CN111468737A - 一种粉体制备与混粉一体化装置及其应用 - Google Patents

一种粉体制备与混粉一体化装置及其应用 Download PDF

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夏宗斌
宋振阳
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Abstract

本发明公开一种粉体制备与混粉一体化装置及其应用，包括中频熔炼炉、保温炉、上喷盘、下喷盘、收集桶、喷粉装置。其中中频熔炼炉为定点浇铸炉，浇铸中心与保温炉中心对应；收集桶上端接口放置下喷盘与上喷盘，其中下喷盘连接高压水管道，上喷盘连接喷粉装置，保温炉安装在上喷盘顶部，保温炉底部设有漏嘴，漏嘴中心与喷盘中心对应。收集桶下端与压滤桶连接，收集桶与压滤桶之间设有蝶阀。本发明在一台设备上实现了金属粉体制备和混合两个动作，操作简单方便，生产效率高，劳动强度低，而且提高了弥散强化相或高熔点相颗粒在基体材料中的分布均匀性和结合强度，工艺路线简单，加工流程短，适合大批量生产。

Description

一种粉体制备与混粉一体化装置及其应用
技术领域
本发明涉及材料粉体的加工装备领域，具体是一种粉体制备与混粉一体化装置，特别是基于高压水雾化设备，同时实现了基体材料粉体制备和基体材料粉末与弥散强化相粉末均匀混合的粉体制备-混粉一体化设备系统。
背景技术
粉末冶金是制取金属粉末及用金属粉末(或金属粉末与非金属粉末的混合物)作为原料，经过混粉、成形和烧结，制取金属材料、复合材料以及各种类型制品的工业技术。目前，粉末冶金技术已被广泛应用于交通、机械、电子、航空航天、兵器、生物、新能源、信息和核工业等领域，成为新材料科学中最具发展活力的分支之一。粉末冶金技术具备显著节能、省材、性能优异、产品精度高且稳定性好等一系列优点，非常适合于大批量生产。另外，部分用传统铸造方法和机械加工方法无法制备的材料和复杂零件也可用粉末冶金技术制造，因而备受工业界的重视。
粉末冶金材料的分支之一，是采用金属粉末作为基体材料，另外一种金属粉末或者金属氧化物粉末作为弥散强化材料，制备弥散强化型复合材料，这种复合材料的特点，是基体材料与弥散强化材料之间具有非常低的固溶度，只能采用粉末冶金工艺制备。通常的粉体制备过程主要包括粉末的制取和粉料的混合两个步骤。第一步粉末的制取，现有的制粉方法大体可分为两类:机械法和物理化学法。而机械法可分为:机械粉碎及雾化法；物理化学法又分为:电化学腐蚀法、还原法、化合法、还原-化合法、气相沉积法、液相沉积法以及电解法。其中应用最为广泛的是还原法、雾化法和电解法。第二步粉料的混合，通常采用机械混合设备或者气力混合设备实现基体材料粉体与弥散强化相粉体的均匀混合，工业化生产过程中应用更多的是机械式混合设备。
当基体材料与弥散强化相之间具有非常低的固溶度时，最常用的方法是首先采用雾化法制备基体材料粉体，然后采用机械式混合设备将基体材料粉体与弥散强化相粉体混合均匀，再进行后续的加工。这种加工方式的主要缺陷是：加工周期长，需要两个工序方可完成混合粉体制备；基体材料与弥散强化相之间的结合强度较低；基体材料与弥散强化相材料之间的密度差比较大时，弥散强化相在基体材料中的分布均匀性较差。为了解决上述问题，国内外材料制造企业开发了多种替代工艺，其中应用比较广泛的是化学共沉积工艺和化学包覆工艺。化学包覆工艺的出现，解决了基体材料与弥散强化相之间的结合强度较低的问题，以及基体材料与弥散强化相材料之间的密度差比较大时，弥散强化相在基体材料中的分布均匀性较差的问。但是，该方法带来了新的问题：加工周期更长，制备方法更加繁琐；制造成本比雾化制粉-机械混合更高；化学法生产过程中产生了大量的酸性/碱性废水，对环境的污染比较严重，环保处理成本很高。
因此，开发一种粉体制备和混合一体化设备，解决传统的粉末冶金工艺和化学包覆工艺在制备基体材料与弥散强化相之间具有非常低的固溶度的材料时存在的缺陷，提高材料性能，降低制造成本，具有很重要的实际应用价值。
