CN117500623A - 气体雾化器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制造金属粉末的方法，该方法包括：i)向气体雾化器的雾化腔室供给熔融金属，(ii)通过喷射气体而使熔融金属雾化，以形成金属颗粒，(iii)将金属颗粒从气体雾化器的雾化腔室转移至冷却腔室，(iv)通过从冷却腔室的底部喷射气体以形成金属颗粒的鼓泡流化床而使金属颗粒在冷却腔室中冷却。本发明还涉及用于制造金属粉末的气体雾化器。

Description

气体雾化器

本发明涉及用于生产金属粉末并且特别地用于生产用于增材制造的钢粉末的气体雾化器。本发明还涉及用于通过气体雾化来制造金属粉末的方法。

对用于增材制造的金属粉末的需求越来越大，并且因此必须调整制造方法。

众所周知，使金属材料熔融并将熔融金属倾倒在与雾化器连接的中间包中。熔融金属在受控气氛下被迫通过腔室中的喷嘴，并被气体的射流撞击，从而使熔融金属雾化为细小的金属液滴。金属液滴固化成细小的颗粒，这些细小的颗粒落在腔室的底部处并在腔室的底部处积聚，直到熔融金属已经被完全雾化为止。然后让粉末在雾化器中冷却，直到粉末达到其可以与空气接触而不会过快氧化的温度为止。然后打开雾化器以收集粉末。这种冷却是与生产大量金属粉末的需要不相容的长久过程。

因此，本发明的目的是通过提供一种气体雾化器来改进现有技术的设施和方法的缺点，其中，所获得的粉末可以在雾化器中快速冷却。

此外，根据上述现有技术的方法是分批方法，该分批方法与以连续模式生产大量金属粉末的需要不相容。

本发明的另一目的是提供一种气体雾化器，其中，所获得的粉末可以在不中断雾化的情况下从雾化器排放。

为此，本发明的第一主题包括一种用于制造金属粉末的方法，该方法包括：

-(i)向气体雾化器的雾化腔室供给熔融金属，

-(ii)通过喷射气体而使熔融金属雾化，以形成金属颗粒，

-(iii)将金属颗粒从气体雾化器的雾化腔室转移至冷却腔室，

-(iv)通过从冷却腔室的底部喷射气体以形成金属颗粒的鼓泡流化床而使金属颗粒在冷却腔室中冷却。

根据本发明的方法还可以具有单独考虑或以组合方式考虑的以下列出的可选特征：

-熔融金属是通过高炉途径获得的钢，

-熔融金属是通过电弧炉途径获得的钢，

-步骤(ii)、步骤(iii)和步骤(iv)同时进行，

-在步骤(iv)中，金属颗粒被冷却得低于300℃，

-在步骤(iv)中，喷射的气体被抽取、冷却并再次喷射，

-气体被冷却得低于50℃，

-该方法还包括从冷却腔室连续排放金属颗粒的步骤(v)，

-通过溢流管进行连续排放，

-该方法还包括将排放的金属颗粒运送至筛分站的步骤(vi)，

-排放的金属颗粒以流化床的形式运送，

-该方法还包括步骤(ii)与步骤(iii)之间的附加步骤，其中，通过从雾化腔室的底部喷射气体以形成金属颗粒的鼓泡流化床(15)，金属颗粒在雾化腔室中经历第一冷却步骤，

-雾化腔室中的冷却步骤和冷却腔室中的冷却步骤利用不同的气体进行。

本发明的第二主题包括一种气体雾化器，该气体雾化器包括：雾化腔室；以及冷却腔室，该冷却腔室连接至雾化腔室的底部；气体喷射器，这些气体喷射器定位在冷却腔室的底部处；以及流量调节器，该流量调节器联接至气体喷射器，以用于使待积聚在冷却腔室中的金属颗粒流化并形成金属颗粒的鼓泡流化床。

根据本发明的气体雾化器还可以具有单独考虑或以组合方式考虑的以下列出的可选特征：

-气体喷射器包括位于冷却腔室的底壁中的开口，

-冷却腔室的底部与气体喷射器之间的距离优选地短于10cm，

-气体喷射器是分布器，

-气体雾化器还包括定位在冷却腔室的下部部段中的热交换器，

-气体雾化器还包括位于冷却腔室的下部部段中的溢流管，

-溢流管是至少部分地在冷却腔室的下部部段中延伸并穿过冷却腔室的底壁的管，

-溢流管的位于冷却腔室外部的部分包括气体入口，

-气体雾化器还包括位于冷却腔室的底部处的粗颗粒收集器，

-气体雾化器还包括位于冷却腔室的上部部段中的气体抽取器，

-气体抽取器包括用于对从腔室抽取的气体进行除尘的旋风分离器，

-气体抽取器连接至气体喷射器，以用于雾化器内的气体再循环，

-气体抽取器与气体喷射器之间的连接件包括热交换器，

-气体雾化器还包括气体喷射器和流量调节器，气体喷射器定位在雾化腔室的底部处，流量调节器联接至气体喷射器，以用于使待积聚在雾化腔室的下部部段中的金属颗粒流化并形成金属颗粒的鼓泡流化床。

本发明的第三主题包括一种设备，该设备包括根据本发明的气体雾化器和输送机，该输送机包括用于气体循环的下部管道、连接至冷却腔室的用于粉末材料循环的上部管道、以及基本上在下部管道和上部管道的整个长度上将下部管道和上部管道隔开的多孔壁。

根据本发明的设备可以可选地使输送机的下部管道包括流化气体入口和流量调节器，该流量调节器联接至流化气体入口，以用于使待从冷却腔室排放的金属颗粒流化并在上部管道中形成金属颗粒的流化床。

