CN107020386B - 一种球化粉末高频感应等离子加热器的进气组件 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种球化粉末高频感应等离子加热器的进气组件，包括：顶罩、中心气旋流器、边气旋流器、和底座。顶罩、中心气旋流器、边气旋流器和底座从上到下依次同轴配合连接；边气旋流器下端面与底座上端面中心的下凹部分之间形成边气均流室，顶罩下端面中心的上凹部分与中心气旋流器上端的凸台外壁之间形成中心气均流室；边气旋流器采用轴向旋转翅片结构，中心气旋流器采用切向旋气孔结构，旋气孔与边气旋流器翅片旋转方向一致。本发明提供加热器电离所需工作气体，强化粉末与高温等离子体气流的换热效果，提高粉末的球形化比例。
Description
技术领域
本发明属于高温等离子体技术领域，涉及一种高频感应等离子加热器的进气组件。
背景技术
球形粉末的制备方法主要分为物理法和化学法。其中，物理法制备球形粉末技术主要包括雾化法和等离子体法。液相法制备球形粉末技术主要包括喷雾热分解法、羰基法和溶胶凝胶法等。
雾化法制得的粉末现状复杂，难以制得粒径＜20μm的微细粉末，难以得到高的球形化比例，且不适合高熔点金属的制备。喷雾热分解法和溶胶-凝胶法(属化学制作方法，存在较严重的三废问题，且同样不适合于高温金属或合金球形粉末的制备。羰基法适用于过渡族金属(Fe、Co、Ni)及高溶点金属(Cr、W、Mo)粉末的制备，制备的粉末粒度细小均匀，具有很高的纯净度，但容易出现严重的团聚问题。
等离子体熔融球化技术被认为是获得致密、规则球形颗粒的最有效手段，等离子体的温度场是化学燃烧的5倍以上，可以融化高熔点的金属或合金材料。等离子体球化处理技术按照等离子体的激发方式可分为直流等离子体和高频感应等离子体两大类。相较于直流等离子体，高频等离子体体球化处理技术具有以下优点：(1)等离子区温度分布相对均匀平坦；(2)骤冷速度高(-105K/S)；(3)产品无团聚，产品纯度高。由于整个过程处于连续、非接触式的状态，而且高频等离子体没有电极，因而可以避免产品引入杂质，可以得到高纯的产品，三废处理简单；(4)高频等离子体和等离子火焰焰流的速度比较低且比较均与，属于“软”的等离子体，因此拥有更长的反应区停留时间，这对粉末的吸热溶融是十分有利的；(5)产物粒径分布均匀、球化率高。通过对参数的控制，可以得到球化率90％以上的产品且工艺流程短、连续、易控。
高频等离子体加热器是高频等离子加热制备球形粉末系统的核心设备，其工作原理为：高频电源提供的高频电流通过反应器的线圈在加热器内产生强烈的电磁耦合，使得进入加热器感应区的工作气体发生电离，形成高温等离子体火焰，欲处理的粉末通过高温等离子体火焰时，收到高温等离子体气流的加热，表面产生微融，在张力的作用下形成球形粉末并进行后续的冷却等处理。工作气体的进气量、进气方式和进气位置的设计对保证加热电离效果、控制粉体在加热器内的形成，强化粉末与热等离子气流的换热效果等都起到至关重要的作用。现有的进气方式不能满足高频等离子体加热器的进气需求，在进气量、进气方式和进气位置方面存在缺陷。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提供一种球化粉末高频感应等离子加热器的进气组件，提供加热器电离所需工作气体，强化粉末与高温等离子体气流的换热效果，提高粉末的球形化比例。
