CN117380963B - 一种金属粉末气雾化装置 - Google Patents

Abstract

本申请涉及增材制造技术领域，具体而言，涉及一种金属粉末气雾化装置，通过在第一环形喷嘴的内侧上方设置第二环形喷嘴，并且在第二环形喷嘴的上方设置有旋流发生器，由旋流发生器生成旋转射流从第二环形喷嘴喷出，由于旋转射流可以形成发散的射流，发散的旋转射流可以对第一气体射流进行补气，从而可以抑制第一气体射流形成的高强度回流区，同时在导流嘴下方，产生由旋转射流控制的低强度回流区，从而有利于金属熔体从导流嘴中顺利流出，而且旋转射流的流速比第一气体射流的流速小，所以由旋转射流形成的回流区的气压和速度的波动相对由第一气体射流直接形成的回流区更小，从而保证导流嘴出口处熔体流量的稳定，有效保证第一气体射流的雾化效果。

Description

一种金属粉末气雾化装置

技术领域

本申请涉及增材制造技术领域，具体而言，涉及一种金属粉末气雾化装置。

背景技术

增材制造金属粉末原料的VIGA（真空惰性气体雾化）工艺雾化流程为：熔炼完成的金属熔体通过导流嘴形成熔体液流，而后被从气雾化喷嘴倾斜向下喷出的超音速的高速气流进行雾化，随后冷却凝固形成金属粉末，由于气雾化喷嘴喷出的高速气流与熔体液流之间有一定的夹角，其气流的作用力导致高速气流与导流嘴的下方之间形成由超音速的高速气流主导的高强度回流区，虽然高强度回流区形成的低压抽吸作用有助于导流管内金属熔体的顺利流出，但是由超音速的高速气流主导的高强度回流区中的气体压力和速度波动剧烈，从而引起导流嘴出口处熔体流量不稳定，若波动幅度过大甚至会导致金属熔体返喷导流嘴或气雾化喷嘴，从而堵塞导流嘴或者损坏气雾化喷嘴，造成雾化作业暂停；然而，为了保证雾化效果，不能对高速气流进行降速，在此背景下，现有技术难以减小回流区的波动，从而难以保证导流嘴出口处熔体流量的稳定。

针对上述问题，目前尚未有有效的技术解决方案。

发明内容

本申请的目的在于提供一种金属粉末气雾化装置，有效保证导流嘴出口处熔体流量的稳定，可以大大降低堵塞导流嘴或者损坏气雾化喷嘴的可能性。

本申请提供了一种金属粉末气雾化装置，包括熔炼室和雾化室，所述雾化室设置在所述熔炼室的下方，还包括中间包、导流嘴、气雾化喷嘴装置、第一供气装置和第二供气装置；

所述中间包设置在所述熔炼室内，所述中间包的下方设置有所述导流嘴，所述导流嘴延伸至所述雾化室内，所述气雾化喷嘴装置设置在所述雾化室中，所述气雾化喷嘴装置套设在所述导流嘴的下部，所述气雾化喷嘴装置包括第一环形喷嘴和第二环形喷嘴，所述第一环形喷嘴和所述第二环形喷嘴均与所述导流嘴同轴设置，所述第一环形喷嘴的喷射方向向下且朝向所述导流嘴的中心轴线倾斜，所述第一供气装置用于向所述第一环形喷嘴输气使所述第一环形喷嘴喷出第一气体射流，以将所述导流嘴输出的金属熔体进行雾化；

所述第二环形喷嘴设置在所述第一环形喷嘴的内侧，所述第二环形喷嘴的开口朝下设置，且所述第二环形喷嘴的开口靠近所述第一环形喷嘴的开口的一侧为倾斜面，且所述倾斜面从上至下逐渐远离所述导流嘴的中心轴线，所述第二环形喷嘴的上方设置有旋流发生器，所述第二供气装置用于向所述旋流发生器输气使所述旋流发生器生成旋转射流从所述第二环形喷嘴喷出，以抑制所述第一气体射流形成的回流区以及产生由旋转射流形成的回流区,所述旋转射流的流速比所述第一气体射流的流速小。

