ES2203530T3 - Procedimiento y dispositivo para la fabricacion de polvos formados por particulas esencialmente esfericas. - Google Patents

Abstract

Procedimiento para la fabricación de polvos formados a partir de partículas esencialmente esféricas a partir de un material, como vidrio, cerámica o plástico, que forma una colada altamente viscosa que se solidifica o bien a una temperatura de formación del vidrio Tg o a una temperatura de solidificación Ts, con las siguientes etapas: a) fabricación de una colada con una viscosidad dinámica en el intervalo entre 0, 01 y 100 Ns/m2, b) inyección de la colada utilizando un primer gas, teniendo el primer gas en la salida de un intersticio anular de una tobera anular (3) al menos una temperatura TA Tg o bien 0, 5 Tg, donde el intersticio anular rodea una tobera que libera un chorro de colada, y donde el ángulo de ataque del primer gas con relación al eje del chorro de la colada es hasta 25º, c) refrigeración de las partículas formadas durante la inyección en una zona de refrigeración conectada a continuación aguas abajo de la tobera anular (3), utilizando un refrigerante, donde la temperaturadel refrigerante es < Tg y Ts, respectivamente.

Description

Procedimiento y dispositivo para la fabricación de polvos formados por partículas esencialmente esféricas.

La invención se refiere a un procedimiento y a un dispositivo para la fabricación de polvos formados por partículas esencialmente esféricas de un material, como vidrio, cerámica o plástico.

El documento DE-OS 1 758 844 se refiere a un procedimiento para la obtención de polvos de metal y polvos de aleación finamente dispersos. En este caso, un chorro de metal fundido, inyectado por una tobera, es atomizado por medio de la corriente de gas caliente. La temperatura del gas caliente es menor que la temperatura de solidificación del metal inyectado.

Se conoce igualmente por el documento DE 33 11 343 A1 un procedimiento para la fabricación de un polvo de metal. La corriente de colada de metal es atomizada en este caso a través de un gas que circula a velocidad ultrasónica. El gas tiene, antes de la salida desde la tobera, una temperatura en el intervalo entre 0,7 y 1,5 veces la temperatura de solidificación del metal. La temperatura del gas después de la salida desde la tobera está, debido a su expansión, claramente por debajo de la temperatura de solidificación.

En el documento DE 43 19 990 A1 se publica un procedimiento para la fabricación de partículas de plástico. En este caso, se transporta una corriente de masa viscosa a un dispositivo de atomización y se inyecta allí con un gas que está bajo presión. Como gas se utiliza un gas inerte licuado a baja temperatura.

El documento DE 35 33 964 C1 se refiere a un procedimiento para la fabricación de polvo muy fino en forma de bolas. En este caso se conducen, entre otras, coladas de cerámica a través de una tobera Laval calentada. La colada está presente en el estado recalentado inmediatamente delante de la salida de la tobera.

En el documento DE 39 13 649 C2 se describe un procedimiento para la fabricación de polvo metálico a partir de una colada de metal a través de inyección de gas. En el procedimiento, se varían la temperatura y/o la presión para el ajuste de una distribución predeterminada de los tamaños de los granos.

El documento DE 40 23 278 A1 describe un procedimiento para la fabricación de polvos de óxido de metal. En este caso, se impulsa la colada con oxígeno durante el proceso de atomización. Los polvos metálicos son oxidados de esta manera.

En el procedimiento conocido a partir del documento US-A-3 294 511, la colada sale por el fondo de una bandeja de fundición. Se forma un chorro de colada vertical, que es impulsado en primer lugar después de una distancia aproximadamente en ángulo recto con gases calientes de un quemador.

Los procedimientos conocidos no son adecuados para la fabricación de polvos formados de partículas esféricas a partir de una colada altamente viscosa. En virtud de la alta viscosidad se forman durante la inyección y solidificación partículas en forma de fibras, los llamados ligamentos, o partículas grandes irregulares.

El cometido de la invención es eliminar los inconvenientes según el estado de la técnica. Deben indicarse especialmente un procedimiento y un dispositivo, con los que es posible una fabricación de polvos formados a partir de partículas esencialmente esféricas a partir de una colada altamente viscosa, que se solidifica especialmente en forma de vidrio.

Este cometido se soluciona a través de las características de las reivindicaciones 1 y 17. Las configuraciones ventajosas se deducen a partir de las características de las reivindicaciones 2 a 16 y 18 a 21.

