CN108247075A - 一种用于气雾化法制备超高温金属球形粉体的雾化器装置 - Google Patents

一种用于气雾化法制备超高温金属球形粉体的雾化器装置 Download PDF

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Abstract

一种用于气雾化法制备超高温金属球形粉体的雾化器装置，属于粉末冶金技术领域。所述装置包括进气管、上端盖和下端盖，本发明通过在上端盖和下端盖之间设置气体临时存储腔室，在腔室的外缘面切线处设有至少一个进气管，在腔室的出口设置为拉瓦尔喷管结构。本发明的优点是：本发明能有效的保证高压气体经过拉瓦尔雾化器喉部后可以达到超音速效果，最大限度的减小气体能量损失，提高雾化效率。本发明可以在气体流量不高于5m3/min、压力低于1.5MPa下工作，显著减小了雾化用气体成本；在保证不发生雾化器堵塞的前提下，‑100目粉体占收得粉末的比率约90%，‑200目粉体在‑100目粉体中占比约80%。

Description

一种用于气雾化法制备超高温金属球形粉体的雾化器装置
技术领域
本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及一种用于气雾化法制备超高温金属球形粉体的雾化器装置。
背景技术
目前粉体材料一般选用细粉或超细粉作为原料，这样可获得组织更均匀、性能更优异的烧结或加工材料。已知的气体雾化技术是金属粉末常用的一种生产方法。其原理是金属熔体从导流管或石墨雾化器流出后进入气体雾化区，受到高速气流的作用，被冲击破碎为细小熔滴。随后熔滴在表面张力及雾化气体的冷却作用下，凝固成粉末颗粒。在气体雾化过程中，金属熔滴可获得很高的冷却速度，凝固生成晶粒细小、无偏析的粉末颗粒。其中雾化器是气体雾化的核心，雾化器决定了雾化效率和粉末性能，若雾化器设计不合理，首先雾化效果差，获得的粉末颗粒较粗，细粉的收得率较低。其次在气体雾化过程中还会发生导流管堵塞现象。轻微堵塞会使液流速度变慢，延长雾化时间，雾化效率低；或在雾化器上出现粉末粘连，会使雾化气流偏吹，降低气体雾化能力，致使雾化粉末粒度变粗，雾化效果差；严重则会使生产停顿，影响生产的顺畅进行。因此，雾化效果（粉末粒度和形状）和雾化通畅性是雾化器设计的关键指标。
中国专利（CN102837001A，公开日20121226）公开了一种金属液流易流出的微细金属粉末雾化喷嘴，该雾化器的环缝没有收敛段，不符合拉瓦尔雾化器的“收敛-扩张”的基本特征，所以气流速度无法达到超音速，不可能有很好的雾化效率，且气体腔室与环缝相比太小，腔室气压很难稳定，因此气流从环缝喷出，可能会有紊流或气流吹偏现象，存在雾化器堵塞的风险。
中国专利（CN102489711A，公开日20120613）公开了一种制备微细金属粉末的气体雾化喷嘴，该雾化喷嘴有拉瓦尔雾化器所述的典型的“收敛-扩张”的基本特征，但是与一种金属液流易流出的微细金属粉末雾化器类似，气体临时存储腔室过小，环缝喷出的气流可能会有紊流，雾化器在工作过程中存在堵塞的风险。
中国专利（CN103273070A，公开日20130904）公开了一种可调式钛及钛合金熔液超细雾化喷嘴，该雾化喷嘴的环缝虽然也具备“收敛-扩张”的特征，然而其喉部曲线不平滑，即其一阶导数不连续，气流能量会在喉部出现较大损失，会减弱气流的出口速度。其次，与一种制备微细金属粉末的专用雾化器、一种金属液流易流出的微细金属粉末雾化器类似的一点就是气体临时存储腔室也有过小的问题。
综上，以上发明专利所述的雾化器，均没有防金属液滴堵塞凝固的结构，且气体临时存储腔室都存在过小等缺点，难以形成一个稳定的高压腔室，将会造成高压气体能量的较大损失，降低雾化效率；还会发生气流不稳，易使雾化器发生堵塞等。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有雾化器雾化效率低、气流不稳、易发生堵塞的问题，提供一种用于气雾化法制备超高温金属球形粉体的雾化器装置，该装置通过在上端盖和下端盖之间设置气体临时存储腔室，然后在气体临时存储腔室的外缘面切线处设有至少一个进气管，在气体临时存储腔室的出口设置拉瓦尔喷管结构，可在较少的用气量下，通过高速气流将金属熔体破碎成细小熔滴并获得较细的粉末，消除了制粉过程中的堵塞现象，使气体雾化制粉生产能够连续、高效运行。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：