通过上述设置，从而可以抑制第一气体射流形成的高强度回流区，同时在导流嘴下方，产生由旋转射流控制的低强度回流区，从而有利于金属熔体从导流嘴中顺利流出，而且旋转射流的流速比第一气体射流的流速小，所以由旋转射流形成的回流区的气压和速度的波动相对较小，从而保证导流嘴出口处熔体流量的稳定，可以大大降低堵塞导流嘴或者损坏气雾化喷嘴的可能性。

可选地，所述气雾化喷嘴装置设置有第一空腔和第二空腔，所述第一空腔与所述第一环形喷嘴连通，所述第二空腔通过所述旋流发生器与所述第二环形喷嘴连通，所述第一空腔和所述第二空腔分别与所述第一供气装置和所述第二供气装置连接。

通过上述设置，可以分别精确控制第一气体射流和旋转射流的流速。

可选地，所述第一空腔靠近所述第一环形喷嘴的一侧的宽度沿靠近所述第一环形喷嘴的方向逐渐收缩，所述第一环形喷嘴的宽度沿远离所述第一空腔的方向逐渐扩张。

通过上述设置，可以使第一空腔中和第一环形喷嘴形成的气体流道先收缩再扩张，从而可以使第一气体射流达到超音速，从而有利于第一气体射流对金属熔体进行雾化。

可选地，所述第一环形喷嘴在径向截面上的中心线与所述导流嘴的中心轴线之间具有第一夹角，所述第二环形喷嘴的所述倾斜面的母线与所述导流嘴的中心轴线之间具有第二夹角，且所述第二夹角不大于所述第一夹角。

可选地，还包括第三供气装置；所述导流嘴包括从上到下依次连接的上导流段和下导流段，所述上导流段的内流道的形状为圆柱状，所述下导流段入口处设置有环形气室，所述环形气室设置有至少一个注气孔，第三供气装置用于向所述环形气室输气使所述注气孔喷出第三气体射流，用于与所述导流嘴中的所述金属熔体混合。

可选地，所述第三供气装置的气压大于所述中间包的气压且小于所述中间包的气压与所述金属熔体的最小液位静压之和；所述最小液位静压为所述中间包内的金属熔体液面位于预设最低液位时，由所述金属熔体在所述注气孔处产生的液压。

可选地，所述注气孔向下倾斜设置，且所述注气孔的中心线与所述导流嘴的中心轴线之间具有第三夹角。

可选地，所述下导流段的内流道包括位于所述环形气室的下方且从上至下依次连接的第一收缩段、直流段和第二收缩段。

可选地，所述第一收缩段的内壁面的母线与所述导流嘴的中心轴线之间具有第四夹角，所述第四夹角为20°-45°。

可选地，所述旋流发生器喷出的旋转射流的流量不大于所述第一环形喷嘴喷出的第一气体射流的流量的5%。

有益效果：本申请提供的一种金属粉末气雾化装置，通过在第一环形喷嘴的内侧设置第二环形喷嘴，第二环形喷嘴的开口朝下设置，且第二环形喷嘴的开口靠近第一环形喷嘴的开口的一侧为倾斜面，并且在第二环形喷嘴的上方设置有旋流发生器，由旋流发生器生成旋转射流从第二环形喷嘴喷出，由于旋转射流可以形成发散的射流，发散的旋转射流可以对第一气体射流进行补气，从而可以抑制第一气体射流形成的高强度回流区，同时在导流嘴下方，产生由旋转射流控制的低强度回流区，从而有利于金属熔体从导流嘴中顺利流出，而且旋转射流的流速比第一气体射流的流速小，所以由旋转射流形成的回流区的气压和速度的波动相对由第一气体射流直接形成的回流区更小，从而保证导流嘴出口处熔体流量的稳定，可以大大降低堵塞导流嘴或者损坏气雾化喷嘴装置的可能性，且旋转射流不会对第一气体射流产生较大影响（即不会干扰第一气体射流的雾化过程），有效保证了第一气体射流的雾化效果。

