CN105712084A - 一种气体压力驱动式均匀供粉装置和方法 - Google Patents

一种气体压力驱动式均匀供粉装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种气体压力驱动式均匀供粉装置，包括补压气体管路、粉仓、球阀、隔板、混粉器及输送气体管路；粉仓与补压气体管路相连；粉仓下端连接球阀；混粉器位于球阀下方，隔板设置于混粉器与球阀之间，且隔板中心处设有过粉孔；混粉器由壳体、收缩扩张管及喷嘴构成，喷嘴和收缩扩张管共轴设置于壳体内，喷嘴与收缩扩张管之间形成空腔作为混粉室，喷嘴的进气口与输送气体管路相连；所述喷嘴为收缩形，所述收缩扩张管的收缩段和扩张段之间有一个等径段。本发明提出的气体压力驱动式均匀供粉装置和方法，通过提高粉仓和混粉室之间的压力差值使之成为粉末运动的主要驱动力，有效的避免了粉末自重和粉仓中粉末量变化对供粉速度的影响。

Description

一种气体压力驱动式均匀供粉装置和方法
技术领域
本发明涉及一种气体压力驱动式均匀供粉装置和方法，属于流体机械技术领域。
背景技术
随着现代制造工艺的发展以及新型材料的涌现，微纳米级别的粉体逐渐成为了重要的原材料，如微细加工技术、3D打印以及颗粒增强金属基复合材料制备技术等。在上述技术中粉体的输送成为重要的工艺过程，决定了成形产品的性能，如在颗粒增强金属基复合材料的制备工艺中，粉体增强相的含量和分布规律对材料性能有极大影响，因此粉体材料的均匀供给成为了采用粉体原材料的成形工艺中的关键技术。
气力输送是粉体材料最常用的输送方式，文献1(陈刚.液体金属与合金的固体雾化原理及工艺的研究[D].长沙:湖南大学,2005.)提出了一种可调节式流态化床供粉装置，其结构如图1所示，由螺旋杆2，粉仓3，流态化床5，调节手柄6等组成。该装置通过调节手柄6旋转螺旋杆2，相应地会提升流态化床5的高度。能在一定程度上解决传统流态化床中，由于粉仓中粉体材料减少引起的两相流中固相浓度逐渐降低的缺陷。由于粉仓中两相气流特性复杂，通过气流带走的粉末量很难精确算计，因此通过调节流态化高度可以一定程度上缓解传统装置的缺陷，但很难实现精确控制和实时调节。粉体材料气力输送的优点主要体现在输送设备简单，受空间和环境影响小且成本较低，根据上述分析也可以看出其缺陷主要在于很难实现粉末的精确供给和实时控制。
发明内容
本发明的目的是提供一种气体压力驱动式均匀供粉装置和方法，通过本发明提供的装置和方法能够实现粉末材料的精确供给和实时调节，并且产生的两相流中气-固两相混合均匀无分层和颗粒团聚现象，特别适合对粉末材料加入量和分布均匀性有较高要求的成形方法。
实现本发明的技术方案如下：
一种气体压力驱动式均匀供粉装置，包括补压气体管路、粉仓、球阀、隔板、混粉器及输送气体管路；粉仓与补压气体管路相连；粉仓下端连接球阀；混粉器位于球阀下方，隔板设置于混粉器与球阀之间，且隔板中心处设有过粉孔；混粉器由壳体、收缩扩张管、及喷嘴构成，喷嘴和收缩扩张管共轴设置于壳体内，喷嘴与收缩扩张管之间形成空腔作为混粉室，喷嘴的进气口与输送气体管路相连；所述喷嘴为收缩形，所述收缩扩张管的收缩段和扩张段之间有一个等径段。
进一步地，本发明所述隔板中心处的过粉孔直径d在0.1～2.0mm之间，通过改变过粉孔的直径也可以调节供粉速。
进一步地，本发明输送气体管路中输送气体的压力为0.2～1.0MPa；补压气体管路中补压气体压力为0.4～1.2MPa。
一种气体压力驱动式均匀供粉装置的供粉方法，步骤如下：
步骤1：将粉体材料置于粉仓中；
步骤2：补压气体管路和输送气体管路分别与带有减速器的气瓶连接，检查管路气密性保证不漏气；
