CN105828989A - 粉末制造设备和粉末形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种能够当通过流体形成精细的粉末时防止颗粒生长的粉末制造设备，该设备包括：一个钢水提供部分，用于提供钢水；以及一个冷却流体喷射部分，其被安排在该钢水提供部分的下部分处并且将冷却流体喷射在钢水上以粉化通过该钢水提供部分提供的钢水，其中该冷却流体喷射部分形成用于冷却钢水以便粉化钢水的第一流和用于在钢水中形成下降空气流的第二流。

Description

粉末制造设备和粉末形成方法

技术领域

本公开内容涉及一种粉末制造设备和一种用于由钢水(moltensteel)生产粉末的粉末形成方法，且更具体而言，涉及一种粉末制造设备和一种通过将冷却流体喷射到钢水上来将钢水粉化成均匀的粉末的粉末形成方法。

背景技术

汽车和金属部件的形状已经变得复杂，且其需求已经增加。因此，除了传统制造方法，诸如，锻造方法和铸造方法，已经越来越多地使用优化用于批量生产的方法，诸如，热压成形(HPF)。由于HPF技术的发展，由金属粉末形成的产品的刚性和其他性能已经得到改进，且因此HPF用于制造复杂汽车部件的使用已经逐渐增加。因此，已经研究了用于大量地生产金属粉末的粉化技术。

图1例示了用于通过使用流体(诸如，高压气体或冷却水)粉化钢水(S)来生产精细的粉末(P)的粉末制造设备。该粉末制造设备可用来生产具有预期颗粒尺寸分布和性能的微小尺寸的精细的粉末。通过从安装在主体20上的射流喷嘴30喷射到钢水(S)上的流体将从钢水供应单元10向下流动的钢水(S)粉化成精细的粉末(P)。射流喷嘴30连接到固定体11，且连接到固定体11的射流喷嘴30的喷射位置可调整以改变从射流喷嘴30喷射的流体撞击钢水的撞击点。

使用惰性气体作为流体的方法具有这些优点，诸如形成非常精细的粉末、颗粒尺寸的均匀性以及不发生粉末氧化，但是在批量生产方面具有缺点。另一方面，尽管使用冷却水的水射流方法具有缺点，诸如不均匀的颗粒表面形状、获得均匀的颗粒的难度以及金属粉末氧化的高可能性，但是在批量生产方面水射流方法具有优点。由于对作为用于制造汽车部件的原材料的金属粉末的需求显著增加，使用冷却水的水射流方法被认为是用于生产金属粉末的有竞争力的方法。

当通过水射流方法生产金属粉末时，金属粉末质量由多个因素(诸如，金属粉末的颗粒尺寸分布、表观密度、表面形状以及氧含量)确定。金属粉末的颗粒尺寸分布、表观密度和表面形状主要在水射流过程中确定，并且水射流过程的变量诸如冷却水的量和压力、钢水的初始温度以及喷嘴的结构对金属粉末的性能具有影响。在一般的水射流过程中，当高压冷却水撞击钢水时，钢水被粉化成精细的金属粉末并且被冷却，并且金属粉末的粉化度和表面形状由冷却水的压力确定，具体而言，冷却水滴的尺寸和速度以及通过冷却水滴施加的脉冲的幅度。已经开发了并且商品化了用于形成水滴且通过用水滴撞击钢水来有效地粉化钢水的水射流喷嘴和喷嘴结构。

在相关技术中，这样的喷嘴结构通常被分成两种类型。

首先，如图2中例示的，使用V-射流类型喷嘴结构。在V-射流类型喷嘴结构中，喷嘴尖端31被配置为朝向钢水流的一个点喷射扇形冷却水流以便生产金属粉末。V-射流类型喷嘴结构包括多个喷嘴尖端31，且通过喷嘴尖端31喷射的冷却水广泛地散布。因此，容易设置加工条件和调整冷却水撞击钢水的角度。然而，有效地撞击钢水的冷却水滴的数目是相对小的，且因此使用大量的冷却水来生产粉末。

