sistemas de atomización de metales Especificaciones

Índice

La atomización de metales es un proceso utilizado para producir polvos metálicos finos para diversas aplicaciones. Consiste en fundir el metal y, a continuación, romperlo en finas gotitas mediante gas o fuerza centrífuga. Las gotitas se solidifican rápidamente y se convierten en partículas de polvo. Sistemas de atomización de metales son los equipos utilizados para llevar a cabo eficazmente este proceso a escala industrial.

Visión general de los sistemas de atomización de metales

AspectoDescripción
FunciónLos sistemas de atomización de metales son los caballos de batalla de la producción de polvos metálicos finos. Estos sistemas descomponen el metal fundido en diminutas gotitas utilizando gas a alta presión, agua o una combinación de ambos. Las partículas de polvo resultantes, que suelen oscilar entre 5 y 150 micras, presentan características específicas y tamaños precisos cruciales para diversas aplicaciones industriales.
Desglose del proceso1. Fundición: El proceso comienza con la materia prima metálica elegida, que puede ser material virgen, chatarra o una mezcla prealeada. Este material se funde en un horno, normalmente de inducción o de arco eléctrico.
2. Atomización: A continuación, la corriente de metal fundido pasa por una boquilla. Aquí, se encuentra con un chorro de alta velocidad de gas, agua o ambos, dependiendo de las propiedades del polvo deseadas y del tipo de sistema. El chorro de alta presión rompe el flujo de metal y lo fragmenta en finas gotitas.
3. Solidificación: A medida que las gotas atomizadas caen a través de una cámara específica, se solidifican rápidamente debido a su pequeño tamaño y a la mayor superficie expuesta al entorno de refrigeración.
4. Clasificación y recogida: A continuación, el polvo metálico enfriado se clasifica para conseguir la distribución granulométrica deseada. Por último, el polvo se recoge para su posterior procesamiento o almacenamiento.
Tipos de sistemaExisten dos categorías principales de sistemas de atomización de metales: Atomización por gas y atomización por agua. La atomización con gas utiliza gases inertes como el argón o el nitrógeno para romper la corriente fundida. Este método es ideal para producir polvos de gran pureza con formas esféricas, lo que los hace perfectos para aplicaciones de fabricación aditiva (AM). La atomización con agua, por otro lado, utiliza chorros de agua a alta presión para la atomización. Esta técnica es más rentable y produce partículas de forma irregular. Los polvos atomizados con agua se utilizan habitualmente en procesos de pulvimetalurgia (PM) para aplicaciones como cojinetes y engranajes.
Consideraciones claveVarios factores influyen en la selección de un sistema de atomización de metales. Las propiedades deseadas del polvo, como el tamaño, la forma y la composición química de las partículas, son primordiales. Además, el tipo de metal que se procesa y los requisitos de volumen de producción desempeñan un papel importante. También hay que tener en cuenta los costes de funcionamiento del sistema, incluido el consumo de energía y las necesidades de mantenimiento.
BeneficiosLa atomización de metales ofrece varias ventajas con respecto a los métodos tradicionales. Permite crear polvos con propiedades a medida, lo que favorece el desarrollo de nuevos materiales y procesos de fabricación avanzados. Además, la atomización permite la fabricación de formas casi netas en AM, lo que minimiza el desperdicio de material. Además, esta tecnología facilita el reciclaje de chatarra metálica para convertirla de nuevo en valiosos polvos, fomentando la sostenibilidad en el sector de la fabricación.
sistemas de atomización de metales

