CN101406862A

CN101406862A - 一种用于金属气体雾化的环孔型超音速喷嘴装置

Info

Publication number: CN101406862A
Application number: CNA2007101758312A
Authority: CN
Inventors: 徐骏; 赵新明; 朱学新
Original assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Current assignee: Beijing General Research Institute for Non Ferrous Metals
Priority date: 2007-10-12
Filing date: 2007-10-12
Publication date: 2009-04-15

Abstract

本发明提供一种用于金属气体雾化的环孔型超音速喷嘴装置，它包含：连接外部气瓶的进气管(4)，进气管与喷嘴环形气腔(1)相连，喷嘴中心有一中心孔(2)，气腔下方腔壁上均匀分布着多个超音速气体喷管(3)，它包含有稳定段、收缩段、喉部和扩散段，气体喷管中心线的延长线与中心孔轴线形成夹角α。稳定段线段AB是一段平行于喷管轴线的直线，喷管收缩段BC为收缩式的曲线，喷管喉部CD型线为一段圆弧，扩散段DEF的段型线是由直线DE加一段曲线EF组成的，整个喷管的横截面为圆形，其型面是由喷管中ABCDEF曲线绕喷管轴线旋所得到的一个流线型曲面。本发明的优点是：它是一种气流均匀一致，紊流度小，流场中不存在激波的超音速气雾化喷嘴，可满足快速凝固金属气雾化的技术要求，制备的金属粉末达到粒度小，粒径分布窄的目的。

Description

一种用于金属气体雾化的环孔型超音速喷嘴装置

技术领域

本发明涉及快速凝固气体雾化金属熔液制备微细粉末的喷嘴，特别是包括一种气流喷管的超音速气体雾化喷嘴。

背景技术

在制备金属粉末行业中，气体雾化技术被广泛采用。由于其具有高的冷却速度(10⁴℃/sec～10⁶℃/sec)和过冷度，因此通过气雾化制备超细球形金属粉体具有很多引人注目的特性，例如，粉末通过快速凝固气雾化可以有效地减少合金成分的偏析，获得微观组织细小、成份均匀的合金粉末。此外。通过控制冷凝速率可以获得具有非晶、准晶、微晶或过饱和固溶体等非平衡组织的粉末。可广泛应用于航空航天、电子信息、人造金刚石合成用触媒粉末，热喷涂、能源电力及冶金机械等领域。

气雾化的基本原理是用一高速气流击碎金属液流，在液态金属不断被击碎成细小液滴时，高速气体的动能转变为金属液滴增大总表面积的表面能。雾化气流常采用互成角度的射流方式来雾化金属液流，雾化喷嘴典型的结构有自由降落式和限制式或紧耦合式两种。自由降落式喷嘴雾化制粉时，金属熔体自导流嘴流出，要经过一段距离才能与气体射流发生作用。而紧耦合式喷嘴是熔体从导流嘴流出很短距离即开始雾化。因此紧耦合式喷嘴的能量利用率高，并能产生相对稳定的液流，粉末的粒度较细。

为了预测雾化后形成粉体直径，一些研究者在大量实验的基础上得到了一些经验公式，其中Lubanska公式(载于Journal of Metals，1970，45页)被认为是最准确和适用范围最广的。Lubanska公式如下，

d_{m} = d_{0} k {[\frac{v_{m}}{v_{g} We} (1 + \frac{M}{A})]}^{\frac{1}{2}}

式中，

We = \frac{{(Δv)}^{2} ρ_{m} d_{0}}{δ_{m}}

表示韦伯数，ρ_m表示液态金属的密度，σ_m表示表面张力，ΔV表示液态金属和气流之间的相对速度，d₀表示金属液流的直径；d_m表示粉体的平均粒径，k是由特定喷嘴决定的经验常数(40～50)，v_m和v_g分别代表金属液流和气体射流的速度，M和A分别表示金属和雾化气体的质量流量。由Lubanska公式可以看出金属液流和气体射流的速度在整个雾化过程中起到重要作用，相对速度Δv越大，则雾化粉体的平均粒径越小。因此提高气体速度或高的韦伯数可得到细的粉体。

为了得到高速气流，喷管的造型必须是先收缩后扩张，否则即使上下游压强差再大也不可能在管道内部产生超音速气流。那些以为把流管截面尽量缩小就可以得到超音速气流了，结果是失败的。美国的J.Ting等发明的超音速雾化喷嘴(US PatentN.6142382)，利用收缩-扩张型(Laval)喷管得到了超音速气流，见图3。中国的陈新国利用同样的方法发明了一种高压气体雾化喷嘴(CN 2714160Y)，见图4。但是这两种喷嘴的喷管大都采用了简单加工工艺的结构，气流喷管的收缩段和喉部大多为直线型型线，即收缩段为圆锥形。I.E.Anderson等指出此类型喷嘴的气腔产生的气流流量不是很稳定(Materials science and engineeringA，326(2002)101-109)。由空气动力学分析可以知道，这种结构产生的气流到达喉部并非均匀一致，紊流度大，流场中存在激波，导致气体的能量损失。而根据超音速喷管的设计要求，到达喉部的音速流必须是均匀的。

