CN110208150B - 一种高熔点材料雾化粒径分布及雾化率的测量方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种高熔点材料雾化粒径分布及雾化率的测量方法及装置，包括密封容器、密封坩埚、加热装置、收集皿和管道调节装置；所述密封坩埚和加热装置设置在密封容器内，且加热装置设置在密封坩埚的周围，所述收集皿与密封坩埚的下部相连；所述管道调节装置包括主管道、与主管道相连的第一支管道核第二支管道、设置在密封容器上的充气孔和排气孔；所述第一支管道与密闭容器相通，所述第二支气管道与密封坩埚相通，所述主管道上安装有气体流量计，所述第二支气管道上安装有压力；本发明采集雾化场中所有的液滴并冷却成固体颗粒，成功解决了现有方法及装置分辨率不足，且不能测量雾化场总体的粒径分布以及雾化率的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种雾化粒径分布及雾化率的测量方法，尤其涉及一种高熔点材料雾化粒径分布及雾化率的测量方法，属于高熔点材料雾化特性研究领域。
背景技术
由雾化制粉技术制作出的微细金属粉末被广泛应用在航空、航天、舰船、汽车、冶金等领域，特别是在一些材料制备的新领域如粉末注射成型、自蔓燃高温合金、金属基复合材料等也是以微细金属粉末为前提，金属喷雾的雾化粒径分布和雾化率是雾化制粉技术的一个重要指标；在热喷涂技术中，需要将涂层材料如耐腐蚀金属、金属陶瓷等高熔点材料加热熔化，用高速气流将其雾化成极细的颗粒，并以很高的速度喷射到工件表面形成涂层，热喷涂材料的雾化粒径分布和雾化率是影响热喷涂效果的重要因素；另外，化学性质活泼的液态碱金属一旦发生泄漏会迅速和空气或水发生反应，形成火灾事故，其中喷雾火灾的后果最为严重，因为喷雾燃烧中存在大量微小液滴，具有燃烧速度快，燃烧温度高等特点，而碱金属喷雾中液滴的粒径分布及雾化率是影响雾火燃烧特性的重要因素；因此对高熔点材料喷雾的粒径分布和雾化率的研究具有十分重要的意义。
目前国际上对于高熔点材料雾化特性的研究通常采用的测量装置和方法都有一定的局限性。如成像法，采用高速摄像机记录喷雾过程，再结合图像处理软件来计算雾化率和液滴粒径分布，该方法的分辨率不高，难以辨认过于细小的液滴，且对于液滴密度过高的区域并不适用；另一种方法是应用喷雾粒度仪来测量雾化场的粒径分布，其工作原理是基于激光前向散射原理，当激光照射到被测雾化颗粒时，光会产生散射，散射光能的分布与颗粒的粒度大小有关，用专门设计制造的扇形多元光电探测器测得前向散射光能分布，然后通过反演算法对测得的数据进行处理，得到被测颗粒的粒径分布，然而该方法一次只能测得通过一条直线上的液滴粒径分布，并且用一条直线上的粒径分布来推测总体的分布，即假设雾化场的分布是轴对称的，但是实际情况中不同的径向上液滴粒径分布可能会有较大差别，这就会导致较大误差，且这两种方法都无法准确测得喷雾场的整体雾化率。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足以及高熔点材料的物质特性而提供一种高熔点材料雾化粒径分布及雾化率的测量方法及装置。
本发明的目的是这样实现的：
一种高熔点材料雾化粒径分布及雾化率的测量装置，包括密封容器、密封坩埚、加热装置、收集皿和管道调节装置；所述密封坩埚和加热装置设置在密封容器内，且加热装置设置在密封坩埚的周围，所述收集皿与密封坩埚的下部相连；
所述管道调节装置包括主管道、与主管道相连的第一支管道和第二支管道、设置在密封容器上的充气孔和排气孔；所述第一支管道与密闭容器相通，所述第二支管道与密封坩埚相通，所述主管道上安装有气体流量计，所述第二支管道上安装有压力。
