CN105436509A - 一种带有电磁场辅助作用的金属雾化双层限制性喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种带有电磁场辅助作用的金属雾化双层限制性喷嘴，包括第一层自由降落式喷嘴和第二层laval型喷嘴，第一层自由降落式喷嘴位于第二层laval型喷嘴上方，第一层自由降落式喷嘴带有漏斗结构金属液入口，第二层laval型喷嘴带有线圈，其中第一层自由降落式喷嘴出口为自由降落式喷嘴出口，第二层laval型喷嘴出口为laval型喷嘴出口。本发明的优点在于双层喷嘴结构实现多次气雾化过程，雾化效率高；阶梯状双层导液管与辅助风孔的设计可以防止喷嘴堵塞；缠绕通电线圈产生电磁场的设计，产生紊流，使粉末在喷嘴管内部不易融合，并且产生离心力作用，使粉末颗粒更加分散，降低融合几率，有利于得到粒度小、球形度高的粉末。

Description

一种带有电磁场辅助作用的金属雾化双层限制性喷嘴

技术领域

本发明属于气体雾化生产金属及合金粉末技术领域，具体涉及一种带有电磁场辅助作用的金属雾化双层限制性喷嘴。

背景技术

气雾化基本原理是高速流体粉碎熔融金属液成细小液滴后冷却凝固形成粉末。在雾化设备中，输入的雾化气体加速，并在雾化装置中，输入加速度雾化气体和熔融金属的进入流的相互作用，形成一个流场，该流场中熔融金属的流动、粉、冷却，固化获得具有某种特性的粉末。

目前气体雾化过程中常采用自由落体喷嘴结构。这种结构的喷嘴设计比较简单，不容易堵塞，控制过程比较简单，但它的雾化效率不高，仅用于生产50~300um粒度的粉末，粉末较粗。为了提高雾化效率，后来设计出了单层的限制型喷嘴。虽然这种喷嘴相比于之前的喷嘴在雾化效率、粉末细化上有了一定的提高，显著缩短了气流的自由飞行距离，但是对于粒径更小的需求仍然无法达到。

在文献“制备金属微细粉体和球形颗粒”中刘星辉采用的多流气雾化装置结构中采用的一种普通的多气流雾化结构，该结构得到的颗粒尺寸也仍然不够细化，不能达到5um以下。

发明内容

本发明的目的在于提供一种带有电磁场辅助作用的金属雾化双层限制性喷嘴，克服普通单层雾化喷嘴雾化效率低，粉末粒度大，球形度低的缺点。

本发明的技术方案：一种带有电磁场辅助作用的金属雾化双层限制性喷嘴，包括第一层自由降落式喷嘴和第二层拉瓦尔型（laval）型喷嘴，第一层自由降落式喷嘴位于第二层laval型喷嘴上方，第一层自由降落式喷嘴带有漏斗结构金属液入口，第二层laval型喷嘴带有线圈，其中第一层自由降落式喷嘴出口为自由降落式喷嘴出口，第二层laval型喷嘴出口为laval型喷嘴出口。

第一层自由降落式喷嘴包括上层导液管和第一层雾化器集流腔；上层导液管的入口形状为漏斗形，位于漏斗结构下方的上层导液管颈部设有平台，第一层雾化器集流腔为环形，第一层雾化器集流腔带有第一空腔，在第一层雾化器集流腔的内壁对称设有一对上层喷嘴辅助风孔，上述上层喷嘴辅助风孔自第一空腔向漏斗方向倾斜，第一层雾化器集流腔的第一空腔靠近内环的侧壁为斜面，第一层雾化器集流腔的内壁为倒三角形，第一层雾化器集流腔外壁对称设有一对进气孔，使得空气进入第一空腔，内环侧壁底部设有上层喷嘴倾斜环缝，上层喷嘴倾斜环缝角度与内环侧壁斜面角度一致，上层喷嘴倾斜环缝为第一层雾化器集流腔的空气出口；上层喷嘴辅助风孔位于上层喷嘴倾斜环缝上方；上层导液管插入第一层雾化器集流腔的中心内环，上层导液管的平台卡在第一层雾化器集流腔的内环顶部，防止上层导液管滑落；上层导液管的出口不高于上层喷嘴倾斜环缝，且不进入第二层laval型喷嘴。

