CN110799292A - 借助气体雾化生产金属粉末的方法和按照该方法生产金属粉末的设备 - Google Patents

Abstract

借助气体雾化生产金属粉末的方法，其至少包括以下步骤：a)提供金属装料，所述金属装料包含至少一种选自金属废料、金属矿物和金属粉末的材料；b)在控制其成分的电弧炉(106)内熔化金属装料，直到获得具有所期望的成分的熔融金属熔液；c)从电弧炉(106)中排出熔融金属熔液，将其收集在至少一个浇包(104)内；c1)精炼收集在浇包(104)中的熔融金属熔液，直至获得精炼熔融金属熔液，其中精炼步骤c1)通过将包含从所述电弧炉(106)排出的熔融金属熔液的所述浇包(104)引入到可封闭式精炼腔室(114)中，来在受控气氛或真空或超压状态下进行，其中在可封闭式精炼腔室内产生所述受控气氛或所述真空或超压状态；d)通过将从电弧炉排出的精炼熔融金属熔液供给到产生熔融金属熔液流的气体雾化器中而使从电弧炉排出的精炼熔融金属熔液雾化，并用雾化惰性气流冲击熔融金属熔液流，以将熔融金属熔液雾化成金属粉末；e)从气体雾化器中提取由此获得的金属粉末。

Description

借助气体雾化生产金属粉末的方法和按照该方法生产金属粉 末的设备

技术领域

本发明涉及一种用于借助气体雾化生产金属粉末的方法以及按照这种方法生产金属粉的设备。

特别地，本发明涉及用于生产铁、钢、镍、钼、铬、钴粉及其合金的方法和设备。

背景技术

通过气体雾化获得的金属粉末越来越频繁地用于所谓的“粉末冶金”领域。

通过气体雾化获得的金属粉末特别地用于所谓的“添加剂生产”或也具有复杂形状的产品的三维打印中。

使用金属粉末作为基础材料的最常见的添加剂生产过程(或三维打印)是所谓的粉末床熔化过程，其中借助激光或其他等效能量辐射束来熔化形成要获得的产品的连续的金属粉末层。该过程采用不同的技术实现：选择性激光熔化(SLM)、直接金属激光烧结(DMLS)等。

用作基础材料的金属粉末的化学和物理特性对于实施和控制这种生产过程至关重要。关于物理特性，特别是金属粉末必须具有受控且均匀的密度、颗粒尺寸和形状。通常，所使用的金属粉末必须具有介于5μm至250μm之间的平均尺寸和球形，球形是确保粉末均匀性所必需的。已知有不同的金属粉末生产方法，其中通过雾化的方法，其中将熔融金属流注入一封闭腔室，在该封闭腔室中高速或高动能雾化流体的射流冲击熔融金属流。这些射流为熔融金属流产生能量，将其粉碎成高速移动的微粒，凝固并冷却成收集在封闭腔室底部的粉末形状。粉末微粒的形状取决于不同的因素，例如温度、熔融金属的粘度和表面张力以及由此获得的加速度。

可以使用水或气体(特别是如氩气或氮气那样的惰性气体)作为雾化流体。

然而，水雾化不能获得具有规则球形或具有所期望的颗粒尺寸分布的金属粉末。而且，这导致污染所生产的金属粉末的问题。

替代地，气体雾化允许获得具有给定颗粒尺寸分布的球形金属粉末，因此它是最常用的生产方法。

当前，通过气体雾化的最普遍的金属粉末生产设备包括雾化器，该雾化器由圆柱形的竖直展开的壳体形成，该壳体在内部被分成上封闭腔室和下封闭腔室，它们在竖直方向上彼此叠置并且用板彼此分隔开。

上封闭腔室配有可移除的上部密封盖，并在其中容纳：

-中间包，其配有感应型加热系统，并且从上封闭腔室的外部进行电子控制；和

-熔化炉坩埚，其还配备有感应式加热系统，并受上封闭腔室外部的电子控制。

在中间包底部上形成至少一个流出开口或喷嘴，该流出开口或喷嘴布置在两个腔室的分隔板上获得的对应贯通开口处并与之连通。流出开口或喷嘴可以与可从上封闭腔室外部控制的可移除闭塞装置相关联。

坩埚由倾斜系统支撑，借助该倾斜系统使坩埚倾斜以将其中形成的熔融金属浇注到中间包。

然后将上封闭腔室连接到真空(抽吸)发生系统，该系统在每个生产周期内在上封闭腔室内部产生并维持真空状态，以限制气体在熔融金属内的溶解。

雾化气体(通常为氩气或氮气)的一个或多个流出喷嘴与两个腔室的隔板相连，或者在任何情况下都布置在下封闭腔室内，并连接到这种雾化气体的供给系统。

下封闭腔室的底部连接到形成于其中并收集的粉末的排出系统。排出系统例如是气动的，并且与粉末分级装置连通，该粉末分级装置基于粉末的颗粒尺寸对粉末进行分级，并且该粉末分级装置例如是旋风分离器、筛子型分级装置或其他已知系统。

与这种类型有关的设备例如被公开在US4343750、US4272463、US3695795和US3752611中。提供这些已知设备的操作以将固态的金属装料引入到容纳在雾化器的上封闭腔室中的感应炉坩埚中。