De acuerdo con la invención se propone un procedimiento para la fabricación de polvos formados a partir de partículas esencialmente esféricas a partir de un material, como vidrio, cerámica o plástico, que forma una colada altamente viscosa que se solidifica o bien a una temperatura de formación del vidrio T_{g} o a una temperatura de solidificación T_{s}, con las siguientes etapas:

a)

fabricación de una colada con una viscosidad dinámica \eta en el intervalo entre 0,01 y 100 Ns/m^{2},

b)

inyección de la colada utilizando un primer gas, teniendo el primer gas en la salida de un intersticio anular de una tobera anular al menos una temperatura T_{A} \geq T_{g} o bien \geq 0,5 T_{g}, donde el intersticio anular rodea una tobera que libera un chorro de colada, y donde el ángulo de ataque del primer gas con relación al eje del chorro de la colada es hasta 25 grados,

c)

refrigeración de las partículas formadas durante la inyección en una zona de refrigeración conectada a continuación aguas abajo de la tobera anular, utilizando un refrigerante, donde la temperatura del refrigerante es < T_{g} y T_{s}, respectivamente.

El procedimiento según la invención posibilita la fabricación de polvos formados a partir de partículas esencialmente esféricas de un material, como por ejemplo, vidrio, cerámica o plástico. Tales materiales forman coladas con una viscosidad más elevada que las coladas de metal; su viscosidad dinámica es al menos 0,01 Ns/m^{2}. Las coladas están, en general, recalentadas. La temperatura de la colada es habitualmente \geq 1,5 T_{g} en el caso de las coladas que se solidifican del tipo de vidrio y es aproximadamente 100K mayor que T_{s} en el caso de coladas que se solidifican de forma cristalina. La impulsión con el primer gasa una temperatura de salida de T_{A} \geq T_{g} o bien \geq 0,5 T_{g} posibilita la formación de partículas esféricas. Se evita la formación especialmente de partículas de solidificación en forma de fibras, de partículas gruesas o de partículas de formas irregulares.

De acuerdo con una configuración ventajosa, la temperatura del primer gas es \geq 1,5 T_{g} o \geq 1,0 T_{s}. La selección de la temperatura del primer gas depende del material a inyectar. Es conveniente que la temperatura del primer gas en la salida de la tobera anular esté en el intervalo de \pm 100K de la temperatura de solidificación T_{s} del material.

En el caso de la fabricación de polvos de plástico, hay que prestar atención evidentemente para que la temperatura del primer gas esté siempre por debajo de la temperatura de destrucción del plástico. La temperatura del primer gas está aquí con preferencia en la región de solidificación T_{g}, pero de una manera más conveniente aproximadamente 50 K por debajo de la región de solidificación T_{g} del plástico.

Como primer gas se utiliza de una manera más conveniente aire, nitrógeno, gas noble, oxígeno o una mezcla de ellos. Es especialmente rentable precalentar el primer gas por medio de un calentador Pebble o bien un calentador de producto a granel. De acuerdo con otra característica de configuración del procedimiento, se ajusta el caudal de gas a un valor entre 0,1 y 10 m^{3}/min. Por "m^{3}" se entienden en este caso metros cúbicos normalizados. Para la atomización se puede ajustar la presión del primer gas a un valor de 1 a 50 bares. La selección del caudal así como de la presión del primer gas se ajustan de nuevo de acuerdo con el material a inyectar.

La corriente de partículas formada aguas abajo de la tobera llega a una zona de refrigeración. Como refrigerante se utiliza un segundo gas o agua. El segundo gas puede ser un gas criogénico licuado. El refrigerante se puede insuflar en contra de la dirección de la corriente de las partículas en la dirección de la tobera anular. Pero también es posible alimentar el refrigerante para la conducción de la corriente de partículas en la dirección de la corriente. Para el insuflado del refrigerante están previstas otras toberas aguas abajo de la tobera. Especialmente en el caso de coladas de viscosidad muy alta de más de 1 ns/m^{2}, se puede insuflar a través de las otras toberas, en lugar de refrigerante, también el primer gas caliente, para apoyar la formación esférica.

Como otro refrigerante puede estar previsto aguas abajo un baño formado por gas criogénico licuado o agua. Las partículas caen a este baño, son refrigeradas y finalmente son separadas.

