DE102021212367A1

DE102021212367A1 - Verdüsungs-Einheit zum Verdüsen von metallenen Schmelzen, insbesondere für pulvermetallurgische Zwecke

Info

Publication number: DE102021212367A1
Application number: DE102021212367.8A
Authority: DE
Inventors: Peter Weiland; Norbert Vogl; Reiner Pürling; Lukas Gellings
Original assignee: SMS Group GmbH
Current assignee: SMS Group GmbH
Priority date: 2021-11-03
Filing date: 2021-11-03
Publication date: 2023-05-04
Also published as: WO2023078911A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verdüsungs-Einheit (1) zum Verdüsen von metallenen Schmelzen, insbesondere für pulvermetallurgische Zwecke, umfassend einen Schmelztiegel (2) mit einem Bodenauslauf (4), eine Schmelzedüse (16), die unterhalb des Bodenauslaufs (4) angeordnet ist sowie eine vorzugsweise konzentrisch zu der Schmelzedüse (16) angeordnete Gasdüse (9), wobei die Schmelzedüse (16) mehrteilig ausgebildet ist und einen Mantelkörper sowie einen Düsenkern (17) umfasst und wobei der Düsenkern (17) einen konischen Sitz innerhalb des Mantelkörpers durchsetzt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verdüsungs-Einheit zum Verdüsen von metallenen Schmelzen, insbesondere für pulvermetallurgische Zwecke, umfassend einen Schmelztiegel mit einem Bodenauslauf, eine Schmelzedüse, die unterhalb des Bodenauslaufs angeordnet ist sowie eine konzentrisch zu der Schmelzedüse angeordnete Gasdüse.
Eine Verdüsungs-Einheit der eingangs genannten Art ist beispielsweise aus der DE 10 044 364 C1 bekannt. Das aus dieser Druckschrift bekannte Zerstäubungsaggregat umfasst einen Schmelztiegel mit einem Bodenauslauf, einen den Schmelztiegel umgebenden Stütztiegel mit einer Wandung und eine koaxiale Bodenöffnung. Das Zerstäubungsaggregat umfasst weiterhin eine Schmelzedüse für die Erzeugung eines Schmelzestrahls und einen der Schmelzedüse zugeordneten Düsenkörper, in dem eine zu der Schmelzedüse konzentrische Ringsschlitzdüse angeordnet ist, und mindestens einen Gaskanal zur Versorgung der Ringschlitzdüse mit einem Zerstäubungsgas. Bei der Anordnung gemäß DE 10 044 364 C1 ist vorgesehen, ein Abkühlen der Schmelze dadurch zu verhindern, dass der Stütztiegel und der Düsenkörper von einer Wärmedämmung umgeben sind und dass außerhalb der Wärmedämmung eine Induktionsspule zur Beheizung von Schmelze, Schmelztiegel, Stütztiegel und Düsenkörper angeordnet ist und dass der Gaskanal zur Vorwärmung des Zerstäubungsgases durch die Wandung des Stütztiegels hindurchgeführt ist.
Weiterer Stand der Technik ist aus den Veröffentlichungen DE 33 113 43 A1 , DE 35 339 64 C1 , DE 40 113 92 A1 , DE 197 386 82 A1 , US 5366204 A und JP 2019059989 A bekannt. Der Stand der Technik, insbesondere der Stand der Technik gemäß DE 100 443 64C1 ist mit dem Nachteil behaftet, dass das Aufheizen des Schmelztiegels und der darin befindlichen Schmelze als auch das Vorwärmen des Zerstäubungsgases durch eine einzige außenliegende Induktionsspule erfolgt, die eine Beheizung durch eine den Stütztiegel und den Düsenkörper von außen umgebende Wärmedämmung bewirkt.
Die Anordnung ist insbesondere auch konstruktiv aufwendig, da der Schmelztiegel von einem Stütztiegel eingefasst ist, durch den der Gaskanal für die Ringsschlitzdüse hindurchgeführt ist.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verdüsungs-Einheit der eingangs genannten Art bereitzustellen die kompakter und einfacher konstruiert ist. Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine solche Verdüsungs-Einheit mit verhältnismäßig geringem Isolationsaufwand bereitzustellen, bei der dennoch eine Erstarrung der Schmelze zuverlässig verhindert wird.
Ein Abkühlen der Schmelze unter die Solidustemperatur gefährdet die Prozesssicherheit der Pulverzerstäubungsanlage, in der die Verdüsungs-Einheit üblicherweise betrieben wird. Bei Pulververdüsungsanlagen unter Verwendung einer Verdüsungs-Einheit der vorstehend genannten Art ist ein quasi kontinuierlicher Betrieb wirtschaftlich sinnvoll und erstrebenswert. Daher stellt die Prozesssicherheit einer solchen Einheit ein wesentliches Qualitätskriterium dar. Darüber hinaus soll eine Verdüsungs-Einheit oder Zerstäubungs-Einheit möglichst einfach konstruiert sein, sodass eine einfache und schnelle Wartung der Schmelzedüse möglich ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch eine Verdüsungs-Einheit mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Verdüsungs-Einheit ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Ein Gesichtspunkt der Erfindung betrifft eine Verdüsungs-Einheit zum Verdüsen von metallenen Schmelzen, insbesondere für pulvermetallurgische Zwecke, umfassend einen Schmelztiegel mit einem Bodenauslauf, eine