上述第二层laval型喷嘴包括下层导液管和第二层雾化器集流腔，下层导液管外壁设有螺纹，第二层雾化器集流腔为环形，内环侧壁设有螺纹，第二层雾化器集流腔带有第二空腔，在第二层雾化器集流腔的内环侧壁对称设有一对下层喷嘴辅助风孔，上述辅下层喷嘴辅助风孔由第二空腔向内环顶部倾斜，第二层雾化器集流腔的第二空腔靠近内环的侧壁为斜面，第二层雾化器集流腔的内壁为倒三角形，第二层雾化器集流腔外壁对称设有一对进气孔，使得空气进入第二空腔，内环侧壁底部设有下层喷嘴倾斜环缝，下层喷嘴倾斜环缝为第二层雾化器集流腔的空气出口，出口为laval型；下层喷嘴辅助风孔位于下层喷嘴倾斜环缝上方，第二层雾化器集流腔内壁下层喷嘴辅助风孔辅助风孔的下方缠有通电螺线圈，下层导液管设置在第二层雾化器集流腔的内环中心，并通过螺纹配合连接。

上述上层喷嘴辅助风孔孔径与上层喷嘴倾斜环缝间隙相等，下层喷嘴辅助风孔孔径与下层喷嘴倾斜环缝间隙相等。

上述第一层雾化器集流腔和第二层雾化器集流腔采用耐热钢材料制成，上层导液管和下层导液管为陶瓷管或耐热钢材料。

上述上层导液管出口和下层导液管入口之间存在间隙。

上述下层导液管内径不小于上层导液管的内径。

上述两层喷嘴的喷射顶角角度大于35°且小于45°。

本发明与现有技术相比，其显著优点有：

(1)双层喷嘴结构实现多次气雾化过程，使得粉末雾化程度更高，球形度更好，一层常规型喷嘴实现初级雾化、辅助性的破碎，该结构喷嘴设计浅易、不容易堵塞、控制过程相对于其他结构的较为简单，但其缺点是雾化的效率不高，因此加入第二层的拉瓦尔型喷嘴，它在一定程度弥补了自由落体式喷嘴的不足，熔体一经流出即与气体发生冲击而雾化，很大程度上降低了气体的能量损耗，从而很大的提高了雾化的效率（即气体的能量转换效率），熔融的金属液更容易破碎成粉。

（2）两层导液管设计成一种阶梯型导管，设计的下层导液管的内径应比上导液管内径略大，这样可以让熔融金属在上导管向下导管流动流动时保证不接触下导管壁。上部和下部导向管存在间隙，防止两者直接接触发生传热，导致上导液管温度降低从而引起堵塞，另外也防止上导液管的温度降低过快，使得热量发散，热量损失，降低冲击能量。

（3）每层喷嘴中加入1对辅助风孔，使部分气体通过辅助风孔向下流动，一方面可以防止喷嘴堵嘴降低流速比，另一方面也可以维持喷口附近气压平衡，降低压力差使熔体液滴返回进风口的作用。

（4）在第二层雾化器集流腔缠绕通电螺线圈，在线圈内通入脉冲电流，使得在喷嘴管内形成交替变化的电磁场，第一，喷嘴管内部可以产生紊流作用，经过第一层雾化后得到的粉末在第二层laval型喷嘴管内部受到紊流作用而不易融合；第二，在出口处对金属粉末产生离心力作用，此时粉末不仅受到向下的雾化气流作用，也会受到电磁场的离心力作用，在两者合力的作用下，相比于只有雾化气流的单独作用可以使得粉末颗粒更加分散；第三，在喷嘴出口处粉末整体喷出面积相对增大，喷出后粉末更加分散，降低颗粒间的融合几率，冷却面积也相对增加，利于粉末凝固。这些都有利于最终雾化粉末尺寸的降低，增强雾化效果。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图。