发明内容

本发明的目的在于根据现有技术中存在的问题对其进行改进，以便能得到一种气流均匀一致，紊流度小，流场中不存在激波的超音速气雾化喷嘴，满足快速凝固金属气雾化的技术要求，制备的金属粉末达到粒度小，粒径分布窄的目的。

为达到上述目的，本发明提出的技术方案为：一种用于金属气体雾化的环孔型超音速喷嘴，它包含连接外部气瓶的进气管，进气管与喷嘴环形气腔相连，喷嘴中心有一中心孔，气腔下方腔壁上均匀分布着多个超音速气体喷管，它包含有稳定段AB、收缩段BC、喉部CD和扩散段DEF。整个喷管的横截面为圆形，其型面是由喷管中ABCDEF曲线绕喷管轴线旋转所得到的一个流线型曲面。其中气体喷管中心线的延长线与中心孔轴线形成夹角α，角α的范围为-45°～45°。

稳定段线段AB是一段平行于喷管轴线的直线。稳定段截面直径为d₁，轴向长度为L₁，L₁与d₁之比为1∶1～1∶8，最佳值为1∶1～1∶4。稳定段直径d₁与d₂之比为1∶1～10∶1，最佳值为2∶1～6∶1。

喷管收缩段BC为曲线，B点截面直径等于d₁，C点直径为喉部直径d₂。收缩段的轴向长度为L₂，L₂与d₁之比为：1∶5～4∶1，最佳值为1∶2～3∶1。

喷管喉部CD型线为一段圆弧。其中圆弧直径d₃与d₂之比为1∶1～15∶1，常用值为3∶1～10∶1。

扩散段DEF的型线是由直线DE加一段曲线EF组成的，其直线段倾斜角是由气流的最大膨胀角β，或者说是由设计马赫数M决定的。其中直线倾斜角的范围是0°～60°，F点喷管直径d₄与d₂之比为1∶1～8∶1。曲线EF是根据空气动力学理论，由特征线法得出的曲线。

本设计的气雾化喷管克服了前面所述的缺点，采用了平滑曲线代替了直线型面，使气流到达喉部时，得到了均匀一致，紊流度小，流场中不存在激波的气体。

所述的稳定段理论上越长，来流越均匀。稳定段直径d₁加大，可以提高收缩段的收缩比，因而降低气流的紊流度。但是实际上会受到喷管的直径和加工的难易程度等条件限制。

所述的收缩段在气雾化喷管中起到的作用是加速气流，同时保证气流达到喉部时气流均匀且稳定。收缩段的设计方法有多种，这里采用的经验方法是Bumowuhckuǔ公式。

所述的喉部是气流从亚音速转变为超音速的过渡段，若要在喉部得到一近似直线的音速线，必须使喉部处的喷管型线有很大的曲率半径，不使气流有弯曲运动。

通过调整出口截面与喉部截面的直径比(d₄∶d₃)，可得到相应的气流马赫数。提高喷嘴气腔的压强，可以改变喷管出口的马赫数。当气腔内压强超过设计压强时，喷管出口产生膨胀波，气流穿过膨胀波进一步加速。

工作时，由于喷管的内部型线(ABCDEF)是流线型，完全按照可以减少气流由于壁面产生的普朗特-迈耶波，或者各种激波，降低能量损失和紊流度。

本发明与已有技术相比具有如下优点：

1、增加了稳定段，使气流速度分布均匀，导直气流方向，使各点气流方向均平行于气雾化喷管轴线方向，减少气流的紊流度；

2、收缩段改为平滑的曲线设计，可以使稳定段来的气流均匀加速至音速；

3、整个喷管完全按照空气动力学理论设计，减少产生普朗特-迈耶波或者各种激波的机率，降低能量损失和紊流度；

4、节约材料，降低成本。按照这种设计，气雾化喷嘴的气腔中压强较小，耗气量减小，并且喷管出口的马赫数可以控制，进而可以控制快速凝固气雾化过程中粉体的粒度分布。满足在气雾化过程中的性能要求，可以获得高的细粉出粉率，粒度分布范围较窄。

