BRPI0801388A2

BRPI0801388A2 - equipment and devices for producing metal powders

Info

Publication number: BRPI0801388A2
Authority: BR
Inventors: Echart Rubem Ioel Dotte
Original assignee: Echart Rubem Ioel Dotte
Priority date: 2008-05-08
Filing date: 2008-05-08
Publication date: 2010-01-12

Abstract

EQUIPAMENTO E DISPOSITIVOS PARA PRODUZIR PóS METáLICOS. Equipamento e dispositivos para produzir, de maneira continua, pós de diversos tipos de metal ou ligas metálicas, ou até mesmo, pós com origem em outros sólidos inorgânicos ou orgânicos, desde que fundidos, em estado liquido, de maneira que tanto o tamanho quanto a forma das partículas solidificadas possam ser previamente ajustados e controlados composto por um cabeçote rotativo (4) que recebe metal fundido em estado líquido (2) que é lançado tangencialmente sendo atomizado por um jato de fluido (15).EQUIPMENT AND DEVICES FOR PRODUCING METAL POWDER. Equipment and devices for the continuous production of powders of various types of metal or metal alloys, or even powders of other inorganic or organic solids, provided that they are melted in a liquid state such that both size and The shape of the solidified particles can be pre-adjusted and controlled comprising a rotary head (4) which receives liquid molten metal (2) which is released tangentially and is atomized by a fluid jet (15).

Description

EQUIPAMENTO E DISPOSITIVOS PARA PRODUZIR PÓS METÁLICOSEQUIPMENT AND DEVICES FOR PRODUCING METAL POWDER

A presente invenção refere-se a um equipamento e a dispositivos para produzir, de maneira contínua, pós de diversos tipos de metal ou ligas metálicas, e, até mesmo, 5 pós com origem em outros sólidos inorgânicos ou orgânicos, desde que fundidos, em estado líquido, de maneira que tanto o tamanho quanto a forma das partículas solidificadas possam ser previamente ajustados e controlados.The present invention relates to equipment and devices for continuously producing powders of various types of metal or metal alloys, and even powders from other inorganic or organic solids, provided they are fused to liquid state, so that both the size and shape of the solidified particles can be pre-adjusted and controlled.

Os pós metálicos encontram aplicação nos mais variados processos industriais, como revestimento de peças sólidas, sinterização, fabricação de tintas e corantes, indústria farmacêutica, química e cosmética, citando apenas algumas.Metal powders find application in the most varied industrial processes, such as coating of solid parts, sintering, manufacturing of paints and dyes, pharmaceutical, chemical and cosmetic industry, to name but a few.

Os processos e maquinário para a produção de pós metálicos, hoje conhecidos, são cobertos por inúmeras patentes, com origem em diversos países, e descrevem processos químicos (PI940604-3), eletroquímicos (CN101011747), por abrasão de sólidos (US2994102), por atomização de massa metálica fundida líquida através dojateamento com fluidos (PI0213188-9), por esparsão centrífuga (US3720737) ou por passagem forçada dessa massa através de espuma cerâmica (US4425286). Tanto os processos químicos quanto os eletroquímicos são onerosos por si só, além de produzirem efluentes nocivos ao meio ambiente, que requerem tratamento cuidadoso, tornando-os ainda mais caros; os processos abrasivos produzem pós cujas partículas apresentam tamanho e forma aleatórios, além de elevado grau de contaminação. Os processos que partem do metal fundido são os mais utilizados para revestimento, sinterização e, prática e economicamente, mais atrativos, além do que permitem um certo grau de controle sobre a qualidade e o tamanho das partículas de pó, principalmente os que utilizam jatos de gazes inertes que incidem sobre um filete de metal líquido para produzir um spray de gotículas. Também os sistemas de pulverização por aceleração centrífuga são bastante utilizados e eficientes, produzindo partículas mais uniformes, principalmente quando estas são lançadas em ambiente de gás inerte, como descreve a patente norte- americana US3720737, que estabelece a relação entre a rotação do meio esparsor, a densidade e viscosidade do gás e o tamanho das partículas. Tal sistema, entretanto, torna a máquina bastante complexa, pois exige a pressurização dos reservatórios da massa fundida e de pulverização e elevada velocidade periférica do cabeçote rotativo para produzir partículas mais finas; já a patente US4425286 descreveThe processes and machinery for the production of metal powders, known today, are covered by numerous patents, originating in various countries, and describe chemical (PI940604-3), electrochemical (CN101011747), solid abrasion (US2994102) processes by atomization of liquid molten metal mass by means of fluid blasting (PI0213188-9), by centrifugal spreading (US3720737) or by forced passage of this mass through ceramic foam (US4425286). Both chemical and electrochemical processes are costly in themselves and produce environmentally harmful effluents that require careful treatment and make them even more expensive; Abrasive processes produce powders whose particles have a random size and shape, as well as a high degree of contamination. Molten metal processes are the most widely used for coating, sintering and, practically and economically, more attractive, and allow a certain degree of control over the quality and size of dust particles, especially those that use jet jets. inert gases that fall on a liquid metal fillet to produce a spray of droplets. Also centrifugal acceleration spray systems are widely used and efficient, producing more uniform particles, especially when they are released into an inert gas environment, as described in US3720737, which establishes the relationship between sparse medium rotation, gas density and viscosity and particle size. Such a system, however, makes the machine quite complex as it requires pressurization of the melt and spray reservoirs and the high peripheral speed of the rotary head to produce finer particles; US4425286 describes

