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
Los sistemas de atomización de metales constan de una unidad de fusión de metales, un mecanismo de atomización y un sistema de recogida de polvo. Los componentes principales son:
Unidad de fusión de metales
- Crisol de fusión
- Bobinas o electrodos de inducción
- Sensores de temperatura
- Sellado con gas inerte
Mecanismo de atomización
- Boquillas para atomización de gases
- Disco giratorio o copa para atomización centrífuga
Sistema de recogida de polvo
- Separadores ciclónicos
- Filtros de mangas
- Depuradores y condensadores
La carga metálica se funde primero en el crisol mediante calentamiento por inducción o calentamiento por resistencia eléctrica. A continuación, el metal fundido se conduce a la sección de atomización.
En la atomización por gas, chorros de gas a alta presión golpean el chorro de metal y lo rompen en finas gotitas. En la atomización centrífuga, el metal fundido se vierte sobre un disco/taza giratorio que lo expulsa radialmente en gotitas debido a la fuerza centrífuga.
Las gotas se solidifican rápidamente al caer por la cámara de refrigeración debido a la elevada relación superficie/volumen. El gas inerte evita la oxidación. Las partículas de polvo solidificado se recogen en los separadores, filtros y condensadores.
Tipos de sistemas de atomización de metales
Existen dos tipos principales de mecanismos de atomización:
Atomización de gases
- Utiliza chorros de gas inerte a alta presión
- Puede hacer polvos más finos de hasta 10 micras
- Nitrógeno, argón utilizados como gases de atomización
Atomización centrífuga
- Utiliza copa o disco giratorio
- Hace polvos más gruesos de más de 20 micras
- Diseño sencillo, no requiere manipulación de gases
Atomización al vacío
- Realizado en vacío en lugar de gas inerte
- Reduce la absorción de gas por los polvos
Atomización ultrasónica
- Utiliza vibraciones ultrasónicas para hacer gotas
- Para la producción a escala de investigación
Atomización electrostática
- Utiliza un campo eléctrico para desintegrar una corriente metálica
- Técnica experimental
Diseño de sistemas de atomización de metales
Los principales componentes de un sistema típico de atomización de gas son:
Tabla 1: Diseño del sistema de atomización de gas
| Componente | Detalles |
|---|---|
| Unidad de fusión | Crisol de fusión por inducción, capacidad 50-2000 kg |
| Conjunto de boquilla | Múltiples boquillas acopladas, 2-5 mm de diámetro |
| Sobrecalentamiento de la masa fundida | Inyección de nitrógeno/argón para recalentar la masa fundida |
| Cámara de atomización | Refrigerado por agua, 3-5 m de altura |
| Suministro de gas | Nitrógeno/Argón, 50-100 bares de presión |
| Separadores ciclónicos | Ciclones múltiples en serie para la recogida de polvo |
| Filtros finales | Filtro 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:
Tabla 2: Especificaciones del sistema de atomización de metales
| Parámetros | Especificaciones |
|---|---|
| Capacidad de producción | De 10 kg/h a 5000 kg/h |
| Tamaño de las partículas | 10 - 150 micras |
| Tipos de metal | Aleaciones de níquel, hierro, cobalto y cobre |
| Temperatura de fusión | 1600 °C máx. |
| Presión del gas | 10 - 100 bar |
| Tasa de enfriamiento | 104 - 106 K/s |
| Pureza del polvo | 99.5% |
| Diseño de boquilla | Ranura anular, chorro discreto |
| Gas de atomización | Nitrógeno, 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:
Cuadro 3: Aplicaciones del polvo metálico
| Industria | Aplicaciones |
|---|---|
| Aeroespacial | Álabes de turbina, discos |
| Automoción | Piezas sinterizadas, filtros |
| Electrónica | Resistencias de chip, conductores |
| Fabricación aditiva | polvos de impresión 3D |
| Química | Catalizadores, pigmentos |
| Biomédica | Implantes, 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:
Cuadro 4: Ventajas de la atomización de metales
| Beneficios | Detalles |
|---|---|
| Polvos más finos | Tamaños de micrómetro a nanómetro |
| Distribución de tamaños estrecha | Control preciso del tamaño de las partículas |
| Alta pureza | Evitar la contaminación por fresado |
| Menor coste | Más barato que el rectificado mecánico |
| Control de la composición | Aleación posible en fusión |
| Partículas esféricas | Buena fluidez |
| Versátil | Amplia 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.