在关闭上封闭腔室并形成于其中所期望的真空状态之后，将引入坩埚的金属装料加热到超过熔化温度的温度。

在感应炉坩埚内形成的熔融金属的成分可以通过分析由配备有上封闭腔室的采样系统获取的熔融金属的样品来控制。如果所取样品的成分不符合固定参数，则可以(在一定范围内)借助横穿上封闭腔室的合适喷枪将添加剂材料引入感应炉坩埚中进行校正。

金属熔化步骤称为真空感应熔化，它精确地发生在容纳在雾化器的上封闭腔室中的感应炉中，在该腔室内会形成真空状态。

然后将由此形成的熔融金属浇注到中间包中。为此目的，控制倾斜系统以使坩埚朝向中间包倾斜，使得包含在坩埚中的熔融金属流过在其上端获得的喷嘴，以浇注到中间包中。

转移到中间包中的熔融金属通过中间包所配备的感应加热系统保持在期望的温度。

中间包的流出开口从闭塞装置中释放(打开)，熔融金属流入下封闭腔室，在此处它受到一个或多个雾化气体射流的冲击，该雾化气体射流将熔融金属粉碎成微粒，它们凝固并冷却下来，并收集在然后将它们从那里通过例如气动而排出并转移到旋风分离器和/或筛子或其他颗粒尺寸分级系统的下封闭腔室的底部。

所形成的微粒的形状和尺寸取决于不同的因素，特别包括从中间包流出到下封闭腔室中的熔融金属流的流速、速度和温度。因此，控制填充中间包的熔融金属的液位，由此控制将熔融金属供给到中间包本身的坩埚的倾斜度特别重要。

通常，获得的金属粉末具有包括在1μm和300μm之间的平均直径的球形，尽管可以通过干预过程参数来获得不同的颗粒尺寸分布。

这些已知生产设备和方法具有某些缺点，这些缺点限制了它们的生产能力，并且负面地影响了金属粉末的生产成本，添加剂生产技术所期望的质量和数量。

第一个缺点在于以下事实：这些已知设备使用限定尺寸的固态金属锭或棒作为金属装料，并且其成分接近于要生产的金属粉末的成分。这是因为这样的金属材料直接熔化在雾化单元内部的感应炉中，因此只能对熔融金属的成分进行有限的调节干预和精炼干预，并且金属装料必须具有适合于熔化在通常配备已知雾化单元的感应炉中的成分、密度以及尺寸。

例如，在要生产铁或钢金属粉末的情况下，使用碳含量不超过最终产品所期望的碳含量并且通常具有低杂质含量的锭或棒。这是因为在已知设备中，不可能在容纳在雾化单元的上封闭腔室中的感应炉坩埚内进行必要的二次冶金和脱碳操作。实际上，它不被设计和配备用于进行精炼操作(脱碳以及在任何情况下的二次冶金)，这些操作需要受控地供给添加剂材料，例如脱碳剂，这些脱碳剂可能会增加难以管理的炉渣体积。

形成用于运行已知雾化设备的装料的金属材料还必须具有适当的形状(如铸锭或棒)以及小尺寸，以便在通常向包含感应炉坩埚的上封闭腔室供料的导管中进行运输。因此，用于运行已知雾化设备的金属材料必须事先制备，以使它们具有所期望的成分、形状和尺寸。实际上，它们是借助已知的熔化、精炼、成形和固化技术，以所期望的成分、形状和尺寸，用与雾化设备分开的不同生产设备中制备的，然后将它们用作输入“原料”。

因此，一方面，已知雾化设备仅能够处理有限范围的用作输入“原料”的金属材料。例如，如果例如要在已知雾化设备中生产铁/钢金属粉末或其他性质的金属粉末，则不可能使用由普通金属废料、金属矿物或废料金属粉形成的金属装料；它们实际上具有使其不适合于在已知雾化设备中，特别是在通常用于已知雾化单元中的感应炉中直接处理的成分、尺寸和密度。

另一方面，具有例如使其适合于在已知雾化设备中作为“原料”相继处理的成分、形状和尺寸的金属材料的生产，除了大量能源的消耗和污染环境的排放外，还涉及金属粉末本身的生产成本增加。这些金属材料(具有所期望的成分的锭或金属棒)实际上是在与雾化设备分开的不同设备中通过熔化、精炼、成形和固化技术依次生产的，这些设备相继运输并储存它们，然后用作雾化器的输入“原料”，在雾化器中经历进一步的熔化和固化周期以生产金属粉末。

已知雾化设备的另一个缺点在于它们的性能差。实际上，通常用作添加剂生产技术的基础材料的合适颗粒尺寸的金属粉末(通常为15μm-50μm的量级)占所生产的金属粉末总量的30％，很少占50％。不符合用作添加剂生产技术的基础材料所期望的颗粒尺寸参数的金属粉末被废弃和/或出售用于其他目的。实际上，废料金属粉末可能不会再用作运行已知雾化设备的装料；这是因为在这样的已知雾化设备中运转的感应炉被配置、设计和运行成使锭、棒熔化，并且通常来说，金属材料密度增加且尺寸确定为在比代替熔化金属粉末所必需的频率更低的频率下运行。

已知雾化设备和方法的另一个缺点在于，熔融、控制熔融金属的成分和熔融金属雾化的步骤在单个单元或组件内进行：由单个圆柱形外壳组成的雾化器划分成上封闭腔室(在其中发生熔化，并且在一定程度上控制熔融金属的成分)和下封闭腔室(在其中发生雾化)。除了导致已知雾化设备竖向体积相当大之外，这还导致其生产率降低。实际上，各个生产步骤是一个接一个地发生的，因此例如雾化步骤可以仅在熔化和控制熔融金属的成分的步骤结束时开始，而新的熔化步骤的开始可以仅在之前的雾化步骤完成之后开始。在这方面，值得注意的是，唯一的熔化步骤平均需要的执行时间等于执行控制熔融金属的成分及其雾化的步骤所期望的时间之和。

