DE3030122A1 - Verfahren und einrichtung zum formen von koerpern aus einem keramischen pulver - Google Patents
Verfahren und einrichtung zum formen von koerpern aus einem keramischen pulverInfo
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Description
DR. PERG DIPL.-ING. GTAPF
DIPL.-ING. SCHWABE DR. DR. SANDMAIR
PATENTANWÄLTE
Postfach 860245 · 8000 München 86
Postfach 860245 · 8000 München 86
η ί η 1 ? ?
UOU ILL
Anwaltsakte: 31
["g, Aug. 1980
British Nuclear Fuels Limted
Risley, Warrington, Cheshire, Großbritannien
Verfahren und Einrichtung zum Formen von Körpern aus einem keramischen Pulver
f (089) 988272 988273 988274 983310
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0524560BERGd ijUU
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DR. BERQ DIPL-IN DlPL-(Na SCHWAB, «ί
. un. PATENTANWÄLTE
β MÖNCHEN eo.MAUERKiRCHER8TR.46
Anwaltsakte 31 075
VERFAHREN UND EINRICHTUNG ZUM FORMEN VON
KÖRPERN AUS EINEM KERAMISCHEN PULVER.
Diese Erfindung betrifft das Pressen keramischer Pulver. Sie findet ihre besondere Anwendung bei der Herstellung von
Kernreaktor-Brennstoffpreßlingen, die in der Technik "Pellets"
genannt sind und Spaltmaterial in Oxid- oder Carbidform umfassen.
130009/0897
Gemäß der vorliegenden Erfindung besteht bei einer Preßeinrichtung
zum Formen von Körpern aus keramischem Pulver durch Verdichten des Pulvers in einem Gesenk dieses Gesenk
mindestens teilweise aus einem stromungsmxtteldurchlassigen
Material, und es ist eine Einrichtung vorgesehen, um durch ein Strömungsmittel, das das Gesenk durchdringt, einen
hydrostatischen Druck auszuüben, während man mindestens am einen Ende des Gesenkes auf das Pulver einen mechanischen
Druck ausübt.
Die Kombination von mechanischer Druckwirkung an den Enden eines Körpers und dem Strömungsmitteldruck an seiner gekrümmten
Oberfläche kann eine isostatische Druckerzeugung simulieren und die Bildung einer Einschnürung in Form von
Reibungsverlusten verringern, welche auftreten, wenn lediglich ein mechanischer Preßvorgang verwendet wird.
Das Strömungsmittelmedium kann eine Flüssigkeit oder ein Gas sein, und das Gesenkmaterial kann reaktionsgesintertes
Siliciumcarbid sein, d.h. Siliciumcarbid, das durch Sintern eines Körpers erzeugt ist, der aus einem Gemisch aus SiIiciumcarbidpulver
und Kohlenstoff in Anwesenheit geschmolzenen Silipiums derart gebildet ist, daß der Kohlenstoff
im Körper in Siliciumcarbid umgewandelt ist, wie dies beispielsweise in der DE-PS 1 671 180 beschrieben ist. Ein derartiger
reaktionsgesinterter Siliciumcarbidkörper enthält stets etwas freies Silicium in feiner Verteilung und kann
dadurch strömungsmitteldurchlässig gemacht werden, daß man den Körper mit einem Lösungsmittel für das Silicium behandelt,
beispielsweise mit Ätznatron bzw. Natriumhydroxid.
Bevorzugt sollte lediglich jener Abschnitt des Gesenkes strömungsmitteldurchlässig sein, der das verdichtete Pulver
enthalten wird.
Wenn das Strömungsmittelmedium eine Flüssigkeit ist, kann
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sie auch zum Schmieren des Gesenkes und der zugeordneten Teile dienen, durch welche ein mechanischer Druck auf das
Pulver im Gesenk ausgeübt wird. Beispiele von Flüssigkeiten, die diesbegzüglich geeignet sind, sind Cethylessigsäure
und bestimmte öle wie Hydrauliköl oder leichtes Maschinenöl.
