فناوری ساخت پودر فلز

این اختراع مربوط به یک روش و فرآیند برای تهیه پودر فلز با استفاده از اتمیزه کردن است.

فناوری پس‌زمینه

در دهه ۱۸۲۰، از اتمیزاسیون هوا برای ساخت پودر فلزات غیرآهنی استفاده می‌شد و در دهه‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰، به طور گسترده برای تولید پودر فلزات و آلیاژها مورد استفاده قرار گرفت. در اواخر دهه ۱۹۷۰ و اوایل دهه ۱۹۸۰، با توسعه فناوری رایانه و فناوری کنترل مدرن، اتمیزاسیون وارد دوره‌ای از توسعه شدید شد. در حال حاضر، طرح اتمیزاسیون گازی مرسوم، استفاده از گاز مایع مانند نیتروژن مایع، آرگون مایع، پس از گازسازی با حرارت، با استفاده از گاز فشار بالا و دمای بالا به سمت فلز مایع و اتمیزاسیون فلز به ذرات است. اکنون اتمیزاسیون گازی بیشتر با استفاده از گاز بی‌اثر یا هوای پرفشار و غیره انجام می‌شود. عیب آن تبدیل گاز بی‌اثر به مایع و سپس فشار، افزایش هزینه‌ها و حمل و نقل خطرناک است.

هدف این اختراع ارائه روشی برای تهیه پودر فلز از طریق اتمیزه کردن است و مشکل هزینه بالای تهیه پودر فلز از طریق اتمیزه کردن را حل می‌کند. به منظور حل مشکل فنی، این اختراع روشی برای تهیه پودر فلز از طریق اتمیزه کردن ارائه می‌دهد که شامل مراحل زیر است: یک اتمیزه کننده مایع پیش گرم و تبخیر می‌شود تا یک اتمیزه کننده گازی به دست آید، که در آن اتمیزه کننده در اتمسفر 10 تا 30 درجه سانتیگراد مایع است و با عبور اتمیزه کننده گازی به سینی اتمیزه کننده و انجام اتمیزه کردن گازی مایع فلزی، پودر فلز به دست می‌آید. ماده اتمیزه شده ماده‌ای با نقطه جوش در محدوده 50 تا 200 درجه سانتیگراد است. که در آن، نبولایزر اتانول است یا نبولایزر مخلوطی از اتانول و آب است. اتمایزر آب است و قبل از اینکه اتمایزر مایع از قبل تحت فشار، حرارت و به گاز تبدیل شود، اتمایزر مراحل زیر را نیز شامل می‌شود: تقطیر و حذف اکسیژن، استریل کردن و دیونیزه کردن آب خام، برای به دست آوردن آب مایع تصفیه شده. آب خام می‌تواند هر آبی در آب لوله‌کشی، آب دریا یا آب مقطر باشد. اتمیزاسیون گازی مایع فلزی شامل موارد زیر است: در فشاری که کمتر از ۱.۱ مگاپاسکال و در دمایی که کمتر از نقطه جوش اتمایزر نباشد، مایع فلزی توسط اتمایزر بخار شده اتمایز می‌شود.

