KR910000128B1 - 미세한 구형 분말 생산 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

내용 없음.

Description

미세한 구형 분말 생산 방법 및 장치

제1도는 본 발명의 방법을 수행하기 위한 장치의 단면도.

제2도는 라발형 노즐의 변경 실시예를 도시한 도면.

제3도는 제1도와 유사한 비도가니 용해용 장치의 부분 상세도.

제4도는 환상의 갭형 구멍과 라발 노즐이 정렬된 용해 도가니의 중앙 종단면도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1 : 용기 2 : 격벽

3,4 : 가스실 5 : 도가니

9 : 형상부재 10 : 통로

17 : 추진가스 공급 깔대기 18 : 라발 노즐 형상

본 발명은 추진가스가 흐르는 회전상 대칭의 라발 노즐 시스템에서 용융금속, 금속합금 또는 세라믹 물질로부터 직경의 범위가 5 내지 30㎛ 이내인 매우 미세한 분말을 생산하기 위한 방법 및 본 발명을 수행하기 위한 장치에 관한 것이다.

독일연방공화국 특허 제22 37 884호와 이에 관련된 미합중국 특허 제4,001,357호와 4,060,355호는 용융유동의 상태 함수로서 유동방향으로의 라발 초음속 노즐 배치의 기하학적 형태를 최적화하기 위한 방법을 설명하고 있다. 용융사 생산을 위한 최적화 방법의 근본적인 특징은 1차 유동이 팽창지역에 들어올 때, 즉 가장 좁은 단면을 마하 1로 통과한 후와 ㎛ 직경의 여러개의 2차 용융사로 이루어진 용융사 다발을 형성한 후, 냉각과 고체화가 팽창지역에서 매우 신속하게 일어나는데 있다. 어떤 경우에는 작은 분말로의 붕괴를 유발하는 수력학적 불안정 이전에 이러한 고체화가 발생한다.

서두에 언급한 용융 유동으로부터 약 5 내지 30㎛ 범위의 직경을 갖는 미세한 분말을 생산하는 초음속 추진가스장치를 최적화하기 위하여 미합중국 특허 제4,534,917호의 방법에 따라 2차 용융사 다발의 급속한 냉각 대신에, 이 지역에 실제로 가장 적합한 복사열을 공급함으로써 용융 배취(batch) 유동체를 유지할 필요가 있다.

중요한 조건은 추진 매개물의 유동이 층류로 유지되어야 하는 것이다.

그러므로, 본 발명은 필요한 열의 공급과 추진 매개물의 층류 유동 방식을 확실하게 하여서 직경이 큰 방울이 형성되지 않게 하여 미세한 분말의 형성을 보증하는 방법에서 나타나는 문제점에 기초를 두고 있다.

이 문제점은 특허청구범위의 제1항의 특징에 의하면 해결된다. 본 발명의 다른 장점은 종속항에 기술되어 있다.

청구범위 제1항의 특징 부분에 의하여, 다시 말하자면 라발 노즐에서 용융 유동을 가속시키기 직전에만 발생하는, 과열 공정으로부터의 실제 용융 공정의 분리에 의해, 단일 필라멘트 용융 유동이 특히 미세하게 분열된다. 용융된 단일 필라멘트 물질은 이 물질에 작용하는 초음속 가스 유동의 전단 응력에 의하여 그 표면에서 백만분의 수초에서 100m/s로 가속된다. 이에 의하여 가속된다. 이에 의하여 발생되는 힘은 약 3배까지 용융 유동의 표면 장력을 초과한다. 이것은 비교적 큰 방울의 형성을 방지한다. 그후 용융된 단일 필라멘트는 표면이 가속된 상태인 동안에 비교적 저압 영역으로 들어가게 된다.

단일 필라멘트의 중앙부와 크게 가속된 표면과의 사이의 큰 압력차는 단일 필라멘트를 매우 가는 용융사 다발로 파열시키는데, 다음에 용융사 다발은 전단력을 안정화시키는 표면 장력 현상 때문에 그 직경이 초기 단일 필라멘트의 직경보다 한배 작은 극히 미세한 분말 입자로 파쇄된다.

이 방법에서는 상술한 바와 같이 단일 필라멘트가 분열된 후 미세한 용융사가 유동체로 유지되기에 충분히 높은 온도에서 용융배취의 온도를 유지시키기 위하여 매우 미세한 온도 변화가 필요하다. 이것은 용융사에 작용하는 복사열에 의하여 달성된다.

