DE2812600C2 - Vorrichtung zur Herstellung von Granalien - Google Patents

Description

— als Strahlenquelle ein Tieftemperatui -Plasmagenerator (68) vorgesehen ist,

— die Achse des Plasmagenerators in einem Winkel von 20 bis 70" zur Achse des Abschmelzstabs (76) geneigt ist, und

— der Piasmastrahl bezüglich des Zentrums des Abschmelzstabs parallel aus seiner vorhergehenden Achsstellung verschiebbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Plasmagenerator (61) in einem koaxial zur öffnung (64) angeordneten und sich in Richtung auf diese öffnung erweiternden kegelförmigen Deckel (74) gelagert ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der kegelförmige Deckel (74) in Verlängerung der Längsachse des Abschmclzstabs (76) ein Schauglas (75) aufweist.

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Herstellung von Granalien der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen und aus der DE-AS 22 10 451 bekannten Art.

Es sind Verfahren und Vorrichtungen zur Herstellung von Granalien aus Metallen und Legierungen durch Einschmelzen des Endes eines sich schnell drehenden zylindrischen Stabs mit einer elektrischen Heizquelle, z. B. mit einem Elektronenstrahl allgemein bekannt. Unter der Einwirkung von Zentrifugalkräften wird das eingeschmolzene Metall innerhalb einer hermetisch abgeschlossenen Kammer zerstäubt und erstarrt in Form von kugelförmigen Teilchen, deren Größe durch die Dichte des Metalls, den Durchmesser des sich drehenden Stabs sowie durch die Drehgeschwindigkeit desselben bestimmt wird (vgl. IT-PS 7 12 814 und DE-PS 12 91842).

Aus der eingangs erwähnten DE-AS ist eine Einrichtung zur Feinpulverherstellung aus Abschmelzelektroden bekannt. Diese Einrichtung enthält eine hermetisch abgeschlossene zylindrische Kammer, deren Achse horizontal angeordnet ist. Die Kammer weist an einer Seite eine runde, zur Kammer koaxial angeordnete öffnung zum Einführen des Stabs auf, an der anderen Seite hingegen einen Deckel mit einer in diesem vorgesehenen Heizquelle in Form einer nicht abschmelzenden Wolframelektrode, die ebenfalls koaxial zur Kammer angeordnet ist. Außerhalb der Kammer ist eine Vorrichtung zum Drehen des Stabs in Form von zwei sich synchron drehenden Horizontalwalzen vorgesehen, deren Achsen parallel zur Achse der Kammer verlaufen. Oberhalb der Walzen ist eine Spindelvorrichtung angeordnet, die eine fortschreitende Bewegung des Stabs zwischen den Walzen durch eine runde öffnung inner·

<> ha'b der Kammer gewihrleislcL Außerdem sind ein Aufgabemagazin in Form einer Rinne und einer Revolvertrommel, eine BürstenstromzufQhrung, eine Stromquelle zur Entzündung des Lichtbogens zwischen idem sich drehenden Stab und der nicht abschmelzenden

in Elektrode sowie andere Systeme vorgesehen. Die Silbe werden aufeinanderfolgend mittels eines Lichtbogens eingeschmolzen, der zwischen der nicht abschmelzenden Elektrode und dem sich drehenden Stab brennt Die sich unter der Einwirkung von Zentrifugalkräften bil-

is denden Metallteilchen kristallisieren beim Flug vom Stab zur Seitenwand der Kammer und werden im Unterteil der Kammer gesammelt Infolge der koaxialen Anordnung der nicht abschmelzenden Elektrode und des sich drehenden Stabs wird jedoch die Bedienung der Vorrichtung erschwert. Zum Ausstoßen des nicht eingeschmolzenen Stiibteils durch die runde öffnung in die Kammer ist es z. B. notwendig, die Heizquelle mittels einer eigenen Vorrichtung vorher zur Seite zu verschieben. Außerdem wird die Überwachung des Zerstäubungsprozesses dadurch erschwert daß die Schaugläser unter einem Winkel zu der Achse des sich drehenden Stabs angeordnet sind.

