CN101332511B - 喷射装置、喷射成形雾化室及其喷射成形方法 - Google Patents

Abstract

一种喷射装置，用于在雾化室中喷射成形金属坯件，该装置包括：喷嘴，其内部通入高压惰性气体或氮气；悬臂，用于将喷嘴悬吊于喷射成形雾化室中。一种喷射成形雾化室，包括：盛装熔化金属的坩埚，与坩埚连接的导液管；开在雾化室顶盖上的穿孔；喷射装置，使喷嘴位于雾化室中导液管或金属液流的外侧；沉积盘，设置于金属液流的外侧喷嘴的相对侧。以及雾化沉积形成各种坯件的方法。

Description

喷射装置、喷射成形雾化室及其喷射成形方法

技术领域

本发明涉及喷射成形设备及方法，特别是涉及冲击式雾化喷射装置及喷射成形雾化室，以及喷射成形方法。

背景技术

常规的喷射成形工艺操作步骤如下：将金属母材置于熔炼炉中进行熔化，待母材全部熔化并升温至浇注温度后，开始倾转熔炼炉将金属液浇注至中间包，中间包底部出口处与输送金属液的导液管相接，导液管外围安装有气体雾化喷嘴。钢液从导液管流出，流出的金属液被雾化喷嘴雾化成为非常细小的颗粒，并以很高的速度撞击到底部旋转的沉积盘上，金属颗粒快速凝固后形成一定形状的金属坯件。

该方法生产金属坯件时不需经过常规连铸或粉末冶金的多道工序，可大大简化工艺及减少设备投资。另外，由于整个的生产过程中金属的凝固时间比较短，所以喷射成形产品晶粒细小、材料的强度、韧性延伸率有所提高，同时凝固速度极快，有利于抑制元素的偏析。

利用在传统的喷射成形工艺中，有自由式雾化和限制式雾化两种喷嘴固定方式。自由式雾化方式采用主、副喷嘴结构形式，导液管外围布置辅助喷嘴，金属液流出时通过辅助喷嘴的气流进行导向，流向主喷嘴的中空部位，当金属液从主喷嘴流出时，被主喷嘴喷出的高速气体雾化形成非常细小的金属液颗粒。限制式雾化喷嘴采用和导液管紧密式配合布置，金属液在流出导液管的时候即被高速气流雾化形成液滴并发生沉积。采用这两种喷射成形工艺时，采用的雾化喷嘴孔隙设计的较小，难于加工；雾化喷嘴和导液管嵌套在一起，一旦导液管破损或裂开时，渗漏的高温钢液将瞬时触及雾化喷嘴，导致雾化喷嘴烧损；另外喷嘴与导液管连接在一起也使得雾化喷嘴的摆动角度非常有限，不能大范围的进行扫描雾化。

美国专利US6074194公开了一种金属液雾化方式，其中，雾化喷嘴采用拉瓦尔形式，材质为耐火材料，金属液通过导液管注入到拉瓦尔喷嘴的扩张段部分，高压气流通过拉瓦尔管后形成超音速气流，从而推动钢液喷出管口，形成雾化的金属液滴，沉积后形成金属坯件。此种方法的缺点是，高温的金属液容易粘结到喷管中，发生堵塞；金属液长时间的冲击喷管，也容易使得喷管的管壁发生侵蚀而变形，最终影响沉积效果。

美国专利US5366206公开了金属液雾化方式，金属在坩埚中熔化后通过导液管流出，在导液管外围嵌套雾化喷嘴，该雾化喷嘴为环缝式雾化喷嘴，金属液流在下落的过程中被雾化喷嘴喷出的气流雾化成非常细小的金属颗粒，并以很高的速度冲击沉积盘发生沉积，金属液滴立刻以很高的速度凝固，堆积形成一定形状的金属坯件。

本发明按照喷射成形将金属液流雾化成细小颗粒的基本原理，提出一种新的金属液雾化装置及方式，导液管和雾化喷嘴分离布置，金属液通过导液管垂直下落，雾化喷管出口水平布置，高速气流对下落的金属液进行冲击雾化，使其沉积成形。

