製造顆粒狀材料的方法
2023-09-11 20:18:30 2
專利名稱：製造顆粒狀材料的方法
技術領域：
本發明涉及一種由熔液有控制地製造顆粒材料的方法。
由熔液製造顆粒狀材料已知用於塑料、天然材料、玻璃和金屬。對於這類材料的小粒度粉末的需求日益增長。
此已知的方法用於生產一種也可以稱為粉末、粒狀體、碎粒等顆粒狀材料。為了簡化，這些顆粒狀材料下面稱為粉末。這類粉末例如使用於壓注技術、合金製造、燒結工藝、複合材料、催化劑、塗料和漆、泡沫材料製造等。這些用途的市場，對於有規定顆粒形狀的小粒度低成本粉末有大量的需求。迄今這種粉末主要這樣製造，即如在WO 01/62987中所述，液態熔液，如氧化的熔渣、玻璃或金屬熔液，通過高壓氣體膨脹突然噴入一個空間內或換句話說噴成霧狀，例如通過一些旋轉板，它們藉助離心力甩掉相遇的小滴並因而破碎(轉盤法)，或通過「輥式霧化(Roller Atomization)」，亦即滾輪霧化(Rollen zerstaubung)，其中，已熔化的金屬小滴遭遇旋轉的滾輪並被滾輪甩掉以及在飛行軌跡上固化。另一種典型的方法是水霧化。規模大時主要採用氣體霧化。為此採用噴嘴，如拉瓦爾噴嘴，液態熔液在噴嘴內首先強烈加速，然後在噴嘴出口急劇加速為高速度的情況下突然膨脹到一空間內並因而霧化。
在Eckart-Werke的奧地利專利文獻2987350中介紹了一種典型的方法。熔液優選地在突然膨脹的同時在噴嘴出口通過氣流更廣泛地分布並由此獲得精細分布的熔液小滴，這些熔液小滴在冷卻時固化並因而形成粉末。因此，這類已知的方法是，材料熔液在從噴嘴排出後與氣體接觸並同時突然膨脹。這類已知方法的缺點是難以控制，往往必須中斷和不能連續工作。結果是，能耗大。
由Pacific Metals Co.Ltd的WO 99/11407已知，通過霧化金屬熔液獲得金屬粉末，其中，金屬熔液的一下降液流在噴嘴出口處霧化，為此該金屬熔液的下降液流與圍繞它的氣體層流共同被引入所述噴嘴的中心，以及在這兩股流體從一錐形噴嘴排出時輸入一種加強霧化的液流。在這裡必須除氣流外採用一種液流，這樣做很麻煩。
由EP-A-1038976已知一種方法，其中，霧化的熔液小滴在從噴霧嘴排入一個經冷卻的冷卻室內部後在一噴霧射流的內部通過復燃熱燃氣再次被加熱，並因而通過被加熱的燃燒氣體達到更好地分布熔液小滴，從而改善所生產粉末的細度。這種方法非常耗能，因為需要冷卻所述冷卻室的壁，以及為了生產小粒度的顆粒必須採取複雜的措施。
上述已知方法的缺點還在於，它們不可能控制顆粒粒度或形狀，在氣/液比調整後要產生一種保持不變的顆粒粒度譜，對此通常不能施加任何影響。
因此本發明的所要解決的技術問題是創造一種連續工作的用於由熔化材料有控制地製造粉末的高效方法，這種方法可以控制所製成顆粒的大小和形狀。
上述技術問題按照本發明通過一種具有權利要求1所述特徵的方法得以解決。由從屬權利要求給出其他有利的擴展設計。
出人意外地發現，通過按照本發明的氣體/熔液比在第一個混合步驟中在熔液內部以及在突然膨脹時在噴嘴出口的這種雙重調整，可以不僅在平均顆粒尺寸方面而且在顆粒粒度總分布譜方面控制顆粒粒度譜，其中，在氣體消耗量相同的情況下與僅一次供給氣體的方法相比可以獲得更小的顆粒。
