CN104985186B - 一种用于制备金属粉末的气体雾化喷嘴 - Google Patents

Abstract

一种用于制备金属粉末的气体雾化喷嘴，本发明通过在上端盖（2）和下端盖（3）之间设置腔室（4），在腔室的外缘面切线处设有至少一个进气管（1），在腔室的出口设置为拉瓦尔喷管结构，本发明能有效的保证高压气体经过拉瓦尔喷嘴环缝喉部后可以达到超音速效果，最大限度的减小气体能量损失，本发明还通过在上端盖上设置气体引流槽（5），及在上端盖上设置较大的腔室，有效的避免了喷嘴工作过程的堵塞现象等。

Description

一种用于制备金属粉末的气体雾化喷嘴

【技术领域】

本发明涉及粉末冶金技术领域，用于气体雾化制备金属粉末的喷嘴，具体涉及一种利用高速气流将金属熔体破碎成细小熔滴并凝固成粉末的气体雾化喷嘴。

【背景技术】

目前粉体材料一般选用细粉或超细粉作为原料，这样可获得组织更均匀、性能更优异的烧结或加工材料。

已知的，气体雾化技术是金属粉末常用的一种生产方法。其原理是金属熔体从导流管或石墨喷嘴流出后进入气体雾化区，受到高速气流的作用，被冲击破碎为细小熔滴。随后熔滴在表面张力及雾化气体的冷却作用下，凝固成粉末颗粒。在气体雾化过程中，金属熔滴可获得很高的冷却速度，凝固生成晶粒细小、无偏析的粉末颗粒。其中雾化喷嘴是气体雾化的核心，雾化喷嘴决定了雾化效率和粉末性能，若喷嘴设计不合理，首先雾化效果差，获得的粉末颗粒较粗，细粉的收得率较低。其次在气体雾化过程中还会发生导流管堵塞现象。轻微堵塞会使液流速度变慢，延长雾化时间，雾化效率低；或在喷嘴上出现粉末粘连，会使雾化气流偏吹，降低气体雾化能力，致使雾化粉末粒度变粗，雾化效果差；严重则会使生产停顿，影响生产的顺畅进行。因此，雾化效果（粉末粒度和形状）和雾化通畅性是喷嘴设计的关键指标。

现在的喷嘴普遍采用MIT的Grant教授发明的超音速雾化喷嘴结构。

中国专利，公开号为CN102837001A，公开日为2012年12月26日，公开了“一种金属液流易流出的微细金属粉末雾化喷嘴”，该喷嘴的环缝没有收敛段，不符合拉瓦尔喷嘴的“收敛—扩张”的基本特征，所以气流速度无法达到超音速，不可能有很好的雾化效率。且气体腔室与环缝相比太小，腔室气压很难稳定。因此气流从环缝喷出，可能会有紊流或气流吹偏现象，存在喷嘴堵塞的风险。

中国专利，公开号为CN102489711A ，公开日为2012年06月13日，去公开了“ 一种制备微细金属粉末的气体雾化喷嘴”，该喷嘴有拉瓦尔喷嘴的所述的典型的“收敛—扩张”的基本特征，但是与一种金属液流易流出的微细金属粉末雾化喷嘴类似，气体临时存储腔室过小，环缝喷出的气流可能会有紊流，喷嘴在工作过程中存在堵塞的风险。

中国专利，公开号为CN103273070A，公开日为2013年09月04日，其公开了“一种可调式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴”,该喷嘴的环缝虽然也具备“收敛—扩张”的特征，然而其喉部曲线不平滑，即其一阶导数不连续，气流能量会在喉部出现较大损失，会减弱气流的出口速度。其次，与一种制备微细金属粉末的气体雾化喷嘴、一种金属液流易流出的微细金属粉末雾化喷嘴类似的一点就是气体临时存储腔室也有过小的问题。

综上，各专利所述的喷嘴，均没有防金属液滴堵塞凝固的结构，且气体临时存储腔室都存在过小等缺点，难以形成一个稳定的高压腔室，将会造成高压气体能量的较大损失，降低雾化效率；还会发生气流不稳，易使喷嘴发生堵塞等。