步骤3：分别开启补压气体管路和输送气体管路连接的球阀调节至所需气体压力后开启球阀，粉末在粉仓和混粉室之间的气体压力差值驱动下经隔板中心的过粉孔进入混粉室与输送气体混合，气-固两相流流经收缩扩张管时进一步混合均匀形成具有一定速度的气-固均匀两相流，粉末的供给速度由粉仓和混粉室之间的气体压力差值和过粉孔直径决定，在单次供粉过程中通过调节补压气体压力对供粉量进行实时控制；
步骤4：供粉完成后关闭球阀和气体减速器。
本发明提出的气体压力驱动式均匀供粉装置和方法，通过提高粉仓和混粉室之间的压力差值使之成为粉末运动的主要驱动力，有效的避免了粉末自重和粉仓中粉末量变化对供粉速度的影响，具有如下的有益效果：
(1)本发明避免了传统流态化床供粉装置中由于粉仓中粉末逐渐减小带的供粉速度波动，有效实现了粉体材料的气动力精确供给。
(2)本发明通过调节过粉孔直径和补压气体压力可以获得不同的粉末供给速度，在单次供粉过程中可以通过改变补压气体压力对供粉速度进行实时调节并且不会改变输送气体压力和气体消耗量。
(3)本发明气-固两相流经过了两次混合过程且最终在收缩扩张管中进行了加速，粉体材料与输送气体混合均匀且具有一定速度，具有一定速度的气-固两相均匀流在管路输送过程中能够避免粉末的团聚、分层和沉积等现象。
(4)本发明收缩扩张管中间具有一等径段，在该处粉末能与输送气体进一步形成均匀的两相流，混合均匀后两相流在扩张段会有一定加速。
(5)本发明技术路线先进可靠、所需设备简单易于控制且成本较低。
附图说明
图1是改进型流态化床供粉装置结构示意图。
图2是本发明提供的气体压力驱动式均匀供粉装置结构示意图。
图3是本发明提供气体压力驱动式均匀供粉装置对SiC和Al2O3两种粉末在输送气压为0.2和0.4MPa时的供粉曲线图。
图中：1为输送气体管路，2为螺旋杆，3为粉仓，4为气-固两相流管路，5为流态化床，6为调节手柄，7为补压气体管路，8为粉仓，9为需要输送的粉末颗粒，10为球阀，11为隔板，12为混粉器，13为壳体，14为扩张收缩管，15为混粉室，16为喷嘴，17为输送气体管路，18为输送气压0.4MPa时Al2O3粉末供粉曲线，19为输送气压0.4MPa时SiC粉末供粉曲线，20为输送气压0.2MPa时Al2O3粉末供粉曲线，21为输送气压0.2MPa时SiC粉末供粉曲线。
具体实施例
下面结合附图和具体实例对本发明进行详细说明。
本发明按照粉体材料气力输送的基本原理，对现有技术进行了创造性改进，发明了一种气体压力驱动式均匀供粉装置和方法，基本原理是：通过补压气体管路对装有一定量粉体材料的粉仓中施加一定气体压力，增加粉仓与混粉室之间的压力差值，而两者之间的压力差值将成为驱动粉末由粉仓进入混粉室的主要驱动力。由于供粉过程中粉末的自重也会对供粉速度产生一定的影响，且随着粉仓中剩余粉末的数量逐渐减少对粉末供粉速度的影响也逐渐变化。而在本发明提供的压差式供粉装置中在实际供粉过程中当粉仓与混粉器之间压力差>0.2MPa时，通过计算可以得出压差产生的驱动力比粉末自重产生的驱动力大两个数量级以上，粉末自重和粉仓中粉末量变化对供粉速度的影响可以忽略不计，因此保证粉仓与混粉室之间的压力差值恒定即可保证供粉的均匀性。
如图2所示，一种气体压力驱动式均匀供粉装置，包括补压气体管路7、粉仓8、球阀10、隔板11、混粉器12及输送气体管路17；粉仓8与补压气体管路7相连，补压气体管路7可以对粉仓8施加一定的气体压力；粉仓8下端连接球阀10，球阀10的开关可以控制粉体材料9是否进入混粉室15；混粉器12位于球阀10下方，隔板11设置于混粉器12与球阀10之间，且隔板11中心处设有过粉孔；混粉器12由壳体13收缩扩张管14及喷嘴16构成，喷嘴16和收缩扩张管14共轴设置于壳体13内，喷嘴16与收缩扩张管14之间形成空腔作为混粉室15，喷嘴16的进气口与输送气体管路17相连；所述喷嘴16为收缩形，所述收缩扩张管14的收缩段和扩张段之间有一等径段。
