CN107377984A - 一种双耦合气体雾化喷嘴 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双耦合气体雾化喷嘴，属于气体雾化制粉技术领域。该气体雾化喷嘴中央设有一个直径10mm～15mm柱状通孔，用于放置导流管，导流管出口端管壁内表面呈圆锥面，锥面延长线形成夹角θ，锥面上有环形均匀分布的出气孔，出气孔延长线相交呈两个锥角，称为双耦合气体雾化喷嘴。该气体雾化喷嘴设计既能避免传统紧耦合喷嘴回流区过大导致的雾化不畅现象，又不增加气体出口到金属液流的距离，具有较高的能量利用率。使用该气体雾化喷嘴获得的合金粉末具有粒径分布集中，球形度较高等优异性能。
Description
技术领域
本发明涉及气体雾化制粉技术领域，具体涉及一种双耦合气体雾化喷嘴，该喷嘴可用于制备非晶粉末、增材制造用粉末或其他合金粉末。
背景技术
先进的粉末制备技术是现代粉末冶金科学的基础，是PM2TEC和相关新兴高技术产业的先导。高性能、低成本粉末的广泛应用不仅改变了粉末冶金工业的生产内容，而且促进了生产方式的变革。发展高性能粉末及其制备技术，已成为当今材料科学与工程研究中一个十分活跃的高科技前沿领域。
在众多的粉末制备方法中，雾化方法制取的粉末已占到当今世界粉末总产量的近80％。气雾化制粉技术具有环境污染小、粉末球形度高、氧含量低以及冷却速率大等优点，经历近200年的发展，目前已经成为生产高性能球形金属及合金粉末的主要方法，在国防军工、工业生产、民用建筑等诸多领域得到广泛应用。
气体雾化的基本原理是用一高速气流将液态金属流粉碎成小液滴并凝固成粉末的过程。其核心是控制气体对金属液流的作用过程，使气流的动能最大限度的转化为新生粉末表面能。因此这一控制部件即喷嘴成为气体雾化的关键技术，喷嘴的结构和性能决定了雾化粉末的性能和效率。
气雾化方法历史起源于19世纪20年代，最初人们利用空气雾化制取有色金属粉末，上世纪40年代Mannesmann利用锥形空气气流粉碎熔融铁水的方法制得了高性能的铁粉，这就是著名的曼内斯曼法，其基本设计和原理一直沿用至今。1954年，Watkinson在曼内斯曼法基础上利用压缩空气雾化熔融铸铁，他当时就已经使用了环缝形喷嘴。20世纪70年代末80年代初，计算机技术和现代控制技术逐步应用到气雾化制粉技术中。1981年，Rutharde研制一种层流雾化装置制取了粒度更小的粉末，而且成本较低。几年后，walz经过不断改进完善，形成了层流雾化工艺。1985年，美国fowa州AllleS实验室的Anderson等人在限制式环孔型喷嘴的基础上，开发了高压气雾化(HPGA)工艺。1986年，Milier等人设计出紧耦合雾化喷嘴，紧耦合雾化技术已经成为研究最丰富、工业中应用最成熟的一种气雾化制粉技术。目前已成为气雾化设备的首选喷嘴。
紧耦合雾化器存在一个较大的回流区，如图1所示，容易出现反喷现象，而且气体汇聚为一点，该点处于雾化过程中的“初级破碎”位置，由于有回流区的存在，使得该点往往在导流管侧壁，不能直接作用于金属液流，到了雾化过程中对粒度影响最大的“二次破碎”位置处，气体能量急剧衰减，因此紧耦合雾化器的能量利用率较低，导致细粉“收得率”得不到大幅提高。近年来出现的多级气体雾化器的出现很大程度上避免了紧耦合雾化器的缺点，但多级气体雾化器尺寸增大，直接增加了气体出口到金属液流的距离，造成了能量浪费。因此多级气体雾化器制备的细粉含量有限。
发明内容
