CN104209527B - 铝合金及铝合金粉末的雾化生产系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了用于铝合金及铝合金粉末的一种雾化生产系统，包括依次连接的熔化炉、保温炉、喷雾装置、雾化沉降室、分级系统和通风机，另外包括冷却系统、氮气压缩系统、制氮系统，所述雾化沉降室与三套分级系统相连通。通过采用特殊设计的雾化沉降室出口以及回风管，本发明的雾化生产系统保证了高的冷却效率，提高了铝合金的强度等性能。
Description
技术领域
本发明涉及铝合金及铝合金粉末生产领域，更具体地说，涉及一种雾化生产系统。
背景技术
铝合金是工业中应用最广泛的一类有色金属结构材料，在航空、航天、汽车、机械制造、船舶及化学工业中已大量应用。随着近年来科学技术以及工业经济的飞速发展，对铝合金焊接结构件的需求日益增多，使铝合金的焊接性研究也随之深入。纯铝的密度小，大约是铁的1/3，熔点低，铝是面心立方结构，故具有很高的塑性，易于加工，可制成各种型材、板材。通过长期的生产实践和科学实验，人们逐渐以加入合金元素及运用热处理等方法来强化铝，这就得到了一系列的铝合金。添加一定元素形成的合金在保持纯铝质轻等优点的同时还能具有较高的强度，胜过很多合金钢，成为理想的结构材料，广泛用于机械制造、运输机械、动力机械及航空工业等方面，飞机的机身、蒙皮、压气机等常以铝合金制造，以减轻自重。
采用传统的制备方法，例如提高合金纯度、调整组成、改变热处理规范等方式、来研制新的铝合金材料，所获得的效果已越来越小。为了大幅度提高材料强度、耐蚀性、耐热性、断裂韧性等性能，通过将铝合金熔体雾化，快速凝固成粉末，再将粉末压制、烧结、压力加工成铝合金材料，制得的材料晶粒细小，金属间化合物粒子细化，化学成分均匀，合金元素的过饱和固溶度增加，弥散强化、固溶强化和时效强化作用得到综合利用，因而材料有很高的强度，很好的抗应力腐蚀性能。
目前，生产高品质的铝及铝合金粉末，基本上采用惰性气体雾化或离心盘离心雾化。生产产量低，成本高，品质不稳定。细粉得率低，生产过程难以控制调整，无法根据合金粉末晶相结构需要修改工艺参数，调整雾化合金粉末冷却速率，得到需要的晶相结构合金粉末。现有生产技术采用的是单套雾化生产系统，即一个喷雾装置连接一套分级系统。经过喷雾装置雾化的合金粉末进入雾化室后，靠高气流喷射时的快速冷凝和雾化室内的冷却风量冷却。且上述雾化生产系统中只有一个循环风机，风量小风温高冷却效果差(喷射冷却速率基本相同)。因此，上述雾化生产系统制备出的铝合金粉末颗粒分散度低，细粉率低，产品易粘连，产能低。
另外，每套雾化生产系统产能不高，投入大，必须要配套相应的熔炼设备，供配电生产厂房资金占用率高。如果要扩大产能，必须要新建一条生产线才能完成。同时生产过程中各设备功率、参数都无法灵活调整，系统分级系流单一，风机风量不可调，生产时冷却速率低，无法生产出高品质的合理晶相结构铝及铝合金产品。
中国专利CN200520004921.6公开了一种微细金属粉末的生产设备，该设备包括气体雾化装置、粉体冷却室、水冷换热装置、粒度分级装置、粉体输送装置、粉体包装装置、气体除尘装置、高压风机等，该设备能够形成封闭的、可连续生产的完整系统，缩小设备的体积、获得粒度分布窄的产品。然而，该设备由于设计上的缺陷，不能保证良好的冷却效率，产品性能有待提高。
中国专利CN201110388200.5公开了一种雾化生产系统，该装置的雾化室与三套分级系统连通，相对于专利CN200520004921.6在一定程度上改善了冷却速率和产品性能，但由于只是简单地将雾化室与三套分级系统连通，冷却速率仍不太充分，产品性能尚有改善的余地。
发明内容
有鉴于此，本发明提供一种用于铝合金及铝合金粉末的雾化生产系统，该系统能够实现高的冷却速率，并且使加入的过饱和合金材料能够更好地与基础铝材溶渗结合在一起，提高合金材料的性能例如强度，同时实现提高系统的产能的目的。
