CN105986145A - 气喷气冷式超微钛合金雾化装置及其气喷气冷式喷盘 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气喷气冷式超微钛合金雾化装置及其气喷气冷式喷盘，所述雾化装置包括：真空仓、熔化炉、气喷气冷式喷盘与雾化筒，所述喷盘中心设有垂向的通孔，围绕所述通孔仅设有一圈间隔分布的斜孔，在每个所述斜孔内安装有一个参数相同的拉瓦尔喷管，所有拉瓦尔喷管的下端延长线均与所述通孔的下方延长线之间具有28-30度的夹角。本发明采用了“气喷气冷”技术，可以有效地降低水冷却带来的微粉氧含量增高的风险；本发明能够实现雾化、防反与冷却功能一体化，马赫数调整为4.1-4.9，实现了在0.1秒内同时解决钛合金的雾化与冷却和防反问题；并且喷盘在结构仅有一圈拉瓦尔喷管，有效地减小了喷盘结构的复杂程度，有利于流场控制的精确性，同时节省了能源。

Description

气喷气冷式超微钛合金雾化装置及其气喷气冷式喷盘

技术领域

本发明涉及一种钛合金(包括99.999％的高纯钛)的超微雾化与冷却的生产设备。

背景技术

高纯钛与钛合金超微材料，在航空航天、电子电网和清洁能源领域中的应用日益广泛，尤其是它的密度小、强度大、耐腐蚀特点，与人骨密度接近(无毒)，在医学可做人造关节、部分人体植入(心脏起搏器)等，为此需要大量平均微颗粒为10微米～35微米、氧增量低于100PPM、球形率在90％左右的钛合金微粉。目前国内、外大多数设备生产的钛合金微粉直收率在30％左右，产量一般小于5kg/min，很难满足市场的需求。

为此，本发明的发明人在前案：申请号为201010291650.8、发明名称为“金属超微雾化粉碎分级系统及其金属雾化装置”的发明专利的基础上，进行了大量的实验与研究，研制出了本发明，使其适用于钛合金(包括99.999％的高纯钛)的超微雾化与冷却的生产。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于：提供一种气喷气冷式超微钛合金雾化装置及其气喷气冷式喷盘，使其适用于钛合金(包括99.999％的高纯钛)的超微雾化与冷却的生产。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括：

一种气喷气冷式超微钛合金雾化装置，其特征在于，其包括：

真空仓，提供无氧环境；

熔化炉，其设置在所述真空仓内，用于将钛合金由固态变为液态；

气喷气冷式喷盘，其中心设有垂向的通孔，所述通孔的上部与所述熔化炉相连，以供液态钛合金通过；在所述气喷气冷式喷盘内还围绕所述通孔仅设有一圈间隔分布的斜孔，在每个所述斜孔内安装有一个参数相同的拉瓦尔喷管，每个拉瓦尔喷管的上端均连通到高压氮气或者高压惰性气体，所有拉瓦尔喷管的下端延长线均交汇于所述通孔的下方延长线的同一点处；并且，所有拉瓦尔喷管的下端延长线与所述通孔的下方延长线之间的夹角相同，该夹角大于28度并小于30度；

雾化筒，连接于所述气喷气冷式喷盘的下方，其设有抽真空装置。

所述的气喷气冷式超微钛合金雾化装置，在雾化筒的下方还设有出口。

所述的气喷气冷式超微钛合金雾化装置，所述拉瓦尔喷管连通的高压氮气或惰性气体的压力为22-25Mpa，所述拉瓦尔喷管喷出的气流速度达到4.1-4.9马赫，温度低至-180℃～-200℃。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案还包括：

一种气喷气冷式喷盘，其特征在于，其中心设有垂向的通孔，围绕所述通孔仅设有一圈间隔分布的斜孔，在每个所述斜孔内安装有一个参数相同的拉瓦尔喷管，每个拉瓦尔喷管的上端均连通到高压氮气或者高压惰性气体，所有拉瓦尔喷管的下端延长线均交汇于所述通孔的下方延长线的同一点处；并且，所有拉瓦尔喷管的下端延长线与所述通孔的下方延长线之间的夹角相同，该夹角大于28度并小于30度。

所述的气喷气冷式喷盘，所述拉瓦尔喷管连通的高压氮气或惰性气体的压力为22-25Mpa，所述拉瓦尔喷管喷出的气流速度达到4.1-4.9马赫，温度低至-180℃～-200℃。

本发明与一般雾化装置相比有如下优势：

1、本发明由于采用了“气喷气冷”技术，相比“气喷水冷”技术(在先专利中虽然未记载水冷技术，但实际使用的时候都在圆筒喷雾筒内伸入水冷管进行辅助降温，因此会使微粉含氧量增高)，可以有效地降低水冷却带来的微粉氧含量增高的风险；

