SISTEMA DE PRODUCCIÓN DE PARTÍCULAS METÁLICAS MEDIANTE ATOMIZACIÓN

CON GAS

Sector de la técnica

La presente invención está relacionada con la obtención de partículas metálicas destinadas para la fabricación de objetos con geometrías complejas, proponiendo un sistema de atomización con gas que utiliza una tobera diseñada con unas características que permiten obtener con precisión partículas metálicas de formas y tamaños controlados, para un amplio rango de metales puros y sus aleaciones, optimizando el consumo de metal y del gas utilizado para la atomización. Estado de la técnica

Los metales en forma de polvo se utilizan ampliamente como materia prima para la fabricación de objetos o componentes de ingeniería en diversos campos de aplicación (como transporte, herramientas, etc.); obteniéndose dichos objetos o componentes generalmente mediante un conjunto de pasos que involucran la realización de una preforma con la geometría deseada, su consolidación mediante sinterización y, en algunos casos, operaciones complementarias para determinar los objetos con una precisión de tolerancias dimensionales muy acotadas. Es de señalar, en ese sentido, que los objetos de geometrías complejas producidos por metalurgia de polvos, tienen excelentes propiedades y presentan una ventaja económica importante de fabricación frente a los obtenidos por métodos alternativos de producción, como la forja o el mecanizado. En relación con ello, uno de los métodos más utilizados para la obtención de polvos metálicos es la atomización, para lo cual existen diversas soluciones, como la atomización con agua, con plasma, por centrifugado, etc., destacando la atomización con gas, que permite obtener partículas metálicas con bajo porcentaje de oxígeno final. Para la atomización con gas se utilizan gases inertes, como Argón, Helio o Nitrógeno, entre otros, introduciéndose el gas a elevada presión, para determinar presiones de atomización entre 2 y 80 bares, con lo cual el gas alcanza velocidades supersónicas de salida en el sistema atomizador, transfiriendo una energía cinética que permite la desintegración, en partículas, de una columna líquida de metal fundido sobre la que se proyecta el gas.

Las partes más importantes de los sistemas de atomización con gas para la obtención de partículas metálicas, son un medio de generación de una columna líquida de metal fundido y una tobera de salida de proyección del gas sobre la columna líquida de metal fundido, debiendo tener la tobera unas características que permitan obtener un flujo de gas que incida en unas determinadas condiciones sobre la columna líquida de metal fundido, ya que la presión del gas y la velocidad del flujo son dos variables críticas del proceso, pues tienen una influencia directa sobre el tamaño y la distribución de las partículas metálicas que se obtienen. Se han desarrollado al respecto diversas soluciones para la producción de polvos metálicos con características determinadas, intentando optimizar el flujo de gas que se utiliza, en un proceso consistente y continuo.

Por ejemplo, el documento US 4416600 presenta una solución que utiliza una tobera de varias piezas con una cámara interior que contiene un conducto en espiral como medio de control del flujo de un gas, para obtener partículas metálicas.

El documento US 3253783 presenta una solución que utiliza una tobera en la que un flujo de un gas se introduce de manera tangencial a una cámara interior y posteriormente sale por una ranura anular continua.

El documento US 4619597 presenta una solución que utiliza una tobera de atomización con gas que tiene una relación específica con el diámetro de una columna de metal líquido a atomizar.

Y los documentos US 1856679, US 3501802, US 2440531 , US 3592391 y US 3901492 presentan otras formas de ejercer control sobre el flujo de un gas para controlar el tamaño de partículas que se obtienen de la atomización de un metal fundido. En todos estos casos el flujo del gas que se utiliza para la atomización se controla manualmente y es función, en cada caso, de las tolerancias del mecanizado de una ranura de la tobera por la que se proyecta el gas, con respecto a una columna líquida del metal fundido a atomizar; con lo cual, dado que en general la tobera está sujeta a elevadas temperaturas durante la atomización, la ranura de salida del gas puede variar en dimensiones y uniformidad, alterando el resultado de la atomización.

