CN113828781A - 一种水雾化法生产非晶态粉末的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供的水雾化法生产非晶态粉末的装置和方法，先利用水雾化装置进行雾化和初步冷却，然后通过冷却涡轮进行再次冷却，还可以将冷却塔内壁设为冷却壁，实现对粉末的第三次冷却，冷却速率高；冷却涡轮的叶片高速旋转，可以避免传统水雾化法中因高温熔融液滴表面生成了蒸汽膜而造成的冷却速率下降问题，也避免了熔融液滴在叶片上凝结成块的问题；另外，水雾化后的水流与涡轮叶面持续接触，可以实现对涡轮叶片的降温，使涡轮叶片在长时间工作后温度不会显著上升，保证急冷形成粉末材料非晶组织所需的过冷度，使得整个装置可以长时间的工作，提高了生产效率，适应于大批量生产。

Description

一种水雾化法生产非晶态粉末的装置和方法
技术领域
本发明涉及材料制备技术领域，具体涉及一种水雾化法生产非晶态粉末的装置和方法。
背景技术
急冷法制备非晶合金技术的关键是实现高速冷却，其原理是：当原料物质（比如熔融金属）在冷却过程中的冷却速率足够大时，物质中的原子就会随着温度的降低失去动能，运动急剧变慢，最终使得物质内部绝大部分原子迅速地被“冻结”下来，且体积来不及发生突变（正常结晶时体积会发生突变），从而形成非晶合金。该制备技术中冷却速度一般要达到104K/s～106K/s，才能有效地抑制液态金属在冷却过程中的形核和长大，实现非晶合金的生成。
目前非晶合金的常见制备方法是气体雾化法和水雾化法。其中气体雾化法需要大量的惰性气体，存在生产成本太高的问题，且气体的导热性较差，因而气雾化法的冷却速率一般较低，仅能满足少数种类的非晶合金的制备要求；而水雾化法具有更大的冷却速率，可满足更多种类的非晶合金的制备要求，因此被很多企业所采用，如中国专利201210582344.9就公开了一种采用水雾化法制备Mo2FeB2基热喷涂用非晶复合粉末的方法，非晶含量可达50％以上，但这样的含量己经不能满足现代社会生产的需求了。传统的水雾化制备方法中，高温熔融金属与水流强烈地相互作用，雾化为熔融金属液滴，水在熔融金属液滴的表面会生成蒸汽膜，该蒸汽膜比水的热传导速率低，阻碍了熔融液滴的急剧冷却，特别是不能对熔融液滴的中心部位进行快速冷却，导致不能获得完全非晶态粉末的问题。因此，有必要对现有的水雾化法生产非晶材料的设备及方法进行改进，以解决这一问题。
发明内容
本发明的目的是提供一种水雾化法生产非晶态粉末的装置及方法，相比传统的水雾化制备装置及方法，可以有效提高融熔金属的冷却速率和产品质量。
本发明解决上述问题的技术方案为：一种水雾化法生产非晶态粉末的方法，包括如下步骤：将高温熔液通过水雾化装置喷出的水流雾化成粉末颗粒；粉末颗粒及水流继续与水雾化装置下方的冷却涡轮接触，使粉末颗粒实现快速冷却，冷却速率为104-106k/s；对粉末进行收集。
进一步的，经过冷却涡轮冷却后的粉末继续通过冷却壁冷却后，再进行收集。
进一步的，冷却涡轮设置在水雾化装置水流喷射方向的前方，且距离在1m以内，使经过水雾化装置打散后的粉末颗粒与冷却涡轮可以迅速接触，并进行冷却，提高冷却速率和产品质量。
一种水雾化法生产非晶态粉末的装置，包括水雾化装置、冷却塔和冷却涡轮，水雾化装置位于冷却塔上方，冷却塔内设有雾化室，冷却涡轮安装在雾化室内，用于对雾化后的粉末颗粒进行冷却。
进一步的，冷却塔的内侧壁为冷却壁，并且雾化室呈上部大下部小的漏斗状，雾化室内由于冷却涡轮的转动作用而存在旋转风，粉末颗料可以在冷却壁上沿螺旋路径下滑，延长了粉末颗粒与冷却壁的接触时间，提高了冷却效果。
进一步的，冷却壁为夹层结构，夹层内采用水或液氮或低温气体作为冷却介质，保证冷却壁的表面温度不超过60℃；优选的，可以采用无盐水作为冷却液，无盐水腐蚀性弱，可以延长冷却壁的使用寿命。
进一步的，冷却涡轮通过支撑装置固定在雾化室内，支撑装置包括安装基座和支撑件，支撑件一端固定在冷却塔的内侧壁上，另一端连接安装基座；优选的，所述支撑件至少有两个，以保证安装基座的稳定性。