Gießdüse, die unterhalb des Bodenauslaufs angeordnet ist sowie eine konzentrisch zu der Schmelzedüse angeordnete Gasdüse, wobei die Schmelzedüse mehrteilig ausgebildet ist und einen Mantelkörper sowie einen Düsenkern umfasst und der Düsenkern einen konischen Sitz in dem Mantelkörpers durchsetzt. Der Mantelkörper bewirkt eine thermische Isolierung des Düsenkerns, insbesondere dadurch, dass dieser über einen wesentlichen Teil der Mantelfläche des Düsenkerns gegen diesen anliegt und diesen zumindest teilweise umschließt. Darüber hinaus bewirkt der Mantelkörper eine mechanische Stabilisierung des Düsenkerns. Der Düsenkern ist vorzugsweise auswechselbar in den Mantelkörper eingesetzt und wird von diesem gehalten.
Bevorzugt ist der Mantelkörper als Lochstein ausgebildet, der eine konische Durchführung als Sitz für den Düsenkern aufweist. Der Düsenkern kann so ausgebildet sein, dass er im Bereich einer Düsenspitze aus dem Mantelkörper herausragt bzw. hervorsteht. In diesem Bereich kann sich die Schmelzedüse in einen Gasdüsenkörper erstrecken. Der Gasdüsenkörper kann mehrteilig ausgebildet sein und mit dem Düsenkern eine Ringschlitzdüse für das Zerstäubungsgas bilden.
Bevorzugt ist der Mantelkörper beheizbar ausgebildet, sodass der Düsenkern auf diese Art und Weise indirekt beheizbar ist. Der Mantelkörper ist zweckmäßigerweise direkt thermisch mit dem Düsenkern gekoppelt.
Bei einer bevorzugten Variante der Verdüsungs-Einheit gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass der Düsenkern zwischen dem Mantelkörper und einem Boden des Schmelztiegels gehalten wird.
Der Düsenkern kann beispielsweise einen umlaufenden Kragen aufweisen, mit welchem der Düsenkern konzentrisch und formschlüssig in dem konischen Sitz des Mantelkörpers gehalten wird. Hierzu kann der Sitz des Mantelkörpers auf seiner dem Schmelztiegel zugewandten Seite einen umlaufenden zylindrischen Absatz ausbilden, in den sich der Kragen des Düsenkerns einfügt.
Der Mantelkörper kann beispielsweise wenigstens ein in diesen eingebettetes Widerstandsheizelement umfassen. Das Widerstandsheizelement kann als wendelförmiger Leiter ausgebildet sein, der vollständig in das Material des Mantelkörpers eingebettet sein kann, und zwar derart, dass das Widerstandsheizelement eine konische Umschließung des den Mantelkörper durchsetzenden Lochs bildet. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass auch der Schmelztiegel von einem Widerstandsheizelement beheizt wird, das eine Mantelfläche des Schmelztiegels umschließt.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, dass der Mantelkörper der Schmelzedüse wenigstens einen Heizkörper umfasst, der vorzugsweise gegen eine Kontaktfläche des Mantelkörpers anliegt. Der Heizkörper kann beispielsweise als Heizkissen ausgebildet sein.
Bevorzugt ist der Heizkörper zwischen dem Mantelkörper und einem Gasdüsenkörper der Gasdüse in den Mantelkörper eingebettet. Beispielsweise können ein oder mehrere Heizkörper in einen Boden des Mantelkörpers der Schmelzedüse integriert sein.
Bevorzugt ist der Heizkörper als keramisches Heizelement ausgebildet. Das keramische Heizelement kann beispielsweise vollständig aus einem Siliziumnitrit oder einem Aluminiumnitrit bestehen. Insbesondere kann das Heizelement als heißgepresster Siliziumnitrit Ring ausgebildet sein, der beispielsweise in eine komplementär ausgebildete bodenseitige Ausnehmung des Mantelkörpers eingefügt ist. Vorzugsweise ist der Heizkörper sowohl mit dem Mantelkörper als auch mit dem Gasdüsenkörper in einem wärmeleitenden Kontakt, sodass auf diese Art und Weise eine Beheizung des Mantelkörpers als auch des Gasdüsenkörpers und somit auch eine Beheizung des den Gasdüsenkörper durchströmenden Zerstäubungsgases möglich ist.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Schmelzedüse direkt durch eine in dem Lochstein vorgesehene Heizspule beheizt wird und dass der Gasdüsenkörper direkt durch einen Heizkörper bzw. ein Heizkissen beheizt wird, das sich zwischen dem Lochstein und einem oberen Teil bzw. einer Oberseite des Gasdüsenkörpers befindet.
Bei einer bevorzugten und zweckmäßigen Variante der Verdüsungs-Einheit gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die Außenkontur des Düsenkerns mit dem Schmelztiegel und mit dem Mantelkörper eine Trennfuge bildet, die als Labyrinthdichtung ausgebildet ist, sodass aus dem Bodenauslauf in die Trennfuge eindringendes Material durch mehrfache Umleitung innerhalb der Trennfuge erstarrt und so eine zuverlässige Abdichtung gebildet wird.
Die Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf ein in den Zeichnungen dargestelltes Ausführungsbeispiel erläutert.
Es zeigen:

1 eine Schnittansicht durch eine Verdüsungs-Einheit gemäß der Erfindung und
2 eine perspektivische Ansicht eines Heizkörpers der erfindungsgemäßen Verdüsungs-Einheit.

Die in 1 im Schnitt dargestellte Verdüsungs-Einheit 1 umfasst einen Schmelztiegel 2 aus einem Feuerfestmaterial mit einer Wandung 3. Die Mantelfläche des Schmelztiegels 2 und somit die Wandung 3 ist von einer Tiegelheizung 13 umschlossen, die eine Beheizung des Schmelztiegels 2 und indirekt eines in dem Schmelztiegel 2 befindlichen Schmelzebads bewirkt. Die Tiegelheizung 13 kann eine Widerstandserwärmung sein, sie kann aber auch als Induktionsheizung ausgeführt sein, die mittels Graphit-Sukzeptor den Schmelztiegel 2 erwärmt. Der Schmelztiegel 2 umfasst einen Bodenauslauf 4, an welchen eine mehrteilige Schmelzedüse 16 angeschlossen ist. Die Schmelzedüse 16 umfasst einen Lochstein 7 als Mantelkörper und einen Düsenkern 17, welcher in den Mantelkörper bzw. in den Lochstein 7 eingesetzt ist. Der Lochstein 7 bildet einen konischen Sitz für den komplementär hierzu ausgebildeten Düsenkern 17, der sich mit einem umlaufenden Kragen 18 in den konischen Sitz des Lochsteins 7 einfügt. Der Kragen 18 stützt sich auf einen zylindrischen Absatz 19 des Lochsteins 7 ab. Der Düsenkern 17 ist auswechselbar in den Lochstein 7 eingesetzt. Weiterhin umfasst der Düsenkern 17 einen zylindrischen Bund 21, der sich in einer entsprechend geformten Ausnehmung 22 am Boden des Schmelztiegels 2 einfügt. Der Lochstein 7 und der Boden des Schmelztiegels 2 bilden eine beiderseitige Einfassung des den Lochstein 7 durchsetzenden Düsenkerns 17, der auf diese Art und Weise formschlüssig festgelegt ist.
Der Bodenauslauf 4 des Schmelztiegels 2 und der Düsenkern 17 bilden einen Schmelzekanal 20, der an dem führenden Ende des Düsenkerns 17 eine Düsenspitze 5 bildet. Das führende Ende des Düsenkerns 17 erstreckt sich durch einen Gasdüsenkörper 8, der aus einem oberen Düsenteil 14 und einem unteren Düsenteil 15 zusammengesetzt ist und an der Gießdüse eine Ringschlitzdüse 9 bildet, über welche ein Zerstäubungsgas dem aus der Düsenspitze 5 austretenden Strahl geschmolzenen Metalls zugeführt wird und dabei eine zur Zerstäubung bzw. Verdüsung der Schmelze zu einem Metallpulver bewirkt. Die Düsenspitze 5 mündet in einen nicht dargestellten Verdüsungsturm, in dem das Metallpulver aufgefangen wird. Das Zerstäubungsgas wird über einen Gaskanal 10 durch den Gasdüsenkörper radial zugeführt.
Der Lochstein 7, der eine thermische Isolierung und eine mechanische Stabilisierung des Düsenkerns 17 bewirkt, umfasst eine Heizspule 11, die beispielsweise aus einem oder mehreren Widerstandsheizelementen besteht und die in den Lochstein 7 nahe des Düsenkerns 17 eingebettet ist. Eine Bestromung der Heizspule 11 bewirkt eine direkte Erwärmung des Lochsteins 7 sowie eine indirekte Erwärmung des in diesen auswechselbar eingesetzten Düsenkerns 17 durch Wärmeleitung.
Weiterhin umfasst die Schmelzedüse 16 einen Heizkörper 12, der als voll keramisches vorzugsweise ringförmiges Heizelement ausgebildet ist und eine Art Heizkissen bildet. Der Heizkörper ist perspektivisch in 2 dargestellt. Der Heizkörper 12 fügt sich in eine entsprechende ringförmige Ausnehmung 23 im Boden des Lochsteins ein und ist in wärmeleitendem Kontakt sowohl mit dem Lochstein 7 als auch mit dem oberen Düsenteil 14 des Gasdüsenkörpers 8. Der Heizkörper 12 kann beispielsweise aus einem Siliziumnitrit bestehen und bewirkt bei Bestromung über eine Spannungsquelle eine direkte Aufheizung bzw. Erwärmung des Gasdüsenkörpers 8 und des Lochsteins 7 und hierüber eine indirekte Erwärmung des Düsenkerns 17 und des den Gasdüsenkörper 8 durchströmenden Zerstäubungsgases.
Bezugszeichenliste