图2为本发明的第一层自由降落式喷嘴结构示意图。

图3为本发明的第二层laval型喷嘴出口示意图。

图4为本发明的两层导液管阶梯状结构示意图。

图5为多次试验测试结果平均值曲线图。

具体实施例

以下结合技术方案和附图详细描述本发明的具体实施方式：

结合图1-图4，一种带有电磁场辅助作用的金属雾化双层限制性喷嘴，包括第一层自由降落式喷嘴和第二层laval型喷嘴，第一层自由降落式喷嘴位于第二层laval型喷嘴上方，第一层自由降落式喷嘴带有漏斗结构金属液入口，第二层laval型喷嘴带有线圈，其中第一层自由降落式喷嘴出口为自由降落式喷嘴出口，第二层laval型喷嘴出口为laval型喷嘴出口。

第一层自由降落式喷嘴包括上层导液管1和第一层雾化器集流腔2；上层导液管1的入口形状为漏斗形，位于漏斗结构下方的上层导液管1颈部设有平台，第一层雾化器集流腔2为环形第一层雾化器集流腔2带有第一空腔5，在第一层雾化器集流腔2的内环侧壁对称设有一对上层喷嘴辅助风孔7，上述上层喷嘴辅助风孔7自第一空腔5向漏斗方向倾斜，第一层雾化器集流腔2的第一空腔5靠近内环的侧壁为斜面，第一空腔5的顶面面积小于其底面面积，第一层雾化器集流腔2的内壁为倒三角形，第一层雾化器集流腔2外壁对称设有一对进气孔，使得空气进入第一空腔5，内环侧壁底部设有上层喷嘴倾斜环缝6，上层喷嘴倾斜环缝6角度与内环侧壁斜面角度一致，上层喷嘴倾斜环缝6为第一层雾化器集流腔2的空气出口；上层喷嘴辅助风孔7位于上层喷嘴倾斜环缝6上方。上层导液管1插入第一层雾化器集流腔2的中心内环，上层导液管1的平台卡在第一层雾化器集流腔2的内环顶部，防止上层导液管1滑落。上层导液管1的出口不高于上层喷嘴倾斜环缝6，且不进入第二层laval型喷嘴。

第二层laval型喷嘴包括下层导液管3和第二层雾化器集流腔4，下层导液管3外壁设有螺纹，第二层雾化器集流腔4为环形，内环侧壁设有螺纹，第二层雾化器集流腔4带有第二空腔8，在第二层雾化器集流腔4的内环侧壁对称设有一对下层喷嘴辅助风孔10，上述下层喷嘴辅助风孔10向内环顶部倾斜，第二层雾化器集流腔4的第二空腔8靠近内环的侧壁为斜面，第二层雾化器集流腔4的内壁为倒三角形，第二层雾化器集流腔4外壁对称设有一对进气孔，使得空气进入第二空腔8，内环侧壁底部设有下层喷嘴倾斜环缝9，下层喷嘴倾斜环缝9为第二层雾化器集流腔4的空气出口，出口为laval型；下层喷嘴辅助风孔10位于下层喷嘴倾斜环缝9上方，第二层雾化器集流腔4内壁下层喷嘴辅助风孔10的下方缠有通电螺线圈，下层导液管3通过螺纹固定在第二层雾化器集流腔4的内环中心。下层导液管3顶部为第二层laval型喷嘴的入口。

第一层自由降落式喷嘴与第二层laval型喷嘴通过螺栓螺母连接，可以方便拆卸。每层的导液管与雾化器集流腔均可以分离拆卸，导液管的拆卸可以方便于使用后的清洗，对于磨损较大的内部导液管可以进行更换。

以下介绍本发明中的喷嘴参数的确定：

(1)下层导液管3的内径应比上层导管1内径略大，这样可以让熔融金属在上层导管1向下层导液管3流动流动时保证不接触下层导液管3管壁。

(2)调整合适的喷射顶角也是设计雾化喷嘴的关键。顶角为45°是堵塞的最小值，35°是不堵塞的临界状态。当大时45°时，雾化过程会终止，当小于35°时，易产生射流现象。粉末粒径较大时，甚至也会不发生雾化过程。