在第一個混合步驟中，在向熔液供給更多氣體時減小了平均的顆粒尺寸。
兩種相的質量流量比GLR＝mgas∶mliq(Gas/Liquid-Ratio)通過下列因素確定1)進入混合室的入口截面Agas或Aliq2)鄰近入口處的入口壓P0，gas或P0，liq這兩個因素按本發明可按選擇調整，以保證在噴霧時保持比值GLR不變。圖4表示所述比值GLR對粉末細度的影響。由圖可見，可以通過調整入口截面Agas及Aliq或通過所述鄰近入口處的入口壓P0，gas或P0，liq、這兩種與兩種成分的質量比對應的方式，控制顆粒細度。
在噴嘴出口處供入另外的氣體導致使材料更進一步細化。為此重要的是了解混合室內的流動情況根據液相和氣相的空管速度J(VLR，1＝mi/A)可以形成不同的流態(圖6)，在按照本發明的方法中以氣泡流或環流(噴射流)的形式工作。為此要調整的氣體空管速度JG和液體空管速度JL可由圖7的曲線圖中得出。
氣泡流在氣泡流區域內所述氣相工作時在混合室內不形成氣泡，氣泡由於壓降而膨脹以及在壓降最大的地方(噴嘴出口區內)爆裂。此時，連續的液相分裂成條形，它們在第二個步驟內分裂成小滴。二次液滴分裂的臨界參數是相對韋伯數Werel(WEBER-ZAHL)(見Wallis，G.B(1969)One-DimensionalTwo-Phase Flow；New YorkMc.GRAW-HILL)Werel＝(ρgas·ddrop·V2rel)/σ其中，Vrel是氣體與液體之間的相對速度，Vrel＝Vgas-Vliq(m/sec)ddrop＝液滴直徑(m)ρgas＝氣體密度(kg/m3)σ＝熔液表面張力(N/m)適用於二次液滴分裂的Werel＜12-13。
為了例如在水滴尺寸ddrop＝50μm時在噴嘴出口處達到二次液滴分裂，要求水滴與周圍氣體之間的相對速度約為125m/s，但由於極限的兩相聲速，所以這是根本不可能達到的。現在通過實施外部混合，出乎意外地提供了所述必要的相對速度，從而能使在噴嘴出口存在的液帶和液滴節省能量地霧化。由此可通過外部混合的氣體速度控制粉末的顆粒直徑。上述無因次韋伯數的關係式適用於所有液體(包括金屬)。這意味著，採用這種方法也可以將Cu、Al、Zn、Sn等加工成粉末。
下表列舉出對於不同金屬的50μm液滴二次霧化所需的臨界速度
在霧化金屬和其他材料時還應考慮到，對於在高溫下熔化的金屬二次液滴霧化所需時間往往比使液滴凝固所需要的時間長。因此採用單純的內部混合也不可能在液滴(＝粉末)細度方面獲得如此好的結果。
環流當氣體流量增加時混合室內聚集氣泡並沿室壁形成環形液膜，氣體在混合室的中心流動，隨著速度增大(例如在壓力下降時)由液膜撕裂出小滴。
所述在噴嘴出口處存在的液膜(對於在氣泡流中已說明的分裂機理也在環流中類似地存在)，在這裡仍遭遇從外部輸入的二次空氣，它導致獲得需要的良好的霧化結果，如圖8所示。
同樣可通過按照本發明的方法控制小滴的形狀，例如用惰性氣體獲得較圓的顆粒，而尤其用熱燃氣(空氣)產生較細長的顆粒。顆粒形狀對於所製成的粉末的應用可能有特別重要的意義，因此是一個重要參數。