本发明人针对上述技术问题进行了反复研究，结果出乎意料地发现，通过特殊设计的雾化沉降室出口，以及特殊设计的回风管系统等，能够实现上述技术效果。
即，本发明的雾化生产系统包括依次连接的熔化炉、保温炉、喷雾装置(或雾化装置，包括雾化器和横喷管)、雾化沉降室、分级系统和通风机，另外包括冷却系统、氮气压缩系统、制氮系统，所述雾化沉降室与三套分级系统相连通，
第一套分级系统包括依次连接的第一冷却器、第一离心式分级器、第一旋风分级器、第一布袋除尘器和第一气压平衡罐，
第二套分级系统包括依次连接的第二冷却器、第二离心式分级器、第二旋风分级器、第二布袋除尘器和第二气压平衡罐，
第三套分级系统包括依次连接的第三冷却器、第三离心式分级器、第三旋风分级器、第三布袋除尘器和第三气压平衡罐，
每套所述分级系统分别连接有一个通风机；氮气压缩系统另外通过中压储气罐连接氮气加热系统，然后进一步连通喷雾装置，所述第一、第二、第三气压平衡罐通过回风管连通离心式分级器和所述喷雾装置的横喷管(从而与雾化沉降室连通)，且所述气压平衡罐与所述通风机、氮气压缩系统、制氮系统相连通，所述第一、第二、第三气压平衡罐与所述雾化室之间的回风管上设置有冷却列管，所述冷却系统用于实现冷却器和冷却列管的冷却，
所述喷雾沉降室上部呈圆筒形，下部呈倒锥形(倒锥体的锥角例如为10～90度，更优选30～70度，更优选50～60度之间)，喷雾沉降室的倒锥形的下部出口分叉为两个支管，分别连通第一冷却器、第二冷却器，喷雾沉降室在倒锥形上方(例如倒锥体以上30～80cm，优选40～60cm处)、在圆筒形的下部设置一个出口与第三冷却器连通。
本发明通过设置氮气加热系统，氮气通过氮气加热装置加热后达到200℃以上温度进入雾化器，经限制式雾化器喷出雾化铝合金液体，氮气经加热后获得的热能可转换成动能喷雾铝合金液体，并可使铝合金液流通顺畅。
本发明通过在倒锥体底部设置一个分叉出口(并联三通结构，并联三通结构内部光洁无死角)连接两个分级系统可以加大粉末输送力度，保证气固两相混合流体以20～30m/s输送到相应的两个分级系统，避免夹杂的大颗粒沉降在雾化室底部，喷雾沉降室在倒锥体上方设置又一个分级系统出口减少锥体底部拥挤，同时此取风口取风位置高，无较大夹杂颗粒，阻力小，取风量大，利于该分级系统发挥冷却效果。
优选地，第一、第二气压平衡罐与喷雾装置的横喷管连接的回风管在横喷管同一长度位置，180度方位上连接入喷雾装置的横喷管上，使得该两套分级系统大批量风量从此位置进入，冷却风交汇后通过整流罩及折流板整流后进入雾化装置喷头位置。如此，可保证雾化装置喷头处清洁无粉尘粘接、雾化器喷出的铝粉在高速冷却过程中不粘贴。
优选地，第三气压平衡罐连接喷雾装置横喷管的回风管在第一、第二气压平衡罐的回风管连接横喷管处的后面位置(例如之后10～50cm，即更靠近雾化沉降室)连入横喷管，用隔流板隔断与第一、第二气压平衡罐(即第一、第二气压平衡罐与喷雾装置的横喷管连接的回风管)回风管联系，使第三套分级系统全部风量经环形通风气道进入雾化横喷管，第三套分级系统回风温度在20-32℃之间，冷却效果强，又能破坏横喷管内回流混合流体，减少粉末粘贴，起双重作用。
本发明系统优选配置融化交替置换的两台熔化炉，保温炉一台，每台熔化炉融化好铝合金后，进行全炉精炼、除渣、静置一段时间后再倾倒入保温炉，既保证铝合金液的连续供应，又保证产品的纯度。
优选地，在各冷却器和各离心式分级器之间设有冷却列管。
优选地，在上述雾化生产系统中，所述离心分级器的二次出风口通过回风管与所述气压平衡罐相连通。
优选地，在上述雾化生产系统中，所述回风管上设置有调节阀。
优选地，在上述雾化生产系统中，所述通风机为离心式通风机。
优选地，在上述雾化生产系统中包括真空泵，用于抽真空，将空气置换成氮气。
优选地，在上述雾化生产系统中包括两套冷却水系统，第二套冷却水系统主要供应第三套分级系统，采用—个3米深位水池及高效冷却水塔，保证第三套分级系统冷却列管冷却后的氮气能控制在20-32℃范围内，该冷却气体进入横喷管后，能快速冷凝合金粉末。第一套冷却水系统供应第一套和第二套分级系统的冷却设备(冷却器、冷却列管)。