明显的是，本发明基于对用于使粉末在邻近于雾化器腔室的冷却腔室中有效地冷却的流化床技术的依靠。在将溢流管添加在冷却腔室的下部部段处的情况下，流化粉末可以在不干扰雾化过程的情况下从雾化器中连续地排放。

本发明的其他特征和优点将在以下描述中更详细地描述。

参照以下附图，通过阅读以下描述将更好地理解本发明，以下描述仅出于说明的目的而提供，而决不意在是限制性的：

-图1图示了根据本发明的变型的气体雾化器，

-图2图示了可能的流化状态，

-图3图示了根据本发明的另一变型的气体雾化器，

-图4图示了根据本发明的第一变型的包括两个雾化器和输送机的设备，

-图5图示了根据本发明的第二变型的包括两个雾化器和输送机的设备，

-图6图示了根据本发明的另一变型的气体雾化器，

-图7图示了根据本发明的另一变型的气体雾化器。

应当指出的是，如本申请中使用的术语“上部”、“下部”、“下方”、“上方”、“顶部”、“底部”、“上游”、“下游”……是指装置的不同构成元件在安装于设备中时的位置和取向。

参照图1，气体雾化器1是下述装置：该装置被设计成用于通过利用高速气体流撞击液态金属流而将该液态金属流雾化成细小的金属液滴。气体雾化器1主要由保持在保护气氛下的封闭雾化腔室2组成。该腔室具有上部部段、下部部段、顶部和底部。

腔室的上部部段包括通常定位在腔室顶部的中央处的孔口、即喷嘴3，熔融金属流被迫通过该喷嘴。该喷嘴被气体喷雾器4包围，气体喷雾器4用于将气体以高速度喷射到液态金属流上。气体喷雾器优选是环形槽，加压气体流动通过该环形槽。气体喷雾器优选地联接至气体调节器5，气体调节器5用以在喷射气体之前控制气体的流量和/或压力。气体调节器可以是压缩机、风扇、泵、管段减小设备或任何合适的设备。

气体雾化器1优选地包括气体抽取器11，气体抽取器11对通过气体喷雾器4的气体喷射进行补偿。气体抽取器优选地位于雾化腔室的上部部段中。气体抽取器可以呈一个管或多个管的形式，所述一个管或多个管在一个侧部上连接至雾化腔室，并且在另一侧部上连接至除尘装置12。除尘装置从抽取的气体中去除最细小的颗粒。除尘装置可以包括电过滤器、袋式过滤器、多孔金属过滤器或旋风分离器。旋风分离器是优选的，因为旋风分离器具有相对较低的压降，并且旋风分离器没有移动部分。

优选地，气体抽取器11被设计成使得喷射在腔室中并通过气体抽取器抽取的气体可以再循环。因此，气体消耗被最小化。因此，气体抽取器优选地连接至气体喷雾器4。特别地，在一个侧部上连接至雾化腔室的除尘装置12在另一侧部上连接至与气体喷雾器4联接的气体调节器5。

气体抽取器11与气体喷雾器4之间的连接件优选地包括热交换器13。因此，气体可以被冷却至在其必须被喷射在熔融金属流上时所处的温度，以防连接件中的热损失不足以使气体回到期望温度以及/或者期望热回收的情况。

气体抽取器11与气体喷雾器4之间的连接件还可以包括气体入口10，以防必须在系统中引入一些新鲜气体、特别是为了补偿气体损失。

腔室的下部部段主要是用于对从腔室的上部部段落下的金属颗粒进行收集的接纳部。该接纳部通常被设计成便于粉末收集以及通过定位在腔室的底部处的排放开口进行的粉末排放。因此，该接纳部通常呈倒锥形或倒截头锥形的形式。

腔室的下部部段连接至至少一个冷却腔室38。该冷却腔室具有上部部段、下部部段、顶部和底部。连接件优选地将雾化腔室的底部连接至冷却腔室的下部部段。该连接件可以呈管39的形式，管39将雾化腔室的排放开口连接至冷却腔室。如图1中所图示的，该管优选地连接至冷却腔室的下部部段，以使雾化腔室中的气体的回流最小化。管可以包括阀、机械阀或气动阀，以控制金属颗粒的流量。

冷却腔室包括定位在冷却腔室的底部处的气体喷射器40，气体喷射器40能够使待积聚在该腔室的下部部段处的金属颗粒流化并且能够产生金属颗粒的鼓泡流化床。由于这种流化床，从雾化腔室转移至冷却腔室的金属颗粒通过强烈的气体至颗粒的热传递而被有效地冷却至低于金属颗粒的氧化窗口。积聚在冷却腔室的下部部段中的金属颗粒保持冷却，并且从雾化腔室排放的热颗粒非常迅速地混合在流化床中并且冷却。此外，由于冷却可以在保护气氛中完成，因此金属颗粒在金属颗粒的冷却期间不会氧化。

如图2中所图示，存在几种流化状态。流化是固体颗粒通过悬浮在气体或液体中而转变为类似流体状态的操作。颗粒的行为根据流体速度而不同。在作为本发明之一的气体-固体系统中，随着流动速度增大，颗粒床从固定床达到最小流化、鼓泡流化以及其中搅动变得更剧烈且固体运动变得更强烈的腾涌。特别地，随着流动速度增大得超过最小流化，观察到气体的鼓泡和沟流的不稳定性。在该阶段下，流化床处于鼓泡状态，这是本发明为了具有固体颗粒在流化床内的良好循环、快速冷却以及流化床的均匀温度而所需的状态。待被应用于获得流化床的给定状态和期望温度的气体速度取决于若干参数，如所用气体的种类、颗粒的大小和密度、由气体喷射器提供的气体压降、或者腔室的大小。这可以由本领域技术人员容易地处理。另外，在鼓泡状态下，床不会膨胀超过固体体积太多，这有助于将设备保持在合理的尺寸。鼓泡流化床的概念在由Daizo Kunii和Octave Levenspiel于1991年的第二版的“Fluidization Engineering(流化工程)”中、特别是在引言的第1页和第2页中有所定义。