通過首先製成按規定均勻的熔液/氣體混合物以及在製成此混合物後使混合物在添加另外氣體的情況下突然膨脹，以出人意料的方式達到更好地粉碎材料小滴、控制顆粒形狀以及可調整的顆粒粒度譜。此外，出人意料地表明，與已知的必須在非常高的壓力下使用大量氣體的氣體霧化方法相比，此方法的能耗可以大大降低。
優選地，所述均勻的熔液/氣體混合物以從熔液容器中出來的液滴輸送速度的30-100倍的高速從一霧化裝置膨脹到一收集容器中。氣體質點由於其小的質量更加強烈地加速，並因而保證擴散所述排出的射流和更好地霧化。為了改善霧化，膨脹可通過將內部的材料混合物噴入一低壓空間內完成。此空間還可以被冷卻，以便加速冷卻。
尤其對於金屬熔液，可能有利的是，將所述均勻的材料/氣體混合物調整到氣流/熔化材料之比為0.05-15kg氣體/kg熔化材料，優選0.5-3kg氣體/kg熔化材料以及特別優選0.3-1.5kg氣體/kg熔化材料。
作為材料例如提供可熔化的塑料，壓注機等所需要的塑料顆粒。此外，尤其由回收再利用材料產生能噴射的材料，以及如此製成的顆粒材料可以簡單的方式廣泛使用，例如作為水泥的填充料等。其他適用的材料是金屬，如Zn、Ni、Al、Ag、Mg、Si、Ca、Cu、Mo、Pb、Ti、Sn、Li、Be、W、Fe、Co、Cr、Mn、Be以及尤其是它們的合金。粉末狀的金屬有各種用途，例如用於金屬澆鑄，如壓鑄，用於複合材料、催化劑、塗料、顏料。
在所有這些用途中，顆粒的形狀也起重要的作用，例如較圓的顆粒有不同的鬆散特性和自然休止角，以及適合於例如更好地無空隙地完全充填模具，並由於比細長地噴出的顆粒更低的內摩擦可更易於輸送，細長的顆粒彼此有較大的摩擦，不過對於不同的應用方式這也是期望的，例如用於生產壓製件或用於擠壓。
按照本發明的方法可以噴射不同的熔液，如玻璃和能熔化的陶瓷、金屬。但也可以加工可熔化的天燃材料，如在環境溫度下是固體的油脂或蠟。
對專業人員來說已知的適合於噴射材料的氣體都可以作為所述氣體使用，如果氧化僅起次要的作用，可以採用低成本的空氣，但也可以用惰性氣體工作，如稀有氣體或任何其他的與要噴射的材料沒有明顯反應的氣體，例如氮或氬。典型地，所述氣體選自由也影響顆粒形狀的惰性氣體，如稀有氣體氦、氬、氮組成的族，或與熔液有部分反應的氣體，如氮、空氣、二氧化碳、一氧化碳、水蒸氣、燃燒氣體或它們的混合物，在所述混合物中，所述與熔液部分地反應的氣體與惰性氣體的配置取決於要噴射的材料類型，如專業人員已知的那樣。燃燒氣體尤其還包括現場製成的燃燒氣體。現場形成的燃燒氣體指的是例如通過向也具有可氧化成分，例如含氧成分的熔液添加碳氫化合物在該熔液內由可燃成分構成的那種燃燒氣體。通過燃燒，氣體體積突然增大許多倍以及使氣體/熔液混合物渦流。
在此方法的一種典型的用途中，所述均勻混合物的熔液液滴在噴嘴出口處爆炸式地膨脹過程中加速到5-100倍的速度，在此期間它們固化。在一向混合室輸送的管道內的混合物典型的顆粒速度為0.1m/sec，然後在噴射時加速到50-100m/sec。混合物的氣體質點由於其較小的質量因而顯著地加速，大體達1000倍的數量級。
本發明的其他目的、特徵和優點結合附圖由以下的說明和權利要求書給出。附圖中