Tipos de sistemas de atomización de metales

SistemaDescripciónVentajasDesventajasAplicaciones
Atomización de gasesSe utiliza gas inerte (normalmente argón) para romper una corriente de metal fundido en finas gotitas.Produce polvos esféricos de gran fluidez
Menor contenido de oxígeno en el polvo
Adecuado para una amplia gama de metales y aleaciones
Tasas de producción más lentas en comparación con la atomización con agua
Mayor consumo de energía
Control limitado de la distribución granulométrica en el extremo más fino
Fabricación aditiva (impresión 3D)
Pulverización térmica
Moldeo por inyección de metales (MIM)
Atomización del aguaLos chorros de agua a alta presión descomponen el metal fundido en gotas.Producción más rápida y menos costosa
Adecuado para aplicaciones de gran volumen
Puede conseguir tamaños de partícula más finos
Mayor contenido de oxígeno en el polvo debido a la interacción con el agua
Formas irregulares de polvo con satélites (gotas fundidas adheridas)
Limitado a metales específicos (normalmente aluminio y acero)
Moldeo por inyección de metales (MIM)
Soldadura por fricción
Piezas con menores requisitos estructurales
Atomización rotativaEl metal fundido se vierte en un disco giratorio de alta velocidad, que lanza el metal en gotas debido a la fuerza centrífuga.Produce polvos casi esféricos con buena fluidez
Puede lograr una gama más amplia de tamaños de partículas en comparación con la atomización con gas
Limitado a metales de bajo punto de fusión (normalmente aluminio y magnesio)
Mayor consumo de energía en comparación con la atomización con agua
Posibilidad de salpicaduras y problemas de seguridad
Atomización por plasmaEl gas inerte se ioniza en plasma mediante un arco eléctrico, creando una corriente de alta temperatura y alta velocidad que rompe el metal fundido.Adecuado para procesar metales reactivos y de alto punto de fusión
Puede conseguir tamaños de partícula muy finos y uniformes
Menor contenido de oxígeno en comparación con la atomización con agua
Elevados costes de capital y explotación
Proceso complejo que requiere equipos y conocimientos especializados
Fabricación aditiva (impresión 3D) de aleaciones de alto rendimiento (por ejemplo, titanio, superaleaciones de níquel)
Componentes de turbinas de gas
Piezas aeroespaciales
Proceso de electrodos rotativos de plasma (PREP)Una variante de la atomización por plasma en la que un electrodo consumible es fundido por la antorcha de plasma y el metal fundido es expulsado centrífugamente en forma de gotas.Combina las ventajas de la atomización por plasma y la atomización rotativa
Consigue altos rendimientos de polvo y un buen control del tamaño y la morfología de las partículas
Costes de capital y explotación extremadamente elevados
Disponibilidad comercial limitada
Fabricación aditiva de aleaciones de alto valor y especiales

Diseño de sistemas de atomización de metales

Los principales componentes de un sistema típico de atomización de gas son:

Diseño de sistemas de atomización de gas

ComponenteDetalles
Unidad de fusiónCrisol de fusión por inducción, capacidad 50-2000 kg
Conjunto de boquillaMúltiples boquillas acopladas, 2-5 mm de diámetro
Sobrecalentamiento de la masa fundidaInyección de nitrógeno/argón para recalentar la masa fundida
Cámara de atomizaciónRefrigerado por agua, 3-5 m de altura
Suministro de gasNitrógeno/Argón, 50-100 bares de presión
Separadores ciclónicosCiclones múltiples en serie para la recogida de polvo
Filtros finalesFiltro de mangas, filtros de cartucho

El diseño y el número de boquillas son importantes para conseguir la distribución deseada del tamaño de las partículas de polvo fino. La altura de la cámara de atomización da tiempo a que las gotas se solidifiquen antes de la recogida.

Los gases industriales de alta calidad, como el nitrógeno o el argón, se suministran desde bombonas de gas comprimido o generadores in situ. Su presión y caudal determinan el tamaño de las gotas.

Especificaciones del sistema de atomización de metales

Las especificaciones típicas de los sistemas de atomización de gas a escala industrial son:

Especificaciones del sistema de atomización de metales

ParámetrosEspecificaciones
Capacidad de producciónDe 10 kg/h a 5000 kg/h
Tamaño de las partículas10 - 150 micras
Tipos de metalAleaciones de níquel, hierro, cobalto y cobre
Temperatura de fusión1600 °C máx.
Presión del gas10 - 100 bar
Tasa de enfriamiento104 - 106 K/s
Pureza del polvo99.5%
Diseño de boquillaRanura anular, chorro discreto
Gas de atomizaciónNitrógeno, Argón

La capacidad depende del tamaño del crisol y varía desde 10 kg/h a escala de laboratorio/piloto hasta sistemas de 5000 kg/h a gran escala. Principalmente se atomizan aleaciones de níquel, hierro y cobalto, pero también se procesan otros metales como aluminio y aleaciones de cobre.

La alta presión del gas y las rápidas velocidades de enfriamiento garantizan partículas de polvo microscópicas y finas en el rango de tamaño de 10-150 micras. Pueden obtenerse polvos con una pureza del 99,5%.