Darüber hinaus wird die Reinheit der herzustellenden Erzeugnisse dadurch verschlechtert, daß in diese das Material der am Stab gleitenden Stromzuführung eindringt, die gewöhnlich aus Graphit oder Kupfer besteht. Schließlich ist es mit Hilfe der bekannten Vorrichtungen zur Herstellung von Granalien, die mittels Lichtbogen oder Elektronenstrahlen arbeiten, nicht möglich, niehtleitende Stoffe zu verarbeiten.

Ferner ist eine Vorrichtung zur Herstellung von hochreinem Metallpulver mittels Elektronenstrahl beheizung bekannt (DE-OS 25 28 999). Hierbei wird ein Elektronenstrahl von einer Elektronenkanone schräg auf eine sich drehende Abschmelzelektrode gerichtet wodurch ein breiter Bereich der Stirnfläche der Abschmelzelektrode abgeschmolzen werden kann. Mit dieser Vorrichtung können jedoch keine nichtleitenden Stoffe verarbeitet werden. Außerdem ist die Rotationsgeschwindigkeit der abzuschmelzenden Elektrode relativ hoch, was einen hohen Energieverbrauch mit sich bringt.

Es ist somit Aufgabe der Erfindung, die Vorrichtung der gattungsgemäßen Art derart weiterzubilden, daß der Aufbau der Maschine vereinfacht und die Homogenität der Granalien verbessert werden kann.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst. Mit Hilfe der Erfindung ist es möglich:

die Ausbeute an brauchbaren kugelförmigen Granalien bis auf 97% zu erhöhen; die Leistung des Herstellungsprozesses durch eine Vergrößerung des Durchmessers des zu zerstäubenden Stabs um das 2- bis Jfache zu erhöhen: die Homogenität der herzustellenden Granalien hinsichtlich ihrer Zusammensetzung zu verbessern; die Reinheit der herzustellenden Erzeugnisse zu erhöhen, da auf die Verwendung der verschleißenden Stromzuführung zu dem sich drehenden Stab verzichtet werden kann;

nicht nur metallische, sondern auch nichtmetallische Stoffe die Oxyde und Karbide zu bearbeiten:

— die Vorrichtung zu vereinfachen und deren Be-Ifiebszuvcrlässigkeit durch die Beseitigung der technisch komplizierten Stromzuführung zu dem sich drehenden Slab zu erhöhen sowie die Drehgeschwindigkeit des Stabs durch eine zusätzliche Beschleunigung des eingeschmolzenen Materials mit dem Geschwindigkeitsdruck des Plasmastrahls zu ; vermindern.

Vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der erfindungigemäßen Vorrichtung sind Gegenstand der Patentansprüche 2 und 3.

Mit Hilfe der Weiterbildung gemäß Anspruch 3 kann letztlich die Bearbeitung eines Abschmelzstabes besser überwacht werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Herstellung von Granalien im Vertikalschnitt und

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV, der die gegenseitige Anordnung der Heizquelle und der Öffnung zum Einführen des Abschmelzstabs darstellt.

Die erftndungsgemäße Vorrichtung weist eine hermetisch abgeschlossene zylindrische Kammer 43 auf (Fig. 1), deren Achse horizontal verläuft. Die Kammer 43 schließt eine Beschickungszelle 44 ein, in der ein Magazin 45 angeordnet ist, das in Form einer Kassette zur Aufnahme von Reservestäben ausgebildet ist, welche aufeinanderfolgend der Bearbeitung zugeführt werden. Unterhalb des Magazins 45 ist eine Vorrichtung 46 zum Drehen des Abschmelzstabs vorgesehen, die aus zwei Walzen 47 besteht, welche an Stützen 48 horizontal und parallel im Abstand zueinander angeordnet sind, wobei dieser Abstand kleiner als der Stabdurchmesser ist.