由于鼓泡流化床，并且与流化床的其他状态相反，金属颗粒被非常迅速且非常有效地冷却至流化床的工作温度，同时保持床内颗粒大小的均匀分布。因此，不需要使用粉状冷却剂来帮助金属颗粒冷却。

在本发明的上下文中，“定位在腔室的底部处”意味着气体喷射器40在腔室的下部部段中足够靠近腔室的底部41定位，使得从雾化腔室转移至冷却腔室的基本上所有的颗粒都被流化。由初始未雾化的金属流和/或粗颗粒产生的固化飞溅物可能未被流化，并且可能落到气体喷射器下方、即流化床下方。冷却腔室的底部与气体喷射器之间的距离优选地短于10cm、更优选地短于4com、甚至更优选地在1cm与3cm之间。

气体喷射器40从冷却腔室的底部朝向腔室的顶部喷射气体，使得冷却腔室的底部处的颗粒上升并形成流化床。

气体喷射器可以包括位于腔室的底壁中的开口。可以通过这些开口喷射气体以使粉末床流化。

气体喷射器可以包括穿过腔室的侧壁的管42。如图1图示的示例中所示，气体喷射器的定位在腔室内部的部分可以以近距离遵循底壁的形状。

气体喷射器可以包括多孔金属板、烧结金属板或帆布。气体喷射器优选地包括分布器，分布器是穿透有许多小孔以使喷射气体分散的部分、比如管。对于高于10cm/s的气体速度，分布器是优选的，因为分布器提供了足够的压力损失。分布器更优选地是多孔分布器。这种类型的分布器通过数千个微孔隙确保气体在金属颗粒床中的分布。

每个分布器可以包括垫圈密封件(压缩配件)，该垫圈密封件允许分布器在雾化器操作的同时插入以及从雾化器中取出。

气体喷射器联接至流量调节器43。流量调节器43对通过气体喷射器喷射的气体的流量进行控制，并且因此控制冷却腔室中的气体的速度，这是因为腔室的截面是已知的。因此，气体流量可以被调节成使得金属颗粒被流化并且所获得的流化床保持处于鼓泡状态。气体调节器可以呈风扇的形式。调节风扇速度以对通过气体喷射器喷射的气体的流量进行控制。流量调节器连接至气体源。气体源可以是如下所述的被设计成让新鲜气体进入的气体入口44和/或提供再循环气体的气体抽取器。

冷却腔室38优选地包括气体抽取器45，气体抽取器45用以对通过气体喷射器40的气体喷射和可能来自雾化腔室2的气体进行补偿。气体抽取器优选地位于腔室的上部部段中，使得气体抽取器不会干扰流化床并且/或者使得由于气泡飞溅而在流化床上方的颗粒在到达将其夹带在气体抽取器中的高气体速度区域之前通过重力落回到床中。气体抽取器可以呈一个管或多个管的形式，所述一个管或多个管在一个侧部上连接至腔室并且在另一侧部上连接至除尘装置46。除尘装置46与如前所述的雾化腔室的除尘装置12具有相同的可选特征。

优选地，气体抽取器45被设计成使得喷射在冷却腔室中并通过气体抽取器抽取的气体可以再循环。因此，气体消耗被最小化。因此，气体抽取器优选地连接至气体喷射器40。特别地，在一个侧部上连接至冷却腔室的除尘装置46在另一侧部上连接至与气体喷射器40联接的流量调节器43。

气体抽取器45与气体喷射器40之间的连接件优选地包括热交换器47。因此，气体可以被冷却至在其必须被喷射在腔室中时所处的温度，以防连接件中的热损失不足以使气体回到期望温度以及/或者期望热回收的情况。

气体抽取器45与气体喷射器40之间的连接件还可以包括气体入口44，以防必须在系统中引入一些新鲜气体、特别是为了补偿气体损失或增大纯度。

根据本发明的一个变型，气体雾化器还包括定位腔室的下部部段中的热交换器48。热交换器48定位成使得冷却腔室中形成的鼓泡流化床49与热交换器接触。热交换器可以至少部分地定位在冷却腔室内，或者热交换器可以是围绕冷却腔室的下部部段的冷却套。通过气体喷射器40喷射气体而保持运动的固体颗粒与热交换器进行接触，在热交换器处，固体颗粒将其热量释放到其中循环的传递介质。可以调节热交换器内部的介质的流速来控制冷却速率。这种热交换器有助于使流化床中的颗粒冷却并将颗粒保持在期望温度处。热交换器还可以减少将颗粒冷却或保持在期望温度处所需的气体流量。

根据本发明的一个变型，气体雾化器1还包括定位冷却腔室的底部下方的粗颗粒收集器16。如上所述，由初始未雾化的金属流和/或粗颗粒产生的固化飞溅物可能未被流化，并且可能在腔室的底部处落到气体喷射器下方、即流化床下方。粗颗粒收集器允许在不干扰雾化的情况下将这些不期望的颗粒从雾化器中排放。粗颗粒收集器优选地包括阀17和收集腔室18。收集腔室可以通过第二阀连接至可移动腔室。通过这种方式，可以在不损害腔室中的压力的情况下更换该可移动腔室。

根据本发明的一个变型，一旦金属颗粒已经产生并被流化床冷却，金属颗粒就通过定位在冷却腔室的底部处的排放开口排放。根据排放开口的技术，这可以在一旦一批熔融金属已经被冷却后就进行，或者在不干扰冷却的情况下进行。

根据本发明的另一变型，气体雾化器包括位于冷却腔室38的下部部段中的溢流管50。溢流管的目的是将粉末从冷却腔室中排放。特别地，一旦流化床的水平面到达溢流管50的顶部，冷却腔室的下部部段中的流化粉末可以以连续模式从气体雾化器中排放。因此，雾化器可以连续运行。

