CN102837001B

CN102837001B - 一种金属液流易流出的微细金属粉末雾化喷嘴

Info

Publication number: CN102837001B
Application number: CN 201210370835
Authority: CN
Inventors: 陈仕奇
Original assignee: HUNAN HENGJI POWDER TECHNOLOGY CO LTD
Current assignee: HUNAN HENGJI POWDER TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2012-09-29
Filing date: 2012-09-29
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2032-09-29
Also published as: CN102837001A

Abstract

一种金属液流易流出的微细金属粉末雾化喷嘴，由第一组件和第二组件组合而成，该第一组件由圆柱台下连接圆锥台组成，该第一组件的中心设置导液管，第二组件由一圆柱内腔下连接一圆锥内腔组成，该第二组件的圆柱内腔壁形成有一环形凹槽,该圆柱台与圆锥台连接处为顺序连接的水平圆环面和内弧形旋转体，该圆柱内腔与圆锥内腔连接处为顺序连接的水平圆环面和外弧形旋转体；该环形凹槽构成一进气腔，该第一组件与第二组件之间形成三段式Laval气体通道，第一段为第一、二组件的水平圆环面形成的水平进气收缩段，第二段是由第一组件的内弧形旋转体与第二组件的外弧形旋转体形成的弧形扩张段，第三段是由第一组件的圆锥台与第二组件的圆锥内腔形成的直线型扩张段。

Description

一种金属液流易流出的微细金属粉末雾化喷嘴

技术领域

本发明涉及一种利用超音速气流将液态金属雾化成小液滴并凝固成粉末的雾化喷嘴，尤其是一种金属液流易流出的微细金属粉末雾化喷嘴。

背景技术

气体雾化技术用于金属粉末的生产，其制粉的原理是用一高速气流将液态金属流粉碎成小液滴并凝固成粉末的过程。气体雾化粉末具有球形度高、粉末粒度可控等优点。

雾化器是气体雾化制粉技术的核心，雾化器决定了雾化粉末的性能和雾化效率。提高微细粉末（粒度小于45μm的粉末）的收得率和粉末的可控性，降低粉末制备成本，是雾化器发展的趋势。

从现有的专利和文献分析可以知道，雾化器的技术特征主要有环孔型和环缝型，即雾化器的气流出口是多个呈圆周分布的小孔组成或者以圆周型分布的开口很小的缝隙圆，气流出来后以一定的角度聚焦于一点，金属液流从雾化器的中心点流出，在气流的焦点处雾化成粉末。环孔型雾化器结构简单，易于加工，但效率较低（如美国专利US4778516，US4619845）；而环缝型效率高，加工精度也高（如中国专利CN1078928A，CN1709585A，CN2009103041661），这两种雾化器的使用是依据粉末的粒度和生产能力而定。但为了提高雾化效率，一些雾化器将气流流道设计成Laval喷管形式（如中国专利CN1709585A，CN2009103041661），以使气流出口速度达到超声音。

从已有的专利和气体动力学知识可以知道，采用Laval形式的气体通道可以获得超音速气流，提高气体的动能，从而提高雾化效率。为了实现金属熔体的雾化过程，还需要一个陶瓷导流管将液态金属导入雾化器。但由于专利的保密性，这些已有的专利均未对雾化喷嘴的具体结构作出说明，尤其是导流管在喷嘴中的长度。依据已有知识和经验表明，导液管的长度对雾化过程的稳定性具有重要的影响，尤其是高熔点的金属，过长的导液管（如超过30mm）将会给雾化的稳定性带来很多问题。一般工业使用的雾化喷嘴的导液管是不直接加热的（直接加热比较复杂，对喷嘴有影响），而是依靠中间包的辐射加热，长的导液管将导致辐射温度不够，导液管的出口温度不高，易于造成堵嘴和断流。对高熔点金属采用过长的导液管往往导致熔体难以流下，雾化的成功率不高，工业实践中往往通过增大导液管的通径（如增加到6mm或以上）以解决这一问题。尽管增大通径可以解决堵嘴和断流问题，但同时会显著增加金属熔体的流量和雾化器的尺寸，这会导致雾化的效率明显下降，粉末的粒度明显粗化，因此在制备粒度细小的粉末的情况下，这种方法是不可取的。