采用这种方法，可以实现将金属液雾化成非常细小的颗粒，使其迅速撞击沉积盘发生快速凝固，通过雾化喷嘴的摆动可以实现金属液雾化锥的扫描，从而可以制备形状平整的金属坯件。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种喷射成形制备金属坯件方法及其装置。

为了解决上述问题，本发明采用简单易加工的雾化喷嘴，而且雾化喷嘴和导液管不再配合在一起，而是采用分离布置的方法。这种方法能够有效地避免导液管及中间包(盛装熔化金属液)偶然损坏漏出金属液烧坏喷嘴的情形；采用这种方法可以进一步提高金属液的雾化效率；采用这种方法雾化喷嘴的摆动角度非常灵活可以大范围的实现扫描；采用这种方法能够方便地实现雾化扫描的控制。

本发明喷射装置，用于在雾化室中喷射成形金属坯件，该装置包括：

喷嘴，喷嘴内部通入高压惰性气体或氮气；

悬臂，用于将该喷嘴悬吊于喷射成形雾化室中。

喷嘴的外侧由耐火材料封装保护。

根据本发明的喷射装置还可以包括与悬臂连接的套筒，该套筒与喷嘴套接，喷嘴在套筒中可相对移动。

进一步地本发明的喷射装置还可以包括导向部件，设置在悬臂和喷嘴之间，或悬臂和套筒之间，该导向部件与喷嘴或套筒固定，与悬臂活动地连接，以使喷嘴能够在顺时针或逆时针方向摆动。

悬臂上端有还可以设置吊轨滑轮，以及与其配合的滑槽或吊轨，该滑槽或吊轨可安装于雾化室中，以使喷嘴能够在水平方向进行相对运动。

所述的滑槽或吊轨还可以为圆环形，以使喷嘴在一环形区域运动。

根据本发明的喷射装置，喷嘴可以是单孔拉瓦尔雾化喷嘴、直孔喷嘴或狭缝式喷嘴，也可以是单喷嘴、双喷嘴或多喷嘴。单喷嘴是指只有一个喷嘴及其悬臂装置，双喷嘴及多喷嘴是指在此环形滑动槽上布置两个或者多个雾化喷嘴及其悬臂，共同对同一金属液流进行雾化沉积的方式。

根据本发明的喷射成形雾化室，包括：

盛装熔化金属的坩埚，以及与坩埚连接的导液管

穿孔，开在雾化室顶盖上，其大小与导液管配合，以使其从中穿过，下垂到雾化室内，坩埚置于雾化室顶盖外部该穿孔上，坩埚中的熔化金属液通过导液管流出形成金属液流；

喷射装置，通过悬臂悬吊于雾化室顶盖，使喷嘴位于雾化室中导液管及/或金属液流的外侧；

沉积盘，设置于金属液流的外侧及喷嘴的对侧，以使喷嘴喷射的气体使金属液流雾化沉积形成各种坯件。

在本发明中，喷射装置可以设置在距离顶盖穿孔的适当位置，使喷嘴喷射的气体适宜雾化金属液流，优选喷嘴距离金属液流的水平距离为5～10cm。

沉积盘通常设置在导液管及金属液流的外侧及喷嘴的对侧，设置适宜的距离，以使雾化金属沉积在沉积盘上，优选沉积盘距离金属液流的水平距离为15～50cm。

在本发明中，悬臂可以固定在雾化室顶盖表面，也可以在悬臂一端设置吊轨滑轮及与其配合的滑槽或吊轨，以通过将滑槽或吊轨固定在顶盖内表面，使喷嘴能够在水平方向进行相对运动。滑槽或吊轨还可以是圆环形，将其固定在以穿孔为圆心的圆周上，以使喷嘴能够在沿滑槽方向的环形区域内进行相对运动。

本发明的喷射装置，可以用于喷射成形各种坯件，优选是板坯、锭坯或管坯。当喷射形成板坯时，采用板坯沉积盘；当喷射形成锭坯时，采用锭坯沉积盘；当喷射形成管坯时，采用管坯沉积盘。本发明沉积盘为常规的用于喷射成形的组件，因此，对各种沉积盘在此不进行详细描述。