附图说明

图1为本申请提供的金属粉末气雾化装置的整体结构示意图。

图2为本申请提供的导流嘴的整体结构示意图。

图3为本申请提供的环形气室和注气孔的位置示意图。

图4为本申请提供的旋流发生器喷出的旋转射流的效果示意图。

图5为本申请提供的中间包与导流嘴的位置示意图。

标号说明：11、中间包；12、导流嘴；13、气雾化喷嘴装置；131、第一环形喷嘴；132、第二环形喷嘴；133、第一空腔；134、第二空腔；14、旋流发生器；15、环形气室；16、注气孔；17、第一收缩段；18、直流段；19、第二收缩段；20、进气通道。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本申请的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本申请的范围，而是仅仅表示本申请的选定实施例。基于本申请的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本申请提供了一种金属粉末气雾化装置，包括熔炼室和雾化室，雾化室设置在熔炼室的下方，还包括中间包11、导流嘴12、气雾化喷嘴装置13、第一供气装置和第二供气装置；

中间包11设置在熔炼室内，中间包11的下方设置有导流嘴12，导流嘴12延伸至雾化室内，气雾化喷嘴装置13设置在雾化室中，气雾化喷嘴装置13套设在导流嘴12的下部，气雾化喷嘴装置13包括第一环形喷嘴131和第二环形喷嘴132，第一环形喷嘴131和第二环形喷嘴132均与导流嘴12同轴设置，第一环形喷嘴131的喷射方向向下且朝向导流嘴12的中心轴线倾斜，第一供气装置用于向第一环形喷嘴131输气使第一环形喷嘴131喷出第一气体射流，以将导流嘴12输出的金属熔体进行雾化；

第二环形喷嘴132设置在第一环形喷嘴131的内侧，第二环形喷嘴132的开口朝下设置，且第二环形喷嘴132的开口靠近第一环形喷嘴131的开口的一侧为倾斜面，且倾斜面从上至下逐渐远离导流嘴12的中心轴线，第二环形喷嘴132的上方设置有旋流发生器14，第二供气装置用于向旋流发生器14输气使旋流发生器14生成旋转射流从第二环形喷嘴132喷出，以抑制第一气体射流形成的高强度回流区以及产生由旋转射流形成的低强度回流区,旋转射流的流速比第一气体射流的流速小。

具体地，如图1所示，通过在第一环形喷嘴131的内侧设置第二环形喷嘴132，第二环形喷嘴132的开口朝下设置，且第二环形喷嘴132的开口靠近第一环形喷嘴131的开口的一侧为倾斜面，并且在第二环形喷嘴132的上方设置有旋流发生器14，由旋流发生器14生成旋转射流从第二环形喷嘴132喷出，由于旋转射流可以形成发散的射流，发散的旋转射流可以对第一气体射流进行补气，从而可以抑制第一气体射流形成的高强度回流区（由于第一气体射流是用于对金属熔体进行雾化的，其速度需要达到超音速，因此，超音速的第一气体射流形成的回流区的强度比较高），同时在导流嘴12下方产生由旋转射流控制的低强度回流区（由于旋转射流的流速比第一气体射流的流速小，所以，由旋转射流控制的回流区的强度相对第一气体射流形成的回流区的强度要低），旋转射流控制的低强度回流区如图4所示，从而有利于金属熔体从导流嘴12中顺利流出，而且旋转射流的流速比第一气体射流的流速小，所以由旋转射流形成的回流区的气压和速度的波动相对由第一气体射流直接形成的回流区更小，从而保证导流嘴12出口处熔体流量的稳定，可以大大降低堵塞导流嘴12或者损坏气雾化喷嘴装置13的可能性，且旋转射流不会对第一气体射流产生较大影响（即不会干扰第一气体射流的雾化过程），有效保证了第一气体射流的雾化效果。

