CN117583615A - 一种基于悬浮熔炼的离心盘雾化制备装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于悬浮熔炼的离心盘雾化制备装置，将悬浮熔炼技术与离心盘技术相结合，用于制备高端金属粉体或管坯。金属液注向离心盘表面形成液膜，液膜在离心力的作用下沿离心盘表面加速，然后被甩出盘缘，形成雾化流；雾化流可用于制粉或大直径的管坯。装置主要包括真空炉体、熔炼装置、离心盘装置、成品装置，真空炉体由真空室等部件组成，熔炼装置由水冷铜坩埚、导流管、感应圈和感应电源等部件组成，离心盘装置由离心盘、底座、旋转驱动器等部件组成。成品装置有制粉装置或制管装置。针对石墨、陶瓷或金属导流管对金属液流有一定的污染，本发明设计了完全不产生污染的电磁导流管，这种导流管还兼备随时中断或恢复制粉过程的作用。本发明提出了将悬浮熔炼设备用于向离心盘雾化提供金属液流的技术困难的解决方法。
Description
技术领域
本发明涉及金属熔炼和雾化技术领域，具体涉及一种基于悬浮熔炼的离心盘雾化制备装置及方法。
背景技术
在现代技术中，制粉技术是材料技术的一个重要分支，粉体材料用于烧结成型、注射成型、表面喷淋和3D打印等多种技术。制粉技术有多种方法，雾化制粉是其中比较先进的技术，例如气雾化法、水雾化法、超声雾化法、离心雾化法等，它们适合于制备力度均匀，球形度高的粉体。本发明拟采用离心盘雾化技术，该技术具有结构简单，设备尺寸小的特点，虽然其产量较低，但是适合于制备高端材料的粉体。这种技术的特点是将金属材料熔化后形成液流，使液流落到高速旋转的圆盘上形成液膜，液膜在离心力的作用下加速，从圆盘的边缘高速甩出，形成雾状的液滴，液滴在射入气体的冷却作用下冷凝成球状的粉体。
在制粉过程中首先要将金属熔化，本发明利用悬浮熔炼设备熔化金属。悬浮熔炼的优点是没有规格材料的污染，能保证材料的纯度，适合于活泼金属、高纯金属、难熔金属和贵金属等高端材料。
本发明的设备也适合于制备高端材料的管状坯料，在这种情况下，需要在离心盘的周围设置一个管状的模具，令雾化流撞击到模具管的内壁沉积和凝固即可。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明将悬浮熔炼技术与离心盘技术相结合，用于制备高端金属粉体。本发明提出了将悬浮熔炼设备用于向离心盘雾化提供金属液流的技术困难的解决方法。在这种技术中，金属液注向离心盘表面形成液膜，液膜在离心力的作用下沿离心盘表面加速，然后被甩出盘缘，形成雾化流。雾化流可用于制粉，也可用于制备大直径的管坯。
本发明提供了一种基于悬浮熔炼的离心盘雾化制备装置，包括真空炉体、熔炼装置、离心盘装置以及成品装置；
真空炉体包括真空室，且真空室配置为安装和运行熔炼装置、离心盘装置和成品装置的腔体；
熔炼装置安装在真空室中，包括水冷铜坩埚和导流管；其中，水冷铜坩埚底部的中心开设有液流孔，并在液流孔中插入导流管；
离心盘装置包括转盘、转盘底座和旋转驱动器；其中，转盘安装在真空室内、水冷铜坩埚的下方；转盘底座支托转盘，使高速旋转的转盘保持稳定；旋转驱动器驱动转盘旋转；
其中，成品装置包括吹扫气体、气体喷嘴和粉末收集器；其中，吹扫气体通过设置在真空室室壁的气体喷嘴吹入真空室，吹扫方向在水平面上与转盘的旋转方向相反，在竖直方向向下；
或，成品装置包括模具管、模具旋转器和模具升降机；其中，模具管环绕转盘安装，内径等于要求制备的管坯，安装在真空室下面的模具旋转器配置为使模具管沿着于离心盘装置相反的方向旋转，模具升降机配置为使模具管能沿竖直方向升降。
