CN102794454A

CN102794454A - 一种制备金属及合金粉末的高能气体雾化喷嘴

Info

Publication number: CN102794454A
Application number: CN2012102915966A
Authority: CN
Inventors: 龙郑易; 金霞; 赵文军; 张腾辉
Original assignee: Zhejiang Asia General Soldering & Brazing Material Co Ltd
Current assignee: Zhejiang Asia General Soldering & Brazing Material Co Ltd
Priority date: 2012-08-16
Filing date: 2012-08-16
Publication date: 2012-11-28

Abstract

本发明涉及一种制备金属及合金粉末高能气体雾化喷嘴。现有的雾化喷嘴所产生的超音速气流不稳定，易出现紊流现象而造成超音速气流的能量自耗损失。本发明包括进气管、导流管、上端盖和下端盖，上端盖和下端盖之间形成环绕于导流管周围的气体型腔，上端盖和下端盖的内侧壁在导流管的底端附近形成Laval喷管结构，Laval喷管结构包括收缩段、喉口和扩张段，其特征在于所述的气体型腔呈对称的流线性结构，所述导流管的下侧壁与扩张段的出口外壁相切。本发明呈对称结构的Laval收缩扩张型喷管，降低了经加速后气流间的紊流，产生稳定的高能超音速气体流，可实现金属及其合金的高效雾化率，所制备的金属粉体中500目以下超细粉末占比达65%以上。

Description

一种制备金属及合金粉末的高能气体雾化喷嘴

技术领域

本发明涉及一种利用高能气体雾化熔融金属液制取超细粉体的装置，特别是一种制备金属及合金粉末高能气体雾化喷嘴。

背景技术

气体雾化制备金属及合金粉末具有有害气体含量低、粉体球形度好，是目前最常见的粉体制备方方式之一。通常采用非限制式气雾化喷嘴对自由下落的金属液进行雾化。此类雾化方式的喷嘴结构简单、易于控制、金属液漏嘴不易堵塞，因此生产成本低廉，但所得粉末平均粒度较粗，细粉比例低，一般分布在60-300μm。为了提高气体雾化效率，后来发展了限制式结构雾化喷嘴，缩短了气体飞行距离，减少了气体能量的损失，使得雾化效率大幅提高。

现代工业具有实用意义的雾化喷嘴中最具代表性的有两类：一类是美国MIT的Grant教授发明的超声雾化喷嘴（US Patent No.4778516）。超声雾化喷嘴有Laval喷嘴和Hartman振动管组合在一起，在产生2-2.5马赫的超音速气流的同时产生80-100KHz的脉冲频率，对铝及其铝合金具有非常好的雾化效果，粉末的平均粒度约40-60μm。但该雾化喷嘴仅适用于铝等熔点较低金属或合金的雾化。另一类是美国Iowa州立大学的Ames实验室的Anderson等人发明了高压气体雾化喷嘴（USPatent No.4619845），将环缝式喷嘴改为20-24个环孔式喷嘴，通过提高气体压力和改变导流管出口的形状设计，克服了限制式环缝喷嘴中存在气体激波，从而提高雾化效率。粉末的平均粒度约30-50μm。但该雾化器需要在很高压力下实现，雾化时气体消耗量大，雾化生产成本较高。

中国专利（ZL 200420023889.7）及中国专利（公开号：CN 101596601A）分别公开了一种高压气体雾化喷嘴和用于高效制备微细金属及合金粉末的雾化喷嘴。所公开的两种雾化喷嘴均用于高压气体雾化，在整体结构上较为相似，仅在一些雾化角度与金属液流大小等细节上略有区别。但上述两个专利中均未对Laval收缩扩张型喷管进行详尽描述，且根据其结构示意图，所设计的喷嘴存在一定的缺陷。例如气体腔的非流线过渡结构的收缩扩张型喷管，气流在气体腔中流动时会损失一定的能量，同时也导致了收缩扩张型喷管的喉口前的收缩管没有足够的加速区将高压气体加速至音速，因此需要较高的进气压力才能实现收缩扩张型喷管的喷口出为超音速气流。否则气流在经过收缩扩张型喷管喉口后仍然为亚音速流动，难以达到超音速。此外，上述专利中的收缩扩张型喷管为非对称结构，并非严格意义上的Laval收缩扩张型喷管，其所产生的超音速气流不稳定，中易出现紊流现象而造成超音速气流的能量自耗损失。