Die Walzen 47 sind mit einem Antrieb 49 verbunden, der sie mit gleicher Geschwindigkeit und in gleicher Richtung in Drehung versetzt. In der Vertikalebene, die in der Mitte zwischen den Walzen 47 verläuft (in der Ebene der Zeichnung gemäß F i g. 1), sind eine Rolle 50 zum Andrücken des Abschmelzstabs gegen Walzen 47 und eine Einrichtung 51 zur Verschiebung des Abschmelzstabs in Längsrichtung angeordnet, die aus einer parallel zu den Walzen 47 angeordneten Leitspindel 52, Lagern 53, einem Stößel 54 und einem Antrieb 55 besteht. In derselben Ebene befindet sich auf einer Achse 56, die senkrecht zu den Walzen 47 und unter diesen angeordnet ist, ein Stößel 57 zum Entfernen des nicht eingeschmolzenen Stabrestes. Außerdem weist die Beschickungszelle 44 eine Vakuumleitung 58 mit einem Absperrventil 59 zum Evakuieren der Luft aus der Kammer 43, eine Öffnung 60 zum Einführen von Gas in die Kammer 43, eine Luke 61 zum Einsetzen der Stäbe in das Magazin sowie andere Hilfssysteme (in F i g. 1 nicht wiedergegeben) auf, die für den Betrieb der Einrichtungen innerhalb der Kammer 43 notwendig sind.

Die Zerstäubungskammer 62 der hermetisch abgeschlossenen Kammer 43 hat wassergekühlte Wände und ist von der Beschickungszelle 44 durch eine wassergekühlte Scheidewand 63 mit einer Öffnung 64 zum Einführen eines Abschmelzstabes abgetrennt. Der Durch- to messer der Öffnung 64 beträgt gewöhnlich das 1,02- bis l,08fache des Stabdurchmessers. Die Vorderwand 65 der Zerstäubungskammer 62 besitzt eine Luke 66, die mit einem abnehmbaren Deckel 67 verschlossen ist. Die Luke 66 ist zum Reinigen des Innenraumes der Kammer μ 43 und zum Auswechseln der Scheidewand 63 erforderlich. Am Deckel 67 ist eine Heizquelle, ein Generator 68. angeordnet, der in Form eines zylindrischen Lichtbogenplasmagencrutors mit indirekter Wirkungsweise ausgebildet und in die Kammer 43 durch eine Abdichtung 69 eingeführt ist Der Plasmagenerator 68 ist mit einer Vorrichtung 70 zu dessen Längsverschiebung verbunden. Im oberen Teil der Zerstäub'jngskammer 62 ist eine öfmung 71 zum Entfernen der überschüssigen Gasmenge aus der Kammer 43 und im unteren Teil eine Öffnung 72 vorgesehen, die mit einem abnehmbaren Behälter 73 verbunden ist, in dem die Granalien gesammelt werden.

Die kegelförmige Wand 74 des Deckels 67 weist die Heizquelle, den Generator 68, auf, der unter einem Winkel von 20 bis 70° zur Achse der Öffnung 64 zum Einführen des Abschmelzstabs angeordnet ist In F i g. 1 ist der Lichtbogenplasmagenerator 68 in Form eines Rohres dargestellt, das durch die Abdichtung 69 unter einem Winkel von 45" zur Achse der Öffnung 64 geführt ist. In der Stirnfläche der kegelförmigen Wand 74 ist koaxial zu der Öffnung 64 ein Schauglas 75 vorgesehea Die Vorderwand 65 ist in Form einer in die Kammer 62 vorspringenden kegelförmigen Fläche zur Verminderung des Volumens der hermetisch abgeschlossenen Kammer 43 ausgebildet

Der Deckel 67 ist mit einer Vorrichtung zu dessen Verschiebung ausgestattet, die aus einer Schraubenspindel 81, die an der Wand der Kammer 65 in Stützen 82 befestigt ist, und einer Mutter 83 besteht, welche am Deckel 67 befestigt ist. Die Schraubenspindel 81 dient aucn als Drehachse des Deckels 67 beim Öffnen der Luke 66.

