, den Flüssigkeitsstrahl mittels eines über die Ringdüse eingebrachten weiteren Gasstroms zusätzlich zu zerstäuben. Die Ringdüse kann dazu eingerichtet sein, den Flüssigkeitsstrahl bzw. den zumindest teilweise bereits zerstäubten Flüssigkeitsstrahl mittels eines impulsartig auf den Flüssigkeitsstrahl bzw. den zumindest teilweise bereits zerstäubten Flüssigkeitsstrahl weiter zu zerstäuben. Auch hierfür kann als Gas Inertgas verwendet werden, beispielsweise Argon. Die Ringdüse kann entlang der Strahlmittelachse betrachtet der Spulenanordnung nachgelagert sein. Die Ringdüse kann entlang der Strahlmittelachse betrachtet der Inertgasdüse nachgelagert sein.
In einer Ausführungsform mit einer Inertgasdüse und einer Ringdüse, können diese beiden Düsen in einer Düsenanordnung ausgebildet sein. Die Düsenanordnung kann einstückig sein.
In einer Ausführungsform mit einer Inertgasdüse und einer Ringdüse, kann durch das Zusammenspiel und die Einstellungen der Spulenanordnung, der Inertgasdüse und der Ringdüse die Qualität und/oder die Partikelgröße des herzustellenden Pulvers beeinflusst werden.
In einer Weiterbildung kann die Flüssigkeitsquelle eine Schmelzstrahlquelle sein, insbesondere in Form einer Elektrode. Der Flüssigkeitsstrahl kann in dieser Weiterbildung ein Schmelzstrahl aus abgeschmolzenem Elektrodenmaterial sein. Die Elektrode kann eine vertikal aufgehängte, drehbare Elektrode sein. Beispielsweise kann die Elektrode umfassen oder bestehen aus: Titan, einer Titanlegierung, einer Legierung auf Zirkonium-, Niob-, Nickel- oder Tantal-Basis, einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung, einer Kupfer- oder Aluminiumlegierung, einem Spezialmetall oder einer Spezialmetalllegierung. Die Elektrode kann einen Durchmesser von mehr als 50 mm und bis zu 150 mm und eine Länge von mehr als 500 mm und bis zu 1000 mm haben.
Ferner kann die Vorrichtung eine koaxial zu der Elektrode und im Bereich eines unteren Endes der Elektrode angeordnete konische Induktionsspule umfassen, die dazu eingerichtet ist, die Elektrode abzuschmelzen, um so den Schmelzstrahl zu erzeugen. Hierzu kann die Elektrode kontinuierlich in Richtung der Induktionsspule verlagerbar sein. Die Elektrode und die Induktionsspule können in einem mit Vakuum oder einer Inertgasatmosphäre beaufschlagten Gehäuse angeordnet sein.
In einer Weiterbildung kann die Vorrichtung einen Verdüsungsturm zum Abkühlen und Erstarren des zerstäubten Flüssigkeitsstrahls umfassen. Dieser Verdüsungsturm kann mit dem Gehäuse verbunden sein und ebenfalls mit Vakuum oder einer Inertgasatmosphäre beaufschlagt sein. Die Spulenanordnung, und falls vorhanden die Inertgasdüse, können ebenfalls in dem Gehäuse im Bereich der Verbindung mit dem Verdüsungsturm angeordnet sein. Der Verdüsungsturm kann mit einer Kühleinrichtung versehen sein, um den zerstäubten Flüssigkeitsstrahl aktiv zu kühlen und so die Partikelbildung gezielt zu beeinflussen.
Die Vorrichtung kann eine EIGA-Anlage sein oder in einer EIGA-Anlage installierbar sein.
Obgleich einige Aspekte und Merkmale lediglich in Bezug auf das erfindungsgemäße Verfahren beschrieben worden sind, können diese entsprechend für die Vorrichtung sowie Weiterbildungen gelten und umgekehrt.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachstehend in Bezug auf die beiliegenden schematischen Figuren näher erläutert. Es stellen dar:

1 eine schematische Darstellung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens.
2 eine schematische Darstellung der Funktionsweise eines Verfahrens einer Verdüsung mittels Lavaldüse.
3 eine schematische Darstellung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem EIGA-Verfahren zeigt.

Figurenbeschreibung
1 zeigt einen Ausschnitt eines Flüssigkeitsstrahls 10 einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit in einem Längsschnitt. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Flüssigkeitsstrahl 10 ein im Wesentlichen kontinuierlicher Schmelzstrahl einer Metallschmelze. Der Flüssigkeitsstrahl 10 bewegt sich ausgehend von einer Flüssigkeitsquelle (nicht gezeigt) in einer ersten Richtung 12 entlang seiner Strahlmittelachse A. In der gezeigten Darstellung der 1 fällt der Flüssigkeitsstrahl 10 aufgrund der Gravitationskraft von oben nach unten.
