CN104858439A - 一种旋流式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋流式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴，包括喷嘴外套和钛液导流管，钛液导流管沿轴线贯穿有钛液通道，钛液导流管的另一端与钛液导流管之间形成拉伐尔喷管，在拉伐尔喷管的扩张段内安装一组连接喷嘴外套的内壁和钛液导流管的外壁的导流片，导流片相互间隔的排列在喷嘴外套和钛液导流管之间形成通道使喷管出口处超音速流呈旋流状态。本发明喷嘴出口处能形成相对稳定且容易控制的旋转气流，由于导流片在喷嘴出口气流中加入了旋转分量，气流仍会在喷嘴下方较短距离内互撞，并引起气流的强烈剪切，从而雾化效果不变，能较好地控制雾化颗粒的均匀分布；旋流式雾化喷嘴使得氩气进入雾化室时呈旋转状态，从而雾化后的钛粉可以在较短的时间内冷却。

Description

一种旋流式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴

技术领域

本发明涉及一种喷嘴，具体涉及一种金属粉末雾化喷嘴。

背景技术

常用的超细金属粉末的制备方法有机械法(如球磨法和气流磨粉碎法)、物理法(如离子旋转电极法和气体雾化法)以及物理－化学法，而气体雾化法则又分为传统雾化技术(主要包括超声雾化技术、紧耦合雾化技术和高压气体雾化技术)和新型雾化技术(主要有层流雾化技术、超声紧耦合雾化技术和热气体雾化技术，目前多处于研究阶段)。其中，机械法只适合脆性金属及合金的破碎制粉，而物理－化学法难以应用于大规模工业生产，所以目前研究多集中在气体雾化法。

具有代表性的喷嘴结构主要有三大类：超声雾化技术；紧耦合(close-coupled)雾化技术和高压气体雾化技术：

超声雾化技术由拉伐尔喷嘴和哈特曼振动管组合在一起，在产生2～2.5马赫数超声速气流的同时，产生80-100kHz的脉冲频率；该技术只能在金属液流直径小于5mm的情况下才具有较好效果，因此适用于铝等低熔点金属粉末的生产。

紧耦合雾化技术的主要思想是增加气体动能至金属液流的传输效率，改进限制式喷嘴的机构，使气流自出口至液流的距离最短，因此目前已成为大多雾化设备的首选；然而在紧耦合雾化技术中，包含许多物理和化学过程，存在着气体的动能和液体的热能等传输过程，情况十分复杂，气流与液流的作用机理至今没有完全研究清楚，同时，需要精确控制才能避免雾化过程的堵嘴等不稳定现象。

高压气体雾化技术将紧耦合喷嘴的环缝出口改为20～24个单一喷孔，通过提高气压(最高可达到17MPa)和改变导液管出口处的形状设计，克服紧耦合喷嘴中存在的气流激波(这是紧耦合喷嘴中产生上述不稳定现象的原因)，使气流呈超声速层流状态，并在导液管出口处形成有效的负压；高压气体雾化技术不足的地方一是细粉末的出产率低(小于20％)，二是气体消耗量大，生产成本高。

为此，由上世纪90年代至今，国外对雾化技术的研究在以下三方面取得了新的进展：

层流雾化技术对喷嘴进行重大改进，提出了层流超声雾化的概念，使气流在喷嘴中呈层流状态，同时金属液流也呈层流状态，气流不再以某一角度冲击液态金属流，而是平行于液态金属流，在这里液态金属流依靠气流在液流表面产生的剪切力和挤压而变形，液流直径不断减小，发生层流纤维化，这一过程在一个稳定的气流和金属流场中进行。但该雾化技术控制难度大，雾化过程不稳定，且产量小(金属质量流率小于lkg/min)，不利于工业化生产。

超声紧耦合雾化技术对紧耦合环缝式喷嘴进行结构优化，一是使气流的出口速度超过声速，从而在较小的雾化压力下获得高速气流，二是增加金属液流的体积流率。目前仍处于实验室阶段。