Aplicaciones del sistema de atomizadores metálicos

Algunas de las principales aplicaciones del polvo metálico producido por atomización son:

Aplicaciones del polvo metálico

IndustriaAplicaciones
AeroespacialÁlabes de turbina, discos
AutomociónPiezas sinterizadas, filtros
ElectrónicaResistencias de chip, conductores
Fabricación aditivapolvos de impresión 3D
QuímicaCatalizadores, pigmentos
BiomédicaImplantes, prótesis

En la industria aeroespacial, los polvos de aleaciones de níquel y titanio se utilizan para fabricar álabes de turbina y discos con formas complejas mediante pulvimetalurgia. La industria del automóvil utiliza polvos atomizados de hierro y acero para piezas sinterizadas como engranajes.

Los polvos finos de cobre y plata sirven como conductores y resistencias en aplicaciones microelectrónicas. Los polvos metálicos son la materia prima de métodos de fabricación aditiva como la impresión 3D.

Los polvos de aleaciones especiales se utilizan como catalizadores y pigmentos químicos. El polvo poroso de acero inoxidable se utiliza para implantes óseos ortopédicos en el campo biomédico.

Ventajas de los sistemas de atomización de metales

Algunas ventajas de la atomización de metales para la producción de polvo:

Ventajas de la atomización de metales

BeneficiosDetalles
Polvos más finosTamaños de micrómetro a nanómetro
Distribución de tamaños estrechaControl preciso del tamaño de las partículas
Alta purezaEvitar la contaminación por fresado
Menor costeMás barato que el rectificado mecánico
Control de la composiciónAleación posible en fusión
Partículas esféricasBuena fluidez
VersátilAmplia gama de aleaciones atomizadas

La atomización gaseosa y centrífuga puede producir polvos metálicos más finos, de hasta 10 micras, en comparación con la molienda mecánica. La distribución granulométrica es más estrecha, lo que permite un mejor control.

Al no intervenir ningún medio de molienda, la pureza del polvo es mayor. Los costes de capital y de explotación son inferiores a los de la molienda mecánica.

Los elementos de aleación pueden añadirse en el crisol, lo que permite flexibilidad en la composición del polvo. Las partículas de polvo esféricas proporcionan una buena fluidez, importante para el llenado de matrices.

Casi cualquier aleación, desde el nitinol hasta el inconel, puede atomizarse con un control adecuado de los parámetros del proceso.

Polvos metálicos para impresión 3D

Limitaciones de la atomización de metales

Algunos inconvenientes de los sistemas de atomización de metales son:

Limitaciones de la atomización de metales

InconvenientesDetalles
Alto punto de fusiónLimitado a metales de baja fusión
Metales reactivosDifícil de atomizar metales reactivos como titanio, aluminio
Recogida de gasLos gases absorbidos afectan a la calidad del polvo
Partículas satélitesSe formaron algunas partículas irregulares más grandes
Elevado coste de capitalSe necesita una gran inversión para un gran sistema

Los metales con puntos de fusión muy altos, superiores a 1.800 °C, como el wolframio o el molibdeno, son difíciles de atomizar debido a las limitaciones del crisol. Los metales reactivos como el titanio y el aluminio requieren vacío o una atmósfera inerte.

Los gases absorbidos durante el proceso de atomización afectan a las características del polvo. Durante la atomización también se forman algunas partículas satélite de forma irregular junto con partículas esféricas.

Los sistemas de atomización de metales a gran escala requieren una importante inversión de capital de más de $2 millones. Los costes operativos también son relativamente elevados.

Proveedores de sistemas de atomización de metales

Algunos de los principales proveedores mundiales de equipos de atomización de metales son:

Proveedores de sistemas de atomización de metales

EmpresaUbicaciónEscala
Phoenix ScientificRockwood, EE.UU.Del laboratorio a la industria
Fabricación de polvos metálicosManchester, Reino UnidoDel laboratorio a la industria
Productos químicos ASKHilden, AlemaniaDel laboratorio a la industria
ZenniZMoscú, RusiaIndustrial
ALD VacíoHanau, AlemaniaIndustrial

Estas empresas ofrecen sistemas de atomización por gas, centrífuga y vacío que van desde 5 kg/h a escala de laboratorio/piloto hasta capacidades de 2000 kg/h a gran escala. Se ofrecen sistemas llave en mano con unidades de fusión, atomización y manipulación de polvo.