在一些优选的实施方式中，旋转射流的流速不大于第一气体射流的流速的10%，所以由旋转射流形成的回流区的气压和速度的波动相对由第一气体射流直接形成的回流区更小，能够更好地抑制第一气体射流形成的回流区的同时，由旋转射流形成的回流区不会对第一气体射流产生较大影响（即不会干扰第一气体射流的雾化过程），有效保证了第一气体射流的雾化效果；另外，在限制了旋转射流的流速的同时，也能保证旋流发生器14喷出的旋转射流的流量不大于第一环形喷嘴131喷出的第一气体射流的流量的5%。

其中，旋流发生器14可以采用叶轮或者螺旋流道等结构，为现有技术，此处不作具体限制。

其中，第一供气装置、第二供气装置和第三供气装置为现有技术，且提供的气体均为同一类型的惰性气体。

在一些优选的实施方式中，第二供气装置的气压不大于第一供气装置的气压的15%。从而可以避免旋转射流直接破坏第一气体射流。

在一些优选的实施方式中，气雾化喷嘴装置13设置有第一空腔133和第二空腔134，第一空腔133与第一环形喷嘴131连通，第二空腔134通过旋流发生器14与第二环形喷嘴132连通，第一空腔133和第二空腔134分别与第一供气装置和第二供气装置连接。

具体地，如图1和图4所示，在气雾化喷嘴装置13中设置第一空腔133和第二空腔134，由第一供气装置向第一空腔133输气使第一环形喷嘴131喷出第一气体射流，由第二供气装置向第二空腔134输气使旋流发生器14生成旋转射流，从而可以分别精确控制第一气体射流和旋转射流的流速。

在另一些优选的实施方式中，第一空腔133和第二空腔134均通过进气通道20分别与第一供气装置和第二供气装置连接，进气通道20设置在气雾化喷嘴装置13中。具体如图1所示，在实际应用中，也可以不设置进气通道20，第一空腔133和第二空腔134直接分别与第一供气装置和第二供气装置连接，此处不作具体限制。

在一些优选的实施方式中，第一空腔133靠近第一环形喷嘴131的一侧的宽度沿靠近第一环形喷嘴131的方向逐渐收缩，第一环形喷嘴131的宽度沿远离第一空腔133的方向逐渐扩张。

具体地，通过上述设置，可以使第一空腔133中和第一环形喷嘴131形成的气体流道先收缩再扩张，从而可以使第一气体射流达到超音速，从而有利于第一气体射流对金属熔体进行雾化。

在一些优选的实施方式中，第一环形喷嘴131在径向截面上的中心线与导流嘴12的中心轴线之间具有第一夹角A，第二环形喷嘴132的倾斜面的母线与导流嘴12的中心轴线之间具有第二夹角B，且第二夹角B不大于第一夹角A。

具体地，如图1所示，通过设置第二夹角B不大于第一夹角A，从而降低旋转射流对第一气体射流的冲击，避免影响第一气体射流的雾化效果。

在一些优选的实施方式中，还包括第三供气装置；导流嘴12包括从上到下依次连接的上导流段和下导流段，上导流段的内流道的形状为圆柱状，下导流段入口处设置有环形气室15，环形气室15设置有至少一个注气孔16，第三供气装置用于向环形气室15输气使注气孔16喷出第三气体射流，用于与导流嘴12中的金属熔体混合。

具体地，通过在下导流段入口处设置环形气室15，由第三供气装置向环形气室15输气，使注气孔16喷出第三气体射流，由第三气体射流与导流嘴12中的金属熔体混合形成气液混合物，当气液混合物流出导流嘴12后，由于气泡的压力大于导流嘴12出口处的环境背压，气泡会在内外压差作用下破裂，从而使金属熔体在到达第一气体射流前便可以破碎成尺寸较小的液体团，从而有利于提升第一气体射流的雾化效果。

其中，上导流段和下导流段之间通过螺纹连接;环形气室15可以通过进气通道20与第三供气装置连接；注气孔16的数量可根据实际需要设置，此处不作具体限制。

在一些优选的实施方式中，第三供气装置的气压大于中间包11的气压且小于中间包11的气压与金属熔体的最小液位静压之和；最小液位静压为中间包11内的金属熔体液面位于预设最低液位时，由金属熔体在注气孔16处产生的液压。