进一步的，所述冷却涡轮固定在安装基座的上方；支撑件连接在安装基座下表面的周边，便于在安装基座的下方设置驱动装置；驱动装置与冷却涡轮连接，并驱动冷却涡轮旋转；驱动装置为马达；优选的，在驱动装置的外部设置密封护罩，防止粉末入侵驱动装置内部，影响驱动装置的使用寿命。
进一步的，冷却涡轮的直径在0.3-1m之间，冷却涡轮距离水雾化装置的垂直距离在0.1-1m之间，以保证经雾化处理后的粉末颗粒分布在涡轮叶片的覆盖范围内，使雾化后的所有粉末颗粒均能够与涡轮叶片表面接触。
进一步的，冷却涡轮的转速范围为100-5000转/每分钟，当冷却涡轮的旋转速度太小的时候，雾化后的粉末颗粒可能会堆积在涡轮叶面上，部分粉末颗粒达不到急冷效果，当冷却涡轮的旋转速度太大的时候，粉末颗粒与冷却涡轮的叶面接触时间太短，来不及实现急冷效果，甚至还可能出现粉末颗粒被撞击压扁的情况；因此，冷却涡轮的转速要根据生产原料的类型不同而进行相应调整；同时可以控制高温熔液的流速，使碰撞后形成的粉末颗粒数量及其与涡轮叶片的接触时间适宜，在保证高速冷却效果的同时尽可能提高生产效率。
本发明装置及方法的原理是，使高温熔液经水雾化装置喷出的高压水流打散并初步冷却形成未完全凝固的颗粒，此时颗粒内部仍然是高温液体，但由于其表面与水流相互作用形成了一层蒸汽膜，阻碍了颗粒的快速冷却；因此本发明在水雾化装置处理后，让形成的颗粒继续与高速旋转的冷却涡轮的叶片直接接触，接触的同时发生热传递，使粉末高速冷却从而提高非晶粉末产品质量。
本发明的有益效果：本发明提供的制备非晶态粉末的装置及方法，先利用水雾化装置进行雾化和初步冷却，再通过冷却涡轮进行冷却，优选的，还可以利用冷却壁第三次冷却，冷却速率高，涡轮叶片高速旋转可以避免传统水雾化法中因高温熔融液滴表面生成了蒸汽膜而造成的冷却速率下降问题，也避免了熔融液滴在叶片上凝结成块的问题；另外，水雾化后的水流也与涡轮叶面也持续接触，可以实现了对涡轮叶片的降温，使涡轮叶片长时间工作后温度保持恒定，使得整个制备装置可以长时间的工作，提高了生产效率，并适应大批量生产。
附图说明
图1是本发明的实施例1的整体结构示意图；
图2是图1中A部分的放大图；
图3是本发明的实施例2的整体结构示意图；
图4是图3中B部分的放大图；
图中：1-高温熔液，2-限流管，3-水雾化喷嘴，4-水流，5-安装板，6-观察窗，7-冷却涡轮，8-安装基座，9-驱动装置，10-压力传感器接口，11-支撑件，12-泄压口，13-密封护罩，14-排水口，15-补水口，16-雾化室，17-排气口，18-冷却水，19-水位检测口，20-收集管道，21-冷却壁。
具体实施方式
以下结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
如图1和2 所示，本实施例是一种水雾化法生产非晶态粉末的装置，包括限流管2、水雾化装置、冷却塔和冷却涡轮7；通过限流管2向冷却塔提供高温熔液1，同时限流管2还可以控制高温熔液1的流速；水雾化装置包括水雾化喷嘴3，水雾化喷嘴3喷出的水流4将高温熔液1雾化并进行初步冷却从而形成未完全凝固的粉末颗粒；限流管2及水雾化喷嘴3均通过安装板5固定在冷却塔上方；冷却塔内部的雾化室16中设有安装基座8，安装基座8通过支撑件11固定于雾化室16的上部，冷却涡轮7固定在安装基座8的上方，并位于限流管2的正下方，安装基座8的下方固定有用于驱动冷却涡轮7旋转的驱动装置9，驱动装置9外部设置有密封护罩13，用于防止粉末进入驱动装置9的内部，影响驱动装置9的正常使用，本实施例中的驱动装置9为电动马达。
本实施例中，水雾化装置喷出的水流4压力范围在1-150MPa之间，冷却涡轮7的直径为0.3m，冷却涡轮7距离水雾化装置的垂直距离为0.5m左右，同时还通过调整水雾化装置中水雾化喷嘴3的喷射角度，保证雾化处理后的粉末颗粒分布范围包含在涡轮叶片的覆盖范围内，尽可能使所有的粉末颗粒与涡轮叶片的叶面接触，本实施例中冷却涡轮的涡轮叶片采用金属钛制成，钛的导热性良好，雾化后的粉末颗粒与涡轮叶片的表面接触可以快速实现热量传递，本实施例的冷却涡轮7的转速范围为100-5000转/每分钟，工作时冷却涡轮7的实际转速根据当前的生产原料的类型进行调整。