本发明还包括这样一些特征：
1.所述密封容器充满了惰性气体；
2.所述收集皿装有有机冷却剂；
3.所述收集皿的高度可调。
一种高熔点材料雾化粒径分布及雾化率的测量方法，将喷雾液滴先固化再测量，包括如下步骤：
步骤一：在高压惰性气体挤压的条件下，加热至熔融状态的高熔点材料通过喷嘴发生喷雾和射流，落入装有有机冷却剂的收集皿中，喷雾和射流会冷却并凝固成颗粒和块状固体；
步骤二：将收集到的固体颗粒和块状固体分离，并分别称量出质量m1和m2，将其代入雾化率公式w＝m1/(m1+m2)，即得到熔点材料雾化的雾化率w；
步骤三：将固体颗粒根据粒径大小分组并称量每组的质量，之后带入公式wn＝mn/m1得到固体颗粒的粒径分布，其中n代表第n组，mn代表第n组的颗粒质量，m1代表收集到的颗粒质量；
步骤四：根据关系式
得到喷雾液滴的粒径分组范围及每组的质量份额，即高熔点材料的雾化粒径分布；其中ρ1为固体颗粒的密度，即高熔点材料常温下的密度；ρ0为喷雾液滴的密度，即高熔点材料被加热到熔融状态时的密度，R1为固体颗粒的粒径、R0为喷雾液滴的粒径。
所述高熔点材料包括铁及其合金、铝及其合金、锂及其合金、钠及其合金、钾及其合金、金属氧化物或碳化物；
所述有机冷却剂为液体石蜡或煤油；
所述固体颗粒根据粒径大小分组采用筛分法为主，显微图像法为辅的方法：利用按照筛孔尺寸依次组合的试验筛，借助震动把固体颗粒筛分成不同的筛分粒级，称量每个筛上和底盘上的颗粒量，计算出每个筛分粒级的百分含量；对于无法用筛分法测量的极少量微小颗粒，采用显微图像法，将样品成像后经过图像分析进行测定。
本发明的技术原理：针对高熔点材料凝固点较高，容易凝固的物理性质，采用将喷雾液滴先固化再测量的方法，即在高熔点材料雾化场的下方设置一盛有有机冷却剂的收集皿，使液滴被冷却剂冷却，凝固成固体颗粒，对收集到的固体颗粒进行质量及粒径测量统计，从而得到喷雾的总体雾化粒径分布以及雾化率。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
(1)本发明采用雾化液滴固化的方法，即使过于细小的颗粒也可以被采集，不会受限于液滴的尺寸；
(2)本发明是在喷雾过程结束后再对雾化粒径分布和雾化率进行测量，与成像法相比，不会被液滴密度过大的区域所影响，准确度高；
(3)本发明可以收集喷雾过程中所有的液滴并冷却成固体颗粒，与喷雾粒度仪相比，可以统计出雾化场中的全体液滴的粒径分布和雾化率；
(4)本发明所需的设备较少，成本较低，简单易用，解决了喷射雾化过程总体雾化粒径分布以及雾化率测量准确度不足的问题。
附图说明
图1是本发明所提供的高熔点材料雾化粒径分布及雾化率的测量方法实施的流程示意图；
图2是本发明所提供的高熔点材料雾化粒径分布及雾化率的测量装置的立体结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
本发明采用将喷雾液滴先固化再测量的方法，得到被测材料的雾化粒径分布及总体雾化率。本发明一种高熔点材料雾化粒径分布及雾化率的测量方法，包括如下步骤：(1)在喷雾实验前需确保实验中的惰性气体环境，防止高熔点材料在喷射过程中被氧化；将材料加热到所需温度T0；在雾化场下部设置一盛有有机冷却剂的收集皿，收集落下的射流和雾化液滴。(2)使用高压惰性气体挤压熔融状态的高熔点材料，通过喷嘴形成射流和喷雾，落入有机冷却剂，喷雾液滴和射流会被迅速冷却并凝固成颗粒和块状固体，沉积于收集皿底部。