【发明内容】

为了克服背景技术中存在的不足，本发明提供了一种用于制备金属粉末的气体雾化喷嘴。本发明通过在上端盖和下端盖之间设置腔室，然后在腔室的外缘面切线处设有至少一个进气管，在腔室的出口设置拉瓦尔喷管结构。本发明可在较少的用气量下，获得较细的粉末，同时消除了制粉过程中的堵塞现象，使气体雾化制粉生产能够连续、高效运行等。

为实现如上所述的发明目的，本发明采用如下所述的技术方案：

一种用于制备金属粉末的气体雾化喷嘴，包括进气管、上端盖和下端盖，在所述上端盖的中部设有熔体入口，在所述熔体入口下端口的外围设有向上凹陷的环形凹槽，在所述环形凹槽的外缘面切线处设有至少一个进气管，在上端盖的下面设有下端盖，上端盖与下端盖装配固定后使环形凹槽分别形成环状拉瓦尔喷嘴结构及一个较大的气体临时存储腔室。

所述的用于制备金属粉末的气体雾化喷嘴，所述下端盖的中部设有向上凹陷的平台，在所述平台的中部设有熔体入口穿孔，所述熔体入口穿孔与熔体入口之间设有环缝，所述环缝为环状拉瓦尔喷嘴结构。

所述的用于制备金属粉末的气体雾化喷嘴，所述环状拉瓦尔喷嘴结构包括收缩段、喉部和扩张段，所述收缩段连通腔室，在收缩段的下端设有喉部，在喉部的下端设有扩张段。

所述的用于制备金属粉末的气体雾化喷嘴，所述喉部的中心线夹角α为30°～60°。

所述的用于制备金属粉末的气体雾化喷嘴，所述环形凹槽的外缘面切线处设有两个进气管，所述两个进气管呈中心对称设置。

所述的用于制备金属粉末的气体雾化喷嘴，所述上端盖的上面间隔设有偶数个气体引流槽，所述气体引流槽的一端贯通熔体入口，气体引流槽的另一端贯通上端盖的外缘面。

所述的用于制备金属粉末的气体雾化喷嘴，所述气体引流槽为三角形槽，气体引流槽的大端贯通上端盖的外缘面，气体引流槽的小端贯通熔体入口。

所述的用于制备金属粉末的气体雾化喷嘴，所述气体引流槽间隔设置为四个。

所述的用于制备金属粉末的气体雾化喷嘴，所述上端盖和下端盖采用子母扣结构进行定位，子母扣为过盈配合。

采用如上所述的技术方案，具有如下有益效果：

本发明所述的一种用于制备金属粉末的气体雾化喷嘴，通过在上端盖和下端盖之间设置腔室，在腔室的外缘面切线处设有至少一个进气管，在腔室的出口设置为拉瓦尔喷管结构。本发明能有效的保证高压气体经过拉瓦尔喷嘴环缝喉部后可以达到超音速效果，最大限度的减小气体能量损失。本发明还通过在上端盖上设置气体引流槽，及在上端盖上设置较大的腔室，有效的避免了喷嘴工作过程的堵塞现象。本发明可以在气体流量不高于5m³/min、压力低于1.5MPa下工作，显著减小了雾化用气体成本；在保证不发生喷嘴堵塞的前提下，-100目粉体占收得粉末的约90%，-200目粉体在-100目粉体中占比约80%等。

