CN110052618A - 一种利用线聚焦太阳炉对粉末进行球化处理的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用线聚焦太阳炉对粉末进行球化处理的装置及方法，该装置包括聚光系统,粉末投送、球化、冷却和收集系统,保护气体回路，工作时，聚光系统通过定日镜连续跟踪太阳，实现稳定的线性聚集，粉末投送、球化、冷却和收集系统实现连续投送粉末和收集球化好的粉末，聚光系统在粉末球化段的位置上形成稳定的线聚集，粉末在重力作用下在粉末球化段内至上而下下落，下落过程中被聚光太阳能加热到熔化，在表面张力作用下形成球形，继续下落过程中在粉末冷却段进行冷却，形成高质量的球形粉末保护气体回路实现对粉末的冷却、预热和防止氧化。本发明利用聚光太阳能实现对粉末进行球化，节能、安全、能实现真正意义上大规模、批量化生产。

Description

一种利用线聚焦太阳炉对粉末进行球化处理的装置及方法

技术领域

本发明涉及聚光太阳能利用和材料领域，具体涉及一种利用线聚焦太阳炉对粉末进行球化处理的装置及方法。

背景技术

随着社会的发展，各种加工工艺越来越精细，对材料的要求越来越高。以粉末为原料的工业，对粉末的质量提出了越来越高的要求，其中两个质量指标就是要求粉末颗粒表面光滑、具有较高的球形度。在工业领域，无论是金属粉末还是非金属粉末，工艺对其球形度都有要求，球形度越高越好。下面以增材设计和尼龙粉末涂料为例来说明。

增材制造(通常也称3D打印)是指依据数字模型，通过连续的物理层叠加，逐层增加材料的方式来制造三维实体物件的技术，代表了世界制造业发展的新趋势，在汽车、航空、航天等工业领域具有重要作用，影响巨大。

目前，工业上应用的金属3D打印所使用的原材料主要是各类金属粉末，这些金属3D打印技术所使用的送粉方式主要有粉末床铺粉和同轴送粉两大类。粉末的致密性和球形度对3D打印产品的品质有着极为重要的影响。为了保证打印过程的连续性和高精度，均要求所使用金属粉末的球形度要高，具有极佳的流动性。相比于非球形粉末，球形粉末具有以下显著的优势：(1)有助于提高粉末的流动性；(2)有助于降低粉末的孔隙率，提高粉末的堆积密度；(3)改善表面光洁度，减少卫星粉，提高抗烧结能力；(4)喷涂到零件表面后，可以减少毛刺、粉化和破碎。

目前，制备金属粉末的常用方法有气雾化、水雾化、离心雾化、超声雾化、等离子体雾化等。不同的雾化法所制备得到的粉末的形貌是区别较大。水雾化制备的金属粉末的形貌多呈不规则形状，粉末的流动性差；而气雾化、离心雾化、超声雾化、等离子体雾化等雾化法可制备球形或近球形粉末，粉末的流动性相对较好，但球形度仍然不能满足要求，更重要的是，雾化法制备的粉末存在大量的卫星粉。因此，对金属粉末进行球化处理是十分必要的。

尼龙粉末广泛应用于汽车、飞机和日用电器零部件的涂覆，特别是在高端应用领域的涂装应用，尼龙粉末的球形度会严重影响产品的性能，严重时因粉体性能的缺陷造成产品不能使用。

制造粉末的过程具有随机性，虽然不同制粉方法获得的粉末球形度有较大区别，但是通过改进制粉工艺进一步提高粉末球形度的途径很难实现。业界通常的做法是对粉末进行二次处理，提高粉末球形度。

目前，对粉末进行球化处理的方法主要为射频等离子体方法，即利用高温射频等离子体将送入的粉末加热熔化，熔化后的粉末在表面张力的作用下形成球形，粉末离开等离子体火焰冷却，最终形成球形的粉末颗粒，实现球化的目的。等离子体球化具有如下不足之处：(1)等离子体火焰温度太高，达到10000摄氏度，粉末容易发生氧化；(2)等离子体火焰速度很高，熔化的粉末颗粒在高速的气流中并不能保持球形；(3)由于射频等离子体具有趋肤效应，等离子体内部温度分布不均匀，导致生产效率不高；(4)在高温高速的环境中，粉末容易发生碰撞，发生二次团聚或破碎现象；(5)射频等离子体能量转化效率较低，耗能巨大；(6)硬件要求精密、成本高，为其工业应用设置了较高门槛。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有粉末球化工艺技术上的缺陷，提供一种全新的利用线聚焦太阳炉对粉末进行球化处理的装置及方法，该发明首次利用太阳能对粉末进行加热直至熔化，粉末均匀分散、自由下落。