本发明所采用的技术方案是：一种球化粉末高频感应等离子加热器的进气组件，包括：顶罩、中心气旋流器、边气旋流器和底座；顶罩、中心气旋流器、边气旋流器和底座从上到下依次同轴配合安装；边气旋流器下端面与底座上端面中心的下凹部分之间形成边气均流室，顶罩下端面中心的上凹部分与中心气旋流器上部的凸台外壁之间形成中心气均流室；气体从顶罩上的中心气通气道进入中心气均流室，并通过中心气旋流器上部环形凸台结构上的径向旋气孔使气体旋转进入内石英管；气体从边气旋流器上的边气通气道进入边气均流室，并通过边气旋流器下部套筒结构壁上的轴向旋转翅片使气体旋转进入放电灯管。
所述边气旋流器为一体结构，包括两部分，上部为法兰结构，下部为套筒结构，套筒结构下部外壁上有轴向旋转翅片；边气通气道先沿边气旋流器径向，然后从法兰结构连接套筒结构的一侧表面穿出；边气旋流器的套筒结构穿过底座的中心孔插入放电灯管中；边气旋流器中心通孔内安装内石英管，内石英管下端伸入放电灯管中。
所述中心气旋流器为一体结构，包括三部分，中部为法兰结构，下部为套筒结构，上部为环状的凸台结构，径向旋气孔贯穿凸台结构侧壁；中心气旋流器下部套筒结构插入内石英管内。
所述顶罩为一体结构，包括两部分，一部分为圆盘结构，另一部分为位于圆盘结构中心处的圆筒结构，圆盘结构表面沿圆筒结构外壁开有环形凹槽；中心气通气道沿顶罩径向，出口位于顶罩凹槽的侧壁上；顶罩的圆筒结构插入中心气旋流器的中心孔内，顶罩中心孔内插入落粉管。
所述底座中心孔底部插入放电灯管，底座通过底座中心孔中凸起结构对放电灯管进行定位。
所述轴向旋转翅片沿边气旋流器轴线方向旋转角度α的取值范围为15°～30°，轴向旋转翅片数量为16～60个。
所述径向旋气孔的旋向与轴向旋转翅片旋向相同，径向旋气孔中心线与所在位置切线间的夹角β的取值范围为45°～90°，径向旋气孔的数量为12～32个。
所述边气旋流器上的边气通气道有两条，两条边气通气道关于边气旋流器中心轴对称。
所述顶罩上的中心气通气道有两条，两条中心气通气道关于顶罩轴线对称；所述顶罩圆筒结构侧壁与中心气旋流器的中心孔内壁之间存在间隙。
还包括O型密封圈，O型密封圈安装在底座中心孔内壁、底座上表面、边气旋流器上表面、边气旋流器中心孔内壁、中心气旋流器中部法兰结构上表面、中心气旋流器上部凸台结构上表面的O型密封圈沟槽内。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明的边气旋流器采用轴向旋转翅片结构，该结构进气面积大，靠近中心的部分边气产生电离，同时放电管内壁部分的气体形成一层冷气膜，对放电灯管进行冷却和防止受热熔融后的粉末粘附在放电灯管内壁上。
(2)本发明的中心气旋流器采用切向旋气孔结构，该结构旋转角度调节范围宽，有利于保证等离子体气流的焓值和稳定性，强化通过落粉管进入加热器的风粉气流与中心气气流的混合，提高粉体的离散效果，减少粉末的团聚。
(3)本发明进入加热器的载气和粉末进入加热器后与中心气混合，通过调节中心气旋转强度，可控制粉末在高温等离子体火焰内的行程，实现不同的换热、微融和球化效果。
附图说明
图1为本发明装置的示意图；
图2(a)为边气旋流器的示意图；图2(b)为图2(a)中I位置放大图；
图3为图2(a)的A-A位置剖视图；
图4为中心气旋流器的示意图；
图5为图4的B-B位置剖视图。
具体实施方式
以下结合附图对发明做进一步的详细描述。
如图1所示，一种球化粉末高频感应等离子加热器的进气组件，包括：顶罩1、中心气旋流器3、边气旋流器4和底座6。顶罩1、中心气旋流器3、边气旋流器4和底座6从上到下依次同轴配合连接，各部分上下端面通过O型密封圈7进行密封；