为了克服现有雾化器存在的上述不足之处，本发明的目的在于提供一种双耦合气体雾化喷嘴，该喷嘴既能避免回流区过大，又不增加气体出口到金属液流的距离，为高能量利用率的气体雾化喷嘴。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种双耦合气体雾化喷嘴，该气体雾化喷嘴呈圆筒状结构，其中：喷嘴中央设置柱状通孔，由柱状通孔向外依次为气腔和冷却水腔；其中：所述柱状通孔内用于放置导流管，导流管出口端的管壁内表面呈圆锥状，圆锥面上开设若干出气孔，各出气孔呈环形均匀分布；所述气腔和冷却水腔之间为密封隔离。
该气体雾化喷嘴的外径60～80mm，柱状通孔孔径12～15mm，高度10～20mm。
所述导流管出口端的锥状内表面上的若干出气孔呈环形均匀分布(环孔结构)；所述出气孔依次经过开设在导流管管壁内的通道Ⅰ和通道Ⅱ与所述气腔相连通；其中：所述通道Ⅰ垂直于所述通道Ⅱ。
该气体雾化喷嘴还设有雾化气体管道、进水管道和出水管道；所述雾化气体管道穿过冷却水腔与气腔相连通；所述进水管道和出水管道分别与冷却水腔相连通。
所述出气孔的数量为20～28个，均匀分布在所述锥状出口端内表面上直径15mm的圆上，出气孔孔径为0.8～1mm。
该雾化喷嘴的所有出气孔中，占总孔数1/4的对称分布的出气孔所对应的通道Ⅰ的延长线汇聚形成一个锥角α(45°～60°)，剩余3/4出气孔所对应的通道Ⅰ的延长线汇聚形成另一个锥角β(30°～55°)；且α＞β。
该雾化喷嘴中，用于连接出气孔与气腔的通道Ⅰ和通道Ⅱ为内径1mm的圆柱状通道。
该雾化喷嘴的材质为不锈钢或碳钢。
本发明的有益效果如下：
1、针对紧耦合喷嘴的回流区大、气体能量利用率低的缺点，本发明设计了双耦合气体雾化喷嘴，该喷嘴有两个气体汇聚点，较小的气流汇聚点在主雾化的回流区内，有效缩小了回流区，降低了反喷风险。
2、本发明设计的气体雾化喷嘴，较大的气流汇聚点在下方，增大了二次破碎区域的气体能量，提高了气体雾化的能量利用率，可获得更多的细粉。
附图说明
图1为回流区特征示意图。
图2为本发明双耦合气体雾化喷嘴结构示意图。
图3为本发明气体雾化喷嘴的出气孔分布图。
图4(a)为本发明气体雾化喷嘴的出气孔分布角度(出气孔所对应的通道Ⅰ的延长线汇聚形成一个锥角β(30°～55°))。
图4(b)为本发明气体雾化喷嘴的出气孔分布角度(出气孔所对应的通道Ⅰ的延长线汇聚形成一个锥角α(45°～60°))。
图5为实施例1小于52μm粉末粒径分布。
图6为实施例1粉末形貌及粉末涂层XRD。
其中：1-冷却水腔；2-气腔；3-导流管；31-管腔；32-管壁；33-出气孔；34-通道Ⅰ；35-通道Ⅱ；4-进水管道；5-雾化气体管道；6-出水管道。
具体实施方式
以下结合附图及实施例详述本发明。
本发明为双耦合气体雾化喷嘴，制造材料为不锈钢或碳钢，其结构如图2所示。
该气体雾化喷嘴呈圆筒状结构，喷嘴中央设置柱状通孔，孔径为10mm～15mm，由柱状通孔向外依次为气腔2和冷却水腔1；其中：所述柱状通孔内放置导流管3，导流管3出口端的管腔31呈圆锥状，即导流管3出口端的管壁32内表面为圆锥面，锥面延长线形成夹角θ(120度)。导流管出口端的圆锥状内表面上开设若干出气孔33，各出气孔33呈环形均匀分布在圆锥面上(环孔结构)；所述气腔2和冷却水腔1之间为密封隔离。该气体雾化喷嘴的外径60～80mm，喷嘴高度10～20mm。
所述出气孔33依次经过开设在导流管管壁32内的通道Ⅰ34和通道Ⅱ35与所述气腔2相连通；所述通道Ⅰ34垂直于所述通道Ⅱ35。所述出气孔的数量为20～28个，均匀分布在导流管锥状内表面上直径15-17mm的圆上(出气孔分布的圆与导流管的横截面同心)，出气孔孔径为0.8～1mm。该雾化喷嘴的所有出气孔中，占总孔数1/4的对称分布的出气孔所对应的通道Ⅰ的延长线汇聚形成一个锥角α(45°～60°)，剩余3/4出气孔所对应的通道Ⅰ的延长线汇聚形成另一个锥角β(30°～55°)；且α＞β。