PI0801388-8um cabeçote rotativo cujas paredes de espuma de cerâmica são capazes de reter as impurezas da massa fundida e determinam o tamanho das partículas em função do diâmetro médio da rede de poros da dita espuma cerâmica, que não pode ser alterado, além do que dito cabeçote necessita de aquecimento para completo escoamento dos 5 filetes metálicos, que, de outra forma, seriam solidificados dentro da rede porosa dessa espuma de cerâmica. Todas as máquinas e dispositivos para a produção de pós metálicos examinados apresentam pouco ou nenhum controle sobre o tamanho ou peso médio das partículas nem sobre a sua forma, e nenhuma permite o ajuste prévio do tamanho médio das partículas do pó a ser produzido, principalmente para partículasPI0801388-8 a rotary head whose ceramic foam walls are capable of retaining the impurities of the melt and determine the particle size as a function of the average pore network diameter of said ceramic foam, which cannot be changed, beyond that. The head requires heating to completely drain the 5 metal threads that would otherwise be solidified within the porous mesh of this ceramic foam. All machines and devices for the production of metal powders examined have little or no control over the average particle size or weight or shape, and none allow the prior adjustment of the average particle size of the powder to be produced, especially for particles

menores do que, aproximadamente, 40 micra. O objetivo da presente invenção é permitir o prévio ajuste do tamanho médio das partículas de metal numa faixa bastante ampla, assim como a sua forma, mantendo a pureza dos metais processados. Para isso, utiliza-se um cabeçote rotativo que trabalha dentro de uma câmara fechada e que possui uma cavidade central, a qual recebe um fluxo contínuo de massa fundida de umsmaller than approximately 40 microns. The object of the present invention is to allow the prior adjustment of the average size of the metal particles over a very wide range as well as their shape while maintaining the purity of the processed metals. For this purpose, a rotating head is used which operates within a closed chamber and which has a central cavity which receives a continuous flow of molten mass from a

reservatório colocado acima do dito cabeçote, com a vazão controlada por válvula reguladora; dito cabeçote rotativo agrega um crivo interno intercambiável cujas áreas dos orifícios de passagem são reguláveis, o que dá origem a gotículas primárias pré-selecionadas, as quais são fracionadas por meio de aceleração centrífuga e, ao atingirem a borda do cabeçote, sofrem cisalhamento e atomização por jato de gás de altareservoir placed above said head, with flow controlled by regulating valve; Said rotary head adds an interchangeable internal screen whose areas of the through-holes are adjustable, giving rise to preselected primary droplets, which are fractionated by centrifugal acceleration and, upon reaching the head edge, undergo shear and atomization. by high gas jet