热气体雾化技术是用提高雾化介质温度的方法来增加其动能，进而提高雾化效率和节省通气量。但热气体雾化技术由于受到气体加热系统和喷嘴的限制，对其雾化机理、喷嘴的设计、粉末性能、组织结构以及气体消耗量还很少有研究报告。

以上喷嘴的设计具有一个共同点，就是喷嘴出流方向和喷嘴出口环形平面呈直角并指向环的中心，从而在喷嘴下方较短距离内互撞，引起气流的强烈剪切，从而使环形中心流出的金属液面撕裂，终至雾化，同时出流由于强烈互撞，也形成了强湍流，不利于流动的控制和雾化颗粒的均匀分布。

发明内容

发明目的：本发明的目的在于为了克服现有技术的不足，提供一种气流稳定均匀、雾化冷却效果好的旋流式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴。

技术方案：本发明所述的一种旋流式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴，包括喷嘴外套和钛液导流管，所述钛液导流管沿轴线贯穿有钛液通道，所述喷嘴外套固定在所述钛液导流管的一端使钛液导流管外壁和喷嘴外套内壁之间形成设有高压气源入口的高压气源室，所述钛液导流管的另一端与所述钛液导流管之间形成拉伐尔喷管，在所述拉伐尔喷管的扩张段内安装一组连接所述喷嘴外套的内壁和所述钛液导流管的外壁的导流片，所述导流片相互间隔的排列在喷嘴外套和钛液导流管之间形成通道使喷管出口处超音速流呈旋流状态。

进一步，所有所述导流片同向的从上至下从竖直方向(0°)缓慢改变角度逐渐延伸至与水平方向呈40～50°；带有导流片喷嘴的流场数值模拟结果表明，如果旋转角太小(<40°)，则旋流分量太小，对流场的稳定效果不明显；另一方面，如果旋转角太大(>50°)，由于旋转角在喷嘴内是渐变的，并使气流不致分离，则喷嘴内的导流片会加长，喷嘴尺寸也必须增大，从而使喷嘴的制造成本大大提高。导流片变化的角度不可太大，一般控制在每垂直向下延伸1mm导流片角度改变5°左右。

进一步，所述导流片的厚度为0.5～1.0mm；导流片的厚度一方面必须满足强度要求，使得超音速气流通过时不致引起变形和颤振，从而造成气流的不稳定，另一方面不能太厚，以免造成喷嘴的堵塞。

所述喷嘴外套的内壁包括两个坡面：入口面和出口面，所述入口面从高压气源室延伸出来且渐收，所述入口面和出口面的衔接点为喉道，所述出口面从所述喉道延伸并渐阔，所述钛液导流管的外壁渐收；所述钛液导流管渐收面、所述喷嘴外套入口面和所述喷嘴外套出口面分别与重垂线的夹角依次减小；保证高压气体流进入拉伐尔喷管可在喉道被加速至音速，在拉伐尔喷管的出口被加速至超音速，气体流实现无激波膨胀，因此在拉伐尔喷管出口处产生背压，在与拉伐尔喷管出口靠近的钛液导流管唇口处产生一定的负压，由于钛液通道内的压力与出口负压的压力差，引导钛液从钛液通道内流出。

进一步，所述喉道的截面面积和拉伐尔喷管的出口面积之比为1.53(除去导流片所占面积)，使气体流的在拉伐尔喷管出口的马赫数为2.0，实现2倍音速，气体流的压力和拉伐尔喷管出口背压之比为8.31，保证钛及钛合金液从钛液通道中流出时在超音速气流的剪切作用下，破碎成圆球形液滴，随之迅速冷却，形成圆球形细小粉末。

进一步，所述导流片的上端距离拉伐尔喷管的喉道3～4mm，这是因为高压氩气在拉伐尔喷管的喉道处刚好达到音速，仍然不稳定，在喉道之后的扩张段内需要一定距离进一步加速成超音速，导流片对气体的阻塞要足够小；同时，所述导流片的下端距离拉伐尔喷管的出口2～3mm，此预留空间使得高速气流得以汇合，避免在流动方向产生不必要的剪切力。