该气体雾化喷嘴还设有雾化气体管道5、进水管道4和出水管道6；所述雾化气体管道5穿过冷却水腔1与气腔2相连通；所述进水管道4和出水管道6分别与冷却水腔1相连通。
该雾化喷嘴中，用于连接出气孔与气腔的通道Ⅰ和通道Ⅱ为内径1mm的圆柱状通道。
实施例1：
本实施例的双耦合气体雾化喷嘴，制造材料为不锈钢。如图2所示，喷嘴中央设有一个直径12mm柱状通孔，用于放置导流管，导流管出口端的管壁内表面为圆锥面，锥面延长线形成夹角为120°，锥面上有环形均匀分布的出气孔，出气孔依次经过开设在导流管管壁内的通道Ⅰ和通道Ⅱ与气腔相连通，通道Ⅰ和通道Ⅱ相垂直。环绕气腔分布冷却水腔，冷却水腔上布设进水管道和出水管道，雾化进气管道穿过冷却水腔与气腔连通。气腔与冷却水腔密封隔离。
如图3所示，所有的出气孔均匀分布在直径15mm的圆环上。环形均匀分布的24个孔径为1.0mm的出气孔。所有出气孔中，占总孔数1/4的对称分布的出气孔所对应的通道Ⅰ的延长线汇聚形成一个锥角α(60°)(对应于图3中的六个空心孔和图4(b))，剩余3/4出气孔所对应的通道Ⅰ的延长线汇聚形成另一个锥角β(55°)(对应于图3中的18个实心孔和图4(a))。气腔与冷却水腔高度为15mm，雾化喷嘴外径70mm，雾化气体管道直径8mm，冷却水管直径6mm，材质均为不锈钢。
利用该双耦合气雾化喷嘴制备合金粉末，将50Kg铁基非晶合金锭放入气体雾化炉，合金锭成分(wt％)为：Cr：18％；Mo：14％；W：5％；Mn：2％；B：1.5％；Si：2％；C：1％；Fe余量。系统抽真空，加功率熔化至雾化温度，过热度250℃，将熔体倒入中间包，导流管内径4mm，用6MPa高压氮气对液态合金雾化，雾化持续时间400s。雾化完毕后取出粉末，将粉末在激光粒度仪上检测，粒度分布如图5，可以看到，所得粉末中58％粒径为20～50μm，13.7％粒径小于20μm，粉末粒径分布集中。图6为所得粉末(20～50μm)的SEM照片及XRD图谱。该粉末球形度高，卫星组织少，含非晶相。使用该粉末制备的热喷涂铁基非晶涂层的非晶相含量有进一步提高。
实施例2：
本实施例的双耦合气体雾化喷嘴，制造材料为不锈钢。喷嘴中央设有一个直径10mm柱状通孔，用于放置导流管，导流管出口端附近的管壁内表面为圆锥面，锥面延长线形成夹角为120°，锥面上有环形均匀分布的出气孔，出气孔依次经过开设在导流管管壁内的通道Ⅰ和通道Ⅱ与气腔相连通，通道Ⅰ和通道Ⅱ相垂直。环绕气腔分布冷却水腔，冷却水腔体布设管道和出水管道，雾化进气管道穿过冷却水腔体与气腔连通。气腔与冷却水腔体密封隔离。
所有的出气孔均匀分布在直径15mm的圆环上。环形均匀分布的28个孔径为0.8mm的出气孔。所有出气孔中，占总孔数1/4的对称分布的出气孔所对应的通道Ⅰ的延长线汇聚形成一个锥角α(45°)，剩余3/4出气孔所对应的通道Ⅰ的延长线汇聚形成另一个锥角β(30°)。气腔与冷却水腔高度为15mm，雾化喷嘴外径70mm，气管直径8mm，冷却水管直径6mm，材质均为不锈钢。
利用该双耦合气雾化喷嘴制备合金粉末，将50Kg铁基非晶合金锭放入气体雾化炉，合金锭成分(wt％)为：Cr：18％；Mo：14％；W：5％；Mn：2％；B：1.5％；Si：2％；C：1％；Fe余量。系统抽真空，加功率熔化至雾化温度，过热度250℃，将熔体倒入中间包，导流管内径4mm，用5MPa高压氮气对液态合金雾化。雾化完毕后取出粉末，将粉末在激光粒度仪上检测，粒度分布如图3，可以看到，所得粉末中47.7％粒径小于50μm，11％粒径小于20μm。