용융 유동의 과열은 그 복사열을 회전축에 집중시키는 추진가스 공급 깔대기의 가열에 의하여 특히 양호한 방법으로 수행된다. 추진가스 공급 깔대기는 양호하게 유도 가열될 수 있다.

만약, 환형 갭을 형성하는 원추형 구멍이 용융 도가니에 설치된다면 복사열은 특히 양호한 방법으로 긴급 용융에 작용할 수 있으므로, 그후 용융된 덩어리는 배출 스피것(spigot)(즉, 용융에만 사용되는 실제 도가니의 외부)을 따라 흐르며, 과열과정은 이미 배출 스피것에서 시작된다. 용융된 유동이 폐쇄 스피것 지역에서 박막으로서 매우 넓은 면적에 걸쳐 노출되는 것은 특히 편리하다. 이 과열 과정은 용융 유동의 두께에 크게 의존되는데, 청구범위 제12항에 따르면 그 이유는 환형 갭의 명백한 폭의 제어된 변경에 대하여 폐쇄부가 구멍에 축방향으로 양호하게 이동할 수 있기 때문이다.

첨부도면에 도시된 양호한 실시예를 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

제1도는 본 발명에 의한 방법을 수행할 수 있는 본 발명의 장치의 단면을 개략적으로 도시하고 있다.

격벽(2)에 의하여 상부 가스실(3)과 하부 가스실(4)로 분할된 용기(1)내에는 용융 유동이 나올 수 있는 구멍(6)을 가진 도가니(5)가 있다. 도가니(5)는 석영 유리, 소결 세라믹이나 흑연으로 구성될 수 있다. 도가니(5)의 가열에 사용되는 것은 세라믹 합성물(7)에 매립(embedding)된 저항가열 시스템(8)이다. 도가니(5)는 용융 배취(11)를 수용한다. 상기 배취는 어떠한 금속이나 금속 합금, 특히 철, 코발트, 니켈, 크롬, 알루미늄이나 이들의 합금으로 구성된다. 특히, 크롬이나 붕소와 같은 결정화 저해 물질이 첨가된 철합금은 분말 금속으로서 얻어질 수 있다. 은, 백금, 이리듐 또는 그 합금이 본 발명에 따른 방법에서의 사용에 적합하다.

격벽(2)에는 통로(10)를 가진 형상부재(9)가 설치된다.

상부 가스실(3)은 적어도 하나의 추진가스 공급 파이프(12)를 구비한다. 특히, 용기(1)의 주위에 걸쳐 분배되는 여러개의 추진가스 공급 파이프(12)를 구비하는 것이 편리하다. 하부 가스실(4)에는 가스 배출 파이프(13)가 구비되어 있다. 또한 하부 가스실(4)은 수문등을 구비하여 분말 배출 파이프(14)와 결합되어 있다.

특히, 용기(1)의 상부는 열 절연체(15)내에 둘러싸여 있다.

본 발명에 따라, 상부 가스실(3)내에는 추진가스 공급 깔대기(17)가 있는데, 상기 깔대기는 유도가열 시스템(26)에 의하여 둘러싸여 있다. 추진가스 공급 깔대기(17)에는 극히 좁은 단면(21)이 위치하고 있다. 추진가스 공급 파이프(12)는 상부 가스실의 가스압을 조정하기 위한 밸브(도시되지 않음)를 구비할 수 있다. 마찬가지로, 하부의 가스 배출 파이프(13)에는, 하부 가스실(4)의 가스압을 조정하고 유지하기 위한 송출펌프(도시되지 않음)가 구비될 수 있다.

추진가스로서는 용융 유동과 반응하지 않는 어떤 가스의 사용도 가능하다. 헬륨이나 아르곤과 같은 양호한 고순도의 불활성 가스가 사용된다. 수소화물을 형성하지 않는 금속에는 수소의 사용이 가능하다. 질화물을 형성하지 않는 금속에는 질소가 사용될 수 있다. 일산화탄소와 같이 연소로 인한 폐기 가스라도 어떤 조건하에서는 양호하다.

상부 가스실(3)내에는 5기압의 압력(P₁)이 있고, 한편 하부 가스실(4)내에는 약 1기압의 압력(P₂)이 유지된다. P₂대 P₁의 비율은 0.5이하이어야만 하고 0.2가 양호하다.