发明人经查阅国内外相关专利可知，目前的设备设计方案仍然是以单独的雾化设备和机械混粉设备为主，尚未发现在单台设备上实现物理方法制粉-混粉一体化设备的案例。
发明内容
为解决现有技术存在的问题和不足，本发明的目的是提供一种粉体制备与混粉一体化装置。该装置基于高压水雾化设备，降低粉末冶金材料制造成本，提高基体材料和弥散强化相材料之间的结合强度。
为实现上述目的，本发明的技术方案是提供一种粉体制备与混粉一体化装置，其包括有：用于将基体材料熔化成基体材料熔液的熔炼炉、由熔炼炉供料配合的保温炉、上喷盘、下喷盘、收集桶以及喷粉装置；
所述收集桶上端喷盘座放置下喷盘与上喷盘，其中下喷盘连接高压水管道，上喷盘连接喷粉装置，所述的喷粉装置以惰性气体为载体用于喷射弥散强化相或高熔点相粉末，保温炉安装在上喷盘顶部，保温炉底部设有漏嘴，漏嘴中心与上喷盘中心对应；下喷盘外端连接高压冷却水；
收集桶下端与压滤桶连接，收集桶与压滤桶之间设有控制阀，压滤桶连接有真空抽滤装置，用于真空抽滤收集混合粉体。
所述的熔炼炉为中频熔炼炉，该中频熔炼炉为定点浇铸炉，浇铸中心与保温炉中心对应设置。
进一步设置是所述的上喷盘设有4组喷嘴，喷嘴间隔均匀安装在上喷盘四周，且喷嘴与喷嘴之间夹角90°，喷嘴喷射方向与保温炉的漏嘴漏出的基体材料熔液液流之间的夹角为60～90°。
进一步设置是所述的下喷盘设有4组喷嘴，喷嘴间隔均匀安装在下喷盘四周，且喷嘴与喷嘴之间夹角90°，喷嘴喷射方向与保温炉的漏嘴漏出的基体材料熔液液流之间的夹角为30～60°。
另外，本发明还提供一种基于所述的装置制备混合粉体的方法，其包括有
(1)将基体材料投放到熔炼炉中，熔化成基体材料熔液；
(2)将基体材料熔液浇铸到保温炉中，保持基体材料处于熔液状态；该基体材料熔液从保温炉底部的漏嘴漏入上喷盘中心位置；
(3)在与上喷盘连接的喷粉装置中装入弥散强化相粉末，采用惰性气体为载体，携带弥散强化相或高熔点相粉末经管道从上喷盘喷嘴喷出，射入保温炉的漏嘴漏出的基体材料熔液液流之中，弥散强化相或高熔点相颗粒均匀分布在基体材料液流中，同时被基体材料包裹，并与基体材料在高温下产生稳定的冶金结合；
(4)基体材料和弥散强化相或高熔点相颗粒的混合液流经过下喷盘d中心位置，被下喷盘的喷嘴喷出的高压水击碎冷却，形成颗粒均匀的基体材料-弥散强化相或高熔点相混合粉体，沉淀在收集桶中；
(5)打开控制阀，将收集桶中的混合粉体通过抽滤收集在压滤桶中，获得基体材料-弥散强化相或高熔点相混合粉末。
本发明的有益效果是：
1、在一台设备上实现了粉体制备-混粉一体化生产，可以替代传统的雾化制粉设备和机械混粉设备，提高生产效率和劳动强度，降低粉末冶金材料制造成本。
2、提高弥散强化相或高熔点相颗粒在基体材料中的分布均匀性和结合强度。在高压水雾化制备基体材料粉体的过程中加入弥散强化相或高熔点相粉体颗粒，并使其均匀分布在基体材料中，在高温下液态基体材料与固态弥散强化相或高熔点相颗粒之间产生稳定的冶金结合，解决了采用传统的粉末冶金工艺基体材料与弥散强化相或高熔点相颗粒之间弥散分布程度不良的问题和结合强度差的问题，提高了材料强度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，根据这些附图获得其他的附图仍属于本发明的范畴。
图1是本发明粉体制备-混粉一体化设备简易结构示意图；
图2是本发明核心部件双层喷盘位置剖面结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。
如图1至图2所示，为本发明实施例中，实施例一：
本实施例一所描述的基于高压水雾化设备的金属粉体制备-混粉一体化设备，如图1和图2所示，包括中频熔炼炉(熔炼坩埚a)、保温炉(保温坩埚b)、上喷盘c、下喷盘d、收集桶f、喷粉装置e。其中中频熔炼炉(熔炼坩埚a)为定点浇铸炉，浇铸中心与保温炉(保温坩埚b)中心对应。收集桶f上端喷盘座放置下喷盘d与上喷盘c，其中下喷盘d连接高压水管道，上喷盘c连接喷粉装置e。上喷盘c设有4组喷嘴i，喷嘴i间隔均匀安装在下喷盘c四周(喷嘴与喷嘴之间夹角90°)，喷嘴喷射方向与保温坩埚b漏嘴漏出的基体材料液流之间的夹角为60-90°；下喷盘d设有4组喷嘴j，喷嘴j间隔均匀安装在下喷盘d四周(喷嘴与喷嘴之间夹角90°)，喷嘴喷射方向与保温坩埚b漏嘴漏出的基体材料液流之间的夹角为30-60°。保温炉(保温坩埚b)安装在上喷盘c顶部，保温炉(保温坩埚b)底部设有漏嘴，漏嘴中心与喷盘中心对应。收集桶f下端与压滤桶h连接，收集桶f与压滤桶h之间设有蝶阀g。压滤桶h与高压水管道之间还设有真空抽滤装置、过滤水箱、沉淀水箱、高压泵，形成一个闭环。收集桶f上设有必要的排水阀门和充气阀门。