如图3中例示的，另一种是包括环形单件喷嘴35和喷射孔36的环形类型喷嘴结构，冷却水流通过该喷射孔被喷射朝向钢水的一个点。与V-射流类型喷嘴结构相比，通过冷却水滴(流体滴)将相对大的脉冲施加到钢水，且因此使用少量的流体。然而，如果初始加工条件不完善，则难以调整流体滴相对于钢水的点的角度。另外，难以制造用于高压流体喷射的单件环形喷嘴结构。

此外，在两种喷嘴结构中，如果使流体撞击钢水的撞击角度变化，根据冷却水和空气的流动，由钢水形成的精细的粉末可能不落下而是可能形成大团块。

(专利文件1)KR10-2004-0067608A

发明内容

技术问题

为了解决相关技术的上述问题，本公开内容的一方面可以提供一种粉末制造设备和一种用于使用流体形成精细的粉末同时防止粉末变粗劣的粉末形成方法。

本公开内容的一方面还可以提供一种粉末制造设备和一种即使加工条件变化也能允许稳定加工的粉末形成方法。

本公开内容的一方面还可以提供一种粉末制造设备和一种用于生产具有预定颗粒尺寸分布和平均颗粒尺寸同时增加冷却水的量、减小脉冲的幅度并且保证预定撞击角度的粉末形成方法。

技术方案

本公开内容提供了如下描述的一种粉末制造设备和一种粉末形成方法以便实现本公开内容的上述方面。

根据本公开内容的一方面，一种粉末制造设备可以包括：一个钢水供应单元，其供应钢水；以及一个冷却流体喷射单元，其被布置在该钢水供应单元下方且将冷却流体喷射到从该钢水供应单元供应的钢水以便粉化该钢水，其中该冷却流体喷射单元可以形成冷却和粉化该钢水的第一流以及创建用于该钢水的下降空气流的第二流。

该冷却流体喷射单元可以包括：一个导引件，其包括一个截头圆锥体部分，该截头圆锥体部分指向下以使得从该钢水供应单元向下流动的钢水可以穿过该截头圆锥体部分的中心区域；以及一个射流喷嘴，其将该冷却流体喷射到该导引件上。

该第二流可以在向下流动的钢水周围向下涡旋。

可以在该导引件上形成螺旋以引起该第二流。该螺旋可以是形成在该导引件的表面中的凹槽。

多个螺旋可以对称地形成在该导引件上。

该冷却流体喷射单元可以被配置使得该第一流可以比该第二流流动的速率更大的速率流动。

该射流喷嘴可以是直射流喷嘴，该直射流喷嘴被指向成使得该冷却流体可以被喷射朝向该导引件的该截头圆锥体部分。

该射流喷嘴可以位于该导引件的截头圆锥体部分上方，且该射流喷嘴与垂直线之间的角度大于该截头圆锥体部分的斜面与该垂直线之间的角度。

在从该截头圆锥体部分的斜面绘制的延伸线相互交叉的点处，该螺旋可以引起该下降空气流。

该冷却流体可以是水。

根据本公开内容的另一方面，一种粉末形成方法可以包括：供应钢水；通过使用冷却流体粉化该钢水来形成粉末；以及在粉末形成期间，使用该冷却流体在该冷却流体撞击该钢水的点处创建下降空气流以便防止粉末变得粗劣。

