CN115533108B - 一种连续滴流制备金属颗粒的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

一种连续滴流制备金属颗粒的方法及装置。本发明的基本原理是将金属原料加热至熔融状态后，使其通过多层多孔板滴化，最后经过冷却、收集、筛选等步骤，从而得到不同尺寸的金属颗粒。具体地讲，该设备内部大气压保持在10‑4‑10‑3Pa，使用太空舱式结构加入金属原料，保证内部大气压不发生变化；金属原料在多孔板中通过加热线圈加热熔化，过量的金属液通过导管引入下层多孔板；金属液滴下和屋檐式倾斜挡板接触，该挡板保持冷却水的通入，从而实现金属液的初步冷却成型；初步冷却成型后的金属颗粒进入边缘处的螺旋形轨道，该轨道保持冷却水的通入，进行进一步的冷却成型；最终收集经过两次成型及冷却的金属颗粒，再进行筛分，得到特定尺寸的金属颗粒。

Description

一种连续滴流制备金属颗粒的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种金属颗粒的制备方法及装置，特别涉及一种连续滴流制备金属颗粒的方法及装置。
背景技术
金属颗粒是指尺寸在毫米级的金属颗粒群。包括单一金属、合金以及具有金属性质的某些难熔化合物等，是金属材料产业中最为重要产品组成部分。其中铝基金属在航空航天、冶金、化工、兵器等领域扮演着重要的角色。据报道2020年全球铝颗粒年需求量超20万吨以上。尤其是近年来随着低碳冶金、增材制造、近净成型等先进技术蓬勃发展，市场对铝基粉体材料需求年复合增长率超10%。同样的，作为钢铁添加剂，1-3mm硅钙合金颗粒作为包芯线使用，年用量超过10吨级。
目前，金属颗粒的制备方法主要有机械法破碎法与雾化法两种，作为钼、钨、钒、钛、铁合金等高熔点金属冶炼必要的助燃剂与合金添加剂的铝合金颗粒，以及作为炼钢添加剂的硅钙合金颗粒，均采用将金属块体机进行械破碎法制备。由于硅钙合金化学活性高，高温下危险性大。因此一般采取机械破碎法生产。同样地，金属颗粒也是以机械破碎法为主。目前我国4000t以上的铝粉生产线近14条，主要以机械法为主。由于机械法技术相对成熟，门槛低，市场竞争压力大。
雾化法也是生产粉末和颗粒的重要方法之一。主要包括气体雾化法和水雾化法。因为金属材料一般会与水反应，因此主要以气体雾化法为主。由于气体雾化法粒度较细，是毫米级以下粉末主要的制备方法，特别近年来随着3D打印粉末的崛起，气体雾化已经成为制备球形金属粉末核心方法之一。目前，金属铝粉雾化法制备均需采用铝锭为原料，熔化后再进行雾化制粉，二次重铝锭的能耗占据其生产成本的30%以上。
金属颗粒作为一个主要的产品形式，近年来需求强烈，但是由于技术落后，成为“高能耗，低效率。成品率低，性能差”产品。无法适应“双碳”目标及绿色化发展的需要。
铝颗粒通常的生产方法有两种，一种是铝液铸成铝锭再熔化后制成铝杆，通过专用切粒机，切成10亳米左右的粒状。此生产方法工艺复杂，工序多，铝损大，使用多种设备，人工费用高，能源损耗高，一次性投入大。另一种是将铝锭投入熔化炉熔化，经除气、除渣后将铝熔体放入带有一小孔的中间包(又称浇包)内，铝熔体从小孔流出至一斜置转动的小转盘，铝熔体被旋转的转盘分割成大小不一、形态近似于球状的半凝固铝豆。接着，初步形成的铝豆滚入带有冷却功能的大转盘上冷却固形，然后收集、剔除互相粘连的或形状不规则的铝块。这种方法除因需要熔化铝锭需要较高的能量外，还因为半凝固状铝豆的互相粘连造成废品率高，且大小及形状均不均匀，需要人工捡选，因此生产效率也很低。这两种生产工艺均能耗高，投入大，生产成本高。
发明内容
本发明的目的在于提供一种高效率、低能耗、高性能的连续滴流制备金属颗粒的方法及装置。
为达到上述目的，本发明的装置包括：包括上端开设有入料口下端开设有出料口的熔炼炉，在入料口的正下方设置有若干层用于盛放熔融金属液且底部开设有若干多孔结构的熔融槽，且在各层熔融槽外壁上均设置有加热线圈，相邻两层熔融槽通过导管相连，相邻两层熔融槽之间安装有屋檐式挡板，且在该屋檐式挡板的圆周下端安装有螺旋滑道，屋檐式挡板和螺旋滑道均设置有冷却水通道。。
所述入料口与熔炼炉之间设置有带有入口真空阀和出口真空阀的真空段，且在该真空段上安装有第一真空泵。
