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Metallpulvergewinnung durch Ultraschallvernebelung metallischer Schmelzen im Temperaturbereich oberhalb 400°C PDF

37 Pages·1968·1.322 MB·German
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FORSCHUNGSBERICHTE DES LANDES NORDRHEIN-WESTFALEN Nr.1903 Herausgegeben im Auftrage des Ministerprăsidenten Heinz Kiihn von Staatssekretăr Professor Dr. h. c. Dr. E. h. Leo Brandt DK 534.29:621.762.224 ProJessor Dr. Reimar Poh/man Dr.-Ing. Ernst-Giinter Lierke Dipl.-Ing. Gerhard GriifIhammer Laboratorium fur Ultraschall, Rhein.-Westf. Techn. Hochschule Aachen Metallpulvergewinnung durch Ultrascha11vernebe1ung metallischer Schme1zen im Temperaturbereich oberhalb 4000 C SPRINGER FACHMEDIEN WIESBADEN GMBH ISBN 978-3-663-06388-9 ISBN 978-3-663-07301-7 (eBook) DOI 10.1007/978-3-663-07301-7 Verlags-Nr. 011903 © 1968 b y Springer Fachrnedien Wiesbaden Urspr!lnglich erschienen bei Westdeutscher Verlag GmbH, KOln und Opladen 1968 Inhalt Einleitung ............................................................. 5 1. Zur Theorie der Fliissigkeitsvernebelung mit Ultraschall . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2. Metallpulvergewinnung durch Ultraschall-Vernebelung metallischer Schmelzen ................................................ 11 2.1 Metallschmelzenvernebelung bei niedrigen Ultraschall-Frequenzen . . . . . 14 2.11 Schalliibertrager bei 20 kHz und Temperaturen bis 700°C............ 15 2.12 Korrosionsfestigkeit des Obertragers .............................. 17 2.13 Benetzbarkeit der Schalliibertrager durch die Schmelze . . . . . . . . . . . . . .. 18 2.14 Schutzgase..................................................... 18 2.15 Schmelzenbehalter und Zuleitung der Schmelzen zum Schwinger... ... 19 2.16 Anordnung zur halbtechnischen Schmelzenvernebelung von Metallen mit geringer Neigung zur Oxidbildung .................... 22 2.17 Versuchsanordnung zur Vernebelung von Metallen mit starker Neigung zur Oxidbildung ................................................ 22 2.18 Versuchsergebnisse.............................................. 22 2.181 GroBenverteilung der erzeugten Metallpulver ....................... 22 2.182 Vernebelungsgeschwindigkeit, Verteilungsfunktionen und Oberflachenausbeute ........................... .............. 25 2.2 Schmelzenvernebelung bei 0,8 MHz ............................... 27 2.21 Verwendung von Hohliibertragern ................................ 27 2.22 Amplitudenmessung bei 0,8 MHz ................................. 30 2.23 Versuchsapparatur zur Schmelzvernebelung bei 0,8 MHz ............. 32 2.24 Ergebnisse der Schmelzenvernebelung bei 0,8 MHz . . . . . . . . . . . . . . . . .. 33 3. Zusammenfassung .................................................... 34 4. Verwendete Formelzeichen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 35 5. Literaturverzeichnis .............. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. 