圖1示意性地表示本發明方法的實施步驟；圖2表示一按本發明可使用於實施本發明方法的裝置的局部透視圖；圖3表示一用於按照本發明的方法中的噴嘴的剖視圖；圖4表示在噴嘴出口處沒有附加供給空氣時噴出鋁/空氣混合物的結果；圖5表示在噴嘴出口處附加地供給空氣時噴出鋁/空氣混合物的結果；圖6示意性地表示流動剖面；
圖7表示流動方式與氣體及液體在混合室內空管速度的關係；以及圖8表示在供給的空氣絕對量相同以及在噴嘴出口處有和沒有空氣供給時噴出鋁和空氣的比較。
下面說明優選的實施形式，但它絕不限於這種應用，按此方法同樣可以將其他能熔化的材料，其他金屬，例如鎳、錫、矽、鈦、金屬合金，如青銅；玻璃或可熔化的塑料(熱塑性塑料)、天然材料，如油脂和蠟以及其他材料製成粉末。
圖1示意性地表示出按照本發明思想的方法流程。如圖所示，該方法包括通過高溫熔化製成一熔液；按氣體/金屬的比例約0.05-15kg/kg的比例混合該(金屬)熔液。混合應儘可能緊密，使氣體均勻和更大程度地與熔液混合。在混合步驟之後，如此製成的氣體/液體混合物突然通過一噴嘴在一低壓區內膨脹，由此使材料小滴固化成顆粒大小＜1000μm的顆粒，它們在收集容器內的飛行過程中固化並收集在該收集容器內。在突然膨脹的同時，在噴嘴出口處再次供給氣體，由此導致材料小滴流更強烈地擴散，使材料小滴更精細地分布並形成一種有控制的更精細的顆粒粒度譜。這主要取決於要霧化的材料類型和所使用的氣體類型，如上面詳細說明的那樣。
圖2表示一用於實施本發明方法的設備的局部示意圖。此類設備所有重要的部分都是已知的並且是專業技術人員常用的，例如在DE-A-2007803中介紹了一種典型的設備。現在按照本發明這樣進一步擴展這類已知的設備，即，在噴嘴前採用了一個用於製成均勻的氣體/材料混合物的混合裝置。這種用於氣體/熔液混合的混合裝置是專業技術人員已知的，可以由專業技術人員根據要加工的熔液來選擇，如電磁式攪拌、細密分布地加入氣體、通過燒結等。
在均勻的混合物內氣體/材料的一典型比例，例如對於鋁來說，界於10-60％的重量百分比範圍內。在採用惰性氣體時可以使用較少的氣體，界於10-30％的重量比範圍內；在所述氣體採用空氣時，氣體在混合物中的比例為20-60％。在這裡，通過改變氣體含量可以移動顆粒粒度分布，改變顆粒粒度平均值。此外，在與按現有技術的氣體霧化方法中所需要的量相比，必然使用少得多的空氣。現在可以取代在現有技術中的氣體/金屬比10∶1(其中僅一次供給氣體)，以氣體/金屬之比為0.5-1.5kg/kg工作，這意味著明顯的節省，因為只須供給約十分之一的氣體量便可得到類似的平均顆粒尺寸，此外按照現有技術的方法不可能控制顆粒形狀或顆粒粒度譜。
圖3表示了在此類應用中為突然膨脹所使用的一典型噴嘴。從圖中可清楚看出氣體在氣體/材料混合物的出口區內進入，這種進入導致更好地導引排出的材料流以及顯著地減少固化的材料固著在噴嘴上以及減小顆粒尺寸。
因此出人意料地表明，通過使用一種氣體/熔化材料混合物，當採用在排出熔液時有氣體進入的噴嘴時，在材料粉末的產量相同的情況下，可以大大減少氣體的供給量，並能控制顆粒粒度譜和顆粒形狀。