Die Heizquelle 68 ist von der Achse der Öffnung 64 um eine Größe verschoben, die V₃ des Durchmessers dieser Öffnung nicht übersteigt (in Fig.2 ist eine Verschiebung wiedergegeben, die '/« des Durchmessers der öffnung 64 beträgt).

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist außerdem mit Stromquellen, Vakuumpumpen, Systemen für die Zuführung, die Reinigung und den Rücklauf von Inertgas, mit automatischen Steuerelementen und mit anderen Mitteln verschen, die für den Betrieb der Vorrichtung notwendig, jedoch in den Zeichnungen (F i g. 1 und F i g. 2) nicht wiedergegeben sind.

Die Vorrichtung arbeitet wie folgt:

Die zylindrischen Abschmelzstäbe 76 werden durch die Luke 61 in das Magazin 3 eingesetzt, wobei man einen der Stäbe unmittelbar auf die Walzen 47 legt, indem man ihn von oben mittels einer Rolle und von hinten mittels des Stößels 54 andrückt.

Durch Drehen der Schraubenspindel 81 wird die erforderliche Verschiebung der Heizquelle, des Generators 68, gegenüber der Mitte der Öffnung 64 vor Betriebsbeginn eingestellt. Die Größe dieser Verschiebung ist zum Durchmesser des zu bearbeitenden Abschmelzstabs 76 proportional und hängt auch von dem Querschnitt des Plasmastrahls 77, den physikalischen Eigenschaften des zu zerstäubenden Materials und einigen anderen Parametern ab. Der Deckel 67 wird geschlossen, die Kammer 43 durch die Rohrleitung 58 evakuiert, das Ventil 59 geschlossen, und dann die Kammer durch die Öffnung 60 mit Inertgas gefüllt. Nach dem Einschalten des Antriebs 49 zum Drehen der Walzen 47 und des Antriebs 55 zum Vorwärtsbewegen wird der Abschmelzstab 76 durch die Öffnung 64 in die Zerstäubungskammer 62 eingeführt. Dann v.ird die Heizquelle, ein Lichtbogenplasmagenerator mit indirekter Wirkungsweise, eingeschaltet, und der Plasmastrahl 77 gegen die Stirnfläche 78 des Abschmelzstabs 76 geleitet, wobei die Stirnfläche bis zur Schmelztemperatur des

Materials erhitzt wird.

Die eingeschmolzene Materialschicht wird durch Zentrifugalkräfte, die bei der Drehung des Stabs 76 um die eigene Längsachse entstehen, von der Stirnfläche 78 des Stabs 76 abgerissen und gleichmäßig im Innenraum der Zerstäubungskammer 62 verteilt. In der Kammer 43 wird der Inertgasdruck aufrechterhalten, der für eine vollständige Erstarrung und Abkühlung der Teilchen beim Flug derselben von der Stirnfläche 78 des Stabs 76 bis zur zylindrischen Wand der Kammer 62 ausreicht. Das kontinuierlich in die Kammer 62 zusammen mit dem Plasmastrahl 77 zuzuführende Gas wird dabei durch die Öffnung 71 abgeführt Die Geschwindigkeit der Vorrichtung Sl zum Bewegen des Abschmelzstabes 76 wird so eingestellt, daß die einzuschmelzende Stirnfläche 78 des Stabs 76 unter gleichen Erhitzungsverhältnissen, d. h. in einem konstanten Abstand von der Heizquelle 68 liegt. Die erstarrten Materialteilchen fallen nach unten in die Zelle 62 und gelangen durch die Öffnung 72 in den Behälter 73, in dem Granalien gesammelt werden. Der Stabrest, der sich nicht einschmelzen läßt, wird durch Ausstoßen durch die Öffnung 64 mittels des Stößels 57 in die Zelle 62 entfernt. Dann wird die Andruckrolle 50 angehoben, der Stößel 54 in die Ausgangsstellung abgezogen, wobei der nächste Stab 76 aus dem Magazin 45 auf die Walzen 47 gelegt wird, und der Zyklus des Einschmelzens des Stabs und der Herstellung von Granalien wiederholt. Falls der Durchmesser des Abschmelzstabs den Durchmesser der Erhitzungszone wesentlich, d. h. um das 4- bis 5fache übersteigt, ist es vorteilhaft, die Heizquelle wahrend des Abschmelzens des Stabs kontinuierlich in Längsrichtung zu verschieben.