附图说明

图1为本发明的气雾化喷嘴中喷管示意图。

图中：1为气腔，2为中心孔，3为喷管，4为进气管。

图2为本发明气体喷管示意图。

图中：AB为稳定段，BC为收缩段，CD为喉部，DEF为扩散段。

图3为美国专利US6,142,382金属气雾化喷嘴示意图。

图中：5为喷嘴，6为导流嘴，7为喷管收缩段，8为喷管扩散段，9为喷管喉部

图4为中国专利CN 2714160Y高压气雾化喷嘴示意图。

图中：10为喷嘴，11为喷管收缩段，12为喷管喉部，13为喷管扩散段。

图5为实施例1中金属粉体的粒度分布曲线。

图6为实施例1中金属粉体的SEM照片。

图7为实施例1中金属粉体的SEM照片。

具体实施方式

实施例1：

本实施例中，FeNi30合金熔液以1650℃的温度从导流嘴中流出。Laval型气体喷管的喉部直径d₂与出口直径d₄之比为1∶1.7，稳定段L₁与d₁之比为1∶1，稳定段直径d₁与d₂之比为4∶1，收缩段的长度L₂与d₁之比为8∶3，喷管喉部d₃与d₂之比为8∶1。角α为11°，角β为11.7°。雾化气体为氮气，雾化压力为2.6MPa，雾化室内压力为0.1MPa。金属粉体的粒度分布曲线如图5所示，金属粉体的SEM照片如图6、7所示。做出的粉末所达到的平均颗粒直径为13.1021μm，40wt％小于11.4014μm，70wt％小于17.2511μm，90wt％小于25.6048μm。

实施例2：

材料为NiMnCo合金熔液以1450℃的温度从一导流嘴喷出，导流嘴内径为4.0mm。Laval型气体喷管的喉部直径d₂与出口直径d₄之比为1∶2.5，稳定段L₁与d₁之比为1∶2，稳定段直径d₁与d₂之比为4∶1，收缩段的长度L₂与d₁之比为1∶1，喷管喉部d₃与d₂之比为8∶1。角α为11°，角β为20°。雾化气体为氮气，雾化压力为3.5MPa，雾化室内压力为0.1MPa。雾化所得粉末50wt％小于10.5μm，80wt％小于17.05μm，平均颗粒直径为12.06μm。

实施例3：

本实施例中，Laval型气体喷管的喉部直径d₂与出口直径d₄之比为1∶2，稳定段L₁与d₁之比为1∶2，稳定段直径d₁与d₂之比为5∶1，收缩段的长度L₂与D₁之比为1∶1，喷管喉部d₃与d₂之比为8∶1。角α为11°，角β为11.7°。雾化气体为氩气，雾化压力为1.1MPa，雾化室内压力为0.1MPa。Al20Sn1Cu合金熔液雾化温度为740℃。雾化所得粉末50wt％小于27.7μm，80wt％小于40.24μm，平均颗粒直径为30.05μm。

Claims

1、一种用于金属气体雾化的环孔型超音速喷嘴装置，它包含：连接外部气瓶的进气管(4)，进气管与喷嘴环形气腔(1)相连，喷嘴中心有一中心孔(2)，气腔下方腔壁上均匀分布着多个超音速气体喷管(3)，它包含有稳定段、收缩段、喉部和扩散段，其中气体喷管中心线的延长线与中心孔轴线形成夹角α，所述的稳定段线段AB是一段平行于喷管轴线的直线，所述的喷管收缩段BC为收缩式的曲线，所述的喷管喉部CD型线为一段圆弧，所述的扩散段DEF型线是由直线DE加一段曲线EF组成的，整个喷管的横截面为圆形，其型面是由喷管中ABCDEF曲线绕喷管轴线旋转所得到的一个流线型曲面。

2、根据权利要求1所述的一种用于金属气体雾化的环孔型超音速喷嘴装置，其特征在于：气体喷管中心线的延长线与中心孔轴线形成夹角α为-45°～45°。

3、根据权利要求1或2所述的一种用于金属气体雾化的环孔型超音速喷嘴装置，其特征在于：稳定段AB的轴向长度L₁与截面直径d₁之比为1∶1～1∶8，直径d₁与d₂之比为1∶1～10∶1。

4、根据权利要求3所述的一种用于金属气体雾化的环孔型超音速喷嘴装置，其特征在于：稳定段AB的轴向长度L₁与截面直径d₁之比为1∶1～1∶4。

5、根据权利要求1或2所述的一种用于金属气体雾化的环孔型超音速喷嘴装置，其特征在于：收缩段曲线BC的轴向长度L₂与B点截面直径d₁之比为：1∶5～4∶1，直径d₁与d₂之比为2∶1～6∶1。

6、根据权利要求5所述的一种用于金属气体雾化的环孔型超音速喷嘴装置，其特征在于：收缩段曲线BC的轴向长度L₂与B点截面直径d₁之比为：1∶2～3∶1。

7、根据权利要求1或2所述的一种用于金属气体雾化的环孔型超音速喷嘴装置，其特征在于：喷管喉部CD型线曲率直径d₃与喉部直径d₂之比为1∶1～15∶1。

8、根据权利要求1所述的一种用于金属气体雾化的环孔型超音速喷嘴装置，其特征在于：扩散段DEF段型线中直线部分倾斜角β的范围是0°～60°，F点喷管直径d₄与d₂之比为1∶1～8∶1。