本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种利用线聚焦太阳炉对粉末进行球化处理的装置，该装置包括：

聚光系统，用于实现对太阳光进行不同聚光比的线聚焦，所述聚光系统包括定日镜、聚光器和支架，所述定日镜1固定在支架3上，与聚光器相对设置，用于对太阳进行跟踪，把太阳光反射到聚光器2上，所述聚光器对太阳光进行二次反射；

粉末投送、球化、冷却和收集系统，用于实现粉末分散投放下落，最后收集的过程，所述粉末投送、球化、冷却和收集系统竖直设置在定日镜和聚光器之间，固定在支架3上，包括自上而下依次连接的粉末储放装置4、粉末分散投放装置5、粉末预热段6、粉末球化段7、粉末冷却段8和粉末收集装置9，粉末分散投放装置5、粉末预热段6、粉末球化段7、粉末冷却段8构成粉末下落通道；其中，所述聚光系统在粉末球化段7的位置上形成稳定的线聚集，粉末在重力作用下在粉末球化段7内自上而下的下落，下落过程中被聚光太阳能加热到熔化，在表面张力作用下形成球形，继续下落过程中在粉末冷却段进行冷却，形成高质量的球形粉末；

保护气体回路，所述保护气体回路包括气瓶10、管流回路11、风机12和减压阀15，气瓶10中存储有用于填充管流回路11的惰性气体，风机12用于产生保持惰性气体在保护气体回路内循环流动的气流，所述填充管流回路11的一段与粉末下落通道重叠，所述保护气体回路提供保护气体环境，实现对粉末的冷却、预热和防止氧化，在粉末冷却段8吸收粉末颗粒的热量，熔化的粉末放热凝固形成球形的粉末，热量通过保护气体在粉末预热段6对粉末进行预热，温度降低后的保护气体再流到粉末冷却段去冷却熔化的粉末。

其中，管流回路作为保护气体回路，由管道连接组成，其中填充有保护气体。

进一步地，所述聚光系统中定日镜1和聚光器2采用双轴跟踪的定日镜和固定的槽式聚光器，或者采用双轴跟踪的定日镜和固定的菲涅耳式聚光器，或者采用双轴跟踪的定日镜和竖直放置、单轴跟踪的槽式聚光器，或者采用双轴跟踪的定日镜和竖直放置、单轴跟踪的菲涅耳式聚光器。

进一步地，所述粉末球化段由双层玻璃的真空管构成，聚光太阳能对下落过程中的粉末进行直接加热至熔化；或者由一层玻璃管加一层金属管的真空集热管构成，聚光太阳能辐射投射到金属管上，金属管升到高温，通过红外辐射的方式对下落过程中的粉末进行直接加热至熔化。

进一步地，所述聚光系统的聚光原理为焦斑固定的线聚焦方式，或者为移动的线聚集方式。

进一步地，所述粉末下落通道上设置有温度监视器14，用于对下落粉末的温度进行监控。

进一步地，所述定日镜1的前方设置有可移动的遮光板13，用于控制定日镜1的受光面积，进而实现控制粉末加热时间的缩减和延长。

进一步地，所述惰性气体为N₂、稀有气体氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)中的一种或多种混合。

粉末从上至下进行自由下落运动，过程中有保护气体对其进行预热和冷却，该保护气体即为上述惰性气体，惰性气体可防止粉末在高温下氧化，且对余热进行了回收再利用。

本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：

一种利用线聚焦太阳能炉对粉末进行球化处理的方法，该粉末球化方法利用了太阳能，且对粉末熔化后进行凝固和进一步冷却的余热进行了回收再利用，包括以下步骤：

S1、打开保护存储有惰性气体的气瓶10，打开风机12，排出保护气体回路和粉末下落通道中的空气；

S2、定日镜1对太阳进行跟踪，把太阳光反射到聚光器2上，聚光器2对太阳光进行二次反射，在粉末球化段7的位置上形成稳定的线聚集；

S3、保持风机12为打开状态，保持惰性气体在保护气体回路内循环流动；

S4、打开粉末储放装置4，粉末经粉末分散投放装置5后，在粉末预热段6、粉末球化段7、粉末冷却段8和粉末收集装置9内进行自由下落，下落过程中，粉末在粉末球化段7内被聚光太阳能加热直至熔化，然后在粉末冷却段8内冷却凝固，最后进入粉末收集装置9内；