粉体制备和混粉过程如下：基体材料在熔炼坩埚a中熔化，开启高压水泵，高压水经下喷盘d四周的喷嘴j喷出，基体材料熔液定点浇注至保温坩埚b中，从保温坩埚b底部的漏嘴漏入上喷盘c中心位置，开启喷粉装置e，预先装入喷粉装置e中的弥散强化相或高熔点相粉末以惰性气体为载体，从上喷盘c四周的喷嘴i射入基体材料液流中，弥散强化相或高熔点相颗粒均匀分布在基体材料液流中，同时被基体材料包裹，并与基体材料在高温下产生稳定的冶金结合。在惰性气体的保护下，确保了基体材料和弥散强化相或高熔点相不会被氧化。然后，基体材料和弥散强化相或高熔点相颗粒的混合液流经过下喷盘d中心位置，被喷嘴j喷出的高压水击碎冷却，形成颗粒均匀的基体材料-弥散强化相或高熔点相混合粉体k，沉淀在高压水雾化设备收集桶f中。全部生产完毕，基体材料-弥散强化相或高熔点相混合粉体颗粒k完全沉淀，打开收集桶f上的排水阀门排出多余的水，打开蝶阀g，基体材料-弥散强化相或高熔点相混合粉体颗粒k与残留的水进入压滤桶h中，经真空抽滤装置抽滤，形成基体材料-弥散强化相或高熔点相混合粉末。
以上所揭露的仅为本发明较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种粉体制备与混粉一体化装置，其特征在于包括有：
用于将基体材料熔化成基体材料熔液的熔炼炉、由熔炼炉供料配合的保温炉、上喷盘、下喷盘、收集桶以及喷粉装置；
所述收集桶上端喷盘座放置下喷盘与上喷盘，其中下喷盘连接高压水管道，上喷盘连接喷粉装置，所述的喷粉装置以惰性气体为载体用于喷射弥散强化相或高熔点相粉末，保温炉安装在上喷盘顶部，保温炉底部设有漏嘴，漏嘴中心与上喷盘中心对应；下喷盘外端连接高压冷却水；
收集桶下端与压滤桶连接，收集桶与压滤桶之间设有控制阀，压滤桶连接有真空抽滤装置，用于真空抽滤收集混合粉体。
2.根据权利要求1所述的粉体制备与混粉一体化装置，其特征在于，所述的熔炼炉为中频熔炼炉，该中频熔炼炉为定点浇铸炉，浇铸中心与保温炉中心对应设置。
3.根据权利要求1所述的粉体制备与混粉一体化装置，其特征在于：所述的上喷盘设有4组喷嘴，喷嘴间隔均匀安装在上喷盘四周，且喷嘴与喷嘴之间夹角90°，喷嘴喷射方向与保温炉的漏嘴漏出的基体材料熔液液流之间的夹角为60～90°。
4.根据权利要求1所述的粉体制备与混粉一体化装置，其特征在于：所述的下喷盘设有4组喷嘴，喷嘴间隔均匀安装在下喷盘四周，且喷嘴与喷嘴之间夹角90°，喷嘴喷射方向与保温炉的漏嘴漏出的基体材料熔液液流之间的夹角为30～60°。
5.一种基于权利要求1-4之一所述的装置制备混合粉体的方法，其特征在于：
(1)将基体材料投放到熔炼炉中，熔化成基体材料熔液；
(2)将基体材料熔液浇铸到保温炉中，保持基体材料处于熔液状态；该基体材料熔液从保温炉底部的漏嘴漏入上喷盘中心位置；
(3)在与上喷盘连接的喷粉装置中装入弥散强化相粉末，采用惰性气体为载体，携带弥散强化相或高熔点相粉末经管道从上喷盘喷嘴喷出，射入保温炉的漏嘴漏出的基体材料熔液液流之中，弥散强化相或高熔点相颗粒均匀分布在基体材料液流中，同时被基体材料包裹，并与基体材料在高温下产生稳定的冶金结合；
(4)基体材料和弥散强化相或高熔点相颗粒的混合液流经过下喷盘d中心位置，被下喷盘的喷嘴喷出的高压水击碎冷却，形成颗粒均匀的基体材料-弥散强化相或高熔点相混合粉体，沉淀在收集桶中；
(5)打开控制阀，将收集桶中的混合粉体通过抽滤收集在压滤桶中，获得基体材料-弥散强化相或高熔点相混合粉末。
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