추진가스 공급 깔대기(17)는 전기-유도적으로 가열가능한 금속, 즉 백금같은 희귀금속이나 몰리브덴으로 구성된다. 그 복사열은 그곳에 위치한 용해 배취상에서 회전축에 집중된다. 추진가스 공급 깔대기(17)의 아래쪽 단부는 라발 노즐 형상(18)을 하고 있는데, 라발 노즐 형상은 용융 유동(16)이나 원추형 도가니(5)의 부분을 동축으로 둘러싸고 있다. 상기의 전기 유도 가열된 회전 대칭 구조의 열 에너지는 상기 언급된 바와 같이 그축에서 연장되는 용융 유동(16)에 집중된다.

소요의 방식에서, 추진가스(19)는 추진가스 공급 깔대기(17)내측의 접촉면과의 접촉에 의하여 가열되며, 따라서 용융 유동(16)을 가속화시키는 마찰력을 바람직하게 증가시킨다. 추진가스는 유동(19)이 유동방향으로 일정하게 감소하는 단면내로 이동하기 때문에 라발 노즐(18)의 가장 좁은 단면(21)(여기서 음속이 되며 후에 음속을 초과하게 된다)의 방향으로 상당한 가속을 받아 초속 100m이상의 속도로 추진된다.

이 지점에서 추진가스(19)에 대한 슬립 속도는 대략 초속 200m이다. 용융 유동(16)의 1차 유동 표면에서의 높은 가속력 때문에, 유동이 조기에 균열되어 2차 용융사(22)로 되는 것이 방지된다. 1차 용융 유동(16)이 부압의 초음속 지역에 들어올 때만 소요의 파열이 발생되어 매우 미세한 2차 용융사(22)의 다발로 된다. 이 일이 일어난 후에만 ㎛의 매우 미세한 크기의 분말 입자(23)의 갈라짐이 복사열에 의하여 조정되고, 또한 수력학적 불안정 때문에 분열하는 2차 용융사(22)에 유효하다.

도가니(5)내의 용융 유동은 용해물 배출 구멍(6)을 통하여 나오는데, 가스 통로(10)에서 전개되는 압력구배의 효과에 의하여 용융 유동은 세분되며 초음속으로 흐르는 추진가스 효과에 의해 우선 용융사(22)로 인발되고 용융사(22)는 그후 분말 입자(23)로 파쇄된다.

추진가스가 통로(10)를 통과할 때 그 단열 냉각으로 인하여 냉각이 부분적으로 일어난다. T₄법칙에 따른 복사에 의해 고용융 온도에서 볼 직경이 매우 작은 상태로 냉각이 실질적으로 발생한다.

형성되는 분말 입자(23)는 하부 가스실(4)내의 가스압이 유지되는 동안 배출 오리피스(14)를 통하여 주기적으로 분출된다. 도가니(5)안으로의 금속 공급은 도가니 상부의 구멍(25)을 통하여 금속 바아(24)를 꾸준히 공급하므로써 달성될 수 있는데, 상기 바아는 용융 배취(11)와 접촉하면 녹는다.

가스 통로(10)를 형성하는 형상부재(9)는 세라믹 또는 석영 유리와 같은 내열성 재료가 양호하다.

용융 유동(16)이 조기에 갈라져서 조립의 분말(1차 용융 유동(16)의 직경과 같은)이 됨과, 여러개의 평행한 2차 유동사로 구성되는 2차 용융사(22)가 매우 미세한 분말 입자(23)로 파열되는 것을 방지하는 방법에서, 양호한 요소는 구조적 점성이며, 구조적 점성에 따라 단일 용융사의 단면이 금속하게 변한다. 축방향으로 짧은 통로에서의 급속한 가속은 또한 단면과 구조적 점성을 필연적으로 급속히 변화시키는데, 이는 개개의 용융사를 안정시키는 효과가 있어서 일단 형성된 미세한 용융사(22)는 라발 노즐1(78)의 팽창지역에서 수력학적 불안정이 발생하기 전에 짧은 시간동안 지속된다.

추진가스 공급 깔대기(17)를 통하여 통과할 때 추진가스를 가열시키면(어떤 가스 매개물을 갖는)추진가스의 분자점성은 온도가 상승함에 따라 급격히 상승한다.

제2도는 라발 노즐 형상(18)이 되기전에 단면이 일정한 지역(27)을 추진가스 공급 깔대기(17)가 포함하는 변경된 실시예를 도시하고 있다. 그러므로, 용융사는 도가니에서 나온후 꽤 긴 통로에 걸쳐 가속력으로서 접촉면 마찰을 받는다.