Der Flüssigkeitsstrahl 10 tritt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung 20 zum Zerstäuben des Flüssigkeitsstrahls 10 hindurch. Die Vorrichtung 20 umfasst in dem gezeigten Ausführungsbeispiel eine Spulenanordnung 22 mit drei Polpaaren 24A, 24B, 24C. Es versteht sich, dass die Spulenanordnung in alternativen Ausführungsbeispielen mehr oder weniger als drei Polpaare haben kann. Die Spulenanordnung 22 ist der nicht gezeigten Flüssigkeitsquelle in Bewegungsrichtung betrachtet nachgelagert und die Wicklungen sind parallel zueinander und koaxial zu dem Flüssigkeitsstrahl 10 angeordnet.
Die einzelnen Polpaare 24A, 24B, 24C sind derart nacheinander ansteuerbar, dass Phasenwechsel φ_i und hierdurch hochfrequente elektromagnetische Wanderfelder erzeugt werden. Die Abfolge der Phasenwechsels φ_i ist beispielhaft durch die gezeigten Nummerierungen φ₁ , φ₂ , φ₃ veranschaulicht. Die hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfelder können beispielsweise eine Wechselstrom-Frequenz zwischen 0,1 und 100 MHz aufweisen.
Die hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfelder bewegen sich durch den Phasenwechsel φ_i ebenfalls in der ersten Richtung 12. Durch die Anordnung der Wicklungen der Spulenanordnung 22 um den Flüssigkeitsstrahl 10 herum, wirken von den hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfeldern erzeugte Lorentz-Kräfte 26 mit starken tangentialen Komponenten im Wesentlichen auf außenliegende Schichten des Flüssigkeitsstrahls 10 ein und beschleunigen diese zusätzlich in der ersten Richtung 12. Somit werden außenliegende Schichten des Flüssigkeitsstrahls 10 stärker beschleunigt als innenliegende Schichten des Flüssigkeitsstrahls 10, wodurch sich ein kritisches Geschwindigkeitsprofil mit einem großen Geschwindigkeitsgradienten in dem Flüssigkeitsstrahl einstellt. Die im Strahlenverlauf des Flüssigkeitsstrahls vorherrschenden Geschwindigkeiten, die die Geschwindigkeitsprofile innerhalb des Flüssigkeitsstrahls veranschaulichen, sind durch die Pfeile v_m dargestellt, wobei längere Pfeile höhere Geschwindigkeiten und kürzere Pfeile geringere Geschwindigkeiten bedeuten (aus Übersichtsgründen ist nur ein Pfeil mit dem Bezugszeichen v_m versehen). Im Längsschnitt zeigt sich das kritische Geschwindigkeitsprofil am Austritt des Flüssigkeitsstrahls 10 aus der Spulenanordnung 22 als U-förmiges Geschwindigkeitsprofil 28. Der große Geschwindigkeitsgradient innerhalb des Flüssigkeitsstrahls 10 erhöht den Druck innerhalb des Flüssigkeitsstrahls 10. Hierdurch kommt es zu einem großen Druckunterschied zwischen dem hohen Druck innerhalb des Flüssigkeitsstrahls 10 und einem den Flüssigkeitsstrahl umgebenden, wesentlich geringeren Druck. Aufgrund des Druckunterschieds kommt es zu einem Zerfall des Flüssigkeitsstrahls 10 in Ligamente, das heißt der Flüssigkeitsstrahl 10 wird in Mikropartikel zerstäubt. Die Mikropartikel können beispielsweise eine mittlere Partikelgröße bzw. einen mittleren Partikeldurchmesser d₅₀ zwischen 20 µm und 100 µm haben.
2 zeigt einen Ausschnitt eines Schmelzstrahls 110 einer Metallschmelze in einem Längsschnitt. Der Flüssigkeitsstrahl 110 wird mittels eines Inertgasverdüsungsverfahrens bzw. einer Lavalverdüsung zerstäubt. Hierbei tritt der Schmelzstrahl 110 durch eine Öffnung einer Inertgasdüse 120 hindurch, um in einen Verdüsungsturm (nicht gezeigt) zu gelangen.