(3)将收集到的固体颗粒和块状固体分离，并分别称量出质量m1和m2，将其代入雾化率公式w＝m1/(m1+m2)，即得到此次喷射过程的总体雾化率w；(4)利用按照筛孔尺寸依次组合的一套试验筛，借助震动把固体颗粒筛分成若干个筛分粒级，即将固体颗粒根据粒径大小分成若干组。依次称量每组所占质量份额，如称量得到第n组的颗粒质量mn，计算出第n组颗粒占总质量的份额wn＝mn/m1，得到固体颗粒的粒径分布；(5)根据固体颗粒的粒径R1与喷雾液滴的粒径R0的关系式
得到喷雾液滴的粒径分组范围及每组的质量份额，即此次喷射过程中被测材料的雾化粒径分布特性。其中ρ1为固体颗粒的密度，即被测材料常温下的密度；ρ0为喷雾液滴的密度，即被测材料被加热到T0时的密度。高熔点材料包括一般金属，如铁、铝及其合金等，碱金属，如锂、钠、钾及其合金等，以及其他高熔点非金属材料，如金属氧化物，碳化物等。有机冷却剂为液体石蜡，煤油或其他具有良好热稳定性和化学稳定性，且不与被测材料发生反应的有机液体。盛有有机冷却剂的收集皿可以调整高度，测量距喷嘴不同距离处的喷雾液滴的总体粒径分布和雾化率。测量统计固体颗粒的粒径分布采用筛分法为主，显微图像法为辅的方法。利用按照筛孔尺寸依次组合的一套试验筛，借助震动把固体颗粒筛分成不同的筛分粒级。称量每个筛上和底盘上的颗粒量，计算出每个筛分粒级的百分含量；对于无法用筛分法测量的极少量微小颗粒，采用显微图像法，将样品成像后经过图像分析进行测定。
本发明一种高熔点材料雾化粒径分布及雾化率的测量装置，包括密闭容器、密封坩埚、热装置以及下部收集皿。密闭容器采用上宽下窄的结构，中间形成的平面用于支撑位于容器内上部的密封坩埚及其周围的加热装置，坩埚底部设有喷嘴。密闭容器侧面接有两个通气管道，用于充气和排气，使容器内部保持惰性气体环境。密闭容器下部与收集皿相连接，收集皿内装有用于冷却被测材料的有机冷却剂。通过连接不同的收集皿实现调整冷却剂液面与喷嘴的距离的功能。气体供给系统通过管道调节装置的气体环境以及提供喷射压力。在主管道上安装有气体流量计，在流量计之后主管道分成两个支管道分别与密闭容器以及密封坩埚相连，其中与坩埚相连接的管道上安装有压力计。密闭容器侧面接有两个通气管道，用于充气和排气，使容器内部保持惰性气体环境。
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的附图1-2，对本发明实施例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的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员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，本实施例提供了一种高熔点材料雾化粒径分布及雾化率的测量方法，包括如下步骤：
(1)在喷雾实验前需确保实验中的惰性气体环境，防止高熔点材料在喷射过程中被氧化；将材料加热到所需温度T0；在雾化场下部设置一盛有有机冷却剂的收集皿，收集落下的射流和雾化液滴。
(2)使用高压惰性气体挤压熔融状态的高熔点材料，通过喷嘴形成射流和喷雾，落入有机冷却剂，喷雾液滴和射流会被迅速冷却并凝固成颗粒和块状固体，沉积于收集皿底部。
(3)将收集到的固体颗粒和块状固体分离，并分别称量出质量m1和m2，将其代入雾化率公式w＝m1/(m1+m2)，即得到此次喷射过程的总体雾化率w；