velocidade, além da conformação, provocada pelo movimento rotativo em três eixos dentro da camada limite que escoa sobre a superfície da borda do dito cabeçote. Esta maneira de fracionar e de produzir partículas de forma esférica está relacionada à tensão superficial da massa fundida, bem como à diferença da velocidade de escoamento da camada limite do fluido sobre uma superfície e a sua rugosidade, além de, é claro, àvelocity, in addition to conformation, caused by rotary movement in three axes within the boundary layer flowing over the edge surface of said head. This way of fractionating and producing particles spherically is related to the surface tension of the melt as well as the difference in the flow velocity of the boundary layer of the fluid on a surface and its roughness, and of course the

viscosidade e à densidade do gás. O pó assim produzido é resinado dentro da câmara pelo próprio jato de gás de fragmentação, numa velocidade que determine o tipo de estrutura cristalina da partícula de pó, dendrítica ou amorfa, conforme o desejado e, em seguida, é aspirado nas bordas e no fundo de um ciclone montado no fundo da mencionada câmara para ser conduzido à seguinte etapa de processamento. Toda aviscosity and gas density. The powder thus produced is resined into the chamber by the jet of fragmentation gas itself at a rate which determines the type of crystalline structure of the dendritic or amorphous powder particle as desired and is then aspirated at the edges and bottom. of a cyclone mounted at the bottom of said chamber to be conducted to the next processing step. All the

operação do equipamento é, desejavelmente, monitorada e controlada por um sistema computadorizado, cujo programa, especialmente desenhado, determina a temperatura e a vazão do metal liqüefeito para o cabeçote rotativo, a velocidade de rotação deste e apressão e volume do fluido injetado para a atomização das gotículas metálicas. Também o fluido utilizado para a atomização das gotículas metálicas deve ser escolhido de acordo com a forma, o tamanho e a qualidade das partículas do pó desejado: na produção de partículas de metais não ferrosos destinadas a revestimentos metálicos, o fluido de fragmentação pode ser o próprio ar atmosférico; já na obtenção de pós de alta pureza, os fluidos de fragmentação utilizados podem gases inertes ou estáveis, como o argônio ou gás carbônico; já para partículas de forma aleatória e de maior tamanho, água pura ou acidulada pode ser usada.The operation of the equipment is desirably monitored and controlled by a computerized system whose specially designed program determines the temperature and flow rate of the liquefied metal to the rotary head, its rotational speed and the pressure and volume of the injected fluid for atomization. of metal droplets. Also the fluid used for atomizing the metal droplets should be chosen according to the shape, size and quality of the desired powder particles: in the production of non-ferrous metal particles intended for metal coatings, the fragmentation fluid may be the same. own atmospheric air; In obtaining high purity powders, the fragmentation fluids used can be inert or stable gases, such as argon or carbon dioxide. For larger and random particles, pure or acidified water can be used.

A instalação e montagem do cabeçote rotativo acima descrito no interior da mencionada câmara preferencialmente deve ocorrer sobre eixo suportado por rolamentos em banho de óleo lubrificante, de modo a suportar altas rotações, e seu acionamento tanto pode ser feito por meio de um motor, como, ainda, por meio do próprio gás usado na microatomização das partículas metálicas, tal qual uma turbina.The installation and mounting of the rotary head described above inside said chamber should preferably take place on shaft supported by bearings in lubricating oil bath, to support high rotations, and its drive can be done by means of a motor, as, further, by means of the gas itself used in the microatomization of metal particles, such as a turbine.

Abaixo segue uma descrição detalhada da invenção e figuras explicativas associadas; são exemplos não limitativos, cuja finalidade é explicitar e fazer compreender de maneira clara a presente invenção, irregular, podemos utilizar água tratada, ou não, com ácidos.Below is a detailed description of the invention and associated explanatory figures; These are non-limiting examples, the purpose of which is to make explicit and clearly understand the present irregular invention. We may use water treated or not with acids.

A FIG. 1 apresenta um desenho esquemático em corte do conjunto do equipamento descrito;FIG. 1 shows a schematic sectional drawing of the described equipment assembly;

A FIG. 2 mostra, de forma esquemática, como exemplo, dito cabeçote rotativo.FIG. 2 schematically shows, as an example, said rotary head.

A FIG. 3 é um esquema exemplificando uma das configurações do dito cabeçote rotativo.FIG. 3 is a schematic exemplifying one of the configurations of said rotary head.

A FIG. 4 é um esquema de estator do dito cabeçote rotativo..FIG. 4 is a stator scheme of said rotary head.

