CN107186209A - 用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器 - Google Patents

用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器 Download PDF

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Abstract

用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器，涉及高频感应等离子体技术领域；包括感应线圈、放电约束管、中心气约束管、外环旋气件、中心旋气件、喷粉管密封紧固座、高压水冷喷粉管、法拉第笼和喷嘴；外环旋气件固定安装在法拉第笼上表面；中心旋气件水平固定安装在外环旋气件的上表面；喷粉管密封紧固座固定安装在中心旋气件的上表面；中心气约束管固定安装在法拉第笼轴心处；放电约束管的伸入法拉第笼，且一端固定安装在法拉第笼的上表面；高压水冷喷粉管伸入放电约束管；感应线圈固定安装在放电约束管的外部；喷嘴固定安装在法拉第笼下表面；本发明骤冷速度高；产品无团聚；拥有更长的反应区停留时间；产物粒径分布均匀、球化率高。

Description

用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器
技术领域
本发明涉及一种高频感应等离子体技术领域，特别是一种用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器。
背景技术
金属与合金件的3D打印快速成形技术，是未来近净成形技术的主要发展方向之一。同时，3D打印技术的发展对基础材料粉末的粒度和形貌也提出了更高的要求，该技术要求粉末流动性好、松装和振实密度高，传统制粉技术制备的粉末形状不规则、流动性差，难以满足3D打印技术要求，而纯度高、球形化比例高，流动性好，晶粒度适当的球形粉末可以很好的满足这一要求，因此，粒度微细、可控的高纯球形金属或合金粉末的制备技术与专用装备成为新材料与装备的主要发展方向。
球形粉末的制备方法主要分为物理法和化学法。其中，物理法制备的球形粉末结构致密、松装密度高。主要包括雾化法和等离子体法。液相法制备球形粉末主要包括喷雾热分解法、羰基法和溶胶凝胶法等。
雾化法是以快速运动的流体(雾化介质)冲击或以其他方式将金属或合金液体破碎为细小液滴，继之冷凝为固体粉末的球形粉末制备方法。雾化法生产效率高，成本低，是生产完全合金化粉末的很好的方法，广泛应用于低熔点的金属及合金粉末的制备。但该方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。
喷雾热分解法是按化学计量比配制所需金属盐溶液并作为前驱体，经雾化形成细小液滴通过载气携带进入高温反应炉中，在高温环境下液滴瞬间溶剂蒸发、溶质沉淀并干燥，同时金属盐热分解，经收集系统得到所需粉末颗粒。该方法工艺简单、成本低，在氧化物粉末、陶瓷粉末、金属复合材料、纳米复合粉末的制备领域得到广泛应用，但该方法属化学制作方法，存在较严重的污染问题，且同样不适合于高温金属或合金球形粉末的制备。
溶胶-凝胶法(Sol-Gel)是将酯类化合物或金属醇盐溶于有机溶剂中形成均匀的溶液，然后经过水解、缩合化学反应形成溶胶，再经干燥和煅烧等处理工艺制成所需材料。
羰基法是利用羰基物的热离解的过程来制取金属粉末，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。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器，可以融化高熔点的金属或合金材料；骤冷速度高；产品无团聚；拥有更长的反应区停留时间；产物粒径分布均匀、球化率高。
本发明的上述目的是通过如下技术方案予以实现的：
用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器，包括感应线圈、放电约束管、中心气约束管、外环旋气件、中心旋气件、喷粉管密封紧固座、高压水冷喷粉管、法拉第笼和喷嘴；其中，法拉第笼为中空圆柱结构；法拉第笼作为加热器外壳轴向竖直放置；外环旋气件水平固定安装在法拉第笼上表面的中心位置；中心旋气件水平固定安装在外环旋气件的上表面；喷粉管密封紧固座固定安装在中心旋气件的上表面；中心气约束管为中空圆柱状结构；中心气约束管竖直固定安装在法拉第笼轴心处，且中心气约束管的顶端伸出法拉第笼与外环旋气件连接；放电约束管为中空圆柱形结构；放电约束管沿轴向固定安装在法拉第笼轴心处；高压水冷喷粉管为中空管状结构，高压水冷喷粉管从顶部依次穿过喷粉管密封紧固座、中心旋气件、外环旋气件和中心气约束管，伸入放电约束管；感应线圈固定安装在放电约束管的外部；喷嘴固定安装在法拉第笼下表面的中心。
在上述的用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器，所述放电约束管的底端与喷嘴连接；放电约束管的顶端与外环旋气件连接；感应线圈等距同轴缠绕在放电约束管的外部。