进一步的，在水冷铜坩埚的上端设置有坩埚盖，坩埚盖设置有充气管，且充气管与真空室外的充气系统结合，以使水冷铜坩埚内形成密闭空间，以便向水冷铜坩埚内的金属熔池施加气体压力，为液流加压，并且控制液流的流速。
进一步的，导流管的下端相对于转盘形成锐角。
进一步的，在导流管的外面设置环形加热器，在导流管的周围设置有感应线圈，以利用高频电磁场加热导流管中的金属液，且感应线圈对金属液施加电磁力，避免液流与导流管的管壁接触；
和/或，以利用导流管与其周围的感应线圈形成电磁阀，切断高频电源时，导流管中的金属液会立即凝固以中断液流；
其中，导流管采用紫铜管制作，紫铜管沿长度方向切分成若干等宽度的瓣片，在每个瓣片内钻孔作为冷却水路，相邻瓣片的冷却水路首尾相连，形成导流管的整体水路；
或，导流管采用细铜管制作，细铜管被反复弯折成相互平行的若干弓形段，所述弓形段再围绕一个中心制作成圆柱形的导流管。
进一步的，转盘表面配置为向下凸起的凹面，凹面的形状为弧形面或斜面；
或，转盘表面为光滑的表面；
或，转盘表面设置从中心向边缘扩展的螺旋线形式的轨道。
进一步的，转盘底座包括基板、卡子、滚动体和支架；
其中，基板是转盘的托板，在基板上设置有圆环形的沟槽，沟槽中安装有若干滚动体；
在基板的边缘设置有若干卡子，卡子与转盘之间设置有滚动体；
基板通过支架安装在真空室的炉底上，支架的高度可调。
进一步的，旋转驱动器包括高速电机、变速箱和传动轴；
其中，高速电机与变速箱结合后提供高速旋转的动力，高速电机和变速箱安装在真空室炉底的下面，传动轴通过真空动密封和高速轴承穿过炉底伸入真空室内与转盘结合。
进一步的，模具旋转器包括模具座、模具电机、模具减速箱和传动机构；
其中，模具电机和模具减速箱安装在真空室的下面，传动机构的第二传动轴通过模具动密封和轴承穿过炉底进入真空室与模具座结合，模具管安装在模具座的上面。
进一步的，模具升降机包括安装在真空室炉底的电机模组机构，其升降杆通过真空动密封穿过炉底进入真空室，顶在模具座的下面。
本发明还提供了一种基于悬浮熔炼的离心盘雾化制备方法，使用上述的装置，包括如下步骤：
S1、向水冷铜坩埚加入金属物料，调节离心盘支架的高度使转盘到导流管的距离符合要求，对真空室抽真空，启动感应电源加热水冷铜坩埚中的物料；
S2、物料完全熔化后，加热导流管，同时启动转盘旋转，然后通过坩埚盖的充气管向水冷铜坩埚内充入惰性气体，将金属液通过导流管压出水冷铜坩埚向转盘喷射，在转盘表面形成向边缘流动的液膜，液膜在离心力的作用下高速甩出盘缘，形成由微细的液滴组成的雾化流；
S3、将吹扫气体通过气体喷嘴吹入真空室，方向与转盘的旋转方向相反并且朝下，雾化流中的液滴在吹扫气体的冷却作用下凝固形成粉体，然后被气体扫入粉末收集器；
或，S3、在熔炼过程中预先升高模具管的高度，使模具管的上端略高于雾化流的射出高度，并且在启动转盘旋转的同时启动模具管反向旋转；在导流管向转盘射出液流之后，转盘发射的雾化流撞击到旋转的模具管的内壁，形成环形的沉积层，这时启动模具升降机，令模具管缓慢升高，使环形的沉积层的高度逐渐增加，直至水冷铜坩埚中的金属液全部雾化形成管坯。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、气雾化、水雾化和超声雾化的效果在很大程度取决于喷嘴设计，盛放熔液的容器和喷嘴之间要求采用细内径的管道，容易造成堵塞，为了粉末为球形，雾化塔必须有很大的高度。本发明离心盘雾化技术不需要在导流管的出口端设置喷嘴，导流管的内径可以增大，不需要高度很大的雾化塔。这些因素使设备的结构大幅度简化，雾化效果也更加可靠。
2、离心盘雾化技术与其它雾化技术相比，离心盘雾化不需要大量利用高压惰性气体，或是减少了气体的用量，从而降低了工艺成本。