在粉末形成中，可以在该冷却流体撞击钢水的点周围形成一个冷却流体屏障，以便防止外部气体的引入。

该下降空气流的创建可以包括使该冷却流体向下涡旋以便通过该冷却流体的涡旋流创建该下降空气流。

有益效果

由于该粉末制造设备的上述配置和该粉末形成方法，当使用流体形成精细的粉末时，可以防止精细的粉末变得粗劣。

另外，根据该粉末制造设备和该粉末形成方法，可以稳定地执行加工，即使加工条件发生变化。

另外，可以使用该粉末制造设备和该粉末形成方法生产具有预定颗粒尺寸分布和平均颗粒尺寸的粉末同时增加冷却水的量、减小脉冲的幅度并且保证预定撞击角。

附图说明

图1是例示了相关技术的粉末制造设备的示意视图。

图2是例示了根据相关技术的包括V-射流类型射流喷嘴的粉末制造设备的示意视图。

图3是例示了根据相关技术的包括环形类型射流喷嘴的粉末制造设备的示意视图。

图4是例示了包括导引件的粉末制造设备的示意视图。

图5是例示了图4中例示的导引件的放大视图。

图6是图4和图5中例示的粉末制造设备的图像，该图像是当粉末制造设备被钢水堵塞时所取的。

图7是例示了粉末的颗粒尺寸分布和平均颗粒尺寸之间的关系的图表。

图8是例示了根据本公开内容的一个实施方案的粉末制造设备的示意视图。

图9是例示了图8中例示的导引件的放大视图。

图10是例示了图9中例示的螺旋的详细视图。

图11是例示了图8中例示的第一流的示意视图。

图12是例示了图8中例示的第二流的示意视图。

图13(a)和图13(b)是例示了图11和图12中例示的第一流和第二流的示意平面视图。

图14是在发明实施例和对比实施例中脉冲的幅度的图表。

图15是例示了在发明实施例和对比实施例中在钢水撞击点附近测量的垂直速度的图表。

参考标记：

130:射流喷嘴131:冷却水

140:导引件141:圆柱体部分

142:截头圆锥体部分143:螺旋

150:第一流160:第二流

具体实施方案

在下文中，将参照附图详细描述本公开内容的示例性实施方案。

提出了使用导引件以改进在背景技术中描述的两种类型的喷嘴结构的技术，如图4和图5中例示的。换言之，在提出的结构中，使用直射流喷嘴31，并且布置形状像倒截头圆锥体的导引件40以导引冷却水并且将冷却水集中在钢水撞击点处。射流喷嘴31将冷却水喷射到导引件40上以将冷却水集中在钢水撞击点处。

在提出的结构中，圆锥体形的冷却水屏障WB是通过喷射到导引件40上的冷却水形成的，且由于冷却水屏障WB阻止周围空气的引入，冷却水屏障WB的内部区域I被隔离。因此，如果在钢水撞击点处冷却水不平稳地撞击钢水，则钢水可能在冷却水屏障WB的内部区域I中凝固，如图6中例示的。

在图5中例示的结构中，如果冷却水被正常喷射，则生产的粉末的大多数颗粒的尺寸约为粉末的平均颗粒尺寸。然而，在喷嘴角变化、脉冲的幅度减小、冷却水的量改变或质量流量减小的情况下，粉末的颗粒尺寸分布可能变宽，且因此尺寸过大的粉末的份数可能增加。由于这样的尺寸过大的铁粉末作为废料被丢弃，粉末生产的生产率可能减小。因此，在水射流过程中，要求铁粉末的平稳流动和脉冲的幅度被维持在特定值或更大，以便有效率地生产铁粉末。

换言之，如图7中例示的，尽管在正常情况和异常情况下获得相同的平均颗粒尺寸，但是在异常情况下颗粒尺寸的分布是相对宽的，且因此尺寸过大的粉末颗粒的份数增加。作为结果，作为废料被丢弃的粉末的量增加，且粉末生产的生产率减小。

特别地，尽管通过导引件4形成的冷却水屏障WB在集中冷却水方面是有效的，但是冷却水屏障WB阻止周围空气并且在钢水撞击点上方的一个区域中形成负压。因此，如果冷却水不稳定地撞击钢水，钢水可能出乎意料地凝固，或铁粉末的颗粒尺寸可能产生显著偏差。