Además, es conveniente conducir la corriente de partículas que se configura aguas abajo de la tobera en su proximidad esencialmente horizontal. La corriente de partículas es desviada de manera ventajosa a distancia de la tobera anular en una dirección esencialmente vertical. La conducción y/o desviación de la corriente de partículas se puede apoyar a través de insuflado de refrigerante. De esta manera se forma una vía de refrigeración especialmente larga, que posibilita la configuración de partículas esféricas.

De acuerdo con otra característica de configuración, en el procedimiento es posible descargar el primer gas, dado el caso un gas mixto formado por el primer gas y el refrigerante, y utilizarlo para el precalentamiento de un segundo calentador Pebble. En el caso de que para el precalentamiento del primer gas se utilice el segundo calentador Pebble, se puede utilizar el calor del primer gas para reciclaje.

Para la realización del procedimiento según la invención está previsto un dispositivo con

aa)

una instalación para el precalentamiento de un primer gas,

bb)

un depósito para el alojamiento de una colada,

cc)

una tobera anular dispuesta esencialmente horizontal, que apunta hacia la cámara de atomización, en cuya tobera anular una tobera que libera un chorro de colada está rodeada por un intersticio anular, a través del cual sale el primer gas en un ángulo de ataque de hasta 25º con respecto al eje del chorro de la colada,

dd)

una instalación para la refrigeración de una corriente de partículas que se configura aguas debajo de la tobera anular, y

ee)

una instalación para la conducción y/o la desviación de la corriente de partículas en una dirección esencialmente vertical.

El dispositivo posibilita la fabricación de polvos formados a partir de partículas esencialmente esféricas de una colada altamente viscosa, que se solidifica especialmente del tipo de vidrio.

De una manera más ventajosa, la instalación para la conducción y/o desviación puede ser impulsada de manera opcional a través de una sección predeterminada con el primer gas caliente. Esto posibilita influir sobre la duración de la refrigeración y, por lo tanto, sobre el tiempo de formación esférica de las partículas.

Se ha comprobado que es conveniente y rentable que la instalación para el precalentamiento sea un calentador Pebble. La tobera puede ser una tobera anular, por ejemplo una tobera Laval. En este caso, de una manera más conveniente, la anchura del intersticio anular previsto para la salida del primer gas es variable. El ángulo de ataque del primer gas con relación al eje del chorro de colada es hasta 25º, con preferencia está entre 10º y 20º. Esto posibilita una atomización especialmente efectiva del chorro de colada. Además, se ha mostrado que es conveniente conducir el chorro de colada lo más estrecho posible. La disipación de calor desde el chorro de inyección caliente hacia el medio ambiente más frío es entonces especialmente reducida. La colada permanece también después de la salida desde la tobera con una viscosidad suficientemente baja, de modo que se posibilita la formación de partículas esféricas.

A continuación se explican en detalle con la ayuda del dibujo los principios así como un ejemplo de realización de la invención. En este caso:

La figura 1 muestra la viscosidad de coladas de diferentes materiales representada sobre la temperatura.

La figura 2 muestra un tiempo de formación esférica de diferentes materiales representado sobre el radio de las partículas.

La figura 3 muestra una representación esquemática de un dispositivo según la invención.

En la figura 1 se registra la viscosidad de diferentes materiales, a saber, hierro, cobre o estaño, así como de diferentes vidrio como función de la temperatura. La viscosidad de coladas de metal está por debajo de un valor de 0,01 Ns/m^{2}. En cambio, las coladas designadas bajo el concepto "coladas altamente viscosas", presentan aquí una viscosidad mayor que 0,01 Ns/m^{2}. Especialmente las coladas de vidrio representadas aquí se caracterizan, además, porque su viscosidad se incrementa en gran cantidad a medida que se reduce la temperatura, es decir, sobre varias potencias de diez.

En la figura 2 se muestra el tiempo de formación esférica, es decir, el tiempo necesario para la formación de una partícula de colada formada irregular para obtener la forma esférica, para diferentes materiales y vidrios como función del tamaño de las partículas. Para el tiempo de formación esférica T_{sph} se aplica:

T _{sph} \sim\eta/\sigma.

donde \eta es la viscosidad dinámica y \sigma es la tensión superficial.

Como se deduce a partir de la figura 2, con un radio comparable de las partículas, el tiempo de formación esférica de materiales que se solidifican del tipo de vidrio es más de dos potencias de diez mayor que el tiempo de formación esférica en metales. Para coladas altamente viscosas según la presente invención, son típicos tiempos de formación esférica mayores que 0,01 segundo, con un radio de las partículas de 1,0 \mum.