分析已有的专利表明，采用Laval形式的气体流道是提高雾化效率的前提条件，依据气体动力学的相关知识，为了获得最高气流速度，Laval管的扩张段的最大与最小截面积的比值为3～4，由于雾化喷嘴的气流均以一定的角度（一般小于60°）相交于雾化点，为了减少气流的紊乱对雾化区的不利影响，因此直线段的距离较长，一般达到20mm以上，已有专利的扩张段均为直线型，这将导致喷嘴的总的厚度不能减少，至少要达到50mm以上，必然导致导液管的长度大于50mm，这是不利于雾化的稳定进行和微细粉末的制备，需要一个结构完全不一样的喷嘴，既具有Laval气流通道，同时又能显著减短导液管的长度。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有超音速气流、雾化效率高，且金属液流易流出的微细金属粉末雾化喷嘴，同时其能减短导液管的长度，克服堵嘴和断流现象，从而为雾化制取微细粒度的粉末，尤其是高熔点金属粉末提供一个解决方案。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：一种金属液流易流出的微细金属粉末雾化喷嘴，由第一组件和第二组件组合而成，该第一组件从上至下由一体形成的一个圆柱台和一个圆锥台组成，该第一组件的中心设置导液管，第二组件由一个圆柱内腔下连接一个圆锥内腔组成，该第二组件的圆柱内腔壁形成有一环形凹槽,该环形凹槽经进气管道与外部气源连接，该圆锥台的锥角的取值范围为20°－80°；该圆柱台与圆锥台连接处为顺序连接的一水平圆环面和一内弧形旋转体，该圆柱内腔与圆锥内腔连接处为顺序连接的一水平圆环面和一外弧形旋转体；在第一组件和第二组件组合后，该环形凹槽构成一进气腔，该第一组件与第二组件之间形成Laval气体通道；该Laval气体通道由三段组成，第一段为第一、二组件的水平圆环面形成的水平进气收缩段，紧接着的第二段是由第一组件的内弧形旋转体与第二组件的外弧形旋转体形成的弧形扩张段，再接着的第三段是由第一组件的圆锥台与第二组件的圆锥内腔形成的呈一定锥度的直线型扩张段；该水平进气收缩段形成Laval气体通道的收缩段，该水平进气收缩段与弧形扩张段的连接处形成Laval气体通道的喉部，弧形扩张段和直线扩张段组成Laval气体通道的扩张段，这样就形成了一完全的Laval喷管结构，进而参照Laval喷管结构的要求来确定Laval气体通道的扩张段长度，藉由弧形扩张段的存在使雾化喷嘴的厚度减小，从而减短导液管。

上述方案的进一步改进为，该直线扩张段的中心线形成的夹角为雾化的喷射角，该喷射角的角度为20°～60°。

上述方案的进一步改进为，该圆锥内腔的锥角的取值范围为15°～70°，且该圆锥台的锥角大于该圆锥内腔的锥角，使直线扩张段呈扩张状；该直线扩张段的长度为3－8mm，该雾化喷嘴的厚度小于等于30mm，该导液管的长度小于等于30mm。

本发明的有益效果是：本发明雾化喷嘴的气体流道具有Laval喷管结构特征，扩张段长度可以参照Laval喷管结构的要求设计，保证气流达到超声速以获得高速气流，提高雾化效率；同时采用弧形扩张段可以减少喷嘴的高度（厚度），有效降低导液管的长度，大幅增加雾化的稳定性，并克服堵嘴现象。由于本发明的导液管的长度能降至30mm以内，因而本发明雾化器适用于熔点在1600℃以下所有金属及合金熔体的雾化。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为雾化喷嘴结构示意图。