一种用于气雾化法制备超高温金属球形粉体的雾化器装置，所述的雾化器装置包括上端盖、下端盖、气体临时存储腔室、熔体入口、至少一个进气管；
所述的上端盖靠近中部设有熔体入口，所述的熔体入口与上端盖中部设有的熔体通孔相通，上端盖下端设有向上凹陷的环形凹槽，上端盖下面固定连接有下端盖，下端盖将上端盖的环形凹槽封闭形成气体临时存储腔室，上端盖中部下端与下端盖中部设有的熔体入口穿孔之间形成环状拉瓦尔结构，气体临时存储腔室内设置有至少一个进气管。
本发明相对于现有技术的有益效果是：
本发明能有效的保证高压气体经过拉瓦尔雾化器喉部后可以达到超音速效果，最大限度的减小气体能量损失，提高雾化效率。通过在上端盖上设置气体引流槽，及设置较大的气体临时存储腔室，有效的避免了雾化器工作过程的堵塞现象。本发明可以在气体流量不高于5m3/min、压力低于1.5MPa下工作，显著减小了雾化用气体成本；在保证不发生雾化器堵塞的前提下，-100目粉体占收得粉末的比率约90%，-200目粉体在-100目粉体中占比约80%。
附图说明
图1为本发明的俯视结构示意图。
图2为图1的A-A剖视结构示意图。
图3为图1中M处的局部放大结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与实施例对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：本实施方式记载的是一种用于气雾化法制备超高温金属球形粉体的雾化器装置，如图1和2所示，所述的雾化器装置包括上端盖2、下端盖3、气体临时存储腔室4、熔体入口9、至少一个进气管1；
所述的上端盖2靠近中部设有熔体入口9，所述的熔体入口9与上端盖2中部设有的熔体通孔10相通，上端盖2下端设有向上凹陷的环形凹槽，上端盖2下面固定连接有下端盖3，下端盖3将上端盖2的环形凹槽封闭形成气体临时存储腔室4，上端盖2中部下端与下端盖3中部设有的熔体入口穿孔之间形成环状拉瓦尔结构，气体临时存储腔室4内设置有至少一个进气管1。
具体实施方式二：具体实施方式一所述的一种用于气雾化法制备超高温金属球形粉体的雾化器装置，所述的下端盖3的中部设有向上凸起的平台，所述的平台的中部设有熔体入口穿孔，所述的熔体入口穿孔与上端盖2中部下端之间设有环状拉瓦尔雾化器结构。
具体实施方式三：具体实施方式二所述的一种用于气雾化法制备超高温金属球形粉体的雾化器装置，如图3所示，所述的环状拉瓦尔雾化器结构由进气口至出气口方向依次由收缩段6、喉部7和扩张段8构成，所述的收缩段6连通气体临时存储腔室4。
具体实施方式四：具体实施方式三所述的一种用于气雾化法制备超高温金属球形粉体的雾化器装置，所述的环状拉瓦尔雾化器结构的中心线与上端盖2熔体通孔10的中心线之间的夹角为α，α=15°~30°。
具体实施方式五：具体实施方式一所述的一种用于气雾化法制备超高温金属球形粉体的雾化器装置，所述的气体临时存储腔室4内设置有两个进气管1，所述的两个进气管1相对于上端盖2的熔体通孔10的中心线对称设置。
具体实施方式六：具体实施方式一所述的一种用于气雾化法制备超高温金属球形粉体的雾化器装置，所述的上端盖2的上面均布设置偶数个气体引流槽5，所述的气体引流槽5一端与熔体入口9相通，气体引流槽5另一端贯通上端盖2的外缘面。
具体实施方式七：具体实施方式六所述的一种用于气雾化法制备超高温金属球形粉体的雾化器装置，所述的气体引流槽5为弧形三角形槽，所述的弧形三角形槽的大端口贯通上端盖2的外缘面，弧形三角形槽的小端口与熔体入口9相通。
具体实施方式八：具体实施方式六所述的一种用于气雾化法制备超高温金属球形粉体的雾化器装置，所述的气体引流槽5的个数为四个。
