Σχεδιασμός και ανάπτυξη πρωτότυπης μεθόδου ψεκασμού αερίου σε ακροφήσιο τύπου Venturi για την παραγωγή κόνεων αλουμινίου

Abstract

A new concept of powder atomization based on the venturi phenomenon is represented in the current work. For this purpose, a device was designed and developed with analytical approach, which consists of an internal mixing venturi nozzle as a central part. The nozzle was designed with parametric approach in order to atomize metals with very low operating pressure. All the main parts of the device were designed with appropriate software in detailed and were fabricated. After the assembly of the device, a series of experiments were designed to investigate the parameters of the method. As a case study, carbon dioxide was selected to atomize molten aluminum in order to examine the behavior of the device. The investigated parameters were the operating pressure and temperature, the geometry of the nozzle as well as the activation time of the gas flow valve. The result of this effort was the production of high purity, almost spherical aluminum particles with smooth surface, competitive in size and shape. Particles were studied for their characteristics and their microstructure using optical and scanning electron microscopy (SEM)-EDS as well as X-ray diffraction (XRD). The aluminum powder produced with the developed method, follows almost a lognormal distribution with mean diameter at about d50 150 μm and distribution range at about ΔH 300μm. The volume of the device, which is many orders of magnitude lower than competition and its simplicity, compose a very promising mix for its industrial use.

Αντικειμενικός σκοπός της παρούσας διατριβής ήταν ο σχεδιασμός και η διερεύνηση μιας νέας μεθόδου παραγωγής κόνεων, που να είναι απλή, οικονομική, γρήγορη και φιλική προς το περιβάλλον. Για την επίτευξη του σκοπού αυτού, σχεδιάστηκε με αναλυτικό τρόπο μία πρωτότυπη διάταξη, όπου κυρίαρχη θέση καταλαμβάνει το ακροφύσιο τύπου venturi. Αυτό με τη σειρά του σχεδιάστηκε με παραμετρική προσέγγιση θέτοντας ως στόχο τη δημιουργία κόνεων χαμηλής πίεσης λειτουργίας. Στην συνέχεια, ακολούθησε λεπτομερής σχεδιασμός όλων των κύριων μερών της συσκευής με ανάλογο λογισμικό και κατασκευή αυτών. Αφού συναρμολογήθηκε η πρωτότυπη πειραματική διάταξη, σχεδιάστηκε μια σειρά πειραμάτων, ώστε να διερευνηθούν οι λειτουργικές παράμετροι της μεθόδου. Ως μελέτη περίπτωσης επιλέχθηκε η κονιοποίηση αλουμινίου με ψεκασμό διοξειδίου του άνθρακα. Μερικές παράμετροι που διερευνήθηκαν ήταν η πίεση λειτουργίας της συσκευής, η θερμοκρασία του αερίου κονιοποίησης, η γεωμετρία του ακροφυσίου καθώς και ο χρόνος ενεργοποίησης της βαλβίδας ροής του αερίου. Αποτέλεσμα της προσπάθειας αυτής ήταν η παραγωγή σωματιδίων αλουμινίου με λεία σφαιρική επιφάνεια, ανταγωνιστικού μεγέθους και υψηλής καθαρότητας. Τα σωματίδια αυτά μελετήθηκαν ως προς την κοκκομετρία τους και τη μικροδομή τους με χρήση οπτικού και ηλεκτρονικού μικροσκοπίου σάρωσης SEM- EDS καθώς και με ανάλυση XRD. Με τη μελέτη της κατανομής των παραγόμενων μεταλλικών σωματιδίων που ακολούθησε, αποδείχθηκε ότι αυτά ακολουθούν περίπου κανονική κατανομή, μέσης διαμέτρου της τάξης των d50 150 μm και διαμετρικού εύρους ΔH 300μm. Ο όγκος της συσκευής που είναι πολλές τάξεις μεγέθους κάτω από τον ανταγωνισμό και η απλότητα της, συνθέτουν ένα πολύ ελπιδοφόρο μίγμα για την ευρεία χρήση της σε βιομηχανικό περιβάλλον.