(4)利用按照筛孔尺寸依次组合的一套试验筛，借助震动把固体颗粒筛分成若干个筛分粒级，即将固体颗粒根据粒径大小分成若干组。依次称量每组所占质量份额，如称量得到第n组的颗粒质量mn，计算出第n组颗粒占总质量的份额wn＝mn/m1，得到固体颗粒的粒径分布；
(5)根据固体颗粒的粒径R1与喷雾液滴的粒径R0的关系式
得到喷雾液滴的粒径分组范围及每组的质量份额，即此次喷射过程中被测材料的雾化粒径分布特性。其中ρ1为固体颗粒的密度，即被测材料常温下的密度；ρ0为喷雾液滴的密度，即被测材料被加热到T0时的密度。
高熔点材料包括一般金属，如铁、铝及其合金等，碱金属，如锂、钠、钾及其合金等，以及其他高熔点非金属材料，如金属氧化物，碳化物等。有机冷却剂为液体石蜡，煤油或其他具有良好热稳定性和化学稳定性，且不与被测材料发生反应的有机液体。盛有有机冷却剂的收集皿可以调整高度，测量距喷嘴不同距离处的喷雾液滴的总体粒径分布和雾化率。
测量统计固体颗粒的粒径分布采用筛分法为主，显微图像法为辅的方法。利用按照筛孔尺寸依次组合的一套试验筛，借助震动把固体颗粒筛分成不同的筛分粒级。称量每个筛上和底盘上的颗粒量，计算出每个筛分粒级的百分含量；对于无法用筛分法测量的极少量微小颗粒，采用显微图像法，将样品成像后经过图像分析进行测定。
实施例二，本实施例提供了一种高熔点材料雾化粒径分布及雾化率的测量装置，包括密闭容器1-8、密封坩埚1-6、加热装置1-7以及下部收集皿1-14。密闭容器1-8采用上宽下窄的结构，中间形成的平面用于支撑位于容器内上部的密封坩埚1-6及其周围的加热装置1-7，坩埚1-6底部设有开孔，用于与不同种类的喷嘴1-11相连。密闭容器1-8下部与收集皿1-14相连接，收集皿1-14内装有的有机冷却剂1-15，用于将喷雾液滴冷却成固体颗粒1-13。通过连接不同的收集皿1-14实现调整冷却剂1-15液面与喷嘴1-11的距离的功能。
气体供给系统a通过管道调节装置的气体环境以及提供喷射压力。在主管道1-2上安装有气体流量计1-1，在流量计1-1之后主管道1-2分成两个支管道1-4、1-5分别与密封坩埚以及密闭容器相连，其中与坩埚相连接的管道1-4上安装有压力计1-3。密闭容器1-8侧面接有两个通气管道1-12、1-9，用于充气和排气，使容器1-8内部保持惰性气体环境，1-10为高熔点材料。
实施例三，
本实施例以液态钠为例，说明利用本发明所提方法测量液态钠的雾化粒径分布和总体雾化率的具体过程。
1、准备工作：由于液态钠活泼的化学性质，在喷雾实验前需确保实验容器中的惰性气体环境，防止液态钠在喷射过程中发生氧化燃烧。将密封坩埚1-6中的钠加热至300℃并选定喷嘴。在实验容器最下方设置一装满液体石蜡1-3的收集皿1-4，调整高度使石蜡的液面保持在距喷嘴2m的位置，液体石蜡的温度为室温。
2、喷雾实验及液滴固化：以2个大气压的氩气将液态钠从喷嘴射出，形成的射流和雾化液滴落入到下方的液体石蜡中。由于钠的凝固点较高，钠射流和钠滴会被液体石蜡冷却而迅速凝固，沉积于收集皿底部。
3、后处理：喷射结束后，分离收集到的钠颗粒和钠块，并分别称量出质量m1和m2，将其代入雾化率公式w＝m1/(m1+m2)，即得到此次喷射过程的总体雾化率w；
4、采用筛分法与显微图像法相结合的方法测量钠颗粒的粒径分布，利用按照筛孔尺寸依次组合的一套试验筛，借助震动把钠颗粒筛分成不同的筛分粒级，即将钠颗粒根据粒径大小分成若干组，称量每个筛上和底盘上的颗粒量，计算出每组所占的质量份额，对于无法用筛分法测量的极少量微小颗粒，采用显微图像法，将样品成像后经过图像分析进行测定。得到每组钠颗粒的质量份额wn＝mn/m1，即固体钠颗粒的粒径分布；