（3）下层导液管3突出高度影响气体流场结构，可以使液滴温度变化非常急剧，在较小的范围内就能够达到凝固点，很短的时间内所有的雾化就几乎都发生了。

实施例1

设计的工艺参数选择为第一层自由降落式喷嘴的上层喷嘴倾斜环缝6的间隙为1.0mm，第二层laval型喷嘴laval型喷嘴的下层喷嘴倾斜环缝9间隙0.5mm，上层导液管1内外径分别为4.5mm和5.0mm，长100mm，下层导液管3为内外径分别为6.5mm和7mm，长150mm。上层导液管1和下层导液管3之间有3mm的间隙。喷射顶角为42°。位于第二层雾化器集流腔4的下层辅助风孔10直径接近于拉瓦尔喷嘴间隙，取0.5mm。下层导液管3突出高度6mm的气体流场结构可以使液滴温度变化非常急剧。高频脉冲电流为0.5~50A、电压20~30V，脉冲频率2Hz，脉宽比10~50%。

第一层雾化器集流腔2和第二层雾化器集流腔4均采用耐热钢材料制成，上层导液管1和下层导液管3均为陶瓷管制成，对于熔点较高的金属可以使用陶瓷（如氮化硼）材料，对于低熔点金属可以使用耐热钢材料，第二层缠绕的线圈内通过的电流频率强度可以根据不同的金属粉末以及粒度的要求进行调试。

具体工作过程为：以喷Al粉为例，在气体介质为氮气，一定气压的条件下将Al金属液通过上层导液管1的漏斗结构中加入，同时在第一层雾化器集流腔2和第二层雾化器集流腔4内通入要求气压的氮气，接通第二层雾化器集流腔4缠绕的通电线圈的电源。金属液在第一层自由降落式喷嘴出口处通过一次气雾化过程成为微粒然后进入下层导液管3中，然后在下层导液管3中受到气流和电磁场的共同作用细化出更细小的粉末，从第二层laval型出口中喷出。普通的单层雾化喷嘴一般可以得到50um左右的Al粉，普通的双层结构的雾化喷嘴可以得到10um左右的Al粉，而在采用本设计的带有电磁场辅助的双层限制性喷嘴条件下，结合图5，实验粉末粒度范围，可以看出得到3.8um左右的Al粉，细化效果明显提高。

在第二层雾化器集流腔4缠绕通电螺线圈，在线圈内通入脉冲电流，使得在喷嘴管内形成交替变化的电磁场，第一，第二层laval型喷嘴内部可以产生紊流作用，经过第一层雾化后得到的粉末在第二层laval型喷嘴管内部受到紊流作用而不易融合；第二，在第二层laval型喷嘴出口处对金属粉末产生离心力作用，此时粉末不仅受到向下的雾化气流作用，也会受到电磁场的离心力作用，在两者合力的作用下，相比于只有雾化气流的单独作用可以使得粉末颗粒更加分散；第三，在第二层laval型喷嘴出口处粉末整体喷出面积相对增大，喷出后粉末更加分散，降低颗粒间的融合几率，冷却面积也相对增加，利于粉末凝固。这些都有利于最终雾化粉末尺寸的降低，增强雾化效果。

Claims (7)

1.一种带有电磁场辅助作用的金属雾化双层限制性喷嘴，其特征在于：包括第一层自由降落式喷嘴和第二层laval型喷嘴，第一层自由降落式喷嘴位于第二层laval型喷嘴上方，第一层自由降落式喷嘴带有漏斗结构的金属液入口，第二层laval型喷嘴带有线圈，其中第一层自由降落式喷嘴出口为自由降落式喷嘴出口，第二层laval型喷嘴出口为laval型喷嘴出口；