而且，关于控制在感应炉坩埚中形成的熔融金属的成分的步骤，需要连续采样和调节添加的添加剂材料，这些最后的操作需要漫长的执行时间，这不利于设备的整体生产率。

已知雾化设备和方法的另一个缺点在于，它们不是非常灵活或通用的，因此允许生产有限范围的不同质量的金属粉末。一方面，这些限制是由于限制了可以用作运行这些已知设备和方法的装料的金属材料的选择，而另一方面，是由于难以使这些已知设备适应生产变化。实际上，如果要生产不同类型/质量的金属粉末，则有必要对整个设备进行精确的清洁操作和/或更换其所有部件，以避免可能污染要生产的金属粉末。特别是感应炉坩埚将全部更换。同样，中间包和下封闭腔室将全部更换。这些操作在经济上是非常昂贵的，并且需要较长的执行时间，在此期间必须停止设备。

已知雾化设备和方法的另一个缺点在于，它们不允许有效和准确地控制影响所形成的金属粉末的质量的参数。特别地，所获得的金属粉末的质量所依赖的基本参数之一是从中间包的流出开口出来的熔融金属流的速度，依赖于中间包本身的填充液位的速度。在已知设备和方法中，通过作用于向中间包本身供料的感应炉坩埚的倾斜度而间接地控制中间包的填充液位。尽管坩埚的倾斜度是从外部电子地控制的，但控制精度以及对相关控制的响应时间在任何情况下都受到限制，并受到不同因素(诸如几何因素，例如坩埚或倾斜系统的流出喷嘴的形状)的影响。因此，已知雾化设备和方法不能确保有效且恒定地控制过程参数，例如金属粉末的质量所依赖的熔融金属的流出速度。

最后，在已知雾化设备和方法中，增加了危害操作人员安全的爆炸风险。这些风险主要归因于以下事实：感应熔炉及其通常被水淹没的相对的冷却系统被封闭在靠近液态金属熔液的封闭腔室中，因此任何泄漏也可能引起剧烈爆炸。

发明内容

本发明的目的是消除已知技术的缺点。

在该总体目标的范围内，本发明提供了一种用于通过气体雾化生产金属粉末的方法和设备，该方法和设备允许利用可以用作“原料”的各种金属材料，生产期望质量的金属粉末，其可以特别地用于添加剂生产技术(三维打印)，不仅降低了生产成本，而且提高了性能和生产效率。

本发明的另一个目的是提供一种通过气体雾化生产金属粉末的方法和设备，其允许以简单有效的方式控制不同的单个生产步骤和相对的过程参数。

本发明的另一个目的是提供一种通过气体雾化生产金属粉末的方法和设备，其特别灵活且用途广泛，能够容易地适应生产变化，避免了依次生产的金属粉末之间的污染风险。

本发明的另一个目的是提供一种用于通过气体雾化生产金属粉末的方法和设备，其能够减少能量消耗和水冷却回路的使用，从而保护环境和工作环境。

根据本发明的这些目的通过权利要求1中公开的通过气体雾化生产金属粉末的方法来实现。

根据本发明的这些目的通过权利要求9中公开的通过气体雾化生产金属粉末的设备来实现。

在从属权利要求中提供了进一步的特征。

附图说明

根据本发明的借助气体雾化生产金属粉末的方法和设备的特征和优点将从以下参考示意性附图的描述中变得更加明显，所述描述应理解为是示例性而非限制性的，在该附图中：

图1示意性地示出了根据本发明的借助气体雾化的金属粉末的生产设备。

具体实施方式

参考图1，示出了根据本发明的金属粉末的生产设备100。

设备100包括：

-熔化站101，用于熔化固态金属装料直到获得熔融金属熔液，

-精炼站102(即二次冶金)，用于精炼在熔化站101中生产的熔融金属熔液，

-雾化站103，用于雾化在精炼站102中熔化和精炼过的金属熔液，以及

-一个或多个浇包104，其可以在熔化站101、精炼站102和雾化站103之间移动。

设备100还可以包括分级站105，用于基于雾化站103中产生的金属粉末的颗粒尺寸对它们进行分级。

熔化站101包括电弧炉106(EAF)，它本身是已知的，并且由于这个原因而没有详细描述。

电弧炉106包括用顶板108在顶部封闭的外壳107，穿过该顶板108将石墨制成的一个或多个电极109插入外壳107中。电极109由支撑和移动系统支撑在顶板108外部的其上端，并供给交流电或直流电以利用在壳体107中形成装料的金属材料或放置在外壳107的底部上的适当的阳极来产生电弧，该电弧在外壳107中的金属装料中可以是所谓的“浸入式”或“非浸入式”的。

电弧炉106设置有一个或多个供给开口，该供给开口可以在壳体107的壁和/或顶板108中获得，和/或一旦顶板108移除就由壳体107的同一上端形成，以通过其供给要熔化的金属材料装料以及可能的添加剂。

形成要熔化的装料的金属材料和添加剂的供给装置与这种供给开口可操作地相关联，并且可以配置成以连续方式(例如，传送带或振动型传送带或称为系统的那种传送带)或利用桶装填或其他已知系统的非连续方式(“批量”)供给材料。