图中符号说明：

1 第一组件；

2 第二组件；

3 进气腔；

4 进气管道；

5 水平进气收缩段；

6 弧形扩张段；

7 直线扩张段；

8 导液管；

L 厚度；

φ 直径；

β 锥角；

γ 锥角；

α 喷射角。

具体实施方式

如图1所示，本发明金属液流易流出的微细金属粉末雾化喷嘴由第一组件1和第二组件2两部分组合而成。第一组件1从上至下由一体形成的一个圆柱台和一个圆锥台组成，该圆柱台与圆锥台连接处为顺序连接的一水平圆环面及内弧形旋转体，该第一组件1的中心设有一通孔，用于放置导液管8。第二组件2由一体形成的一个圆柱内腔和一个圆锥内腔组成，圆柱内腔与圆锥内腔连接处为顺序连接的一水平圆环面及外弧形旋转体。该第二组件2的圆柱内腔壁形成有一环形凹槽,该环形凹槽经进气管道4与外部气源连接。在第一组件1和第二组件2组合后，该环形凹槽构成一进气腔3；该第一组件1与第二组件2之间形成狭长的Laval气体通道，该Laval气体通道由三段组成，一段为第一、二组件1、2的水平圆环面形成的水平进气收缩段5，紧接着是一段由第一组件1的内弧形旋转体与第二组件2的外弧形旋转体形成的弧形扩张段6，再接着是由第一组件1的圆锥台与第二组件2的圆锥内腔形成的呈一定锥度的直线型扩张段7。该水平进气收缩段5形成Laval气体通道的收缩段，该水平进气收缩段5与弧形扩张段6的连接处形成Laval气体通道的喉部，喉部以下为Laval气体通道的扩张段，此处的Laval气体通道的扩张段由弧形扩张段6和直线扩张段7组成，这样就可以完全按照Laval管的要求来设计Laval气体通道扩张段的长度，而由于弧形扩张段6的存在将雾化喷嘴的厚度L大幅度减小，从而达到减短导液管8的目的，而该直线扩张段7可以将气流聚焦于雾化点。

该直线扩张段7的中心线形成的夹角为雾化的喷射角α，这一角度为20°～60°。该圆锥台的锥角β的取值范围为20°－80°，该圆锥内腔的锥角γ的取值范围为15°～70°，且该圆锥台的锥角β始终大于该圆锥内腔的锥角γ，使直线扩张段7呈扩张状。该直线扩张段的长度一般为3－8mm。由于直线扩张段的长度大幅度减小，雾化喷嘴的厚度L也大幅度减小至30mm以内，甚至20mm，这样导液管8的长度相应减少至30mm以内，这样既达到了Laval气体通道的特征要求，又可以大幅减小导液管8的长度，从而能有效克服雾化喷嘴的堵嘴和不稳定现象。

本发明雾化喷嘴适用于熔点在1600℃以下所有金属及合金熔体的雾化。

下面以具体实施例来说明本发明所带来的技术效果。

例1

使用图1所示的喷嘴结构，喷射角55°，直线扩张段长度5mm，导液管8的外径φ为15mm，内径为4.0mm，在喷嘴内的长度为30mm。以304L不锈钢为雾化对象进行粉末的雾化试验，试验合金为50kg，雾化温度为1600℃，雾化压力为4.5MPa。雾化后将粉末用标准分析筛进行粉末粒度测定，所雾化的粉末中粒度小于150μm（-100目）的粉末的比例为95.0%，小于45μm（-320目）的粉末的比例为69.3%，小于23μm（-600目）的粉末的比例为53.2%，粉末的平均粒度d₅₀约为20μm。

