Table Of ContentFORSCHUNGSBERICHTE 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).
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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.
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