如图2(a)、图2(b)和图3所示，边气旋流器4为一体结构，包括两部分，上部为法兰结构，下部为薄壁套筒结构，薄壁套筒下部外环部分采用轴向旋转翅片41使气体旋转；边气通气道42先沿边气旋流器4径向，然后从法兰结构连接薄壁套筒的一侧表面穿出，两条边气通气道42关于边气旋流器4中心轴对称；底座6中心孔中有环形的凸起结构，放电灯管8插入底座6中心孔内，通过凸起结构定位，并通过O型密封圈7实现密封；边气旋流器4的薄壁套筒穿过底座6的中心孔插入放电灯管8中，边气旋流器4下端面与底座6上端面中心的下凹部分之间形成边气均流室5；边气均流室5内的工作气体均匀通过轴向旋转翅片41沿加热器放电灯管8内壁旋转进入加热器。边气旋流器4轴向旋转翅片41沿轴线方向旋转角度α设计为15°～30°，轴向旋转翅片41数量为16～60个。内石英管9安装在边气旋流器4沿边气旋流器4轴线的通孔内，上端部通过O型密封圈7与通孔内壁实现密封，下端伸入放电灯管8中。边气旋流器4凸法兰结构与中心气旋流器3接触的表面、中心孔内壁上开有O型密封圈沟槽33、43；底座6与边气旋流器4接触的表面、中心孔与放电灯管8接触的内壁上开有O型密封圈沟槽33、43。
顶罩1为一体结构，包括两部分，一部分为圆盘结构，另一部分为圆筒结构，圆筒结构位于圆盘结构中心处且与圆盘结构同轴，圆盘上沿圆筒外壁有一圈凹槽，沿顶罩1直径开有两条中心气通气道32，两条中心气通气道32关于顶罩1轴线对称，中心气通气道32出口位于顶罩1凹槽的侧壁上。顶罩1的圆筒结构插入中心气旋流器3的中心孔内，圆筒壁与心气旋流器3的中心孔内壁之间存在间隙。顶罩1上的凹槽侧壁与中心气旋流器3上端的凸台外壁之间形成中心气均流室2。落粉管13插入顶罩1中心孔中，通入放电灯管8内。
如图4和图5所示，中心气旋流器3为一体结构，包括三部分，中部为法兰结构，下部为薄壁套筒结构，上部为环状凸台结构，三部分均同轴，上部的凸台侧壁上采用径向旋气孔31使气体旋转，径向旋气孔31为贯穿凸台侧壁的通孔；中心气旋流器3下部套筒插入内石英管9内，中心气均流室2内的工作气体均匀通过径向旋气孔31沿内石英管9内壁旋转进入加热器。径向旋气孔31的旋向(左旋或右旋)与边气旋流器4的轴向旋转翅片41旋向相同，径向旋气孔31中心线与所在位置切线间的夹角β设计为45～90°，径向旋气孔31数量为12～32个。中心气旋流器3凸台结构、法兰结构与顶罩1接触的表面上开有O型密封圈沟槽33、43；
本发明应用于球化粉末高频感应等离子加热器，本发明工作原理是：边气均流室5内的工作气体均匀通过边气旋流器4的轴线旋转翅片41沿加热器放电灯管8内壁旋转进入加热器，中心气均流室2内的工作气体均匀通过中心气旋流器3的径向旋气孔31沿内石英管9内壁旋转进入加热器，电感线圈10在放电灯管8外围同轴缠绕布置，电感线圈10末端与高频电源连接，当高频电源输出的高频率的交变电流通过电感线圈10时，在放电灯管8内电感线圈10对应的区域产生强烈的电磁耦合，该区域的工作气体产生电离并释放出焦耳热，形成高温的高频等离子火焰11，载气12携带欲处理的粉末通过落粉管13进入高频等离子体火焰11内，粉末受热表面产生微融，在张力的作用下形成球形粉末并从加热器喷出进入下游工序进行冷却和收集。边气旋流器4进气面积大，靠近中心的部分产生电离，靠近放电灯管8内壁部分的气体形成一层冷气膜，对放电灯管8进行冷却和防止受热熔融后的粉末粘附在放电灯管8内壁上。中心气旋流器3旋转角度调节范围宽，能够保证等离子体气流的焓值和稳定性，有利于强化通过落粉管13进入加热器的风粉气流与中心气气流的混合，提高粉体的离散效果，减少粉末的团聚，同时进入加热器的载气和粉末进入加热器后与电离的中心气混合，通过调节中心气旋转强度，可控制粉末在高温等离子体火焰11内的行程，实现不同的换热、微融和球化效果。
本发明说明书未详细说明的技术属本领域技术人员公知常识。
Claims (8)