发明内容

本发明根据现有技术存在的缺陷，提供一种制备金属及合金粉末高能气体雾化喷嘴，对喷嘴结构进行最优化设计，保证高压气体经Laval喷管喉口后能加速到超音速，并以最小能量损失的方式对金属液流进行雾化，所制备的金属粉体中500目以下超细粉末占比达65%以上。

为此，本发明采取如下技术方案：一种制备金属及合金粉末的高能气体雾化喷嘴，包括进气管、导流管、上端盖和下端盖，上端盖和下端盖之间形成环绕于导流管周围的气体型腔，上端盖和下端盖的内侧壁在导流管的底端附近形成Laval喷管结构，Laval喷管结构包括收缩段、喉口和扩张段，其特征在于所述的气体型腔呈对称的流线性结构，所述导流管的下侧壁与扩张段的出口外壁相切。Laval收缩扩张型喷管的喉口前段采用流线型曲面设计，为高压气体流经喉口前提供了足够的加速区，保证了高压气体经Laval喷管后可产生稳定的高能超音速气体流。导流管侧面与扩张段的出口（即喷口）方向相切即降低了气流经导流管侧面时的能量损耗，使得经Laval喷管加速后的高能气体以最大的能量对导流管流出的金属液进行冲击破碎雾化，提高了雾化效率。

所述导流管的内部为上端锥形，下端平行的结构，所述导流管的顶端直径为D，导流管内平行液流段的直径为d1，平行液流段的长度为L,所述的D/d1为2.0～6.0，d1为3.5-5.5mm，L为4-6mm。该结构能有效防止金属堵嘴现象的发生，并根据制备金属的不同，对导流管的尺寸结构作出改变以达到更高的雾化效率。

所述Laval喷管结构的喉口中心线夹角w为45-60°，为降低金属导流管与高能气流焦点区内产生的背压，根据根据空气动力学原理及实际经验，将呈对称结构的Laval收缩扩张型喷管中心线的夹角w控制在45-60°。

气体型腔及Laval喷管结构的内表面经抛光处理，抛光面的光洁度达11级以上，进一步降低气流在气体型腔内流动的损耗，提高雾化效率。

本发明具有如下优点和积极效果：

1、根据空气动力学原理，采用高表面光洁度呈流线性设计的Laval收缩扩张型喷管，高能气流能量损耗低，为高压气体流经喉口前提供了足够的加速区；

2、根据空气动力学原理，呈对称结构的Laval收缩扩张型喷管，降低了经加速后气流间的紊流，产生稳定的高能超音速气体流；

3、根据空气动力学原理，将呈对称结构Laval收缩扩张型喷管中心线的夹角w控制在45-60°以降低金属导流管与高能气流焦点区内产生的背压；

4、采用上锥下平的导流管可有效防止金属液出现堵嘴现象，提高了雾化生产效率；

5、气体从Laval收缩扩张型喷管扩张段喷出时，导流管侧面与扩张段出口方向相切，保证了高能气体以能量最大的方式对金属液进行雾化。

综上所述，采用本发明的高能气体雾化喷嘴，可实现金属及其合金的高效雾化率，所制备的金属粉体中500目以下超细粉末占比达65%以上。

附图说明

图1为本发明的一种结构示意图

具体实施方式

以下通过具体实施例来对本发明进行详细说明。

实施例1：

如图1所示的一种制备金属及合金粉末高能气体雾化喷嘴，包括进气管1、导流管5、上端盖6和下端盖7，上端盖6和下端盖7之间形成环绕于导流管5周围的气体型腔2，上端盖6和下端盖7的内侧壁在导流管5的底端附近形成Laval喷管结构，Laval喷管结构包括收缩段、喉口3和扩张段4，气体型腔2呈对称的流线性结构，气体型腔2及Laval喷管结构的内表面经抛光处理，抛光面的光洁度达11级以上。导流管5的下侧壁8与扩张段4的出口外壁9相切。导流管5的内部为上端锥形，下端平行的结构，导流管5竖直平行段直径d1为5.5mm，导流管外径D为16mm，平行段长度L为6mm，Laval喷管结构的喉口中心线夹角w为45-60°。