Im Gegensatz zu dem in 1 gezeigten Verfahren, wird das kritische Geschwindigkeitsprofil in dem Schmelzstrahls 110 bei dem in 2 gezeigten Verfahren mittels eines Inertgasstroms 122 erzeugt. Der Inertgasstrom 122 strömt über die Inertgasdüse 120 mit einer hohen Geschwindigkeit v_g in den Verdüsungsturm. Da der Schmelzstrahl 110 mittig durch die Inertgasdüse 120 hindurchtritt, umgibt der Inertgasstrom 122 den Schmelzstrahl 110 und wirkt über Scherspannungen auf die außenliegenden Schichten des Schmelzstrahls 110 ein. Die außenliegenden Schichten des Schmelzstrahls 110 werden dadurch in der ersten Richtung 12 stärker beschleunigt als innenliegende Schichten des Schmelzstrahls 110. Hierdurch wird ein kritisches Geschwindigkeitsprofil 128 innerhalb des Schmelzstrahls 110 erzeugt und es kommt zu einer Zerstäubung des Schmelzstrahls 110 nach dem Austritt aus der Inertgasdüse 120 bzw. nach dem Eintritt in den angeschlossenen Verdüsungsturm.
3 zeigt eine schematische Darstellung der Funktionsweise des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem EIGA-Verfahren bzw. eines Ausschnitts einer Schnittdarstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung 20 in einer EIGA-Anlage 200. Gleiche Komponenten und Merkmale sind mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 versehen.
Wie in 3 zu erkennen ist, ist die Spulenanordnung 22 in dem gezeigten Ausführungsbeispiel in eine Inertgasdüse 30 integriert, die in Form einer Lavaldüse ausgebildet ist. 3 zeigt somit eine Ausführungsform der Erfindung, die eine Kombination der in den 1 und 2 gezeigten Verfahren umfasst. Hierdurch ergeben sich überraschende Synergieeffekte, die zu einer weiter verbesserten Zerstäubung führen können.
Die Spulenanordnung 22 und die Inertgasdüse 30 sind koaxial zueinander angeordnet, wobei die Spulenanordnung 22 die Inertgasdüse 30 bzw. den Innenraum der Inertgasdüse 30 umschließt. Über die Intertgasdüse 30 strömt ein Intergasstrom 32, welcher den aus mehreren aufeinanderfolgenden Tropfen bestehenden Flüssigkeitsstrahl 10 laminar beschleunigt (analog zu 2). Diese laminare Beschleunigung durch die Inertgasdüse 30 bzw. durch den Intergasstrom 32 (analog zu 2) wird von einer elektromagnetischen Beschleunigung des elektrisch leitfähigen Flüssigkeitsstrahls 10 durch die Spulenanordnung 22 (analog zu 1) überlagert.
Beide Beschleunigungen wirken zusammen derart auf den Flüssigkeitsstrahl 10 ein, dass dieser in der ersten Richtung 12 beschleunigt wird. Diese überlagerten Beschleunigungen bewirken die Ausbildung eines kritischen, U-förmiges Geschwindigkeitsprofil in dem Flüssigkeitsstrahl 10, entsprechend den Geschwindigkeitsprofilen der 1 und 2. Der hierdurch erzeugte große Geschwindigkeitsgradient innerhalb des Flüssigkeitsstrahls 10 erhöht den Druck innerhalb des Flüssigkeitsstrahls 10, wodurch es zu einem großen Druckunterschied zwischen dem hohen Druck innerhalb des Flüssigkeitsstrahls 10 und einem den Flüssigkeitsstrahl umgebenden, wesentlich geringeren Druck kommt. Aufgrund des Druckunterschieds kommt es zu einem Zerfall des Flüssigkeitsstrahls 10 in Ligamente, das heißt der Flüssigkeitsstrahl 10 wird in Mikropartikel zerstäubt.
Wie ebenfalls in 3 gezeigt ist, wird der Flüssigkeitsstrahl 10 durch das sogenannte EIGA-Verfahren erzeugt. Hierzu ist der Anordnung aus Spulenanordnung 22 und Inertgasdüse 30 eine EIGA-Spule 40 bzw. eine Induktionsspule 40 vorgelagert. Die Induktionsspule 40 ist koaxial zu der Spulenanordnung 22 und der Inertgasdüse 30 angeordnet. Die Induktionsspule 40 ist in der ersten Richtung 12 betrachtet zulaufend, d.h. sie hat in der ersten Richtung 12 betrachtet einen abnehmenden Durchmesser.