因此，作为一种用于去除导引件4的缺点(诸如，在冷却水屏障中形成负压)同时维持导引件4的优点(诸如，容易将冷却水集中在钢水撞击点处，以及甚至在变化的加工条件下稳定地生产粉末)的技术，发明人已经提出了如下一种导向结构，该导向结构被配置为创建用于冷却和粉化钢水的第一流和用于当通过钢水与冷却水碰撞使钢水粉化时引起促进粉末排出的下降空气流的第二流。

图8是例示了根据本公开内容的一个示例性实施方案的粉末制造设备的示意视图。图9是例示了图8中例示的导引件140的详细视图，且图10是例示了图9中例示的螺旋143的详细视图。

如图8中例示的，除了冷却流体喷射单元以外，该实施方案的粉末制造设备可以具有与图1中例示的粉末制造设备相同的结构，且因此现在将主要描述该冷却流体喷射单元。

该冷却流体喷射单元包括：导引件140，其包括截头圆锥体部分142，该截头圆柱体部分被向下定向以使得从钢水供应单元10(参照图1)向下流动的钢水可以穿过截头圆锥体部分142的中心区域；以及射流喷嘴130，其被布置在导引件140周围以朝向导引件140喷射冷却流体。射流喷嘴130被连接到固定体110且被定向为朝向导引件140喷射冷却流体。

可以使射流喷嘴130指向恰位于导引件140的截头圆锥体部分142和圆柱体部分141之间的边界下方的一个区域。然而，射流喷嘴130不限于此。例如，即使使射流喷嘴130指向截头圆锥体部分142的任一点，通过射流喷嘴130喷射的冷却流体可以通过导引件140而被集中。在图8中例示的实施方案中，通过射流喷嘴130喷射作为冷却流体的冷却水。然而，可以通过射流喷嘴130喷射的冷却流体不限于冷却水。例如，根据钢水的类型，惰性气体或空气可以被用作冷却流体。

射流喷嘴130可以是被配置为朝向单个点喷射冷却流体的直射流喷嘴。然而，只要从射流喷嘴130喷射的冷却流体撞击导引件140并且形成第一流150和第二流160，射流喷嘴130不限于直射流类型。例如，射流喷嘴130可以是V-射流类型喷嘴或环形类型喷嘴。

导引件140包括：圆柱体部分141，其被连接到固定体11；以及截头圆锥体部分142，其从圆柱体部分141延伸并且具有倒截头圆锥体形状。如图9和图10中例示的，螺旋143被形成在截头圆锥体部分142上以生成用于粉化钢水的第一流150和用于形成下降空气流的第二流160。

如图9中例示的，根据本公开内容的实施方案，撞击导引件140的截头圆锥体部分142的冷却水131形成第一流150，且第一流150沿着截头圆锥体部分142的表面向下流动并且撞击钢水。第一流150沿着导引件140从喷射位置形成，且作为结果，通过第一流150形成冷却水屏障WB。

在本公开内容的实施方案中，由于螺旋143被形成在截头圆锥体部分142上，喷射到导引件140上的冷却水131的一部分形成沿着螺旋143朝向钢水撞击点涡旋的第二流160。由于第二流160是在向下的方向上变窄的螺旋流，当第二流160经过钢水撞击点的同时形成下降空气流。换言之，在钢水撞击点周围的一个区域中形成向下流动，且因此通过冷却水131被粉化成粉末的钢水通过该向下流动被容易地向下排出。

螺旋143可以相同的形状对称地形成在截头圆锥体部分142周围。

在本公开内容的实施方案中，如果第二流160的速率增加以施加大的脉冲到钢水，钢水的粉化可能受到不利影响。因此，当通过射流喷嘴130喷射的冷却水131通过导引件140被分为第一流150和第二流160时，第一流150的速率可以大于第二流160的速率。此流动速率分布可以通过调整螺旋143的高度或深度和螺旋143的数目来实现。