【附图说明】

图1为本发明的A-A剖视结构示意图；

图2为图1的俯视结构示意图；

图3为图1中M处的放大结构示意图；

在图中：1、进气管 ；2、上端盖；3、下端盖；4、腔室；5、气体引流槽；6、收缩段；7、喉部；8、扩张段；9、熔体入口。

【具体实施方式】

通过下面的实施例可以更详细的解释本发明，本发明并不局限于下面的实施例；

结合附图1～3所述的一种用于制备金属粉末的气体雾化喷嘴，包括进气管1、上端盖2和下端盖3，在所述上端盖2的中部设有熔体入口9，在所述熔体入口9下端口的外围设有向上凹陷的环形凹槽，其中熔体入口9的上下两端头贯通上端盖2的上下两面且熔体入口9的下端面低于上端盖2的下端面。在所述环形凹槽的外缘面切线处设有至少一个进气管1，本发明在实施过程中，所述环形凹槽的外缘面切线处设置的进气管1优选两个，且两个进气管1呈中心对称设置；在上端盖2的下面设有下端盖3，所述上端盖2和下端盖3采用子母扣结构进行定位，子母扣为过盈配合；上端盖2与下端盖3装配固定后使环形凹槽分别形成环状拉瓦尔喷嘴结构及一个较大的气体临时存储腔室4，腔室4内的气体出口的结构为环状拉瓦尔喷嘴结构；为了更好的说明本发明，所述下端盖3的中部设有向上凹陷的平台，在所述平台的中部设有熔体入口穿孔，所述熔体入口穿孔与熔体入口9之间设有环缝，所述环缝为环状拉瓦尔喷嘴结构。所述环状拉瓦尔喷嘴结构包括收缩段6、喉部7和扩张段8，所述收缩段6连通腔室4，在收缩段6的下端设有喉部7，在喉部7的下端设有扩张段8。所述喉部7的中心线夹角α为30°～60°。

进一步，在所述上端盖2的上面间隔设有偶数个气体引流槽5，优选的，气体引流槽5间隔均布设置四个；所述气体引流槽5的一端贯通熔体入口9，气体引流槽5的另一端贯通上端盖2的外缘面。所述气体引流槽5为三角形槽，气体引流槽5的大端贯通上端盖2的外缘面，气体引流槽5的小端贯通熔体入口9。

本发明的设计目的是基于现有气体在雾化过程中容易发生堵塞，严重时会影响生产的顺利进行。气体雾化可用空气、氮气等气体。随着技术发展，许多高纯粉体材料对含氧量、杂质含量有特殊的要求，雾化气体需采用高纯氮气或高纯惰性气体，气体的使用量对粉体材料的制作成本也有着较大的影响。

为了避免喷嘴在气体雾化制粉条件下发生堵塞，保障生产顺畅进行，并节约气体用量，降低制粉成本，本发明可以在较少的用气量下获得较细的粉末，同时消除了制粉过程中的堵塞现象，使气体雾化制粉生产能够连续、高效运行。

本发明根据现有技术存在的不足，对喷嘴的结构进行优化设计，保证高压气体经过拉瓦尔喷嘴环缝喉部后可以达到超音速，最大限度的减小气体能量损失。

首先，为防止因熔体入口9过长，金属熔体在流动过程中温降过大，发生熔体粘度增大而出现堵管风险，熔体入口9的高度要短。

其次，喷嘴内气体临时存储腔室4的气压要稳定，防止喷嘴喷出的气流不稳（气流紊流可能导致粉末粘连，从而发生堵塞风险），因而需要有一个较大的气体临时存储腔室4。

第三，采用环状拉瓦尔形式的环缝喷嘴，因为只有利用拉瓦尔喷嘴，才能将将气流充分加速，实现超音速，充分利用高压气体的内能。

最后，采用紧耦合结构，缩短气流到达金属液流的路径，提高雾化效率。

为此，本发明采取以下技术方案：

本发明包括进气管1，上端盖2和下端盖3，上端盖2和下端盖3间形成一个较大的气体临时存储腔室4，喷嘴工作时，其内部是形成一个气压相对平稳的气体临时储存器，避免因腔室过小而出现气压不稳，影响通过环缝喷出气体的稳定性。进气管1通过切线形式导入雾化喷嘴腔室4，一方面可以避免气流冲击形成紊流，有利于喷嘴腔室气压的稳定，另一方面可以将从进气管1流入的气流动能在腔室4内以高速旋转的形式保存下来，有利于增强气体的出口速度。相应的，气体腔室4采用一个倒U字型结构，在保证气体临时存储腔室足够大的同时，尽量缩短熔体入口9的长度，促使金属熔体顺畅流出。

其中环状拉瓦尔喷嘴结构的喉口中心线夹角α 为30～60°。收缩段6依照witoszynski公式确定，保证在入口收缩段6速度较快，然后缓慢收缩达到喉部7，确保气流在喉部7可以达到声速，接着在扩张段8声速可以达到所设计的马赫数。综合平衡雾化效率和堵嘴风险，将对称结构的拉瓦尔收缩扩张型喷管的中心线夹角α控制在30°～60°。

