CN106041107A - 一种气体雾化制粉设备及其制粉方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体雾化制粉设备及其制粉方法，其属于金属粉末制造技术领域，制粉设备的原料仓内设有放置金属丝料盘的旋转托架；熔炼室与原料仓相连通，内设有感应线圈和将旋转托架上的金属丝导引进入感应线圈中心上方的送丝机；雾化器与熔炼室相连，该雾化器中雾化喷嘴的上端开口朝向感应线圈；雾化塔和旋风分离器相互连接，雾化塔的顶部与雾化器相连；真空系统与雾化塔相连。上述制粉设备及其制粉方法采用金属丝代替棒状原料，提高了雾化气体的利用率以及生产效率，降低了气体雾化制造金属粉末的成本；小规格的液滴有利于获得更高的过热度，从而提高了雾化粉末中细粉含量。
Description
技术领域
本发明涉及金属粉末制造技术领域，尤其涉及一种气体雾化制粉设备及其制粉方法。
背景技术
球形金属粉末由于具有良好的流动性、稳定的松装密度等优点，因而成为金属3D打印、表面熔覆、喷涂、金属注射成型等领域的必备原料和耗材。采用气体雾化技术制造球形金属粉成为工业上普遍使用的方法之一，尤其对于钛、锆及其合金的球形金属粉末制造领域更是如此。目前普遍采用的技术是用高频锥形线圈、无坩埚感应加热方式熔化原料棒，形成连续或半连续液滴，再利用高压气体通过气体雾化喷嘴制造球形金属及合金粉末。
通过上述工艺制造球形钛粉的过程存在下述缺点：
原料棒重量小，工艺过程不连续，高压雾化气体利用率低，雾化粉末成本高。上述工艺采用直径20～100mm，长度200～1000mm的圆棒为原料，单根重量在数百克到数十公斤之间。而每根原料棒雾化完成后需更换原料棒，这一过程包括：上提夹头、封闭加料仓、更换原料棒、抽真空、充气、新料棒下降等一系列过程。在此期间为保障雾化工艺状态的稳定性，必须维持喷嘴处雾化气体的供应，也就是说，在此期间有大量的高压雾化气体消耗而并无粉末产出。这一过程的操作时间随原料棒长度增大而延长，气体耗费量也急剧增大。通常，雾化气体用于喷粉的有效工作比例在20％～60％之间，雾化气体的空吹大大增加了气体雾化粉末制造成本，直接造成了气体雾化粉末成本居高不下。而单纯增大原料棒直径或长度也会造成设备的体积和能耗大幅度增加，从而大大增加了设备造价及对场地要求，经济性差。
熔化的金属液滴体积较大、过热度有限，获得的雾化粉末粒度难以进一步细化。原料棒在高频感应线圈加热下逐步熔化，熔融的金属液滴在重力作用下从原料棒下部的尖端滴落，进入雾化喷嘴，在高压气体作用下雾化凝固形成球形金属粉末。金属粉末的粒度是由气体压力(或雾化气体速度)和金属液滴温度(正比于熔体粘度)共同决定的。压力越大、气流越快、雾化力量越大，粉末越细；同样，金属液滴的温度越高、液滴粘度越小，越容易被雾化成更细的金属粉末。常用的雾化压力在20～60Bar之间，基于设备安全使用的考虑，雾化压力不可能无限提升。因此，在一定雾化压力下，金属液滴的过热度就成为影响金属粉末粒度的重要因素。而当前的气体雾化设备由于原料棒较大，熔化的金属液体体积和重量均较大，因此，常常是液滴尚未达到更高的过热度就在重力作用下掉入雾化喷嘴，因此获得的金属粉末粒度较粗。集中表现为收得的粉末中40μm以下部分含量较低，难以满足高精度3D打印、金属粉末注射成型等应用的要求。
再有，上述工艺制造球形钛粉的过程还存在的缺陷是，使用昂贵的高压雾化气体维持熔炼室和雾化室的压力差，导致雾化粉末制造成本居高不下。气体雾化制粉过程中作为动力的高压雾化气体是最大的成本源，用于维持熔炼室压力稳定所充入的高压雾化气也造成了一定的气体浪费，增大了气体雾化金属粉末的成本。