36 3 Einleitung Seit den ersten Beschreibungen durch WOOD und LOOMIS [1] hat das Phiinomen der Ultraschall-Flussigkeitsvernebelung mehr und mehr an Bedeutung gewonnen und das Interesse zahlreicher Theoretiker und Experimentatoren erregt. Inzwischen wurde durch die theoretischen Arbeiten von SOROKIN [2] und EISENMENGER [3] und durch die ex perimentellen Untersuchungen unter anderem von STAMM [4] der Mechanismus der Ultraschallvernebelung weitgehend geklart. Die technische Anwendung dieses wich tigen Ultraschalleffektes ruckt damit mehr und mehr in den V ordergrund. Eines der iiltesten Anwendungsgebiete ist zweifellos die Erzeugung von Ultraschall Aerosolen, die in der Aerosoltherapie [5] und neuerdings auch in der Technik der Raumklimatisierung mit Erfolg eingesetzt wird. Hier fehlen vor allem billige Kleinst gerate fUr den »Hausgebrauch«, die z. B. Tausenden von Lungen- und Asthmakranken eine unbeschwerliche, stets verfugbare Verabfolgung von Medikamenten ermoglichen wurden. Auch die Klimatisierung von W ohnraumen mit Hilfe billiger Ultraschall Luftbefeuchter erscheint aussichtsreich. Eine weitere technische Anwendungsmoglichkeit, an der in den letzten Jahren in einigen Landern erfolgreich gearbeitet wird, ist die Ultraschall-Vernebelung von flussigen Kraftstoffen, insbesondere von Heizolen. Hier haben sich das relativ mono disperse, durch die Schwingungsfrequenz genau wahlbare TropfengroBenspektrum sowie die Geriiuschfreiheit und der relativ gute Wirkungsgrad der Ultraschallvernebler als wesentliche Vorteile gegenuber anderen Zerstaubern bzw. Vergasern erwiesen [18]. Bemerkenswert ist auch die Tatsache, daB die Vernebelung ohne jegliche Luftzufuhr erfolgt, so daB die Verbrennungsluft beliebig reguliert werden kann. Die Ultraschall-Vernebelung von HeizOlen zur Verbesserung des Verbrennungswir kungsgrades und zur Flammenstabilisation durfte sowohl bei ortsfesten GroBanlagen als auch bei Kleinanlagen fur die Haus- und W ohnungsheizung eine ernstzunehmende Konkurrenz fUr die konventionellen Zerstaubungsverfahren werden. AuBerdem ist ein wirksamer Einsatz bei der Kraftstoff-»Vergasung« in Diesel- und Benzinmotoren erfolgversprechend. Ein wesentliches Anwendungsgebiet der Ultraschall-Vernebelung, das aufbauend auf der Arbeit von STAMM [4] in den letzten Jahren bereits Eingang in die Industrie ge funden hat, ist die Gewinnung mono disperser, kugelformiger Metallpulver durch Ultra schall-Vernebelung von Metallschmelzen und anschlieBende Abkuhlung in einer Schutz gasfallstrecke. Der Wirkungsgrad ist bedeutend guns tiger als bei den konventionellen Zerkleinerungsverfahren z. B. bei Kugelmuhlen. Entscheidend ist aber die durch die Frequenzwahl genau bestimmte, relativ enge GroBenverteilung der kugelformigen Pulver, die u. U. fur die Pulvermetallurgie besonders gunstige Voraussetzungen schalk Die Hauptaufgabe der vorliegenden Arbeit war die Untersuchung der Voraussetzungen fur die Technologie der Metallpulvergewinnung durch die Ultraschall-Vernebelung metallischer Schmelzen. Hierbei wurde besonderes Gewicht auf die Vernebelung bei mittleren Schmelztemperaturen (Ts < 8000 C) und relativ hohen Ultraschallfrequenzen (0,8 MHz) gelegt. 5 1. Zur Theorie der Fltissigkeitsvernebelung mit Ultraschall Ober den Mechanismus der Ultraschall-Vernebelung existieren zwei unterschiedliche Auffassungen, die einander scheinbar widersprechen. Nach der alteren Vorstellung, die in den letzten Jahren durch einige russische Arbeiten [6,7] neuen Auftrieb erhielt, ist die Kavitation eine wesentliche V oraussetzung flir die Vernebelung. Diese Tatsache wird von den Vertretern der Kapillarwellen-V orstellung ignoriert, bzw. nur als unwe sentlicher Nebeneffekt am Rande diskutiert. Es zeigt sich indes, daB beide Auffassun gen berechtigt sind und sich unter gewissen Bedingungen erganzen. Der groBe Nachteil der Kavitations-Hypothese