本发明实施例中的雾化生产系统包括喷雾装置、雾化室、氮气压缩系统、制氮系统、冷却系统、分级系统和通风机，一个所述喷雾装置与一个所述雾化室相连通；所述雾化室与多套所述分级系统相连通，每套所述分级系统分别连接有一个所述通风机。在使用时，利用雾化装置将熔化的铝及铝合金溶液雾化喷射入雾化室内，通过调整雾化装置中喷出气体的压力及喷嘴长短、形状可得到快速冷凝的合金粉末。经过超音速雾化装置喷出的合金液滴喷入至雾化室内，由于多系统并联，保证冷却风量供应充足。已凝固的合金粉和氮气混合气固物通过冷却器冷却后进入离心分级器，旋风分级分离器收集后余含尘气体进入脉冲式布袋除尘器。粉尘经过滤收集，干净的气体进入气体平衡罐中。气体平衡罐装有的通风机将吸入的干净气体通过不同管道送入雾化室和离心分级器内。
由于本发明实施例中的一个雾化装置对应多套分级系统，且每套分级系统均设置有一个通风机，经过发明人的多次试验得出该雾化生产系统的压力高可达到6-12mpa，冷却速率可达到104-109k/s，且雾化装置高压气体集中使用，提高了雾化能量转化率，从而提高了雾化生产系统的产能。
附图说明
图1所示为本发明实施方式的雾化生产系统的平面结构示意图。
图2所示为本发明实施方式的雾化生产系统的横断面结构示意图。
图3为示出了三个出口位置关系的雾化沉降室的结构示意图。
图4为示出了三个回风管接口设置位置的雾化装置横喷管的纵向截面结构示意图。
图5为图4中A-A横截面示意图。
图6为图4中B-B横截面示意图。
具体实施方式
以下结合附图来进一步阐述本发明的实施方式。
如图1、图2所示，本发明的雾化生产系统包括依次连接的熔化炉1和2、保温炉3、喷雾装置4、雾化沉降室5、三套分级系统和通风机，另外包括冷却系统11和12、氮气压缩系统9、制氮系统7，所述雾化沉降室5与三套分级系统相连通，
第一套分级系统包括依次连接的第一冷却器501、第一离心式分级器503、第一旋风分级器504、第一布袋除尘器505和第一气压平衡罐506，
第二套分级系统包括依次连接的第二冷却器601、第二离心式分级器603、第二旋风分级器604、第二布袋除尘器605和第二气压平衡罐606，
第三套分级系统包括依次连接的第三冷却器701、第三离心式分级器703、第三旋风分级器704、第三布袋除尘器705和第三气压平衡罐706，
每套所述分级系统分别连接有一个通风机；氮气压缩系统9另外通过中压储气罐10连接氮气加热系统13，然后进一步连通喷雾装置4，所述第一、第二、第三气压平衡罐506、606、706通过回风管连通离心式分级器503、603、703和所述喷雾装置4的横喷管(从而与雾化沉降室连通)，且所述气压平衡罐与所述通风机、氮气压缩系统9、氮气储气罐8、制氮系统7相连通，所述第一、第二、第三气压平衡罐506、606、706与所述喷雾装置之间的回风管上设置有冷却列管507、707、708、607，所述冷却系统用于实现冷却器和冷却列管的冷却。在各冷却器和各离心式分级器之间也设有冷却列管(图2中仅示出了502)。
如图3所示，所述喷雾沉降室5上部呈圆筒形，下部呈倒锥形(倒锥体的锥角例如为10～90度，更优选30～70度，更优选50～60度之间)，喷雾沉降室5的倒锥形的下部出口6分叉为两个支管，分别连通第一冷却器、第二冷却器，喷雾沉降室在倒锥形上方(例如倒锥体(最上方)以上30～80cm，优选40～60cm处)、在圆筒形的下部设置一个出口与第三冷却器连通。
优选地，如图4、图5、图6所示，第一、第二气压平衡罐与喷雾装置的横喷管连接的回风管508、608在横喷管同一长度位置，180度方位上(回风管508、608在横喷管上的入口呈约180度角度)连接入喷雾装置的横喷管上，使得该两套分级系统大批量风量从此位置进入，冷却风交汇后通过整流罩及导流板(折流板)23整流后进入雾化装置喷头位置。如此，可保证雾化装置喷头处清洁无粉尘粘接、雾化器喷出的铝粉在高速冷却过程中不粘贴。