3、离心盘雾化技术制备管坯的技术比其它制管技术简单，而且，用这种技术制管时，固/液两相的雾化束在冷却的基底表面急剧冷却凝固，这样形成的管坯晶粒细小，成分几乎没有偏析，材质致密，内部无缩孔、孔隙、疏松等冶金缺欠。用这种制备管坯的另一个特点是可以制备壁厚很小的管坯。
4、本发明对于离心盘雾化设备设计了带有倾角的导流管，具有特殊结构的离心盘的表面结构和底座，以及制粉过程的反向吹扫气体，这些对于保证雾化过程的质量均有重要作用。
5、本发明利用悬浮熔炼技术为离心盘雾化提供金属液流，它使金属在熔炼过程中排除了坩埚材料的污染，所以特别适合于高端材料的雾化过程，这是本发明的一个重要举措。
6、在采用悬浮熔炼技术的雾化装置中导流管的设计是一个技术难题。在采用热坩埚的条件下可以从坩埚的底部或侧面开孔直接引出液流，在悬浮熔炼的条件下，金属液在坩埚的开孔处会被坩埚壁冷却凝固，无法引出液流。采用加热的导流管虽然能引出液流，但是各种导流管均会对液流产生一定的污染作用，使悬浮熔炼排除污染的效果受到一些损失。本发明设计的电磁导流管完全没有污染，解决了这个技术难题。此外，这种导流管还具有冷冻阀的作用，它能随时中断或恢复制粉过程。
附图说明
图1为基于悬浮熔炼的离心盘雾化制备装置的结构组成图；
图2为本发明的熔炼装置的结构图；
图3为用铜管切割制作的电磁导流管结构图；
图4为图3中A-A处剖视图；
图5为用方截面细铜管弯折制作的电磁导流管结构图；
图6为在电磁导流管中的金属液被电磁力束缚形成很细的液流示意图；
图7为本发明的离心盘装置的结构图；
图8为在本发明的制粉装置的结构图；
图9为图7的俯视图；
图10为为在本发明的制管装置的结构图。
附图标记：1-真空炉体，2-熔炼装置，3-离心盘装置，4-成品装置，5-辅助装置，6-真空室，7-真空机组，8-充气系统，9-熔池，10-液流，11-液膜，12-雾化流，13-沉积层，14-水冷铜坩埚，15-坩埚盖，16-导流管，17-环形加热器，18-感应圈，19-水冷电极，20-电缆，21-感应电源，22-液流孔，23-充气管，24-转盘，25-转盘底座，26-旋转驱动器，27-轨道，28-基板，29-卡子，30-滚动体，31-支架，32-沟槽，33-高速电机，34-变速箱，35-传动轴，36-真空动密封和高速轴承，37-吹扫气体，38-气体喷嘴，39-粉末收集器，40-粉体，41-模具管，42-模具旋转器，43-模具升降机，44-模具座，45-模具电机，46-模具减速箱，47-模具传动机构，48-第二传动轴，49-模具动密封和轴承，50-管坯，51-电机模组机构，52-升降杆，53-瓣片，54-冷却水路，55-整体水路，56-细铜管，57-弓形段，58-感应线圈，59电磁束缚力。
具体实施方式
如图1-10所示，本实施方式提供了一种基于悬浮熔炼的离心盘雾化制备装置，包括真空炉体1、熔炼装置2、离心盘装置3、成品装置4和辅助装置5。
结合图1所示，真空炉体1包括真空室6、真空机组7和充气系统8。其中，真空室6是安装和运行熔炼装置2、离心盘装置3和成品装置4的腔体，真空机组7和充气系统8的作用是在真空室6中建立真空条件或保护性的气氛条件。较佳的，充气系统8采用惰性气体，最常用的惰性气体是氩气。
结合图2所示，熔炼装置2安装在真空室6中，其作用是将固态物料熔化形成熔池9并且形成液流10。换言之，液流10射到离心盘装置3形成液膜11和雾化流12，最后形成粉体或沉积层13。具体而言，熔炼装置2包括水冷铜坩埚14、坩埚盖15、导流管16、导流管加热器17、感应圈18、水冷电极19、电缆20以及感应电源21。