besteht darin, daB sie keine priizise Er klarung uber den Mechanismus der TropfenauslOsung und fur das relativ schmale und in eindeutiger Weise von der Frequenz abhiingige TropfengroBenspektrum geben kann. 1m Widerspruch zur Kavitations-Hypothese steht auch die Tatsache, daB im nieder frequenten Ultraschallbereich eine Vernebelung aus dunnen Flussigkeits£llmen nur selten in Verbindung mit Kavitation zu beobachten ist. 1m Gegensatz dazu konnte bei der Kapillarwellen-Vorstellung eine plausible Theorie [3] durch einfache Experimente, z. B. durch die Messung der Anregungsamplitude und der Kapillarwellenlange oder durch die Messung der Vernebelungsgeschwindigkeit und des TropfengroBenspektrums [4] bestatigt werden. Der durch Experimente gesicherte Gultigkeitsbereich der Theorie erstreckt sich dabei von belie big tiefen Frequenzen bis ins MHz-Gebiet mit der einzigen Einschriinkung, daB sowohl bei der theoretischen Behandlung als auch bei der experimentellen Bestatigung mit relativ dunnen Flussig keitsschichten oder -£lImen gearbeitet wird. Die Vertreter der Kavitations-Vorstellung gehen dagegen in der Regel von dicken Flussigkeitsschichten und bei hohen Frequen zen von der Vernebelung aus dem intensiven Ultraschall-»Sprudel« aus. Es liegt also die Frage nahe, ob nicht tatsachlich ein grundsatzlicher Unterschied zwischen der Vernebelung aus dunnen Flussigkeitsschichten und der Vernebelung aus ausgedehnten Flussigkeitsvolurnina besteht. Wahrend die Beobachtung der Vorgange im Ultraschall-»Sprudel« mit gewissen Schwie rigkeiten verbunden ist, lassen sich dunne Flussigkeits£llme in einfacher Weise mikrosko pisch oder mit bloB em Auge beobachten. Man erkennt dabei, daB die kolbenmembran fOrmig schwingende Festkorperflache die daruber be£lndliche Flussigkeitsoberflache bei gewissen, von der Schwingungsfrequenz und den KenngroBen der Flussigkeit ab hiingigen Mindestamplituden zu Kapillarwellen anregt (vgl. Abb.1). Die Kapillar wellen treten in Form eines schachbrettartig angeordneten, stehenden Knotenlinien gitters in Erscheinung. Benachbarte Schwingungsquadrate schwingen dabei gegen phasig, wobei dieAmplitudenmaxima in den Kreuzungspunkten der Flachendiagonalen liegen. Steigert man die Bewegungsamplitude der erregenden Schwingerflache, so steilen die Wellenberge zwischen den Knotenlinien mehr und mehr auf, bis sich schlieBlich in zunehmendem MaBe Tropfchen durch Abschnuren aus dem Kapillarwellengitter lOsen. Aus umfangreichen Messungen der TropfengroBenspektren und Nebeleinsatzamplituden an Flussigkeiten mit unterschiedlichen Dichte-, Oberflachenspannungs-und Viskositats werten, insbesondere an Olen und Metallschmelzen, die eine sichere TeilchengroBen Analyse gestatten, konnte STAMM [4] in einem groBen Frequenzbereich die Kapillar wellen-Theorie bestatigen. Zweifel an der Allgemeingultigkeit dieser Theorie ergeben sich lediglich bezuglich des Leistungsaufwands bzw. der zur Vernebelung notwendigen Mindestamplitude der erregenden Schwingerflache, wenn man zu hohen Frequenzen ubergeht. 