CN108580915A - 一种利用高温汽化和气体研磨方法制备金属粉末的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用高温汽化和气体研磨方法制备金属粉末的装置，所述源金属液化设备将源金属加热液化后输送到高温汽化设备，所述高温汽化设备内的金属高温加热后形成微细金属液滴/颗粒，所述颗粒驱动导引设备分别设置在高温汽化设备和颗粒球形处理设备上，所述颗粒驱动导引设备将高温汽化设备内的金属液滴/颗粒在气流驱动和吸引共同作用下引入颗粒球形处理设备，所述循环冷却设备连通颗粒球形处理设备，所述金属粉末粒度分类设备位于循环冷却设备的尾部，金属粉末通过金属粉末粒度分类设备后再进入超细微金属粉末处理器。具有效率高、环境影响小的优点，所制成的金属粉末材料具有纯度高和颗粒小、均匀等特性。

Description

一种利用高温汽化和气体研磨方法制备金属粉末的装置

技术领域

本发明涉及一种粉末冶金技术，尤其涉及的是一种利用高温汽化和气体研磨方法制备金属粉末的装置。

背景技术

难溶的金属粉末材料，在各种领域都有重要用途，如汽车，冶金，电子，化学工业等。在一些特殊应用方面，如涂料、涂层、薄膜等，精细的、颗粒均匀的金属粉末材料得到广泛应用。另外，随着3D打印技术深入发展，金属粉末材料是必不可少的原材料。在难熔金属材料的加工制造中，不能采用常规坩埚熔化、浇注成型及热机械处理等传统工艺进行加工，只能采用粉末冶金等方法。因此，金属粉末的制备是整个产业链的关键。

传统的金属粉末生产方法包括：水雾化法、气雾化法等。这些加工方法所生产的金属粉末不仅含有严重的污染与杂质(如碳、氧等)，而且颗粒大、形体不规则、粒度分布差，对金属粉末的应用产生严重影响。

对氧含量要求不高的金属粉末，使用水雾化法进行生产。利用高压水流的冲击力，将熔化的金属液切割成形态不规则、大小不一的金属液滴，而后凝固成菱形、锯齿形等形态的固体金属粉末。

气雾化方法广泛应用于制备金属粉末。该方法利用氮气、氩气等高压气源作为雾化剂，利用高压气体的冲击力，将熔化的金属破碎成为细小的金属液滴，这些细小的金属液滴进一步凝结为细小的固态金属粉末。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于：如何制备球形体金属粉末，提供了一种利用高温汽化和气体研磨方法制备金属粉末的装置。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的，本发明包括源金属液化设备、高温汽化设备、颗粒驱动导引设备、颗粒球形处理设备、循环冷却设备、金属粉末粒度分类设备和超细微金属粉末处理器；所述源金属液化设备将源金属加热液化后输送到高温汽化设备，所述高温汽化设备内的金属高温加热后形成微细金属液滴/颗粒，所述颗粒驱动导引设备分别设置在高温汽化设备和颗粒球形处理设备上，所述颗粒驱动导引设备将高温汽化设备内的金属液滴/颗粒在气流驱动和吸引共同作用下引入颗粒球形处理设备，金属液滴/颗粒在颗粒球形处理设备内研磨成球形体，所述循环冷却设备连通颗粒球形处理设备，球形体在循环冷却设备内冷却凝固成金属粉末，所述金属粉末粒度分类设备位于循环冷却设备的尾部，金属粉末通过金属粉末粒度分类设备后再进入超细微金属粉末处理器。

所述源金属液化设备包括带有加压系统的源金属真空容器、源金属加热器和导流管，所述源金属加热器设置在源金属真空容器的周围，所述导流管设置在源金属真空容器的底部，所述导流管连接到高温汽化设备。

所述高温汽化设备包括汽化室、高温气体发生器、金属液坩埚和高温气体喷头保护气孔；所述金属液坩埚设置在汽化室的底部，所述金属液坩埚内部设有冷却介质通道，所述汽化室通过金属液入口连接到源金属液化设备，所述金属液入口位于金属液坩埚之上，所述高温气体发生器设置在汽化室的顶部，所述高温气体喷头保护气孔设置在高温气体发生器的出气口上。

所述颗粒驱动导引设备包括颗粒驱动气道和颗粒导引气道，所述颗粒驱动气道设置在汽化室的中上部用于吹动金属颗粒，所述颗粒驱动气道的出风口正对颗粒球形处理设备的入口，所述颗粒导引气道设置在颗粒球形处理设备的入口用于吸引金属颗粒进入颗粒球形处理设备。

