. Prof.Dr.Muzaffer ZEREN SU ATOMİZASYONU
Su atomizasyonu, yaklaşık 1600 C nin altında ergiyen metallerden elementel ve alaşım tozlarının üretimi için en yaygın kullanılan tekniktir. Su atomizasyonu geometrisi için bir örnek Şekilde verilmiştir... SU ATOMİZASYONU Su atomizasyonu. Sistemde ergimiş metal akışı çoklu su jetleri yardımıyla parçalanmaktadır. Atomizasyon verimi a açısı ile belirlenir.
1930 lu yıllarda bakır tozları için geliştirilen ve 1950 li yıllardan beri de demir esaslı malzemelerin üretimi için kullanılan su atomizasyonu ergimiş metalin su jetleri ile granül (>1 mm) ve toz (<1 mm) haline parçalanması ile gerçekleşir. Granülasyon ve toz oluşumu boyutsal olarak bakıldığında malzemenin kompozisyonuna ve kullanılan sıvının basıncına bağlıdır. Tipik bir granülasyon prosesinde 1 ile 10 mm arasında granüller elde etmek için kullanılan basınç değerleri 2-5 bar (200-500) kpa arasında olmaktadır. Toz boyutunun ne kadar incelmesi istenirse kullanılan sıvı basıncının arttırılması gerekir. 2008 yılında yapılan bir çalışmada su atomizasyonunda kullanılan basıncın (50, 100 ve 195 bar) partikül boyutu üzerine etkileri tabloda verilmiştir. Görüldüğü gibi artan basınç ile partikül boyutu önemli derecede düşmektedir.
Yüksek basınçlı su jetleri nozuldan akan ergiyik ile doğrudan etkileşir ve önce parçalanma, sonrasında ise hızlı katılaşma sağlanır. Su tek bir jet sistemi ile doğrudan yönlendirileceği gibi çok sayıda jet veya halka şeklindeki bir aparat vasıtasıyla da ergiyik üzerine yönlendirilebilir. Proses, hızlı su verme ve farklı akışkan özellikleri dışında gaz atomizasyonuna benzerdir. Az reaktif malzemeler için uygun...
Partiküller püskürme (cratering), sıçratma (splashing), sıyırma (stripping) ve patlama (bursting) mekanizmaları ile Şekil 2.28 de verildiği gibi oluşturulur. En son proses en ince toz boyutlarını verir..
Her kilogram metal tozu için 5 kilogram su kullanılır. Hızlı soğuma nedeni ile toz şekilleri düzensiz ve kaba yapıda olup çoğu zaman toz yüzeyleri oksitlenmiş konumdadır. Şekil kontrolü için likvidus sıcaklığının üzerinde bir aşırı ısıtmaya gereksinim vardır.
Partikülde meydana gelen hızlı soğumadan dolayı özellikle alaşımlı yapılarda kimyasal segragasyonların oluşumu sınırlıdır. Sentetik yağlar ve diğer reaktif olmayan sıvılar daha iyi bir şekil kontrolü sağlamak ve oksidasyonu engellemek amacı ile su yerine kullanılır.
Su atomizasyonunda prosesi kontrol etmemizi sağlayan en önemli parametre basınçtır. Yüksek su basınçaları ile yüksek su-ergiyik metal etkileşimi sağlanmakta ve bunun sonucunda daha küçük partikül boyutları elde edilmektedir.
Tek aşamada yapılan bir deney sonucunda 1.7 MPa lık su basıncının kullanıldığı sistemde atomize edilen bir çelikten ortalama 117 µm tane boyutunda toz elde edilirken basıncın sekiz kat arttırılması ile ortalama tane boyutu üç kat daha azalmış olup yaklaşık 42 µm boyutuna indirgenmiştir. Su atomizasyonunda kullanılan 150 MPa gibi basınçlar ile tane boyutu 5 µm mertebesine kadar indirgenebilmektedir..
Şekil de su atomizasyonu ile üretilmiş paslanmaz çelik toza ait bir görüntü verilmiştir. Ürün ligamente benzer bir şekilde olup kaba, küresel olmayan ve düzensiz bir karakteristiktedir. Su atomize -100 mesh paslanmaz çelik tozlarının tarama elektron mikroskobu görüntüsü.
Tablo da gaz ve su atomizayonu çeşitli yönleri ile karşılaştırılmıştır. En büyük farklılıklar özellikle toz şekli ve yüzey kirliliği açısından meydana gelmektedir. Nitelik Gaz atomizasyonu Su atomizasyonu Partikül boyutu (µm) 100 150 Partikül şekli küresel nodüler, düzensiz Aglomerasyon bazen az Görünür yoğunluk (%) 55 35 Soğutma hızı ( C/s) 10 4 10 5 Segregasyon çok az ihmal edilir düzeyde Oksit içeriği (ppm) 120 3000 Akışkan basıncı (MPa) 3 14 Akışkan hızı (m/s) 100 100 Verim düşük seviyede orta seviye
Su atomizasyonu için işlem parametrelerinin toz karakteristiği açısından önemli etkileri vardır. Tablo da paslanmaz çelik tozlarının su atomizasyonu ile üretiminde geçerli tipik koşular verilmiştir. Parametre Koşul Ergime sıcaklığı 1365 C Ergitme sıcaklığı 1510 C Metal nozul çapı 6 mm Metal akış hızı 22 kg/dakika Su jet sayısı 8 Su jeti apeks (tepe) açısı 38 Su basıncı 9 MPa Su akış hızı 200 l/dakika Su çıkış hızı 110 m/s Ortalama partikül boyutu 60 µm
Pratikte 230 m/s gibi bir akışkan hızının seçilmesi durumunda atomizasyon hızı 400 kg/dakikadır. Ergiyik bileşimi istenilen nihai alaşım (örneğin paslanmaz çelik) olabileceği gibi ön alaşım da olabilir. Örneğin, %3.5 gibi bir oranda karbon içeren demirden süngerimsi yapıda demir tozu elde etmek için sırası ile su atomizasyonu, oksitlenme, öğütme, dekarbürizasyon ve tavlama işlemleri uygulanır.
Paslanmaz çelik, bakır, pirinç, bronz, takım çelikleri, kobalt ve nikel alaşımları, önemli metaller ve düşük ergime sıcaklığına sahip metaller (kurşun, kalay, çinko vs) gibi çoğu malzemeler su atomizasyonu ile üretilir. (a) water-atomized, (b) gas-atomized.