所述在导管的外壁上设置有加热线圈。
所述熔炼炉上还设置有第二真空泵，且熔炼炉的压力10-4-10-3Pa。
所述屋檐式挡板和螺旋滑道表面均设置有抗铝液润湿陶瓷。
用以上装置连续滴流制备金属颗粒的方法，包括以下步骤：
1）原料的加入
首先打开入口真空阀、关闭出口真空阀加入金属原材料，再关闭入口真空阀，对该腔室抽真空，使其真空度达到10-4-10-3Pa，然后打开出口真空阀，使原料进入熔融炉的熔融槽上；
2）原料熔融与导流
通过加热线圈对熔融槽及导管进行加热，过量的金属液体通过导管进入下一层熔融槽中依次导流；
3）金属液连续滴流
多层熔融槽中的液态金属在重力的作用下滴落至屋檐式挡板表面，在该挡板上实现初步的滚动成型以及冷却，从屋檐式挡板上滴落的金属颗粒进入螺旋滑道中，在该螺旋滑道中实现进一步的滚动成型及冷却；
4）收集与筛分
将冷却后的金属颗粒通过出料口进行排出与收集，收集完成后用不同目数的筛网进行筛分，得到不同颗粒直径的金属颗粒。
本发明的基本原理是将金属原料加热至熔融状态后，使其通过多层多孔板滴化，最后经过冷却、收集、筛选等步骤，从而得到不同尺寸的金属颗粒。具体地讲，该设备内部大气压保持在10-4-10-3Pa，使用太空舱式结构加入金属原料，保证内部大气压不发生变化；金属原料在多孔板中通过加热线圈加热熔化，过量的金属液通过导管引入下层多孔板；金属液滴下和屋檐式倾斜挡板接触，该挡板保持冷却水的通入，从而实现金属液的初步冷却成型；初步冷却成型后的金属颗粒进入边缘处的螺旋形轨道，该轨道保持冷却水的通入，进行进一步的冷却成型；最终收集经过两次成型及冷却的金属颗粒，再进行筛分，得到特定尺寸的金属颗粒。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图。
图2是本发明熔融槽10的俯视图。
图3是本发明熔融槽10的截面图。
图4是本发明屋檐式挡板5的结构示意图。
图5是本发明螺旋滑道6的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细说明。
参见图1，本发明包括上端开设有入料口1下端开设有出料口7的熔炼炉，在入料口1与熔炼炉之间设置有带有入口真空阀2和出口真空阀3的真空段，且在该真空段上安装有第一真空泵11，熔炼炉上还设置有第二真空泵8，且熔炼炉的压力10-4-10-3Pa，参见图2，3，在真空段的正下方设置有若干层用于盛放熔融金属液且底部开设有若干多孔结构的熔融槽10，相邻两层熔融槽10通过导管9相连，且在各层熔融槽10及导管9外壁上均设置有加热线圈4，参见图4，5，相邻两层熔融槽10之间安装有屋檐式挡板5，且在该屋檐式挡板5的圆周下端安装有螺旋滑道6，在屋檐式挡板5和螺旋滑道6表面均有抗铝液润湿陶瓷（高纯Al2O3中均匀加入BaSO4其加入量为3-6wt%），屋檐式挡板5和螺旋滑道6设置有冷却水通道均不间断地通入冷却水。
本发明的制备方法具体步骤如下：
1）原料的加入
首先打开入口真空阀2、关闭出口真空阀3加入金属原材料，再关闭入口真空阀2，对该腔室抽真空，使其真空度达到10-4-10-3Pa，然后打开出口真空阀3，使原料进入熔融炉的熔融槽10上；
2.原料熔融与导流
通过加热线圈4对熔融槽10及导管9进行加热，过量的金属液体通过导管9进入下一层熔融槽10中依次导流，使金属液依次进入下一层熔融槽10，熔融槽10和导管9都要进行金属线圈4的加热，从而实现多层多孔板同时工作；
3）金属液连续滴流
多层熔融槽10中的液态金属在重力的作用下滴落至屋檐式挡板5表面，在该挡板上实现初步的滚动成型以及冷却，从屋檐式挡板5上滴落的金属颗粒进入螺旋滑道6中，在该螺旋滑道6中实现进一步的滚动成型及冷却，挡板和滑道表面均有抗铝液润湿陶瓷（高纯Al2O3中均匀加入BaSO4其加入量为3-6wt%）,挡板和滑道内部均不间断地通入冷却水。
4）收集与筛分
将冷却后的金属颗粒通过出料口7进行排出与收集，收集完成后用不同目数的筛网进行筛分，得到不同颗粒直径的金属颗粒。
本发明的金属溶液通过多层熔融槽10的多孔板滴化，实现无动力雾化/滴化；金属溶液多层多孔板滴化，延长滴化时间；金属溶液多层多孔板滴化，提高滴化溶液体量占比；金属溶液多层多孔板滴化，液滴数量、尺寸与速度可控；制备效率高，能耗低，适用于规模化生产。