具体实施方式九：具体实施方式一所述的一种用于气雾化法制备超高温金属球形粉体的雾化器装置，所述的上端盖2和下端盖3采用子母扣结构进行定位，子母扣为过盈配合。
本发明的设计目的是基于现有气体在雾化过程中容易发生堵塞，严重时会影响生产的顺利进行的问题，采用空气、氮气等气体进行雾化。随着技术发展，许多高纯粉体材料对含氧量、杂质含量有特殊的要求，雾化气体需采用高纯氮气或高纯惰性气体，气体的使用量对粉体材料的制作成本也有着较大的影响。为了避免雾化器在气体雾化制粉条件下发生堵塞，保障生产顺畅进行，并节约气体用量，降低制粉成本，本发明可以在较少的用气量下获得较细的粉末，同时消除了制粉过程中的堵塞现象，使气体雾化制粉生产能够连续、高效运行。本发明根据现有技术存在的不足，对雾化器的结构进行优化设计，保证高压气体经过拉瓦尔雾化器环缝喉部后可以达到超音速，最大限度的减小气体能量损失。
首先，为防止因熔体入口9过长，金属熔体在流动过程中温降过大，发生熔体粘度增大而出现堵管风险，熔体入口9的高度要短；其次，雾化器内气体临时存储腔室4的气压要稳定，防止雾化器喷出的气流不稳（气流紊流可能导致粉末粘连，从而发生堵塞风险），因而需要有一个较大的气体临时存储腔室4；第三，采用环状拉瓦尔形式的环缝雾化器，因为只有利用拉瓦尔雾化器，才能将气流充分加速，实现超音速，充分利用高压气体的内能；最后，采用紧耦合结构，缩短气流到达金属液流的路径，提高雾化效率。
本发明包括进气管1，上端盖2和下端盖3，上端盖2和下端盖3间形成一个较大的气体临时存储腔室4，雾化器工作时，其内部是形成一个气压相对平稳的气体临时储存器，避免因腔室过小而出现气压不稳，影响通过喷孔喷出气体的稳定性。进气管1通过切线形式导入雾化器气体临时存储腔室4，一方面可以避免气流冲击形成紊流，有利于雾化器气体临时存储腔室气压的稳定，另一方面可以将从进气管1流入的气流动能在气体临时存储腔室4内以高速旋转的形式保存下来，有利于增强气体的出口速度。相应的，气体临时存储腔室4采用一个倒U字型结构，在保证气体临时存储腔室足够大的同时，尽量缩短熔体入口9的长度，促使金属熔体顺畅流出。其中环状拉瓦尔雾化器结构的喉口中心线夹角α为30°～60°。收缩段6依照witoszynski公式确定，保证在入口收缩段6速度较快，然后缓慢收缩达到喉部7，确保气流在喉部7可以达到声速，接着在扩张段8声速可以达到所设计的马赫数。综合平衡雾化效率和堵嘴风险，将对称结构的拉瓦尔收缩扩张型喷管的中心线夹角α控制在30°～60°。上端盖2和下端盖3采用子母扣结构进行定位，为了避免环缝喉部宽度不均匀，子母扣采用过盈配合。为了降低熔体入口9与高速气体焦点区内的负压（负压过大可能会出现雾化粉末倒流，从而发生堵嘴），在上端盖2上开了四个气体引流槽5。
实施例1：
工作时，采用纯石墨坩埚，雾化器喉部夹角α选择为26°。配料铜铝合金100kg（含铝0.6wt%），系统抽真空后，进行中频感应熔炼。待炉料开始熔化后，通入少量的N2。炉料完全熔化后，继续升温至1500℃进行雾化。雾化时，管路动态压力为1.4MPa，雾化气体为N2。连续试验10炉，均顺畅喷出，没有发生堵塞现象；-100目合金粉收得率的平均值为89%，-200目合金粉在-100目粉体中占比78%。
实施例2：
工作时，采用纯石墨坩埚，雾化器喉部夹角α选择为29°。配料铜铝合金100kg（含铝0.2wt%），系统抽真空后，进行中频感应熔炼。待炉料开始熔化后，通入少量的N2。炉料完全熔化后，继续升温至1500℃进行雾化。雾化时，管路动态压力为1.4MPa，雾化气体为N2。连续试验10炉，均顺畅喷出，没有发生堵塞现象；-100目合金粉收得率的平均值为91%，-200目合金粉在-100目粉体中占比79%。
实施例3：
工作时，采用纯石墨坩埚。雾化器喉部夹角α选择为20°，用料为单一电解铜。系统抽真空后，进行中频感应熔炼。待炉料熔化后，继续升温到1450℃进行雾化。雾化时，管路动态压力1.4MPa，雾化气体为N2。连续试验10炉，均顺畅喷出，没有发生堵塞现象；-100目铜粉收得率的平均值为90%，其中-200目粉体在-100目粉体中占比80%。