另外，目前技术所用的雾化喷嘴孔径较大，雾化气体消耗大。现有雾化喷嘴是根据现有液滴尺寸匹配设计的，中心孔径常常在15～20mm之间。相同雾化气体流速下，孔径越大，雾化气体流量消耗越大、费用越高，这就大大增加了气体雾化金属粉末的成本。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气体雾化制粉设备及其制粉方法，其可连续生产作业，作业效率高，能耗低，生产成本低，作为产品的金属粉末品质更高。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：。
一种气体雾化制粉设备包括：
原料仓，其内设有放置金属丝料盘的旋转托架；
熔炼室，其与所述原料仓相连通，内设有感应线圈和将所述旋转托架上的金属丝导引进入所述感应线圈中心上方的送丝机；
雾化器，其与所述熔炼室相连，该雾化器中雾化喷嘴的上端开口朝向所述感应线圈；
相互连接的雾化塔和旋风分离器，所述雾化塔的顶部与所述雾化器相连；
真空系统，其与所述雾化塔相连。
作为优选，所述气体雾化制粉设备还包括：
矫直机，其内置于所述熔炼室内，位于所述送丝机和感应金属圈之间，供金属丝穿过。
作为优选，所述气体雾化制粉设备还包括：
粉末收集罐，其与所述旋风分离器的出粉口相连。
作为优选，所述熔炼室为真空密封的双层水冷结构，侧方开设有观察窗；所述雾化塔为双层水冷结构。
作为优选，所述感应线圈为紫铜材质，单匝或多匝结构，内部设计有截面积不小于4平方毫米的冷却水道。
作为优选，所述雾化喷嘴的孔径为4mm～20mm。
上述任一项所述的气体雾化制粉设备，其制粉方法如下：
a)将金属丝原料装入原料仓内的旋转托架上，送丝机输送金属丝至感应线圈上方；
b)启动真空系统，排空设备内的空气至所需真空度；
c)关闭真空系统，向设备内充入雾化气体；
d)启动雾化器，并向雾化器供应高压雾化气体，且维持熔炼室和雾化塔的工作压力差；
e)启动感应线圈，加热熔化金属丝，对液滴连续或半连续持续熔化和雾化。
作为优选，所述气体雾化制粉设备还包括：
尾排过滤器；
排气管，其与所述尾排过滤器相连接；
内循环风机，其与所述熔炼室和所述排气管相连。
上述气体雾化制粉设备，其制粉方法如下：
a)将金属丝原料装入原料仓内的旋转托架上，送丝机输送金属丝至感应线圈上方；
b)启动真空系统，排空设备内的空气至所需真空度；
c)关闭真空系统，向设备内充入雾化气体，并与排气管的出气口形成初始压力差；
d)启动雾化器、内循环风机、尾排过滤器，并向雾化器供应高压雾化气体，且维持熔炼室和雾化塔的工作压力差；
e)启动感应线圈，加热熔化金属丝，对液滴连续或半连续持续熔化和雾化。
作为优选，所述步骤a)中送丝机输送金属丝的速度为1mm/s～1000mm/s；
所述步骤b)中的真空度为0.001Pa～500Pa；
所述步骤c)中的初始压力差为100Pa～100000Pa；
所述步骤d)中的工作压力差为100Pa～100000Pa。
本发明所提供的气体雾化制粉设备及其制粉方法，其带来了如下技术效果：
1.采用金属丝代替棒状原料，消除了频繁更换原料棒带来的繁复操作，从而使得原料可以不间断的连续送丝，大幅度延长了雾化过程的连续工作时间，提高了雾化气体的利用率以及生产效率，降低了气体雾化制造金属粉末的成本；
2.小规格的液滴有利于获得更高的过热度，从而提高了雾化粉末中细粉含量，提升了粉末的品质。
附图说明
图1是本发明实施例所提供的气体雾化制粉设备的示意图。
图中：1-原料仓、101-旋转托架、2-熔炼室、21-观察窗、201-感应线圈、202-送丝机、301-雾化喷嘴、4-雾化塔、5-旋风分离器、6-尾排过滤器、7-排气管、701-排气阀门、8-内循环风机、9-真空系统、10-矫直机、11-粉末收集罐。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
实施例一