Además, si el tamaño de la ranura de la tobera no se controla con precisión, la cantidad de gas que se utiliza puede ser excesiva, produciéndose entonces un enfriamiento importante de la columna líquida de metal fundido, dando lugar a su solidificación, con lo que se interrumpe el proceso de la atomización. Y a su vez, un consumo excesivo de gas repercute negativamente en la economía del proceso de la atomización, como en el control de las características finales de las partículas resultantes de la atomización, es decir la forma, el tamaño y la distribución de la configuración de las mismas. Objeto de la invención

De acuerdo con la invención se propone un sistema de obtención de partículas metálicas mediante atomización con gas, utilizando una tobera que está diseñada con unas características particulares, permitiendo obtener partículas metálicas de forma y tamaños controlados, ajusfando muy estrictamente el consumo de metal que se atomiza y del gas que se utiliza para la atomización.

Este sistema objeto de la invención utiliza una tobera que comprende una pieza central que sujeta a un tubo de conducción de un flujo de metal fundido, para formar axialmente una columna líquida del metal fundido que sale axialmente a través de la mencionada pieza central, yendo dicha pieza central soportada por un casquillo que determina alrededor del tubo una cámara hueca, mientras que alrededor del casquillo van dos piezas superpuestas, entre las cuales queda una cámara cerrada con la que comunica una entrada de suministro de un gas a presión, mientras que en una de las piezas se hallan definidos una serie de conductos que se extienden en posición inclinada desde la cámara cerrada hacia una zona situada por delante de la salida de la columna líquida de metal fundido desde la pieza central.

Los conductos inclinados pueden ser de diferentes diámetros y formas de sección transversal, estando prevista una realización con dos distribuciones concéntricas de dichos conductos en inclinaciones distintas y con diámetros diferentes de los conductos, alrededor de la pieza central.

Se obtiene así un sistema cuya boquilla permite la salida del gas por un conjunto de orificios, determinando una serie de haces del gas que inciden sobre la columna líquida de metal fundido, permitiendo mejorar el control del impacto del gas sobre la columna líquida de metal fundido para su fragmentación en partículas de morfologías determinadas.

Con esta solución se consigue además un aumento de la superficie de contacto del gas con la columna líquida de metal fundido, con lo cual se optimiza el consumo de gas y del metal para obtener un número de partículas determinado.

Por otro lado, las piezas componentes de la boquilla van unidas entre sí de manera desmontable, lo cual favorece la limpieza y la sustitución de cualquier pieza que se deteriore por el uso, principalmente la pieza central, que es la que más resulta afectada, ya que por ella sale el flujo del metal fundido a alta temperatura; en tanto que la cámara hueca definida alrededor del tubo evita la transmisión directa del calor desde el tubo al resto de las piezas del conjunto estructural de la tobera. La desmontabilidad permite además controlar los ángulos de convergencia de la proyección del gas en relación a la columna líquida de metal fundido, así como el flujo del gas y la incidencia del mismo sobre la columna líquida de metal fundido, variando la forma y el tamaño de los conductos inclinados de salida del gas, mediante la sustitución selectiva de la pieza que posee dichos conductos.

Por todo ello, el sistema objeto de la invención resulta de unas características muy ventajosas para la función de atomización de metales a la que está destinado, adquiriendo vida propia y carácter preferente respecto de los sistemas convencionales de la misma aplicación.

Descripción de las figuras

La figura 1 muestra en perspectiva un ejemplo de realización de una tobera de atomización con gas, para el sistema de obtención de partículas metálicas según la invención. La figura 2 es una vista esquemática de una perspectiva en sección transversal de la tobera de la figura anterior vista desde otro ángulo de observación.

Descripción detallada de la invención

El objeto de la invención se refiere a un sistema de producción de partículas metálicas mediante atomización con gas, utilizando una tobera (1) por la que se hace pasar axialmente un flujo de metal fundido para formar una columna líquida del metal a atomizar, y proyectándose a través de dicha tobera (1) un flujo de gas a presión, el cual impacta sobre la columna líquida de metal fundido, fragmentándola en pequeñas gotas o partículas.