Die Erfindung bezieht sich somit in der Zusammenfassung
auf eine Pelletierungspresse, bei welcher das Gesenk mindestens einen Teil aufweist, der derart strömungsmitteldurchlässig
ist, daß das Pulver im Gesenk gleichzeitig durch das Strömungsmittel, das durch das Gesenk
hinduchtritt, und mechanisch von mindestens einem Ende
des Gesenkes her verdichtet werden kann. Die Erfindung findet ihre spezielle Anwendung beim Pelletieren von Kernbrennstoff
pulvern .
Das Gesenk kann aus reaktionsgesintertem Siliciumcarbid bestehen, das durch Entfernen des Siliciums strömungsmitteldurchlässig
gemacht wurde.
Pressen, die in Übereinstimmung mit der Erfindung modifiziert Werden können, sind bekannt. Ein Beispiel einer
erfindungsgemäßen Presse wird nun unter Bezugnahme auf
die beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 : eine teilweise mittig geschnittene
Seitenansicht einer Pulverdichtungspresse zum- Bilden nuklarer Treibstoffpellets
ist, und
Fig. 2: eine Ansicht eines Mittelschnitts längs Linie II-II in Fig. 1 ist und
in einem größeren Maßstab als dem der Fig. 1 das Gesenk für die Presse der Fig. 1 zeigt.
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Es wird nun auf Fig. 1 der Zeichnung Bezug genommen; diese zeigt eine Presse zum Bilden von Pellets in Form eines geraden
Zylinders aus keramischem Kernbrennstoffpulver, das Urandioxid oder ein Gemisch aus Urandioxid und Plutoniumdioxid
sein kann. Die Presse weist eine Bettungsplatte 1 auf, die ein Joch 3 in parallelen Gleitführungen 2 sowie
einen Gesenkblock 4 trägt, der derart angebracht ist, daß er auf der Bettungsplatte 1 unbeweglich ist. Ein zylindrisches
Gesenk 5 ist innerhalb des Gesenkblocks 4 mittels eines entfernbaren, rohrförmigen Einsatzes aus reaktionsgesintertem
Siliciumcarbid vorgesehen. Wie deutlicher in Fig. 2 gezeigt ist, weist das Gesenk 5 einen Mittelabschnitt
6 auf, der durch Behandlung mit Natriumhydroxid strömungsmitteldurchlässig gemacht wurde. Diesen Mittelabschnitt
6 umgibt ein Ring bzw. Kreisring 48 im Gesenkblock 4, der mit Druckströmungsmittel gefüllt ist und
durch eine Leitung 49 an einen Druckerhöher (nicht gezeigt) angeschlossen ist. Ein Druckerhöher ist ein freier
Kolben mit einem hydraulischen Druck an beiden Enden, wobei das Druckverhältnis durch den Durchmesserunterschied
der Kolbenenden bestimmt ist. Ein Trichter 7 (Fig. 1) weist eine Aufgabekammer 8 am einen Ende des Gesenks 5 auf.
Am anderen Ende des Gesenk 5 befindet sich eine Pelle-Entnahmezone 9, aus welcher die geformten Pellets, nachdem sie
das Gesenk 5 verlassen haben, aus einer Lage, in welcher sie auf die Gesenkachse ausgerichtet sind, herausfallen
und dann zu einem Vorratsraum (nicht gezeigt) gefördert werden können, um nicht in die Formung der nachfolgenden
Pellets störend einzugreifen.
Der Gesenkblock 4 weist eine Lagerungsöffnung 10 für einen
Kolbenstößel 11 auf, der derart gleiten kann, daß er in die Aufgabekammer 8, durch diese hindurch, in das Gesenk 5,
durch dieses hindurch und in die Zone 9 gelangt.