Koaxial zu der Induktionsspule 40 und dieser zumindest abschnittsweise vorgelagert ist eine Elektrode 42 vorgesehen, die mittels der Induktionsspule 40 abgeschmolzen wird, um den Flüssigkeitsstrahl 10 zu erzeugen. Die gezeigte Elektrode kann beispielsweise aus Titan, einer Titanlegierung, einer Legierung auf Zirkonium-, Niob-, Nickel- oder Tantal-Basis, einem Edelmetall oder einer Edelmetalllegierung, einer Kupfer- oder Aluminiumlegierung, einem Spezialmetall oder einer Spezialmetalllegierung bestehen. Die Elektrode 42 ist an einem oberen Ende (nicht gezeigt) aufgehängt und in der ersten Richtung, also in Richtung der Anordnung aus Spulenanordnung 22 und Inertgasdüse 30 axial verlagerbar. So kann die Elektrode 42 während eines Abschmelzens der Elektrode 42 kontinuierlich nachgeführt werden.
Der Anordnung aus Spulenanordnung 22 und Inertgasdüse 30 nachgelagert ist eine Ringdüse 50, über die ein weiterer Inertgasstrom 52 in die Gesamtanordnung einbringbar ist. Der weitere Inertgasstrom 52 trifft in der gezeigten Ausführungsform impulsartig bzw. prallartig auf den aus der Anordnung aus Spulenanordnung 22 und Inertgasdüse 30 austretenden Flüssigkeitsstrahl 10. Der austretende Flüssigkeitsstrahl 10 kann beim Auftreffen des weiteren Inertgasstroms 52 der Ringdüse 50 zumindest teilweise bereits zerstäubt sein. Durch den Aufprall des weiteren Inertgasstroms 52 auf den Flüssigkeitsstrahl 10 oder den zumindest teilweise bereits zerstäubten Flüssigkeitsstrahl 10, wir dieser weiter verdüst.
Wie in 3 gezeigt, können die Spulenanordnung 22, die Inertgasdüse (Lavaldüse) 30 und die Ringdüse 50 in Form einer gemeinsamen Vorrichtung 20 ausgebildet sein. Die Vorrichtung 20 kann beispielsweise einstückig sein.
Der in 3 gezeigten Gesamtanordnung kann ein Verdüsungsturm zum Abkühlen und Erstarren des zerstäubten Flüssigkeitsstrahls nachgelagert sein, der hier nur angedeutet und nicht vollständig gezeigt ist. Der Verdüsungsturm kann einen Auffangbehälter zum Auffangen des erstarrten Pulvers umfassen.
Es versteht sich, dass anstelle des EIGA-Verfahrens zum Erzeugen des Flüssigkeitsstrahls alternative tiegelfreie Verfahren oder Verfahren mit Tiegel vorgesehen sein können, beispielsweise ein VIGA-Verfahren, ein PIGA-Verfahren, ein CCIM-Verfahren oder ein sonstiges Verfahren. Entsprechend kann/können in der in 3 gezeigten Anlage anstelle der Induktionsspule eine/mehrere für die vorstehend genannten Verfahren erforderliche/ Vorrichtung/en vorgesehen sein, die der Spulenanordnung vorgelagert sind.
Es versteht sich, dass das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer Weiterbildung auch eine Kombination einer Vorrichtung mit Spulenanordnung und einer Ringdüse, ohne Inertgasdüse, umfassen kann.
Insbesondere können mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der erfindungsgemäßen Vorrichtung gegenüber herkömmlichen Inertgasverdüsungsverfahren durch Einsparung des Inertgasverbrauchs Betriebskosten reduziert werden.
Bezugszeichenliste

10: Flüssigkeitsstrahl
A: Strahlmittelachse
12: erste Richtung
20: Vorrichtung zum Zerstäuben des Flüssigkeitsstrahls
22: Spulenanordnung
24A, 24B, 24C: Polpaare/Wicklungen
26: Lorentz-Kräfte
28: U-förmiges Geschwindigkeitsprofil
v_m: Geschwindigkeit innerhalb des Flüssigkeitsstrahls
φ_i, φ₁, φ₂, φ₃: Phasenwechsel
30: Inertgasdüse (Lavaldüse)
32: Inertgasstrom
40: Induktionsspule
42: Elektrode
50: Ringdüse
52: weiterer Inertgasstrom
110: Schmelzstrahl (St. d. T.)
120: Inertgasdüse (St. d. T.)
122: Inertgasstrom (St. d. T.)
128: Geschwindigkeitsprofil (St. d. T.)