Die Besonderheit des Betriebs der Vorrichtung besteht in einer gleichmäßigeren Verteilung des Wärmestromes der Heizquelle 68 über die Stirnfläche 78 des einzuschmelzenden Stabs 76, was durch die Ausrichtung des Plasmastrahls 77 unter einem Winkel von 20 bis 70° zur Fläche 78 und durch die Verschiebung des Plasmastrahls aus der Achse des sich drehenden Stabes 76 hervorgerufen wird. Dadurch ist es möglich, den Durchmesser der Abschmelzstäbe bedeutend zu vergrößern und folglich die Leistung der Vorrichtung zu erhöhen. Außerdem ist es zweckmäßig, den Abschmclzstab 76 in der Richtung zu drehen, die der Richtung des Gasstromes im Plasmastrahl 77 entgegengesetzt ist, wie dies in F i g. 2 wiedergegeben ist. Dabei wirken auf die sich von der Stirnfläche 78 abtrennenden Teilchen nicht nur die Zentrifugalkräfte, sondern auch der Geschwindigkeitsdruck des Plasmastrahls 77 ein. Dadurch kann man feinere Granalien 79 herstellen oder die Drehgeschwindigkeit des Abschmeizstabs herabsetzen. Dies ermöglicht seinerseits, die schnellaufende Vorrichtung 46 zum Drehen des Abschmelzstabes zu vereinfachen. So wird z. B. bei den vorhandenen Anlagen ein Stab von 50 mm Durchmesser mit einer Geschwindigkeit von 12 000 bis 18 000 U/min zur Herstellung der Granalien mit 100 bis 200 μηι Größe gedreht Die Verwendung der vorliegenden Vorrichtung gestattet es, die Drehgeschwindigkeit des Stabs wenigstens um die Hälfte bei der Herstellung von Granalien derselben Größe zu vermindern.

Eine andere Besonderheit der erfindungsgemäBen Vorrichtung besteht darin, daß sic das Entfernen des nicht eingeschmolzenen Teils des Stabs 76 aus der Zelle 44 in die Zerstäubungskammer 62 sowie eine gute Oberwachung der einzuschmelzenden Stirnfläche 78 des Stabs durch das Scha uglas 75 ermöglicht

Das gestattet es, einige technologische Parameter

besser zu überwachen (Messen der Temperatur der einzuschmelzenden Fläche mit einem Pyrometer, Regelung der Abmessungen, der Form und Anordnung der Erhitzungszone gegenüber dem Plasmastrahl 77 usw.).

Bei der Anordnung der Heizquelle unter einem Winkel von unter 20° zur Achse der Öffnung 64 kommt der oben beschriebene positive Effekt der Vorrichtung (eine bequeme Bedienung und die Erhöhung der Leistung durch eine günstige Verteilung des Wärmestromes) nicht zum Tragen. Bei der Anordnung des Plasmagenerators 68 unter einem Winkel von über 70° zur Achse der Öffnung 64 gelangen die eingeschmolzenen Teilchen auf den Plasmagencrator 68, was den Betrieb der Vorrichtung behindert