上端盖2和下端盖3采用子母扣结构进行定位，为了避免环缝喉部宽度不均匀，子母扣采用过盈配合。

为了降低熔体入口9与高速气体焦点区内的负压（负压过大可能会出现雾化粉末倒流，从而发生堵嘴），在上端盖2上开了四个气体引流槽5。

本发明中气流管道设有拉瓦尔喷管结构，可以产生高速气流，提高雾化效率。采用在上端盖上增加气体引流槽的结构，以及较大的气体临时存储腔室结构，有效的避免了喷嘴工作过程的堵塞现象，该喷嘴可以在气体流量不高于5m³/min、压力低于1.5MPa下工作，显著减小了雾化用气体成本。在保证不发生喷嘴堵塞的前提下，-100目粉体占收得粉末的约90%，-200目粉体在-100目粉体中占比约80%。

本发明的具体实施例如下：

实施例1：

工作时，采用纯石墨坩埚，喷嘴喉部夹角α选择为52°。配料铜铝合金100kg（含铝0.6wt%），系统抽真空后，进行中频感应熔炼。待炉料开始熔化后，通入少量的N2。炉料完全熔化后，继续升温至1500℃进行雾化。雾化时，管路动态压力为1.4MPa，雾化气体为N2。连续试验10炉，均顺畅喷出，没有发生堵塞现象；-100目合金粉收得率的平均值为89%，-200目合金粉在-100目粉体中占比78%。

实施例2：

工作时，采用纯石墨坩埚，喷嘴喉部夹角α选择为58°。配料铜铝合金100kg（含铝0.2wt%），系统抽真空后，进行中频感应熔炼。待炉料开始熔化后，通入少量的N2。炉料完全熔化后，继续升温至1500℃进行雾化。雾化时，管路动态压力为1.4MPa，雾化气体为N2。连续试验10炉，均顺畅喷出，没有发生堵塞现象；-100目合金粉收得率的平均值为91%，-200目合金粉在-100目粉体中占比79%。

实施例3：

工作时，采用纯石墨坩埚。喷嘴喉部夹角α选择为40°，用料为单一电解铜。系统抽真空后，进行中频感应熔炼。待炉料熔化后，继续升温到1450℃进行雾化。雾化时，管路动态压力1.4MPa，雾化气体为N2。连续试验10炉，均顺畅喷出，没有发生堵塞现象；-100目铜粉收得率的平均值为90%，其中-200目粉体在-100目粉体中占比80%。

本发明未详述部分为现有技术。

为了公开本发明的目的而在本文中选用的实施例，当前认为是适宜的。但是应了解的是，本发明旨在包括一切属于本构思和发明范围内的实施例的所有变化和改进。

Claims (2)

1.一种用于制备金属粉末的气体雾化喷嘴，包括进气管（1）、上端盖（2）和下端盖（3），其特征是：在所述上端盖（2）的中部设有熔体入口（9），所述上端盖（2）的上面间隔设有四个气体引流槽（5），所述气体引流槽（5）为三角形槽，气体引流槽（5）的大端贯通上端盖（2）的外缘面，气体引流槽（5）的小端贯通熔体入口（9），在所述熔体入口（9）下端口的外围设有向上凹陷的环形凹槽，所述环形凹槽的外缘面切线处设有两个进气管（1），所述两个进气管（1）呈中心对称设置，在上端盖（2）的下面设有下端盖（3），所述下端盖（3）的中部设有向上凹陷的平台，在所述平台的中部设有熔体入口穿孔，所述熔体入口穿孔与熔体入口（9）之间设有环缝，所述环缝为环状拉瓦尔喷嘴结构，所述环状拉瓦尔喷嘴结构包括收缩段（6）、喉部（7）和扩张段（8），所述收缩段（6）连通腔室（4），在收缩段（6）的下端设有喉部（7），所述喉部（7）的中心线夹角α为30°～60°，在喉部（7）的下端设有扩张段（8），上端盖（2）与下端盖（3）装配固定后使环形凹槽分别形成环状拉瓦尔喷嘴结构及一个较大的气体临时存储腔室（4）。

2.根据权利要求1所述的用于制备金属粉末的气体雾化喷嘴，其特征是：所述上端盖（2）和下端盖（3）采用子母扣结构进行定位，子母扣为过盈配合。