所述颗粒驱动气道包括多个气流直孔，多个气流直孔均匀分布在汽化室的中部和上部。

所述颗粒导引气道包括第一气环，第一气环上具有多个气流斜孔，均匀分布在颗粒球形处理设备的入口的内壁上。

所述颗粒球形处理设备包括处理腔、处理加热器、颗粒旋转器和旋转加速器，所述处理腔的入口连接在汽化室上，出口连接在循环冷却设备上，所述处理加热器位于处理腔的周围，所述颗粒旋转器设置在处理腔入口的内壁用于带动金属颗粒旋转，所述处理腔具有至少一个弯折处，所述旋转加速器设置在处理腔的中部或弯折处。

所述颗粒旋转器包括第一气环，第一气环上具有多个气流斜孔，均匀分布在颗粒球形处理设备的入口的内壁上。

所述旋转加速器包括第二气环，所述第二气环上具有多个倾斜度一致的气流斜孔，气流斜孔均匀分布在处理腔的中部或弯折处的内壁上，所述第二气环和第一气环上的气流斜孔的倾斜度一致。

所述循环冷却设备包括冷却气套、冷却气流通道和冷却介质循环流道，所述冷却气流通道位于冷却气套的顶部，所述冷却介质循环流道为带有冷却介质的管道，所述管道包括多个交替设置的冷却介质进管和冷却介质出管，所述冷却介质进管和冷却介质出管依次交替设置在冷却气套的内壁和外壁之间。

本发明相比现有技术具有以下优点：本发明利用高温(温度高于源金属的沸点)汽化法，使液态金属汽化为微细的或超细微的液滴，随后驱动、导引这些微细的或超细微的液滴进入球形化处理设置，进行加热、旋转处理，使其在未固化前，通过气体旋转、研磨，形成球形金属颗粒。而后通过冷却，使其成为微细的或超细微的球形金属粉末。高温汽化法，污染少、颗粒小、粒度分布集中，适于批量化生产精细、球形体金属粉末。本发明具有环境影响小的优点，所制成的难溶金属粉末材料则具有纯度高、污染少、颗粒小、粒度分布集中等特性，有效解决了制备难熔、精细金属粉末材料的问题。

附图说明

图1是本发明的流程示意图；

图2是本发明的结构示意图；

图3是源金属液化设备的结构示意图；

图4是高温汽化设备的结构示意图；

图5是颗粒驱动导引设备的结构示意图；

图6是颗粒球形处理设备的结构示意图；

图7是循环冷却设备的结构示意图；

图8是金属粉末粒度分类设备的结构示意图；

图9是超细微金属粉末处理器的结构示意图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图2所示，本实施例包括源金属液化设备210、高温汽化设备220、颗粒驱动导引设备230、颗粒球形处理设备240、循环冷却设备250、金属粉末粒度分类设备260和超细微金属粉末处理器270；所述源金属液化设备210将源金属加热液化后输送到高温汽化设备220，所述高温汽化设备220内的金属高温加热后形成微细金属液滴/颗粒，所述颗粒驱动导引设备230分别设置在高温汽化设备220和颗粒球形处理设备240上，所述颗粒驱动导引设备230将高温汽化设备220内的金属液滴/颗粒在气流驱动和吸引共同作用下引入颗粒球形处理设备240，金属液滴/颗粒在颗粒球形处理设备240内研磨成球形体，所述循环冷却设备250连通颗粒球形处理设备240，球形体在循环冷却设备250内冷却凝固成金属粉末，所述金属粉末粒度分类设备260位于循环冷却设备250的尾部，金属粉末通过金属粉末粒度分类设备260后再进入超细微金属粉末处理器270。

如图3所示，所述源金属液化设备210包括带有加压系统的源金属真空容器311、源金属加热器312和导流管315，所述源金属加热器312设置在源金属真空容器311的周围，所述导流管315设置在源金属真空容器311的底部，所述导流管315连接到高温汽化设备220。

源金属液化设备210具体为密封式、敞开式或半敞开式的熔炼炉，带有加压系统的源金属真空容器311位于熔炼炉的底部中央位置；源金属加热器312设置在源金属真空容器311的周围，通过电阻加热或电磁感应加热对真空容器内的源金属进行加热、液化；导流管315在源金属真空容器311的底部，通过金属液阀门316的控制，使源金属液体进入高压汽化系统。