Als elektrische Heizquelle verwendet man, wie oben erwähnt, bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung einen Tieftemperatur-Plasmagenerator, der einen eine Temperatur von etwa 2500 bis 3000 K aufweisenden Gasstrahl mit einer praktisch beliebigen chemischen Zusammensetzung erzeugt. Dadurch ist es möglich, die chemische Zusammensetzung des Materials nicht nur zu erhatten, sondern diese auch in einigen Fällen zu beeinflussen, d. h. das Einschmelzen des Stabmaterials mit einem Raffinieren, einer Reduktion, einem Legieren und anderen chemisch-metallurgischen Vorgängen zu vereinigen. Der Tieftemperatur-Plasmagenerator ist zum Einschmelzen von beliebigen Materialien unabhängig von deren elektrischen Leitfähigkeit geeignet Außerdem kann er bei hohen Drücken (0,98 bis 49 bar) betrie-

jo ben werden, was eine hohe Kristallisationsgeschwindigkeit fördert; dadurch wird die Qualität der Granalien verbessert und es ermöglicht, den Querschnitt der Zerstäubungskammer zu vermindern. Von den Tieftemperatur-l'lasmagencratorcn sind vorzugsweise Lichtbogenplasmagencraloren mit indirekter Wirkungsweise zu verwenden, weil sie eine besonders einfache Konstruktion haben. In einigen Fällen können jedoch zweckmäßigerweise andere Typen von Tieftemperatur-Plasmageneratoren, z. B. Hochfrequenzgeneratoren, verwendet werden, die in einem oxydierenden Medium betrieben werden können und einen Plusmastrahl mit einem größeren Querschnitt erzeugen.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist auf das obenbeschriebene Beispiel (Fig. 1 und Fig.2) nicht beschränkt So ist es z. B. vorteilhaft, beim Einschmelzen und Zerstäuben von Stäben mit größeren Durchmessern (200 bis 400 mm und mehr) mehrere Heizquellen anzubringen. Man kann z. B. drei Lichtbogenplasmageneratoren mit direkter Wirkungsweise einsetzen, die an

so das dreiphasige Wechselstromnetz derart angeschlossen sind, daß der Stab einen gemeinsamen Nullpunkt von drei Plasmabogen bildet, die zu einem Stern vereinigt sind. Dabei kann man für jeden Plasmagenerator eine verschiedene Größe der Verschiebung von der

Achse der Öffnung zum Einführen des Stabs bestimmen. In Anbetracht einer größeren Masse des Stabs kann außerdem auf die Verwendung eines Beschickungsmagazins verzichtet werden. In diesem Fall ist es zweckmäßig, die Vorrichtung zum Drehen des Abschmelzstabs in

bo Form einer senkrecht stehenden Spindel mit einem Spannfutter zum Einspannen des Stabs auszuführen.

Die Verwendung der erfindungsgemäßen Vorrichtung im Vergleich zu den bekannten Vorrichtungen zur Herstellung von Granalien gestattet es, den zulässigen Durchmesser der zu bearbeitenden Abschmelzstäbe um das 3- bis 4fache zu vergrößern, was zur Erhöhung der Leistung um das 2- bis Jfache führt Dabei bleibt die Teilchengröße der herzustellenden Granalien, deren

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Homogenität und chemische Zusammensetzung unverändert. Außerdem wird die Bedienbarkeit der Vorrichtung wesentlich vereinfacht und verbessert.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims (1)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Herstellung von Granalien aus einem Abschmelzstab mit einer hermetisch abgeschlossenen Kammer, die auf einer Seite einen DcIckel. auf den eine die konzentrierte Erhitzung ermöglichende Strahlenquelle befestigt ist, und auf der gegenüberliegenden Seite eine öffnung zum Einführen des Abschmelzstabs in die Kammer aufweist, und mit Einrichtungen zum Drehen des Abschmelzstabs um die eigene Achse, die mit der Achse der Kammer zusammenfallt, und zum Vorschub des Abschmelzstabs entlang dieser Achse, dadurch gekennzeichnet, daß