这样的供给装置被示意性地示出并且在附图中用附图标记110表示。

壳体107还具有排渣开口或通道111，通过该排渣开口或通道111，从壳体107中提取出渣层(该渣层在金属装料熔化期间产生并保持在金属熔液上方)并收集在特定容器112中。

壳体107还具有排出口113，用于将在壳体107中形成的熔融金属熔液通过其排出。排出口113可具有不同的形状，例如虹吸管、在壳体107的底部上形成的偏心孔或喷嘴，壳体107由倾斜系统支撑。

电弧炉106还配备有形成于其中的金属熔液的采样和控制系统，以及用于注入控制形成于其中的金属熔液的成分所期望的添加剂的系统，例如氧气或其他添加剂的喷枪。

电弧炉106及其操作没有进一步描述，因为其是本领域技术人员已知的类型。

精炼站102包括至少一个精炼腔室114，该精炼腔室114可以是封闭型的，并且配备有用于精炼和控制熔融金属熔液的系统(例如用于注入氧气的喷枪115(必要时用于进行二次冶金过程)、用于控制温度的探头116、用于供给添加剂材料的供给导管117)，并与在其中生成受控气氛和/或真空状态(VOD脱碳-氧气-真空)的系统(例如用于产生真空和/或超压的泵型系统118)相关联。

在此，精炼站102及其操作也不再进一步描述，因为它属于本领域技术人员已知的类型。

雾化站103包括至少一个气体雾化器119，气体雾化器119又包括可以封闭的上封闭腔室120和下封闭腔室121，上封闭腔室120和下封闭腔室121彼此竖直叠置并且由板122彼此分开。

上封闭腔室120在其中封闭有中间包123或料斗，所述中间包123或料斗设置有加热装置124，该加热装置124可以从上封闭腔室120的外部进行控制并且是感应或电阻型的。

在中间包123的底部上获得至少一个流出开口125，该开口通过在板122中获得的至少一个对应的贯通开口126与下封闭腔室121连通。流出开口125与例如阀杆型闭塞装置127相关联，该闭塞装置127可以从上封闭腔室120的外部进行控制。

供给导管140容纳在上封闭腔室120中，其一轴向(下)端通向中间包123，而相反的轴向(上)端则从上封闭腔室120伸出来。如有必要，该供给导管140优选由陶瓷材料制成，并且用于将包含浇包104中的精炼熔融金属熔液直接供给到中间包123中，从而避免了它与环境空气接触，以便限制其任何氧化风险。

上封闭腔室120连接到适于在其中产生期望的真空状态的泵型真空产生系统128。

下封闭腔室121包括至少一个喷嘴129，该喷嘴129连接到供给装置130，用于向该喷嘴129供给氩、氮或氦型雾化惰性气体。

优选地，在板122中靠近与流出开口125连通的开口126处获得一个或多个喷嘴129。

不排除在下封闭腔室121内部设置其他喷嘴129。

下封闭腔室121的底部121a优选是圆锥形的，以在其中收集形成的金属粉末，并且与例如用于排出金属粉末的例如气动型排出装置131相关联。

排出装置131与分级站105相连，分级站105中设置有一个或多个分离器132，例如旋风分离器、筛子或其他分离器，用于将金属粉末分离成至少一个第一粒度级和一个第二粒度级，其中第一粒度级的金属颗粒具有期望的颗粒尺寸，而第二粒度级的金属颗粒具有与期望的颗粒尺寸不同的颗粒尺寸。分离器132设置有与排出装置131相关联的入口，以及与这样分级和分离的两个粒度级粉末的收集装置相关联的出口。设备100还包括用于检测中间包123的填充液位的液位传感器，该液位传感器与控制单元可操作地连接，以将中间包123的填充液位的值保持在预定的最小阈值以上。在稳定的操作状态下，将中间包的填充液位保持在最小阈值以上可确保从中间包123流入雾化器的下封闭腔室121的熔融金属熔液的连续性。这允许在熔化和精炼步骤的执行期间(在与雾化站103分开的站中进行)以及在浇注或加料步骤期间连续且无间断地进行雾化。

然后，上封闭腔室120和下封闭腔室121配备有例如温度或其他过程参数的已知控制系统。

在此，也没有进一步描述雾化站103和分离站105以及它们的操作，它们是本领域技术人员可以立即理解的类型。

优选地，下封闭腔室121的圆锥形底部121a是可以完全用其他类似的新部分代替的类型，也就是说，特别是如果要依次生产不同性质或质量的金属粉末，则完全可以用其他类似的新部分更换。

同样，在生产变化的情况下，排出装置131、分离器132、上封闭腔室120或其中的至少中间包123以及相对的供给导管140也可以由类似的全新排出装置、分离器、上封闭腔室或中间包以及相对的供给导管更换。

每个浇包104由内部覆盖有耐火材料的容器组成。

在一个优选实施例中，每个浇包104在其底部具有方便校准的排出口134，该排出口与可从外部控制的闭合装置135相关联。

优选地，这些闭合装置135是由线性致动器控制的闸门型的。

优选地，浇包104也至少部分地例如通过感应或电阻加热，并且特别地，其靠近或位于其排出口134处被加热，以确保将其中包含的金属熔液保持在熔融状态和/或在所期望的温度状态下。