通常，沉积盘还包括连动的转动杆。

在沉积盘是锭坯沉积盘时，沉积盘的设置可以是垂直下拉方式，即电动机带动转动杆旋转的同时垂直向下运动。

锭坯沉积盘还可以设置为斜拉方式，即沉积盘及转动杆倾斜一定角度放置，电动机带动转动杆旋转的同时垂直于转动杆方向运动。

本发明的喷射成形方法，包括如下步骤：

a)根据需要制备的金属坯件的最终成分冶炼母合金熔液，并置于坩埚中，导液管与坩埚通过耐火粘结剂进行连接，并烘干；

b)根据需要形成的坯件设置沉积盘；

c)喷嘴中通入高压惰性气体或氮气；

d)使金属液通过导液管形成金属液流；

e)喷嘴喷出的高压气体使金属液流雾化喷射到沉积盘上形成坯件。

其中，优选金属液的温度为高于其液相线温度100～200℃，金属液流为15kg/min。

优选，喷嘴中通过的喷射气体压力为4～10atm，喷射气体温度为常温。

本发明的喷射装置及方法优选用于喷射形成板坯、锭坯或管坯。

本发明雾化的方式包括单喷嘴雾化及多喷嘴雾化，每个喷嘴在冲击雾化的过程中可以在二维平面内进行扫描喷射雾化金属液，按照多种工艺方式进行金属坯件的制备。

本发明的喷射装置，通过悬臂设置在导液管及金属液流的外侧，即雾化喷嘴和导液管不再配合在一起，而是采用分离布置的方法。这种方法能够有效地避免导液管及中间包偶然损坏漏出金属液烧坏喷嘴的情形；采用这种方法可以进一步提高金属液的雾化效率；而且采用本发明的喷射装置及方法，使雾化喷嘴的摆动角度非常灵活，可以大范围地实现扫描；能够方便地实现雾化扫描的控制。

附图说明

图1是本发明的一个实施方式的设置有喷射装置的喷射成形雾化室的示意图。

图2是图1中喷射装置的放大示意图。

图3是本发明的一个实施方式的拉瓦尔喷嘴的结构示意图。

图4是本发明的一个实施方式的直孔式喷嘴的结构示意图。

图5是本发明的一个实施方式的环缝式喷嘴的结构示意图。

图6是本发明的一个实施例的单喷嘴冲击射流制备板坯的示意图。

图7是本发明的另一个实施例的单喷嘴冲击射流制备锭坯的示意图。

图8是本发明的又一个实施例的单喷嘴冲击射流制备管坯的示意图。

附图标记说明

1熔融钢液          2坩埚

3导液管            4喷嘴

5雾化室

51雾化室顶盖

52穿孔

6金属雾化颗粒

7金属坯件

71板坯件           72圆锭坯件

73管坯件

8沉积盘

81板坯件沉积板     82锭坯件沉积盘

83管材芯棒

9转动机构

91钢丝绳卷筒结构   92锭坯件转动杆

92管坯件转动杆

10吊轨滑轮         11悬臂

12导向部件         13套筒

14喷嘴内部通道

具体实施方式

以下通过结合附图对本发明进行较为详细的说明。

如图1所示的喷射成形雾化室中设置如下部分：

熔炼坩埚2用于盛装金属母材熔化成的金属液1，在坩埚2的外周，通常有感应加热或保温设置。

导液管3通过耐火材料连接到坩埚2上，以便金属液通过导液管3流出形成金属液流。

喷射成形雾化室5的顶盖51上开有一个穿孔52，该穿孔52的大小与导液管3配合，一般稍微大于导液管3的外径，用于使导液管3容易地穿过该穿孔52进入雾化室5内，坩埚2置于顶盖外部该穿孔上。

喷射装置在雾化室中的设置可以有各种形式：

一种方式是喷射装置包括一个悬臂11和喷嘴4，喷嘴的外围用耐火材料包封，悬臂11将喷嘴4悬吊于雾化室的顶盖内表面，喷嘴4布置在金属液流1的外侧，使喷嘴的位置在距离金属液流5～10cm处固定。