A FIG. 5 mostra esquema de construção do dito cabeçote rotativo com materiais refratários..Equipamento para produzir pós metálicos composto por um reservatório (1), preferencialmente construído em material refratário, capaz de conter o metal destinado a ser pulverizado, em estado líquido (2), disposto na parte superior de uma câmara estanque (3), dentro da qual se encontra um cabeçote rotativo (4) constituído de, pelo 5 menos, dois discos, que formam entre si, pelo menos, uma fenda (5) de largura ajustável, sendo que o (s) disco (s) superior (s) (6) possui (em) uma cavidade central (7) de forma geral cilíndrica ou cònica adequada a receber metal fundido em estado líquido (2), sendo o disco inferior (8) completamente fechado, servindo, assim, de fundo para a dita cavidade central (7), de maneira que, ao ser imprimido movimento rotativo ao ditoFIG. 5 shows a construction scheme of said rotating head with refractory materials. Equipment for producing metal powders composed of a reservoir (1), preferably constructed of refractory material, capable of containing the metal to be sprayed in liquid form (2); disposed at the top of a watertight chamber (3), within which is a rotating head (4) consisting of at least two discs which form at least one slot (5) of adjustable width between them; the upper disc (s) (6) having a central cavity (7) generally cylindrical or conically suitable for receiving liquid molten metal (2), the lower disc ( 8) completely closed, thus serving as a background for said central cavity (7), so that, when rotary motion is printed to said

cabeçote rotativo (4), o metal fundido em estado líquido (2) contido na dita cavidade central (7) seja acelerado centrifugamente, movendo-se através da (s) dita (s) fenda (s) (5), de dentro para fora, até vazar pelas bordas (9) do dito cabeçote rotativo (4), fragmentando-se em pequenas gotas; ditos discos possuem rasgos circulares (10) onde se encaixam, pelo menos, um crivo em forma de coroa (11), concêntrico (s) com dito (s)rotary head (4), the liquid molten metal (2) contained in said central cavity (7) is centrifugally accelerated by moving through said slot (s) (5) from inside to outside, until it leaks through the edges (9) of said rotary head (4), breaking into small drops; said discs have circular slots (10) which fit at least one crown-shaped screen (11), concentric with said one (s).

disco (s), interceptando dita (s) fenda (s) (5) perpendicularmente, sendo os orifícios (12) do dito (s) crivo (s) (11), de forma geral, triangular, de maneira que, ao se aproximarem os ditos discos, diminua a área dos ditos orifícios (12) e, ao se afastarem, ocorra o oposto e as áreas sejam aumentadas, de forma que o metal fundido (2) que flui pelas ditas fendas (5) tenha que passar através de ditos orifícios (12), formando filetes cujasdisc (s) intercepting said slot (s) (5) perpendicularly, the holes (12) of said screen (s) (11) being generally triangular, so that when approaching said discs, decrease the area of said holes (12) and, as they move apart, the opposite occurs and the areas are increased so that the molten metal (2) flowing through said slots (5) has to pass through of said holes (12), forming fillets whose

áreas de seção são determinadas pelas áreas dos ditos orifícios (12) e seu tamanho diretamente proporcional ao afastamento dos ditos discos; dito (s) crivo (s) em forma de coroa (11) é (são) intercambiável (is), de modo que possa (m) ser substituído (s) por outros cujos orifícios (12) apresentem forma e dimensões diferentes, para produzir partículas de pó com diversas formas e tamanhos; ao redor do dito cabeçote rotativo (4),section areas are determined by the areas of said holes (12) and their size directly proportional to the spacing of said discs; said crown-shaped screen (s) (11) is interchangeable so that it can be replaced with others whose holes (12) are of different shape and size to produce dust particles of various shapes and sizes; around said rotary head (4),

