CN107096925B - 一种新型的等离子体雾化制备球型粉末系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种新型的等离子体雾化制备球型粉末系统，包括进料装置、等离子体炬、雾化塔、真空泵和供气装置，所述真空泵与供气装置分别连接雾化塔，所述供气装置提供惰性气体；还包括粉末筛分装置，所述雾化塔出料口连接粉末筛分装置；等离子体炬有一个或多个安装于雾化塔顶部；所述雾化塔包括内壁和外壁，内壁、外壁之间具有空间形成水冷夹层。配备多个等离子体炬，通过多股互成角度射流聚集焦点，利用高温高速射流对原料进行熔化的同时冲击熔融态原料，有效降低粉末的粒径；通过水冷夹层对雾化主体进行快速冷却散热，使雾化物料获得较高的冷却速率，提高细粉收粉数量和球形度。

Description

一种新型的等离子体雾化制备球型粉末系统

技术领域

本发明涉及一种等离子体雾化系统，具体涉及一种新型的等离子体雾化制备球型粉末系统。

背景技术

随着增材制造技术(亦称为3D打印)、金属注射成形(MIM)、热喷涂等技术的快速发展，市场上对金属粉末，特别是高质量的球型金属粉末的需求日渐增加。市场需求的金属粉末种类包括钛、镍、钼、钴、铜、铁、铝、不锈钢等金属及其合金粉末。

目前制备金属粉末的常用工艺有机械合金化法、热还原法、熔融电解法和雾化法等。其中雾化法是制备球型金属粉末的主要工艺，目前国内常用的雾化法分有电极感应气体雾化法(EIGA)和等离子体旋转电极雾化法(PREP)。

EIGA技术采用无坩埚技术，原料金属被加工成棒状直接放置于感应线圈中加热熔化，这种设计避免了熔化过程中金属与坩埚的接触，避免了污染，从而保持雾化粉末的纯净度，加热速率快、工艺简单、设备清洗方便等。但是目前EIGA技术还存在诸多问题：感应线圈限制感应电极原料棒材的直径，大直径电极要求更高的感应加热电源和感应线圈，成本较高；为保证电极稳定停留与线圈中，垂直送料速度和电极自转速度如何配合也是一个复杂的问题，问题仍需解决；电极感应加热熔化后流入气雾化喷嘴，金属液滴应保持稳定持续的流态而不间断，实际雾化过程中会出现液滴状，或者电极未完全熔化而断裂掉入导流管中，从而造成阻塞。EIGA感应电极原料棒材的直径受限于感应线圈、熔融金属液难以保证稳定流入气雾化喷嘴、收粉率较低，平均粒径约为80um。

PREP法是将金属或合金制成自耗电极，自耗电极端部在同轴等离子体电弧加热源的作用下熔化形成液膜，液膜在旋转离心力的作用下被高速甩出形成液滴，熔融液滴与雾化室内氩气摩擦，在切应力作用下进一步破碎，随后熔滴在表面张力的作用下快速冷却凝固成球形粉末。采用PREP制备的粉末具有表面清洁、球形度高、流动性好、低含氧量、粒度分布窄等优势。但是PREP工艺受限于电极棒大幅提速后导致的密封、振动等相关技术瓶颈，且电极棒是定长的无法保证雾化连续性、雾化效率低、电极高速转动容易磨损转轴、制得粉末粒径较大、平均粒径约为150um。而3D打印、金属注射成形等技术对细粒径粉体的要求均在45um以下，采用该法难以低成本制备符合要求的细粒径粉体。

发明内容

针对上述背景，为生产出纯净度高、粒径范围广、平均粒径小(约为40um)、收粉率较高、雾化效率高、球形度好的球型金属粉末，本发明设计出一种新型的等离子体雾化制备球型粉末系统，适用于制备不同种类的球型金属(如钛、镍、钼、钴、铜、铁、铝、不锈钢等)及其合金粉末，或者陶瓷球型粉末。

本发明提供一种新型的等离子体雾化制备球型粉末系统，包括进料装置、等离子体炬、雾化塔、真空泵和供气装置，真空泵与供气装置分别连接雾化塔，所述供气装置提供惰性气体；还包括粉末筛分装置，所述雾化塔出料口连接粉末筛分装置；所述等离子体炬有一个或多个安装于雾化塔顶部；所述雾化塔包括内壁和外壁，内壁、外壁之间具有空间形成水冷夹层。