具体地，通过上述设置，从而保证注气孔16可以顺利向导流嘴12内的金属熔体注气的同时防止第三气体射流反向喷入中间包11内；在雾化生产时，当最后一次倒炉作业完成，一旦中间包11内的金属熔体完全流出，则需要将环形气室15的气压立即调节至与中间包11的气压保持一致，从而防止导流嘴12内的金属熔体反喷中间包11。

其中，中间包11内的空间与熔炼室内的空间是连通的，中间包11内的气压与熔炼室内的气压是相同的。

在一些优选的实施方式中，最小液位静压根据以下公式计算：

；

；

；

式中，为最小液位静压，/>为金属熔体所在上导流段的入口处产生的液压，/>为中间包11内金属熔体的液面到上导流段的入口的深度，/>为上导流段的入口至注气孔16的金属熔体产生的液压，/>为上导流段的入口至注气孔16处的金属熔体液位高度（如图5所示），ρ为金属熔体的密度，g为重力加速度。

具体地，通过上述公式，即可计算得到最小液位静压，其中，预设最低液位是根据倒炉作业需要设置，此处不作具体限制。倒炉作业是指将熔炼坩埚中熔炼好的金属熔体分多次倒入中间包11内（为现有技术）。

在一些优选的实施方式中，注气孔16向下倾斜设置，且注气孔16的中心线与导流嘴12的中心轴线之间具有第三夹角C。

具体地，如图2所示，通过设置注气孔16向下倾斜，使第三气体射流从注气孔16喷出的方向是向下倾斜，由于导流嘴12内的金属熔体是垂直向下流动的，所以有利于在金属熔体向下流动的过程中与第三气体射流相互混合，并且向下倾斜喷出的第三气体射流有助于金属熔体在导流嘴12内顺利向下流动。其中，第三夹角C为10°-45°。

在一些优选的实施方式中，下导流段的内流道包括位于环形气室15的下方且从上至下依次连接的第一收缩段17、直流段18和第二收缩段19。

具体地，通过设置第一收缩段17，使金属熔体能够在下导流段内平稳地流动，通过设置第二收缩段19，可以限制导流嘴12出口的流量，满足雾化工艺对金属熔体流量的要求，并通过直流段18更好地衔接第一收缩段17和第二收缩段19。

在一些优选的实施方式中，第一收缩段17的内壁面的母线与导流嘴12的中心轴线之间具有第四夹角D，第四夹角D为20°-45°，可以保证金属熔体能够在下导流段内平稳地流动。

在一些优选的实施方式中，第二收缩段19的内壁面的母线与导流嘴12的中心轴线之间具有第五夹角E，第五夹角E为0°至60°，可以限制导流嘴12出口的流量，满足雾化工艺对金属熔体流量的要求。

在一些优选的实施方式中，旋流发生器14喷出的旋转射流的流量不大于第一环形喷嘴131喷出的第一气体射流的流量的5%。

具体地，为了避免旋转射流直接破坏第一气体射流，因此，旋转射流的流量不大于第一环形喷嘴131喷出的第一气体的流量的5%，从而在抑制由第一气体射流产生的回流区的同时不会对第一气体射流产生较大影响。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。

以上仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请的保护范围，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种金属粉末气雾化装置，包括熔炼室和雾化室，所述雾化室设置在所述熔炼室的下方，其特征在于，还包括中间包（11）、导流嘴（12）、气雾化喷嘴装置（13）、第一供气装置和第二供气装置；

所述中间包（11）设置在所述熔炼室内，所述中间包（11）的下方设置有所述导流嘴（12），所述导流嘴（12）延伸至所述雾化室内，所述气雾化喷嘴装置（13）设置在所述雾化室中，所述气雾化喷嘴装置（13）套设在所述导流嘴（12）的下部，所述气雾化喷嘴装置（13）包括第一环形喷嘴（131）和第二环形喷嘴（132），所述第一环形喷嘴（131）和所述第二环形喷嘴（132）均与所述导流嘴（12）同轴设置，所述第一环形喷嘴（131）的喷射方向向下且朝向所述导流嘴（12）的中心轴线倾斜，所述第一供气装置用于向所述第一环形喷嘴（131）输气使所述第一环形喷嘴（131）喷出第一气体射流，以将所述导流嘴（12）输出的金属熔体进行雾化；