2、本发明能够实现雾化、防反与冷却功能一体化，马赫数调整为4.1-4.9，实现了在0.1秒内同时解决钛合金的雾化与冷却和防反问题；并且喷盘在结构上由2-3圈拉瓦尔喷管变成现在的1圈拉瓦尔喷管，有效地减小了喷盘结构的复杂程度，有利于流场控制的精确性，同时节省了能源。

3、上述创新带来了效能提升：

(1)本发明的速压比在先专利提高100％左右；

本发明的气流温度比在先专利低80K左右；

本发明的微粉产量比在先专利高100％以上。

(2)在先专利的射流温度在‐60℃-‐160℃之间，本发明的射流温度在‐180℃-‐200℃之间，此时的雾化筒内的流场就是两相流的(即液相与气相同时存在)，这样可以使得微粉快速冷却，从而有效控制微粉粒度大小，防止颗粒表面氧化粘连。

4、为减少微粉中的氧含量，本发明增设了真空仓，雾化筒增加了抽真空装置，因此本发明可以保证雾化氧增量低于100ppm。

5、为了提高微粉的球形率和保证连续雾化冷却工作时间，本发明选用拉瓦尔喷管与通孔的夹角调整大于28度并小于30度，这也是喷盘结构的一个较大变化，并将带来喷盘雾化能力的显著提升。

附图说明

图1为气喷气冷式超微钛合金雾化装置的组成示意图；

图1A为图1中局部放大示意图；

图2为气喷气冷式喷盘的纵截面示意图；

图3为喷管的纵截面示意图。

附图标记说明：真空仓1；熔化炉2；坩埚21；气喷气冷式喷盘3；通孔31；斜孔32；拉瓦尔喷管33；夹角34；雾化筒4。

具体实施方式

为了使本发明能够更好地被理解，以下结合附图进行必要说明。

图1为本发明提供的气喷气冷式超微钛合金雾化装置的示意图，其包括有：

真空仓1，提供无氧环境；

熔化炉2，其设置在所述真空仓1内，包括用于将钛合金由固态变为液态的坩埚21；

气喷气冷式喷盘3，结合图1、图1A、图2所示，其中心设有垂向的通孔31，所述通孔31的上部与所述熔化炉2内的坩埚21相连，以供液态钛合金通过；在所述气喷气冷式喷盘3内还围绕所述通孔31仅设有一圈间隔分布的斜孔32，在每个所述斜孔32内安装有一个参数相同的拉瓦尔喷管33，每个拉瓦尔喷管33的上端均连通到高压氮气或者高压惰性气体，所有拉瓦尔喷管33的下端延长线均交汇于所述通孔31的下方延长线的同一点处；并且，所有拉瓦尔喷管33的下端延长线与所述通孔31的下方延长线之间的夹角34相同，该夹角34大于28度并小于30度；

雾化筒4，连接于所述气喷气冷式喷盘3的下方，其设有抽真空装置(未予图示)，使得液态钛合金被超微雾化的过程在真空环境下完成；在雾化筒4的下方还设有出口(图中未示)，以供后续的分级收集，在此不予赘述。

如图3所示，所述拉瓦尔喷管33的收缩段创造性地采用了冯卡门-钱学森曲线进行设计，而扩张段采用二次、三次曲线方程计算，并进行了附面层修正，最终得到如图所示的曲线。所述拉瓦尔喷管33经过上千次实验改进而成，其能源利用效率比一般喷管成倍提高，其射流区的千万条射线的气流方向偏差角一般小于0.1°，气流速度差和温度差都小于1％，因而这种方法设计出的层流喷管，其雾化冷却出来的钛合金粉末粒度更细、分布更均匀、球形率更高、合金属微粉的产量更高。

本发明使用的时候，所述拉瓦尔喷管33连通的氮气或惰性气体的压力为22-25Mpa，使得所述拉瓦尔喷管33喷出的气流速度达到4.1-4.9马赫，温度低至-180℃～-200℃，在如此低温下，氮气或惰性气体成为气相与液相混合的双相射流，坩埚21中的液态钛合金并引入气喷气冷式喷盘3的通孔31，从通孔31下方流向雾化筒4时，被所述双相射流急剧高速冷却成50℃左右的非晶钛合金微粉。

相比ZL201010291650发明专利(下称在先专利)，本发明所采用的气喷气冷式喷盘3看似是简化版本，实际上却是升级版本。原发明专利中的喷盘是第一代喷盘技术，采用的是“气喷水冷”技术，其雾化、防反与冷却功能分别采用了三圈不同参数的拉瓦尔喷管33才能够实现。而本专利涉及的喷盘采用的是“气喷气冷”技术，并实现了雾化、防反与冷却功能一体化，采用的是一套参数相同的拉瓦尔喷管33，不仅简化了结构，而且增进了性能。具体来说：

