CN113828787A - 气体循环纯化及控温的单金属或合金粉末制备方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体循环纯化及控温的单金属或合金粉末制备方法及系统，该方法通过气体循环纯化，提高产品纯度，实现高端合金及金属粉末生产。同时通过在熔化炉上设置有气体预热机构，一方面可以实现雾化气体的加热，提高金属粉末的球型度，同时可大大降低熔化炉的热辐射，降低炉表温度和烟气温度。另一方面，通过增设气化冷却室以及采用具有双壳层冷却夹腔雾化室结构，提高了雾化室内部的冷却环境，提高了金属粉末的细粉率。本发明还具有能耗低，占地少，操作简单便捷的特点。

Description

气体循环纯化及控温的单金属或合金粉末制备方法及系统

技术领域

本发明涉及一种合金及单金属粉末制备工艺，具体涉及一种气体循环纯化及控温的单金属或合金粉末制备方法及系统，属于金属粉末加工技术领域。

背景技术

金属粉体制备的方法主要包括气雾化法、液滴喷射法、切丝打孔重烙法、电火花腐蚀法等。其中，气雾化法是近年来发展较快、应用较为广泛的一种粉末制备技术。气雾化法制备粉末，是利用高压高速气流作用于熔融液流，将高速气体的动能转化为熔滴的表面能，进而将熔体破碎形成细小液滴并球化冷却生成粉末。气雾化制粉具有环境污染小、工艺简单、冷却速度快等优点，制备的粉末具有球形度高、成分均匀、晶粒细小等优点，但也存在着粒度分布宽，氧含量高、消耗大量气体、成本高等需要解决的问题。以生产球型铝粉为例，现有球形铝粉生产系统由于其生产时铝粉分级颗粒控制不严格、雾化所使用氮气回收及循环利用效率低等因素，导致系统整体产能小、能耗高。这点从目前行业内的生产数据也可得出：截止到2019年底，国内球形铝粉生产企业，在经营的有13家，共31条生产线，年产能仅14万吨，国内大多数企业单线产能仅为2000～4000吨/年；而熔化每吨铝锭需耗柴油120～150L，生产每吨铝粉耗电高达1200～1400度。

气雾化法中，雾化气体及雾化过程中所涉及的参数有气体性质、进气压力、气流速度等,金属液流及其相关过程中所涉及的参数有金属液流性质、过热度、液流直径等，这些参数直接影响金属粉末的粒径分布及微观组织结构。在冷凝过程中，金属粉末的形貌与液态金属的球化时间以及凝固时间有关，当液态金属的球化时间小于凝固时间，液态金属凝固之前有充足时间球化，最后得到粉末为球形；当液态金属的球化时间大于凝固时间，液态金属凝固之前没有充足时间球化，得到粉末为不规则形状。目前气雾化法制备金属粉末普遍采用冷气体作为雾化气体，导致金属液滴来不及球化就凝固成粉末，容易出现粉末球形度低(球形度≤80％)的问题。部分企业为了克服这一缺陷，通过增设加热设备，提前将雾化气体进行加热，进而提高雾化气体的能量，以提高金属粉末的球型度。而额外增设气体加热设备，不仅仅增加了能耗，而且增加了设备的空间占用，极大的提高了生产成本。同时由于采用了高温的雾化气体，导致雾化室内的整体冷却气氛变弱，进而易导致细粉率降低。而且现有技术中，对雾化室进行冷却时采用的冷却介通常为水，以生产1吨铝粉为例，为例确保雾化室内的冷却氛围，冷却水的使用量为300-400m³/h，尽管冷却水可以循环使用，但是为了实现连续生产，以及存放换热后的水，不可避免的需要建设大型储水池或储水塔，极大了增大了对厂地的需求和占用，增大了生产投入的成本。

目前，在金属熔炼工艺中，特别是微细球形铝粉生产工艺中，需要采用熔化炉将原材料铝锭进行熔化，现熔化炉由于采用标准规格普通耐火砖砌成炉膛时，每块砖与炉膛接触的四边存在缝隙，因此整个炉膛分布着多道横向和竖向夹杂耐火泥的缝隙。其缝隙面积约占整个表面的3-5％，尽管在新炉使用时，缝隙填满耐火泥，但在炉子使用后，缝隙的耐火泥会热胀冷缩，或脱落，形成部分无填充的缝隙，热量从缝隙处漏出，造成热量损失。普通耐火砖构成的炉膛内壁容易粘结铝及杂质，在5-8个月内因炉膛变小不得换新的炉子，炉子使用寿命短。普通耐火砖保温效果不理想，一方面造成热量损失，另一方面传热至炉体，使炉体表面温度过高，炉体表面温度高，致使操作环境温度高，也容易造成炉体变形，缩短炉子使用寿命。现有炉体炉膛保温层采用石棉板、珍珠岩和轻型保温材料料填充，一方面不利于炉体结构牢固，另一方面现有保温材料保温性能不佳，造成热量损失，导致能耗升高和炉子使用寿命不长，同时烟囱热烟气直接外排，进一步造成了热量的流失浪费，同时也加重了对环境的热污染。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供了一种气体循环纯化及控温的单金属或合金粉末制备方法及制备金属粉末的系统，通过在熔化炉上设置有气体预热机构，一方面可以实现雾化气体的加热，提高金属粉末的球型度，同时可大大降低熔化炉的热辐射，降低炉表温度和烟气温度。另一方面，通过增设气化冷却室以及采用具有双壳层冷却夹腔雾化室结构，提高了雾化室内部的冷却环境，提高了金属粉末的细粉率。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案具体如下所述：

根据本发明的第一种实施方案，提供一种气体循环纯化及控温的单金属或合金粉末制备系统。

一种气体循环纯化及控温的单金属或合金粉末制备系统，该系统包括熔化炉、保温炉、雾化器、雾化室、套管换热器、列管换热器、离心分级器以及液氮罐。雾化器与雾化室连接处的外部套设有气化冷却室。所述熔化炉上设置有气体预热机构。所述气化冷却室的外壳壳层中开设有气化冷却夹腔。所述雾化室的外壳壳层中自内而外依次开设有第一雾化冷却夹腔和第二雾化冷却夹腔。