噴鋅鋅在溫度約500℃(熔點420℃)時熔化。這種液態金屬與空氣在一混合室內按比例1kg空氣/kgZn混合，然後通過一個連接到該混合室上的拉瓦爾噴嘴噴出，其中，在噴嘴出口處再次按比例約為0.5kg/kg的比例供入空氣。由此獲得平均顆粒尺寸為d50＝70μm以及顆粒尺寸界於3與200μm之間的粉末。所述顆粒具有一種細長的飛濺式的形狀。
噴鋅-銅合金鋅-銅合金在溫度約800℃時熔化。此液態金屬與空氣在一混合室內按比例1kg空氣/kg鋅-銅合金混合，然後通過一個連接到該混合室上的拉瓦爾噴嘴噴出，其中，在噴嘴出口處再次按比例約為0.5kg/kg的比例供入空氣。由此獲得平均顆粒尺寸為d50＝60μm以及顆粒尺寸界於3與200μm之間的粉末。所述顆粒有細長的流線形的形狀。
噴銅銅在溫度約1220℃時熔化。此液態金屬與空氣在一混合室內按比例2kg空氣/kg銅混合，然後通過一個連接到該混合室上的拉瓦爾噴嘴噴出，其中，在噴嘴出口處再次按比例約為0.5kg空氣/kg銅的比例供入空氣。由此獲得平均顆粒尺寸為d50＝76μm以及顆粒尺寸界於3與200μm之間的粉末。所述顆粒幾乎是圓的。
噴鋁鋁在溫度約700℃時熔化。此液態金屬與空氣在一混合室內按0.4kg空氣/1kg鋁的比例混合，然後通過一個拉瓦爾噴嘴噴出，其中，在噴出時以0.4kg空氣/kg鋁的比例供入空氣。獲得一種平均顆粒尺寸為d50＝45μm的粉末，其中所述顆粒形狀是細長至圓形。
在採用2kg空氣/kg鋁的比例時，得到的平均顆粒尺寸為d50＝28μm。
在氣體量/金屬熔液之比相同的情況下，在噴嘴出口處不供給空氣將導致一不同的平均顆粒尺寸(見圖4和5)。在圖5中可以清楚地看出外部供給空氣對顆粒尺寸的有利影響。顆粒尺寸隨著增加空氣的供給量而減小，此時，在空氣/金屬比相同的情況下採用外部空氣時，這種影響導致顆粒尺寸明顯減小。如圖8所示，當供給的空氣量相同時，在混合室內以及接著在噴嘴出口處供入空氣，與僅僅在混合室內供入相同的混合空氣相比，顆粒尺寸明顯減小，在這裡平均顆粒尺寸減小一半。
噴鎂鎂在氮氣環境下在溫度約700℃時熔化。此液態金屬與氮在一個混合室內按比例1kgN2/1kgMg混合，然後通過一個拉瓦爾噴嘴噴出，在噴出時以0.5kgN2/kgMg的比例供入氮氣。獲得的粉末平均顆粒尺寸為d50＝70μm，其中顆粒形狀是細長形至圓形。當採用0.2kgN2/kgMg的比例時，得到的平均顆粒尺寸為d50＝54μm。在氣體量/鎂之比相同的情況下，不向混合室供氮導致產生明顯地增大的尺寸d50＝180μm的顆粒。在噴嘴出口處取消氣體供給導致d50＝120μm。由此可知，只有雙重供給氣體才達到所期望的效果。
噴鋼鋼在約1550℃時熔化。此液態金屬與氮在一混合室內按1kgN2/1kg鋼的比例混合，然後通過一拉瓦爾噴嘴噴出，其中，在噴出時再次以0.5kgN2/kg鋼的比例供入氮氣。由此獲得的粉末平均顆粒尺寸為d50＝80μm，其中顆粒形狀是細長形至圓形。在採用2kgN2/kg鋼的比例時，得到的平均顆粒尺寸為d50＝62μm。當氣體量/金屬熔液之比相同的情況下，不向混合室供給氣體導致形成d50＝221μm的粉末。取消在噴嘴出口處供給氣體導致使噴嘴堵塞。
噴熔渣由製造生鐵產生的熔渣在溫度為1400℃時熔化。此液態材料與空氣按0.7kg空氣/kg熔渣的比例混合，然後通過一拉瓦爾噴嘴噴出此混合物，其中在噴嘴出口處再次以0.7kg空氣/kg熔渣的比例供入空氣。由此得到平均顆粒尺寸為d50＝150μm的粉末。
