CN112024897A - 一种用于气体雾化制粉的中间包系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于气体雾化制粉的中间包系统，属于气体雾化装置技术领域。该系统包括保温炉、发热体、坩埚和防溅挡板。保温炉采用电阻加热的方式，发热体采用均匀嵌在加热炉内壁的6个U型钼硅棒，并采用串联方式连接。防溅挡板可以实现对中间包坩埚的覆盖和露出。该系统可以使用任何材质坩埚作为中间包坩埚，可以实现中间包坩埚温度的自动精确控制和保证冶炼过程中无杂质进入中间包坩埚，避免了熔炼过程中融液飞溅造成中间包坩埚堵塞，大大减少中间包堵塞事故的发生，提高气体雾化的成功率。该装置适用于倾倒式气体雾化设备。
Description
技术领域
本发明涉及气体雾化装置技术领域，具体涉及一种用于气体雾化制粉的中间包系统。
背景技术
气体雾化技术的基本原理是利用高速气流，将熔融金属或熔融合金液流冲击、破碎成小液滴并凝固成粉末的过程。气体雾化技术制备的粉末球形度高、流动性好、氧含量低，是高端增材制造、粉末冶金、热喷涂技术和钎焊技术的首选。19世纪 20年代以来，气体雾化技术经过两百年的发展，使用的雾化气体有空气、氮气、氩气、氦气、水气联合等，金属融化方式有感应熔炼和电极熔炼等，雾化方式有拔塞式、倾倒式等。大型气体雾化装置一般使用倾倒式方法进行生产，雾化装置有一个主要熔炼坩埚，用来加热金属或合金至制定温度，雾化时将金属或合金融液倒入中间包坩埚，通过中间包坩埚底部小孔流入雾化室，在雾化室利用高速气流将液流破碎、冷凝。
先进的粉末制备技术是增材制造、粉末冶金和热喷涂等技术的基础，高性能的粉末一直是高端增材制造的瓶颈，发展高性能粉末及其制备技术，已经成为当今材料科学研究中一个具有较大工程需求的高科技前沿领域。
在众多粉末制备方法中，雾化方法是当今世界粉末制备的主要方法，而气体雾化制粉技术具有球形度高、流动性好、环境污染小、氧含量低以及冷却速率大等优点，在历经2个世纪的发展，目前已经成为生产高性能球形金属或合金粉末的主要方法，在国防军工、增材制造、高端工业生产等诸多领域得到了广泛的应用。
大型气体雾化技术一般采用主坩埚冶炼后倾倒至中间包进行雾化的方式，因此，中间包系统设计成为了气体雾化装置的关键。在气体雾化过程中，由于中间包堵塞而中断雾化进程会造成很大的材料和时间成本浪费，严重制约了气体雾化技术生产效率的提升。中间包的堵塞一般发生在气体雾化初期，即将合金液从冶炼坩埚倾倒至中间包坩埚的初期，主要是两大原因，一是由于中间包坩埚壁温度过低导致合金液在进入中间包坩埚并流过导流管时发生冷凝，造成堵塞事故；二是在合金冶炼期间，由于发生物料飞溅等情况，导致飞溅的物料落入中间包坩埚底部小孔，从而导致液流堵塞事故发生。
另外，在中间包加热方式上，一般有感应加热和电阻加热两种，感应加热的缺点比较明显：1、与主冶炼线圈发生干扰；2、坩埚为石墨材质；3、温度较低，一般很难达到1200℃。采用电阻加热主要的优点是采用直流电源，不会与主冶炼线圈发生干扰，对坩埚的材质没有限制，可以保持在1200℃或者更高的温度。但电阻加热方式的缺点是：气体雾化结束后，会打开炉门进行操作，因此发热体经常在高温下接触大气，普通的合金发热体和石墨发热体无法满足该要求；如采用不怕高温氧化的钼硅发热体，由于其强度低、脆性大，很容易在日常生产中发生损坏，而整体更换钼硅发热体成本太高。