根据物料的走向，所述熔化炉、保温炉、雾化器、雾化室、套管换热器、列管换热器、离心分级器依次串联连接。

根据气流的走向，液氮罐通过第一管道与气化冷却室的内腔的相连通。气化冷却室的内腔、第一雾化冷却夹腔、第二雾化冷却夹腔、气化冷却夹腔再依次串联连通。气化冷却夹腔的排气口通过第二管道与套管换热器的冷却介质入口相连通。套管换热器的冷却介质出口通过第三管道与列管换热器的冷却介质入口相连通。列管换热器的冷却介质出口通过第四管道与气体预热机构的进气口相连通，气体预热机构的排气口通过第五管道与雾化器的进气口相连通。

作为优选，气体预热机构包括烟气预热夹套以及炉壳预热环道。所述烟气预热夹套套设在熔化炉烟囱的外部。炉壳预热环道为开设在熔化炉炉壳壳层中的环形腔道。气体预热机构的进气口设置在烟气预热夹套的上部，并且烟气预热夹套的底部与炉壳预热环道的顶部相连通。气体预热机构的排气口设置在炉壳预热环道的底部。

作为优选，该系统还包括有单旋风分级器和双旋风分级器。所述单旋风分级器的进料口通过第六管道与离心分级器的排气口相连通，单旋风分级器的排气口通过第七管道与双旋风分级器的进料口相连通。离心分级器、单旋风分级器、双旋风分级器的各个卸料口处均独立连接有集料罐。

作为优选，该系统还包括有布袋除尘器，布袋除尘器的进气口通过第八管道与双旋风分级器的排气口相连通。或者布袋除尘器的进气口直接通过第六管道与离心分级器的排气口相连通。布袋除尘器的卸料口连接有集尘罐。

作为优选，布袋除尘器上还设置有脉冲反吹装置。

作为优选，该系统还包括有气体平衡罐和高压离心风机。所述气体平衡罐的进气口通过第九管道与布袋除尘器的排气口相连通。所述气体平衡罐的排气口通过第十管道与第四管道相连通。所述高压离心风机设置在第九管道上。

作为优选，气体平衡罐的排气口还通过第十一管道与离心分级器的进气口相连通。

作为优选，该系统还包括有高效过滤器、气体提纯装置、压缩机以及中压储气罐。根据气流的走向，所述高效过滤器、气体提纯装置、压缩机、中压储气罐依次串联设置在第十管道上。

作为优选，该系统还包括有反吹气罐，反吹气罐的进气口通过第十二管道与第十管道相连通。反吹气罐的排气口通过第十三管道与脉冲反吹装置的进气口相连通。第十二管道与第十管道的连接处位于中压储气罐的下游。

作为优选，气体平衡罐的进气口还通过第十四管道与第四管道相连通。在第四管道上，第十四管道与第四管道的连接处位于第十管道与第四管道连接处的上游。

作为优选，该系统还包括有液氮泵，所述液氮泵设置在第一管道上。

作为优选，该系统还包括第一换热器，所述第一换热器设置在第九管道上。

作为优选，该系统还包括第二换热器，所述第二换热器设置在第十四管道上。

作为优选，该系统还包括有压力调节器，所述压力调节器设置在第五管道上。

根据本发明的第二种实施方案，提供一种单金属或合金粉末的制备方法。

一种单金属或合金粉末的制备方法或采用第一种实施方案所述系统制备单金属或合金粉末的方法，该方法包括如下步骤：

1)启动系统，并将系统调节为具有氮气气氛保护的工作环境。

3)根据物料的走向，金属物料在熔化炉中加热融化成金属熔液并输送至保温炉中。保温炉中的金属熔液再通过雾化器进行雾化，并在雾化室中冷却形成金属粉末。最后将金属粉末经过冷却处理和分级处理后获得金属粉末产品。

3)根据气流的走向，液氮罐中的液氮输送至气化冷却室中进行气化获得低温氮气。低温氮气依次流经第一雾化冷却夹腔、第二雾化冷却夹腔、气化冷却夹腔、套管换热器的冷却腔室、列管换热器的冷却腔室进行热交换后获得中温氮气。中温氮气再进入气体预热机构中进行热交换后获得高温氮气。高温氮气经过压力调节后进入雾化器中对金属熔液进行气雾化处理。

作为优选，该方法还包括以下步骤：

4)金属粉末经过分级处理后的废气依次经过除尘和气压平衡处理后获得低压废气。低压废气的处理具体如下：

401)将低压废气循环至分级处理使用。

402)低压废气依次经高效过滤、提纯、压缩后作为除尘器反吹用气。

403)低压废气依次经高效过滤、提纯、压缩后与中温氮气汇合并进入气体预热机构中进行热交换处理。

需要说明的是，步骤401)、402)、403)可以任选其中的一步或两步或三步同时进行。制备方法中所述金属物料包括单金属物料或者合金物料。金属粉末包括单金属粉末或者合金粉末。

作为优选，所述高温氮气的温度不低于100℃，优选为100-500℃，更优选为150-400℃。高温氮气经过压力调节后的气压不低于1.5Mpa，优选为1.5-8Mpa，更优选为2-5Mpa。

在现有技术中，金属熔化炉的炉膛是由耐火砖砌成，每块砖与炉膛接触的四边存在缝隙，因此整个炉膛分布着多道横向和竖向夹杂耐火泥的缝隙。其缝隙面积约占整个表面的3-5％，尽管在新炉使用时，缝隙填满耐火泥，但在炉子使用后，缝隙的耐火泥会热胀冷缩，或脱落，形成部分无填充的缝隙，热量从缝隙处漏出，造成热量损失。同时普通耐火砖保温效果不理想，一方面造成热量损失，另一方面传热至炉体，使炉体表面温度过高，炉体表面温度高，致使操作环境温度高，也容易造成炉体变形，缩短炉子使用寿命，增大了燃料的消耗。同时现有技术中，为提高金属粉末的球型度，通过额外增设加热设备，提前将雾化气体进行加热，进而提高雾化气体的能量，以提高金属粉末的球型度。而额外增设气体加热设备，不仅仅进一步增加了能耗，而且增加了设备的空间占用，极大的提高了生产成本。同时由于采用了高温的雾化气体，还会导致雾化室内的整体冷却气氛变弱，进而易导致细粉率降低。而本发明通过改进熔化炉以及雾化室的结构，优化工艺路线，利用熔化炉的热辐射对雾化气体进行加热，即提高了雾化气体的温度，同时也降低了熔化炉炉表温度，提高了炉子的使用寿命。另一方通过直接采用液氮作为雾化室的冷却介质，强化雾化室内的冷却气氛，避免球化后的金属液滴未得到及时冷却而碰撞变形或融合，导致金属粉末球型度不高和粒径增大的问题，进而大大提高金属粉末的球型度和细粉率。