优选地，如图4、图5、图6所示，第三气压平衡罐连接喷雾装置横喷管的回风管709在第一、第二气压平衡罐的回风管连接横喷管处的后面位置(例如之后10～50cm，即更靠近雾化沉降室)连入横喷管，用隔流板22隔断与第一、第二气压平衡罐(即第一、第二气压平衡罐与喷雾装置的横喷管连接的回风管)回风管联系，使第三套分级系统全部风量经环形通风气道21(4×70°分布)进入喷雾装置的横喷管，第三套分级系统回风温度在20-32℃之间，冷却效果强，又能破坏横喷管内回流混合流体，减少粉末粘贴，起双重作用。
本发明系统优选配置熔化炉两台，保温炉一台，每台熔化炉融化好铝合金后，进行全炉精炼、除渣、静置一段时间后再倾倒入保温炉，两台融化交替置换，既保证铝合金液的连续供应，又保证产品的纯度。
本发明优选备有两套冷却水系统，第二套冷却水系统主要供应第三套分级系统，采用—3米深位水池及高效冷却水塔，保证第三套分级系统707、708冷却列管冷却后的氮气能控制在20-32℃范围内，该冷却气体进入横喷管后，能快速冷凝合金粉末。
本发明系统507、607、707、708冷却列管优选全部为高度2.6米DN860mm尺寸列管。冷却管采用304材不锈钢管或铜管组成，冷却效率高，满足3系统要求。
在使用时，熔化炉1或2熔化的铝合金进入保温炉3保温，保温后利用喷雾装置4将熔化的铝及铝合金溶液雾化喷射入雾化沉降室5内，通过调整雾化装置4中喷出气体的压力及喷嘴长短、形状可得到快速冷凝的合金粉末。经过雾化装置4喷出的超音速雾化的合金液滴喷入至雾化沉降室5内，由于雾化沉降室出口的特殊设计和气压平衡罐连接喷雾装置横喷管的回风管的特殊设计，保证高的冷却效率，使加入的过饱和合金材料能够更好地与基础铝材溶渗结合在一起。已凝固的合金粉和氮气混合气固物通过冷却器冷却后进入离心分级器，旋风分级分离器收集后余含尘气体进入脉冲式布袋除尘器。粉尘经过滤收集后干净的气体进入气体平衡罐中。气体平衡罐装有的通风机将吸入的干净气体通过不同管道送入雾化沉降室5和离心分级器内。
由于雾化沉降室出口的特殊设计和回风管的特殊设计，经过发明人的多次试验得出该雾化生产系统的压力高可达到6-12MPa，冷却速率可达到104-109k/s，且喷雾装置4高压气体集中使用，提高了雾化能量转化率，从而提高了雾化生产系统的产能。
气体平衡罐中装有高压头，大风量的离心通风机。通风机将吸入的干净气体通过回风管和二次风管分别送入雾化沉降室5和离心分级器内。
压缩机9从平衡罐中抽吸氮气压缩到6-12MPa，送入喷雾装置4，系统消耗泄露的氮气由制氮机补充。整个生产过程密闭，氮气循环使用。生产过程安全可靠。
优选地，在上述雾化生产系统中优选包括两套冷却水系统11和12，第二套冷却水系统12主要供应第三套分级系统，采用—个3米深位水池及高效冷却水塔，保证第三套分级系统冷却列管冷却后的氮气能控制在20-32℃范围内，该冷却气体进入横喷管后，能快速冷凝合金粉末。第一套冷却水系统11供应第一套和第二套分级系统的冷却设备(冷却器、冷却列管)。
优选地，在上述雾化生产系统中包括真空泵14，其与气压平衡罐506、606、706以及压缩机(氮气压缩系统)9连通，用于抽真空，将空气置换成氮气。
本发明通过设置氮气加热系统，氮气通过氮气加热装置加热后达到200℃以上温度进入雾化器，经限制式雾化器喷出雾化铝合金液体，氮气经加热后获得的热能可转换成动能喷雾铝合金液体，并可使铝合金液流通顺畅。
本发明通过在倒锥体底部设置一个分叉出口连接两个分级系统可以加大粉末输送力度，保证气固两相混合流体以20～30m/s输送到相应的两个分级系统，避免夹杂的大颗粒沉降在雾化室底部，喷雾沉降室在倒锥体上方设置又一个分级系统出口减少锥体底部拥挤，同时此取风口取风位置高，无较大夹杂颗粒，阻力小，取风量大，利于该分级系统发挥冷却效果。另外，通过喷雾装置横喷管上的回风管入口的特殊设计，进一步提高了冷却效果，防止粉尘粘附。经试验证实，与不采用本发明的回风管设计、简单地在雾化沉降室底部并联三套分级系统相比，本发明的设计提高铝合金强度达到20％以上，可将铝合金强度从150MP提高到200MP以上，可制造出强度700MP以上的铝合金产品。同时，由于减少粉末粘附，减少能耗达到10～15％。