6 Abb. 1 Trop£enbildung durch Kapillarwellen nach STAMM [4j a) Kapillarwellen-Einsatz b) Kapillarwellen bei starker Anregung c) Beginn der Trop£enablosung 7 EISENMENGER [3] erhiilt fur die zur Kapillarwellenanregung notwendige Mindestam plitude der flussig-gasformigen Phasengrenzflaehe,- die als Kapillarwellen-Einsatzampli tude Ak bezeichnet wird, die Beziehung V (1) Ak=2!!.... ~ e GWa e, wobei 1], G die dynamisehe Viskositat, Dichte und Oberflaehenspannung und Wa die Kreisfrequenz der anregenden Sehwingung bedeuten. Die Nebeleinsatzamplitude An ist naeh EISENMENGER [3] und STAMM [4] urn den Faktor 4-8 groBer als die Kapillarwelleneinsatzamplitude Ak, und laBt sieh bei tiefen Frequenzen mit guter Genauigkeit experimentell ermitteln. STAMM erhielt z. B. bei 20 kHz fur die Nebeleinsatzamplitude in Wasser den Wert 7 [J.m, wahrend die theore tisehe Kapillarwelleneinsatzamplitude etwa 1,2 [J.m betragt. Aus der Amplitude von 7 [J.m ergeben sich bei 20 kHz und einem A./2-Wandler aus Stahl mit einer Sehallgesehwin digkeit Cs von etwa 5.105 em/s und einer statisehen Festigkeit von etwa 40 kp/mm2 eine maximale Dehnungsamplitude (2) Bmax = -WAa n""" 1,75 .10-4 Cs und eine zugehorige maximale Spannungsamplitude kp (3) Gmax = E· Bmax ,...., 3,7- mm2 Die Werte (2) und (3) konnen von einem handelsubliehen 20-kHz-Wandler ohne Sehwierigkeiten im Dauerbetrieb geleistet werden. Man sieht aber aus (1) bis (3), daB Bmax, Gmax bei den zur Vernebelung notwendigen Sehnelleamplituden mit wa2/3 anwaehsen. Bei hohen Frequenzen arbeitet man mit piezoelektrisehen, A./2-Wandlern, die der hohen Frequenz entspreehend sehr dunn sind und deren statisehe Festigkeit urn etwa 1 Gro Benordnung niedriger ist als die von Stahl (die Zugfestigkeit von Quarz betragt unge fahr 5 kp/mm2). Die Tab. 1 zeigt die Abhangigkeit der zum Nebeleinsatz bei Wasser naeh der Kapillarwellentheorie erforderliehen Dehnungs- und Spannungsamplitude bei einem Quarzwandler in Abhangigkeit von der Frequenz (cQuarz ,...., 5,7.105 em/s). Tab. 1 Frequenzabhiingigkeit der Dehnungs- und Spannungsamplitude an einem Quarzwandler beim Nebeleinsatz in H20 jjMHz 0,5 1 2 4 8 emax·l03 1,3 2,1 3,3 5,2 8,3 Gmax 11,5 18,5 29 46 73 kpjmm2 Wie man sieht, wurde eine Flussigkeitsvernebelung mit piezoelektrisehen Sehwingern im MHz-Gebiet naeh der Kapillarwellentheorie eigentlieh nicht moglieh sein, weil die dafur notwendigen Spannungs- und Dehnungsamplituden weit oberhalb der Festig keitsgrenzen der ubliehen Sehwingermaterialien liegen. Trotzdem ist bekannt, daB man mit piezoelektrisehen Plansehwingern ohne Sehwierigkeiten im MHz-Gebiet Ultra- 8 schall-Aerosole erzeugen kann und zwar bereits bei Schallintensitaten von 1 bis 2 WI cm 2, d. h. bei Wandleramplituden, die weit unterhalb der Werte liegen, die die Kapillar wellentheorie erfordert. Andererseits deckt sich die TropfengroBenverteilung z. B. nach den Messungen von BISA, DIERNAGEL und ESCHE [8] erstaunlich gut mit den Berechnungen der Kapillar wellentheorie, die nach STAMM ein Haufigkeitsmaximum des TropfengroBendurch messers bei einem Viertel der Kapillarwellenlange (4) erwarten laBt. Der Widerspruch zur Kapillarwellentheorie, der in der scheinbaren Abweichung der Nebeleinsatzamplitude zum Ausdruck kommt, ist !Osbar, wenn man annimmt, daB sich in unmittelbarer Nahe der nebelnden Fliissigkeitsoberflache Blaschen befinden, die durch Kavitation gebildet werden und der Kavitationshypothese eine gewisse Berech tigung geben. Vernebelt man z. B. niederviskose, gashaltige Fliissigkeiten etwa Wasser, Azeton oder ahnliches, mit einem fokussierenden MHz-Wandler, dessen Brennpunkt sich direkt unter der Fliissigkeitsoberflache befindet, so bildet sich zunachst der bekannte Schall »Sprudel« aus. Man beobachtet aber, daB der Nebeleinsatz mit dem Auftreten