Claims (6)

1.一种连续滴流制备金属颗粒的装置，其特征在于：包括上端开设有入料口（1）下端开设有出料口（7）的熔炼炉，在入料口（1）的正下方设置有若干层用于盛放熔融金属液且底部开设有若干多孔结构的熔融槽（10），且在各层熔融槽（10）外壁上均设置有加热线圈（4），相邻两层熔融槽（10）通过导管（9）相连，相邻两层熔融槽（10）之间安装有屋檐式挡板（5），且在该屋檐式挡板（5）的圆周下端安装有螺旋滑道（6），屋檐式挡板（5）和螺旋滑道（6）均设置有冷却水通道。
2.根据权利要求1所述的连续滴流制备金属颗粒的装置，其特征在于：所述入料口（1）与熔炼炉之间设置有带有入口真空阀（2）和出口真空阀（3）的真空段，且在该真空段上安装有第一真空泵。
3.根据权利要求1所述的连续滴流制备金属颗粒的装置，其特征在于：所述在各层熔融槽（10）与导管（9）的外壁上均设置有加热线圈（4）。
4.根据权利要求1所述的连续滴流制备金属颗粒的装置，其特征在于：所述熔炼炉上还设置有第二真空泵，且熔炼炉的压力10-4-10-3Pa。
5.根据权利要求1所述的连续滴流制备金属颗粒的装置，其特征在于：所述屋檐式挡板（5）和螺旋滑道（6）表面均设置有抗铝液润湿陶瓷。
6.一种如权利要求1-5中任意一项所述装置用于连续滴流制备金属颗粒的方法，其特征在于包括以下步骤：
1）原料的加入
首先打开入口真空阀（2）、关闭出口真空阀（3）加入金属原材料，再关闭入口真空阀（2），对该腔室抽真空，使其真空度达到10-4-10-3Pa，然后打开出口真空阀（3），使原料进入熔融炉的熔融槽（10）上；
2）原料熔融与导流
通过加热线圈（4）对熔融槽（10）及导管（9）进行加热，过量的金属液体通过导管（9）进入下一层熔融槽（10）中依次导流；
3）金属液连续滴流
多层熔融槽（10）中的液态金属在重力的作用下滴落至屋檐式挡板（5）表面，在该挡板上实现初步的滚动成型以及冷却，从屋檐式挡板（5）上滴落的金属颗粒进入螺旋滑道（6）中，在该螺旋滑道（6）中实现进一步的滚动成型及冷却；
4）收集与筛分
将冷却后的金属颗粒通过出料口（7）进行排出与收集，收集完成后用不同目数的筛网进行筛分，得到不同颗粒直径的金属颗粒。
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