Gaz atomizasyonu işleminin iki-fazlı sayısal modellenmesi ve parçacık boyutunun hesaplanması

Abstract

Gaz atomizasyonu yöntemi ile metal tozu üretiminde gaz basıncı ve sıvı metal viskozitesi gibi değişkenler üretilecek tozların boyutu ve boyut dağılımı üzerinde belirleyici etkiye sahiptir. Toz boyutunu belirleyen parçalanma mekanizması hakkında bir çok model ortaya konulmuş olmasına rağmen bu etkilerin araştırılmasında Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) yaklaşımı ile sayısal çözümleme çalışmalarının büyük bölümünde atomizasyon işlemi tek fazlı olarak modellenmiştir. Ergiyik metal akışının dâhil edildiği bazı çalışmalarda ise genellikle atomizasyon başlangıcı modellenebilmiş, sıvı metal-gaz etkileşimleri, parçalanma mekanizmaları ve toz oluşumları gösterilememiştir. Bu çalışmada gaz atomizasyonu işleminin iki akışkanlı olarak modellenmesi hedeflenerek parçacık boyutunun sayısal modelleme ile elde edilebileceğinin gösterilmesi amaçlanmıştır. Bu kapsamda gaz atomizasyonu işlemi iki akışkanlı olarak modellenmiş, HAD çözümlemesi elde edilerek fazlar arası etkileşimler gösterilmiş, atomizasyon mekanizmaları açıklanmış ve toz boyutu tez kapsamında geliştirilen yeni bir yaklaşım ile elde edilmiştir. Geliştirilen yaklaşım ile sayısal çözümleme 1,0 MPa, 1,5 MPa, 2,0 MPa, 2,5 MPa, 3,0 MPa ve 3,5 MPa basınç değerlerinde uygulanarak gaz basıncının toz boyutu üzerindeki etkileri incelenmiştir. Toz boyutu 1,0 MPa basınçta 43,24 µm, 3,5 MPa basınçta 35,69 µm olarak hesaplanmış, artan gaz basıncı ile birlikte ortalama parçacık boyutunun küçüldüğü tespit edilmiştir. Sıvı metal viskozitesinin toz boyutu üzerindeki etkisini incelemek için 2,5 MPa basınç altında farklı viskozite değeri ile sayısal çözüm tekrarlanmıştır. Sıvı metal viskozitesinin 0,00133 kg/m-s iken ortalama toz boyutunun 41,47 µm, aynı şartlar altında sıvı metal viskozite değerinin 0,00623 kg/m-s olduğunda ise ortalama toz boyutunun 45,97 µm olduğu belirlenmiştir. Yüksek viskoziteye sahip ergiyikte parçalanmanın daha zor gerçekleştiği dolayısıyla ince taneli parçacık elde etmenin zorlaştığı gözlemlenmiştir. Ayrıca, geliştirilen yaklaşım ile üç-boyutlu olarak modelleme yapılarak sıvı metalde parçacık oluşumları gösterilmiştir.

Variables such as gas pressure and molten metal viscosity have a decisive effect on the size and size distribution of the powders produced by gas atomization. Although many models have been introduced about the disintegration mechanisms that determine the powder size, the atomization process has been modeled as a single phase flow in most of the numerical analysis with the Computational Fluid Dynamics (CFD) approach in the investigation of those effects. In some studies involving molten metal flow, atomization initiation was generally modeled and liquid metal-gas interactions, disintegration mechanisms and particle formations were not shown.In this study, it is aimed to model the gas atomization process as a two-fluid flow and to show that particle size can be obtained by numerical modeling. In this context, gas atomization process is modeled, CFD analysis is obtained and interactions between the two phases are shown, atomization mechanisms are explained and powder size is obtained with a new approach developed within the scope of the thesis. With the developed approach, numerical analysis is applied at the pressure values of 1.0 MPa, 1.5 MPa, 2.0 MPa, 2.5 MPa, 3.0 MPa and 3.5 MPa and the effects of gas pressure on the particle size are investigated. The powder size was calculated to be 43.24 µm at 1.0 MPa pressure and 35.69 µm at 3.5 MPa pressure. It was found that the mean particle size decreased with increasing gas pressure. In order to examine the effect of liquid metal viscosity on powder size, numerical solution was repeated with a different viscosity value under 2.5 MPa pressure. The average powder size was found to be 41.47 µm when the viscosity of the liquid metal was 0.00133 kg/m-s, and the average powder size was 45.97 µm when the viscosity value of the liquid metal was 0.00623 kg/m-s under the same conditions. It has been observed that for the high viscosity melt the disintegration process is more difficult, therefore, it is hard to obtain fine-grained particles. In addition to these results, particle formation in two-phase gas atomization is shown by three-dimensional modeling with the developed approach.