实施例3：
本实施例的双耦合气体雾化喷嘴，制造材料为不锈钢。喷嘴中央设有一个直径15mm柱状通孔，用于放置导流管，导流管出口端的管壁内表面呈圆锥面，锥面延长线形成夹角为120°，锥面上有环形均匀分布的出气孔，出气孔依次经过开设在导流管管壁内的通道Ⅰ和通道Ⅱ与气腔相连通，通道Ⅰ和通道Ⅱ相垂直。环绕气腔分布冷却水腔，冷却水腔体布设进水管道和出水管道，雾化进气管道穿过冷却水腔体与气腔连通。气腔与冷却水腔体密封隔离。
所有的出气孔均匀分布在直径17mm的圆环上。环形均匀分布的24个孔径为1.0mm的出气孔。所有出气孔中，占总孔数1/4的对称分布的出气孔所对应的通道Ⅰ的延长线汇聚形成一个锥角α(55°)，剩余3/4出气孔所对应的通道Ⅰ的延长线汇聚形成另一个锥角β(50°)。气腔与冷却水腔高度为15mm，雾化喷嘴外径70mm，雾化气体管道直径8mm，冷却水管直径6mm，材质均为不锈钢。
利用该双耦合气雾化喷嘴制备合金粉末，将50Kg铁基非晶合金锭放入气体雾化炉，合金锭成分(wt％)为：Cr：18％；Mo：14％；W：5％；Mn：2％；B：1.5％；Si：2％；C：1％；Fe余量。系统抽真空，加功率熔化至雾化温度，过热度250℃，将熔体倒入中间包，导流管内径4mm，用6MPa高压氮气对液态合金雾化，雾化持续时间400s。雾化完毕后取出粉末，将粉末在激光粒度仪上检测，粒度分布如图3，可以看到，所得粉末中51.3％粒径小于50μm，11％粒径小于20μm。
Claims (8)
1.一种双耦合气体雾化喷嘴，其特征在于：该气体雾化喷嘴呈圆筒状结构，其中：喷嘴中央设置柱状通孔，由柱状通孔向外依次为气腔和冷却水腔；其中：所述柱状通孔内用于放置导流管，导流管出口端的管壁内表面呈圆锥状，圆锥面上开设若干出气孔，各出气孔呈环形均匀分布；所述气腔和冷却水腔之间为密封隔离。
2.根据权利要求1所述的双耦合气体雾化喷嘴，其特征在于：所述导流管出口端的锥状内表面上的若干出气孔呈环形均匀分布；所述出气孔依次经过开设在导流管管壁内的通道Ⅰ和通道Ⅱ与所述气腔相连通；其中：所述通道Ⅰ垂直于所述通道Ⅱ。
3.根据权利要求1所述的双耦合气体雾化喷嘴，其特征在于：该气体雾化喷嘴的外径60～80mm，柱状通孔孔径12～15mm，喷嘴高度10～20mm。
4.根据权利要求1所述的双耦合气体雾化喷嘴，其特征在于：该气体雾化喷嘴还设有雾化气体管道、进水管道和出水管道；所述雾化气体管道穿过冷却水腔与气腔相连通；所述进水管道和出水管道分别与冷却水腔相连通。
5.根据权利要求2所述的双耦合气体雾化喷嘴，其特征在于：所述出气孔的数量为20～28个，均匀分布在所述导流管出口端内表面上直径15mm的圆上，出气孔孔径为0.8～1mm。
6.根据权利要求5所述的双耦合气体雾化喷嘴，其特征在于：该雾化喷嘴的所有出气孔中，占总孔数1/4的对称分布的出气孔所对应的通道Ⅰ的延长线汇聚形成一个锥角α，剩余3/4出气孔所对应的通道Ⅰ的延长线汇聚形成另一个锥角β；且α＞β。
7.根据权利要求5所述的双耦合气体雾化喷嘴，其特征在于：该雾化喷嘴中，用于连接出气孔与气腔的通道Ⅰ和通道Ⅱ为内径1mm的圆柱状通道。
8.根据权利要求1所述的双耦合气体雾化喷嘴，其特征在于：该雾化喷嘴的材质为不锈钢或碳钢。
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