1.一种球化粉末高频感应等离子加热器的进气组件，其特征在于，包括：顶罩(1)、中心气旋流器(3)、边气旋流器(4)和底座(6)；顶罩(1)、中心气旋流器(3)、边气旋流器(4)和底座(6)从上到下依次同轴配合安装；边气旋流器(4)下端面与底座(6)上端面中心的下凹部分之间形成边气均流室(5)，顶罩(1)下端面中心的上凹部分与中心气旋流器(3)上部的凸台外壁之间形成中心气均流室(2)；气体从顶罩(1)上的中心气通气道(32)进入中心气均流室(2)，并通过中心气旋流器(3)上部环形凸台结构上的径向旋气孔(31)使气体旋转进入内石英管(9)；气体从边气旋流器(4)上的边气通气道(42)进入边气均流室(5)，并通过边气旋流器(4)下部套筒结构壁上的轴向旋转翅片(41)使气体旋转进入放电灯管(8)；边气旋流器(4)为一体结构，包括两部分，上部为法兰结构，下部为套筒结构，套筒结构下部外壁上有轴向旋转翅片(41)，轴向旋转翅片(41)沿边气旋流器(4)轴线方向旋转角度α的取值范围为15°～30°，轴向旋转翅片(41)数量为16～60个；中心气旋流器(3)为一体结构，包括三部分，中部为法兰结构，下部为套筒结构，上部为环状的凸台结构，径向旋气孔(31)贯穿凸台结构侧壁，径向旋气孔(31)的旋向与轴向旋转翅片(41)旋向相同，径向旋气孔(31)中心线与所在位置切线间的夹角β的取值范围为45°～90°，径向旋气孔(31)的数量为12～32个。
2.根据权利要求1所述的一种球化粉末高频感应等离子加热器的进气组件，其特征在于：所述边气通气道(42)先沿边气旋流器(4)径向，然后从法兰结构连接套筒结构的一侧表面穿出；边气旋流器(4)的套筒结构穿过底座(6)的中心孔插入放电灯管(8)中；边气旋流器(4)中心通孔内安装内石英管(9)，内石英管(9)下端伸入放电灯管(8)中。
3.根据权利要求1或2所述的一种球化粉末高频感应等离子加热器的进气组件，其特征在于：所述中心气旋流器(3)下部套筒结构插入内石英管(9)内。
4.根据权利要求1或2所述的一种球化粉末高频感应等离子加热器的进气组件，其特征在于：所述顶罩(1)为一体结构，包括两部分，一部分为圆盘结构，另一部分为位于圆盘结构中心处的圆筒结构，圆盘结构表面沿圆筒结构外壁开有环形凹槽；中心气通气道(32)沿顶罩(1)径向，出口位于顶罩(1)凹槽的侧壁上；顶罩(1)的圆筒结构插入中心气旋流器(3)的中心孔内，顶罩(1)中心孔内插入落粉管(13)。
5.根据权利要求1或2所述的一种球化粉末高频感应等离子加热器的进气组件，其特征在于：所述底座(6)中心孔底部插入放电灯管(8)，底座(6)通过底座(6)中心孔中凸起结构对放电灯管(8)进行定位。
6.根据权利要求2所述的一种球化粉末高频感应等离子加热器的进气组件，其特征在于：所述边气旋流器(4)上的边气通气道(42)有两条，两条边气通气道(42)关于边气旋流器(4)中心轴对称。
7.根据权利要求4所述的一种球化粉末高频感应等离子加热器的进气组件，其特征在于，所述顶罩(1)上的中心气通气道(32)有两条，两条中心气通气道(32)关于顶罩(1)轴线对称；所述顶罩(1)圆筒结构侧壁与中心气旋流器(3)的中心孔内壁之间存在间隙。
8.根据权利要求1或2所述的一种球化粉末高频感应等离子加热器的进气组件，其特征在于，还包括O型密封圈(7)，O型密封圈(7)安装在底座(6)中心孔内壁、底座(6)上表面、边气旋流器(4)上表面、边气旋流器(4)中心孔内壁、中心气旋流器(3)中部法兰结构上表面、中心气旋流器(3)上部凸台结构上表面的O型密封圈沟槽(33、43)内。
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