溢流管50优选地至少部分地在冷却腔室的下部部段中延伸并且穿过腔室的底壁41。溢流管可以呈下降管的形式。溢流管更优选地是管。溢流管的截面优选地适于待从腔室排放的粉末流。特别地，溢流管的截面适于进入冷却腔室的金属颗粒的流动，使得粉末随着时间的推移不在腔室的下部部段中积聚。在雾化器中形成的较粗颗粒将被收集于冷却腔室的底部处的情况下，溢流管的截面优选地适于进入冷却腔室的金属颗粒的流动，较粗颗粒被搁置在一边。管的截面优选地是恒定的、即沿着管或在其上末端没有减少，以利于金属粉末的均匀排放并避免堵塞。在本发明的一个变型中，溢流管或适用情况下的管包括用于对将从腔室排放的粉末流进行调节的阀。在本发明的一个变型中，溢流管的下末端具有减小的截面，以进一步限制气体从雾化器的外部流动至内部。

溢流管的高度限定为溢流管的顶部与腔室的底部之间的竖向距离，即限定为溢流管的在腔室中延伸的部分的竖向长度。溢流管的高度优选地设定成使得流化床的容积足够大以将金属粉末冷却在期望温度处。流化床的容积实际上大致由腔室的下部部段的截面和溢流管的高度限定。如果溢流管高度短，则流化床的容积小，并且颗粒在流化床中的停留时间短。因此，所排放的颗粒仍然是热的。如果溢流管高度很长，则流化床的容积大，并且颗粒在流化床中的停留时间长。因此，所排放的颗粒是冷的。基于这些原理，本领域技术人员可以根据腔室的尺寸和所排放颗粒的期望温度来选择溢流管的高度。在本发明的一个变型中，溢流管或适用情况下的管包括高度调节装置，使得溢流管的高度可以被动态调节，以特别地调节粉末的冷却并且因此调节从腔室排放的粉末的温度或者排空腔室。

由于溢流管，无论颗粒的大小如何，颗粒在流化床中的停留时间都是均匀的，这与如位于腔室的底部处的阀或管之类的其他解决方案相反，对于这些其他解决方案，首先在较粗颗粒已经被冷却至期望温度之前将较粗颗粒排放。此外，由于通过溢流管离开腔室的气体量低，所以喷射气体的主要部分用于使床流化，这有助于非常稳定的流化床。另外，溢流管不是限制其因颗粒而产生的磨损的机械部件。

根据本发明的一个变型，溢流管50悬伸有帽状件51。因此，防止从腔室的上部部段落下的热金属粉末直接进入溢流管。帽状件在溢流管的顶部上方定位得足够高，使得帽状件不会干扰通过溢流管排放的粉末流。

根据本发明的一个变型，溢流管50以及优选地溢流管的位于腔室外部的部分还包括气体入口21。因此，气体以及优选地用于使冷却腔室内部的粉末流化的气体可以在溢流管中喷射。这有助于使所排放的粉末保持处于流化形式，并防止溢流管下游的大气进入腔室。

根据图3所图示的一个变型，雾化器包括多个冷却腔室38，所述多个冷却腔室38连接至雾化腔室2、优选地连接至雾化腔室的底部。由于定位在雾化腔室的底部处的重定向阀，在雾化腔室中形成的金属颗粒可以转移至一个冷却腔室和另一冷却腔室。这是对利用连续运行的雾化器连续产生的不同的金属组合物进行分类的容易方法。

根据未图示的另一变型，冷却腔室包括多级流化床。在这种情况下，至少一个水平多孔底板将冷却腔室的内部分成不同的部段。不同的部段通过与前述溢流管50类似的溢流管而彼此连接。通过气体喷射器40喷射的气体首先使铺设在冷却腔室的底部中的金属颗粒流化，并且然后穿过多孔底板并使铺设在多孔底板上的金属颗粒流化等。换句话说，从雾化腔室排放的金属颗粒落在多孔底板上，并在流化床的第一阶段中经历第一冷却步骤。然后这些金属颗粒通过溢流管排放到较低的水平面，在较低的水平面处，金属颗粒在流化床的第二阶段中经历第二冷却步骤等，直到金属颗粒冷却并通过溢流管50从冷却腔室排放为止。多孔底板可以由多孔材料制成，或者可以是穿孔板或防止颗粒落到下部部段的任何系统。这种多级流化床提高了冷却步骤的能量效率。

从冷却腔室通过溢流管排放的粉末可以被收集在腔室、容器中或者通过输送机22收集。输送机是包括气体雾化器1的设备的一部分。优选地，输送机将粉末运送至筛分站23和/或装袋站。输送机特别地可以是真空气动输送机、压力输送机或抽吸压力输送机。

根据图4和图5所图示的本发明的一个变型，从冷却腔室38排放的粉末以流化床24、优选地鼓泡流化床的形式运送。这种运送是有利的，因为它需要最小的通风功率，可以防止灰尘排放，并且可以确保连续操作。

输送机22优选地包括用于使流化气体循环的下部管道25、用于使粉末循环的上部管道26以及基本上在下部管道和上部管道的整个长度上将下部管道和上部管道隔开的多孔壁27。

多孔壁使流化气体通过该多孔壁。这种多孔壁被设计成使得随着气体通过该多孔壁而具有足够的气体压降，以确保气体在上部管道的整个横截面上均匀分布。多孔壁可以是多层帆布织物或多孔耐火物质。