优选地，所述喷嘴外套由钛合金制成，若以其他金属制成，气体流从高压气源室出时会带有喷嘴外套上其他金属的分子，当对钛液导流管流出的钛及钛合金液体进行粉碎时，会使钛液中掺有其他金属的杂质，而喷嘴外套以钛合金制成即可避免此类污染现象产生，保证雾化粉碎后的粉末纯度高。优选地，所述钛液导流管由钨合金制成，钨合金耐高温，雾化过程中产生高温环境，钨合金不会分解对钛及钛合金造成污染，且与钛及钛合金有较好的相容性，从而保证所生成的钛及钛合金粉末有较高的纯度。

有益效果：1、本发明喷嘴出口处能形成相对稳定且容易控制的旋转气流，由于导流片在喷嘴出口气流中加入了旋转分量，在径向角度不变的情况下，气流仍会在喷嘴下方较短距离内互撞，并引起气流的强烈剪切，从而雾化效果不变，但由于旋转分量稳定了气流，从而能较好地控制雾化颗粒的均匀分布；2、旋流式雾化喷嘴使得氩气进入雾化室时呈旋转状态，从而雾化后的钛粉可以在较短的时间内冷却，因此雾化室的尺寸可以大大减少，以及设备的制造成本得以相应减少；3、由于喷嘴外套、钛液导流管以及定位螺栓均由合金制成，因此其加工精度比常见的铝合金雾化用的玉石材料要高得多，各部件尺寸精确，继而钛及钛合金雾化后圆形粉末颗粒的尺寸也可精确控制，其次合金材料更耐磨，因此其寿命要比同类产品高的多，平均雾化成本降低；4、本产品除了可用于雾化钛及钛合金外，还可用于雾化熔点类似的其他合金。

附图说明

图1为本发明的纵剖截面示意图；

图2为本发明的横截截面示意图；

图3为导流片结构示意图(喷嘴外套未绘出)。

具体实施方式

下面对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例：一种旋流式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴，如图1、2所示，包括喷嘴外套1、钛液导流管2和固定螺栓13，喷嘴外套1由钛合金制成，钛液导流管2和固定螺栓13由钨合金制成。钛液导流管2沿轴线贯穿有钛液通道4，钛液导流管2的一端设有轴肩，喷嘴外套1通过固定螺栓13套装固定在轴肩上，连接处用密封圈14密封，由轴肩隔开的钛液导流管2外壁和喷嘴外套1内壁之间形成设有高压气源入口10的高压气源室7，钛液导流管2的另一端渐收，与渐收面4相对的喷嘴外套1的内壁包括两个坡面：入口面11和出口面3，入口面11从高压气源室7延伸出来且渐收，入口面11和出口面3的衔接点为喉道6，出口面3从喉道6延伸并渐阔，两个坡面与钛液导流管2渐收的外壁之间形成拉伐尔喷管，钛液导流管8渐收面4、喷嘴外套1入口面11和喷嘴外套1出口面3与重垂线的夹角分别为α、β1和β2，且有关系β1>α>β2。

如图3所示，在钛液导流管8的渐收面4及喷嘴外套1的出口面3之间设置一组连接喷嘴外套1内壁和钛液导流管2外壁的导流片15，其厚度为0.75mm，导流片15相互间隔排列，所有导流片15同向的从上至下从竖直方向逐渐缓慢的延伸至与水平方向呈45°。导流片15起点离喉道6距离3.5mm，此时导流片角度和垂直线呈0度角，导流片15终点距离喷嘴出口2mm，此时导流片角度和垂直线呈45度角，每垂直向下延伸1mm导流片角度改变5°左右。

本实施例的具体参数见下表所示：

马赫数	2.00
		钛液通道8直径D8	3.00mm
钛液导流管唇口9壁厚	2.00mm
		α	22.00°
钛液导流管2渐收面4长度	20.00mm
		拉伐尔喷管喉道6宽度	0.50mm
拉伐尔喷管喉道6半径	10.00mm
		拉伐尔喷管喉道6高度	14.75mm
拉伐尔喷管出口5半径	8.78mm
		高压气源室7压强	4.16atm
拉伐尔喷管出口5压强	0.50atm
		拉伐尔喷管出口5流量	1.80kg/min
拉伐尔喷管出口5宽度W5	1.72mm
		喷嘴外套1出口面3长度	15-16mm
β2	4.52°
		喷嘴外套1入口面11长度	7-10mm
β1	45.00°