제3도에 도시된 실시예에서는 비-도가니 용융방법을 사용하는데, 공급수단(도시되지 않음)은 라발 노즐 형상(18)의 입구까지 금속 바아(24)를 전진시킨다. 유도 가열로 금속 바아(24)를 녹이고 용융 유동(16)을 형성한다. 그후, 후진가스의 작용하에, 용융 유동(16)은 라발 노즐 형상(18)으로부터 흘러나온후 2차 용융사(22)로 파열되며, 용융사는 동적 불안정성 때문에 분말입자(23)로 분해된다.

제4도에 도시된 실시예에 따른 도가니의 바닥부(101)에는 유사하게 각도를 이룬 즉, 회전 대칭인 폐쇄부재(103)내부로 축방향으로 밀리는 원추형 구멍(10)이 있는데, 상기 폐쇄부재의 선단은 원추형이다. 원추형 구멍(102)은 폐쇄부재(103)가 구멍의 원추형 면에서 지지되어 있을 때 폐쇄된다. 폐쇄부재(103)가 수직 상방으로 이동할 때, 환형의 갭 형상 구멍(104)이 형성되며, 구멍을 통하여 용융 유동이 폐쇄부재(103)의 표면을 따라 폐쇄부재(103)의 원추형 선단(105)까지 흐른다. 용해된 금속이 유출하는 동안 폐쇄부재(103)의 원추형 선단(105)은 흡입노즐, 즉 라발 노즐의 유입지역내로 축방향으로 회전 대칭으로 돌출되며, 용융 유동은 폐쇄부재(103)의 원추형 선단(105)지역에서 축방향으로 대칭인 용융된 단일 필라멘트(107)의 형태로 계속적으로 분출된다. 폐쇄부재(103)의 외측벽(110)상의 용융 유동의 양과 용융 유동의 두께는 원추형 구멍(102)내의 폐쇄부재(103)의 축방향 이동에 의해 변화될 수 있다.

또한, 제4도의 도가니(101)의 외측벽(111)이 폐쇄부재(103)의 외측벽(110)과 원추형으로 거의 고르게 합체됨을 도시하고 있다. 더욱이, 폐쇄부재의 외측벽(110)은 복사 가열의 복사 및 유효 지역과 라발 노즐의 내부 지역에 위치되어, 폐쇄부재(103)의 원추형 선단(105)이 라발 노즐의 가장 좁은 단면 지역에 자리잡도록 하는 것이 근본적으로 중요하다.

원추형 구멍(102)에 관한 폐쇄부재(103)의 축방향 위치의 간단한 조정을 위하여, 폐쇄부재(103)는 도가니 내부의 그 단부(115)에서 나삿니(116)를 갖는데 이에 의해서 폐쇄부재는 도가니(101)의 아래측으로 축방향으로 나사 회전될 수 있다.

본 발명은 설명된 특징과 수단에 국한되지 않는다. 본 발명은 기술에 숙련된 자의 범위내에서 어떤 발전, 변경과 단순화 또는 설명된 것의 부분적 결합, 종속 결합과 설명된 특징과 수단을 포함한다.

Claims (16)