S5、通过温度监视器14对下落粉末的温度进行监控,如果粉末温度过高，则向上移动遮光板13，遮挡住部分来自定日镜1的反射的太阳光，减小粉末在粉末球化段7内加热的时间；反之，如果粉末未熔化，则向下移动遮光板13，延长粉末加热时间。

本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：

1、本发明利用太阳能对粉末进行球化处理，装置简单可控，无污染排放。

2、本发明装置内无高温、高压和高速(高温、高压和高速，相对于等离子体加热来说)，粉末自由下落。装置操作安全，粉末氧化的风险低，粉末球化的效率高。

3、本发明采用保护气体对粉末进行冷却，热量回收使用，能源利用效率高。

4、本发明采用定日镜双轴连续跟踪太阳，提供连续稳定的加热环境，粉末受热均匀、球化环境友好，粉末输送有序、输送量可控，均匀分散，不易团聚，球化效率高，制备的球形粉末质量高。可以大规模、批量化、连续生产。制备的球形粉末质量高。

5、本发明公开了利用聚光太阳能的粉末球化装置的使用方法，本方法操作简单，更加利于粉末球化生产的工业化推广，具有巨大的经济效益。

附图说明

图1是本发明中公开的利用线聚焦太阳炉对粉末进行球化处理装置的等距视图；

图2是本发明中公开的利用线聚焦太阳炉对粉末进行球化处理装置的正视图；

图3是本发明中公开的利用线聚焦太阳炉对粉末进行球化处理装置的俯视图；

图4是本发明中公开的利用线聚焦太阳炉对粉末进行球化处理装置的聚光原理图，图中的聚光方式是二次反射聚光，线聚焦后的光斑为静止状态，方便利用具有高能流密度分布的竖直的线聚焦进行粉末球化处理；

图5是本发明中公开的利用线聚焦太阳炉对粉末进行球化处理装置的工作原理图，图中实线箭头方向为保护气体流动方向，虚线箭头方向为粉末运动方向，粉末下落过程中经历的6、7和8，分别是是粉末预热段、粉末球化段和粉末冷却段，粉末预热段和粉末冷却段，实际上是“气体”——“粉末”换热器，实现对高温粉末冷却时释放的余热再利用。

其中，1-双轴跟踪的定日镜、2-固定的槽式聚光器、3-支架；4-粉末储放装置、5-粉末分散投放装置、6-粉末预热段、7-粉末球化段、8-粉末冷却段、9-粉末收集装置；10-气瓶、11-管流回路、12-风机；13-遮光板、14-温度监视器、15-减压阀。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一

为了便于理解本实施例，首先对本实施例涉及的太阳能利用和材料处理领域中的一些术语简单介绍如下：

“定日镜”是指将太阳或其他天体的光线反射到固定方向的光学装置，又称定星镜。

“槽式聚光器”是指反射镜截面为槽形、用于反射式会聚太阳辐射的线聚焦聚光器。

“保护气体”是指防止粉末在高温下发生化学反应——特别是氧化反应的气体。本发明方案中，可以为N₂或稀有气体氦(He)、氖(Ne)、氩(Ar)、氪(Kr)、氙(Xe)等或其混合气。

“真空管”指具有双端开口和真空夹层的管，为了吸收太阳光，外层管为玻璃透光罩管，里层管可以为金属吸热管或玻璃管。

下面介绍本实施例公开的利用线聚焦太阳炉对粉末进行球化处理的装置的构成部件：聚光系统，粉末投送、球化、冷却和收集系统，保护气体回路。

聚光系统，本发明所采用的聚光方案为双轴跟踪的定日镜和固定的槽式聚光器构成，提供空间固定的、不随时间变化的太阳能线聚焦。聚光系统还可以是双轴跟踪的定日镜和固定的菲涅耳式聚光器，或竖直放置、单轴跟踪的槽式聚光器，也可以是竖直放置、单轴跟踪的菲涅耳式聚光器。根据所处理粉末的要求，还可以是采用大量定日镜的塔式聚光系统。根据不同的粉末要求，可以采用不同聚光比的聚光系统。对于熔点低的，聚光倍数可低一些；对于熔点高的，聚光倍数可以设计高一些。

粉末投送、球化、冷却和收集系统，粉末投送、球化、冷却和收集系统实际上是粉末分散投放下落，最后收集的过程。下落过程中经历粉末预热段、粉末球化段、粉末冷却段和粉末收集装置。粉末球化段硬件上为双层玻璃管或一层玻璃管加一层金属管的真空集热管构成。粉末下落的过程中，在管内被聚集的太阳光直接或间接加热至熔化，熔化的粉末在冷却段冷却凝固并降到低温，最后进入粉末收集装置。