La figura 3 muestra un ejemplo de realización de una instalación de inyección según la invención para la atomización de coladas altamente viscosas. Un dispositivo de fundición está designado con 1, una cámara de atomización está designada con 2. Una tobera anular 3 está conectada a través de un canal de admisión con el dispositivo de fundición 1. Un primer gas se encuentra en un depósito de reserva de presión 4. El primer gas se puede alimentar a través de una primera instalación de expansión del gas 6. En la instalación de calefacción del gas 6 se calienta el gas a una temperatura predeterminada. Si se utiliza como instalación calefactora de gas 6 un calentador Pebble, puede estar conectada, para el ajuste exacto de la temperatura del primer gas, una segunda instalación de expansión del gas 7 con la instalación calefactora de gas 6. La instalación calefactora de gas 6 está conectada a través de un tubo aislado térmicamente con la tobera anular 3. La tobera anular es, por ejemplo, una tobera Laval, en la que el primer gas sale a través de un intersticio anular, que rodea concéntricamente una tobera que libera el chorro de colada. La ranura anular está dispuesta de una manera más conveniente lo más cerca posible del orificio de salida o tobera que libra la colada.

Con el signo de referencia 9a se designan las primeras toberas y con 9b se designan las segundas toberas. Las primeras toberas 9a sirven para la impulsión de la corriente de partículas con el primer gas precalentado. Las partículas son mantenidas de esta manera en una trayectoria de vuelo esencialmente horizontal. La refrigeración y, por lo tanto, la solidificación son retrasadas, de manera que se pueden configurar partículas esféricas.

Las segundas toberas 9b sirven para la alimentación de refrigerante. En el refrigerante se puede tratar de gas, gas licuado o agua. Las segundas toberas están alineadas de tal forma que la corriente de partículas es desviada desde una trayectoria de vuelo esencialmente horizontal a una trayectoria de vuelo vertical. Un depósito colector cónico está designado con 10, la extracción del fondo está designada con 11. Para la separación de la fracción más fina está previsto un separador de ciclón 12 con dispositivo de refrigeración 13 conectado a continuación. La función del dispositivo es la siguiente:

El primer gas es alimentado a través de las instalaciones de expansión del gas 5 y 7, respectivamente, de la instalación calefactora de gas 6. El primer gas es calentado allí a una temperatura en la región de la temperatura de solidificación o bien por encima de la temperatura de formación del vidrio T_{s} o bien 1,5 T_{g} del material a inyectar. El primer gas caliente llega a través del tubo 8 aislado térmicamente bajo una presión de hasta 50 bares a la tobera anular 3. Allí sale bajo un ángulo de aproximadamente 10-20º con relación al chorro de colada. El chorro de colada es atomizado a través de la actuación del primer gas. El primer gas precalentado transfiere las partículas atomizadas en primer lugar en dirección horizontal. Para el mantenimiento de la trayectoria de vuelo esencialmente horizontal se insufla adicionalmente el primer gas a través de las primeras toberas 9a a la cámara de atomización 2. Se consigue la configuración esférica de las partículas.

Las partículas son refrigeradas entonces en una zona de refrigeración. La zona de refrigeración se encuentra en una región, en la que la corriente de partículas se desvía desde una trayectoria de vuelo horizontal hacia una trayectoria de vuelo vertical. La desviación de la trayectoria de vuelo de la corriente de partículas es apoyada por corrientes de refrigerante, que salen a través de las segundas toberas 9b.

Por último, las partículas esféricas fabricadas son recogida en el depósito colector 10 y son descargadas por la extracción del fondo 11. Por medio del separador ciclónico 12 se separa la fracción más fina. Demás, de esta manera se descarga el gas caliente. El gas caliente es refrigerado a través de instalaciones de refrigeración conectadas a continuación aguas abajo del separador ciclónico 12 o bien es utilizado como reciclado para el calentamiento de un segundo calentador Pebble.

