CN104588671A - 基于直阻加热非接触式熔炼的金属粉末制备方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于直阻加热非接触式熔炼的金属粉末制备方法及装置。该方法包括：使金属棒的一端匀速通过通电石墨区域；金属棒在通电石墨区域内被加热熔化；熔化的金属在重力作用下持续不断地形成金属液滴；金属液滴持续不断地滴入气雾化区域；高压高速惰性气体在气雾化区域内将金属液滴冲击打散、冷却，形成金属粉末。装置包括：真空腔体；一对滚轮，两个滚轮的轴向平行，两个滚轮的旋转方向相反，且两个滚轮的旋转面之间的缝隙与金属棒的直径相匹配；两个滚轮的旋转面之间的缝隙与金属棒出口相通；石墨管，石墨管的一端与金属棒出口连接，另一端依次连接气雾化喷嘴、粉末收集器。本发明能稳定控制熔融金属液的流速，满足工业化生产需求。

Description

基于直阻加热非接触式熔炼的金属粉末制备方法及装置

技术领域

本发明涉及气雾化技术领域，具体而言，涉及一种基于直阻加热非接触式熔炼的金属粉末制备方法及装置。

背景技术

气雾化技术制备的粉末粒度细小、球形度高、氧含量低，目前是生产高性能球形金属粉末的重要方法。

气雾化技术的生产原理是利用高压气体将高温熔化的金属雾化成细小的金属粉末。

通常气雾化制粉装置采用坩埚熔炼的方式，即先将金属在坩埚中熔融，再将熔融金属倾倒至导流装置中，从导流孔流出的金属熔液在高压高速气流的作用下迅速弥散形成微细粉末。该技术用于制备低熔点金属粉末是可行的，但是用来制备高熔点、活泼金属粉末还存在难以克服的问题。主要原因是活性较高的熔融金属在高温下与坩埚和导流装置接触后会发生化学反应，导致炉内烧蚀，金属纯度下降，因此无法进行工业生产。例如，钛及钛合金粉末的制备目前尚不能用气雾化技术来实现。

为了解决上述问题，现有技术中已出现了自悬浮熔炼技术。

自悬浮熔炼技术(例如，韦建军的学位论文《自悬浮定向流法制备金属与合金纳米微粒及其结构物性的研究》所公开的技术)可 以始终保持熔融金属的非接触状态，但是无法稳定控制熔融金属液的流速，因而不能满足工业化生产需求。

有鉴于此，特提出本发明。

发明内容

本发明的第一目的在于提供一种基于直阻加热非接触式熔炼的金属粉末制备方法，其可用于高熔点、活泼金属粉末的制备，可以稳定控制熔融金属液的流速，实现生产过程可控化，能够满足工业化生产需求。

本发明的第二目的在于提供一种基于直阻加热非接触式熔炼的金属粉末制备装置，其可用于高熔点、活泼金属粉末的制备，可以稳定控制熔融金属液的流速，实现生产过程可控化，能够满足工业化生产需求。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

一种基于直阻加热非接触式熔炼的金属粉末制备方法，用于将金属棒制备成金属粉末，其包括下列步骤：

使金属棒的一端匀速通过通电石墨区域；

所述金属棒在所述通电石墨区域内被加热熔化；

熔化的金属在重力作用下持续不断地形成金属液滴；

所述金属液滴持续不断地滴入气雾化区域；

高压高速惰性气体在所述气雾化区域内将所述金属液滴冲击打散；

所述金属液滴被冲击打散后冷却，形成金属粉末；

上述所有步骤在真空条件下进行。

上述方法所用的原材料为金属棒形式，由于金属棒各处质量均一，因此，采用金属棒既容易控制进料的质量，也容易控制进料的速度。具体地，使金属棒的一端匀速通过通电石墨区域，在此区域内升温熔化，后在重力作用下持续不断地形成金属液滴，该金属液滴再持续不断地滴入气雾化区域，在高压高速惰性气体的作用下雾化为金属粉末。