源金属真空容器311为半球形、圆锥型或圆柱型，由耐高温材料制成，内壁光滑，不易粘附源金属液。源金属真空容器311的顶部设置有加压进气气体通道313及抽真空通道314。使用的加压气体具体为惰性气体(氮气、氩气)。

当高温汽化系统内的压力高于源金属真空容器311内的压力时，通过加压进气气体通道313，进入的气体对源金属液体表面的施压，使源金属液通过导流管315、金属液阀门316(开关)，顺利进入高温汽化系统。

通过抽真空通道314直接对源金属真空容器311内的源金属抽真空，因其体积较小，抽真空方便、快捷，有利于连续、批量化生产。同时，减少外界对容器内金属源的污染。

如图4所示，所述高温汽化设备220包括汽化室421、高温气体发生器422、金属液坩埚424和高温气体喷头保护气孔425；所述金属液坩埚424设置在汽化室421的底部，所述金属液坩埚424内部设有冷却介质通道，所述汽化室421通过金属液入口426连接到源金属液化设备210，所述金属液入口426位于金属液坩埚424之上，所述高温气体发生器422设置在汽化室421的顶部，所述高温气体喷头保护气孔425设置在高温气体发生器422的出气口上。

汽化室421为一个圆柱型/半球形、由耐高温材料制成的金属腔体，内壁光滑。另外，汽化室421的周围，配置有水循环冷却设备250，防止汽化室421内温度过高。

高温气体发生器422，为直流电弧加热器、等离子体加热器、激光加热器。所产生的高温气体或火焰(弧、炬、光束)位于坩埚内金属液面的上方，使热能(高温场)集中在坩埚内金属液面的中央部位，对其直接进行连续加热、持久高温，加热温度高于源金属的沸点，使金属液汽化成微细或超细微的金属液滴或颗粒。

高温气体发生器电源423，位于高温气体发生器422的旁边，连接电缆尽量短，避免电能损耗。

金属液坩埚424为气或水循环冷却坩埚，坩埚壁的内部设置有盘管式或排管式的冷却介质通道，使金属液坩埚424均匀冷却。冷却介质具体为氮气/氩气或水。

高温气体喷头保护气孔425，通过该气孔，导入惰性气体(氮气或氩气)，吹扫高温气体喷头，使汽化的金属液滴不易粘附在高温气体喷头的周围，防止高温气体喷头堵塞，确保高温气体发生器422连续、正常工作。

如图5所示，所述颗粒驱动导引设备230包括颗粒驱动气道531和颗粒导引气道532，所述颗粒驱动气道531设置在汽化室421的中上部用于吹动金属颗粒，所述颗粒驱动气道531的出风口正对颗粒球形处理设备240的入口，所述颗粒导引气道532设置在颗粒球形处理设备240的入口用于吸引金属颗粒进入颗粒球形处理设备240。

所述颗粒驱动气道531包括多个气流直孔，多个气流直孔均匀分布在汽化室421的中部和上部。由颗粒驱动气道531引入的气体形成驱动力，改变微细、超细微的金属液滴/颗粒下降的方向，驱使这些颗粒进入颗粒球形处理设备240；气体具体为氮气/氩气。

所述颗粒导引气道532包括第一气环，第一气环上具有多个气流斜孔，均匀分布在颗粒球形处理设备240的入口的内壁上。由颗粒导引气道532引入的气体/气流形成引力，引导微细、超细微的金属液滴/颗粒进入颗粒球形处理设备240，较大的、较重的金属液滴/颗粒则下落至金属液坩埚424内，再汽化；气体具体为氮气/氩气。

如图6所示，所述颗粒球形处理设备240包括处理腔641、处理加热器642、颗粒旋转器643和旋转加速器644，所述处理腔641的入口连接在汽化室421上，出口连接在循环冷却设备250上，所述处理加热器642位于处理腔641的周围，所述颗粒旋转器643设置在处理腔641入口的内壁用于带动金属颗粒旋转，所述处理腔641具有至少一个弯折处，所述旋转加速器644设置在处理腔641的中部或弯折处。形态不规则(如菱形、锯齿形等)的金属液滴/颗粒，经过加热、保温，高速旋转、研磨、运动，使其进一步碎化形成球形体。

所述颗粒旋转器643包括第一气环，第一气环上具有多个气流斜孔，均匀分布在颗粒球形处理设备641的入口的内壁上。即颗粒旋转器643和颗粒驱动气道531为同一部件。通过调整气体流动的方向及流量，使导入的气体沿着颗粒球形处理腔641的内壁旋转，快速移动。由此，导入的气体控制熔融-凝固临界状态的金属液滴/颗粒的旋转强度及移动方向、速率，进一步控制这些金属液滴/颗粒的碎化、球形化效果。