以上结合优选实施方式说明了本发明，然而，本领域技术人员清楚，在不偏离本发明的主旨的范围内，可以对本发明做出调整或变化。因此，本发明的保护范围不限于以上所公开的具体实施方式，而是纳入了所有这些对于本领域技术人员显而易见的在本发明基础上的调整或变化。
Claims (8)
1.一种用于铝合金及铝合金粉末的雾化生产系统，其特征在于，其包括依次连接的熔化炉（1，2）、保温炉（3）、喷雾装置（4）、雾化沉降室（5）、三套分级系统和通风机，另外包括冷却系统（11，12）、氮气压缩系统（9）、制氮系统（7），所述雾化沉降室（5）与三套分级系统相连通，
第一套分级系统包括依次连接的第一冷却器（501）、第一离心式分级器（503）、第一旋风分级器（504）、第一布袋除尘器（505）和第一气压平衡罐（506），
第二套分级系统包括依次连接的第二冷却器（601）、第二离心式分级器（603）、第二旋风分级器（604）、第二布袋除尘器（605）和第二气压平衡罐（606），
第三套分级系统包括依次连接的第三冷却器（701）、第三离心式分级器（703）、第三旋风分级器（704）、第三布袋除尘器（705）和第三气压平衡罐（706），
每套所述分级系统分别连接有一个通风机；
氮气压缩系统（9）另外通过中压储气罐（10）连接氮气加热系统（13），然后进一步连通喷雾装置（4），所述第一、第二、第三气压平衡罐通过回风管连通离心式分级器（503，603，703）和所述喷雾装置（4）的横喷管，且所述气压平衡罐与所述通风机、氮气压缩系统、制氮系统相连通，所述气压平衡罐与所述雾化室之间的回风管上设置有冷却列管，所述冷却系统（11，12）用于实现冷却器和冷却列管的冷却，
所述喷雾沉降室（5）上部呈圆筒形，下部呈倒锥形，喷雾沉降室的倒锥形的下部出口分叉为两个支管，分别连通第一冷却器（501）、第二冷却器（601），喷雾沉降室在倒锥形上方、在圆筒形的下部设置一个出口与第三冷却器（701）连通，
其中，第一、第二气压平衡罐（506、606）与喷雾装置的横喷管连接的回风管在横喷管同一长度位置，180度方位上连接入喷雾装置的横喷管上，使得该两套分级系统大批量风量从此位置进入，冷却风交汇后通过整流罩及折流板（23）整流后进入雾化装置喷头位置。
2.根据权利要求1所述的雾化生产系统，其特征在于，第三气压平衡罐（706）连接喷雾装置横喷管的回风管在第一、第二气压平衡罐的回风管连接横喷管处的后面位置连入横喷管，用隔流板（22）隔断与第一、第二气压平衡罐回风管联系，使第三套分级系统全部风量经环形通风气道（21）进入雾化横喷管。
3.根据权利要求1或2所述的雾化生产系统，其特征在于，所述雾化生产系统配置融化交替置换的两台熔化炉（1，2）、一台保温炉（3）。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的雾化生产系统，其特征在于，离心分级器的二次出风口通过回风管与所述气压平衡罐相连通。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的雾化生产系统，其特征在于，所述回风管上设置有调节阀。
6.根据权利要求1-3中任一项所述的雾化生产系统，其特征在于，所述通风机为离心式通风机。
7.根据权利要求1-3中任一项所述的雾化生产系统，其特征在于，所述雾化生产系统包括两套冷却水系统（12），第二套冷却水系统供应第三套分级系统，采用—个3米深位水池及高效冷却水塔，第一套冷却水系统（11）供应第一套和第二套分级系统的冷却设备。
8.根据权利要求1-3中任一项所述的雾化生产系统，其特征在于，所述雾化生产系统包括真空泵（14），其与第一、第二、第三气压平衡罐（506，606，706）以及氮气压缩系统（9）连通。
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