5、根据钠颗粒的粒径R1与喷雾钠滴的粒径R0的关系式
得到喷雾钠滴的粒径分组范围和每组的质量份额，即此次喷射过程中液态钠的雾化粒径分布特性。
其中ρ1为钠颗粒的密度，即钠在常温下的密度；ρ0为喷雾钠滴的密度，即钠被加热到300℃时的密度。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
综上所述：本发明公开了一种高熔点材料雾化粒径分布及雾化率的测量方法及装置，其特征在于利用材料凝固点较高的物理性质，采用将喷雾液滴先固化再测量的方法，即在高熔点材料雾化场的下方设置一盛有有机冷却剂的收集皿，使液滴被冷却剂冷却，凝固成固体颗粒，对收集到的固体颗粒进行质量及粒径测量统计，从而得到喷雾的总体雾化粒径分布以及雾化率。本发明的测量方法及装置可以采集雾化场中所有的液滴并冷却成固体颗粒，成功解决了现有方法及装置分辨率不足，且不能测量雾化场总体的粒径分布以及雾化率的问题，为研究高熔点材料的雾化特性提供了一个有效的方法及装置。
Claims (4)
1.一种高熔点材料雾化粒径分布及雾化率的测量方法，其特征是，包括：高熔点材料雾化粒径分布及雾化率的测量装置，所述高熔点材料雾化粒径分布及雾化率的测量装置包括密封容器、密封坩埚、加热装置、收集皿和管道调节装置；所述密封坩埚和加热装置设置在密封容器内，且加热装置设置在密封坩埚的周围，所述收集皿与密封坩埚的下部相连；
所述管道调节装置包括主管道、与主管道相连的第一支管道和第二支管道、设置在密封容器上的充气孔和排气孔；所述第一支管道与密闭容器相通，所述第二支管道与密封坩埚相通，所述主管道上安装有气体流量计，所述第二支管道上安装有压力，所述密封容器充满了惰性气体，所述收集皿装有有机冷却剂，所述收集皿的高度可调；
将喷雾液滴先固化再测量，包括如下步骤：
步骤一：在高压惰性气体挤压的条件下，加热至熔融状态的高熔点材料通过喷嘴发生喷雾和射流，落入装有有机冷却剂的收集皿中，喷雾和射流会冷却并凝固成颗粒和块状固体；
步骤二：将收集到的固体颗粒和块状固体分离，并分别称量出质量m1和m2，将其代入雾化率公式w＝m1/(m1+m2)，即得到熔点材料雾化的雾化率w；
步骤三：将固体颗粒根据粒径大小分组并称量每组的质量，之后带入公式wn＝mn/m1得到固体颗粒的粒径分布，其中n代表第n组，mn代表第n组的颗粒质量，m1代表收集到的颗粒质量；
步骤四：根据关系式
得到喷雾液滴的粒径分组范围及每组的质量份额，即高熔点材料的雾化粒径分布；其中ρ1为固体颗粒的密度，即高熔点材料常温下的密度；ρ0为喷雾液滴的密度，即高熔点材料被加热到熔融状态时的密度，R1为固体颗粒的粒径、R0为喷雾液滴的粒径。
2.根据权利要求1所述的高熔点材料雾化粒径分布及雾化率的测量方法，其特征是，所述高熔点材料包括铁及其合金、铝及其合金、锂及其合金、钠及其合金、钾及其合金、金属氧化物或碳化物。
3.根据权利要求2所述的高熔点材料雾化粒径分布及雾化率的测量方法，其特征是，所述有机冷却剂为液体石蜡或煤油。
4.根据权利要求3所述的高熔点材料雾化粒径分布及雾化率的测量方法，其特征是，所述固体颗粒根据粒径大小分组采用筛分法为主，显微图像法为辅的方法：利用按照筛孔尺寸依次组合的试验筛，借助震动把固体颗粒筛分成不同的筛分粒级，称量每个筛上和底盘上的颗粒量，计算出每个筛分粒级的百分含量；对于无法用筛分法测量的极少量微小颗粒，采用显微图像法，将样品成像后经过图像分析进行测定。
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