当浇包104在雾化站中时，将浇包104支撑在上封闭腔室120上方的一位置处，使得当浇包104打开时，其排出口134与供给导管140的上端连通，该供给导管140的上端露出到上封闭腔室120外部，以便将其中包含的精炼熔融金属熔液直接浇注到中间包123中。

然而，不排除浇包104的替代实施例：浇包104可以设置有用于将其中所包含的熔融金属转移到中间包123中的其他系统，例如，浇包104可以设置有转移喷嘴，并且与倾斜系统或转移虹吸管相关联。

设备100包括多个浇包104，每个浇包都可在熔化站101、精炼站102(如果存在)和雾化站103之间移动，以分别收集从电弧炉106排出的熔融金属熔液，将熔融金属熔液在其精炼期间包含在精炼腔室114内，并借助供给导管140将精炼熔融金属熔液浇注到中间包123中。

可移除盖136被施加在浇包104的顶部。

上述设备100被配置为实施根据本发明的借助气体雾化的金属粉末的制造方法。

根据本发明的借助气体雾化的金属粉末的生产方法包括：

a)提供一种金属装料，该金属装料包括至少一种选自金属废料、金属矿物和金属粉末的金属材料；

b)在控制其成分的电弧炉106内熔化金属装料，直到获得具有所期望的成分的熔融金属熔液；

c)从电弧炉106中排出熔融金属熔液，将其收集在至少一个浇包104内；

d)通过将从电弧炉106排出的熔融金属熔液供给到产生熔融金属熔液流的气体雾化器119中而使在电弧炉106中排出的熔融金属熔液雾化，并用雾化惰性气体流冲击该熔融金属熔液，以将熔融金属熔液雾化成金属粉末；

e)从气体雾化器119中提取出由此获得的金属粉末。

根据本发明的方法在所述排出步骤c)之后和在所述雾化步骤d)之前还包括步骤：

c1)精炼收集在浇包104中的熔融金属熔液，直到获得精炼熔融金属熔液。

如果例如将要生产铁或钢金属粉末，则精炼步骤可以提供利用本领域技术人员已知的方法和过程(例如VOD技术)脱碳的步骤。

在精炼步骤结束时，借助适当的保护手段将浇包中包含的金属熔液与氧化剂分离。在一个实施例中，在精炼步骤期间和/或之后，在精炼熔融金属熔液上形成保护性渣层，其相对于浇包外部环境的大气隔离精炼熔融金属熔液。

特别地，雾化步骤d)包括：

-将精炼熔融金属熔液直接从浇包104浇注到气体雾化器119中，其中精炼熔融金属熔液被浇包104借助穿过上封闭腔室120的供给导管140直接浇注到中间包123中，

-使包含在中间包123中的精炼熔融金属熔液通过至少一个流出开口125流入下封闭腔室121中，同时向喷嘴129供给雾化惰性气体，使得从流出开口125流出的熔融金属流被从喷嘴129出来的惰性气流撞击，从而在下封闭腔室121内雾化并固化成金属颗粒的形状，

-借助排出装置131提取形成在下封闭腔室121中的金属粉末。

从上面显而易见，根据本发明的方法不提供(但排除了)针对电弧炉106中的原料的熔化步骤b)和在气体雾化器119中的雾化步骤d)的任何固化金属熔液的中间步骤。实际上，从电弧炉106排出的熔融金属熔液被收集在浇包104中，该浇包104在精炼步骤c1)期间包含该熔融金属熔液，在精炼步骤c1)结束后，除任何停止时间外，它直接将该熔融金属熔液供给到气体雾化器119中。换句话说，在原料的熔化步骤b)和具有与原料成分完全不同的成分的精炼熔融金属熔液的雾化步骤d)之间没有设置中间固化步骤(原料部分地由金属废料和金属矿物组成)。

根据本发明的方法还提供：

e)通过将其分离成至少一个第一粒度级和一个第二粒度级，基于从其气体颗粒尺寸对从气体雾化器119，特别是从其下封闭腔室121中提取的金属粉末进行分级，其中第一粒度级的金属颗粒具有期望的颗粒尺寸，而第二粒度级的金属颗粒具有与所期望的颗粒尺寸不同的颗粒尺寸，并且优选地

f)回收第二粒度级金属颗粒作为可供给到电弧炉106以进行新的生产周期的金属装料的成分的材料。

更详细地，提供了根据本发明的方法，用于生产铁、钢、镍、铬、钴、钼及其合金的金属粉末，但不用于生产铝或钛金属粉末。

形成待熔化的金属装料的金属材料包括至少一种选自金属废料、金属矿物和金属粉末的材料。例如，众所周知，如果要生产铁或钢的金属粉末，则这些金属材料(金属废料和金属矿物)在要获得的金属粉末的最终成分中富含不需要的元素的成分(例如碳)方面变化很大，其百分比可能甚至比最终产品高出十倍。这种材料也具有可变的形状和尺寸。

将这种材料以期望的比例和数量连续地和不连续地供给到电弧炉106内，在该电弧炉106中，它们被炉以及在其中形成的熔融金属熔液内由于供给电极109的电能以埋没或非埋没电弧形式而产生的辐射、对流和传导热熔化。

在电弧炉106运行期间，控制其中形成的熔融金属熔液的温度、体积和成分，并在必要时通过本领域技术人员已知的干预措施(例如，添加原料、添加剂、氧气等)更改，直到获得具有所期望的体积、温度和成分的熔融金属熔液。