第一层自由降落式喷嘴包括上层导液管(1)和第一层雾化器集流腔(2)；上层导液管(1)的入口形状为漏斗形，位于漏斗结构下方的上层导液管(1)颈部设有平台，第一层雾化器集流腔(2)为环形，第一层雾化器集流腔(2)带有第一空腔(5)，在第一层雾化器集流腔(2)的内壁对称设有一对上层喷嘴辅助风孔(7)，上述上层喷嘴辅助风孔(7)自第一空腔(5)向漏斗方向倾斜，第一层雾化器集流腔(2)的第一空腔(5)靠近内环的侧壁为斜面，第一层雾化器集流腔(2)的内壁为倒三角形，第一层雾化器集流腔(2)外壁对称设有一对进气孔，使得空气进入第一空腔(5)，内环侧壁底部设有上层喷嘴倾斜环缝(6)，上层喷嘴倾斜环缝(6)角度与内环侧壁斜面角度一致，上层喷嘴倾斜环缝(6)为第一层雾化器集流腔(2)的空气出口；上层喷嘴辅助风孔(7)位于上层喷嘴倾斜环缝(6)上方；上层导液管(1)插入第一层雾化器集流腔(2)的中心内环，上层导液管(1)的平台卡在第一层雾化器集流腔(2)的内环顶部，防止上层导液管(1)滑落；上层导液管(1)的出口不高于上层喷嘴倾斜环缝(6)，且不进入第二层laval型喷嘴。

2.根据权利要求1所述的带有电磁场辅助作用的金属雾化双层限制性喷嘴，其特征在于：上述第二层laval型喷嘴包括下层导液管(3)和第二层雾化器集流腔(4)，下层导液管(3)外壁设有螺纹，第二层雾化器集流腔(4)为环形，内环侧壁设有螺纹，第二层雾化器集流腔(4)带有第二空腔(8)，在第二层雾化器集流腔(4)的内环侧壁对称设有一对下层喷嘴辅助风孔(10)，上述下层喷嘴辅助风孔(10)由第二空腔（8）向内环顶部倾斜，第二层雾化器集流腔(4)的第二空腔(8)靠近内环的侧壁为斜面，第二层雾化器集流腔(4)的内壁为倒三角形，第二层雾化器集流腔(4)外壁对称设有一对进气孔，使得空气进入第二空腔(8)，内环侧壁底部设有下层喷嘴倾斜环缝(9)，下层喷嘴倾斜环缝(9)为第二层雾化器集流腔(4)的空气出口，出口为laval型；下层喷嘴辅助风孔(10)位于下层喷嘴倾斜环缝(9)上方，第二层雾化器集流腔(4)内壁下层喷嘴辅助风孔(10)的下方缠有通电螺线圈，下层导液管(3)设置在第二层雾化器集流腔(4)的内环中心，并通过螺纹配合连接。

3.根据权利要求1或2所述的带有电磁场辅助作用的金属雾化双层限制性喷嘴，其特征在于：上述上层喷嘴辅助风孔(7)的孔径与上层喷嘴倾斜环缝(6)间隙相等，下层喷嘴辅助风孔(10)的孔径与下层喷嘴倾斜环缝(9)间隙相等。

4.根据权利要求1或2所述的带有电磁场辅助作用的金属雾化双层限制性喷嘴，其特征在于：上述第一层雾化器集流腔(2)和第二层雾化器集流腔(4)采用耐热钢材料制成，上层导液管(1)和下层导液管(3)的材料为陶瓷管或耐热钢材料。

5.根据权利要求1或2所述的带有电磁场辅助作用的金属雾化双层限制性喷嘴，其特征在于：上述上层导液管(1)出口和下层导液管(3)入口之间存在间隙。

6.根据权利要求1或2所述的带有电磁场辅助作用的金属雾化双层限制性喷嘴，其特征在于：上述下层导液管(3)内径不小于上层导液管(1)的内径。

7.根据权利要求1或2所述的带有电磁场辅助作用的金属雾化双层限制性喷嘴，其特征在于：上述两层喷嘴的喷射顶角角度大于35°且小于45°。