由此可见，通过控制金属棒进入加热区域的速度就可以获得所需的稳定持续的金属液流，最终以一定生产效率获得金属粉末。

一种基于直阻加热非接触式熔炼的金属粉末制备装置，用于将金属棒制备成金属粉末，其包括：

真空腔体，所述真空腔体设有抽气口和金属棒出口，所述抽气口连接真空抽气装置；

设置在所述真空腔体内的一对滚轮，两个所述滚轮的轴向平行，两个所述滚轮的旋转方向相反，且两个所述滚轮的旋转面之间的缝隙与金属棒的直径相匹配；两个所述滚轮的旋转面之间的缝隙与所述金属棒出口相通；

两端均设有开口的石墨管，所述石墨管的一端与所述金属棒出口连接，另一端依次连接气雾化喷嘴、粉末收集器；

所述石墨管的外部设有隔热层。

上述装置与上文所述的基于直阻加热非接触式熔炼的金属粉末制备方法的技术原理相同，具体为：

启动真空抽气装置抽真空，在真空腔体内，将金属棒的一端穿过两个滚轮之间的缝隙，随着两个滚轮的旋转，金属棒被带动进入石墨管，石墨管通电将金属棒加热熔化，使金属棒的一端形成金属熔包，在持续进料并熔化的过程中，金属熔包不断长大，直到其由 于重力作用变成金属液滴向下滴落。其中，控制进料速率和滴落速率一致，则形成稳定持续的金属滴流。当金属液滴通过气雾化喷嘴时，在气流焦点位置附近被高压高速惰性气体冲击打散，迅速弥散并冷却成为微细粉末，粉末落入粉末收集器中。

上述整个过程全部为非接触状态，控制滚轮的旋转速度即可产生稳定持续的金属液流。

进一步地，所述真空腔体内还设有进料导套和出料导套；金属棒在两个所述滚轮的带动下，依次穿过所述进料导套、两个所述滚轮之间的缝隙、所述出料导套和所述金属棒出口。

进一步地，所述进料导套、所述出料导套和所述石墨管的轴线共线。

进一步地，还包括外部缠绕有线圈的石英玻璃管，所述金属棒出口与所述石墨管通过石英玻璃管连接。

进一步地，所述线圈设有水冷装置。

进一步地，所述粉末收集器的底部设有阀门。

进一步地，所述石墨管内设有温度传感器。

进一步地，所述真空腔体和粉末收集器均设有观察窗口。

进一步地，所述真空腔体内和所述粉末收集器内均设有温度传感器、压力传感器。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)通过进料导套和出料导套约束金属棒，可以对金属棒更精准定位，提高进料效率。

(2)进料导套、所述出料导套和所述石墨管的轴线共线时，可以使金属料处于垂直状态，使后续金属液滴的滴落速度更快，且单位时间内的熔化质量更加均一。

(3)增加外部缠绕有线圈的石英玻璃管，可以在金属棒进入石墨管之前预先加热，加快金属熔化速度，减轻石墨管的加热负担。

(4)水冷装置对线圈起保护作用，可以延长线圈的使用寿命。

(5)粉末收集器的底部设有阀门，方便将产品运出。

(6)石管内、真空腔体内和所述粉末收集器内设置温度传感器或压力传感器，方便实时测量监控。

(7)通过真空腔体和粉末收集器上的观察窗口实现可视化。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。

图1为实施例2提供的基于直阻加热非接触式熔炼的金属粉末制备装置的结构示意图；

图2为实施例3提供的基于直阻加热非接触式熔炼的金属粉末制备装置的结构示意图。

附图标记：

1-真空腔体；2-滚轮；3-金属棒；4-石墨管；5-隔热层；6-气雾化喷嘴；7-金属液滴；8-粉末收集器；9-金属粉末；10-进料导套；11-出料导套；12-石英玻璃管；13-线圈；14-阀门；15-密封头。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件 或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。