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Ein Paar O-Dichtungsringe 12 befinden sich in der öffnung
10 für den Kolbenstößel 11. Der Gesenkblock 4 weist auch eine Lageröffnung 13 für einen Kolbenstößel 14 sowie ein
Paar O-Dichtungsringe 15 für den Kolbenstößel 14 auf, welcher derart verschieblich ist, daß er innerhalb des Gesenks
5, der Zone 9 und der Öffnung 13 verschiedene Stellungen
einnehmen kann.
Das Joch 3 trägt einen Preßantrieb 19 mit einer Kolbenstange 29. Der Preßantrieb 19 liegt auf der selben Achse
wie das Gesenk 5 und ist axial zum Zweck des Einrichtens mittels eines mit Schraubengewinde versehenen Zapfens 20
einstellbar, welcher sich durch eine öffnung 22 im einen Arm 23 des Jochs 3 erstreckt und mittels Muttern 21 befestigt
ist. Der andere Arm 24 des Jochs 3 ist in ähnlicher Weise mit einem Preßantrieb 25 versehen, der eine
Kolbenstange 33 aufweist. Der Preßantrieb 25 liegt auf der selben Ebene wie der Preßantrieb 19 und ist in ähnlicher
Weise axial mittels eines mit Schraubengewinde versehenen Zapfens 26 einstellbar, der sich durch eine öffnung 27 im
Arm 24 erstreckt und mittels Muttern 28 befestigt ist. Die Kolbenstange 29 des Preßantriebs 19 ist durch eine ausbaubare
bzw. lösbare Kupplung 30 mit dem Kolbenstößel 11 verbunden,
und ein Balgen 31, der mit dem einen Ende dichtend am Gesenkblock 4 und dem anderen Ende an einem Teil 32 der
Anordnung aus Preßantrieb 19 und dem Kolbenstößel 11 befestigt ist, dient dazu, irgendeinen Austritt aus der Zuführung
skammer 8 an wertvollem und/oder umweltgefährdendem Pulver zu verhindern, das durch die O-Ringe 12 hindurch entweichen
könnte. In ähnlicher Weise ist die Kolbenstange 33 des Preßantriebs 25 mittels einer ausbaubaren bzw. lösbaren
Kupplung 34 am Kolbenstößel 14 befestigt, und ein Balgen 35, der dichtend mit dem einen Ende am Gesenkblock4
und dem anderen Ende an einem Teil 36 der Anordnung aus Preßantrieb 25 und dem Kolbenstößel 14 befestigt ist, erfüllt
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- sr-
den selben Zweck wie der Balgen 31. Die Bettungsplatte 1 weist einen Preßantrieb 37 mit einer
Kolbenstange 39 auf, welche an einem Vorsprung 38 der Bettungsplatte 1 befestigt ist. Die Kolbenstange 39 des
Preßantriebs 37 ist an einem anderen Preßantrieb 40 befestigt, dessen Kolbenstange 41 an einen Vorsprung 42 am
Joch 3 befestigt ist. Der Preßantrieb 37 weist einen mit Schraubengewinde versehenen Zapfen 43 und Muttern 44 auf,
welche es gestatten, daß er in der ordnungsgemäßen Lage eingerichtet wird, und die Kolbenstange 41 des Preßantriebs
40 ist an ihrem Endabschnitt mit einem Schraubengewinde versehen, wobei ein derartiges Ende in den Vorsprung
42 eingeschraubt und in der gewünschten axialen Lage nach dem Einrichten durch eine Kontermutter 45 festgehalten
ist.
Es wird ausdrücklich darauf hingewiesen, daß durch Betätigen des Preßantriebs 19, 25, 37 und 40 (jeder Preßantrieb
ist ein Zwei-Lagen-Antrieb, worauf nachfolgend als "eingefahren" oder "ausgefahren" entsprechend Bezug genommen
wird) in speziellen Reihenfolgen die Kolbenstößel 11 und veranlaßt.^ werden können, verschiedenartige Lagen sowohl im
Gesenkblock 4 als auch bezüglich einander einzunehmen. Eine Betriebsfolge wird nun dementsprechend beschrieben.