保护气体回路，由气瓶、管流回路、风机和减压阀构成，防止粉末在高温下发生化学反应，比如氧化，保护气体还对高温粉末进行冷却，对低温粉末进行预热。

实施例二

本实施例对粉末进行球化处理的方法进行详细介绍。

首先，打开保护气体气瓶10，打开风机12，排出保护气体回路和粉末下落通道中的空气，其中，粉末下落通道由粉末分散投放装置5、粉末预热段6、粉末球化段7、粉末冷却段8依次连接构成；

其次，启动定日镜对太阳进行跟踪，把太阳光反射到槽式聚光器上，槽式聚光器对太阳光进行二次反射，在粉末球化段7的位置上形成稳定的线聚集；

最后，打开粉末储放装置4，粉末经粉末分散投放装置5后，在粉末预热段6、粉末球化段7、粉末冷却段8和粉末收集装置9内进行自由下落。下落过程中，粉末在粉末球化段7内被聚光太阳能加热直至熔化。然后在粉末冷却段8内冷却凝固，最后进入粉末收集装置9内；

粉末球化处理过程中，可以通过温度监视器14对下落粉末的温度进行监控。如果粉末温度过高，则向上移动遮光板13，遮挡住部分来自定日镜1的反射的太阳光，减小粉末在粉末球化段7内加热的时间；反之，如果粉末未熔化，则向下移动遮光板13，延长粉末加热时间。

实施例三

本实施例公开一种利用聚光太阳能的铝合金粉末球化装置，按照如图1所示建立粉末球化处理系统。其中，采用10m×12m的定日镜，采用开口5.77m、高度8m的槽式聚光器，粉末球化段采用外径120mm的太阳能槽式真空集热管(内管为金属管，外径70mm，金属管管厚3mm)。利用氮气作为保护气体。在太阳辐照为600W/M²的天气条件下，可以将金属管加热到850摄氏度。铝合金粉末在64mm的管径——管壁平均温度850摄氏度——内下落，在7.5m处能够保证粒径小于60微米的铝合金粉末完全熔化，熔化后的铝合金粉末在表面张力作用下形成质量非常高的球形。熔化后的粉末继续下落，在粉末冷却区凝固，并进一步冷却到低温，最后进入粉末收集室。

在太阳辐照大于600W/M²的天气条件下，该粉末球化系统可以连续运行。定日镜可以实现自动跟踪，粉末下落的流量、保护气体的流速可以自动控制，最终实现自动化生产。

综上所述，上述实施例公开了利用聚光太阳能的粉末球化装置及使用方法，该球化处理装置包括聚光系统,粉末投送、球化、冷却和收集系统,保护气体回路。聚光系统包括双轴跟踪的定日镜1、固定的槽式聚光器2和支架3；粉末投送、球化、冷却和收集系统包括粉末储放装置4、粉末分散投放装置5、粉末预热段6、粉末球化段7、粉末冷却段8和粉末收集装置9；保护气体回路包括气瓶10、管流回路11和风机12。聚光系统在粉末球化段7的位置上形成稳定的线聚集，粉末在重力作用下在粉末球化段7内自上而下的下落，下落过程中被聚光太阳能加热到熔化，在表面张力作用下形成球形，继续下落过程中在粉末冷却段进行冷却，形成高质量的球形粉末。保护气体回路不仅提供保护气体环境，防止粉末在高温环境下发生化学反应，而且在冷却段吸收粉末颗粒的热量，熔化的粉末放热凝固形成球形的粉末，热量通过保护气体在粉末预热段6对粉末进行预热，温度降低后的保护气体再流到粉末冷却段去冷却熔化的粉末。工作时，定日镜1连续跟踪太阳，聚光系统实现稳定的线性聚集，粉末投送、球化、冷却和收集系统实现连续投送粉末和收集球化好的粉末，保护气体回路实现对粉末的冷却、预热和防止氧化。本发明利用聚光太阳能实现对粉末进行球化的目的，具有设备简单、控制方便、生产效率高、成本低等优点，利于粉末球化生产的工业化推广，具有巨大的经济效益。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种利用线聚焦太阳炉对粉末进行球化处理的装置，其特征在于，该装置包括：

聚光系统，用于实现对太阳光进行不同聚光比的线聚焦，所述聚光系统包括定日镜、聚光器和支架，所述定日镜(1)固定在支架(3)上，与聚光器相对设置，用于对太阳进行跟踪，把太阳光反射到聚光器(2)上，所述聚光器(2)对太阳光进行二次反射；