下部管道通过与流量调节器28联接的流化气体入口29供应流化气体。流化气体入口可以呈流化气体入口导管的形式，并且流量调节器可以呈风扇的形式。由于多孔壁的表面是已知的，因此流量调节器对在下部管道中喷射的气体的流量进行控制并且因此对上部管道中的气体的速度进行控制。因此气体流量可以调节成使得上部管道中的金属颗粒被流化。当流量调节器是风扇时，调节风扇的速度以对下部管道中喷射的流化气体的流量进行控制。流量调节器连接至气体源。气体源可以是被设计成让新鲜气体进入的气体入口和/或提供再循环气体的导管。

由于气体在上部管道的整个横截面上的这种均匀分布，仅一个流量调节器28可以用于整个输送机。这简化了安装和维护。

输送机22在上部管道26的顶部处包括至少一个压力阀30，使得可以调节上部管道中的流化气体的压力。压力阀优选地通过定位在旋流器箱32中的过滤器、比如旋流器31来连接至上部管道。这样，通过压力阀离开上部管道的流化气体被过滤，即，因流化气体的流动而被拖动的床的颗粒与气体分离并落回流化床中。旋流器箱优选地定位在上部管道顶部的水平面上方，以使颗粒在旋流器中的拖动最小化。

优选地，输送机22包括沿着上部管道的长度分布的多个压力阀30。这限制了流化气体在流化床上方的水平循环，并且因此还使流化床稳定。更优选地，所述多个压力阀与气体坝33结合。每个坝横向地定位在上部管道的上部部分中并且位于两个连续的压力阀30之间。这些气体坝还限制了流化气体在流化床上方的水平循环。

输送机22在其末端中的一个末端处包括输送机溢流管34，输送机溢流管34用于将粉末排放在筛分站23和/或装袋站中。输送机溢流管可以设置在上部管道的端部部段中，如图4所示。在这种情况下，一旦流化床的水平面达到输送机溢流管的水平面，粉末就流入筛分站和/或装袋站中。输送机溢流管也可以定位在输送机的末端上方，如图5所示。在这种情况下，输送机溢流管通过向上的管35连接至上部管道。在这种情况下，粉末从输送机中排放的方式将在后面描述。这种构型非常方便地为可以不是完全定位在输送机下方的筛分站和/或装袋站进行供给。

输送机22优选地在其另一末端处连接至冷却腔室的溢流管50。特别地，溢流管下端部连接至上部管道26。输送机可以连接至多个溢流管，并且因此连接至多个雾化器。在这种情况下，溢流管沿着输送机的整个长度分布。在设置有多个压力阀的情况下，所述多个压力阀优选地定位在溢流管之间，并且潜在的气体坝优选地定位成邻近溢流管且位于溢流管的上游。

输送机22优选地是封闭装置，就涉及粉末而言，该封闭装置仅通过冷却腔室的溢流管和输送机溢流管与外部连通，并且就涉及流化气体而言，该封闭装置仅通过入口导管、优选地单个入口导管和压力阀与外部连通。

输送机22优选地是水平的。输送机也可以由不同的部分制成。这些部分可以处于不同的水平面。因此，运送可以容易地适应现场的地形。

为了操作输送机22，流化气体以给定的流速被引入将输送机的下部管道25和上部管道26隔开的多孔壁27下方。

流化气体流过多孔壁，并且然后在铺设于上部管道中并形成待流化的层的颗粒之间通过。一旦存在于颗粒之间的间隙空间中的流化气体的速度足够高，颗粒就动起来并且然后被提升，每个颗粒都失去了其与相邻颗粒的永久接触点。这样，在上部管道中形成了流化床24。

从冷却腔室38通过溢流管50排放在上部管道26中的粉末在输送机中保持处于流化形式。由于粉末表现得像流体，所以粉末在上部管道中保持水平，并且通过将输送机溢流管34处的流化床从输送机排放至筛分站和/或装袋站而沿着输送机产生连续的粉末流。在输送机溢流管设置于上部管道的端部部段中的情况下，一旦流化床的水平面达到输送机溢流管的水平面，就获得连续流动。在输送机溢流管通过向上的管35连接至上部管道的情况下，上部管道中的流化气体的压力被设定为略高于大气压力，使得流化床在向上的管中上升，直至输送机溢流管。例如，在钢颗粒的情况下，相对于大气压力的过压可以设定为每米向上的管在200毫巴与600毫巴之间。

如果停止通过溢流管50供应粉末，则流化床的水平面将在输送机中降低，直至其达到输送机溢流管的水平面为止。此时，通过输送机溢流管的流动停止。相反，如果出于某种原因必须暂时关闭输送机溢流管，则流化床的水平面将在输送机中增加。在这种情况下，只有在流化床的水平面达到上部管道的顶部的情况下，才可以必须停止通过冷却腔室的溢流管供应粉末。

另外，使用该输送机可以很容易地打开和关闭粉末运送。流化气体的入口只需打开和关闭。

如果粉末已经足够冷却并且在与空气接触时将不会氧化，则流化气体可以是空气。如果需要保护粉末不受大气影响，流化可以是惰性气体，如氩气或氮气。在这种情况下，惰性气体优选地是再循环的。

根据图6和图7所图示的本发明的一种变型，可以在冷却腔室和雾化腔室两者中产生流化床。因此，金属颗粒可以利用相同的气体或利用不同的气体以几个步骤进行冷却。

在该变型中，气体雾化器还包括气体喷射器6，气体喷射器6定位在雾化腔室的底部处，能够使待积聚在雾化腔室的下部部段中的金属颗粒流化并且能够产生金属颗粒的鼓泡流化床。由于这种流化床，金属颗粒通过强烈的气体至颗粒的热传递而有效地经历第一冷却步骤。作为变型，可以使用如前所述的用于冷却腔室的多级流化床。