Zuerst wird der Preßantrieb 19 eingefahren, der Preßantrieb
25 eingefahren, der Preßantrieb 37 ausgefahren und der Preßantrieb 40 ausgefahren. Dies versetzt die Kolbenstößel 11
und 14 in jene Lagen, in weichender Kolbenstößel 11 seitlich von der Einführungskammer 8 liegt, was es dem Pulver aus dem
Trichter 7 gestattet, die Kammer 8 zu füllen, und der Kolben stößel 14 füllt beinahe das gesamte Gesenk aus.
In dieser Lage kann die Axiallage des Kolbenstößels 11 um ein geringes Maß eingesteuert werden, um die Pulvermenge zu
verändern, welche zum Verdichten herangezogen wird. Diese
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Einstellung wird im allgemeinen für einen gesamten Betriebsablauf und nicht zwischen den einzelnen Folgen vorgenommen,
es sei denn, die Preßlinge liegen außerhalb der Toleranz.
Der .nächste Schritt bedeutet für den Preßantrieb 37, daß
er eingefahren wird, während die anderen Preßantriebe ihre Stellungen beibehalten. Dies dient -dazu, den Kolbenstößel
11 in das Gesenk 5 hineinzubewegen, wobei er die Pulverladung
46 vor sich herschiebt, und den Kolbenstößel 14 nahezu aus dem Gesenk 5 herauszubewegen, jedoch mit dem selben
Abstand zwischen den Kolbenstößeln wie bei der ersten Stufe.
Die nachfolgende Stufe besteht für die Preßantriebe 19 und
25 darin, daß sie gleichzeitig ausgefahren werden, während die Preßantriebe 37 und 40 ihre Lage beibehalten. Dies veranlaßt
die Kolbenstößel 11 und 14, sich aufeinander zuzubewegen, wobei sie die Pulverladung in ein Pellet 47 verdichten.
Während dieser Stufe und der üblichen Verweilzeit, welche nachfolgt, um die Verdichtung zu ermöglichen, damit
ein Gleichgewichtszustand erreicht wird, wird zusätzlich hydrostatischer Druck auf die Pulverbeladung durch die
Leitung 49, den Ring 48 und den strömungsmitteldurchlässigen Abschnitt 6 des Gesenks derart aufgebracht, daß der gesamte
Oberflächenbereich des verdichteten Pulvers einem im wesentlichen gleichförmigen Druck ausgesetzt ist, welcher auf die
zylindrische Oberfläche einwirkt und nahe jenem liegt, der auf die Endflächen einwirkt-, aber nicht größer ist als
dieser. Dies ist unten noch näher beschrieben. Nachfolgend wird das verdichtete Pellet 47 in den Pellet-Sammelbereich
9 ausgeworfen, indem man den Preßantrieb 40 zu dessen Einfahren betätigt. Anfangs wird der Preßantrieb 25 ausgefahren
gehalten, um mit dem Ergreifen des Pellet 47 fortzufahren, solange dieses ausgezogen wird, aber nachdem der
Preßantrieb 40 fertig eingefahren ist, wird auch der Preß-
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antrieb 25 eingefahren, löst seinen Eingriff mit dem Pellet 47 und ermöglicht es ihm, .zum Bereich 9 zu fallen. Dies
ist die Lage, die in Fig. 1 gezeigt ist.
ist die Lage, die in Fig. 1 gezeigt ist.
Zuletzt wird der Preßantrieb 19 eingefahren und die Preßantriebe 37 und 40 werden ausgefahren, was die Kolbenstößel
11 und 14 zurück in jene Lagen bewegt, welche sie
beim Beginn der Folge eingenommen haben. Die Folge wird
dann wiederholt.
beim Beginn der Folge eingenommen haben. Die Folge wird
dann wiederholt.