特别地，在电弧炉106中进行的熔化步骤期间，可以用已知的系统干预以更改和控制形成于其中的熔融金属熔液的成分。

然后将获得的熔融金属熔液从电弧炉106中排出并收集到浇包104中。

然后，通过将浇包104引入形成了期望的状态(例如真空)的精炼室114中，对收集在浇包104中的熔融金属熔液进行精炼(即所谓的二次冶金过程)，例如借助氧气注入进行脱碳，其优选根据需要在真空受控气氛或超压状态下进行。这允许促进从熔融金属熔液中提取不期望的气体，例如氢气、氮气或其他气体。

在精炼步骤(二次冶金)期间，可以通过分析从封闭的精炼腔室114提取出的样品或气体来定期检查熔融金属熔液的温度及其成分。

一旦精炼步骤完成，在去除封闭的精炼室114中的真空或受控气氛的状态之前，必要时，在浇包104上实施适当的保护手段，以避免氧化或污染。

在特定实施例中，有可能在包含浇包104中的精炼熔融金属熔液上产生保护性渣层，以便将其与外部环境的大气隔离开。

将空气或惰性气体吹入封闭的精炼室114，并在去除其上部封盖之后，将浇包104从中取出来并输送到雾化站103。

包含精炼金属熔液和/或被保护性渣层覆盖的浇包104布置在雾化器119的上封闭腔室120的上方和外部，以便其排出口134与供给导管140的上端连通。排出口134的打开程度由闭合装置135控制。特别地，值得注意的是，精炼熔融金属熔液以向下竖向流的形式从浇包104的底部流出，并被引导到供给导管140中。通过借助相对的闭合装置135调节排出口134的打开程度，以简单而准确的方式控制这种流。

然而，不排除这样的替代实施例：其中例如通过借助在浇包本身中获得的喷嘴及其倾斜系统或借助虹吸管等将浇包104中包含的金属熔液供给到雾化器119中。

因此，精炼熔融金属熔液直接从浇包104供给到中间包123，在中间包123中由于加热装置124而保持在所期望的雾化温度。在中间包123所在的上封闭腔室120内产生惰性气体的受控气氛或真空状态。

当达到中间包123的期望填充液位时，闭塞装置127被控制为释放流出开口125：可能的精炼熔融金属流从中间包123流入下封闭腔室121，在下封闭腔室121中其受到由借助喷嘴129注入的惰性气体的喷流形成的流的冲击。

在稳定运行的状态下，中间包123的填充液位保持在超过可预定的最小阈值的值。由此，从中间包123通过流出开口125流入下封闭腔室121的熔融金属熔液流是连续的，即，随着时间的流逝连续，使得雾化器在不同站中进行的熔化和精炼步骤执行期间也不会中断地运行。在使中间包123的填充液位保持在最小阈值以上的同时连续运行雾化器的可能性是在以下情况之后：

-熔化步骤b)、精炼步骤c1)和雾化步骤d)在不同的站进行，因此它们可以同时稳定运行；

-包含浇包104中的精炼熔融金属熔液没有直接从其中浇注到真实的雾化器(即发生雾化的下封闭腔室121)中，而是浇注到向下封闭腔室121供料的中间包123中；因此，中间包123用作向下封闭腔室121供料的“储存库”或“罐”。

-提供了多个在不同的熔化、精炼和雾化站之间运行的浇包104，以确保该过程的连续性。

以已知的方式，将熔融金属流粉碎成呈大致球形的颗粒，并通过收集在下封闭腔室121的底部上而冷却，然后借助排出装置131将其从中提取出来。

这样形成和提取的金属粉末用已知的技术和系统进行颗粒尺寸分级，并被分成至少两个粒度级：所期望的颗粒尺寸和废料颗粒尺寸。

优选地，废料粒度级作为用于形成供给电弧炉106以进行相继生产周期的金属装料的材料回收。

特别地，已知的是，至少在给定的时间间隔内，熔融、精炼和雾化步骤在稳定运行的同时发生，各个步骤分别在彼此分开且不同的站(熔化站、精炼站和雾化站)进行。

因此，根据本发明的方法和设备具有能够同时进行多个生产周期的优点，并且尽管每个雾化周期时间与根据已知技术的雾化周期时间大致相当，但是根据本发明的方法和设备的总生产率至少是根据已知技术的总生产率的两倍。

实际上，不必在开始另一个雾化周期之前等待一个雾化周期结束，其中呈现这种周期的不同步骤能够同时且彼此分开地进行。如上所述，这与提供要被雾化的精炼熔融金属熔液的“储存库”或“供给罐”的中间包等相结合，允许以连续方式而不会发生任何中断地进行真实的雾化。

在电弧炉熔化站中进行金属装料的熔化步骤以及在特定且分开的精炼站中进行熔融金属熔液的精炼步骤(脱碳)允许扩大可直接用作通过气体雾化生产金属粉末的“原料”的金属材料的范围。实际上，根据本发明的方法和设备允许直接从液态金属材料(例如金属废料、金属矿物和废料金属粉末本身(其成分，特别是在杂质以及可变和不均匀形状和尺寸方面，也明显不同于待生产的金属粉末)开始，通过气体雾化生产金属粉末(即，无需进一步的中间固化和重熔步骤)。还值得注意的是，在已知的雾化设备中不可能使用金属废料粉末作为装料，因为在此类已知的雾化设备中使用的感应炉由于设备的设计尺寸和操作方式而无法熔化此类原料。