在本发明中，采用液氮作为雾化室内气氛保护以及雾化器雾化气体的来源。液氮在液氮泵的作用下，输送至气化冷却室内，并在气化冷却室内进行气化吸热，气化冷却室整体包覆在雾化器与雾化室连接处的外部(优选为整体包覆在金属熔液气雾化射程的外部)，由于液氮在气化冷却室内气化时会吸收大量的热量，进而可使得金属熔液雾化喷射的行程范围内的雾化室内部的冷却氛围得到强化，有效避免了雾化后的金属液滴的融合，提高了金属粉末的细粉率。同时，气化后的低温氮气从气化冷却室直接进入到雾化器的第一雾化冷却夹腔(靠近雾化室内腔一侧的夹层腔室)中，为雾化室内已经经过初步冷凝后的金属粉末提供后续冷却氛围。第一雾化冷却夹腔在雾化室的底部与第二雾化冷却夹腔(远离雾化室内腔一侧的夹层腔室)相连通，即在第一雾化冷却夹腔的外侧形成一个二次冷却气体包覆夹层，二次冷却气体包覆夹层一方面可以进一步强化对雾化室内部的冷却气氛，另一方面，还可以起到一个低温保温作用，即在第一雾化冷却夹腔与雾化室外壁的外部之间形成一个冷却气体过渡层，避免第一雾化冷却夹腔内的低温气体直接与外界换热，由于第二雾化冷却夹腔内的气体来源于第一雾化冷却夹腔，二者内的气体温差相对较小，进而使得第一雾化冷却夹腔内的低温气体会尽可能多的与雾化室内部进行换热，确保雾化室内部的冷却气氛。在实际生产过程中，为了进一步提高冷却效果，还可以根据需要在第二雾化冷却夹腔的外部继续增设第三雾化冷却夹腔、第四雾化冷却夹腔等等，形成多效冷却气氛保护，同时，当具有多个雾化冷却夹腔后，位于外侧的雾化冷却夹腔可以考虑单独采用水作为过渡层。同理，气化冷却室的壳层中同样设置有气化冷却夹腔，并且该气化冷却夹腔与第二雾化冷却夹腔相连通。

在本发明中，经过离心分级后的氮气，可直接经过布袋除尘处理、气压平衡处理以及氮气在线提纯处理、压缩处理后送至氮气中压储气罐中备用。中压储气罐中的氮气可以用作为布袋除尘器的反吹用气，或者循环与列管换热器输出的中温氮气混合后，再一起进入到熔化炉的气体预热机构进行加热，最后作为金属熔液的雾化喷吹用高温氮气使用。

在本发明中，通过雾化室底部排出的金属粉末还具有一定的温度(一般为90-150℃)，不能够直接进行分级回收，一般需要依次经过套管换热冷却以及列管换热冷却后才能直接进行回收。由于在本申请中，后续对雾化有的氮气温度需求较高，因此，套管换热器以及列管换器的冷却介质来源于雾化器雾化冷却夹腔内的氮气。即第二雾化冷却夹腔内的氮气通入到套管换热器以及列管换器中作为冷却介质，为提高套管换热器以及列管换器的冷却效果，进入套管换热器中的氮气可以单独来自于第一雾化冷却夹腔内的氮气或第二雾化冷却夹腔内的氮气，也可以同时来自于第一雾化冷却夹腔内和第二雾化冷却夹腔内的混合氮气。当仅来自于第二雾化冷却夹腔内的氮气时，第二雾化冷却夹腔内的氮气一般需先进入到气化冷却夹腔后再进入到套管换热器中。而依次经过套管换热和列管换热后的中温氮气被输送到熔化炉的气体预热机构中进行进一步的换热处理。

在本发明中，熔化炉为设置有气体预热机构的熔化炉，气体预热机构包括烟气预热夹套以及炉壳预热环道。烟气预热夹套套设在熔化炉烟囱的外部，一般的，为了提高烟气预热夹套内的气体与烟囱内烟气的换热效果，烟囱的外壁厚度不超过10cm(例如1-8cm，优选为3-5cm)，其材质可采用不锈钢(SUS304，316)，钛及钛钯(Ti，Ti-Pd)，20Cr，18Ni，6Mo(254SMO)，合金(C276)，铜(H68)等材质。炉壳预热环道为包覆设置在熔化炉壳层中的夹层腔室，即熔化炉的炉壳被炉壳预热环道分割为内壳和外壳两部分。炉壳预热环道的顶部与烟气预热夹套的底部相连通。从列管换热输出的中温氮气从烟气预热夹套的顶部进入，自上而下输送至烟气预热夹套的底部，与熔化炉烟囱内自下而上的烟气进行持续换热后进入到炉壳预热环道内进一步吸收熔化炉炉膛通过炉壳向外辐射的热量，进而降低熔化炉炉表温度的同时，提升烟气自身温度以满足后续金属熔液雾化需求。中温氮气先在烟气预热夹套中与烟囱内的高温烟气进行换热，可以先进一步进入炉壳预热环道内的氮气温度，相当于将烟囱需要外排的热量再运送回到炉壳中，形成一个气体保温层；另一方面，进入炉壳预热环道内的氮气温度的升高，可以降低对炉膛内部热量的吸收，避免炉壳预热环道内的氮气温度相对过低而影响到炉膛内部的温度，即尽可能的使得炉壳预热环道内的氮气仅吸收来自炉膛内部向外主动溢流辐射的热量。在实际生产过程中，可以通过控制氮气在气体预热机构中的气体流量或者流速进而调节最终获得的高温氮气的温度。