另外，如图9中例示的，从射流喷嘴130将冷却水131喷射到的喷射位置可以在螺旋143上。然而，喷射位置可以不在螺旋143上。即使在此情况下，由于第一流150与螺旋143相遇，可以自然形成第二流160。换言之，喷射位置对第一流150和第二流160的形成不具有影响。

本公开内容的实施方案的粉末制造设备被配置为从钢水供应单元10供应钢水和通过用冷却流体撞击钢水来将钢水粉化成粉末。在此时，在将钢水粉化成粉末的同时，通过冷却流体形成下降空气流以便防止粗劣粉末的形成，换言之，以防止粉末的颗粒尺寸的变化。根据本公开内容的一个实施方案的粉末形成方法，通过冷却流体形成第一流和第二流。第一流撞击钢水，且第二流在钢水周围沿着螺旋路径向下涡旋，且因此形成下降空气流。因此，在第一流撞击钢水的区域中形成的粉末可以通过该下降空气流被向下拉动。

在制造方法方面，只要第二流在第一流撞击钢水的位置处形成下降空气流，就可以使用任何其他方法或结构代替使用导引件来形成第二流。然而，如果使用导引件，则可以同时形成第一流和第二流。

图11是例示了图8中例示的第一流150的示意视图，且图12是例示了图8中例示的第二流160的示意视图。图13(a)和图13(b)是例示了图11和图12中例示的第一流150和第二流160的示意平面视图。

如图11和图13(a)中例示的，第一流150集中在单个点处，且因此可以施加大的脉冲到钢水。另外，由于第一流150沿着导引件140的斜面形成，与图3例示的结构相比，可以灵活地设置射流喷嘴130的位置。尤其，在图3中例示的相关技术中，如果因为加工条件或钢水的改变而使钢水撞击点变化，则可以替换冷却流体喷射单元。然而，根据本公开内容的实施方案，可以通过仅改变导引件140的高度来调整钢水撞击点，且可以在钢水撞击点处施加大的脉冲。

如图12和图13(b)中例示的，作为螺旋流的第二流160在朝向钢水撞击点的方向上集中，从而创建下降空气流。这些螺旋流在单个点处不相互碰撞但是会聚和发散，从而在螺旋流前进方向上在螺旋流内部形成下降空气流。根据本公开内容的实施方案，由于由第二流160形成的下降空气流，通过由第一流150形成的冷却水屏障WB，在钢水撞击点处不会引起钢水的向上运动，且由于下降空气流，通过用冷却流体碰撞而被粉化成粉末的钢水可以被平稳地排出。

具体而言，由于粉末(金属粉末)通过下降空气流而被排出，使粉末的颗粒尺寸变化的情况(诸如，粉末结块)不会发生，从而防止粉末的颗粒尺寸的变化并且保证粉末的均匀性。因此，损耗可以降低，且粉末生产的生产率会增加。

图14是例示了在发明实施例和对比实施例中脉冲的图表。在使用图10中例示的导引件140的发明实施例和使用图2中例示的粉末制造设备的对比实施例中冷却水的量是相同的。

具体而言，在发明实施例1中使用四个射流喷嘴130，且在发明实施例2中使用八个射流喷嘴130。在对比实施例1中使用两个射流喷嘴30，且在对比实施例2中使用四个射流喷嘴30。

如图14中例示的，当在发明实施例中使用导引件140时，即使使用相同数目的喷嘴，但是脉冲的幅度是相对高的。尤其，在发明实施例中，只要冷却流体被喷射到导引件140上，就容易施加大的脉冲，这是因为喷嘴的位置和类型对脉冲施加具有很小的影响。