1. 층상 유동의 추진가스가 통과하고 용융 유동이 그 내부의 도가니의 구멍으로부터 나오는, 회전 대칭인 라발 노즐 시스템에서 금속, 금속 합금이나 세라믹 용해물로부터 대략 5 내지 30㎛의 직경을 갖는 미세한 구형 분말 생산 방법에 있어서, 용융 유동은 도가니내에서 단지 용해되고 도가니의 구멍으로 부터 흘러나온후 특히 복사열에 의하여 과열되는 것을 특징으로 하는 미세한 구형 분말 생산 방법.
2. 제1항에 있어서, 그 회전축상에 복사열을 집중시키는 추진가스 공급 깔대기(17)의 가열에 의해, 용융 유동이 과열되는 것을 특징으로 하는 미세한 구형 분말 생산 방법.
3. 제2항에 있어서, 추진가스 공급 깔대기(17)는 유도 가열되는 것을 특징으로 하는 미세한 구형 분말 생산 방법.
4. 추진가스(19)는 추진가스 공급 깔대기(17)의 내측 접촉면과의 접촉에 의하여 가열되고, 용융 유동(16)을 가속화시키는 마찰력을 증가시키며, 유동 방향으로 일정하게 감소하는 단면내로 유동이 이동하기 때문에 추진가스 공급 깔대기의 아래 단부에 위치한 라발 노즐(18)의 가장 좁은 단면(21)의 방향으로 상당한 가속을 받아 노즐을 통하여 강제 이동되어, 용융해야할 금속 바아(24)의 용융 유동 단부 주위에 작용하며, 융융 유동이 나올수 있는 구멍(6)을 갖는 도가니(5)를 그 내부에 가지고, 상부 가스실(3)과 하부 가스실(4)을 구비하며, 추진가스 공급 깔대기와 분말 배출 수단이 배열된 용기내에서 미세한 구형 분말 생산 장치에 있어서, 라발 노즐 근처에 라발 노즐을 통과하는 용융 수단(16)을 과열시키는 복사열을 내는 유도 가열 장치(26)가 구비되는 것을 특징으로 하는 미세한 구형 분말 생산 장치.
5. 제4항에 있어서, 추진가스 공급 깔대기(17)는 회전 대칭 원추형이고 그 한단면은 유동 방향으로 크게 하향 테이퍼지며, 라발 노즐 효과를 달성하기 위해 그 바닥 부분에 가장 좁은 단면을 갖는 것을 특징으로 하는 미세한 구형 분말 생산 장치.
6. 제5항에 있어서, 추진가스 공급 깔대기(17)의 노즐 단부는 적어도 전기적으로 유도 가열가능한 물질로 구성되는 것을 특징으로 하는 미세한 구형 분말 생산 장치.
7. 제6항에 있어서, 깔대기 재질은 몰리브덴, 희귀금속, 특히 백금인 것을 특징으로 하는 미세한 구형 분말 생산 장치.
8. 제4항에 있어서, 상부 가스실(3)내의 정압과 하부 가스실(4)내의 부압을 형성하기 위한 수단이 구비되고, 상기 두개의 가스실(3,4)은 격벽(2)에 의하여 형성되며, 격벽내의 통로(10)는 라발 노즐 형상(18)을 가지는 추진가스 공급 깔대기(17)를 수용하는 형상부재(17)에 들어맞는 것을 특징으로 하는 미세한 구형 분말 생산 장치.
9. 제4항 내지 제8항중의 어느 한 항에 있어서, 가열가능한 도가니(5)를 갖는 것을 특징으로 하는 미세한 구형 분말 생산 장치.
10. 제4항 내지 제8항중의 어느 한 항에 있어서, 용융될 재료의 바아(24)를 비-도가니 용융용 추진가스 공급 깔대기(17) 내부로 공급하기 위한 장치를 구비하는 것을 특징으로 하는 미세한 구형 분말 생산 장치.
11. 제4항 내지 제8항중의 어느 한 항에 있어서, 도가니(5)는 라발 노즐 단부에 원추형 구멍을 갖는데, 이 원추형 구멍은 개방 상태에서 환형의 갭을 형성하고, 배출 스피것에서 종결되는 유사 각도 형성된 폐쇄부재를 그것을 통해 통과시키므로써, 환형 갭을 통과하여 흐르는 용융 유동은 폐쇄부재의 외벽을 따라 흐르고, 스피것 선단으로부터 용융된 단일 피라멘트로서 인발되는 것을 특징으로 하는 미세한 구형 분말 생산 장치.
12. 제11항에 있어서, 환형 갭의 내부 폭의 변화를 제어하기 위해 폐쇄부재가 구멍에서 축방향으로 이동가능한 것을 특징으로 하는 미세한 구형 분말 생산 장치.
13. 제11항에 있어서, 용해 도가니의 외벽은 폐쇄부재의 외벽 내부로 원추형상으로 거의 고르게 합체되어 있는 것을 특징으로 하는 미세한 구형 분말 생산 장치.
14. 제13항에 있어서, 폐쇄부재의 외부벽이 복사 지역이나 복사 가열의 작용 지역과 라발 노즐의 내부 지역에 위치하는 것을 특징으로 하는 미세한 구형 분말 생산 장치.
15. 제14항에 있어서, 폐쇄부재는 폐쇄부재를 도가니의 하부측 내부로 조일 수 있는 나사를 그 내부의 도가니 단부에서 가지는 것을 특징으로 하는 미세한 구형 분말 생산 장치.
16. 제15항에 있어서, 도가니와 라발 노즐과 폐쇄부재는 축방향으로 상호간에 조절할 수 있는 것을 특징으로 하는 미세한 구형 분말 생산 장치.

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