CN104057097B - 一种双环超音速雾化器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种可用于制备高熔点金属粉体的双环超音速雾化器。本发明其特征在于雾化器的两侧分别形成进气道，雾化器的下部设置内环出气道和外环出气道，雾化器内位于导流管的两侧分别设置分气挡板，分气挡板将雾化器隔成两个环形气腔，所述的环形气腔连通进气道、内环出气道和外环出气道。本发明采用同一个气腔供气节省了供气空间，结构简单，减少了雾化器整体厚度，从而降低了导流管长度，减少金属液体在导流管内部流动距离，降低散热，有效避免了导流管中金属液凝固堵塞现象。
Description
技术领域
本发明涉及一种制备金属粉的雾化器，具体是一种可用于制备高熔点金属粉体的双环超音速雾化器。
背景技术
气雾化制备金属粉体是现代工业中高品质金属粉体的主要制备方法。气雾化制粉具有氧含量低、球形度高、快速凝固的组织形态、材料无偏析等特点。
雾化器是气雾化制粉的核心技术，通过雾化器流出气体作用于金属液流使液体发生破碎，气体的动能克服液体的表面能，使液流破碎成分散的金属液滴，并伴随着强烈的对流换热使金属液滴快速凝固，实现了雾化制粉的过程。雾化器的结构会在很大程度上影响气体雾化效率与制备粉体的形态。传统的雾化器主要有开放式和约束式雾化器，各有其优点。开放式雾化器出现较早结构简单，当液体与气体流出雾化器一定距离后再相互混合实现雾化。其优点在于导流顺畅不易出现导流管堵塞现象，但缺点是雾化效率低用气量大，且雾化粉体平均粒径较粗，仅适用于60-300μm粒度粉末的生产。
为了提高雾化效率，后来发展了约束式雾化器，这种雾化器雾化气体与液体出口紧邻，当液体流出后马上与高速气体相遇开始雾化过程，雾化效率高，制得粉体平均粒径较细。现代具有工业实用意义的雾化器主要有两类：一种是出口为Laval形截面的紧配合式超音速雾化器，该雾化器利用了气体淤塞原理使气体加速，提高气体动能来提高雾化效率；另一种为美国麻省理工学院的N.T.Grant教授发明的超声雾化器(US PatentN.4778516)，利用Hartmann超声波振动管原理，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，粉末的平均粒度可达到40-60μm。但在雾化中产生的微细粉体与大颗粒易产生碰撞形成卫星球粉体的状态，严重影响了粉体的流动性及后期使用性能。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种双环超音速雾化器，能提高雾化效率的同时抑制雾化颗粒的紊乱飞行，避免颗粒之间的碰撞，抑制产品中的卫星球粉体，本发明适用于熔点1600℃以下所有金属及合金熔体的雾化。
为此，本发明采取如下技术方案：一种双环超音速雾化器，雾化器的中部设置导流管，其特征在于雾化器的两侧分别形成进气道，雾化器的下部设置内环出气道和外环出气道，雾化器内位于导流管的两侧分别设置分气挡板，分气挡板将雾化器隔成两个环形气腔，所述的环形气腔连通进气道、内环出气道和外环出气道。本发明采用同一个气腔供气节省了供气空间，结构简单，减少了雾化器整体厚度，从而降低了导流管长度，减少金属液体在导流管内部流动距离，降低散热，有效避免了导流管中金属液凝固堵塞现象。
所述的内环出气道为环缝式结构，截面为Laval形，所述的外环出气道为Hartmann共振管。如果只有单环环缝式出气道工作，喷嘴流出的气体进入雾化腔后由于卷吸作用在主射流椎的四周会形成一个较大的气流涡旋，在涡旋内气体流动的作用下雾化后较小的液滴会伴随着涡旋紊乱飞行，极易与雾化后的大颗粒碰撞粘附到一起，从而形成粘附有卫星球颗粒的粉体，不利于粉体的流动及后期使用性能。本发明在内环出气道外设计了外环的Hartmann共振管后，从外环出气道喷出的高速气体将强烈抑制雾化腔内的涡旋产生，避免了破碎后小颗粒的紊乱飞行，同时也起到了辅助的二次雾化的效果提高了微细粉体的产率。使用该雾化器可使雾化后-500目微细粉体产率提高至50％以上，并可实现工业化生产。
内环出气道的内侧面构成圆锥台结构，其侧面锥角为α，α取值范围为50～60°，内环出气道的外侧面构成圆锥台结构，其侧面锥角为β，β取值范围为40～50°。
内环出气道分为亚声速收缩段、喉部过渡段和超声速扩张段，所述的亚声速收缩段设计采用维托辛思基曲线，喉部过渡段采用圆弧平滑过渡，所述的超音速扩张段设计成8-12°张角的发散型。当压力超过临界压力后气体流过Laval喷管喉部在扩张段不断加速形成超音速气流
雾化器包括上盖和底板，Hartmann共振管由分气挡板和底板共同组合而成，包括入口管和出口管，所述的入口管和出口管呈90度，所述入口管和出口管对应于分气挡板的一侧上形成共振盲管。所述的出口管为垂直向下设置，Hartmann共振管的转角处位于出口管上形成自适应喉部结构。该结构可起到类似于Laval喷管结构的作用使气流加速，并从出口管高速喷出。
所述内环出气道的喉部过渡段的最狭窄位置间隙宽度为1.2～2.5mm，所述的Hartmann共振管的出口管的孔径不超过1.5mm。
所述的雾化器内位于环形气腔的上部形成水冷腔。在雾化器工作时进行冷却，因此雾化器可工作于高温环境，用于雾化高温熔化态金属。