é montado um duto (13) com vários bicos sopradores (14) destinados a produzir jatos de fluído (15) de alta velocidade, direcionados de modo que tais jatos (15) atinjam a periferia do dito cabeçote rotativo (4) em ângulos maiores que 0o e menores que 90° na direção e sentido paralelos ao seu eixo de rotação e entre 0o e 180° em relação as tangentes do seu perímetro, no plano normal ao eixo de rotação do dito cabeçotea duct (13) with multiple nozzles (14) is mounted to produce high speed fluid jets (15) so directed that such jets (15) reach the periphery of said rotary head (4) at angles greater than 0 ° and less than 90 ° in the direction and direction parallel to their axis of rotation and between 0 ° and 180 ° to the tangents of their perimeter in the plane normal to the axis of rotation of said head

rotativo (4), atingindo as gotículas de metal fundido lançadas pelo dito cabeçote rotativo (4), pulverizando-as e forçando as partículas resultantes a rolarem em três eixos dentro da camada limite de escoamento do gás sobre a superfície inferior (16) do dito cabeçoterotativo (4), fazendo com que, dado o movimento executado e a tensão superficial do metal fundido, as partículas sejam solidificadas com uma forma geral esférica; dito cabeçote rotativo (4) deve ser montado sobre eixo com rolamentos em banho de óleo, de modo a suportar altas rotações e pode ser acionado tanto por um motor quanto por jatos 5 de fluido líquido ou gasoso; neste caso, recebe uma coroa de aletas periféricas (17) dispostas e orientadas radialmente, de modo a poder ser acionado em movimento rotativo por jatos de fluido (15); dita câmara estanque (3) e conta ainda, como acessório, de um estator (18) que circunda dito cabeçote rotativo (4) e possui aletas (19) dispostas radialmente, de maneira que as gotículas de metal líquido que deixam dito cabeçote(4), reaching the molten metal droplets released by said rotating head (4), spraying them and forcing the resulting particles to roll in three axes within the boundary layer of gas flow over the bottom surface (16) of said rotary head (4), whereby, given the movement performed and the surface tension of the molten metal, the particles are solidified to a generally spherical shape; said rotating head (4) shall be mounted on oil-bearing bearings to support high rpm and may be driven by either a motor or liquid or gaseous jet 5; in this case, it receives a crown of peripheral fins (17) arranged and radially oriented so that it can be driven in rotary motion by fluid jets (15); said watertight chamber (3) and also has, as an accessory, a stator (18) which surrounds said rotary head (4) and has radially disposed fins (19) so that the liquid metal droplets leaving said head

rotativo (4) tangencialmente, colidam angularmente com ditas aletas (19): dita câmara possui injetores de fluido secundários (20) para resfriamento e movimentação das partículas em solidificação e,pelo menos, um sensor térmico (21), um sensor ótico (22) e um sensor de pressão (23) que fornecem informações a um sistema computadorizado (24), programado para monitorar e controlar a vazão, o volume e velocidade de injeção(4) tangentially collide with said fins (19): said chamber has secondary fluid injectors (20) for cooling and movement of solidifying particles and at least one thermal sensor (21), an optical sensor (22) ) and a pressure sensor (23) providing information to a computerized system (24) programmed to monitor and control flow, volume and injection speed

do dito jato de fluido (15) seja ele líquido ou gasoso, a rotação do dito cabeçote rotativo (4) e a vazão do dito metal fundido em estado líquido (2)) do dito reservatório (1) para a dita cavidade central (7) do dito cabeçote rotativo (4). controlando dessa maneira o tamanho, a velocidade de resfriamento e solidificação das partículas metálicas e, assim, sua estrutura cristalina.from said fluid jet (15) either liquid or gaseous, the rotation of said rotary head (4) and the flow of said liquid molten metal (2) from said reservoir (1) to said central cavity (7) ) of said rotary head (4). thereby controlling the size, cooling rate and solidification of the metal particles and thus their crystal structure.

O equipamento e os dispositivos acima apresentados permitem a pulverização deThe above equipment and devices allow spraying of

vários metais, de suas ligas e de outros elementos ou compostos, desde que em estado líquido, já que o equipamento permite a troca dos fluidos, sejam eles gases ou líquidos, destinados a reagir, ou não, com o pó em formação, graças a possibilidade de intercambiar os ditos cabeçotes rotativos (4) e seus acessórios; vários modelos devarious metals, their alloys and other elements or compounds, provided that they are in a liquid state, since the equipment allows the exchange of fluids, whether gases or liquids, intended to react or not with the forming powder, thanks to possibility of exchanging said rotary heads (4) and their accessories; various models of