气体喷射器6与冷却腔室的气体喷射器40具有相同的可选特征，如先前详述的。

气体喷射器联接至流量调节器9。流量调节器对通过气体喷射器喷射的气体的流量进行控制，并且因此控制雾化腔室中的气体的速度，这是因为腔室的截面是已知的。因此，气体流量可以被调节成使得金属颗粒被流化并且所获得的流化床保持处于鼓泡状态。气体调节器可以呈风扇的形式。调节风扇速度以对通过气体喷射器喷射的气体的流量进行控制。流量调节器连接至气体源。气体源可以是如下所述的被设计成让新鲜气体进入的气体入口10和/或提供再循环气体的气体抽取器。

气体雾化器1可能除了如前所述的连接至气体喷雾器4的气体抽取器11之外优选地包括用以对通过气体喷射器6的气体喷射进行补偿的气体抽取器11。出于上面针对冷却腔室的气体抽取器45所述的类似原因，该气体抽取器优选地位于雾化腔室的上部部段中。气体抽取器可以呈一个管或多个管的形式，所述一个管或多个管在一个侧部上连接至腔室并且在另一侧部上连接至除尘装置12。除尘装置12与如前详述的冷却腔室的除尘装置46具有相同的可选特征。

优选地，气体抽取器11被设计成使得喷射在腔室中并通过气体抽取器抽取的气体可以再循环。因此，气体消耗量被最小化。因此，气体抽取器优选地连接至气体喷射器6。特别地，在一个侧部上连接至腔室的除尘装置12在另一侧部上连接至与气体喷射器6联接的流量调节器9。

在图6所图示的示例中，呈旋风分离器形式的一个除尘装置12连接至气体调节器5，以用于将气体喷射到金属流上，使得喷射到腔室中以使金属雾化的气体进行再循环。呈旋风分离器形式的另一除尘装置12连接至流量调节器9，以用于将气体喷射在腔室的底部处，使得用于将粉末床流化的气体进行再循环。在这两种情况下，都可以添加过滤器来清洁待再循环的气体。气体再循环的其他设计当然是可能的。

气体抽取器11与气体喷射器6之间的连接件优选地包括热交换器13。因此，气体可以被冷却至在其必须被喷射在腔室中时所处的温度，以防连接件中的热损失不足以使气体回到期望温度以及/或者期望热回收的情况。

气体抽取器11与气体喷射器6之间的连接件还可以包括气体入口10，以防必须在系统中引入一些新鲜气体、特别是为了补偿气体损失。

气体雾化器还可以包括定位在雾化腔室的下部部段中的热交换器14。该热交换器与如前详述的冷却腔室的热交换器47具有相同的可选特征。

在本发明的该变型中，雾化腔室2可以利用管39连接至冷却腔室38，管39在其下端部处包括阀、比方说例如L型阀、H型阀或旋转阀，以防止冷却腔室中存在的气体通过管离开。替代性地，雾化腔室2可以通过与如前详述的冷却腔室的溢流管50类似的溢流管19(如图7所示)连接至冷却腔室38。

从方法角度来看，由于一种用于制造金属粉末的方法，使得冷却腔室38内部的粉末冷却成为可能，该方法包括下述步骤：

-(i)向气体雾化器1的雾化腔室2供给熔融金属，

-(ii)通过喷射气体而使熔融金属雾化，以形成金属颗粒，

-(iii)将金属颗粒从雾化腔室转移至冷却腔室38，

-(iv)通过从冷却腔室的底部喷射气体而使金属颗粒在冷却腔室中冷却，以形成金属颗粒的鼓泡流化床49。

优选地，该方法用于连续制造金属粉末，这将在下面进行更详细地描述。

待雾化的金属可以特别地是钢、铝、铜、镍、锌、铁、合金。钢特别地包括碳钢、合金钢和不锈钢。

金属可以以固体状态提供给雾化器，并在通过喷嘴与雾化器连接的中间包中熔融。金属也可以在先前的步骤中熔融并被倾倒在中间包中。

根据本发明的一个变型，待雾化的熔融金属是通过高炉途径获得的钢。在这种情况下，生铁从高炉中流出并被运送至转炉(或BOF、即碱性氧气炉)，可选地在已被送至热金属脱硫站之后被运送至转炉。熔融铁在转炉中进行精炼以形成熔融钢。来自转炉的熔融钢然后从转炉流出至回收钢包，并且优选地被转移至钢包冶金炉(LMF)。因此，熔融钢可以在LMF中特别地通过脱氧来精炼，并且熔融钢的最初合金化可以通过添加铁合金或硅化物合金或氮化物合金或者纯金属或其混合物来完成。在必须生产要求高的粉末组合物的某些情况下，熔融钢也可以在真空罐脱气器(VTD)、真空氧气脱碳(VOD)容器或真空电弧脱气器(VAD)中进行处理。这些装备允许特别地进一步限制氢、氮、硫和/或碳的含量。

然后将精炼的熔融钢倾倒在多个感应炉中。每个感应炉都可以独立于其他感应炉进行操作。每个感应炉特别地可以在其他感应炉仍在操作时被关闭以进行维护或维修。感应炉还可以被供给铁合金、废料、直接还原铁(DRI)、硅化物合金、氮化物合金或纯元素，供给的量因感应炉而异。

感应炉的数目适于来自转炉的熔融钢或来自钢包冶金炉的精炼熔融钢的流动并且/或者适于钢粉末在雾化器的底部处的期望流动。

在每个感应炉中，熔融钢的合金化是通过添加铁合金或硅化物合金或氮化物合金或者纯金属或其混合物来进行的，以将钢成分调整为期望钢粉末的成分。

然后，对于每个感应炉，将期望成分的熔融钢倾倒在与至少一个气体雾化器连接的专用贮存器中。“专用”意指贮存器与给定的感应炉配对。也就是说，多个贮存器可以专用于一个给定的感应炉。为了清楚起见，每个感应炉具有其自己的生产流，该生产流具有与至少一个气体雾化器连接的至少一个贮存器。通过这种平行且独立的生产流，用于生产钢粉末的方法是通用的并且可以容易地连续生产。