发明内容
为避免堵塞事故发生，除了在工艺上进行调整之外，也应该在气体雾化设备上进行改造，以求最大限度地降低事故发生率。本发明的目的在于提供一种用于气体雾化制粉的中间包系统，通过优化结构设计，增加了中间包坩埚的内壁保温效果，同时熔化过程中避免飞溅物料落入中间包坩埚，从而针对性地解决造成液流堵塞的两大主因。另外，本发明能够解决发热体维护成本过高的问题。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种用于气体雾化制粉的中间包系统，包括防溅挡板、加热炉、坩埚、隔热底板、导流管和挡板固定杆；其中：所述坩埚为石墨坩埚或陶瓷坩埚，坩埚置于加热炉内，所述坩埚的底面设有导流管；所述加热炉的底部为保温底板，加热炉的上方设有防溅挡板；所述防溅挡板能够围绕设于加热炉外侧的挡板固定杆旋转，以使防溅挡板能够移至加热炉上方或者移离加热炉，实现对中间包坩埚的覆盖和露出。
所述防溅挡板为圆板状，其外周设置一凸起，凸起上设有轴承孔，通过轴承孔将所述轴承外侧面与防溅挡板焊接或用螺栓连接在一起；所述轴承套装于所述挡板固定杆上，所述防溅挡板能够通过所述轴承围绕所述挡板固定杆旋转。
所述防溅挡板为金属材质，防溅挡板底部设有圆形凹槽，凹槽内嵌入可更换的圆形耐火陶瓷片。
所述耐火陶瓷片直径应大于所述加热炉内径，所述耐火陶瓷片嵌入所述防溅挡板底部凹槽内，并用所述金属挡片固定。
所述加热炉使用电阻加热方式，包括保温炉体、发热体、铝制连接带、陶瓷管和隔热底板；所述发热体为U型钼硅棒，U型钼硅棒的两自由端设计为直角结构； U型钼硅棒两自由端分别通过所述陶瓷管穿过炉体，U型钼硅棒的U型部分留在炉体内并镶在炉体保温材料中。
所述发热体为6个，6个发热体的U型部分均匀设置在炉体内侧壁上；在炉体外，相邻的两个发热体的自由端使用能够弯折的铝制连接带连接；加热炉内所有发热体通过铝制连接带串联连接，只留相邻两组发热体的相邻两个自由端用于通过铝制连接带接电源电线。
所述保温炉体的侧壁上嵌入热电偶，保温炉体的底部为隔热底板。
所述陶瓷坩埚为氧化镁坩埚、氧化铝坩埚、镁铝坩埚或氧化锆坩埚，所述陶瓷坩埚置于不锈钢桶中，坩埚与不锈钢桶之间的缝隙为电熔镁砂层。
所述挡板固定杆的旋转动作由把手的旋转实现，具体如下：所述挡板固定杆上套装的轴承下方设有齿轮，轴承与所述齿轮相啮合，实现由竖直平面的转动变为水平面的转动；所述齿轮与连接杆的一端焊接或使用螺纹连接，连接杆的另一端连接所述把手，所述把手设于气体雾化炉外部；通过转动所述把手来移动所述防溅挡板，从而实现不破坏炉体密封的情况下，从气体雾化炉外操作防溅挡板的目的。
本发明的优点和有益效果如下：
1、针对金属液流经过中间包坩埚和导流管易发生冷凝的缺点，本发明研制了一种用于气体雾化制粉的中间包系统。该系统具备可以自动控制的中间包坩埚加热保温系统，可以调节中间包坩埚的温度、升温速率等关键参数。
2、针对在熔炼过程中由于金属飞溅导致的中间包坩埚底部小孔堵塞而造成的停喷事故，本发明的中间包系统设置了防溅系统。该系统由防溅挡板和操作控制组件两部分组成。可以有效地遮盖中间包坩埚，避免飞溅物落入中间包坩埚。同时，由于防溅挡板的存在，使得中间包坩埚温度更高，更均衡。