cabeçotes podem ser desenhados para fins e materiais específicos e, também, as peças que os circundam, co mo exemplifica a FIG. X; dito cabeçote rotativo (4) pode ter a parte interna construída em materiais refratários, cerâmica ou materiais cerâmicos (25), quando o metal a ser pulverizado apresentar alto ponto de fusão. Dita câmara estanque é dotada, na sua parte inferior, de um ciclone (26) em forma de cone invertido, com, peloprintheads can be designed for specific purposes and materials and also the parts surrounding them, as exemplified by FIG. X; Said rotary head (4) may have the inner part made of refractory materials, ceramic or ceramic materials (25), when the metal to be sprayed has a high melting point. Said watertight chamber is provided at its bottom with an inverted cone-shaped cyclone (26) with at least

menos um duto de saída (27), destinado a fazer uma pré-seleção granulométrica do pó metálico em produção.least one outlet duct (27) for a particle size pre-selection of the metal powder in production.

Claims

1. Equipment and devices for producing metal powders composed of a shell (1), preferably made of refractory material, capable of containing the metal to be sprayed, in liquid form (2), arranged on the top of a watertight chamber (3) ), within which is a rotary head (4), characterized in that it consists of at least two discs, which form at least one slot (5) of adjustable width, the one (s) being upper disc (s) (6) have a generally cylindrical or conical central cavity (7) suitable for receiving said molten metal (2) with the lower disc (8) being completely closed, serving thus bottom to said central cavity (7), so that by rotating motion on said rotary head (4), the molten metal (2) contained in said central cavity (7) is accelerated by centrifugation by moving through said slot (s) (5), from the inside out until it leaks from the edges (9) of said rotary head (4) into small drops.

Rotary head as described in claim 1, characterized in that it has circular slots (10) which fit at least one crown-shaped screen (11), concentric (s) with said disc (s); intercepting said slot (s) (5) perpendicularly, the holes (12) of said crown-shaped screen (s) (11) being generally triangular, so that as they approach the said discs decrease the area of said holes (12) and by moving away the opposite occurs and the areas are increased so that said liquid molten metal (2) flowing through said slots (5) has to pass through said holes (12), forming fillets whose section area are determined by the areas of said holes (12) and their size directly proportional to the spacing of said discs.

Rotary head as described in claim 2, characterized in that said interchangeable crown-shaped screen (11) is such that it can be replaced by others whose holes (12) have different shape and dimensions.

Equipment and devices for producing metal powders as described in claim 1, characterized in that it has a circular duct (13) disposed around said rotary head (4) provided with blowing nozzles (14) for producing fluid jets (15). high speed, directed such that they reach the periphery of said rotary head (4) at angles greater than 0 ° and less than 90 ° in a direction parallel to its axis of rotation and between 0 ° and 180 ° in relation to the tangents of its perimeter in plane to the axis of rotation of said rotary head (4) such that it hits molten metal droplets released tangentially by said rotary head (4), pulverizing them and forcing the resulting particles to roll on three axes within the layer gas flow limit over the bottom surface (16) of said rotary head (4).

Rotary head as described in claim 1, 2 and 3, characterized in that it has a crown with several peripheral fins (17) arranged and oriented radially so that it can be driven in rotary motion by said fluid jets (15). ).

Rotary head as described in claims 1 and 2, characterized in that it is surrounded by a stator (18) provided with several radially oriented fins (19) designed to receive the perpendicular or angular impact of the liquid metal droplets. .

Equipment for producing metal powders as described in claims 1 and 4, characterized in that said watertight chamber (3) has at least one secondary fluid injector (20) and at least one thermal sensor (21); an optical sensor (22) and a pressure sensor (23) which provide information for a computerized system (24) programmed to monitor and control the flow of said liquid molten metal (2), the rotation of said head (4), the pressure and velocity of the liquid or gas injected into said chamber (3), in order to determine the average size of the metal dust particles and their cooling and solidification velocity, thus also determining their crystal structure .

Rotary head as described in claims 1 and 2, characterized in that the inner part is constructed of refractory material, ceramic or ceramic materials (25).

Equipment for producing metal powders as described in claims 1 and 4, characterized in that said watertight chamber (3) has an inverted cone-shaped bottom (26) and several fluid-exhausting ducts (27) and of the dust produced.