所述旋转加速器644包括第二气环，所述第二气环上具有多个倾斜度一致的气流斜孔，气流斜孔均匀分布在处理腔641的中部或弯折处的内壁上，所述第二气环和第一气环上的气流斜孔的倾斜度一致。导入的气体使金属液滴/颗粒加速旋转、快速移动，使其进一步碎化、球形化，减少金属液滴/颗粒在颗粒球形处理腔641内壁上的粘附。

颗粒球形处理腔641为一个中空、圆柱形、由耐高温材料制成的腔体，内壁光滑，不易粘附金属液滴/颗粒。

颗粒球形处理加热器642为电阻加热器或电磁感应加热器。本加热器对颗粒球形处理腔641内移动的金属液滴/颗粒进行加热、保温，使其维持在熔融、凝固的临界状态，避免其在球形化处理之前固化、成形。

如图7所示，所述循环冷却设备250包括冷却气套751、冷却气流通道752和冷却介质循环流道753，所述冷却气流通道752位于冷却气套751的顶部，所述冷却介质循环流道753为带有冷却介质的管道，所述管道包括多个交替设置的冷却介质进管和冷却介质出管，所述冷却介质进管和冷却介质出管依次交替设置在冷却气套751的内壁和外壁之间。使用惰性气体(氮气、氩气)作为冷却介质，通过冷却气流通道752，对气套内的金属液滴/颗粒进行快速冷却，使其成为金属粉末。

冷却气套751(或冷却室)为一个中空、圆柱形、不锈钢的腔体，腔体内充满冷却介质(氮气、氩气)对金属液滴/颗粒进行冷却、凝固；腔体的内、外壁之间设置有中空的夹层。

冷却气流通道752具体为由多个直孔及斜孔组成，均匀分布在冷却气套751的顶部。由直孔引入的气体对金属液滴/颗粒进行直接冷却，驱使其快速移动；而斜孔引入的气体对冷却气套751的入口处周围进行吹扫，避免金属液滴/颗粒在冷却气套751的入口处的粘附及加快冷却、移动。

冷却介质循环流道753为由多只盘管/排管组成，均匀、交叉(进水口及出水口)焊接在冷却气套751的内、外壁之间的夹层内，通过导入的高纯净循环水，对冷却气套751的内壁进行上下、均匀冷却，不直接对冷却气套751的内壁冷却，可以防止冷却介质渗透到冷却气套751内，导致金属液滴/颗粒的不均匀成型。同时，加快冷却气套751内金属液滴/颗粒的凝固、成形。

如图8所示，金属粉末粒度分类设备260包括依次连接的筛分过滤器861和静电吸附器862。冷却后的金属粉末，根据其大小、重量，通过筛分或静电吸附，自由落下，而超细微的金属粉末随气流导入静化、沉积、收集设置。

如图9所示，超细微金属粉末处理器270包括不锈钢真空密封罐971，压力表972，排气口973(阀门)及精细粉末排料口974(阀门)。传统的筛分过滤、静电吸附很难收集超细微的粉末颗粒，使用较大容积的密封罐，通过较长时间的静化、沉积处理，使超细微的粉末颗粒缓慢下落至密封罐的底部。最后，通过精细粉末排料口974(阀门)，收集、存储超细微的金属粉末材料。