图15是例示了在发明实施例和对比实施例中在撞击点附近测量的垂直速度的图表。

参照图15，在发明实施例3和对比实施例3中使用诸如图8中例示的导引件140的导引件。然而，在发明实施例3中使用的导引件包括如图10中例示的螺旋143，且在对比实施例3中使用的导引件不包括螺旋143。换言之，除了在对比实施例3中使用的导引件不具有引起第二流160形成的结构以外，在相同的条件下执行测试。在图15中，x轴表示距钢水撞击点的高度，且y轴表示速度。在y轴中，正(+)值表示向上的速度，且负(-)值表示向下的速度。

如图15中例示的，在不形成第二流160的对比实施例3中，在钢水撞击点处施加向上的力，换言之，在钢水撞击点处观察到钢水的向上运动。在形成第二流160的发明实施例3中，由于下降空气流，向下的力被施加到钢水撞击点，换言之，在钢水撞击点处使钢水向下移动。

因此，可以在维持通过施加到粉末的脉冲确定的粉末的颗粒尺寸的状态下向下排放和冷却生产的粉末。因此，粉末的颗粒尺寸分布被集中于粉末的平均颗粒尺寸上。因此，可以减少过大尺寸的粉末的量，且因此可以提高粉末的生产率。

虽然已经参照附图示出了并且描述了多个示例性实施方案，但是本领域技术人员将明了，在不偏离本发明范围的前提下，可以做出许多改型和变化。

Claims (14)

1.一种粉末制造设备，包括：

一个钢水供应单元，其供应钢水；以及

一个冷却流体喷射单元，其被布置在该钢水供应单元下方且将冷却流体喷射到从该钢水供应单元供应的钢水以便粉化该钢水，

其中该冷却流体喷射单元形成冷却和粉化该钢水的第一流以及创建用于该钢水的下降空气流的第二流。

2.根据权利要求1所述的粉末制造设备，其中该冷却流体喷射单元包括：

一个导引件，其包括一个截头圆锥体部分，该截头圆锥体部分指向下以使得从该钢水供应单元向下流动的钢水穿过该截头圆锥体部分的中心区域；以及

一个射流喷嘴，其将该冷却流体喷射到该导引件上。

3.根据权利要求2所述的粉末制造设备，其中该第二流在向下流的钢水周围向下涡旋。

4.根据权利要求2所述的粉末制造设备，其中在该导引件上形成螺旋以引起该第二流。

5.根据权利要求4所述的粉末制造设备，其中该螺旋是形成在该导引件的表面中的凹槽。

6.根据权利要求4所述的粉末制造设备，其中多个螺旋对称地形成在该导引件上。

7.根据权利要求1所述的粉末制造设备，其中该冷却流体喷射单元被配置为使得该第一流以比该第二流流动的速率更大的速率流动。

8.根据权利要求2所述的粉末制造设备，其中该射流喷嘴是直射流喷嘴，该直射流喷嘴被指向成使得该冷却流体被喷射朝向该导引件的该截头圆锥体部分。

9.根据权利要求8所述的粉末制造设备，其中该射流喷嘴位于该导引件的该截头圆锥体部分上方，且该射流喷嘴与垂直线之间的角度大于该截头圆锥体部分的斜面与该垂直线之间的角度。

10.根据权利要求4所述的粉末制造设备，其中在从该截头圆锥体部分的斜面绘制的延伸线相互交叉的点处，该螺旋引起该下降空气流。

11.根据权利要求1到10中的任一项所述的粉末制造设备，其中该冷却流体是水。

12.一种粉末形成方法，包括：

供应钢水；

通过使用冷却流体粉化该钢水来形成粉末；以及

在粉末形成期间，使用该冷却流体在该冷却流体撞击该钢水的点处创建下降空气流以便防止粉末变得粗劣。

13.根据权利要求12所述的粉末形成方法，其中在粉末形成中，在该冷却流体撞击钢水的点周围形成一个冷却流体屏障，以便防止外部气体的引入。

14.根据权利要求13所述的粉末形成方法，其中该下降空气流的创建包括使该冷却流体向下涡旋以便通过该冷却流体的涡旋流创建该下降空气流。