Limitaciones de la atomización de metales
Algunos inconvenientes de los sistemas de atomización de metales son:
Cuadro 5: Limitaciones de la atomización de metales
| Inconvenientes | Detalles |
|---|---|
| Alto punto de fusión | Limitado a metales de baja fusión |
| Metales reactivos | Difícil de atomizar metales reactivos como titanio, aluminio |
| Recogida de gas | Los gases absorbidos afectan a la calidad del polvo |
| Partículas satélites | Se formaron algunas partículas irregulares más grandes |
| Elevado coste de capital | Se 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:
Tabla 6: Proveedores de sistemas de atomización de metales
| Empresa | Ubicación | Escala |
|---|---|---|
| Phoenix Scientific | Rockwood, EE.UU. | Del laboratorio a la industria |
| Fabricación de polvos metálicos | Manchester, Reino Unido | Del laboratorio a la industria |
| Productos químicos ASK | Hilden, Alemania | Del laboratorio a la industria |
| ZenniZ | Moscú, Rusia | Industrial |
| ALD Vacío | Hanau, Alemania | Industrial |
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:
Tabla 7: Instalación del atomizador metálico
| Escenario | Acciones |
|---|---|
| Preparación del terreno | Nivelar el suelo de hormigón, instalar los servicios públicos |
| Montaje | Ensamblar subunidades como el crisol, la sección de boquilla |
| Conexiones | Conectar tuberías de gas, agua de refrigeración, conductos |
| Puesta en servicio | Prueba de funcionamiento en vacío, comprobación de fugas, prueba con poca capacidad |
| Controles de seguridad | Instalar parada de emergencia, supresión de incendios, alarmas |
| Formación del personal | Formar 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.
Funcionamiento y mantenimiento de un atomizador metálico
Los aspectos clave del funcionamiento de un sistema de atomización de metales incluyen:
Tabla 8: Funcionamiento del atomizador metálico
| Actividades | Detalles |
|---|---|
| Manipulación de materias primas | Utilizar guantes adecuados, recipientes para carga metálica |
| Limpieza del crisol | Eliminar residuos, escorias por trituración, decapado ácido |
| Revestimiento del crisol | Inspeccionar el revestimiento, repintar/sustituir según sea necesario. |
| Parámetros del proceso | Mantener la temperatura, la presión y los caudales adecuados |
| Estado de la boquilla | Inspeccionar las boquillas en busca de desgaste, obstrucciones |
| Manipulación del polvo | Garantizar contenedores adecuados, procedimientos de transferencia |
| Inspección de equipos | Comprobar juntas, conectores, sistemas de seguridad |
| Mantenimiento | Programar 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:
Cuadro 9: Elección de un proveedor de atomizadores metálicos
| Criterios | Consideraciones |
|---|---|
| Conocimientos técnicos | Experiencia, personal experto |
| Gama de equipos | Sistemas a escala de laboratorio, piloto e industrial |
| Historial | Casos prácticos relevantes, lista de clientes |
| Personalización | Flexibilidad para requisitos específicos |
| Servicio postventa | Apoyo a la instalación, contratos de mantenimiento |
| Precio | Presupuestos ajustados |
| Fiabilidad | Calidad de fabricación y rendimiento demostrado |
| Seguridad | Cumple todas las normas de seguridad del sector |
| Certificación | Certificación 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.
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.