如图1所示，具体的工作过程如下：

步骤(101)：使用源金属液化设备210，对源金属进行加热、液化；

步骤(102)：使用高温汽化设备220，对液态金属进行高温处理，使其汽化成微细或超细微的金属液滴；

步骤(103)：使用颗粒驱动导引设备230，驱使-导引微细或超细微金属液滴进入球形处理腔641内；

步骤(104)：使用颗粒球形处理设备240，对微细或细微的金属液滴进行加热、旋转，使其成为球形金属颗粒；

步骤(105)：使用循环冷却设备250，球形金属颗粒经过冷却、凝固处理，成为金属粉末；

步骤(106)：使用金属粉末粒度分类设备260，实现金属粉末粒度分类处理；

步骤(107)：使用超细微金属粉末处理器270，实现超细微金属粉末静化、沉积、收集。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种利用高温汽化和气体研磨方法制备金属粉末的装置，其特征在于，包括源金属液化设备、高温汽化设备、颗粒驱动导引设备、颗粒球形处理设备、循环冷却设备、金属粉末粒度分类设备和超细微金属粉末处理器；所述源金属液化设备将源金属加热液化后输送到高温汽化设备，所述高温汽化设备内的金属高温加热后形成微细金属液滴/颗粒，所述颗粒驱动导引设备分别设置在高温汽化设备和颗粒球形处理设备上，所述颗粒驱动导引设备将高温汽化设备内的金属液滴/颗粒在气流驱动和吸引共同作用下引入颗粒球形处理设备，金属液滴/颗粒在颗粒球形处理设备内研磨成球形体，所述循环冷却设备连通颗粒球形处理设备，球形体在循环冷却设备内冷却凝固成金属粉末，所述金属粉末粒度分类设备位于循环冷却设备的尾部，金属粉末通过金属粉末粒度分类设备后再进入超细微金属粉末处理器。

2.根据权利要求1所述的一种利用高温汽化和气体研磨方法制备金属粉末的装置，其特征在于，所述源金属液化设备包括带有加压系统的源金属真空容器、源金属加热器和导流管，所述源金属加热器设置在源金属真空容器的周围，所述导流管设置在源金属真空容器的底部，所述导流管连接到高温汽化设备。

3.根据权利要求1所述的一种利用高温汽化和气体研磨方法制备金属粉末的装置，其特征在于，所述高温汽化设备包括汽化室、高温气体发生器、金属液坩埚和高温气体喷头保护气孔；所述金属液坩埚设置在汽化室的底部，所述金属液坩埚内部设有冷却介质通道，所述汽化室通过金属液入口连接到源金属液化设备，所述金属液入口位于金属液坩埚之上，所述高温气体发生器设置在汽化室的顶部，所述高温气体喷头保护气孔设置在高温气体发生器的出气口上。

4.根据权利要求1所述的一种利用高温汽化和气体研磨方法制备金属粉末的装置，其特征在于，所述颗粒驱动导引设备包括颗粒驱动气道和颗粒导引气道，所述颗粒驱动气道设置在汽化室的中上部用于吹动金属颗粒，所述颗粒驱动气道的出风口正对颗粒球形处理设备的入口，所述颗粒导引气道设置在颗粒球形处理设备的入口用于吸引金属颗粒进入颗粒球形处理设备。

5.根据权利要求4所述的一种利用高温汽化和气体研磨方法制备金属粉末的装置，其特征在于，所述颗粒驱动气道包括多个气流直孔，多个气流直孔均匀分布在汽化室的中部和上部。

6.根据权利要求4所述的一种利用高温汽化和气体研磨方法制备金属粉末的装置，其特征在于，所述颗粒导引气道包括第一气环，第一气环上具有多个气流斜孔，均匀分布在颗粒球形处理设备的入口的内壁上。

7.根据权利要求1所述的一种利用高温汽化和气体研磨方法制备金属粉末的装置，其特征在于，所述颗粒球形处理设备包括处理腔、处理加热器、颗粒旋转器和旋转加速器，所述处理腔的入口连接在汽化室上，出口连接在循环冷却设备上，所述处理加热器位于处理腔的周围，所述颗粒旋转器设置在处理腔入口的内壁用于带动金属颗粒旋转，所述处理腔具有至少一个弯折处，所述旋转加速器设置在处理腔的中部或弯折处。

8.根据权利要求7所述的一种利用高温汽化和气体研磨方法制备金属粉末的装置，其特征在于，所述颗粒旋转器包括第一气环，第一气环上具有多个气流斜孔，均匀分布在颗粒球形处理设备的入口的内壁上。

9.根据权利要求8所述的一种利用高温汽化和气体研磨方法制备金属粉末的装置，其特征在于，所述旋转加速器包括第二气环，所述第二气环上具有多个倾斜度一致的气流斜孔，气流斜孔均匀分布在处理腔的中部或弯折处的内壁上，所述第二气环和第一气环上的气流斜孔的倾斜度一致。

10.根据权利要求1所述的一种利用高温汽化和气体研磨方法制备金属粉末的装置，其特征在于，所述循环冷却设备包括冷却气套、冷却气流通道和冷却介质循环流道，所述冷却气流通道位于冷却气套的顶部，所述冷却介质循环流道为带有冷却介质的管道，所述管道包括多个交替设置的冷却介质进管和冷却介质出管，所述冷却介质进管和冷却介质出管依次交替设置在冷却气套的内壁和外壁之间。