در این روش، پس از اتمیزه کردن مایع فلزی با گاز و به دست آوردن پودر فلز، فرآیند کاهش پودر فلز نیز شامل مراحل زیر است. در این روش، پس از اتمیزه کردن مایع فلزی برای به دست آوردن پودر فلز، اتمیزه کردن گاز تخلیه شده از سینی اسپری اتمیزه کردن بازیابی می‌شود. اختراع حاضر روشی را برای تهیه پودرهای فلزی با اتمیزه کردن ماده‌ای که در اتمسفر 10 تا 30 درجه سانتیگراد مایع است، ارائه می‌دهد. آئروسل‌ها حالت مایع دارند. در مقایسه با گاز بی‌اثر و نیتروژن که در دما و فشار معمولی به صورت گاز هستند، این اختراع نیازی به مایع کردن ماده اتمیزه شده از حالت گازی ندارد و در نتیجه هزینه به دست آوردن ماده اتمیزه شده مایع کاهش می‌یابد. در دما و فشار معمولی، اتمیزه کننده مایع است، بنابراین در فرآیند حمل و نقل نیازی به حمل و نقل با فشار بالا نیست که این امر هزینه حمل و نقل و خطر اتمیزه کننده را کاهش می‌دهد. به طور خلاصه، روش تهیه پودر فلز از طریق اتمیزه کردن که توسط این اختراع ارائه شده است، می‌تواند هزینه مواد اتمیزه شده را تا حد زیادی کاهش دهد و در نتیجه هزینه تهیه پودر فلز را نیز کاهش دهد. برای ارائه تصویری واضح‌تر از طرح فنی تجسم اختراع یا دانش پیشین، شرح مختصری از نقشه‌های مورد نیاز برای استفاده در تجسم یا شرح دانش پیشین در زیر ارائه شده است. نقشه‌های پیوست شده در زیر تنها برخی از تجسم‌های اختراع حاضر هستند و سایر نقشه‌های پیوست شده را می‌توان بدون کار خلاقانه برای تکنسین‌های عادی در این زمینه تهیه کرد. شکل

شکل ۱ نمودار جریان روش تهیه پودر فلز با استفاده از اتمیزه کردن را نشان می‌دهد، و شکل ۲ نمودار ساختار محلی یک برج اتمیزه کردن را نشان می‌دهد.

برای اینکه افراد در حوزه فنی طرح اختراع را بهتر درک کنند، موارد زیر به همراه نقشه‌های پیوست و تجسم خاص، به تفصیل توضیح داده شده است. بدیهی است که تجسم‌های شرح داده شده تنها بخشی از تجسم‌های اختراع هستند، نه همه آنها. بر اساس تجسم‌های اختراع، تمام تجسم‌های دیگر که توسط تکنسین‌های عادی در این زمینه و بدون انجام کار خلاقانه به دست آمده‌اند، در محدوده حمایت از اختراع قرار می‌گیرند. همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است، شکل 1 نمودار جریانی از روشی برای تهیه پودر فلز با اتمیزه کردن ارائه شده در تجسم اختراع را ارائه می‌دهد که ممکن است شامل موارد زیر باشد: مرحله S1: پیش تبخیر یک اتمیزه کننده مایع تحت فشار، برای به دست آوردن یک اتمیزه کننده گازی. نبولایزر در این تجسم به ماده‌ای اطلاق می‌شود که در دما و فشار معمولی مایع است. به طور خاص، می‌تواند ماده‌ای باشد که در اتمسفر 10 تا 30 درجه سانتیگراد مایع است. مرحله S2: اتمایزر گازی به سینی اسپری اتمایزینگ وارد می‌شود و مایع فلزی برای بدست آوردن پودر فلز، به صورت گاز اتمایز می‌شود.