原料可选用不规则粉体状、丝状或棒状金属、合金或陶瓷材料，原料被高温高速的多股等离子体射流聚合焦点中加热熔化同时被重整球化或雾化，在惰性保护气中充分球化凝固成粉。本发明设计中，可使用一个或多个等离子体炬，并可选用多种类型的等离子体炬，等离子体炬功率根据处理量和工艺需求为30-100kW，通过多股互成角度射流聚集焦点，利用高速高温射流对原料进行熔化的同时冲击破碎熔融态原料，克服熔融态物料原子间的键合力并使之雾化成为球型粉末。原料在高温等离子体射流下获得充足的过热温度，使得原料在雾化紊流阶段粘度降低，有效促进球型粉末的形成及降低粉末粒径，提高雾化效率。上述进料装置、等离子体炬、真空泵、供气装置等为现有技术。

上述等离子体雾化制备球形粉末系统还包括旋风分离器，所述旋风分离器的入口连接雾化塔下部，其底部颗粒排放口连接粉末筛分装置。通过设置旋风分离器，对雾化塔内的惰性保护气及超细小粉末进行抽吸和收集，从而有效避免此类超细小粉末在雾化塔中回流至上端雾化区域粘结其他未完全冷却凝固球化粉体，造成“卫星球”影响粉体球形度。

进一步地，还包括气体循环系统，由依次串联的过滤器、惰性气体回收罐和气体压缩罐组成，所述过滤器连接旋风分离器的出风口，所述气体压缩罐连接雾化塔上部。雾化塔中的惰性保护气体通过旋风分离器被抽吸后，经过过滤器、惰性气体回收罐和气体压缩罐重新回收至雾化塔可供再次使用，惰性气体回收利用率达到50％-60％。

供气装置提供的惰性气体为氩气、氮气或氦气。由于惰性气体不间断通入雾化塔中，除了对雾化或球化的粉体进行保护以外，还能对破碎熔融态进行进一步冲击，加速熔融态的固化。

进料装置还包括矫直器和套管，用于棒材或丝材原料进料，所述矫直器连通套管，套管插入雾化塔顶部，并通过法兰与密封片密封固定，所述套管的出口正对等离子体炬的射流中心。本装置可适应不同规格粉体状、丝状或棒状的金属、合金或陶瓷材料的进料。进料装置进料口可根据丝材或棒材的直径需求调整尺寸，并配有套管引导进料。不规则粉体状原料通过等离子体炬工作载气送入雾化塔内；丝材原料先后通过矫直器和套管送入雾化塔内，棒材原料直接通过套管进料，丝材或棒材原料与雾化塔的进料口密封设计。

进一步地，上述套管优选耐高温的刚玉套管引导进料。

当进料量较小时，可选用单个双流等离子体炬，双射流等离子体炬的两股等离子体射流从左右两端的阴阳电极发射出并汇集于中间焦点处，能量集中，为雾化提高热能。

进一步地，所述等离子体炬为并列安装的两个，该等离子体为双射流等离子体炬或三相交流等离子体炬。当进料量较大时，可安装两个双流等离子体炬安装，此时，四股等离子体射流从电极发射出并汇集于中间焦点处，不同外形状态的原料通过等离子体炬中间处导入至射流焦点处同时进行熔化或雾化，并进入下一个阶段凝固球化；射流焦点可通过调控工作载气质量流量大小以控制雾化焦点位置，以便制备球形粉末时的雾化工艺优化。

另外，等离子体炬也可安装三个或多个，为层流等离子体炬，并配备等离子体炬位置调节装置，使所有层流等离子体炬的射流集中于同一焦点；所述位置调节装置包括球形密封活接头、连杆、套杆和液压传动装置，等离子体炬通过球形密封活接头安装于雾化塔上，其尾部连接液压传动装置，套杆竖直固定与雾化塔上，液压传动装置、连杆、套杆依次铰接。通过套杆、连杆和液压传动装置相结合以调整等离子体炬的插入深度、与进料轴线夹角、距离，有利于优化工艺和提升处理量。通过调整等离子体炬位置，从而调整三股或多股等离子体射流的汇聚焦点位置。层流等离子体炬射流在轴线上长度可调可控，调整弧电流和气流量，控制精度高，并且能量集中，本装置使得多股射流有效集中于同一焦点中，为雾化提供高能热量，无需使用拉法尔(Laval)喷管以协助提高射流速度。