200: EIGA-Anlage

Claims

Verfahren zum Zerteilen einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, insbesondere eines Schmelzstrahls, das die Schritte umfasst: - Bereitstellen der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, die sich in Form eines Flüssigkeitsstrahls (10) in einer ersten Richtung (12) bewegt; und - Erzeugen von den Flüssigkeitsstrahl (10) umgebenden hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfeldern, die in der ersten Richtung (12) wandern und den Flüssigkeitsstrahl (10) in der ersten Richtung (12) beschleunigen, wodurch der Flüssigkeitsstrahl (10) zerstäubt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die elektromagnetischen Wanderfelder eine Wechselstrom-Frequenz von wenigstens 0,1 MHz, vorzugsweise wenigstens 1 MHz, weiter bevorzugt von wenigstens 10 MHz, noch weiter bevorzugt von wenigstens 100 MHz aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfelder mittels einer Spulenanordnung (22) mit wenigstens einem Polpaar (24A, 24B, 24C), vorzugsweise mit wenigstens zwei Polpaaren (24A, 24B, 24C), weiter bevorzugt mit wenigstens drei Polpaaren (24A, 24B, 24C), erzeugt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das ferner den Schritt umfasst: - Erzeugen eines den Flüssigkeitsstrahl (10) umgebenden Gasstroms, der sich im Wesentlichen in der ersten Richtung (12) bewegt und den Flüssigkeitsstrahl (10) in der ersten Richtung (12) zusätzlich beschleunigt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, das ferner den Schritt umfasst: - Erzeugen eines auf den Flüssigkeitsstrahl (10) aufprallenden weiteren Gasstroms mittels einer Ringdüse (50).
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei dem der Flüssigkeitsstrahl (10) durch Abschmelzen einer Elektrode (42) mittels einer Induktionsspule (40) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche das ferner den Schritt umfasst: - Abkühlen des zerstäubten Flüssigkeitsstrahls (10) zum Erzeugen von erstarrten Partikeln.
Vorrichtung (20) zum Zerteilen einer elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, insbesondere eines Schmelzstrahls, umfassend: eine Flüssigkeitsquelle zum Bereitstellen eines sich in einer ersten Richtung (12) bewegenden Flüssigkeitsstrahls (10) der elektrisch leitfähigen Flüssigkeit, und eine Spulenanordnung (22) mit wenigstens einem Polpaar (24A, 24B, 24C), die der Flüssigkeitsquelle nachgelagert und koaxial zu dem Flüssigkeitsstrahl (10) angeordnet ist, wobei die Spulenanordnung (22) dazu eingerichtet ist, hochfrequente elektromagnetische Wanderfelder zu erzeugen, die den Flüssigkeitsstrahl (10) umgeben und in der ersten Richtung (12) wandern, um den Flüssigkeitsstrahl (10) mittels der hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfelder in der ersten Richtung (12) zu beschleunigen und den Flüssigkeitsstrahl (10) dadurch zu zerstäuben.
Vorrichtung (20) nach Anspruch 8, wobei die hochfrequenten elektromagnetischen Wanderfelder eine Wechselstrom-Frequenz von wenigstens 0,1 MHz, vorzugsweise wenigstens 1 MHz, weiter bevorzugt von wenigstens 10 MHz, noch weiter bevorzugt von wenigstens 100 MHz aufweisen.
Vorrichtung (20) nach Anspruch 8 oder 9, die ferner eine Inertgasdüse (30) umfasst, die dazu ausgebildet ist, einen den Flüssigkeitsstrahl (10) umgebenden und sich im Wesentlichen in der ersten Richtung (12) bewegenden Gasstrom zu erzeugen, um den Flüssigkeitsstrahl (10) mittels des Gasstroms in der ersten Richtung (12) zusätzlich zu beschleunigen.
Vorrichtung (20) nach Anspruch 10, wobei die Spulenanordnung (22) in der Inertgasdüse (30) und/oder oder entlang der Strahlmittelachse (A) betrachtet der Inertgasdüse (30) vorgelagert und/oder nachgelagert ist.
Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, die ferner eine Ringdüse (50) zum Erzeugen eines weiteren Gasstroms umfasst, welcher dazu eingerichtet ist, auf den Flüssigkeitsstrahl (10) einzuwirken.
Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 8 bis 12, wobei die Flüssigkeitsquelle eine Elektrode (42) und der Flüssigkeitsstrahl (10) ein Schmelzstrahl ist.
Vorrichtung (20) nach Anspruch 13, die eine koaxial zu der Elektrode (42) und im Bereich eines Endes der Elektrode (42) angeordnete Induktionsspule (40) umfasst, die dazu eingerichtet ist, die Elektrode (42) abzuschmelzen, um so den Schmelzstrahl zu erzeugen.
Vorrichtung (20) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, die einen Verdüsungsturm zum Abkühlen und Erstarren des zerstäubten Flüssigkeitsstrahls (10) umfasst.