在本发明中，雾化室中的金属粉末状在充满氮气的气氛下，在经过套管和列管换热后被送入到离心分级器中进行分级处理，最粗的物料被分离出来，同时离心分级器中不断充入氮气，较细的粉末物料随着氮气被送入下一级进行分级处理(例如单旋风分级器和双旋风分级器等等)，进而获得不同粒级的粉末产品。同时，由于本方案大大提高了细粉率及分布的均匀性，微细粉末产品的产量明显得到提升。

在本发明中，完成金属粉末分级处理后的废气送入布袋除尘器中进行除尘处理，然后再输送至气体平衡罐中，需要说明的是，金属粉末和氮气由雾化室输送至气体平衡罐中均是在高压离心风机的作用下进行的。气体平衡罐中的气体主要来源于布袋除尘器除尘后的氮气以及从列管换热器中流出的部分中温氮气(根据需要决定是否对该部分气体进行冷却后再输送至气体平衡罐中)。气体平衡罐中的气体流向主要分为三部分：一是作为离心分级器的氮气补充；二是作为布袋除尘器的反吹洗用气；三是继续经过高压过滤、在线提纯和增压后与从列管换热器中流出的另一部分中温氮气汇合进入气体预热机构中加热到一定温度后作为雾化气体。

在本发明中，经过气体预热机构加热后的高温氮气的温度不低于100℃，优选为100-500℃，更优选为150-400℃。例如为100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃、160℃、170℃、180℃、190℃、200℃、220℃、240℃、260℃、280℃、300℃、320℃、340℃、360℃、380℃、400℃、430℃、450℃、480℃、500℃中的任意一个温度值，可根据实际需求进行选择调节。高温氮气经过或不经过压力调节后的气压不低于1.5Mpa，优选为1.5-8Mpa，更优选为2-5Mpa。例如为1.5Mpa、1.6Mpa、1.7Mpa、1.8Mpa、1.9Mpa、2.0Mpa、2.2Mpa、2.4Mpa、2.6Mpa、2.8Mpa、3.0Mpa、3.2Mpa、3.4Mpa、3.6Mpa、3.8Mpa、4.0Mpa、4.3Mpa、4.5Mpa、4.8Mpa、5.0Mpa、5.5Mpa、6.0Mpa、6.5Mpa、7.0Mpa、7.5Mpa、8.0Mpa中的任意一个气压值，可根据实际需求进行选择调节。

在本发明中，炉壳预热环道、气化冷却夹腔、第一雾化冷却夹腔、第二雾化冷却夹腔的厚度各自独立的为1-100mm，优选为3-80mm，更优选为5-50mm，例如为3mm、5mm、8mm、10mm、15mm、20mm、25mm、30mm、35mm、40mm、45mm、50mm、55mm、60mm、65mm、70mm、75mm、80mm、85mm、90mm、95mm、100mm中的任意一个厚度。作为优选，第二雾化冷却夹腔的厚度大于第一雾化冷却夹腔的厚度。

在本发明中，炉壳预热环道的内径为熔化炉烟囱外径的1.5-30倍，优选为1.8-25倍，更优选为2-20倍，例如为1.5倍、1.8倍、2倍、2.2倍、2.5倍、2.8倍、3.0倍、3.5倍、4倍、5倍、6倍、7倍、8倍、9倍、10倍、12倍、15倍、18倍、20倍、22倍、25倍中的任意一个倍数。

在本发明中，熔化炉的容积为1-100m³，优选为2-80m³，更优选为3-50m³。例如为1m³，1.5m³，2m³，2.5m³，3m³，3.5m³，4m³，4.5m³，5m³，6m³，7m³，8m³，9m³，10m³，15m³，18m³，20m³，25m³，28m³，30m³，35m³，40m³，45m³，50m³，55m³，60m³，65m³，70m³，75m³，80m³，85m³，90m³，95m³，100m³中的任意一种内腔容积。

与现有技术相比较，本发明的有益技术效果如下：

1：本发明采用液氮作为冷却介质，配合气化冷却室和具有双夹腔结构的雾化室，大大的强化了雾化室内的冷却气氛，提高了金属粉末的冷却效率，可避免球化后的金属液滴未得到及时冷却而碰撞变形或融合，导致球型度不高和粒径增大的问题，大大提高的金属粉末的球型度和细粉率。

2：本发明通过在熔化炉的壳层和烟囱上设置有气体预热机构，利用熔化炉的外排废热以及炉膛内部向外辐射的辐射热，提高了氮气的温度，使得雾化器喷出的雾化气体具有更高的能量将金属液流破碎成更细的液滴，使获得的金属粉末的粒径减小，进一步提高了细粉率。

3：本发明通过将液氮气化后依次作为雾化室、套管换热器、列管换热器的冷却介质，实现了产品冷却的同时，回收了系统产热；然后将具有一定温度的氮气(中温氮气)再输送至熔化炉继续吸收系统产热，满足雾化气体温度要求的同时，还大大降低了熔化炉的炉表温度和对外界排放的废热量。

附图说明

图1为本发明所述单金属或合金粉末制备系统的结构简图。

图2为本发明所述单金属或合金粉末制备系统的整体结构示意图。

图3为本发明所述单金属或合金粉末制备系统具有多级分离机制的结构示意图。

图4为本发明所述单金属或合金粉末制备系统的熔化炉结构示意图。

图5为本发明所述单金属或合金粉末制备系统的雾化室结构示意图。

附图标记：1：熔化炉；101：气体预热机构；102：烟气预热夹套；103：炉壳预热环道；104：炉膛；105：进料口；106：排液口；107：烟囱；2：保温炉；201：气化冷却夹腔；3：雾化器；4：雾化室；401：第一雾化冷却夹腔；402：第二雾化冷却夹腔；5：套管换热器；6：列管换热器；7：离心分级器；8：单旋风分级器；9：双旋风分级器；10：布袋除尘器；1001：集尘罐；1002：脉冲反吹装置；11：气体平衡罐；12：高压离心风机；13：高效过滤器；14：气体提纯装置；15：压缩机；16：中压储气罐；17：反吹气罐；18：液氮罐；19：液氮泵；20：气化冷却室；21：第一换热器；22：第二换热器；23：集料罐；24：压力调节器；L1：第一管道；L2：第二管道；L3：第三管道；L4：第四管道；L5：第五管道；L6：第六管道；L7：第七管道；L8：第八管道；L9：第九管道；L10：第十管道；L11：第十一管道；L12：第十二管道；L13：第十三管道；L14：第十四管道。