上述等离子体炬提供的等离子体射流的温度为3000-20000K，速度为300-2000m/s。

进一步地，上述水冷夹层设有螺旋型水冷导槽，控制雾化塔的壁温低于50℃。通过水冷夹层对雾化塔主体进行冷却散热，确保雾化物料获得较高的冷却速率，提高细粉收粉数量和球形度。为了防止水冷夹层产生锈垢，保持稳定的导热性，上述水冷夹层中通入流动的去离子水。

所述雾化塔主体采用分段式设计，通过法兰密封连接，可根据处理量增减容量，各段配有样品收集处、观察窗、温度测定点和压力测点，便于更好的操作调节。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

(1)配备一个或多个等离子体炬，通过多股互成角度射流聚集焦点，利用高温高速射流对原料进行熔化的同时冲击熔融态原料，有效降低粉末的粒径，可选用不同类型的等离子体炬。

(2)通过水冷夹层对雾化主体进行冷却散热，使雾化物料获得较高的冷却速率，提高细粉收粉数量；

(3)通过设置旋风分离器，有效避免此类超细小粉末在雾化塔中回流至上端雾化区域粘结其他未完全冷却凝固球化粉体，提高粉体的球形度；

(4)对惰性气体的循环利用，节约资源，减少成本。

附图说明

图1是本发明实施例1结构示意图；

图2是本发明实施例2结构示意图。

图3是本发明雾化塔顶部进料口及套管结构示意图。

图4是本发明等离子体炬位置调节装置结构示意图。

图中标记：

1.进料装置，1-0.丝材或棒材，1-1.刚玉套管，1-2.法兰，1-3.密封片，2.矫直器，3.双射流等离子体炬，3-1.层流等离子体炬，4.雾化塔，4-1.水冷夹层，5.真空泵，6.粉末筛分装置，7.旋风分离器，8.过滤器，9.惰性气体回收罐，10.气体压缩罐，11.供气装置，12.等离子体炬位置调节装置，12-1.球形密封活接头，12-2.液压传动装置，12-3.连杆，12-4套杆。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例对本发明进行进一步的阐明。

实施例1

如图1，本实施例中的等离子体雾化制备球型粉末系统包括进料装置1、双射流等离子体炬3、雾化塔4、真空泵5、供气装置11、旋风分离器7，过滤器8、惰性气体回收罐9和气体压缩罐10，雾化塔4采用锈钢钢板焊接而成，焊接处采用扎箍固定，雾化塔4主体采用分段式设计，通过法兰密封连接，可按处理量需求增减容量，各段配有样品收集、观察窗装置、温度测定和压力测点。雾化塔包括内壁和外壁，所述内壁、外壁之间具有空间形成水冷夹层4-1，水冷夹层设有螺旋型水冷导槽，并设有进水口和出水口，水冷夹层中通去离子水，控制雾化塔的壁温低于50℃。真空泵5与供气装置11分别连接雾化塔4，真空泵5用于雾化塔、管道等的抽真空，供气装置11对雾化塔提供惰性气体；旋风分离器7的入口连接雾化塔4，其底部颗粒排放口连接粉末筛分装置6。过滤器连接旋风分离器的出风口，过滤装置、惰性气体回收罐和气体压缩罐依次串联，气体压缩罐连接雾化塔上部。

工作时，真空泵5对雾化塔4抽真空，关闭真空泵5；开启供气装置11、进料装置1、旋风分离器7和粉末筛分装置6，水冷夹层中通入去离子水。原料经等离子体炬，两股等离子体射流从阴阳电极发射出并汇集与中间焦点处，被高温高速加热熔化，同时被冲击破碎，原料液滴在雾化塔内冷却凝固球化，得球形粉末，惰性气体对这一过程进行保护。在重力、表面张力以及惰性气体的冲击作用下，球形粉末下降雾化塔底部，粉末通过雾化塔底部出料口进入粉末筛分装置，通过多级震动筛分，被划分为不同粒径分布范围的球形粉末。

惰性气体采用氩气，氩气先后经旋风分离器、过滤器、惰性气体回收罐、气体压缩罐，重新进入到雾化器中，旋风分离器中收得的粉末通入粉末筛分装置。通过通入惰性气体保护装置内雾化粉体，一方面是通过工作载气进入雾化器中，另一方面是在雾化完成后，气体过滤循环后再次利用并充满雾化器中再进行粉体保护，实现对惰性气体进行循环使用。