实施例1

一种基于直阻加热非接触式熔炼的金属粉末制备方法，包括下列步骤：

第一步：使金属棒的一端匀速通过通电石墨区域。

第二步：所述金属棒在所述通电石墨区域内被加热熔化。

第三步：熔化的金属在重力作用下持续不断地形成金属液滴。

第四步：所述金属液滴持续不断地滴入气雾化区域。

第五步：高压高速惰性气体在所述气雾化区域内将所述金属液滴冲击打散。

第六步：所述金属液滴被冲击打散后冷却，形成金属粉末。

上述所有步骤通常在真空条件下进行，这是因为通常金属能与空气中某些成分发生化学反应，组分改变。

上述方法适用于原材料为金属棒的生产，采用金属棒既容易控制进料的质量，也容易控制进料的速度。

具体地，使金属棒的一端匀速通过通电石墨区域，在此区域内被加热熔化，后在重力作用下持续不断地形成金属液滴，该金属液滴再持续不断地滴入气雾化区域，在高压高速惰性气体的作用下雾化为金属粉末。其中，调整进料速度(即金属棒的进料速度)，使其适应石墨管内金属液滴的滴落速率，即可获得稳定持续的金属液流，从而获得可控的生产效率，满足工业化生产需求。

上述方法可以通过多种装置实现，例如以下实施例2和3。

实施例2

一种基于直阻加热非接触式熔炼的金属粉末制备装置，如图1所示，包括：

真空腔体1，所述真空腔体1设有抽气口和金属棒3出口，所述抽气口连接真空抽气装置；

设置在所述真空腔体1内的一对滚轮2，两个所述滚轮2的轴向平行，两个所述滚轮2的旋转方向相反，且两个所述滚轮2的旋转面之间的缝隙与金属棒3的直径相匹配；两个所述滚轮2的旋转面之间的缝隙与所述金属棒3出口相通； 

两端均设有开口的石墨管4，所述石墨管4的一端与所述金属棒3出口连接，另一端依次连接气雾化喷嘴6、粉末收集器8；

所述石墨管4的外部设有隔热层5。

该装置是利用石墨管4加热的原理实现熔融。

上述装置与上文所述的金属粉末制备方法的技术原理相同，既可以制备低熔点的金属粉末，又可用于制备高熔点、活泼性金属粉末，例如可制备熔点为1000-2500℃的金属(可将石墨管4通过多根电极接通电流)，尤其适用于制备钛及钛合金粉末。具体工作原理为：

启动真空抽气装置，将真空腔体1、石墨管4和粉末收集器8组成的密闭空间抽成高真空状态(具体真空度可根据金属种类及纯度要求适当调整)；在真空腔体内，将金属棒3的一端穿过两个滚轮2之间的缝隙，随着两个滚轮2的旋转，金属棒3被带动穿过金属棒3出口进入石墨管4内；石墨管4通电可将金属棒3加热熔化，使其一端形成金属熔包，在持续进料并熔化的过程中，金属熔包不断长大，直到其由于重力作用变成金属液滴7向下滴落，控制进料速率和滴落速率一致，则形成稳定持续的金属液流。当金属液滴7 通过气雾化喷嘴6时，在气流焦点位置附近被高压高速惰性气体冲击打散，迅速弥散并冷却成为微细金属粉末9，金属粉末9落入粉末收集器8中。

上述整个过程全部为非接触状态，并且可以产生稳定持续的金属液流。

其中，可以为滚轮2增加过载保护，提高装置安全性。

实施例3

一种基于直阻加热非接触式熔炼的金属粉末制备装置，如图2所示，包括：

真空腔体1，真空腔体1设有抽气口和金属棒3出口，抽气口连接真空抽气装置。

真空腔体1内设有进料导套10、出料导套11和一对滚轮2，两个滚轮2的轴向平行，两个滚轮2的旋转方向相反，且两个滚轮2的旋转面之间的缝隙与金属棒3的直径相匹配；进料导套10、出料导套11和石英玻璃管12的轴线共线；金属棒3在两个滚轮2的带动下，依次穿过进料导套10、两个滚轮2之间的缝隙、出料导套11和金属棒3出口。

外部缠绕有线圈13的石英玻璃管12，石英玻璃管12的一端与金属丝出口连接，另一端依次石墨管4、连接气雾化喷嘴6、粉末收集器8。

另外，粉末收集器8的底部设有阀门14。石墨管4内、真空腔体内和粉末收集器8内均设有温度传感器、压力传感器。和粉末收集器8均设有观察窗口。

与实施例2相比，本实施例还具有以下技术效果：

(1)进料更加自动化、精准化，主要体现在以下几点：

通过进料导套10和出料导套11约束金属丝，可以对金属棒3更精准定位，提高进料效率；

进料导套10、出料导套11和石墨管4的轴线共线时，可以使金属棒3处于垂直状态，使后续金属液滴7的滴落速度更快，且单位时间内的熔化质量更加均一。应当注意地，进料导套10、出料导套11的内径通常与金属棒3的直径相匹配。