上述数据可保证喉道6的截面和拉伐尔喷管的出口面积之比为1:1.53，使气体流的在拉伐尔喷管出口的马赫数为2.0，气体流的压力和拉伐尔喷管出口背压之比为8.31。

本实施例的具体工作流程为：钛及钛合金锭被熔化，保存在钛液通道8上方的坩埚内(或者用大功率电子枪将钛丝瞬间熔化，在重力和负压的作用下从通道8滴出)；高压氩气通过高压气源入口10进入高压气源室7，从而进入拉伐尔喷管的入口12，由于拉伐尔喷管一开始渐收的尺寸，高压氩气逐渐加速，在喉道6处达到音速，而后由于拉伐尔喷管渐阔的尺寸，从喉道6到出口5进一步加速至超音速，在出口处达到马赫数2；在导流片15的作用下，超音速气流方向在出口处和垂直线呈45°，高压氩气的供应压力和在拉伐尔喷管出口处的背压，使得氩气通过拉伐尔喷管出口后实现无激波膨胀，在钛液导流管8唇口9处产生一定的负压，在钛液导流管8唇口9处负压的作用下，钛及钛合金液从钛液通道8中流出，并在超音速氩气旋转气流的剪切作用下，破碎成圆球形液滴，随之在旋流的作用下迅速冷却，形成圆球形细小粉末。

假设雾化室的垂直方向长度为300mm(实验室设备的典型尺寸)，那么对于非旋流式喷嘴，钛液失稳后被高压喷流剪切成微小雾滴，随之冷却，在到达回收装置之前的运动轨迹距离约为300mm。使用本实施例旋流式喷嘴，由于微小雾滴在雾化室旋转，根据计算流体力学计算结果，此运动轨迹距离是原来的3.4倍，可达1020mm，从而大大增强了冷却效果。

Claims (8)

1.一种旋流式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴，包括喷嘴外套和钛液导流管，所述钛液导流管沿轴线贯穿有钛液通道，所述喷嘴外套固定在所述钛液导流管的一端使钛液导流管外壁和喷嘴外套内壁之间形成设有高压气源入口的高压气源室，所述钛液导流管的另一端与所述钛液导流管之间形成拉伐尔喷管，其特征在于：在所述拉伐尔喷管的扩张段内安装一组连接所述喷嘴外套的内壁和所述钛液导流管的外壁的导流片，所述导流片相互间隔的排列在喷嘴外套和钛液导流管之间形成通道使喷管出口处超音速流呈旋流状态。

2.根据权利要求1所述的旋流式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴，其特征在于：所有所述导流片同向的从上至下从竖直方向逐渐延伸至与水平方向呈40~50°。

3.根据权利要求2所述的旋流式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴，其特征在于：所述导流片每垂直向下延伸1mm，导流片的角度变化5°。

4.根据权利要求1所述的旋流式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴，其特征在于：所述导流片的厚度为0.5~1.0mm。

5.根据权利要求1所述的旋流式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴，其特征在于：所述喷嘴外套的内壁包括两个坡面：入口面和出口面，所述入口面从高压气源室延伸出来且渐收，所述入口面和出口面的衔接点为喉道，所述出口面从所述喉道延伸并渐阔，所述钛液导流管的外壁渐收；所述钛液导流管渐收面、所述喷嘴外套入口面和所述喷嘴外套出口面分别与重垂线的夹角依次减小。

6.根据权利要求5所述的旋流式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴，其特征在于：所述喉道的截面面积和拉伐尔喷管的出口面积之比为1：1.53。

7.根据权利要求1或5所述的旋流式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴，其特征在于：所述导流片的上端距离拉伐尔喷管的喉道3~4mm，所述导流片的下端距离拉伐尔喷管的出口2~3mm。

8.根据权利要求1所述的旋流式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴，其特征在于：所述喷嘴外套由钛合金制成，所述钛液导流管由钨合金制成。