El precio de los sistemas de atomización oscila entre 1.400.000 ¤ para las unidades de laboratorio y más de 1.400.000 ¤ para las plantas industriales, en función de la capacidad y las características. La ubicación, los impuestos, el transporte, etc. también influyen en el precio.

Instalación de un sistema de atomización de metales

Los pasos clave para instalar un sistema de atomización de metales son:

Instalación de atomizadores metálicos

EscenarioAcciones
Preparación del terrenoNivelar el suelo de hormigón, instalar los servicios públicos
MontajeEnsamblar subunidades como el crisol, la sección de boquilla
ConexionesConectar tuberías de gas, agua de refrigeración, conductos
Puesta en servicioPrueba de funcionamiento en vacío, comprobación de fugas, prueba con poca capacidad
Controles de seguridadInstalar parada de emergencia, supresión de incendios, alarmas
Formación del personalFormar al personal en el funcionamiento y mantenimiento del sistema

El equipo es pesado, por lo que el emplazamiento debe tener un suelo de hormigón nivelado y sin vibraciones. Hay que conectar servicios como el agua de refrigeración, el gas inerte y los conductos de escape.

A continuación, se monta el sistema, se alinea, se comprueban las fugas y se pone en marcha en vacío antes de la puesta en marcha en caliente. Los sistemas de seguridad para paradas de emergencia, incendios o fugas de material fundido deben estar operativos.

La formación exhaustiva del personal operativo por parte del proveedor es esencial para el buen funcionamiento.

sistemas de atomización de metales

Funcionamiento y mantenimiento de un atomizador metálico

Los aspectos clave del funcionamiento de un sistema de atomización de metales incluyen:

Funcionamiento del atomizador de metal

ActividadesDetalles
Manipulación de materias primasUtilizar guantes adecuados, recipientes para carga metálica
Limpieza del crisolEliminar residuos, escorias por trituración, decapado ácido
Revestimiento del crisolInspeccionar el revestimiento, repintar/sustituir según sea necesario.
Parámetros del procesoMantener la temperatura, la presión y los caudales adecuados
Estado de la boquillaInspeccionar las boquillas en busca de desgaste, obstrucciones
Manipulación del polvoGarantizar contenedores adecuados, procedimientos de transferencia
Inspección de equiposComprobar juntas, conectores, sistemas de seguridad
MantenimientoProgramar el mantenimiento preventivo y las reparaciones

Al manipular piezas de metal en bruto debe utilizarse un equipo de protección adecuado para evitar la contaminación. El crisol de fusión requiere una limpieza periódica y el mantenimiento del revestimiento refractario.

Es importante controlar cuidadosamente los parámetros del proceso, como la temperatura, la presión y el caudal de gas. Las boquillas, especialmente las de atomización de gas, deben inspeccionarse y sustituirse periódicamente.

El polvo fino que se produce requiere una manipulación cuidadosa para evitar riesgos de exposición. Las inspecciones periódicas ayudan a detectar fugas y daños y a garantizar el funcionamiento de todos los sistemas de seguridad. Debe programarse un mantenimiento preventivo para evitar averías.

Cómo elegir un proveedor de atomizadores de polvo metálico

Factores clave en la selección de un proveedor de sistemas de atomización de metales:

Cómo elegir un proveedor de atomizadores de metal

CriteriosConsideraciones
Conocimientos técnicosExperiencia, personal experto
Gama de equiposSistemas a escala de laboratorio, piloto e industrial
HistorialCasos prácticos relevantes, lista de clientes
PersonalizaciónFlexibilidad para requisitos específicos
Servicio postventaApoyo a la instalación, contratos de mantenimiento
PrecioPresupuestos ajustados
FiabilidadCalidad de fabricación y rendimiento demostrado
SeguridadCumple todas las normas de seguridad del sector
CertificaciónCertificación ISO u otra certificación de calidad

Busque una empresa consolidada con experiencia en los sectores de la pulverización térmica o la pulvimetalurgia. Deben ofrecer toda la gama de atomizadores, desde prototipos de laboratorio hasta producción a gran escala.