因此，根据本发明的方法和设备还允许使用比通常用于通过气体雾化生产金属粉末的金属材料便宜的贵重且昂贵的金属材料作为“原料”(即，入口金属装料)。特别地，在可以在进行熔化和精炼步骤期间控制金属熔液的成分以获得所期望的成分和质量的金属粉末的任何情况下，根据本发明的方法和设备允许使用金属材料(例如金属废料和金属矿物，其相对于要获得的金属粉末的成分具有各种不同的成分，并且还包含更加的杂质百分比)作为“原料”。无需进行任何中间固化和相继的重熔步骤；实际上，尽管它们从具有与所获得的雾化粉末的成分不同的成分(特别是在杂质方面)的原料开始，但是根据本发明的方法和设备为精炼熔融金属熔液提供了单个熔化步骤和相继的直接雾化，无需对其进行进一步的固化和重熔。

利用根据本发明的方法和设备生产的金属粉末可以特别地与用于添加剂生产技术(三维打印)的原料一起使用。

根据本发明的方法和设备还允许减少整个生产周期的能量消耗，该整个生产周期被分解为单个熔化-精炼-雾化周期，而根据已知技术的通过气体雾化来生产金属粉末的方法和设备使用已经经历了提前且分开的熔融-精炼-形成/固化周期(该周期被添加到该方法和设备运行的熔融-精炼-雾化步骤中)的“原料”(即，入口金属装料)。因此，这导致减少了向大气中排放的污染物(二氧化碳)，从而更好地保护了环境。在一个优选实施例中，根据本发明的方法和设备还允许最佳地控制倾浇注到向雾化器供料的中间包中的金属熔液的质量和中间包本身的填充液位。实际上，浇包中包含的精炼熔融金属熔液不再通过使浇包本身倾斜而浇注到中间包中，这种操作可能导致炉渣浇注到中间包中并且难以控制。相反，根据本发明的优选实施例，借助在浇包自身底部获得的排出口将浇包中包含的金属熔液浇注到中间包中，而不需要使其倾斜，从而借助相应的闭合装置控制其开口的程度。增强对中间包中所含金属熔液的质量和中间包的填充液位的控制，允许控制雾化过程的参数，因此允许控制由此获得的金属粉末的质量。中间包的填充液位的控制还允许以连续的方式进行雾化。

此外，由于没有在熔融金属熔液附近设置水冷却回路，因此根据本设备的雾化站总体上体积(特别是高度)较小并且更安全。

最后，根据本发明的方法和设备允许以相对简单和快速的方式管理生产变化，同时确保获得期望质量的金属粉末。

如果确实有必要生产不同质量或类型的金属粉末，则可以使用新的浇包，不必进行冗长而苛刻的清洁操作，而是完全替换雾化器下封闭腔室底部部分连同相对的排出装置和分离器，以及上封闭腔室或至少包含在其中的中间包连同相对的供给导管。因此，避免了不同金属粉末之间的任何污染风险。

如此构思的本发明易于进行多种修改和变化，所有这些都属于本发明的范围。此外，所有细节都可以由技术上等效的元素代替。实际上，根据技术要求，所使用的材料及其尺寸可以是任何类型的。

Claims (13)

1.一种借助气体雾化生产金属粉末的方法，至少包括以下步骤：

a)提供金属装料，所述金属装料包括选自金属废料、金属矿物和金属粉末的至少一种材料；

b)在电弧炉(106)中熔化所述金属装料，控制所述金属装料的成分，直到获得具有所期望的成分的熔融金属熔液为止；

c)从所述电弧炉(106)中排出所述熔融金属熔液，将其收集在至少一个浇包(104)内；

c1)精炼收集在所述浇包(104)中的所述熔融金属熔液，直到获得精炼熔融金属熔液，其中通过将包含从所述电弧炉(106)中排出的所述熔融金属熔液的所述浇包(104)引入到可封闭式精炼腔室(114)中，来在受控气氛或真空或超压状态下进行所述精炼步骤c1)，在所述可封闭式精炼腔室中产生所述受控气氛或所述真空或超压状态；

d)通过将从所述电弧炉排出并精炼的所述熔融金属熔液供给到气体雾化器中，在所述气体雾化器中产生所述熔融金属熔液流并用雾化惰性气流冲击所述熔融金属熔液流以将所述熔融金属熔液雾化成金属粉末，而使从所述电弧炉中排出并精炼的所述熔融金属熔液雾化；

e)从所述气体雾化器提取得到的金属粉末；

其中所述雾化步骤d)包括：

-将所述熔融金属熔液从所述浇包(104)浇注到所述气体雾化器(119)中，其中所述气体雾化器包括在竖直方向上彼此叠置的上封闭腔室(120)和下封闭腔室(121)，其中所述上封闭腔室(120)容纳中间包(123)，所述中间包设置有能从外部控制的加热装置(124)，并且在底部具有至少一个流出开口(125)，其与所述下封闭腔室(121)连通，并且其中所述下封闭腔室(121)包括至少一个喷嘴(129)，所述喷嘴可以被供给所述雾化惰性气体，并且与用于排出在其内部形成的金属粉末的装置(131)相关联，其中将所述熔融金属熔液从所述浇包(104)通过穿过所述上封闭腔室(120)的供给导管(140)直接浇注到所述中间包(123)中，