1: Verdüsungs-Einheit
2: Schmelztiegel
3: Wandung des Schmelztiegels
4: Bodenauslauf
5: Düsenspitze
7: Lochstein der Schmelzdüse
8: Gasdüsenkörper
9: Ringschlitzdüse
10: Gaskanal
11: Heizspule
12: Heizkörper
13: Tiegelheizung
14: oberes Düsenteil der Gasdüse
15: unteres Düsenteil der Gasdüse
16: Schmelzedüse
17: Düsenkern der Schmelzdüse
18: Kragen des Düsenkerns
19: Absatz des konischen Dichtsitzes
20: Schmelzekanal
21: Bund des Düsenkerns
22: Ausnehmung im Boden des Schmelztiegels
23: Ausnehmung im Boden des Lochsteins

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10044364 C1 [0002, 0003]
DE 3311343 A1 [0003]
DE 3533964 C1 [0003]
DE 4011392 A1 [0003]
DE 19738682 A1 [0003]
US 5366204 A [0003]
JP 2019059989 A [0003]

Claims

Verdüsungs-Einheit (1) zum Verdüsen von metallenen Schmelzen, insbesondere für pulvermetallurgische Zwecke, umfassend einen Schmelztiegel (2) mit einem Bodenauslauf (4), eine Schmelzedüse (16), die unterhalb des Bodenauslaufs (4) angeordnet ist sowie eine vorzugsweise konzentrisch zu der Schmelzedüse (16) angeordnete Gasdüse (9), dadurch gekennzeichnet, dass die Schmelzedüse (16) mehrteilig ausgebildet ist und einen Mantelkörper sowie einen Düsenkern (17) umfasst und dass der Düsenkern (17) einen konischen Sitz innerhalb des Mantelkörpers durchsetzt.
Verdüsungs-Einheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelkörper als Lochstein (7) ausgebildet ist.
Verdüsungs-Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelkörper beheizbar ausgebildet ist.
Verdüsungs-Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkern (17) zwischen dem Mantelkörper und einem Boden des Schmelztiegels (2) gehalten wird.
Verdüsungs-Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenkern (17) mit einem umlaufenden Kragen (18) konzentrisch und formschlüssig in dem konischen Sitz des Mantelkörpers gehalten wird.
Verdüsungs-Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelkörper wenigstens ein in diesen eingebettetes Widerstandsheizelement umfasst.
Verdüsungs-Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mantelkörper wenigstens einen Heizkörper (12) umfasst, der vorzugsweise gegen eine Kontaktfläche des Mantelkörpers anliegt.
Verdüsungs-Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkörper (12) als Heizkissen ausgebildet ist und zwischen dem Mantelkörper und einem Gasdüsenkörper (8) der Gasdüse eingebettet ist.
Verdüsungs-Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkörper (12) als keramisches Heizelement ausgebildet ist.
Verdüsungs-Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Heizkörper (12) in eine bodenseitige Ausnehmung des Mantelkörpers eingefügt ist und sich sowohl mit dem Mantelkörper als auch mit dem Gasdüsenkörper (8) in einem wärmeleitenden Kontakt befindet.
Verdüsungs-Einheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenkontur des Düsenkerns (17) mit dem Schmelztiegel (2) und dem Mantelkörper eine Trennfuge bildet, die als Labyrinthdichtung ausgebildet ist.