3、中间包采用电阻加热，并使用了钼硅棒作为发热体。电阻加热不需要考虑与主感应线圈之间的干扰，可以使用石墨坩埚或者普通镁铝等陶瓷坩埚，不需要使用石墨加热套，温度控制更为精准；钼硅棒升温迅速，能达到1600℃的高温，且不会氧化，无需降温即可接触大气。
4、中间包钼硅棒发热体采用独体设计，可单独更换，维修成本大幅下降。
附图说明
图1为本发明用于气体雾化制粉的中间包系统结构示意图(石墨坩埚)。
图2为本发明用于气体雾化制粉的中间包系统结构示意图(非石墨坩埚)。
图3为本发明中间包系统中防溅挡板结构示意图(纵剖视图)。
图4为本发明中间包系统中防溅挡板结构示意图(横剖视图)。
图5为本发明中间包系统中的中间包加热炉结构整体侧视图。
图6为本发明中间包系统中的中间包加热炉结构整体俯视图。
图7为本发明中间包系统中的中间包加热炉中发热体示意图。
图中：1-防溅挡板；101-螺栓；102-螺母；103-金属挡片；2-加热炉；201-发热体；202-铝制连接带；203-陶瓷管；204-保温炉体；205-热电偶；3-石墨坩埚；4-保温底板；5-导流管；6-挡板固定杆；7-轴承；8-齿轮；9-连接杆；10-轴密封件；11- 把手；12-耐火陶瓷片；13-不锈钢桶；14-电熔镁砂层；15-陶瓷坩埚。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，以下结合附图和实施例对本发明进行描述，但实施例仅为对本发明的特点和优点做进一步阐述，而不是对本发明权利要求的限制。
本发明提供一种用于气体雾化制粉的中间包系统，可以用于倾倒式气体雾化制粉。本系统可以使用石墨坩埚也可以使用氧化镁、氧化铝等陶瓷坩埚。使用石墨坩埚时，其结构如图1-2所示。使用氧化镁、氧化铝等陶瓷坩埚时，其结构如图2所示。该中间包系统包括防溅挡板1、加热炉2、坩埚(石墨坩埚或陶瓷坩埚)、保温底板4、导流管5、挡板固定杆6、轴承7、齿轮8、连接杆9、轴密封件10、把手 11、耐火陶瓷片12、不锈钢桶13和电熔镁砂层14；所述坩埚置于加热炉内，加热炉的上方设有防溅挡板；所述坩埚的底面设有导流管5，所述加热炉的底部设计为保温底板；所述防溅挡板能够围绕设于加热炉外侧的挡板固定杆6旋转，以使防溅挡板能够移至加热炉上方或者移离加热炉，实现对中间包坩埚的覆盖和露出，通过调节防溅挡板位置避免飞溅的液滴进入中间包坩埚。用来保护坩埚不受污染和增强坩埚保温效果。各部分具体结构及连接关系如下：
所述防溅挡板的结构如图3-4所示，该防溅挡板为圆板状，其外周设置一凸起，凸起上设有轴承孔，通过轴承孔将所述轴承7外侧面与防溅挡板1焊接或螺栓连接在一起，所述轴承7套装固定于所述挡板固定杆6上，所述防溅挡板1能够通过所述轴承7围绕所述挡板固定杆6旋转，防溅挡板为金属材质(钢或不锈钢)，底部设有圆形凹槽，凹槽内可嵌入可更换的圆形耐火陶瓷片12。
所述耐火陶瓷片12直径应大于加热炉2内径。所述耐火陶瓷片12卡在所述防溅挡板1底部凹槽内，并用所述金属挡片103固定。金属挡片103用穿过所述防溅挡板1的螺栓101(用螺母102拧入螺栓固定)固定在防溅挡板上，金属挡片103 共4个，对称分布。