如图1所示，一种气体雾化制粉设备，包括原料仓1、熔炼室2、雾化器、雾化塔4、旋风分离器5、和真空系统9。其中，原料仓1为真空密封结构，其内设有放置金属丝料盘的旋转托架101。熔炼室2与原料仓1相连通，并与该原料仓1连成一体，二者与外界密封隔离。熔炼室2为真空密封的双层水冷结构，侧方开设有观察窗21可监控熔化雾化过程，观察窗21优选石英玻璃制成，并可装置活动遮光板。
熔炼室2内设有感应线圈201和将旋转托架上的金属丝导引进入感应线圈201中心上方的送丝机202，为了确保输送金属丝的过程中，金属丝的位置不发生偏移，使其准确地送到感应线圈201中心上方，于是在送丝机202和感应线圈201之间设置矫直机10。送丝机202可根据需求进行调速，其输送金属丝进入矫直机10，矫直后的连续金属丝正对感应线圈201的中心，由上向下进入感应线圈201。根据连续金属丝的直径，可更换不同送丝轮和矫直轮。连续金属丝直径在1mm～5mm之间。感应线圈201为紫铜材质，单匝或多匝结构，内部设计有截面积不小于4平方毫米的冷却水道。感应线圈201通过连接法兰与熔炼室2之外的电源电极相连，并同时连接线圈冷却水道。冷却水道与设备外的冷却系统相连。感应线圈的供电由放置于密封罐体外的高频电源提供，其工作频率在100kHz～1MHz之间，最大功率不小于10kW。
雾化器与熔炼室2相连，该雾化器中雾化喷嘴301的上端开口朝向感应线圈201，为了提升雾化效果，优选地，雾化器中雾化喷嘴301的开口与感应线圈201同轴设置。该雾化器是专为细小液滴或液流设计，雾化喷嘴301的孔径为4mm～20mm。
真空系统9，其与雾化塔4相连，用于对设备内部抽真空。雾化塔4为双层水冷结构，其顶部与雾化器相连，底部通过管道与旋风分离器5的上部连接。为了便于将制成的粉末加以收集，于是，旋风分离器5的出粉口上连有一粉末收集罐11，如此，制成的粉末便可收集在粉末收集罐11内，然后在转向它处。当然，本领域的技术人员也可用其他容器收集粉末，或者直接在旋风分离器5的出粉口上连接包装物，收集完粉末后直接打包发货。
上述气体雾化制粉设备，其制粉方法如下：
a)将金属丝原料装入原料仓内的旋转托架上，并将引出的金属丝装入送丝机，调节送丝机输送金属丝的速度在1mm/s～1000mm/s时间，输送金属丝至感应线圈上方；
b)启动冷却水，关闭熔炼室、雾化塔、旋风分离器的舱门，密封整套设备，启动真空系统，排空设备内的空气至所需真空度，该真空度可根据实际情况设置在0.001Pa～500Pa之间；
c)关闭真空系统，向设备内充入雾化气体；
d)启动雾化器，并向雾化器供应高压雾化气体，且维持熔炼室和雾化塔的工作压力差，该工作压力差为100Pa～100000Pa；
e)启动感应线圈，加热熔化金属丝，并根据熔化情况调节感应线圈功率和输送金属丝的速度，对液滴连续或半连续持续熔化和雾化；
f)待整盘连续金属丝熔化完成，逐步停止送丝机、感应线圈和雾化气体供应，从粉末收集罐中获得雾化金属粉。
上述实施例一所提供的气体雾化制粉设备及其制粉方法，采用金属丝代替棒状原料，从而使得原料可以不间断的连续送丝数十到数百公斤，使得不间断雾化周期从原先的数十分钟延长到数十小时甚至数天以上，避免了现有技术数分钟就需要更换原料棒的情况，充分满足了生产需求。同时，由于在连续工作周期中，所有时间均用来熔化和雾化制粉，没有了更换原料所需的停顿空挡期，同时也消除了空档期大量雾化气体的无谓消耗，既提升了雾化气体的利用率。又提高了工作效率，从而可以有效地降低气体雾化制粉的成本。
由于采用金属丝为原料，液滴尺寸缩小，更易获得更高的过热度，从而提升了细粉末含量，提高粉末品质。
实施例二