还有一种方式是喷射装置包括一个悬臂11和喷嘴4，喷嘴上套接一个套筒13，其长度小于喷嘴4的长度，喷嘴4能够在套筒13中进行相对移动，悬臂11与套筒13连接，同时将喷嘴4及套筒13悬吊于雾化室的顶盖内表面，这时由于喷嘴4能够在套筒13中进行相对移动，而套筒13固定，因此喷嘴4与金属液流之间的距离可以进行调整。

另一个方式还可以在套筒13与悬臂11之间设置一个导向部件12，这样不仅可以调整喷嘴与金属液流之间的距离，还可以使喷嘴在顺时针或逆时针方向上摆动，从而调整喷嘴的喷射角度。也可以是没有套筒13，而只设置导向部件，这样，在水平喷射距离是固定的，但可以调整喷射角度。

又一种方式是，在悬臂11的一端设置吊轨滑轮15及与其配合的吊轨10，这种吊轨可以是直的或圆形的，较好是圆的。这样就可以使喷嘴在前后方向上水平移动，或者进行水平环形区域的移动。

如图1及2所示，还可以在悬臂11的一端设置吊轨滑轮15及与其配合的吊轨10，这种吊轨是圆的，吊轨10固定在以穿孔52为圆心的圆周上，在喷嘴4上套接一个套筒13，其长度小于喷嘴4的长度，喷嘴4能够在套筒13中进行相对移动，以调节喷嘴4与导液管3之间的相对距离。在喷嘴和套筒的外部设置一个导向部件12，该导向部件12与套筒13固定，而且与悬臂11是以活动的方式连接，如二者之间的链接是以螺栓连接的，先将导向部件通过焊接的方式固定在套筒上，该导向部件上在环形方向上有槽，而悬臂上开孔，两者直接通过螺栓连接后用螺母紧固。这种方式，不仅使喷射装置整体可以在一个环形区域运动，喷嘴还可以进行水平移动和上下摆动，因此其调节非常灵活。

喷嘴的设置也可以是单喷嘴、双喷嘴或多喷嘴。单喷嘴是指只有一个喷嘴及其悬臂装置，双喷嘴及多喷嘴是指在此环形滑动槽上布置两个或者多个雾化喷嘴及其悬臂，共同对同一金属液流进行雾化沉积的方式。

以上所述的方式，可以根据需要有更多不同的组合形式。

本发明的喷嘴4，可以采用各种喷嘴，如喷孔、喷管或狭缝等。较优选的是如图3所示的拉瓦尔喷嘴，如图4所示的直孔式喷嘴，图5所示的环缝式喷嘴。

沉积盘在雾化室中设置在金属液流的与喷射装置相对的一侧，只要沉积盘离金属液流适当的距离，使喷射的高压气体适合雾化金属沉积在沉积盘上形成坯件即可，优选沉积盘与金属液流的距离为15～50cm。

根据所要形成的坯件的不同，选择不同的沉积盘如板坯沉积盘、锭坯沉积盘或管坯沉积盘等。

对于板坯沉积盘，沉积盘的运动方式为在垂直方向上往复运动的同时在水平方向上移动。

对于管坯沉积盘，沉积盘的运动方式为在旋转的过程中垂直向下运动。

对于锭坯沉积盘还可以采用垂直下拉方式，即电动机带动转动杆旋转的同时垂直向下运动，或者斜拉方式，即沉积盘及转动杆倾斜一定角度放置，电动机带动转动杆旋转的同时垂直于转动杆方向运动。

以上所述的喷射装置及沉积盘的设置在雾化室中的设置，使喷嘴4布置在金属液流1的外侧，喷嘴通道内部通入高压惰性气体或者氮气，在喷嘴4出口处形成超音速的气体射流，当金属液流1垂直下落至气体射流区域时被高速气体雾化粉碎成为非常细小的金属颗粒6，金属颗粒6以非常高的速度射击到沉积盘8上，粘结后冷却并凝固，沉积盘8可以在转动的同时向下或往复运动，随着金属颗粒6不断的沉积，最终形成了形状规整的需要的坯件7，冲击雾化过程及沉积过程发生在密闭的雾化室5中，避免了严重的氧化现象发生。而且由于喷射装置和金属液流分离设置，因此，即使产生漏液事故，也不会损及喷射装置。