所述加热炉2使用电阻加热方式，结构如图5-7所示，包括发热体201、铝制电力连接带202、陶瓷管203、保温炉体204和隔热底板4组成。所述发热体201 使用钼硅棒，钼硅棒由一个U型棒和两个自由端的直角弯组成，其中，U型棒为实际发热部位，直角弯直径较粗，两个自由端分别通过陶瓷管203穿过炉体，并在炉体外留有用于接电的部分，U型部分镶在炉体保温材料中。整个系统有6组这样的所述发热体201，六个发热体平均分布在炉体隔热材料中，相邻的两个发热体使用能够弯折的铝制连接带202连接。加热炉内所有发热体串联，只留一组接电源电线。所述保温炉体的侧壁上嵌入热电偶205。
炉体内部发热体加热使用直流电源，配合炉内所述热电偶205测温数据反馈，利用电源自带的程序，可以通过电源设定调节电阻加热温度及升温降温速率，实现升温、保温、降温的可编程自动化操作。
所述坩埚可以为石墨坩埚3或陶瓷坩埚15；如图1所示，所述石墨坩埚3的底部有台阶状小孔，用来与所述导流管5密封配合。如图2所示，所述陶瓷坩埚15 可以为氧化镁坩埚、氧化铝坩埚、镁铝坩埚、氧化锆等普通陶瓷坩埚，使用时应将所述陶瓷坩埚15置于所述不锈钢桶13中，坩埚与不锈钢桶之间的缝隙为所述电熔镁砂层14，电熔镁砂应尽力捣实，底部和顶部应使用电熔镁砂及水玻璃混合物密封。
所述挡板固定杆6的旋转动作由把手11的旋转实现，具体如下：所述挡板固定杆6上套装的轴承7上方有限位，下方有齿轮，轴承7与所述齿轮8配合，实现由竖直平面的转动变为水平面的转动。
所述齿轮8一端与所述轴承7配合，另一端与所述连接杆9焊接，或使用螺纹连接。
所述连接杆9穿过所述轴密封10连接炉内的所述齿轮8与炉外的所述把手10。本发明中，可以通过转动所述把手10来移动所述防溅挡板1，从而实现不破坏炉体密封的情况下，从气体雾化炉外操作防溅挡板的目的。
本发明中间包坩埚加热保温系统，用于对中间包坩埚加热和保温，本发明采用了电阻加热保温方式。电阻式加热保温系统由氧化铝纤维保温材料(炉体材质)和电阻加热材料(发热体)组成，最高可以加热到1200℃并保温，可以使用任何材质的坩埚。相对于常用的感应加热方式，电阻加热不需要考虑两个感应线圈之间的干扰，不需要使用石墨坩埚或石墨加热套，温度控制更为精准。该系统可以预埋热电偶对加热和保温进行测温。控制系统可实现升温和保温的自动化控制。
所述中间包坩埚可以为高强石墨、氧化镁、氧化铝等材质，坩埚底部有小孔，用来安放导流管。除高强石墨坩埚外，其他陶瓷材质坩埚应外置护套，以免坩埚炸裂。
所述导流管一般采用氮化硼、陶瓷材质，与中间包坩埚底部小孔密封配合，使液流经由导流管到达雾化室进行雾化。
所述中间包坩埚防溅系统分为两个部分，一为防溅挡板，二为操作控制组件(包括挡板固定杆、轴承、齿轮、连接杆和把手)。防溅挡板一般为不锈钢或其他钢材，底部嵌有陶瓷等耐高温板材；操作控制组件用来在炉外控制防溅挡板的移动。
该中间包系统可以使用任何材质坩埚作为中间包坩埚，可以实现中间包坩埚温度的自动精确控制和保证冶炼过程中无杂质进入中间包坩埚，避免了熔炼过程中融液飞溅造成中间包坩埚堵塞，大大减少中间包堵塞事故的发生，提高气体雾化的成功率。该装置适用于倾倒式气体雾化设备。
实施例1：
本应用实例中使用的中间包加热炉内径170mm，外径360mm，外壳为316不锈钢，内衬隔热材料为氧化铝纤维，发热体使用钼硅U型棒，共6个，平均分布在加热炉内衬上，加热炉使用直流电源，各U型棒串联。使用的高强石墨坩埚外径为 140mm，高与加热炉平齐，防溅挡板耐火陶瓷片直径180mm。加热炉与坩埚之间的缝隙用氧化铝纤维在加热炉顶部覆盖。气体雾化整个生产中，雾化炉是密封的，所有操作只能在炉外进行。因此，在炉门关闭前，务必检查好中间包坩埚、加热炉、防溅盖板等部件，以免导致生产事故。