-使包含在所述中间包(123)中的熔融金属熔液通过所述至少一个流出开口(125)流入所述下封闭腔室(121)以形成所述熔融金属熔液流，并且同时向所述至少一个喷嘴(129)供给所述惰性气体，使得从所述至少一个流出开口(125)流出的所述熔融金属熔液流被从所述至少一个喷嘴(129)排出的所述惰性气流冲击，在所述下封闭腔室(121)内以金属颗粒形式雾化和凝固。

2.根据权利要求1所述的方法，其中所述精炼步骤包括以下步骤：通过用于保护所述金属熔液免受氧化剂或污染物影响的保护装置来保护所述熔融金属熔液。

3.根据权利要求2所述的方法，其中所述保护装置包括保护性渣层，该保护性渣层形成在所述精炼熔融金属熔液上。

4.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中在至少特定的稳定运行时间期间，同时进行熔化步骤a)、雾化步骤d)和精炼步骤c1)。

5.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，还包括以下步骤：

e)通过将从所述气体雾化器提取的金属粉末分离成至少一个第一粒度级和一个第二粒度级，基于其颗粒尺寸对其进行分级，其中所述第一粒度级的金属颗粒具有期望的颗粒尺寸，而所述第二粒度级的金属颗粒具有与期望的颗粒尺寸不同的颗粒尺寸，

f)回收所述第二粒度级的金属颗粒作为所述金属装料的成分。

6.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中借助在所述至少一个浇包(104)的底部获得并且与闭合装置(135)相关联的至少一个排出口(134)来向所述雾化器供给包含在所述浇包中的所述熔融金属熔液，所述闭合装置能从外部进行控制，当打开时，包含在所述浇包(104)中的所述熔融金属熔液以向下的竖向流形式从所述排出口(134)排出。

7.根据权利要求6所述的方法，其中所述浇包(104)的所述至少一个排出口(134)在打开时与所述至少一个供给导管(140)的从所述上封闭腔室(120)伸出的一端连通。

8.根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法，其中在稳定操作中，将所述中间包(123)的填充液位维持在大于最小阈值的值，从所述中间包(123)通过所述至少一个流出开口(125)流入所述下封闭腔室(121)的所述熔融金属熔液是连续的，所述雾化器不间断地操作。

9.一种根据前述权利要求中的一项或多项所述的方法生产金属粉末的设备(100)，包括：

-熔化站(101)，其用于熔化所述金属装料，并且包括至少一个电弧炉(106)和用于将所述金属装料供给到所述电弧炉(106)中的供给装置(110)，所述电弧炉(106)包括排出口(113)，用于通过其排出在所述电弧炉(106)内部产生的所述熔融金属熔液；

-精炼站(102)，其包括至少一个可封闭式精炼腔室(114)，该精炼腔室配备有用于精炼和控制所述熔融金属熔液的系统并与用于在其中产生受控气氛和/或真空和/或超压状态的系统相关联；

-雾化站(103)，其包括至少一个气体雾化器(119)；

-至少一个浇包(104)，其能在所述熔化站(101)、所述精炼站(102)和所述雾化站(103)之间移动，以分别用于收集从所述电弧炉(106)排出的金属熔液，将所述排出的熔融金属熔液包含在所述可封闭式精炼腔室中，并将其中包含的精炼熔融金属熔液供给到所述气体雾化器中；

其中所述气体雾化器包括彼此竖向叠置的上封闭腔室(120)和下封闭腔室(121)，

-其中所述上封闭腔室(120)容纳中间包(123)，所述中间包(123)设置有能从外部控制的加热装置(124)，并且在底部设置有与所述下封闭腔室(121)连通的至少一个流出开口(125)，并且

-其中所述下封闭腔室(121)包括至少一个喷嘴(129)，该喷嘴连接到用于向所述至少一个喷嘴(129)供给雾化惰性气体的供给装置(130)，并且与用于排出在其中形成的金属粉末的排出装置(131)相关联；以及

-至少一根供给导管(140)，其用于供给所述中间包(123)，所述供给导管(140)被容纳在所述上封闭腔室(120)中并且其一端从所述上封闭腔室(120)伸出而另一端与所述中间包(123)连通。

10.根据权利要求9所述的设备(100)，还包括分级站(105)，其用于基于金属粉末的颗粒尺寸对金属粉末进行分级，其包括至少一个分离器(132)，用于将金属粉末分离成至少一个第一粒度级和一个第二粒度级，其中所述第一粒度级的金属颗粒具有所期望的颗粒尺寸，而所述第二粒度级的金属颗粒具有与所期望的颗粒尺寸不同的颗粒尺寸，其中所述分离器(132)设置有与所述排出装置(131)相关联的开口以及与用于收集所述第一和第二粒度级的收集装置相关联的开口。

11.根据权利要求9或10所述的设备(100)，其中所述至少一个浇包(104)包括在其底部获得并且与闭合装置(135)相关联的排出口(134)，所述闭合装置能从外部控制，其中所述浇包(104)的所述至少一个排出口(134)在打开时能以连通方式与所述至少一根供给导管(140)的从所述上封闭腔室(120)伸出的那一端相关联。

12.根据权利要求9至11中的一项或多项所述的设备(100)，包括多个所述浇包(104)，每个所述浇包能以相继方式在所述熔化站、所述精炼站和所述雾化站之间移动。

13.根据权利要求9至12中的一项或多项所述的设备(100)，其中所述设备包括用于检测所述中间包(123)的填充液位的液位传感器，所述液位传感器可操作地连接至一控制单元，用于将所述中间包(123)的所述填充液位维持在大于最小阈值的值。