在上述的用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器，所述感应线圈为中空结构，中空部分为循环冷却水通道。
在上述的用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器，感应线圈的上外壁浇注树脂套；树脂套的内壁与放电约束管的外壁形成环形冷却水通道。
在上述的用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器，树脂套内壁与放电约束管外壁的间距为2-6mm。
在上述的用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器，所述喷嘴内部开口的水平截面积与放电约束管的水平截面积之比不小于
在上述的用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器，中心气约束管的下表面与感应线圈第一匝的上端面平齐；高压水冷喷粉管的下表面位于感应线圈第一匝和第三匝之间。
在上述的用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器，所述中心旋气件中部水平位置设置有中心气进气道；外环旋气件中部水平位置设置有外环气进气道；放电约束管的外壁设置有冷却水通道。
在上述的用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器，加热器的介质气体包括外环气、中心气和载气；其中，外环气通过外环旋气件的外环气进气道进入加热器；中心气通过中心旋气件的中心气进气道进入加热器；载气和高温金属粉末通过高压水冷喷粉管进入加热器。
在上述的用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器，所述放电约束管为陶瓷材料；所述载气为氩气。
本发明与现有技术相比具有如下优点：
(1)本发明的工作气体分为外环气、中心气和载气三部分分别在合理的位置进入加热器，能够保证加热器的电离效果，提高高温等离子体焰流的焓值，强化对高温金属粉末的加热效果；
(2)本发明中感应线圈浇筑在树脂套内，对感应线圈起到固定作用，同时避免了线圈匝间气体被电离起弧的问题；
(3)本发明中感应线圈树脂套内壁与放电约束管外壁之间形成环形通道，可通过冷却水对放电约束管进行冷却，保证了放电约束管能够长时间工作而不被高温焰流烧损；
(4)本发明中加热器放电约束管为陶瓷材料，提高了放电约束管的强度，使用寿命长。
附图说明
图1为本发明加热器的剖视图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的描述：
如图1所示为加热器的剖视图，由图可知，用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器，包括感应线圈1、放电约束管2、中心气约束管3、外环旋气件4、中心旋气件5、喷粉管密封紧固座6、高压水冷喷粉管7、法拉第笼8和喷嘴9；其中，法拉第笼8为中空圆柱结构；法拉第笼8作为加热器外壳轴向竖直放置；外环旋气件4水平固定安装在法拉第笼8上表面的中心位置；中心旋气件5水平固定安装在外环旋气件4的上表面；喷粉管密封紧固座6固定安装在中心旋气件5的上表面；中心气约束管3为中空圆柱状结构；中心气约束管3竖直固定安装在法拉第笼8轴心处，且中心气约束管3的顶端伸出法拉第笼8与外环旋气件4连接；中心气约束管3的下表面与感应线圈1第一匝的上端面平齐，其设计目的是隔离外环气和中心气，对中心气进行约束，使其到加热器放电区域时再进行扩散；高压水冷喷粉管7的下表面位于感应线圈1第一匝和第三匝之间，使得从喷粉管7喷出的金属或合金粉末直接进入高温等离子体焰流核心区；喷粉管7为管壳式结构，内壳为耐磨金属材料，保证内壁被粉体冲刷仍有较长的使用寿命，外壳为导热良好的材料，壳体间通过高压冷却水进行冷却，防止外壁被高温等离子气体气流烧损。喷嘴9的设计能够实现控制加热器内的压力和等离子体焰流的长度。
放电约束管2为中空圆柱形结构；放电约束管2为陶瓷材料，能够保证放电约束管的强度，延长使用寿命；放电约束管2沿轴向固定安装在法拉第笼8轴心处；放电约束管2的底端与喷嘴9连接；喷嘴9内部开口的水平截面积与放电约束管2的水平截面积之比不小于放电约束管2的顶端与外环旋气件4连接；感应线圈1等距同轴缠绕在放电约束管2的外部。高压水冷喷粉管7为中空管状结构，高压水冷喷粉管7从顶部依次穿过喷粉管密封紧固座6、中心旋气件5、外环旋气件4和中心气约束管3，伸入放电约束管2；感应线圈1固定安装在放电约束管2的外部；喷嘴9固定安装在法拉第笼8下表面的中心。
其中，感应线圈1为中空结构，中空部分为循环冷却水通道。感应线圈1的上外壁浇注树脂套10；树脂套10的内壁与放电约束管2的外壁形成环形冷却水通道；树脂套10内壁与放电约束管2外壁的间距为2-6mm。树脂套10一方面对线圈起到固定作用，另一方面树脂套内壁与放电约束管2外壁间形成冷却水通道，通入循环冷却水对放电约束管2进行冷却，放电约束管2长时间工作而不被加热器内高温气流烧损。