所述第二环形喷嘴（132）设置在所述第一环形喷嘴（131）的内侧，所述第二环形喷嘴（132）的开口朝下设置，且所述第二环形喷嘴（132）的开口靠近所述第一环形喷嘴（131）的开口的一侧为倾斜面，且所述倾斜面从上至下逐渐远离所述导流嘴（12）的中心轴线，所述第二环形喷嘴（132）的上方设置有旋流发生器（14），所述第二供气装置用于向所述旋流发生器（14）输气使所述旋流发生器（14）生成旋转射流从所述第二环形喷嘴（132）喷出，以抑制所述第一气体射流形成的回流区以及产生由旋转射流形成的回流区,所述旋转射流的流速比所述第一气体射流的流速小。

2.根据权利要求1所述的金属粉末气雾化装置，其特征在于，所述气雾化喷嘴装置（13）设置有第一空腔（133）和第二空腔（134），所述第一空腔（133）与所述第一环形喷嘴（131）连通，所述第二空腔（134）通过所述旋流发生器（14）与所述第二环形喷嘴（132）连通，所述第一空腔（133）和所述第二空腔（134）分别与所述第一供气装置和所述第二供气装置连接。

3.根据权利要求2所述的金属粉末气雾化装置，其特征在于，所述第一空腔（133）靠近所述第一环形喷嘴（131）的一侧的宽度沿靠近所述第一环形喷嘴（131）的方向逐渐收缩，所述第一环形喷嘴（131）的宽度沿远离所述第一空腔（133）的方向逐渐扩张。

4.根据权利要求1所述的金属粉末气雾化装置，其特征在于，所述第一环形喷嘴（131）在径向截面上的中心线与所述导流嘴（12）的中心轴线之间具有第一夹角，所述第二环形喷嘴（132）的所述倾斜面的母线与所述导流嘴（12）的中心轴线之间具有第二夹角，且所述第二夹角不大于所述第一夹角。

5.根据权利要求1所述的金属粉末气雾化装置，其特征在于，还包括第三供气装置；所述导流嘴（12）包括从上到下依次连接的上导流段和下导流段，所述上导流段的内流道的形状为圆柱状，所述下导流段入口处设置有环形气室（15），所述环形气室（15）设置有至少一个注气孔（16），第三供气装置用于向所述环形气室（15）输气使所述注气孔（16）喷出第三气体射流，用于与所述导流嘴（12）中的所述金属熔体混合。

6.根据权利要求5所述的金属粉末气雾化装置，其特征在于，所述第三供气装置的气压大于所述中间包（11）的气压且小于所述中间包（11）的气压与所述金属熔体的最小液位静压之和；所述最小液位静压为所述中间包（11）内的金属熔体液面位于预设最低液位时，由所述金属熔体在所述注气孔（16）处产生的液压。

7.根据权利要求5所述的金属粉末气雾化装置，其特征在于，所述注气孔（16）向下倾斜设置，且所述注气孔（16）的中心线与所述导流嘴（12）的中心轴线之间具有第三夹角。

8.根据权利要求5所述的金属粉末气雾化装置，其特征在于，所述下导流段的内流道包括位于所述环形气室（15）的下方且从上至下依次连接的第一收缩段（17）、直流段（18）和第二收缩段（19）。

9.根据权利要求8所述的金属粉末气雾化装置，其特征在于，所述第一收缩段（17）的内壁面的母线与所述导流嘴（12）的中心轴线之间具有第四夹角，所述第四夹角为20°-45°。

10.根据权利要求1所述的金属粉末气雾化装置，其特征在于，所述旋流发生器（14）喷出的旋转射流的流量不大于所述第一环形喷嘴（131）喷出的第一气体射流的流量的5%。