具体实施方式

下面对本发明的技术方案进行举例说明，本发明请求保护的范围包括但不限于以下实施例。

一种气体循环纯化及控温的单金属或合金粉末制备系统，该系统包括熔化炉1、保温炉2、雾化器3、雾化室4、套管换热器5、列管换热器6、离心分级器7以及液氮罐18。雾化器3与雾化室4连接处的外部套设有气化冷却室20。所述熔化炉1上设置有气体预热机构101。所述气化冷却室20的外壳壳层中开设有气化冷却夹腔201。所述雾化室4的外壳壳层中自内而外依次开设有第一雾化冷却夹腔401和第二雾化冷却夹腔402。

根据物料的走向，所述熔化炉1、保温炉2、雾化器3、雾化室4、套管换热器5、列管换热器6、离心分级器7依次串联连接。

根据气流的走向，液氮罐18通过第一管道L1与气化冷却室20的内腔的相连通。气化冷却室20的内腔、第一雾化冷却夹腔401、第二雾化冷却夹腔402、气化冷却夹腔201再依次串联连通。气化冷却夹腔201的排气口通过第二管道L2与套管换热器5的冷却介质入口相连通。套管换热器5的冷却介质出口通过第三管道L3与列管换热器6的冷却介质入口相连通。列管换热器6的冷却介质出口通过第四管道L4与气体预热机构101的进气口相连通，气体预热机构101的排气口通过第五管道L5与雾化器3的进气口相连通。

作为优选，气体预热机构101包括烟气预热夹套102以及炉壳预热环道103。所述烟气预热夹套102套设在熔化炉1烟囱的外部。炉壳预热环道103为开设在熔化炉1炉壳壳层中的环形腔道。气体预热机构101的进气口设置在烟气预热夹套102的上部，并且烟气预热夹套102的底部与炉壳预热环道103的顶部相连通。气体预热机构101的排气口设置在炉壳预热环道103的底部。

作为优选，该系统还包括有单旋风分级器8和双旋风分级器9。所述单旋风分级器8的进料口通过第六管道L6与离心分级器7的排气口相连通，单旋风分级器8的排气口通过第七管道L7与双旋风分级器9的进料口相连通。离心分级器7、单旋风分级器8、双旋风分级器9的各个卸料口处均独立连接有集料罐23。

作为优选，该系统还包括有布袋除尘器10，布袋除尘器10的进气口通过第八管道L8与双旋风分级器9的排气口相连通。或者布袋除尘器10的进气口直接通过第六管道L6与离心分级器7的排气口相连通。布袋除尘器10的卸料口连接有集尘罐1001。

作为优选，布袋除尘器10上还设置有脉冲反吹装置1002。

作为优选，该系统还包括有气体平衡罐11和高压离心风机12。所述气体平衡罐11的进气口通过第九管道L9与布袋除尘器10的排气口相连通。所述气体平衡罐11的排气口通过第十管道L10与第四管道L4相连通。所述高压离心风机12设置在第九管道L9上。

作为优选，气体平衡罐11的排气口还通过第十一管道L11与离心分级器7的进气口相连通。

作为优选，该系统还包括有高效过滤器13、气体提纯装置14、压缩机15以及中压储气罐16。根据气流的走向，所述高效过滤器13、气体提纯装置14、压缩机15、中压储气罐16依次串联设置在第十管道L10上。

作为优选，该系统还包括有反吹气罐17，反吹气罐17的进气口通过第十二管道L12与第十管道L10相连通。反吹气罐17的排气口通过第十三管道L13与脉冲反吹装置1002的进气口相连通。第十二管道L12与第十管道L10的连接处位于中压储气罐16的下游。

作为优选，气体平衡罐11的进气口还通过第十四管道L14与第四管道L4相连通。在第四管道L4上，第十四管道L14与第四管道L4的连接处位于第十管道L10与第四管道L4连接处的上游。

作为优选，该系统还包括有液氮泵19，所述液氮泵19设置在第一管道L1上。

作为优选，该系统还包括第一换热器21，所述第一换热器21设置在第九管道L9上。

作为优选，该系统还包括第二换热器22，所述第二换热器22设置在第十四管道L14上。

作为优选，该系统还包括有压力调节器24，所述压力调节器24设置在第五管道L5上。

实施例1

如图1所示，一种气体循环纯化及控温的单金属或合金粉末制备系统，该系统包括熔化炉1、保温炉2、雾化器3、雾化室4、套管换热器5、列管换热器6、离心分级器7以及液氮罐18。雾化器3与雾化室4连接处的外部套设有气化冷却室20。所述熔化炉1上设置有气体预热机构101。所述气化冷却室20的外壳壳层中开设有气化冷却夹腔201。所述雾化室4的外壳壳层中自内而外依次开设有第一雾化冷却夹腔401和第二雾化冷却夹腔402。

根据物料的走向，所述熔化炉1、保温炉2、雾化器3、雾化室4、套管换热器5、列管换热器6、离心分级器7依次串联连接。

根据气流的走向，液氮罐18通过第一管道L1与气化冷却室20的内腔的相连通。气化冷却室20的内腔、第一雾化冷却夹腔401、第二雾化冷却夹腔402、气化冷却夹腔201再依次串联连通。气化冷却夹腔201的排气口通过第二管道L2与套管换热器5的冷却介质入口相连通。套管换热器5的冷却介质出口通过第三管道L3与列管换热器6的冷却介质入口相连通。列管换热器6的冷却介质出口通过第四管道L4与气体预热机构101的进气口相连通，气体预热机构101的排气口通过第五管道L5与雾化器3的进气口相连通。