當然，本發明並不局限於此具體的結構或所列舉及說明的實施例，而是包括在不偏離本發明的核心思想和保護範圍的情況下各種不同的對專業技術人員來說顯而易見的變化方案。
權利要求
1.由熔料製造顆粒狀材料的方法，其包括以下步驟-熔化所述材料，-按預定的比例均勻地將所述熔化材料與一種氣體混合；-使氣體/液體混合物突然膨脹；以及-收集如此製成的材料粉末，其特徵在於，-為了使所形成的材料小滴固化為被控制顆粒粒度分布及形狀的材料粉末，在將所述氣體/液體混合物膨脹到一壓力低於所述氣體/液體混合物的空間內時，按一預定的氣體/液體比例添加另外的氣體。
2.按照權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述材料粉末按顆粒尺寸進行分選。
3.按照權利要求1或2所述的方法，其特徵在於，所述熔化材料與氣體的第一次混合在突然膨脹前不久進行。
4.按照上述權利要求1至3中任一項所述的方法，其特徵在於，所述熔液/氣體混合物在速度提高到大約為在一通向混合室的輸送管道內的氣體/液體混合物的原始速度的30-100倍時膨脹。
5.按照上述權利要求1至4中任一項所述的方法，其特徵在於，所述膨脹是在一個溫度低於熔液溫度的空間內進行。
6.按照上述權利要求1至5中任一項所述的方法，其特徵在於，所述均勻的材料/氣體混合物中的氣體與材料的重量比為0.05-15，優選0.5-3，以及尤其優選0.3-1.5kg/kg。
7.按照上述權利要求1至6中任一項所述的方法，其特徵在於，所述材料是能熔化的塑料、金屬，尤其是選自由Zn、Ni、Al、Ag、Mg、Si、Ca、Cu、Mo、Pb、Ti、Sn、Li、Be、W、Fe、Co、Cr、Mn組成的族，和尤其是它們的合金、以及天然材料或熔渣。
8.按照上述權利要求1至7中任一項所述的方法，其特徵在於，所述氣體選自由如稀有氣體、氦、氬、氮那樣的惰性氣體，或如氮、空氣、二氧化碳、一氧化碳、水蒸氣以及現場形成的燃燒氣體那樣的與熔液部分反應的氣體，或者它們的混合物，在所述混合物中，所述與熔液部分反應的氣體與惰性氣體的配置比例取決於要噴射的材料的種類。
9.用於在形狀和顆粒粒度分布方面可控制地製造顆粒狀材料的設備，其特徵在於，一個熔化坩堝；一個與該熔化坩鍋連接的帶有氣體入口的預燃室；一個與所述預燃室連接的噴嘴，在噴嘴出口處具有氣體供入裝置。
全文摘要
本發明涉及一種由熔料製造顆粒狀材料的方法。所述方法包括下列步驟熔化所述材料；按預定的比例將所述熔化材料與一種氣體均勻混合；使氣體/液體混合物突然膨脹；以及收集如此製成的材料粉末；按照本發明的方法，為了使所形成的材料小滴固化為被控制顆粒粒度分布及形狀的材料粉末，在將所述氣體/液體混合物膨脹到一壓力低於所述氣體/液體混合物的空間內時，按一預定的氣體/液體比例添加另外的氣體。
文檔編號B01J2/04GK1612781SQ03801921
公開日2005年5月4日 申請日期2003年2月13日 優先權日2002年2月13日
發明者沃爾特·拉傑納, 馬丁·沃爾徹 申請人:梅普拉金屬粉有限公司