一般来说，气体雾化生产中，加热炉和主冶炼线圈同时供电，或者加热炉更早一些供电，待加热炉开始加热时，应先将防溅挡板转到完全覆盖坩埚且与坩埚同心位置，以免主冶炼坩埚物料熔化迸溅时，将金属颗粒溅入中间包坩埚，加热炉工作时可以开启自动加热程序，待升到1100℃时，自动保温至雾化结束，然后断电降温。在加热过程中，如需观察中间包坩埚状态，可随时用炉外把手将防溅挡板转开进行观察，完毕后将防溅挡板复位即可。雾化时，在主冶炼坩埚倾倒时，先用炉外的把手将防溅挡板转至一旁，使坩埚全部露出，然后立即倾倒雾化。雾化完毕开炉，清理防溅挡板上迸溅的金属颗粒，以免下一炉抽真空时损坏设备，检查防溅挡板下方耐火陶瓷板状态，如有损坏，应降温后更换。
实施例2：
本应用实例中使用的中间包加热炉内径170mm，外径360mm，外壳为316不锈钢，内衬隔热材料为氧化铝纤维，发热体使用钼硅U型棒，共6个，平均分布在加热炉内衬上，加热炉使用直流电源，各U型棒串联。。防溅挡板耐火陶瓷片直径 180mm。使用的氧化铝坩埚外径为105mm，高与加热炉平齐，不锈钢桶内径为 150mm，厚3mm，高于加热炉平齐。先将氧化铝坩埚置于不锈钢桶内并同心摆放，坩埚与桶之间的缝隙底部用电熔镁砂和水玻璃混合物密封，加入电熔镁砂，并用铁棒捣实，顶部用电熔镁砂和水玻璃混合物密封。静置约1h后，整体放入加热炉内，同心摆放。不锈钢桶与加热炉之间的缝隙可以氧化铝纤维材料覆盖，达到保温目的。气体雾化整个生产中，雾化炉是密封的，所有操作只能在炉外进行。因此，在炉门关闭前，务必检查好中间包坩埚、加热炉、防溅盖板等部件，以免导致生产事故。
一般来说，气体雾化生产中，加热炉和主冶炼线圈同时供电，或者加热炉更早一些供电，待加热炉开始加热时，应先将防溅挡板转到完全覆盖坩埚且与坩埚同心位置，以免主冶炼坩埚物料熔化迸溅时，将金属颗粒溅入中间包坩埚，加热炉工作时可以开启自动加热程序，待升到1200℃时，自动保温至雾化结束，然后断电降温。在加热过程中，如需观察中间包坩埚状态，可随时用炉外把手将防溅挡板转开进行观察，完毕后将防溅挡板复位即可。雾化时，在主冶炼坩埚倾倒时，先用炉外的把手将防溅挡板转至一旁，使坩埚全部露出，然后立即倾倒雾化。雾化完毕开炉，清理防溅挡板上迸溅的金属颗粒，以免下一炉抽真空时损坏设备，检查防溅挡板下方耐火陶瓷板状态，如有损坏，应降温后更换。
实施例3：
本应用实例中使用的中间包加热炉内径170mm，外径360mm，外壳为316不锈钢，内衬隔热材料为氧化铝纤维，发热体使用钼硅U型棒，共6个，平均分布在加热炉内衬上，加热炉使用直流电源，各U型棒串联。防溅挡板耐火陶瓷片直径 180mm。使用的镁铝坩埚外径为105mm，高与加热炉平齐，不锈钢桶内径为150mm，厚3mm，高于加热炉平齐。先将氧化铝坩埚置于不锈钢桶内并同心摆放，坩埚与桶之间的缝隙底部用电熔镁砂和水玻璃混合物密封，加入电熔镁砂，并用铁棒捣实，顶部用电熔镁砂和水玻璃混合物密封。静置约1h后，整体放入加热炉内，同心摆放。不锈钢桶与加热炉之间的缝隙可以氧化铝纤维材料覆盖，达到保温目的。雾化时，在主冶炼坩埚倾倒时，先用炉外的把手将防溅挡板转至一旁，使坩埚全部露出，然后立即倾倒雾化。