粉末投送、球化、冷却和收集系统，用于实现粉末分散投放下落，最后收集的过程，所述粉末投送、球化、冷却和收集系统竖直设置在定日镜和聚光器之间，固定在支架(3)上，包括自上而下依次连接的粉末储放装置(4)、粉末分散投放装置(5)、粉末预热段(6)、粉末球化段(7)、粉末冷却段(8)和粉末收集装置(9)，粉末分散投放装置(5)、粉末预热段(6)、粉末球化段(7)、粉末冷却段(8)构成粉末下落通道；其中，所述聚光系统在粉末球化段(7)的位置上形成稳定的线聚集，粉末在重力作用下在粉末球化段(7)内自上而下的下落，下落过程中被聚光太阳能加热到熔化，在表面张力作用下形成球形，继续下落过程中在粉末冷却段进行冷却，形成高质量的球形粉末；

保护气体回路，所述保护气体回路包括气瓶(10)、管流回路(11)、风机(12)和减压阀(15)，气瓶(10)中存储有用于填充管流回路(11)的惰性气体，风机(12)用于驱动保持惰性气体在保护气体回路内循环流动，所述管流回路(11)的一段与粉末下落通道重叠，所述保护气体回路提供保护气体环境，实现对粉末的冷却、预热和防止氧化，在粉末冷却段(8)吸收粉末颗粒的热量，熔化的粉末放热凝固形成球形的粉末，热量通过保护气体在粉末预热段(6)对粉末进行预热，温度降低后的保护气体再流到粉末冷却段去冷却熔化的粉末。

2.根据权利要求1所述的一种利用线聚焦太阳炉对粉末进行球化处理的装置，其特征在于，所述聚光系统中定日镜(1)和聚光器(2)分别采用双轴跟踪的定日镜和固定的槽式聚光器，或者采用双轴跟踪的定日镜和固定的菲涅耳式聚光器，或者采用双轴跟踪的定日镜和竖直放置、单轴跟踪的槽式聚光器，或者采用双轴跟踪的定日镜和竖直放置、单轴跟踪的菲涅耳式聚光器。

3.根据权利要求1所述的一种利用线聚焦太阳炉对粉末进行球化处理的装置，其特征在于，所述粉末球化段由双层玻璃的真空管构成，聚光太阳能对下落过程中的粉末进行直接加热至熔化；或者由一层玻璃管加一层金属管的真空集热管构成，聚光太阳能辐射投射到金属管上，金属管升到高温，通过红外辐射的方式对下落过程中的粉末进行直接加热至熔化。

4.根据权利要求1所述的一种利用线聚焦太阳炉对粉末进行球化处理的装置，其特征在于，所述聚光系统的聚光原理为焦斑固定的线聚焦方式，或者为移动的线聚集方式。

5.根据权利要求1所述的一种利用线聚焦太阳炉对粉末进行球化处理的装置，其特征在于，所述粉末下落通道上设置有温度监视器(14)，用于对下落粉末的温度进行监控。

6.根据权利要求1所述的一种利用线聚焦太阳炉对粉末进行球化处理的装置，其特征在于，所述定日镜(1)的前方设置有可移动的遮光板(13)，用于控制定日镜(1)的受光面积，进而实现控制粉末加热时间的缩减和延长。

7.根据权利要求1所述的一种利用线聚焦太阳炉对粉末进行球化处理的装置，其特征在于，所述惰性气体为N₂、稀有气体氦、氖、氩、氪、氙中的一种或多种混合。

8.一种利用线聚焦太阳能炉对粉末进行球化处理的方法，使用前述权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、打开保护存储有惰性气体的气瓶(10)，打开风机(12)，排出保护气体回路和粉末下落通道中的空气；

S2、定日镜(1)对太阳进行跟踪，把太阳光反射到聚光器(2)上，聚光器(2)对太阳光进行二次反射，在粉末球化段(7)的位置上形成稳定的线聚集；

S3、保持风机(12)为打开状态，保持惰性气体在保护气体回路内循环流动；

S4、打开粉末储放装置(4)，粉末经粉末分散投放装置(5)后，在粉末预热段(6)、粉末球化段(7)、粉末冷却段(8)和粉末收集装置(9)内进行自由下落，下落过程中，粉末在粉末球化段(7)内被聚光太阳能加热直至熔化，然后在粉末冷却段(8)内冷却凝固，最后进入粉末收集装置(9)内；

S5、通过温度监视器(14)对下落粉末的温度进行监控,如果粉末温度过高，则向上移动遮光板(13)，遮挡住部分来自定日镜1的反射的太阳光，减小粉末在粉末球化段(7)内加热的时间；反之，如果粉末未熔化，则向下移动遮光板(13)，延长粉末加热时间。