贮存器主要是能够在气压上被控制、能够加热熔融钢并能够被加压的储存罐。

专用贮存器中的每个贮存器中的气氛优选地为氩气、氮气或其混合物，以避免熔融钢的氧化。

倾倒在每个贮存器中的钢组合物被加热到高于其液相线温度并保持在该温度。由于这种过热，防止了雾化器喷嘴3的堵塞。此外，熔融组合物粘度的降低有助于获得具有高球度、没有附属物、具有适当颗粒大小分布的粉末。

最后，当专用贮存器被加压时，熔融钢可以从贮存器流动至与贮存器连接的气体雾化器中的至少一个气体雾化器。

根据本发明的另一变型，待雾化的金属是通过电弧炉途径获得的钢。在这种情况下，将诸如废料、金属矿物和/或金属粉末之类的原材料供给到电弧炉(EAF)中，并在受控温度下将原材料熔融成加热的液态金属，其中，杂质和夹杂物作为单独的液态炉渣层被移除。将加热的液态金属从EAF移除到钢包中，优选地移除到能够被动加热的钢包中，并移动至精炼站，在精炼站中，优选地将液态金属放置在感应加热式精炼保持容器中。在精炼站中执行精炼步骤、比如真空氧气脱碳，以从液态金属中去除碳、氢、氧、氮和其他不期望的杂质。然后，具有精炼液态金属的钢包可以被转移到处于受控的真空和惰性气氛下并且包含有雾化器的经加热的中间包的封闭腔室上方。钢包连接至供给导管，并且然后经加热的中间包通过供给导管被供给精炼液态金属。

替代性地，利用气体雾化器的经加热的中间包，在受控的真空和惰性气氛下将具有精炼液态金属的钢包从精炼站转移至位于包含有倾倒区域的雾化器站的门处的另一感应加热式雾化保持器容器。然后将感应加热式雾化保持器容器引入接纳区域中，在该接纳区域中，真空和气氛被调节至倾倒区域中的一个倾倒区域。然后，将容器引入倾倒区域中，并将液态金属以受控的速率倾倒到经加热的中间包中，并用雾化器对液态金属进行雾化。

在这两种变型中，熔融金属在中间包中保持处于雾化温度，直至熔融金属在受控气氛下被迫通过腔室2中的喷嘴3(步骤(i))，并且被气体射流撞击(步骤(ii))，该气体射流将熔融金属雾化成细小的金属液滴。

对于步骤(ii)，通过气体喷雾器4喷射以将金属流雾化的气体优选地为氩气或氮气。氩气或氮气都比其他气体、例如氦气更缓慢地增大熔体粘度，这促进形成更小的颗粒尺寸。氩气或氮气还控制化学物质的纯度，从而避免不期望的杂质，并且氩气或氮气在粉末的良好形态方面起作用。使用氩气可以比使用氮气获得更细小的颗粒，这是因为：与氩气的摩尔重量39.95g/mol相比，氮气的摩尔重量为14.01g/mol。另一方面，与氩气的比热容0.52J/(gK)相比，氮气的比热容为1.04J/(gK)。因此，氮气增加了颗粒的冷却速度。

气体流量影响金属粉末的颗粒大小分布和微观结构。特别地，流量越高，冷却速率就越高。因此，气体与金属的比率——定义为气体流量(以m³/h为单位)与金属流量(以Kg/h为单位)之间的比率——优选地保持在1与5之间，更优选地保持在1.5与3之间。

一旦已经从熔融金属在腔室中的雾化而获得金属颗粒，则将沉积在雾化腔室的底部处的所获得的粉末转移至冷却腔室38。

然后，通过从腔室的底部喷射气体而使金属颗粒在冷却腔室中冷却，以形成金属颗粒的鼓泡流化床49(步骤(iv))。该步骤优选地与雾化步骤同时进行。该步骤更优选地与雾化步骤连续且同时进行。通过这种方式，雾化器可以连续工作。

在该步骤期间，优选地将金属颗粒冷却得低于其氧化窗口。在钢粉末的情况下，优选地将金属颗粒冷却得低于300℃、更优选地低于260℃、甚至更优选地在150℃与260℃之间。通过这样的冷却，然后可以在该方法的接下来步骤中于空气中操纵粉末。根据钢成分对氧化的敏感性和/或气体的纯度，可以对冷却进行调节。优选地不会将粉末冷却过度、例如冷却得低于150℃，以限制将粉末冷却所需的气体流量。在连续模式中，将气体流量调节成使得流化床保持在恒定温度，同时颗粒中的一部分颗粒从腔室连续排放，并将新的热颗粒连续添加至该床。在这种情况下，流化床保持低于300℃、更优选地低于260℃、甚至更优选地在150℃与260℃之间。

根据本发明的一种变型，通过冷却腔室的气体喷射器40喷射以使粉末床流化的气体优选地为氩气或氮气，并且更优选地与用于将雾化腔室中的熔融金属流雾化的气体是相同的气体。优选地以在1cm/s与80cm/s之间的速度、更优选地在1cm/s与20cm/s之间的速度喷射气体，这需要低的通风功率并因此需要减少的能量消耗。优选地由冷却腔室的流量调节器43、比如风扇来调节气体流量。

优选地在包括在10℃与50℃之间的温度下喷射气体。这进一步改善了金属颗粒的冷却。

根据本发明的另一变型，通过冷却腔室的气体喷射器40喷射以使粉末床流化的气体是用于金属颗粒的还原气体。因此，可以同时冷却和处理金属颗粒，以去除下述可能氧化物：该可能氧化物由于用于雾化的惰性气体中的微量氧气而在雾化腔室中的颗粒的表面处形成。对于钢而言，还原气体的示例是氮气和氢气的混合物。