(2)提升加热效率：

通过石英玻璃管12上的线圈13预先加热提高加热效率。

当然，石英玻璃管12理论上是可以采用其它材质的，只要满足以下条件：耐高温，不易与熔炼的金属产生化学反应。

(3)出料更方便： 

粉末收集器8的底部设有阀门14，方便将产品运出。

另外，粉末收集器8还可以再设置一个密封头15，以提高密封效果。

(4)实现实时监控：

通过和粉末收集器8上的观察窗口实现可视化；利用设置的温度传感器或压力传感器实时测量装置内的温度、压力等。

另外，在石英玻璃管12内也可以设置温度或压力传感器。

由此可见，实施例3提供的装置更容易实现质量控制。当然，在此基础上，也可进一步改进，以提高产品质量或生产效率。例如，增加冷却结构(水冷结构等)，用于冷却线圈13、粉末收集器8等；或者本领域其它常规的机械构件。

尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和 修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。

Claims (10)

1.一种基于直阻加热非接触式熔炼的金属粉末制备方法，其特征在于，用于将金属棒制备成金属粉末；其包括下列步骤：

使金属棒的一端匀速通过通电石墨区域；

所述金属棒在所述通电石墨区域内被加热熔化；

熔化的金属在重力作用下持续不断地形成金属液滴；

所述金属液滴持续不断地滴入气雾化区域；

高压高速惰性气体在所述气雾化区域内将所述金属液滴冲击打散；

所述金属液滴被冲击打散后冷却，形成金属粉末；

上述所有步骤在真空条件下进行。

2.一种基于直阻加热非接触式熔炼的金属粉末制备装置，其特征在于，用于将金属棒制备成金属粉末，其包括：

真空腔体，所述真空腔体设有抽气口和金属棒出口，所述抽气口连接真空抽气装置；

设置在所述真空腔体内的一对滚轮，两个所述滚轮的轴向平行，两个所述滚轮的旋转方向相反，且两个所述滚轮的旋转面之间的缝隙与金属棒的直径相匹配；两个所述滚轮的旋转面之间的缝隙与所述金属棒出口相通；

两端均设有开口的石墨管，所述石墨管的一端与所述金属棒出口连接，另一端依次连接气雾化喷嘴、粉末收集器；

所述石墨管的外部设有隔热层。

3.根据权利要求2所述的基于直阻加热非接触式熔炼的金属粉末制备装置，其特征在于，所述真空腔体内还设有进料导套和出料导套；金属棒在两个所述滚轮的带动下，依次穿过所述进料导套、两个所述滚轮之间的缝隙、所述出料导套和所述金属棒出口。

4.根据权利要求3所述的基于直阻加热非接触式熔炼的金属粉末制备装置，其特征在于，所述进料导套、所述出料导套和所述石墨管的轴线共线。

5.根据权利要求2所述的基于直阻加热非接触式熔炼的金属粉末制备装置，其特征在于，还包括外部缠绕有线圈的石英玻璃管，所述金属棒出口与所述石墨管通过石英玻璃管连接。

6.根据权利要求5所述的基于直阻加热非接触式熔炼的金属粉末制备装置，其特征在于，所述线圈设有水冷装置。

7.根据权利要求2所述的基于直阻加热非接触式熔炼的金属粉末制备装置，其特征在于，所述粉末收集器的底部设有阀门。

8.根据权利要求2所述的基于直阻加热非接触式熔炼的金属粉末制备装置，其特征在于，所述石墨管内设有温度传感器。

9.根据权利要求2所述的基于直阻加热非接触式熔炼的金属粉末制备装置，其特征在于，所述真空腔体和粉末收集器均设有观察窗口。

10.根据权利要求2所述的基于直阻加热非接触式熔炼的金属粉末制备装置，其特征在于，所述真空腔体内和所述粉末收集器内均设有温度传感器、压力传感器。