工作时，以316L不锈钢标准成分进行配料30KG，雾化炉系统抽真空后进行中频感应熔炼，带炉料熔化后充N₂保护精炼，待炉温升至1600℃后进行雾化，雾化时喷嘴进口压力为3.8MPa，雾化气体为高纯N₂。雾化正常进行，雾化后积粉罐中粉末总重约28.3KG，先将粉末经80目筛网粗筛，再经500目超声振动筛进行筛分，所得500目（即25μm）以下粉末约19.6Kg，占比约69.3%。其粉体扫描电子显微照片如图2所示。

实施例2：

如图1所示，其与实施例1的不同点在于d1为5.0mm，导流管外径D为18mm，平行段长度L为5mm。

工作时，以17-4PH不锈钢标准成分进行配料30KG，雾化炉系统抽真空后进行中频感应熔炼，带炉料熔化后充N₂保护精炼，待炉温升至1500℃后进行雾化，雾化时喷嘴进口压力为3.5Mpa，雾化气体为高纯N₂。雾化正常进行，雾化后积粉罐中粉末总重约27.9KG，先将粉末经80目筛网粗筛，再经500目超声振动筛进行筛分，所得500目（即25μm）以下粉末约18.9Kg，占比约67.7%。其粉体扫描电子显微照片如图3所示。

实施例3：

如图1所示，其与实施例1的不同点在于d1为4.2mm，导流管外径D为20mm，平行段长度L为5mm。

工作时，以BNi-7钎料标准成分进行配料30KG，雾化炉系统抽真空后进行中频感应熔炼，带炉料熔化后充N₂保护精炼，待炉温升至1400℃后进行雾化，雾化时喷嘴进口压力为3.2Mpa，雾化气体为高纯N₂。雾化正常进行，雾化后积粉罐中粉末总重约28.8KG，先将粉末经80目筛网粗筛，再经500目超声振动筛进行筛分，所得500目（即25μm）以下粉末约19.0Kg，占比约65.9%。其粉体扫描电子显微照片如图4所示。

实施例4：

如图1所示，其与实施例1的不同点在于d1为3.8mm，导流管外径D为20mm，平行段长度L为4mm。

工作时，以FeNi30触媒合金标准成分进行配料30KG，雾化炉系统抽真空后进行中频感应熔炼，带炉料熔化后充N₂保护精炼，待炉温升至1600℃后进行雾化，雾化时喷嘴进口压力为2.8Mpa，雾化气体为高纯N₂。雾化正常进行，雾化后积粉罐中粉末总重约28.5KG，先将粉末经80目筛网粗筛，再经500目超声振动筛进行筛分，所得500目（即25μm）以下粉末约18.7Kg，占比约65.6%。其粉体扫描电子显微照片如图5所示。

Claims

1.一种制备金属及合金粉末的高能气体雾化喷嘴，包括进气管、导流管、上端盖和下端盖，上端盖和下端盖之间形成环绕于导流管周围的气体型腔，上端盖和下端盖的内侧壁在导流管的底端附近形成Laval喷管结构，Laval喷管结构包括收缩段、喉口和扩张段，其特征在于所述的气体型腔呈对称的流线性结构，所述导流管的下侧壁与扩张段的出口外壁相切。

2.根据权利要求书1所述的一种制备金属及合金粉末的高能气体雾化喷嘴，

其特征在于所述导流管的内部为上端锥形，下端平行的结构，所述导流管的顶端直径为D，导流管内平行液流段的直径为d1，平行液流段的长度为L,所述的D/d1为2.0～6.0，d1为3.5-5.5mm，L为4-6mm。

3.根据权利要求书1或2所述的一种制备金属及合金粉末的高能气体雾化喷嘴，其特征在于所述Laval喷管结构的喉口中心线夹角w为45-60°。

4.根据权利要求书3所述的一种制备金属及合金粉末的高能气体雾化喷嘴，其特征在于所述气体型腔及Laval喷管结构的内表面经抛光处理，抛光面的光洁度达11级以上。

5.根据权利要求书1所述的一种制备金属及合金粉末的高能气体雾化喷嘴，其特征在于所述气体型腔及Laval喷管结构的内表面经抛光处理，抛光面的光洁度达11级以上。