Die Aufbringung des hydrostatischen Drucks ist mit der Betriebsfolge
der Preßantriebe in der Preßeinrichtung derart synchronisiert, daß sie über jenen Abschnitt des Preßzyklus
hinweg auftritt, während dessen eine Pulverbeladung verdichtet wird und der Verdichtungsdruck, der auf die Endflächen
des Preßlings einwirkt, einen bestimmten Schwellwert überschreitet. Diese Synchronisierung kann dadurch erreicht
werden, daß man es dem Verdichtungsdruck gestattet, in das hydrostatische System einzutreten (beispielsweise
mittels eines Steuerventils), und zwar am Druckschwellwert oder kurz bevor dieser erreicht wird, wobei der erforderliche Druck im hydrostatischen System mittels eines Druckverstärkers erzeugt wird.
mittels eines Steuerventils), und zwar am Druckschwellwert oder kurz bevor dieser erreicht wird, wobei der erforderliche Druck im hydrostatischen System mittels eines Druckverstärkers erzeugt wird.
Durch Wahl einer geeingneten Flüssigkeit als Strömungsmittelmedium
zum Durchdringen des Gesenks der Preßeinrichtung kann das Strömungsmittelmedium auch zum Schmieren
des Gesenks dienen. Die Flüssigkeit wird hauptsächlich die gekrümmte Oberfläche des verdichteten Pulvers schmieren,
aber es wird etwas zu den Enden der Kolbenstößel hindurchsickern, die im Gesenk gleiten, und das Gesenk kann durch
die Bewegung dieser Kolbenstößel mit Schmiermittel geschmiert werden.
aber es wird etwas zu den Enden der Kolbenstößel hindurchsickern, die im Gesenk gleiten, und das Gesenk kann durch
die Bewegung dieser Kolbenstößel mit Schmiermittel geschmiert werden.
-Ende der Beschreibunq-
130009/0897
Claims (5)
1. Verfahren zum Formen von Körpern aus einem keramischen
Pulver durch Verdichten des Pulvers in einem Ctesenk
dadurch gekennzeichnet , daß durch ein Strömungsmittelmedium, das das Gesenk durchdringt, gleichzeitig,
während der mechanische Druck auf das Pulver mindestens am einen Ende des Gesenks ausgeübt wird, auch ein
hydrostatischer Druck ausgeübt wird.
2. Verfahren zum Formen von Körpern aus einem keramischen Pulver nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
das Strömungsmittelmedium auch das Gesenk schmiert.
3. Verfahren zum Formen von Körpern aus einem keramischen Pulver nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß das keramische Pulver Urandioxid umfaßt.
4. Preßeinrichtung zum Formen von Körpern aus einem keramischen Pulver durch Verdichten des Pulvers in einem
Gesenk, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche
1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesenk (5) mindestens teilweise
(6) aus strömunqsir.itteldurchlässigem Material gebildet ist, und
daß eine Einrichtung (48, 49) vorgesehen ist, um durch ein Strönungsmittelmedium,
das das Gesenk durchdringt, einen hydrostatischen Druck auszuüben,
»(089)988272 Telegramme: Bankkonten: Hvpo-Bank München 4410122850
988273 BEBGSTAPFPATENT München (BLZ 70020011) Swift Code HYPO [)[ MM
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983310 052456OBERGd 1JUOU9/O897 Posischeck München 65343-808 (BLZ 7MUXI8II,
während man mindestens am einen Ende des Gesenks einen mechanischen
Druck auf das Pulver ausübt.
5. Preßeihrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gesenk (5) aus reaktionsgesintertem Siliciumcarbid
gebildet ist, das durch teilweises Entfernen seiner fein verteilten, freien Siliciumphase teilweise strömungsmitteldurchlässig
gemacht ist.
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