Claims (9)

1.一种用于气雾化法制备超高温金属球形粉体的雾化器装置，其特征在于：所述的雾化器装置包括上端盖（2）、下端盖（3）、气体临时存储腔室（4）、熔体入口（9）、至少一个进气管（1）；
所述的上端盖（2）靠近中部设有熔体入口（9），所述的熔体入口（9）与上端盖（2）中部设有的熔体通孔（10）相通，上端盖（2）下端设有向上凹陷的环形凹槽，上端盖（2）下面固定连接有下端盖（3），下端盖（3）将上端盖（2）的环形凹槽封闭形成气体临时存储腔室（4），上端盖（2）中部下端与下端盖（3）中部设有的熔体入口穿孔之间形成环状拉瓦尔结构，气体临时存储腔室（4）内设置有至少一个进气管（1）。
2.根据权利要求1所述的一种用于气雾化法制备超高温金属球形粉体的雾化器装置，其特征在于：所述的下端盖（3）的中部设有向上凸起的平台，所述的平台的中部设有熔体入口穿孔，所述的熔体入口穿孔与上端盖（2）中部下端之间设有环状拉瓦尔雾化器结构。
3.根据权利要求2所述的一种用于气雾化法制备超高温金属球形粉体的雾化器装置，其特征在于：所述的环状拉瓦尔雾化器结构由进气口至出气口方向依次由收缩段（6）、喉部（7）和扩张段（8）构成，所述的收缩段（6）连通气体临时存储腔室（4）。
4.根据权利要求3所述的一种用于气雾化法制备超高温金属球形粉体的雾化器装置，其特征在于：所述的环状拉瓦尔雾化器结构的中心线与上端盖（2）熔体通孔（10）的中心线之间的夹角为α，α=15°~30°。
5.根据权利要求1所述的一种用于气雾化法制备超高温金属球形粉体的雾化器装置，其特征在于：所述的气体临时存储腔室（4）内设置有两个进气管（1），所述的两个进气管（1）相对于上端盖（2）的熔体通孔（10）的中心线对称设置。
6.根据权利要求1所述的一种用于气雾化法制备超高温金属球形粉体的雾化器装置，其特征在于：所述的上端盖（2）的上面均布设置偶数个气体引流槽（5），所述的气体引流槽（5）一端与熔体入口（9）相通，气体引流槽（5）另一端贯通上端盖（2）的外缘面。
7.根据权利要求6所述的一种用于气雾化法制备超高温金属球形粉体的雾化器装置，其特征在于：所述的气体引流槽（5）为弧形三角形槽，所述的弧形三角形槽的大端口贯通上端盖（2）的外缘面，弧形三角形槽的小端口与熔体入口（9）相通。
8.根据权利要求6所述的一种用于气雾化法制备超高温金属球形粉体的雾化器装置，其特征在于：所述的气体引流槽（5）的个数为四个。
9.根据权利要求1所述的一种用于气雾化法制备超高温金属球形粉体的雾化器装置，其特征在于：所述的上端盖（2）和下端盖（3）采用子母扣结构进行定位，子母扣为过盈配合。
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