لازم به ذکر است که از آنجایی که از گاز برای اتمیزه کردن فلز مایع استفاده می‌شود، حالت گازی اتمایزر باید هنگام ورود به سینی اسپری حفظ شود. علاوه بر این، هنگامی که از اتمایزر برای اتمیزه کردن فلز مایع استفاده می‌شود، از اتمایزر برای اسپری کردن فلز مایع با فشار بالا استفاده می‌شود که مشابه اتمیزه کردن مرسوم برای تهیه پودر فلز است. همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است، شکل 2 نمودار شماتیکی از ساختار محلی یک سینی اسپری اتمیزه کننده تجسم اختراع را ارائه می‌دهد. در فرآیند اتمیزه کردن فلز، مایع فلزی 2 از جهت بالای صفحه اسپری اتمیزه کردن 1 به پایین جریان می‌یابد. همزمان، گاز اتمیزه کردن از طریق کانال جت 3 در دو طرف مایع فلزی 2 که به پایین جریان دارد، اسپری می‌شود و ضربه‌ای به مایع فلزی 2 وارد می‌شود که به نوبه خود یک فلز پودری تولید می‌کند. اکثر گازهای اتمیزه شده‌ای که در حال حاضر استفاده می‌شوند، نیتروژن یا سایر گازهای بی‌اثر هستند. اما این گاز در حمل و نقل صنعتی اغلب لازم است که ابتدا در دمای پایین و فشار بالا، فشرده و به مایع تبدیل شود و خنک شود. اولاً، مایع کردن نیتروژن مایع یا گاز بی‌اثر مایع که در دما و فشار معمولی به صورت گاز است، نسبتاً گران است و همچنین مایع نگه داشتن نیتروژن مایع در حین حمل و نقل نیز پرهزینه است، در نتیجه هزینه اتمایزر افزایش می‌یابد که به نوبه خود منجر به افزایش هزینه پودر فلز می‌شود. در اختراع حاضر، ماده‌ای که در دما و فشار معمولی مایع است، مستقیماً به عنوان اتمایزر استفاده می‌شود و تهیه آن آسان‌تر از ماده‌ای است که در دما و فشار معمولی به صورت گاز است و نیازی به مایع کردن ماده ندارد. این اختراع هزینه خرید اتمایزر را کاهش می‌دهد و نیازی به استفاده از حمل و نقل با فشار بالا و دمای پایین در فرآیند حمل و نقل ندارد. بنابراین، اتمایزر مورد استفاده در اختراع می‌تواند هزینه تهیه اتمایزر را تا حد زیادی کاهش دهد و در نتیجه هزینه تهیه پودر فلز از طریق اتمیزاسیون را نیز کاهش دهد.

به صورت اختیاری، در یک تجسم خاص از اختراع، اتمایزر می‌تواند آب، اتانول یا مخلوطی از آب و اتانول و موارد دیگر باشد. با توجه به اینکه اتمیزاسیون پودر فلز در آماده‌سازی، نیاز نهایی به تبخیر اتمیزاسیون است. بنابراین، برای کاهش هزینه تبخیر آئروسل‌های مایع به آئروسل‌های گازی، می‌توان از موادی با نقطه جوش نسبتاً پایین به عنوان آئروسل استفاده کرد. البته قابل درک است که نقطه جوش آن نباید خیلی پایین باشد، در غیر این صورت فرارتر است. بنابراین، در تجسم خاص دیگری از اختراع، ماده اتمایز شده ممکن است شامل ماده‌ای با نقطه جوش در محدوده ۵۰ تا ۲۰۰ درجه سانتیگراد نیز باشد. البته، نبولایزر با نقطه جوش بالاتر در اختراع مستثنی نیست و نبولایزر با نقطه جوش ۵۰ تا ۲۰۰ درجه سانتیگراد در تجسم، تجسم ترجیحی‌تری است، این اختراع می‌تواند هزینه تبخیر مایع اتمایز شده را کاهش دهد. در تجسم خاص دیگری از این اختراع، اتمایزر می‌تواند آب باشد. لازم به ذکر است که قیمت آب نسبت به سایر مواد نسبتاً پایین است. هزینه اتمایزر را می‌توان تا حد زیادی کاهش داد. علاوه بر این، آب مورد استفاده به عنوان اتمایزر در این تجسم می‌تواند آب موجود در دسترس مانند آب دریا، آب لوله‌کشی یا آب مقطر باشد. به عنوان یک روش جایگزین، برای جلوگیری از ناخالصی‌های موجود در آب، آب می‌تواند شامل موارد زیر نیز باشد:

آب خام با تقطیر، استریلیزاسیون و دیونیزاسیون تصفیه می‌شود تا آب مایع تصفیه‌شده به دست آید. آب مایع به عنوان اتمایزر برای تهیه پودر فلز با اتمیزاسیون کاربر پس از گازسازی استفاده می‌شود که می‌تواند به طور مؤثر از اکسیداسیون ذرات ناخالصی موجود در آب، اکسیژن و غیره به فلز جلوگیری کند. علاوه بر این، به منظور جلوگیری از اکسیداسیون جزئی اجتناب‌ناپذیر پودر فلز به دست آمده در طول فرآیند آماده‌سازی، پس از به دست آوردن پودر فلز، ممکن است شامل تصفیه پودر فلز با واکنش کاهش نیز باشد. به طور خاص، پودر فلز را می‌توان با گاز کاهش نیز مخلوط کرد تا در شرایط واکنش خاص، واکنش کاهش ایجاد شود و در نهایت پودر فلز خالص‌تری به دست آید. بر اساس تجسم دلخواه، در تجسم خاص دیگری از اختراع، اختراع ممکن است شامل موارد زیر نیز باشد: در فشاری که کمتر از 1.1 مگاپاسکال و کمتر از دمای نقطه جوش اتمایزر نباشد، فلز مایع توسط یک اتمایزر بخار شده اتمایز می‌شود. به طور خاص، هنگامی که یک اتمایزر گازی یک فلز مایع را بخار می‌کند، اطمینان حاصل می‌شود که اتمایزر مایع نمی‌شود. بنابراین، انجام اتمیزه کردن فلز در محیط با دما و فشار بالا ضروری است. به طور خاص، اتمیزه کردن می‌تواند در فشاری بالاتر از ۱.۱ مگاپاسکال و در دمایی بالاتر از نقطه جوش اتمایزر انجام شود. لازم به ذکر است که در نمونه‌هایی که اتمایزر آب است، فشار نباید کمتر از ۱.۱ مگاپاسکال باشد، اما برای موادی مانند اتانول، فشار ۰.۶ مگاپاسکال یا ۰.۷ مگاپاسکال نیز قابل استفاده است.

به صورت اختیاری، در یک تجسم خاص دیگر از اختراع، می‌تواند شامل موارد زیر نیز باشد: پس از اتمیزه کردن مایع فلزی با گاز پرفشار، و به دست آوردن پودر فلز، آئروسل‌های گازی تخلیه شده از سینی اسپری بازیابی می‌شوند. از آنجا که اتمایزر در دما و فشار معمولی مایع است، هنگامی که اتمایزر گاز از اتمایزر دما و فشار بالا تخلیه می‌شود، با افت دما و فشار، اتمایزر می‌تواند به مایع تبدیل شود. بازیافت آن آسان‌تر از مواد گازی است و در نتیجه باعث صرفه‌جویی بیشتر در هزینه‌ها می‌شود. تجسم‌های موجود در این مشخصات به صورت تدریجی شرح داده شده‌اند. هر تجسم تفاوت‌های خود را با سایر تجسم‌ها برجسته می‌کند. بخش‌های یکسان یا مشابه هر تجسم به یکدیگر ارجاع داده می‌شوند. برای یک دستگاه در معرض تجسم، شرح ساده است زیرا مطابق با روش در معرض تجسم است، همانطور که در بخش روش‌ها توضیح داده شده است. روش تهیه پودر فلز با اتمیزه کردن ارائه شده توسط اختراع به تفصیل معرفی شده است. در این مقاله، اصل و نحوه‌ی اجرای اختراع با مثال‌های خاصی شرح داده شده است که صرفاً برای کمک به درک روش و ایده‌ی اصلی آن به کار رفته‌اند. لازم به ذکر است که اختراع می‌تواند بدون جدا شدن از اصل اختراع برای پرسنل فنی عادی در حوزه‌ی فنی، بهبود یافته و اصلاح شود، این بهبودها و اصلاحات نیز در محدوده‌ی حمایت از ادعاهای اختراع قرار می‌گیرند.