实施例2

本实施例是在实施例1的基础上做出的改进，如图2，等离子体炬选用三个层流等离子体炬3-1，安装在雾化塔4顶部，并配备等离子体炬位置调节装置12。等离子体炬位置调节装置如图4所示，位置调节装置包括球形密封活接头12-1、连杆12-3、套杆12-4和液压传动装置12-2，等离子体炬通过球形密封活接头12-1安装于雾化塔4上，其尾部连接液压传动装置12-2，套杆12-4竖直固定与雾化塔上，并套住刚玉套管1-1，液压传动装置12-2、连杆12-3、套杆12-4依次铰接。通过装置中的套杆12-4、连杆12-3和液压传动装置12-2等相结合以调整等离子体炬的插入深度、与进料轴线夹角、距离，从而调整三股等离子体射流的汇聚焦点位置；层流等离子体炬射流在轴线上长度可调控，调整弧电流和气流量，可使得多股射流有效集中于同一焦点中，能量集中，为雾化提供高能热源；不同形状的原料通过载气或雾化塔顶部中心处的进料口被导入至射流焦点处，同时进行熔化和雾化，并进入下一阶段进行凝固球化。

本实施例还对进料装置进行改进，该进料装置还包括矫直器2和刚玉套管1-1，用于棒材或丝材原料进料，所述矫直器2连通刚玉套管1-1，刚玉套管1-1插入雾化塔4顶部，并通过法兰1-2与密封片1-3密封固定，所述刚玉套管1-1的出口正对等离子体炬3-1的射流中心。本装置可适应不同规格粉体状、丝状或棒状的金属、合金或陶瓷材料的进料。丝材经矫直器2矫直送入刚玉套管，从刚玉套管1-1中出来的丝材到达层流等离子体炬的射流焦点处，被高温高速加热熔化，同时被冲击破碎，原料液滴在雾化塔内冷却凝固球化，得球形粉末。

上述实施例仅仅是较佳的实施例，并非对实施方式的限定。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。凡依本发明申请专利范围的内容所作的等效变化与修饰，都应作为本发明的技术范畴。

Claims (7)

1.一种新型的等离子体雾化制备球型粉末系统，包括进料装置、等离子体炬、雾化塔、真空泵和供气装置，所述真空泵与供气装置分别连接雾化塔，所述供气装置提供惰性气体；其特征在于还包括粉末筛分装置，所述雾化塔出料口连接粉末筛分装置；等离子体炬为层流等离子体炬且安装于雾化塔顶部；所述雾化塔包括内壁和外壁，内壁、外壁之间具有空间形成水冷夹层；等离子体炬有多个，配备等离子体炬位置调节装置，使所有层流等离子体炬的射流集中于同一焦点；所述等离子体炬位置调节装置包括球形密封活接头、连杆、套杆和液压传动装置，等离子体炬通过球形密封活接头安装于雾化塔上，其尾部连接液压传动装置，套杆竖直固定于雾化塔上，液压传动装置、连杆、套杆依次铰接。

2.如权利要求1所述的等离子体雾化制备球型粉末系统，其特征在于还包括旋风分离器，所述旋风分离器的入口连接雾化塔，其底部颗粒排放口连接粉末筛分装置。

3.如权利要求2所述的等离子体雾化制备球型粉末系统，其特征在于还包括气体循环系统，所述气体循环系统包括依次串联的过滤器、惰性气体回收罐和气体压缩罐，所述过滤器连接旋风分离器的出风口，所述气体压缩罐连接雾化塔上部。

4.如权利要求1所述的等离子体雾化制备球型粉末系统，其特征在于所述进料装置还包括矫直器和套管，用于棒材或丝材原料进料，所述矫直器连通套管，套管插入雾化塔顶部，并通过法兰与密封片密封固定，所述套管的出口正对等离子体炬的射流中心。

5.如权利要求4所述的等离子体雾化制备球型粉末系统，其特征在于所述套管为刚玉套管。

6.如权利要求1所述的等离子体雾化制备球型粉末系统，其特征在于所述等离子体炬提供的等离子体射流的温度为3000-20000K，速度为300-2000m/s。

7.如权利要求1所述的等离子体雾化制备球型粉末系统，其特征在于所述水冷夹层设有螺旋型水冷导槽，控制雾化塔壁温低于50℃。

Images