Claims (9)
1.一种用于气体雾化制粉的中间包系统，其特征在于：该中间包系统包括防溅挡板、加热炉、坩埚、隔热底板、导流管和挡板固定杆；其中：所述坩埚为石墨坩埚或陶瓷坩埚，坩埚置于加热炉内，所述坩埚的底面设有导流管；所述加热炉的底部为保温底板，加热炉的上方设有防溅挡板；所述防溅挡板能够围绕设于加热炉外侧的挡板固定杆旋转，以使防溅挡板能够移至加热炉上方或者移离加热炉，实现对中间包坩埚的覆盖和露出。
2.根据权利要求1所述的用于气体雾化制粉的中间包系统，其特征在于：所述防溅挡板为圆板状，其外周设置一凸起，凸起上设有轴承孔，通过轴承孔将所述轴承外侧面与防溅挡板焊接或用螺栓连接在一起；所述轴承套装于所述挡板固定杆上，所述防溅挡板能够通过所述轴承围绕所述挡板固定杆旋转。
3.根据权利要求1或2所述的用于气体雾化制粉的中间包系统，其特征在于：所述防溅挡板为金属材质，防溅挡板底部设有圆形凹槽，凹槽内嵌入可更换的圆形耐火陶瓷片。
4.根据权利要求3所述的用于气体雾化制粉的中间包系统，其特征在于：所述耐火陶瓷片直径应大于所述加热炉内径，所述耐火陶瓷片嵌入所述防溅挡板底部凹槽内，并用所述金属挡片固定。
5.根据权利要求1所述的用于气体雾化制粉的中间包系统，其特征在于：所述加热炉使用电阻加热方式，包括保温炉体、发热体、铝制连接带、陶瓷管和隔热底板；所述发热体为U型钼硅棒，U型钼硅棒的两自由端设计为直角结构；U型钼硅棒两自由端分别通过所述陶瓷管穿过炉体，U型钼硅棒的U型部分留在炉体内并镶在炉体保温材料中。
6.根据权利要求5所述的用于气体雾化制粉的中间包系统，其特征在于：所述发热体为6个，6个发热体的U型部分均匀设置在炉体内侧壁上；在炉体外，相邻的两个发热体的自由端使用能够弯折的铝制连接带连接；加热炉内所有发热体通过铝制连接带串联连接，只留一组发热体的相邻两个自由端用于接电源电线。
7.根据权利要求5所述的用于气体雾化制粉的中间包系统，其特征在于：所述保温炉体的侧壁上嵌入热电偶，保温炉体的底部为隔热底板。
8.根据权利要求1所述的用于气体雾化制粉的中间包系统，其特征在于：所述陶瓷坩埚为氧化镁坩埚、氧化铝坩埚、镁铝坩埚或氧化锆坩埚，所述陶瓷坩埚置于不锈钢桶中，坩埚与不锈钢桶之间的缝隙为电熔镁砂层。
9.根据权利要求2所述的用于气体雾化制粉的中间包系统，其特征在于：所述挡板固定杆的旋转动作由把手的旋转实现，具体如下：所述挡板固定杆上套装的轴承下方设有齿轮，轴承与所述齿轮相啮合，实现由竖直平面的转动变为水平面的转动；所述齿轮与连接杆的一端焊接或使用螺纹连接，连接杆的另一端连接所述把手，所述把手设于气体雾化炉外部；通过转动所述把手来移动所述防溅挡板，从而实现不破坏炉体密封的情况下，从气体雾化炉外操作防溅挡板的目的。
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| CN117109301A (zh) * | 2023-10-25 | 2023-11-24 | 山西第三代半导体技术创新中心有限公司 | 一种用于制备大孔径碳化硅粉料的坩埚结构 |
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