实施例2

重复实施例1，如图4所示，只是气体预热机构101包括烟气预热夹套102以及炉壳预热环道103。所述烟气预热夹套102套设在熔化炉1烟囱的外部。炉壳预热环道103为开设在熔化炉1炉壳壳层中的环形腔道。气体预热机构101的进气口设置在烟气预热夹套102的上部，并且烟气预热夹套102的底部与炉壳预热环道103的顶部相连通。气体预热机构101的排气口设置在炉壳预热环道103的底部。

实施例3

重复实施例2，如图3所示，只是该系统还包括有单旋风分级器8和双旋风分级器9。所述单旋风分级器8的进料口通过第六管道L6与离心分级器7的排气口相连通，单旋风分级器8的排气口通过第七管道L7与双旋风分级器9的进料口相连通。离心分级器7、单旋风分级器8、双旋风分级器9的各个卸料口处均独立连接有集料罐23。

实施例4

重复实施例3，只是该系统还包括有布袋除尘器10，布袋除尘器10的进气口通过第八管道L8与双旋风分级器9的排气口相连通。布袋除尘器10的卸料口连接有集尘罐1001。

实施例5

重复实施例3，如图2所示，只是该系统还包括有布袋除尘器10，布袋除尘器10的进气口直接通过第六管道L6与离心分级器7的排气口相连通。

实施例6

重复实施例4，只是布袋除尘器10上还设置有脉冲反吹装置1002。

实施例7

重复实施例6，只是该系统还包括有气体平衡罐11和高压离心风机12。所述气体平衡罐11的进气口通过第九管道L9与布袋除尘器10的排气口相连通。所述气体平衡罐11的排气口通过第十管道L10与第四管道L4相连通。所述高压离心风机12设置在第九管道L9上。

实施例8

重复实施例7，只是气体平衡罐11的排气口还通过第十一管道L11与离心分级器7的进气口相连通。

实施例9

重复实施例8，只是该系统还包括有高效过滤器13、气体提纯装置14、压缩机15以及中压储气罐16。根据气流的走向，所述高效过滤器13、气体提纯装置14、压缩机15、中压储气罐16依次串联设置在第十管道L10上。

实施例10

重复实施例9，只是该系统还包括有反吹气罐17，反吹气罐17的进气口通过第十二管道L12与第十管道L10相连通。反吹气罐17的排气口通过第十三管道L13与脉冲反吹装置1002的进气口相连通。第十二管道L12与第十管道L10的连接处位于中压储气罐16的下游。

实施例11

重复实施例10，只是气体平衡罐11的进气口还通过第十四管道L14与第四管道L4相连通。在第四管道L4上，第十四管道L14与第四管道L4的连接处位于第十管道L10与第四管道L4连接处的上游。

实施例12

重复实施例11，只是该系统还包括有液氮泵19，所述液氮泵19设置在第一管道L1上。

实施例13

重复实施例12，只是该系统还包括第一换热器21，所述第一换热器21设置在第九管道L9上。

实施例14

重复实施例13，只是该系统还包括第二换热器22，所述第二换热器22设置在第十四管道L14上。

实施例15

重复实施例14，只是该系统还包括有压力调节器24，所述压力调节器24设置在第五管道L5上。

方法实施例1

一种单金属或合金粉末的制备方法，该方法包括如下步骤：

1)启动系统，并将系统调节为具有氮气气氛保护的工作环境。

2)根据物料的走向，金属物料在熔化炉1中加热融化成金属熔液并输送至保温炉2中。保温炉2中的金属熔液再通过雾化器3进行雾化，并在雾化室4中冷却形成金属粉末。最后将金属粉末经过冷却处理和分级处理后获得金属粉末产品。

3)根据气流的走向，液氮罐18中的液氮输送至气化冷却室20中进行气化获得低温氮气。低温氮气依次流经第一雾化冷却夹腔401、第二雾化冷却夹腔402、气化冷却夹腔201、套管换热器5的冷却腔室、列管换热器6的冷却腔室进行热交换后获得中温氮气。中温氮气再进入气体预热机构101中进行热交换后获得高温氮气。高温氮气经过压力调节后进入雾化器3中对金属熔液进行气雾化处理。

方法实施例2

一种单金属或合金粉末的制备方法，该方法包括如下步骤：

1)启动系统，并将系统调节为具有氮气气氛保护的工作环境。

2)根据物料的走向，金属物料在熔化炉1中加热融化成金属熔液并输送至保温炉2中。保温炉2中的金属熔液再通过雾化器3进行雾化，并在雾化室4中冷却形成金属粉末。最后将金属粉末经过冷却处理和分级处理后获得金属粉末产品。

3)根据气流的走向，液氮罐18中的液氮输送至气化冷却室20中进行气化获得低温氮气。低温氮气依次流经第一雾化冷却夹腔401、第二雾化冷却夹腔402、气化冷却夹腔201、套管换热器5的冷却腔室、列管换热器6的冷却腔室进行热交换后获得中温氮气。中温氮气再进入气体预热机构101中进行热交换后获得高温氮气。高温氮气经过压力调节后进入雾化器3中对金属熔液进行气雾化处理。