中心旋气件5中部水平位置设置有中心气进气道；外环旋气件4中部水平位置设置有外环气进气道；放电约束管2的外壁设置有冷却水通道；加热器的介质气体包括外环气、中心气和载气；其中，外环气通过外环旋气件4的外环气进气道进入加热器；中心气通过中心旋气件5的中心气进气道进入加热器；载气和高温金属粉末通过高压水冷喷粉管7进入加热器；载气为氩气。
等离子体球化处理技术是利用热等离子体的高温环境，载气将粉末送入高温等离子体中，粉末颗粒迅速吸热后表面(或整体)熔融，并在表面张力的作用下缩聚成球形液滴，进入冷却室后骤冷凝固而将球形固定下来，从而获得球形粉末。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。高频等离子体球化处理技术具有以下优点：(1)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；同时，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)相对于其他等离子体技术，高频等离子体和等离子火焰焰流的速度比较低，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。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器，其特征在于：包括感应线圈(1)、放电约束管(2)、中心气约束管(3)、外环旋气件(4)、中心旋气件(5)、喷粉管密封紧固座(6)、高压水冷喷粉管(7)、法拉第笼(8)和喷嘴(9)；其中，法拉第笼(8)为中空圆柱结构；法拉第笼(8)作为加热器外壳轴向竖直放置；外环旋气件(4)水平固定安装在法拉第笼(8)上表面的中心位置；中心旋气件(5)水平固定安装在外环旋气件(4)的上表面；喷粉管密封紧固座(6)固定安装在中心旋气件(5)的上表面；中心气约束管(3)为中空圆柱状结构；中心气约束管(3)竖直固定安装在法拉第笼(8)轴心处，且中心气约束管(3)的顶端伸出法拉第笼(8)与外环旋气件(4)连接；放电约束管(2)为中空圆柱形结构；放电约束管(2)沿轴向固定安装在法拉第笼(8)轴心处；高压水冷喷粉管(7)为中空管状结构，高压水冷喷粉管(7)从顶部依次穿过喷粉管密封紧固座(6)、中心旋气件(5)、外环旋气件(4)和中心气约束管(3)，伸入放电约束管(2)；感应线圈(1)固定安装在放电约束管(2)的外部；喷嘴(9)固定安装在法拉第笼(8)下表面的中心。
2.根据权利要求1所述的用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器，其特征在于：所述放电约束管(2)的底端与喷嘴(9)连接；放电约束管(2)的顶端与外环旋气件(4)连接；感应线圈(1)等距同轴缠绕在放电约束管(2)的外部。
3.根据权利要求2所述的用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器，其特征在于：所述感应线圈(1)为中空结构，中空部分为循环冷却水通道。
4.根据权利要求3所述的用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器，其特征在于：感应线圈(1)的上外壁浇注树脂套(10)；树脂套(10)的内壁与放电约束管(2)的外壁形成环形冷却水通道。
5.根据权利要求4所述的用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器，其特征在于：树脂套(10)内壁与放电约束管(2)外壁的间距为2-6mm。
6.根据权利要求1所述的用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器，其特征在于：所述喷嘴(9)内部开口的水平截面积与放电约束管(2)的水平截面积之比不小于
7.根据权利要求1所述的用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器，其特征在于：中心气约束管(3)的下表面与感应线圈(1)第一匝的上端面平齐；高压水冷喷粉管(7)的下表面位于感应线圈(1)第一匝和第三匝之间。
8.根据权利要求1所述的用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器，其特征在于：所述中心旋气件(5)中部水平位置设置有中心气进气道；外环旋气件(4)中部水平位置设置有外环气进气道；放电约束管(2)的外壁设置有冷却水通道。
9.根据权利要求8所述的用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器，其特征在于：加热器的介质气体包括外环气、中心气和载气；其中，外环气通过外环旋气件(4)的外环气进气道进入加热器；中心气通过中心旋气件(5)的中心气进气道进入加热器；载气和高温金属粉末通过高压水冷喷粉管(7)进入加热器。
10.根据权利要求9所述的用于高温金属粉体球化的高频等离子加热器，其特征在于：所述放电约束管(2)为陶瓷材料；所述载气为氩气。
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