本发明所述隔板11中心处的过粉孔直径d在0.1～2.0mm之间，通过改变过粉孔的直径也可以调节供粉速。
实例1：
以平均粒径为150μm的Al2O3和SiC粉末的输送为例，说明本发明的具体实施方式，其中过粉孔直径选择d＝1.4mm，补压气体压力P′选择0.2和0.4MPa，输送气体压力P选择0.6MPa。
(1)称取2kg平均粒径为150μm的Al2O3粉体材料，并置于粉仓8中；
(2)按照装配关系连接好各装置，并对管路的气密性进行检测；
(3)分别设置补压气体管路7和输送气体管路13连接的减速器调节气体压力分别为0.2MPa和0.6MPa，并开启气体阀门对装置供气。
(4)开启球阀10，粉末在粉仓8和混粉室15之间的气体压力差值驱动下经隔板11中心的过粉孔进入混粉室15与输送气体混合，经扩张收缩管14混合加速后形成气-固均匀两相流；
(5)选取不同时间点测量粉仓中残余的粉末质量，并建立供粉量与时间之间的关系曲线，曲线斜率即为供粉速度；
(6)改变实验条件，选用Al2O3粉体在P′＝0.4MPa，SiC粉末在P′＝0.4和0.2MPa时分别重复步骤(1)～(5)，获得的供粉量与时间之间的关系曲线见图3.
由图示可以看出图3中的四条曲线都呈现出了很好的线性度，也就说明本发明提供的供粉装置能够实现粉末的均匀供给，且相同粒径和种类的粉末在不同供粉压力下供粉速度不同，这也间接说明了在单次供粉过程中可以通过改变补压气体压力调节供粉速度。实验结果表明本发明提供气体压力驱动式均匀供粉装置和方法，技术路线先进可靠，所需设备简单易于控制且成本较低。
综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种气体压力驱动式均匀供粉装置，其特征在于，包括补压气体管路(7)、粉仓(8)、球阀(10)、隔板(11)、混粉器(12)及输送气体管路(17)；粉仓(8)与补压气体管路(7)相连；粉仓(8)下端连接球阀(10)；混粉器(12)位于球阀(10)下方，隔板(11)设置于混粉器(12)与球阀(10)之间，且隔板(11)中心处设有过粉孔；混粉器(12)由壳体(13)、收缩扩张管(14)及喷嘴(16)构成，喷嘴(16)和收缩扩张管(14)共轴设置于壳体内，喷嘴(16)与收缩扩张管(14)之间形成空腔作为混粉室(15)，喷嘴(16)的进气口与输送气体管路(17)相连；所述喷嘴(16)为收缩形，所述收缩扩张管(14)的收缩段和扩张段之间有一个等径段。
2.根据权利要求1所述气体压力驱动式均匀供粉装置，其特征在于，所述隔板(11)中心处的过粉孔直径d在0.1～2.0mm之间。
3.根据权利要求1所述气体压力驱动式均匀供粉装置，其特征在于，输送气体管路(17)中输送气体的压力为0.2～1.0MPa；补压气体管路(7)中补压气体压力为0.4～1.2MPa。
4.基于权利要求1所述气体压力驱动式均匀供粉装置的供粉装置的供粉方法，其特征在于，步骤如下：
步骤1：将粉体材料(9)置于粉仓(8)中；
步骤2：补压气体管路(7)和输送气体管路(17)分别与带有减速器的气瓶连接，检查管路气密性保证不漏气；
步骤3：分别开启补压气体管路(7)和输送气体管路(17)连接的球阀调节至所需气体压力后开启球阀(10)，粉末在粉仓(8)和混粉室(15)之间的气体压力差值驱动下经隔板(10)中心的过粉孔进入混粉室(15)与输送气体混合，气-固两相流流经收缩扩张管(14)时进一步混合均匀形成具有一定速度的气-固均匀两相流，在单次供粉过程中通过调节补压气体压力对供粉量进行实时控制；
步骤4：供粉完成后关闭球阀(10)和气体减速器。
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