4)金属粉末经过分级处理后的废气依次经过除尘和气压平衡处理后获得低压废气。低压废气的处理具体如下：

401)将低压废气循环至分级处理使用。

402)低压废气依次经高效过滤、提纯、压缩后作为除尘器反吹用气。

403)低压废气依次经高效过滤、提纯、压缩后与中温氮气汇合并进入气体预热机构101中进行热交换处理。

应用实施例1

采用方法实施例2所述的方法生产球型铝粉，采用具有气体预热机构的熔化炉1将1t铝锭进行熔化(检测到熔化炉炉表温度为44.6℃，烟气排放温度为208.3℃，消耗燃料总量为139.5kg)，获得的铝液输送至保温炉中保温处理；先向雾化系统中充氮气处理(包括物料路径的氮气氛围保护以及气化冷却室20和雾化室4的夹腔冷却气氛)，然后将铝液经由雾化器3进行雾化处理，雾化处理时的氮气气压为5.5Mpa，氮气温度为300℃；雾化室4中的铝粉经由底部排料口排出，然后经过套管换热器和列管换热器冷却处理，最后进行分级处理获得不同粒径的球型铝粉产品(产品总共分为4个粒度级：第一粒度级为30-45μm，第二粒度级为10-30μm，第三粒度级为3-10μm，第四粒度级为0.5-3μm)。其中：第一粒度级的平均D₅₀为35.8μm，占粉末总产量的3.6％，球形度为0.90；第二粒度级的平均D₅₀为19.68μm，占粉末总产量的12.7％，球形度为0.92；第三粒度级的平均D₅₀为6.32μm，占粉末总产量的78.5％，球形度为0.95；第四粒度级的平均D₅₀为1.62μm，占粉末总产量的5.2％，球形度为0.96；检测到产品的平均装袋温度为38.2℃。

应用实施例2

采用方法实施例2所述的方法生产球形AlSi50金粉，采用具有气体预热机构的熔化炉1将0.5t纯度为99.85％的铝锭与0.5t高纯硅进行熔化(检测到熔化炉炉表温度为39.2℃，烟气排放温度为199.6℃，消耗燃料总量为134.7kg)，获得的铝硅合金液输送至保温炉中保温处理；先向雾化系统中充高纯氮气处理(包括物料路径的氮气氛围保护以及气化冷却室20和雾化室4的夹腔冷却气氛)，然后将铝硅合金液经由雾化器3进行雾化处理，雾化处理时的氮气气压为3.5Mpa，氮气温度为265℃；雾化室4中的铝硅合金粉末经由底部排料口排出，然后经过套管换热器和列管换热器冷却处理，最后进行分级处理获得不同粒径的球型铝硅合金粉产品(产品总共分为4个粒度级：第一粒度级为30-45μm，第二粒度级为10-30μm，第三粒度级为3-10μm，第四粒度级为0.5-3μm)。其中：第一粒度级的平均D₅₀为35.1μm，占粉末总产量的5.3％，球形度为0.89；第二粒度级的平均D₅₀为22.35μm，占粉末总产量的14.9％，球形度为0.91；第三粒度级的平均D₅₀为7.06μm，占粉末总产量的75.2％，球形度为0.94；第四粒度级的平均D₅₀为1.82μm，占粉末总产量的4.6％，球形度为0.95；检测到产品的平均装袋温度为40.6℃。

应用对比例1

采用方法实施例2所述的方法生产球形铝粉，只是采用现有技术的普通熔化炉1将1t铝锭进行熔化(检测到熔化炉炉表温度为101.5℃，烟气排放温度为732.7℃，消耗燃料总量为180.3kg)，获得的铝液输送至保温炉中保温处理；先向雾化系统中充氮气处理(仅包括物料路径的氮气氛围保护，雾化室为现有技术的单夹层的水冷式雾化室)，然后将铝液经由雾化器3进行雾化处理，雾化处理时的氮气气压为5.5Mpa，氮气温度为300℃(加热氮气额外消耗的燃料为32.7kg)；雾化室4中的铝粉经由底部排料口排出，然后经过水冷式套管换热器和水冷式列管换热器冷却处理，最后进行分级处理获得不同粒径的球型铝粉产品(产品总共分为4个粒度级：第一粒度级为30-45μm，第二粒度级为10-30μm，第三粒度级为3-10μm，第四粒度级为0.5-3μm)。其中：第一粒度级的平均D₅₀为37.5μm，占粉末总产量的7.9％，球形度为0.80；第二粒度级的平均D₅₀为22.56μm，占粉末总产量的16.2％，球形度为0.84；第三粒度级的平均D₅₀为7.05μm，占粉末总产量的71.3％，球形度为0.87；第四粒度级的平均D₅₀为1.85μm，占粉末总产量的4.6％，球形度为0.90；检测到产品的平均装袋温度为49.5℃。

应用对比例2

采用方法实施例2所述的方法生产球形AlSi50金粉，采用具有气体预热机构的熔化炉1将0.5t纯度为99.85％的铝锭与0.5t高纯硅进行熔化(检测到熔化炉炉表温度为93.2℃，烟气排放温度为789.6℃，消耗燃料总量为192.3kg)，获得的铝硅合金液输送至保温炉中保温处理；先向雾化系统中充高纯氮气处理(包括物料路径的氮气氛围保护以及气化冷却室20和雾化室4的夹腔冷却气氛)，然后将铝硅合金液经由雾化器3进行雾化处理，雾化处理时的氮气气压为3.5Mpa，氮气温度为265℃(加热氮气额外消耗的燃料为28.4kg)；雾化室4中的铝硅合金粉末经由底部排料口排出，然后经过套管换热器和列管换热器冷却处理，最后进行分级处理获得不同粒径的球型铝硅合金粉产品(产品总共分为4个粒度级：第一粒度级为30-45μm，第二粒度级为10-30μm，第三粒度级为3-10μm，第四粒度级为0.5-3μm)。其中：第一粒度级的平均D₅₀为38.6μm，占粉末总产量的7.6％，球形度为0.77；第二粒度级的平均D₅₀为24.65μm，占粉末总产量的18.37％，球形度为0.81；第三粒度级的平均D₅₀为7.32μm，占粉末总产量的69.73％，球形度为0.85；第四粒度级的平均D₅₀为1.95μm，占粉末总产量的4.3％，球形度为0.88；检测到产品的平均装袋温度为53.8℃)。

Claims (10)

1.一种气体循环纯化及控温的单金属或合金粉末制备系统，其特征在于：该系统包括熔化炉(1)、保温炉(2)、雾化器(3)、雾化室(4)、套管换热器(5)、列管换热器(6)、离心分级器(7)以及液氮罐(18)；雾化器(3)与雾化室(4)连接处的外部套设有气化冷却室(20)；所述熔化炉(1)上设置有气体预热机构(101)；所述气化冷却室(20)的外壳壳层中开设有气化冷却夹腔(201)；所述雾化室(4)的外壳壳层中自内而外依次开设有第一雾化冷却夹腔(401)和第二雾化冷却夹腔(402)；