La tobera (1) comprende una pieza central (2) provista con un orificio axial, en la cual se sujeta un tubo (3) destinado para la circulación del flujo de metal fundido desde un medio de fusión, para salir el metal fundido a través de la mencionada pieza central (2), dando lugar a la columna líquida a atomizar.

La pieza central (2) es soportada por un casquillo (4) que rodea al tubo (3) en una porción longitudinal del mismo, quedando entre dicho casquillo (4) y el tubo (3) una cámara hueca (5) que mantiene un aislamiento térmico entre ambos.

Alrededor del casquillo (4) va dispuesto un conjunto de dos piezas superpuestas, una superior (6) y una inferior (7), entre las cuales queda definida una cámara cerrada (8), con la cual comunica, al menos, una entrada (9) de suministro de gas a presión, mientras que a través de la pieza inferior (7) se hallan definidos unos conductos (10) que se extienden en posición inclinada desde la cámara cerrada (8) hacia una zona de proyección situada en el exterior por delante de la pieza central (2).

Con ello así, por el tubo (3) puede establecerse la circulación de un flujo de metal fundido, desde un crisol de fusión, saliendo el metal fundido a través de la pieza central (2), de manera que en el exterior se forma axialmente una columna líquida de metal fundido; y entonces, introduciendo por la entrada o entradas (9) un flujo de gas a presión en la cámara cerrada (8), el gas sale por los conductos (10), proyectándose hacia una zona exterior situada por delante de pieza central (2), en donde el gas proyectado impacta sobre la columna líquida de metal fundido, fragmentándola en pequeñas gotas o partículas que al enfriarse se solidifican. La proyección del gas a través de los conductos (10) inclinados produce unos haces por todo el contorno de la columna líquida de metal fundido, en unas condiciones que favorecen la fragmentación del metal líquido, con un consumo de gas y del metal que pueden ser perfectamente regulados mediante la inclinación, el diámetro y la distribución de los conductos (10), que pueden ser variables.

En ese sentido, la proyección del gas se prevé según una realización, no limitativa, a través de un conjunto de conductos (10) repartidos en dos distribuciones concéntricas respecto de la pieza central (2), con los conductos (10) de una y otra distribución de distintos diámetros y en distintas inclinaciones para incidir sobre la columna líquida de metal fundido a atomizar en sendas zonas algo separadas entre sí (unos dos milímetros), lo cual aumenta la superficie de impacto del gas sobre la columna líquida de metal fundido, favoreciendo la atomización con un mínimo consumo de gas. Por otro lado, en relación con la cámara cerrada (8) se prevén dos entradas (9) de introducción de gas, situadas en posiciones diametralmente opuestas, lo cual favorece la distribución del gas en la mencionada cámara cerrada (8), para salir de una manera uniforme por todos los conductos (10) de proyección. No obstante, esta realización tampoco es limitativa, pudiendo haber una sola entrada (9) o más de dos, para la introducción del gas en la cámara cerrada (8), sin que ello altere el objeto de la invención.

El montaje del conjunto estructural de la tobera (1) se establece además con una sujeción desmontable entre las piezas componentes, lo cual permite variar la forma, el tamaño, la inclinación y la distribución de los conductos (10), mediante sustitución de la pieza inferior (7) en la que están definidos dichos conductos (10), resultando así el sistema versátil para determinar la configuración de partículas metálicas mediante la atomización, según se desee.

La desmontabilidad permite, a su vez, la limpieza de la tobera (1) y la sustitución de cualquiera de las piezas de la misma que resulte deteriorada, lo cual es especialmente de interés en el caso de la pieza central (2), ya que el flujo de metal fundido que pasa por ella puede dejar restos que se van acumulando pudiendo afectar al proceso de la atomización y, además, dicha pieza central (2) es sometida durante los procesos de atomización a las altas temperaturas del metal fundido que pasa por ella, pudiendo llegar a resultar afectada por ello dicha pieza central (2) en su configuración.