zahlrei cher kleiner, milchig triiber Blaschen verbunden ist, die in der Umgebung des Zentral strahls vor dem Brennpunkt entstehen und in den »Sprudel« hineingerissen werden. Auch bei einem diinn mit Fliissigkeit iiberschichteten 20-kHz-Wandler laBt sich beob achten, daB die Vernebelung dort zuerst cinsetzt, wo sich kleine Gasblaschen unter der Fliissigkeitsoberflache befinden. Und zwar tritt an diesen Stellen, nachdem die genannten Blaschen vorher eine milchige Triibung angenommen haben, ein feiner Spray-Strahl aus der Fliissigkeitsoberflache aus, ohne daB die Blaschen dabei zerstort werden. Die Blaschen scheinen also einerseits auf Grund ihrer relativ hohen Kompressibilitat die Wechseldruckamplitude in ihrer unmittelbaren Umgebung zu verstarken (Resonanz blasen), andererseits aber selbst zu Kapillarwellenresonanzen angeregt zu werden (vgl. LIERKE [9]). Diese Anregung iibertragt sich bei giinstigem Abstand zur Fliissig keitsoberflache partiell auf die freie Phasengrenzflache und induziert so den Nebeleinsatz bereits bei Erregeramplituden, die wesentlich kleiner sind, als es die Kapillarwellen theorie bei der homogenen Fliissigkeit erfordert. Beriicksichtigt man den Umstand, daB bei Blasen, deren Umfang groB gegeniiber der Kapillarwellenlange Ak ist, die Kriimmung der Phasengrenzflache im Bereich einiger Wellenlangen praktisch zu vernachlassigen ist, so ist es nicht verwunderlich, daB die Bewegungsgleichung derartiger Blasenoberflachenwellen mit der von EISENMENGER hergeleiteten Kapillarwellengleichung der ungekriimmten Phasengrenzflache praktisch iibereinstimmt [9]. Wenn man die Kavitation also vom Standpunkt der Geschwindigkeitstransformation bzw. vom Standpunkt der partiell durch Kapillarwellenblasen induzierten Resonanz anregung der Phasengrenzflache betrachtet, dann ist ihr EinfluB auf die Vernebelung von Fliissigkeiten unbestreitbar, ohne daB dabei die Kapillarwellen-V orstellung ver worfen werden miiBte. Das kommt auch in der guten Ubereinstimmung des Tropfen groBenspektrums mit den Rechnungen der Kapillarwellentheorie bei hohen Frequenzen zum Ausdruck. V oraussetzung fiir den begiinstigenden EinfluB der Kavitation ist aller dings eine geniigend groBe Gas!Oslichkeit der Fliissigkeit, die die Kavitation ermoglicht oder wesentlich unterstiitzt. Tatsachlich sind die Nebeleinsatzamplituden bei Fliissig- 9 keiten mit niedriger bzw. verschwindender GaslOslichkeit, z. B. bei Metallschmelzen (vgl. Kap.2) wesentlich groBer und in guter Obereinstimmung mit den Werten der Kapillarwellentheorie. Nach diesen Betrachtungen ist unter Berufung auf die zitierten Quellen sichergestellt, daB die Kapillarwellentheorie die Ultraschall-Fliissigkeitsvernebelung in befriedigender Weise beschreibt. Als wesentlichste Aussagen liefern die Theorie von EISENMENGER [3] und die Experi - mente von STAMM [4] die Beziehungen: Y (5) = 2!J... --(!-; An""" (5 ... 8) Ak (empirisch) (! nafa Y (6) = 2 ; £:2 D", ,...., Ak/4 (empirisch) 1 [(In D -In D",)2] . . (7) H(D) = ,/_ exp - (empmsch) sy2n 2s2 A-An - a (8) ,...., const < Vmax """ 0,05 ~-fa fUr 1 cP < YJ < 5 cP YJ (! (e mpirisch) Hierbei sind: A Bewegungsamplitude des Wandlers bzw. der fliissiggasformigen Phasen- grenzflache Ak Kapillarwelleneinsatzamplitude An Nebeleinsatzamplitude D, (D",) = (haufigster) Tropfendurchmesser H(D) relative Haufigkeit im TropfengroBenspektrum V, V max= flachenspezifische (maximale) Vernebelungsgeschwindigkeit fa = -Wa= Anregungsfrequenz 2n s Streuung der logarithmischen Normalverteilung (Standardabweichung) YJ Fliissigkeitsviskositat (dynamisch) (! Fliissigkeitsdichte a Fliissigkeits-Oberflachenspannung Die wichtigsten V oraussetzungen fUr eine wirkungsvolle Fliissigkeitvernebelung bei einer vorgegebenen Frequenz Wa sind also: 1. geniigend groBe Wandler- bzw. Phasengrenzflachen-Amplituden (5), 2. geniigend kleine Fliissigkeitsviskositat (8). 