根据物料的走向，所述熔化炉(1)、保温炉(2)、雾化器(3)、雾化室(4)、套管换热器(5)、列管换热器(6)、离心分级器(7)依次串联连接；

根据气流的走向，液氮罐(18)通过第一管道(L1)与气化冷却室(20)的内腔的相连通；气化冷却室(20)的内腔、第一雾化冷却夹腔(401)、第二雾化冷却夹腔(402)、气化冷却夹腔(201)再依次串联连通；气化冷却夹腔(201)的排气口通过第二管道(L2)与套管换热器(5)的冷却介质入口相连通；套管换热器(5)的冷却介质出口通过第三管道(L3)与列管换热器(6)的冷却介质入口相连通；列管换热器(6)的冷却介质出口通过第四管道(L4)与气体预热机构(101)的进气口相连通，气体预热机构(101)的排气口通过第五管道(L5)与雾化器(3)的进气口相连通。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：气体预热机构(101)包括烟气预热夹套(102)以及炉壳预热环道(103)；所述烟气预热夹套(102)套设在熔化炉(1)烟囱的外部；炉壳预热环道(103)为开设在熔化炉(1)炉壳壳层中的环形腔道；气体预热机构(101)的进气口设置在烟气预热夹套(102)的上部，并且烟气预热夹套(102)的底部与炉壳预热环道(103)的顶部相连通；气体预热机构(101)的排气口设置在炉壳预热环道(103)的底部。

3.根据权利要求1或2所述的系统，其特征在于：该系统还包括有单旋风分级器(8)和双旋风分级器(9)；所述单旋风分级器(8)的进料口通过第六管道(L6)与离心分级器(7)的排气口相连通，单旋风分级器(8)的排气口通过第七管道(L7)与双旋风分级器(9)的进料口相连通；离心分级器(7)、单旋风分级器(8)、双旋风分级器(9)的各个卸料口处均独立连接有集料罐(23)。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于：该系统还包括有布袋除尘器(10)，布袋除尘器(10)的进气口通过第八管道(L8)与双旋风分级器(9)的排气口相连通，或者布袋除尘器(10)的进气口直接通过第六管道(L6)与离心分级器(7)的排气口相连通；布袋除尘器(10)的卸料口连接有集尘罐(1001)；

作为优选，布袋除尘器(10)上还设置有脉冲反吹装置(1002)。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：该系统还包括有气体平衡罐(11)和高压离心风机(12)；所述气体平衡罐(11)的进气口通过第九管道(L9)与布袋除尘器(10)的排气口相连通；所述气体平衡罐(11)的排气口通过第十管道(L10)与第四管道(L4)相连通；所述高压离心风机(12)设置在第九管道(L9)上；

作为优选，气体平衡罐(11)的排气口还通过第十一管道(L11)与离心分级器(7)的进气口相连通。

6.根据权利要求5所述的系统，其特征在于：该系统还包括有高效过滤器(13)、气体提纯装置(14)、压缩机(15)以及中压储气罐(16)；根据气流的走向，所述高效过滤器(13)、气体提纯装置(14)、压缩机(15)、中压储气罐(16)依次串联设置在第十管道(L10)上。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于：该系统还包括有反吹气罐(17)，反吹气罐(17)的进气口通过第十二管道(L12)与第十管道(L10)相连通；反吹气罐(17)的排气口通过第十三管道(L13)与脉冲反吹装置(1002)的进气口相连通；第十二管道(L12)与第十管道(L10)的连接处位于中压储气罐(16)的下游。

8.根据权利要求5-7中任一项所述的系统，其特征在于：气体平衡罐(11)的进气口还通过第十四管道(L14)与第四管道(L4)相连通；在第四管道(L4)上，第十四管道(L14)与第四管道(L4)的连接处位于第十管道(L10)与第四管道(L4)连接处的上游。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于：该系统还包括有液氮泵(19)，所述液氮泵(19)设置在第一管道(L1)上；和/或

该系统还包括第一换热器(21)，所述第一换热器(21)设置在第九管道(L9)上；和/或

该系统还包括第二换热器(22)，所述第二换热器(22)设置在第十四管道(L14)上；和/或

该系统还包括有压力调节器(24)，所述压力调节器(24)设置在第五管道(L5)上。

10.一种单金属或合金粉末的制备方法或采用如权利要求1-9中任一项所述系统制备单金属或合金粉末的方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：

1)启动系统，并将系统调节为具有氮气气氛保护的工作环境；

2)根据物料的走向，金属物料在熔化炉(1)中加热融化成金属熔液并输送至保温炉(2)中；保温炉(2)中的金属熔液再通过雾化器(3)进行雾化，并在雾化室(4)中冷却形成金属粉末；最后将金属粉末经过冷却处理和分级处理后获得金属粉末产品；

3)根据气流的走向，液氮罐(18)中的液氮输送至气化冷却室(20)中进行气化获得低温氮气；低温氮气依次流经第一雾化冷却夹腔(401)、第二雾化冷却夹腔(402)、气化冷却夹腔(201)、套管换热器(5)的冷却腔室、列管换热器(6)的冷却腔室进行热交换后获得中温氮气；中温氮气再进入气体预热机构(101)中进行热交换后获得高温氮气；高温氮气经过压力调节后进入雾化器(3)中对金属熔液进行气雾化处理；

作为优选，该方法还包括以下步骤：

4)金属粉末经过分级处理后的废气依次经过除尘和气压平衡处理后获得低压废气；低压废气的处理具体如下：

401)将低压废气循环至分级处理使用；和/或

402)低压废气依次经高效过滤、提纯、压缩后作为除尘器反吹用气；和/或

403)低压废气依次经高效过滤、提纯、压缩后与中温氮气汇合并进入气体预热机构(101)中进行热交换处理；

作为优选，所述高温氮气的温度不低于100℃，优选为100-500℃，更优选为150-400℃；高温氮气经过压力调节后的气压不低于1.5Mpa，优选为1.5-8Mpa，更优选为2-5Mpa。

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