下面通过各种坯件的形成过程来详细介绍本发明的喷射成形方法。

实施例1

以板坯制备为例：

如图6所示设置喷射装置和沉积盘，其中采用拉瓦尔喷嘴。

在熔炼坩埚2中将金属母材熔化为高于其液相线温度100～200℃的金属液，金属液通过导液管流出形成金属液流，流量为15kg/min。采用雾化喷管或雾化喷嘴作为金属液的喷射装置，喷嘴布置在金属液流的外侧，内部通入常温高压惰性气体或者氮气，压力为4～10atm，在喷嘴出口处形成超音速的气体射流，当金属液流垂直下落至气体射流区域时被高速气体雾化粉碎成为非常细小的金属颗粒，金属颗粒以非常高的速度射击到预热的沉积板81基体上，粘结后冷却并凝固，沉积板基体沿垂直方向上匀速往复直线运动，沉积板基体的运动是通过钢丝绳卷筒结构91的传动实现的，通过计算机控制电机的正反转来控制基体板的往复运动速率。随着金属颗粒不断的沉积，最终形成了形状规整的板材坯件71。

实施例2

以锭坯制备为例：

如图7所示设置喷射装置和沉积盘，其中采用环缝喷嘴。

在熔炼坩埚中将金属母材熔化成为高于其液相线温度100～200℃的金属液，金属液通过导液管流出形成金属液流，流量为15kg/min。采用雾化喷管或雾化喷嘴作为金属液的雾化设备，喷嘴布置在金属液流的外侧，内部通入高压惰性气体或者氮气，压力为4～10atm，在喷嘴出口处形成超音速的气体射流，当金属液流垂直下落至气体射流区域时被高速气体雾化粉碎成为非常细小的金属颗粒，金属颗粒以非常高的速度射击到沉积盘82上，沉积盘的下端连接有转动杆92和电动机，沉积盘的抽拉方式可以采用直拉方式和斜拉方式，沉积盘在转动的同时向下匀速抽拉，随着金属颗粒不断的沉积，最终形成了形状规整的圆锭坯件72。

实施例3

以管坯制备为例：

如图8所示设置喷射装置和沉积盘，其中采用直孔喷嘴。

在熔炼坩埚中将金属母材熔化成为高于其液相线温度100～200℃的金属液，金属液通过导液管流出形成金属液流，流量为15kg/min。采用雾化喷管或雾化喷嘴作为金属液的雾化设备，喷嘴布置在金属液流的外侧，内部通入高压惰性气体或者氮气，压力为4～10atm，在喷嘴出口处形成超音速的气体射流，当金属液流垂直下落至气体射流区域时被高速气体雾化粉碎成为非常细小的金属颗粒，金属颗粒以非常高的速度射击到预热后的管材芯棒83基体上，管材芯棒两端分别连接有电动机和转动杆93，管材芯棒基体在转动的同时往复匀速运动，随着金属颗粒不断的沉积，最终形成了形状规整的管坯件73。

虽然以上通过实施例的形式对本发明进行了较详细介绍，但不仅仅限于这些实施例，在不脱离本发明的构思的前提下，还可以有更多其他等效的实施例。

Claims (24)

1.一种喷射装置，用于在雾化室中喷射成形金属坯件，该装置包括：

喷嘴，其内部通入高压惰性气体或氮气；

悬臂，将喷嘴悬吊于喷射成形雾化室中；

与悬臂连接的套筒，该套筒与喷嘴套接，喷嘴在套筒中可相对移动。

2.根据权利要求1所述的喷射装置，其特征在于，喷嘴的外侧由耐火材料封装保护。

3.根据权利要求1或2所述的喷射装置，其特征在于，还包括导向部件，设置在悬臂和喷嘴之间，或悬臂和套筒之间，该导向部件与喷嘴或套筒固定，与悬臂活动地连接，以使喷嘴能够在顺时针或逆时针方向摆动。