Solicite referencias de clientes y estudios de casos relevantes para su aplicación específica. Busque soluciones personalizadas para sus necesidades de capacidad y características del polvo.

Evalúe el servicio posventa, como la supervisión de la instalación, la formación de los operarios, los contratos de mantenimiento, etc. Considere el precio, pero dé prioridad al rendimiento, la seguridad y la fiabilidad.

sistemas de atomización de metales

Conclusión

La atomización de metales es un proceso eficaz para producir polvos metálicos finos, esféricos y limpios a partir de diversas aleaciones para aplicaciones avanzadas en los sectores aeroespacial, de automoción, de fabricación aditiva y otros.

Los sistemas de atomización centrífuga y por gas constan de subunidades de fusión de metales, formación de gotas y recogida de polvo. Se requiere un diseño cuidadoso para obtener los tamaños de partícula y las características del polvo deseados.

Los principales proveedores ofrecen sistemas de atomización estándar y personalizados de pequeña a gran capacidad industrial con un servicio posventa adecuado. Elegir al proveedor adecuado y seguir unas buenas prácticas operativas garantiza un funcionamiento sin problemas y la máxima producción de polvo.

Preguntas frecuentes

P: ¿Cuál es el rango de capacidad típico de los sistemas de atomización de metales?

R: Los sistemas de atomización de metales están disponibles en capacidades desde 10 kg/h para laboratorio/escala piloto hasta más de 5.000 kg/h para producción industrial de gran volumen. También son posibles capacidades mayores de hasta 10.000 kg/h.

P: ¿Qué industrias utilizan habitualmente la atomización de metales?

R: Entre las industrias clave que utilizan la atomización de metales se encuentran la aeroespacial, la automovilística, la fabricación aditiva, la pulvimetalurgia, la electrónica y la química. Los polvos finos y esféricos se utilizan para fabricar componentes críticos.

P: ¿Qué finura puede tener la granulometría del polvo?

R: En la atomización con gas, se pueden conseguir tamaños de polvo de hasta 10 micras mediante un diseño óptimo de las boquillas, la presión del gas y los caudales. La atomización centrífuga suele producir polvos más gruesos de más de 20 micras.

P: ¿Qué metales pueden atomizarse?

R: La mayoría de los metales de ingeniería con un punto de fusión inferior a 1800°C pueden atomizarse. Algunos ejemplos comunes son las aleaciones de níquel, hierro, cobalto y titanio. Algunos metales reactivos, como el aluminio y el magnesio, también pueden atomizarse en condiciones controladas.

P: ¿Qué gases se utilizan en la atomización con gas?

R: El nitrógeno y el argón son los más utilizados debido a su inercia y disponibilidad. En algunos casos también se utiliza oxígeno o aire, pero pueden contaminar el polvo.

P: ¿Cuáles son los costes de funcionamiento de los sistemas de atomización?

R: Los costes de funcionamiento son superiores a los del fresado mecánico, ya que se necesita un suministro continuo de gas a alta presión. Además, la energía eléctrica para el calentamiento por inducción y el mantenimiento del crisol/boquilla aumentan los costes.

P: ¿Qué aspectos de seguridad requieren atención?

R: Los metales fundidos a alta temperatura, los gases inertes a presión y los polvos combustibles finos requieren una manipulación cuidadosa y sistemas de seguridad para la prevención de incendios y explosiones. La formación adecuada del operario es imprescindible.

P: ¿Qué mantenimiento requieren los equipos?

R: La inspección y sustitución de boquillas, la reparación/revestimiento de crisoles, la comprobación de fugas y la limpieza de filtros de aire son tareas típicas de mantenimiento. El mantenimiento preventivo programado minimiza las averías.

P: ¿Se pueden atomizar las aleaciones metálicas?

R: Sí, las aleaciones metálicas pueden atomizarse fácilmente añadiendo los elementos de aleación como cromo, aluminio, titanio en el crisol de fusión en proporciones precisas para obtener la composición deseada.

P: ¿Puede realizarse la atomización de metales a pequeña escala?

R: Sí, los proveedores ofrecen atomizadores a escala de laboratorio con crisoles de fusión de 1-5 kg de capacidad para la producción de pequeños lotes de polvo con fines de investigación y desarrollo. Pero los costes operativos por kg son más elevados.

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