1、在先专利的“气喷水冷”技术，即冷却微粉采用的是水，由于水中含有氧分子，因此会增加微粉中氧的含量；而本发明由于采用了“气喷气冷”技术，相比“气喷水冷”技术，可以有效地降低水冷却带来的微粉氧含量增高的风险；

2、在先专利，其雾化、防反与冷却采用了三套不同参数的拉瓦尔喷管33，其雾化工作马赫数小于2.00，防反马赫数小到1.40，雾化筒冷却马赫数小于4.00。而本发明由于实现了雾化、防反与冷却功能一体化，将上述三个差别很大的马赫数统一成一个马赫数，即马赫数调整为4.1-4.9，实现了在0.1秒内同时解决钛合金的雾化与冷却和防反问题；并且喷盘在结构上由2-3圈拉瓦尔喷管33变成现在的1圈拉瓦尔喷管33，有效地减小了喷盘结构的复杂程度，有利于流场控制的精确性，同时节省了能源。

3、上述创新带来了效能提升：

(1)本发明的速压比在先专利提高100％左右；

本发明的气流温度比在先专利低80K左右；

本发明的微粉产量比在先专利高100％以上。

(2)在先专利的射流温度在‐60℃-‐160℃之间，本发明的射流温度在‐180℃-‐200℃之间，此时的雾化筒内的流场就是两相流的(即液相与气相同时存在)，这样可以使得微粉快速冷却，从而有效控制微粉粒度大小，防止颗粒表面氧化粘连。

4、为减少微粉中的氧含量，本发明与在先专利相比，增设了真空仓1，雾化筒4增加了抽真空装置，因此本发明可以保证雾化氧增量低于100ppm。

5、为了提高微粉的球形率和保证连续雾化冷却工作时间，本发明选用拉瓦尔喷管33与通孔31的夹角34由在先专利的30°～150°调整大于28度并小于30度，这也是喷盘结构的一个较大变化，并将带来喷盘雾化能力的显著提升。

本发明的使用范围不仅包括钛合金，也同样适用于其他各类可采用“气喷气冷”雾化法生产的金属及其合金。

以上说明对本发明而言只是说明性的，而非限制性的，本领域普通技术人员理解，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可作出许多修改、变化或等效，但都将落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种气喷气冷式超微钛合金雾化装置，其特征在于，其包括：

真空仓，提供无氧环境；

熔化炉，其设置在所述真空仓内，用于将钛合金由固态变为液态；

气喷气冷式喷盘，其中心设有垂向的通孔，所述通孔的上部与所述熔化炉相连，以供液态钛合金通过；在所述气喷气冷式喷盘内还围绕所述通孔仅设有一圈间隔分布的斜孔，在每个所述斜孔内安装有一个参数相同的拉瓦尔喷管，每个拉瓦尔喷管的上端均连通到高压氮气或者高压惰性气体，所有拉瓦尔喷管的下端延长线均交汇于所述通孔的下方延长线的同一点处；并且，所有拉瓦尔喷管的下端延长线与所述通孔的下方延长线之间的夹角相同，该夹角大于28度并小于30度；

雾化筒，连接于所述气喷气冷式喷盘的下方，其设有抽真空装置。

2.根据权利要求1所述的气喷气冷式超微钛合金雾化装置，其特征在于：在雾化筒的下方还设有出口。

3.根据权利要求1所述的气喷气冷式超微钛合金雾化装置，其特征在于：所述拉瓦尔喷管连通的高压氮气或惰性气体的压力为22-25Mpa，所述拉瓦尔喷管喷出的气流速度达到4.1-4.9马赫，温度低至-180℃～-200℃。

4.一种气喷气冷式喷盘，其特征在于，其中心设有垂向的通孔，围绕所述通孔仅设有一圈间隔分布的斜孔，在每个所述斜孔内安装有一个参数相同的拉瓦尔喷管，每个拉瓦尔喷管的上端均连通到高压氮气或者高压惰性气体，所有拉瓦尔喷管的下端延长线均交汇于所述通孔的下方延长线的同一点处；并且，所有拉瓦尔喷管的下端延长线与所述通孔的下方延长线之间的夹角相同，该夹角大于28度并小于30度。

5.根据权利要求4所述的气喷气冷式喷盘，其特征在于：所述拉瓦尔喷管连通的高压氮气或惰性气体的压力为22-25Mpa，所述拉瓦尔喷管喷出的气流速度达到4.1-4.9马赫，温度低至-180℃～-200℃。