4.根据权利要求1或2所述的喷射装置，其特征在于，悬臂上端有吊轨滑轮，以及与其配合的滑槽或吊轨，该滑槽或吊轨安装于雾化室中，以使喷嘴能够在水平方向进行相对运动。

5.根据权利要求4所述的喷射装置，其特征在于，所述的滑槽或吊轨为圆环形，以使喷嘴在一水平的环形区域运动。

6.根据权利要求1所述的喷射装置，其特征在于，喷嘴是单孔拉瓦尔雾化喷嘴、直孔喷嘴或狭缝式喷嘴。

7.根据权利要求6所述的喷射装置，其特征在于，喷嘴是单喷嘴、双喷嘴或多喷嘴。

8.一种喷射成形雾化室，包括：

盛装熔化金属的坩埚，与坩埚连接的导液管；

穿孔，开在雾化室顶盖上，穿孔大小与连接坩埚的导液管配合，以使其从中穿过，下垂到雾化室内，坩埚置于雾化室顶盖外部该穿孔上，坩埚中的熔化金属液通过导液管流出在雾化室中形成金属液流；

如权利要求1～7之一所述的喷射装置，通过悬臂悬吊于雾化室顶盖内表面，使喷嘴位于雾化室中导液管或金属液流的外侧；

沉积盘，设置于金属液流的外侧喷嘴的相对侧，以使喷嘴喷射的气体使金属液流雾化沉积形成各种坯件。

9.根据权利要求8所述的喷射成形雾化室，其特征在于，所述的喷嘴距离金属液流5～10cm。

10.根据权利要求8所述的喷射成形雾化室，其特征在于，所述的沉积盘距离金属液流15～50cm。

11.根据权利要求8所述的喷射成形雾化室，其特征在于，所述的悬臂通过在顶盖内表面设置滑槽或吊轨以及与其配合的吊轨滑轮，使喷嘴能够在水平方向进行相对运动。

12.根据权利要求11所述的喷射成形雾化室，其特征在于，所述滑槽或吊轨设置在顶盖内表面上以穿孔为圆心的圆周上，以使喷嘴能够在沿滑槽方向的环形区域内进行相对运动。

13.根据权利要求8所述的喷射成形雾化室，其特征在于，所述沉积盘是板坯沉积盘、锭坯沉积盘或管坯沉积盘。

14.根据权利要求13所述的喷射成形雾化室，其特征在于，所述沉积盘还包括连动的转动杆。

15.根据权利要求14所述的喷射成形雾化室，其特征在于，所述沉积盘是锭坯沉积盘时，沉积盘的设置为垂直下拉方式，即电动机带动转动杆旋转的同时垂直向下运动。

16.根据权利要求14所述的喷射成形雾化室，其特征在于，所述沉积盘是锭坯沉积盘时，沉积盘的设置为斜拉方式，即沉积盘及转动杆倾斜一定角度放置，电动机带动转动杆旋转的同时垂直于转动杆方向运动。

17.根据权利要求14所述的喷射成形雾化室，其特征在于，所述沉积盘是板坯沉积盘时，沉积盘的运动方式为在垂直方向上往复运动的同时在水平方向上移动。

18.根据权利要求14所述的喷射成形雾化室，其特征在于，所述沉积盘是管坯沉积盘时，管坯沉积盘的运动方式为在旋转的过程中垂直向下运动。

19.根据权利要求8所述的喷射成形雾化室的喷射成形方法，包括如下步骤：

a)根据需要制备的金属坯件的最终成分冶炼母合金熔液，并置于坩埚中，导液管与坩埚通过耐火粘结剂进行连接，并烘干；

b)根据需要形成的坯件设置沉积盘；

c)喷嘴中通入高压惰性气体或氮气；

d)使金属液通过导液管形成金属液流；

e)喷嘴喷出的高压气体使金属液流雾化喷射到沉积盘上形成坯件。

20.根据权利要求19所述的喷射成形方法，其特征在于，所述的金属液的温度为高于其液相线温度100～200℃。

21.根据权利要求19所述的喷射成形方法，其特征在于，所述的金属液流为15kg/min。

22.根据权利要求19所述的喷射成形方法，其特征在于，所述的喷射气体压力为4～10atm。

23.根据权利要求19所述的喷射成形方法，其特征在于，所述的喷射气体为常温。

24.根据权利要求19所述的喷射成形方法，其特征在于，所述的坯件是板坯、锭坯或管坯。

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