Lista de signos de referencia

1

Dispositivo de fundición

2

Cámara de atomización

3

Tobera

4

Depósito de gas comprimido

5

Primera estación de expansión de gas

6

Instalación calefactora de gas

7

Segunda estación de expansión de gas

8

Tubo aislado térmicamente

9a

Primeras toberas

9b

Segundas toberas

10

Depósito colector

11

Extracción del fondo

12

Separador ciclónico

13

Dispositivo de refrigeración

Claims (21)

1. Procedimiento para la fabricación de polvos formados a partir de partículas esencialmente esféricas a partir de un material, como vidrio, cerámica o plástico, que forma una colada altamente viscosa que se solidifica o bien a una temperatura de formación del vidrio T_{g} o a una temperatura de solidificación T_{s}, con las siguientes etapas:

a)

fabricación de una colada con una viscosidad dinámica \eta en el intervalo entre 0,01 y 100 Ns/m^{2},

b)

inyección de la colada utilizando un primer gas, teniendo el primer gas en la salida de un intersticio anular de una tobera anular (3) al menos una temperatura T_{A} \geq T_{g} o bien \geq 0,5 T_{g}, donde el intersticio anular rodea una tobera que libera un chorro de colada, y donde el ángulo de ataque del primer gas con relación al eje del chorro de la colada es hasta 25º,

c)

refrigeración de las partículas formadas durante la inyección en una zona de refrigeración conectada a continuación aguas abajo de la tobera anular (3), utilizando un refrigerante, donde la temperatura del refrigerante es < T_{g} y T_{s}, respectivamente.

2. Procedimiento según la reivindicación 1, donde la temperatura del primer gas es \geq 1,5 T_{g} o \geq 1,0 T_{s}.

3. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, donde la temperatura del primer gas en la salida de la tobera anular (3) está en el intervalo de \pm 100 K de la temperatura de solidificación T_{s} del material.

4. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, donde como primer gas se emplea aire, nitrógeno, gas noble, oxígeno o una mezcla de ellos.

5. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, donde el primer gas es precalentado por medio de un calentador Pebble (6).

6. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, donde el caudal del primer gas se ajusta a un valor entre 0,1 y 10 mm3/min.

7. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, donde para la atomización se ajusta la presión del primer gas a un valor de 1 a 50 bares.

8. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, donde el primer gas es conducido a través de al menos un orificio de salida del tipo Laval.

9. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, donde como refrigerante se utiliza con preferencia un segundo gas criogénico licuado o agua.

10. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, donde el refrigerante es insuflado en contra de la dirección de la corriente en la dirección de la tobera anular (3).

11. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, donde como otro refrigerante está previsto un baño formado por gas criogénico licuado o agua.

12. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, donde una corriente de partículas, que se configura aguas abajo de la tobera anular (3) en su proximidad, es conducida esencialmente horizontal.

13. Procedimiento según la reivindicación 12, donde la corriente de partículas es desviada a distancia de la tobera anular (3) en una dirección esencialmente vertical.

14. Procedimiento según la reivindicación 13, donde la conducción y/o desviación de la corriente de partículas es apoyada por el soplado de refrigerante.

15. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, donde el primer gas, dado el caso un gas mixto formado a partir del primer gas y el refrigerante, es descargado y es utilizado para el calentamiento previo de un segundo calentador Pebble.

16. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, donde el ángulo de ataque del primer gas con relación al eje del chorro de colada está entre 10º y 20º.

17. Dispositivo para la realización del procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores con

aa)

una instalación (6) para el precalentamiento de un primer gas,

bb)

un depósito (1) para el alojamiento de una colada,

cc)

una tobera anular (3) dispuesta esencialmente horizontal, que apunta hacia la cámara de atomización (2), en cuya tobera anular una tobera que libera un chorro de colada está rodeada por un intersticio anular, a través del cual sale el primer gas en un ángulo de ataque de hasta 25º con respecto al eje del chorro de la colada,

dd)

una instalación para la refrigeración de una corriente de partículas que se configura aguas debajo de la tobera anular (3), y

ee)

una instalación (9a, 9b) para la conducción y/o la desviación de la corriente de partículas en una dirección esencialmente vertical.

18. Dispositivo según la reivindicación 17, donde la instalación (9a, 9b) para la conducción y/o desviación puede ser impulsada de forma opcional a través de una sección predeterminada con un primer gas caliente.

19. Dispositivo según la reivindicación 17 ó 18, donde la instalación para el precalentamiento es un calentador Pebble.

20. Dispositivo según una de las reivindicaciones 17 a 19, donde la anchura del intersticio anular previsto para la salida del primer gas es variable.

21. Dispositivo según una de las reivindicaciones 17 a 20, donde el ángulo de ataque del primer gas con relación al eje del chorro de colada está entre 10º y 20º.