所述的内环出气道与外环出气道之间设置密封圈。避免两个出气道气体之间的相互影响。
所述的导流管采用氮化硼材料制成。可耐受2700℃高温。熔融态金属液体从导流管内的导液通道流出与气体相遇，从而实现雾化
本发明采用同一个气腔供气节省了供气空间，结构简单，减少了雾化器整体厚度，从而降低了导流管长度，减少金属液体在导流管内部流动距离，降低散热，有效避免了导流管中金属液凝固堵塞现象。在内环出气道外设计了另一组外环出气道，能有效抑制雾化腔内的涡旋产生，避免了破碎后小颗粒的紊乱飞行，同时也起到了辅助的二次雾化的效果，提高了微细粉体的产率。
附图说明
图1雾化器出口示意图
图2雾化器剖面结构示意图
图3 Hartmann共振管结构示意图
图4雾化后不锈钢粉体形貌。
具体实施例
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。
如图1-2所示的一种双环超音速雾化器，包括上盖2、底板4和采用氮化硼材料制成的导流管1，导流管1内形成到流通道10。雾化器的两侧分别形成进气道11，雾化器的下部设置内环出气道6和外环出气道7，雾化器内位于导流管1的两侧分别设置分气挡板3，分气挡板3将雾化器隔成两个环形气腔8，环形气腔8连通进气道11、内环出气道6和外环出气道7。雾化器内位于环形气腔的上部形成水冷腔9。内环出气道6与外环出气道7之间设置密封圈5。
内环出气道为环缝式结构，截面为Laval形，环形内环出气道的内侧面构成圆锥台结构，其侧面锥角为α，α取值范围为50～60°，内环出气道的外侧面构成的圆锥台结构，其侧面锥角为β，β取值范围为40～50°。内环出气道分为亚声速收缩段、喉部过渡段和超声速扩张段，亚声速收缩段设计采用维托辛思基曲线，喉部过渡段采用圆弧平滑过渡，所述的超音速扩张段设计成8-12°张角的发散型。内环出气道的喉部过渡段的最狭窄位置间隙宽度为1.2～2.5mm，
如图3所示，外环出气道为Hartmann共振管结构，Hartmann共振管由分气挡板和底板共同组合而成，包括入口管12水平设置，出13垂直设置，入口管12和出口管13对应于分气挡板的一侧上分别形成一级共振盲管14和二级共振盲管15。Hartmann共振管的转角处位于出口管上形成自适应喉部结构16。Hartmann共振管的出口管的孔径不超过1.5mm
工作时以316L不锈钢为准，不锈钢标准成分进行配料100KG，雾化炉系统抽真空后冲入一定量N2气保护熔炼，炉料完全熔化后精炼1-3分钟，待炉温升至1600℃后进行雾化，雾化时供气的环形气腔内压力为3.0MPa，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99.3KG，先将粉末经50目筛网粗筛，再经气流筛分选，所得500目(即25μm)以下粉末约54.6Kg，成品产率54.6％。其粉体扫描电子显微照片如图4所示，几乎看不到卫星球粉体的状态。
需要特别指出的是，上述实施例的方式仅限于描述实施例，但本发明不止局限于上述方式，且本领域的技术人员据此可在不脱离本发明的范围内方便的进行修饰，因此本发明的范围应当包括本发明所揭示的原理和新特征的最大范围。
Claims (7)
1.一种双环超音速雾化器，雾化器的中部设置导流管，其特征在于雾化器的两侧分别形成进气道，雾化器的下部设置内环出气道和外环出气道，雾化器内位于导流管的两侧分别设置分气挡板，分气挡板将雾化器隔成两个环形气腔，所述的环形气腔连通进气道、内环出气道和外环出气道,所述的内环出气道为环缝式结构，截面为Laval形，所述的外环出气道为Hartmann共振管结构，内环出气道的内侧面构成圆锥台结构，其侧面锥角为α，α取值范围为50~60°，内环出气道的外侧面构成圆锥台结构，其侧面锥角为β，β取值范围为40~50°，内环出气道分为亚声速收缩段、喉部过渡段和超声速扩张段，所述的亚声速收缩段设计采用维托辛思基曲线，喉部过渡段采用圆弧平滑过渡，所述的超音速扩张段设计成8-12°张角的发散型。
2.根据权利要求1所述的一种双环超音速雾化器，其特征在于雾化器包括上盖和底板，Hartmann共振管由分气挡板和底板共同组合而成，包括入口管和出口管，所述的入口管和出口管呈90度，所述入口管和出口管对应于分气挡板的一侧上形成共振盲管。
3.根据权利要求2所述的一种双环超音速雾化器，其特征在于所述的出口管为垂直向下设置，Hartmann共振管的转角处位于出口管上形成自适应喉部结构。
4.根据权利要求3所述的一种双环超音速雾化器，其特征在于所述内环出气道的喉部过渡段的最狭窄位置间隙宽度为1.2~2.5mm，所述的Hartmann共振管的出口管的孔径不超过1.5mm。
5.根据权利要求1所述的一种双环超音速雾化器，其特征在于所述的雾化器内位于环形气腔的上部形成水冷腔。
6.根据权利要求1所述的一种双环超音速雾化器，其特征在于所述的内环出气道与外环出气道之间设置密封圈。
7.根据权利要求1所述的一种双环超音速雾化器，其特征在于所述的导流管采用氮化硼材料制成。
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