如图1所示，一种气体雾化制粉设备，包括原料仓1、熔炼室2、雾化器、雾化塔4、旋风分离器5、尾排过滤器6、排气管7、内循环风机8和真空系统9。其中，原料仓1为真空密封结构，其内设有放置金属丝料盘的旋转托架101。熔炼室2与原料仓1相连通，并与该原料仓1连成一体，二者与外界密封隔离。熔炼室2为真空密封的双层水冷结构，侧方开设有观察窗21可监控熔化雾化过程，观察窗21优选石英玻璃制成，并可装置活动遮光板。
熔炼室2内设有感应线圈201和将旋转托架上的金属丝导引进入感应线圈201中心上方的送丝机202，为了确保输送金属丝的过程中，金属丝的位置不发生偏移，使其准确地送到感应线圈201中心上方，于是在送丝机202和感应线圈201之间设置矫直机10。送丝机202可根据需求进行调速，其输送金属丝进入矫直机10，矫直后的连续金属丝正对感应线圈201的中心，由上向下进入感应线圈201。根据连续金属丝的直径，可更换不同送丝轮和矫直轮。连续金属丝直径在1mm～5mm之间。感应线圈201为紫铜材质，单匝或多匝结构，内部设计有截面积不小于4平方毫米的冷却水道。感应线圈201通过连接法兰与熔炼室2之外的电源电极相连，并同时连接线圈冷却水道。冷却水道与设备外的冷却系统相连。感应线圈的供电由放置于密封罐体外的高频电源提供，其工作频率在100kHz～1MHz之间，最大功率不小于10kW。
雾化器与熔炼室2相连，该雾化器中雾化喷嘴301的上端开口朝向感应线圈201，为了提升雾化效果，优选地，雾化器中雾化喷嘴301的开口与感应线圈201同轴设置。该雾化器是专为细小液滴或液流设计，雾化喷嘴301的孔径为4mm～20mm。
真空系统9，其与雾化塔4相连，用于对设备内部抽真空。雾化塔4为双层水冷结构，其顶部与雾化器相连，底部通过管道与旋风分离器5的上部连接。该旋风分离器5的顶部通过管道与尾排过滤器6的下部连接。为了便于将制成的粉末加以收集，于是，旋风分离器5的出粉口上连有一粉末收集罐11，如此，制成的粉末便可收集在粉末收集罐11内，然后在转向它处。当然，本领域的技术人员也可用其他容器收集粉末，或者直接在旋风分离器5的出粉口上连接包装物，收集完粉末后直接打包发货。
尾排过滤器6的顶部与排气管7相连，过滤后的气体可经排气管7排出。排气管7上装有排气阀门701，在需要排气时可将此阀门701打开，或者将排气阀门701选用压力阀，待排气管7内的压力达到某一阈值时，打开压力阀，将气体排出。
内循环风机8通过管道与熔炼室2和排气管7相连。内循环风机8、排气管7和排气阀门701构成了内循环压力保持系统，用于将部分过滤后的常压排气重新增压返充入熔炼室2，以维持熔炼室2与雾化塔4之间正常工作所需的压力差。根据工艺需要，内循环风机8可调速，以实现压力差调控。
上述气体雾化制粉设备，其制粉方法如下：
a)将金属丝原料装入原料仓内的旋转托架上，并将引出的金属丝装入送丝机，调节送丝机输送金属丝的速度在1mm/s～1000mm/s时间，输送金属丝至感应线圈上方；
b)启动冷却水，关闭熔炼室、雾化塔、旋风分离器、尾排过滤器的舱门，密封整套设备，启动真空系统，排空设备内的空气至所需真空度，该真空度可根据实际情况设置在0.001Pa～500Pa之间；
c)关闭真空系统，向设备内充入雾化气体，并与排气管的出气口形成初始压力差，该初始压力差为100Pa～100000Pa；
d)启动雾化器、内循环风机、尾排过滤器，并向雾化器供应高压雾化气体，适当调节内循环风机转速以维持熔炼室和雾化塔的工作压力差，该工作压力差为100Pa～100000Pa；
e)启动感应线圈，加热熔化金属丝，并根据熔化情况调节感应线圈功率和输送金属丝的速度，对液滴连续或半连续持续熔化和雾化；
f)待整盘连续金属丝熔化完成，逐步停止送丝机、感应线圈和雾化气体供应，从粉末收集罐中获得雾化金属粉。