10 2. Metallpulvergewinnung durch Ultraschall-Vernebelung metallischer Schmelzen STAMM [4] hatte als eine der interessantesten technischen Anwendungsmoglichkeiten fUr die Ultraschall-Vernebelung als erster die Vernebelung metallischer Schmelzen untersucht und sich dabei auf Metalle mit relativ niedrigem Schmelzpunkt (Wood Metall, Indium Zinn, Blei, Zinn-Blei-Legierungen, Cadmium und Wismut) und auf Frequenzen im unteren Ultraschallbereich (20-50 kHz) beschrankt. Bereits bei diesen ersten Versuchen zeigte sich, daB beim technischen Vernebeln zahl reiche neue Probleme auftauchen, die mit wachsender Schmelztemperatur und wach sender Schwingungsfrequenz immer schwieriger zu losen sind. Die Zahigkeiten geschmolzener Metalle liegen bei Temperaturen von ca. 50°C oberhalb des Schmelzpunktes zwischen etwa 0,5 und 6 cPo Bei dies en Viskositaten muBte - vor ausgesetzt daB die notwendigen Wandleramplituden erreicht werden - eine wirtschaft liche Ultraschall-V ernebelung generell moglich sein. Bei der Schmelzenvernebelung mit hoheren Frequenzen und bei hoheren Tempera turen ist folgendes zu beach ten : 1. Der akustische Wandler - meist ein ),,/2- oder ein n· ),./2-Wandler - muB die zur Vernebelung notwendigen Schnelleamplituden ohne Oberschreitung der Festigkeits grenzen liefern. 2. Der Wandler muB bei den hohen Temperaturen der zu vernebelnden Schmelze so gekuhlt werden konnen, daB einerseits die Schmelze an der nebelnden Wandlerflache nicht erstarrt und andererseits die Verluste durch innere Dampfung und die tempe raturbedingten Schallgeschwindigkeitsanderungen, die eine Resonanzverschiebung bewirken wurden, genugend klein bleiben. Bei piezoelektrischen Wandlern ist das aktive Element durch genugend lange Zwischenubertrager von der Schmelzen temperatur zu isolieren (Curie-Temperatur). Besonders temperaturanfallig ist die Kittstelle zwischen Wandler und Obertrager. 3. Das Schwingermaterial darf an der Kontaktstelle mit der Schmelze nicht durch Korrosion oder KavitationsfraB zerstort werden, weil sonst die Lebensdauer der Apparatur verringert und der Reinheitsgrad der erzeJ,lgten Metallpulver verandert wurde. 4. Die Schmelze muB der nebelnden Schwingerflache moglichst kontinuierlich zuge fUhrt werden, um eine belastungsabhangige Verstimmung der Resonanz zu ver meiden. 5. Durch geeignete Schutzgasatmosphare im Vernebelungsraum muB dafiir gesorgt werden, daB die Oberflache des zu vernebelnden Flussigkeitsfilms sich nicht mit Oxidhiiutchen uberzieht, die die Kapillarwellenausbildung behindern oder in Ex tremfallen verhindern konnten. 6. Die Fallstrecke fUr die Erstarrung des Metallnebels zu Pulver muB geniigend lang sein und die Oberhitzung der Schmelze nicht hoher als notwendig, um eine Koagu lation der Tropfen vor dem Erstarren zu unterbinden. 7. Die Apparatur soll nach Moglichkeit durch automatische Resonanz-Abstimmung auf optimaler Wandleramplitude arbeiten. 11

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