优选地从冷却腔室中抽取在冷却腔室中喷射的气体，以保持腔室中的恒定压力。相应地调节气体抽取器45中的气体流量。优选地将腔室2中的过压设定在5毫巴与100毫巴之间。

优选地对喷射在冷却腔室中的气体进行再循环。在这种情况下，更优选地在从腔室中抽取喷射的气体之后将该气体冷却。优选地将喷射的气体冷却得低于50℃、更优选地在10℃与50℃之间。

在步骤(iv)期间，可以通过使流化床与热交换器47接触来进一步增强金属颗粒的冷却。

根据本发明的方法还可以包括从冷却腔室连续排放经冷却的金属颗粒的步骤(v)。该步骤优选地与雾化步骤和冷却步骤同时进行。如前所述，可以通过溢流管50进行连续排放。

根据本发明的方法还可以包括将排放的金属颗粒运送至筛分站23和/或装袋站的步骤(vi)。该步骤优选地与雾化步骤、冷却步骤和排放步骤同时进行。

排放的金属颗粒可以以流化床24的形式被运送。流化床优选地是鼓泡流化床。

根据本发明的方法还可以包括步骤(ii)与步骤(iii)之间的附加步骤，在该附加步骤期间，通过从雾化腔室的底部喷射气体以形成金属颗粒的鼓泡流化床(15)，金属颗粒在雾化腔室中经历第一冷却步骤，如前所述。在这种情况下，首先可以在雾化腔室中利用惰性气体将金属颗粒冷却至第一温度，并且然后进一步在冷却腔室中利用惰性气体或利用还原气体将金属颗粒冷却至第二温度。第一温度可以包括在300℃与450℃之间。第二温度可以包括在150℃与300℃之间。

Claims (19)

1.一种用于制造金属粉末的方法，所述方法包括：

-(i)向气体雾化器(1)的雾化腔室(2)供给熔融金属，

-(ii)通过喷射气体而使所述熔融金属雾化，以形成金属颗粒，

-(iii)将所述金属颗粒从所述雾化腔室转移至所述气体雾化器的冷却腔室(38)，

-(iv)通过从所述冷却腔室的底部喷射气体以形成金属颗粒的鼓泡流化床(49)而使所述金属颗粒在所述冷却腔室中冷却。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，步骤(ii)、步骤(iii)和步骤(iv)同时进行。

3.根据权利要求1或2中的任一项所述的方法，其中，在步骤(iv)中，所述金属颗粒被冷却得低于300℃。

4.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，其中，在步骤(iv)中，喷射的气体被抽取、冷却并再次喷射。

5.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括从所述冷却腔室连续排放金属颗粒的步骤(v)。

6.根据权利要求5所述的方法，还包括将排放的所述金属颗粒运送至筛分站的步骤(vi)。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，排放的金属颗粒以流化床(24)的形式运送。

8.根据前述权利要求中的任一项所述的方法，还包括步骤(ii)与步骤(iii)之间的附加步骤，其中，通过从所述雾化腔室的底部喷射气体以形成金属颗粒的鼓泡流化床(15)，所述金属颗粒在所述雾化腔室中经历第一冷却步骤。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述雾化腔室中的冷却步骤和所述冷却腔室中的冷却步骤利用不同的气体进行。

10.一种气体雾化器(1)，所述气体雾化器(1)包括：雾化腔室(2)；以及冷却腔室(38)，所述冷却腔室(38)连接至所述雾化腔室的底部；气体喷射器(40)，所述气体喷射器(40)定位在所述冷却腔室的底部(41)处；以及流量调节器(43)，所述流量调节器(43)联接至所述气体喷射器，以用于使待积聚在所述冷却腔室中的金属颗粒流化并形成金属颗粒的鼓泡流化床(49)。

11.根据权利要求19所述的气体雾化器，其中，所述冷却腔室的所述底部(41)与所述气体喷射器(40)之间的距离优选地短于10cm。

12.根据权利要求10或11中的任一项所述的气体雾化器，还包括定位在所述冷却腔室的下部部段中的热交换器(47)。

13.根据权利要求10至12中的任一项所述的气体雾化器，还包括位于所述冷却腔室的所述下部部段中的溢流管(50)。

14.根据权利要求10至13中的任一项所述的气体雾化器，还包括位于所述冷却腔室的上部部段中的气体抽取器(45)。

15.根据权利要求14所述的气体雾化器，其中，所述气体抽取器(45)连接至所述气体喷射器(40)，以用于所述雾化器内的气体再循环。

16.根据权利要求15所述的气体雾化器，其中，所述气体抽取器(45)与所述气体喷射器(40)之间的连接件包括热交换器(47)。

17.根据权利要求10至16中的任一项所述的气体雾化器，还包括气体喷射器(6)和流量调节器(9)，所述气体喷射器(6)定位在所述雾化腔室(2)的底部(7)处，所述流量调节器(9)联接至所述气体喷射器，以用于使待积聚在所述雾化腔室的下部部段中的金属颗粒流化并形成金属颗粒的鼓泡流化床(15)。

18.一种设备，所述设备包括根据权利要求10至17中的任一项所述的气体雾化器(1)和输送机(22)，所述输送机(22)包括用于气体循环的下部管道(25)、连接至所述冷却腔室的用于粉末材料循环的上部管道(26)、以及基本上在所述下部管道和所述上部管道的整个长度上将所述下部管道和所述上部管道隔开的多孔壁(27)。

19.根据权利要求18所述的设备，其中，所述输送机(22)的所述下部管道(25)包括流化气体入口(29)和流量调节器(28)，所述流量调节器(28)联接至所述流化气体入口，以用于使待从所述冷却腔室排放的金属颗粒流化并在所述上部管道(26)中形成金属颗粒的流化床(24)。