上述实施例二所提供的气体雾化制粉设备及其制粉方法，采用金属丝代替棒状原料，从而使得原料可以不间断的连续送丝数十到数百公斤，使得不间断雾化周期从原先的数十分钟延长到数十小时甚至数天以上，避免了现有技术数分钟就需要更换原料棒的情况，充分满足了生产需求。同时，由于在连续工作周期中，所有时间均用来熔化和雾化制粉，没有了更换原料所需的停顿空挡期，同时也消除了空档期大量雾化气体的无谓消耗，既了提升了雾化气体的利用率。又提高了工作效率，从而可以有效地降低气体雾化制粉的成本。
由于采用金属丝为原料，液滴尺寸缩小，更易获得更高的过热度，从而提升了细粉末含量，提高粉末品质。
采用内循环压力保持系统以维持熔炼室和雾化塔的压力差，避免了使用高压雾化气这一昂贵的气源，从而节约了雾化气体的使用，也降低了粉末制造成本。
小液滴匹配小通径雾化器喷嘴，雾化器内径大幅度缩小，从而使得同等雾化气流速的要求下雾化气体耗量可以大幅度减少，这也大大降低了生产成本，使得供气系统负载减小，整套设备造价更低。
显然，本发明的上述实施例仅仅是为了清楚说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种气体雾化制粉设备，其特征在于，包括：
原料仓，其内设有放置金属丝料盘的旋转托架；
熔炼室，其与所述原料仓相连通，内设有感应线圈和将所述旋转托架上的金属丝导引进入所述感应线圈中心上方的送丝机；
雾化器，其与所述熔炼室相连，该雾化器中雾化喷嘴的上端开口朝向所述感应线圈；
相互连接的雾化塔和旋风分离器，所述雾化塔的顶部与所述雾化器相连；
真空系统，其与所述雾化塔相连。
2.根据权利要求1所述的气体雾化制粉设备，其特征在于，还包括：
尾排过滤器；
排气管，其与所述尾排过滤器相连接；
内循环风机，其与所述熔炼室和所述排气管相连。
3.根据权利要求1所述的气体雾化制粉设备，其特征在于，还包括：
矫直机，其内置于所述熔炼室内，位于所述送丝机和感应金属圈之间，供金属丝穿过。
4.根据权利要求1所述的气体雾化制粉设备，其特征在于，还包括：
粉末收集罐，其与所述旋风分离器的出粉口相连。
5.根据权利要求1所述的气体雾化制粉设备，其特征在于：所述熔炼室为真空密封的双层水冷结构，侧方开设有观察窗；所述雾化塔为双层水冷结构。
6.根据权利要求1所述的气体雾化制粉设备，其特征在于：所述感应线圈为紫铜材质，单匝或多匝结构，内部设计有截面积不小于4平方毫米的冷却水道。
7.根据权利要求1所述的气体雾化制粉设备，其特征在于：所述雾化喷嘴的孔径为4mm～20mm。
8.根据权利要求1、3至7中任一项所述的气体雾化制粉设备，其制粉方法如下：
a)将金属丝原料装入原料仓内的旋转托架上，送丝机输送金属丝至感应线圈上方；
b)启动真空系统，排空设备内的空气至所需真空度；
c)关闭真空系统，向设备内充入雾化气体；
d)启动雾化器，并向雾化器供应高压雾化气体，且维持熔炼室和雾化塔的工作压力差；
e)启动感应线圈，加热熔化金属丝，对液滴连续或半连续持续熔化和雾化。
9.根据权利要求2所述的气体雾化制粉设备，其制粉方法如下：
a)将金属丝原料装入原料仓内的旋转托架上，送丝机输送金属丝至感应线圈上方；
b)启动真空系统，排空设备内的空气至所需真空度；
c)关闭真空系统，向设备内充入雾化气体，并与排气管的出气口形成初始压力差；
d)启动雾化器、内循环风机、尾排过滤器，并向雾化器供应高压雾化气体，且维持熔炼室和雾化塔的工作压力差；
e)启动感应线圈，加热熔化金属丝，对液滴连续或半连续持续熔化和雾化。
10.根据权利要求9所述的制粉方法，其特征在于：所述步骤a)中送丝机输送金属丝的速度为1mm/s～1000mm/s；
所述步骤b)中的真空度为0.001Pa～500Pa；
所述步骤c)中的初始压力差为100Pa～100000Pa；
所述步骤d)中的工作压力差为100Pa～100000Pa。
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