例2

使用图1所示的喷嘴结构，喷射角50°，直线扩张段长度3mm，导液管的外径为15mm，内径为4.0mm，在喷嘴内的长度为25mm。以17-4ph不锈钢为雾化对象进行粉末的雾化试验，试验合金为50kg，雾化温度为1580℃，雾化压力为4.5MPa。雾化后将粉末用标准分析筛进行粉末粒度测定，所雾化的粉末中粒度小于150μm（-100目）的粉末的比例为95.5%，小于45μm（-320目）的粉末的比例为75.0%，小于23μm（-600目）的粉末的比例为62.3%，粉末的平均粒度d₅₀约为18μm。

例3

使用图1所示的喷嘴结构，喷射角60°，直线扩张段长度5mm，导液管的外径为15mm，内径为4.5mm，在喷嘴内的长度为25mm。以316L不锈钢为雾化对象进行粉末的雾化试验，试验合金为50kg，雾化温度为1600℃，雾化压力为4.5MPa。雾化后将粉末用标准分析筛进行粉末粒度测定，所雾化的粉末中粒度小于150μm（-100目）的粉末的比例为93.5%，小于45μm（-320目）的粉末的比例为70.8%，小于23μm（-600目）的粉末的比例为56.5%，粉末的平均粒度d₅₀约为22μm。

例4

使用图1所示的喷嘴结构，喷射角55°，直线扩张段长度6mm，导液管的外径为14mm，内径为4.5mm，在喷嘴内的长度为26mm。以Fe-6.5wt%Si合金为雾化对象进行粉末的雾化试验，试验合金为100kg，雾化温度为1600℃，雾化压力为4.5MPa。雾化后将粉末用标准分析筛进行粉末粒度测定，所雾化的粉末中粒度小于150μm（-100目）的粉末的比例为96.8%，小于45μm（-320目）的粉末的比例为73.4%，小于23μm（-600目）的粉末的比例为59.5%，粉末的平均粒度d₅₀约为19μm。

Claims

1.一种金属液流易流出的微细金属粉末雾化喷嘴，由第一组件和第二组件组合而成，该第一组件从上至下由一体形成的一个圆柱台和一个圆锥台组成，该第一组件的中心设置导液管，第二组件由一个圆柱内腔下连接一个圆锥内腔组成，该第二组件的圆柱内腔壁形成有一环形凹槽,该环形凹槽经进气管道与外部气源连接，其特征在于，该圆锥台的锥角的取值范围为20°－80°；该圆柱台与圆锥台连接处为顺序连接的一水平圆环面和一内弧形旋转体，该圆柱内腔与圆锥内腔连接处为顺序连接的一水平圆环面和一外弧形旋转体；在第一组件和第二组件组合后，该环形凹槽构成一进气腔，该第一组件与第二组件之间形成Laval气体通道；该Laval气体通道由三段组成，第一段为第一、二组件的水平圆环面形成的水平进气收缩段，紧接着的第二段是由第一组件的内弧形旋转体与第二组件的外弧形旋转体形成的弧形扩张段，再接着的第三段是由第一组件的圆锥台与第二组件的圆锥内腔形成的呈一定锥度的直线型扩张段；该水平进气收缩段形成Laval气体通道的收缩段，该水平进气收缩段与弧形扩张段的连接处形成Laval气体通道的喉部，弧形扩张段和直线扩张段组成Laval气体通道的扩张段，这样就形成了一完全的Laval喷管结构，进而参照Laval喷管结构的要求来确定Laval气体通道的扩张段长度，藉由弧形扩张段的存在使雾化喷嘴的厚度减小，从而减短导液管。

2.根据权利要求1所述的一种金属液流易流出的微细金属粉末雾化喷嘴，其特征在于，该直线扩张段的中心线形成的夹角为雾化的喷射角，该喷射角的角度为20°～60°。

3.根据权利要求1或2所述的一种金属液流易流出的微细金属粉末雾化喷嘴，其特征在于，该圆锥台的锥角大于该圆锥内腔的锥角，使直线扩张段呈扩张状；该直线扩张段的长度为3－8mm，该雾化喷嘴的厚度小于等于30mm，该导液管的长度小于等于30mm。