本实施例中的冷却塔上还设有压力传感器接口10、观察窗6、补水口15、泄压口12、排气口17、排水口14、水位检测口19及收集管道20，这些部件或特征的作用与现有技术相同，且为本领域的技术人员所公知，在此不作赘述。
本实施例工作时，预先在雾化室16内充入惰性气体，比如氮气，防止氧化，并启动水雾化喷嘴3及冷却涡轮7；当高温熔液1通过限流管2进入冷却塔时，被水雾化喷嘴3喷出的高压高速水流4打散成粉末颗粒，粉末颗粒与水流4继续飞向下方高速旋转的冷却涡轮7，在离心力的作用下，粉末颗粒向冷却涡轮7的外沿方向运动，在运动的过程中，可以通过与冷却涡轮7的叶片间的接触来实现热量传递，使粉末颗粒高速冷却，粉末颗粒被冷却涡轮甩出并飞向冷却塔的侧壁，最后掉落到冷却塔底部的冷却水18中，通过冷却塔底部的收集管道20收集。
实施例2
如图3-4所示，本实施例2与实施例1的区别在于，本实施例2中冷却涡轮7的直径为1m；且冷却塔的侧壁为冷却壁21，冷却壁21采用金属钨制成，可以实现良好的导热效果，冷却壁21与水平面呈75度的夹角，粉末颗粒沿冷却壁21下滑，延长了粉末颗粒与冷却壁21间的接触时间，提高冷却效果，本实施使中的冷却壁21采用夹层结构，夹层内用除盐水作为冷却液，无盐水的侵蚀性小，可以提高冷却壁21的使用寿命。
显然，以上仅为本发明的部分实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有前述各种技术特征的组合和变型，本领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下，对本发明的改进、变型、等同替换，或者将本发明的结构或方法用于其它领域以取得同样的效果，都属于本发明包括的保护范围。

Claims (10)

1.一种水雾化法生产非晶态粉末的方法，包括以下步骤：将熔融后的金属物料经水雾化形成粉末颗粒；其特征在于：雾化后的粉末颗粒通过旋转的冷却涡轮冷却；对冷却后的粉末进行收集。
2.如权利要求1所述的一种水雾化法生产非晶态粉末的方法，其特征在于：将经过冷却涡轮冷却后的粉末颗粒继续通过冷却壁冷却后，再进行收集。
3.如权利要求1-2任一项所述的方法所使用的一种水雾化法生产非晶态粉末的装置，包括水雾化装置和冷却塔，冷却塔内设有雾化室，水雾化装置位于冷却塔上方，其特征在于：还包括用于对粉末颗粒进行冷却的冷却涡轮。
4.如权利要求3所述的一种水雾化法生产非晶态粉末的装置，其特征在于：所述冷却塔的侧壁为冷却壁，并且雾化室呈上部大下部小的结构，粉末颗粒沿冷却壁下滑，延长了粉末颗粒与冷却壁的接触时间，提高冷却效果。
5.如权利要求4所述的一种水雾化法生产非晶态粉末的装置，其特征在于：所述冷却壁为夹层结构，夹层内采用水或液氮或低温气体作为冷却介质，保证冷却壁的表面温度不超过60℃。
6.如权利要求5所述的一种水雾化法生产非晶态粉末的装置，其特征在于：所述冷却涡轮通过支撑装置固定在雾化室内，所述支撑装置包括安装基座和支撑件，支撑件一端固定在冷却塔的内侧壁上，另一端连接安装基座，所述支撑件至少有两个。
7.如权利要求6所述一种水雾化法生产非晶态粉末的装置，其特征在于：所述支撑件连接在安装基座下表面的周边；冷却涡轮固定在安装基座的上方，安装基座的下方设置有驱动装置，驱动装置驱动冷却涡轮旋转，所述驱动驱装置的外部还设有密封护罩。
8.如权利要求7所述一种水雾化法生产非晶态粉末的装置，其特征在于：所述冷却涡轮的直径为0.3-1m，保证经水雾化装置处理后形成的粉末颗粒的分布范围处于涡轮叶片的覆盖范围之内，使雾化后的所有粉末颗粒均与涡轮叶片接触。
9.如权利要求7所述的一种水雾化法生产非晶态粉末的装置，其特征在于：所述冷却涡轮的转速范围为100-5000转/每分钟。
10.如权利要求8所述的一种水雾化法生产非晶态粉末的装置，其特征在于：所述冷却涡轮采用具有高熔点、高导热性的钨、钽、钼、铌、铪、铬、钒、锆、钛及其合金材料制成，雾化后的粉末颗粒落入冷却涡轮的叶片上，在离心力的作用下，向冷却涡轮的外沿方向运动，在运动的过程中，通过与冷却涡轮的接触实现冷却。
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