继续参阅图2，水冷铜坩埚14安装在真空室6内，其具有分瓣结构，在每一个瓣片中都设置有冷却水路，瓣片之间填充耐高温的绝缘材料，从而，用悬浮熔炼技术向制粉过程提供无污染的金属液。在水冷铜坩埚14的上端设置有坩埚盖15，坩埚盖15设置有充气管23，且充气管23与真空室6外的充气系统8结合，从而，水冷铜坩埚14内的金属熔化后，向水冷铜坩埚14内充入惰性气体，通过调整水冷铜坩埚14内的气体压力可以改变从水冷铜坩埚14流出的金属液液流的流速。较佳的，气体的压力控制在0.03MPa～0.5MPa的范围内。感应圈18是环绕水冷铜坩埚14设置的紫铜水冷螺线管，感应圈18在真空室6内接入水冷电极19，水冷电极19则经过绝缘和密封穿过真空室6的室壁，再通过电缆20与感应电源21连通。
为了形成液流10，在水冷铜坩埚14底部的中心开设有液流孔22，并在液流孔22中插入导流管16。为了防止高温金属液流10直接冲刷离心盘装置3使盘的中心区被烧损，导流管16的下端可以相对于盘面形成一个锐角，此角度可以按照0～90°的范围设计，导流管16的内径按照1～30mm设置，较佳的，导流管16的内径范围是2～10mm。
需要说明的是，沿导流管16的高度方向，其内径可以相同，也可以不同，例如上端的内径小、下端的内径大。为了防止金属液在导流管16中凝固，在导流管16的外面需要设置环形加热器17。根据被熔炼的金属的熔点，环形加热器17可以采用电阻加热器或感应加热器。导流管16采用对于金属液具有较高稳定性的材料制作，例如：对于铜、铝、镁等金属可以采用石墨，对于硅可以使用石英，对于铁基、镍基和钴基合金可以采用刚玉、氧化镁、氮化硼陶瓷或难熔金属，对于钛合金则可以采用氧化锆-氧化钇膜壳或难熔金属。当使用感应加热器作为环形加热器17时，如果采用非金属的导流管16，则需要在导流管16的外面套上金属的感应管，用感应管加热导流管16。
值得说明的是，上述石墨、陶瓷或金属材质的导流管16对于液流10总会产生轻微的污染，为了完全排除导流管16对于液流10的污染，本实施方式设计了一种完全没有污染的电磁导流管16。
请参阅图3-4，作为一方面电磁导流管16的具体实施方式，电磁导流管16可以用紫铜管制作，铜管沿长度方向切分成若干等宽度的瓣片53，在每个瓣片53内钻孔作为冷却水路54，相邻瓣片53的冷却水路54首尾相连，形成导流管16的整体水路55。
请参阅图5，作为另一方面电磁导流管16的具体实施方式，导流管16也可以用细铜管56制作。具体而言，细铜管56被反复弯折成相互平行的若干弓形段57，所述弓形段57再围绕一个中心制作成圆柱形的导流管16，每一个弓形段57类似于一个瓣片。该导流管16的内径可以按照2～30mm设计，分瓣数可以按2～20mm设计，分瓣数随管径增大而增多。优选的，在导流管16的周围设置有感应线圈58，其一方面利用高频电磁场加热导流管16中的金属液，另一方面施加电磁束缚力59，将金属液束缚成很细的液流10，液流10由于不与导流管16的管壁接触，所以能保持较高的温度，而且还排除了管壁引起的污染。产生电磁场的高频电源其频率按照100～1000kHz设计，管径越小，要求的频率越高。本实施方式的电磁导流管16，当切断高频电源时，导流管16中的金属液会立即被导流管16中的冷却水冷冻凝固，中断液流10，产生冷冻阀的作用；如果要求继续制粉过程，只要恢复高频电源供电，熔化导流管16中凝固的金属即可。
参阅图7，本实施方式的离心盘装置3，包括转盘24、转盘底座25、旋转驱动器26。其中，转盘24配置为具有一定厚度的圆盘，且安装在真空室6内、水冷铜坩埚14的下方；转盘24的直径一般选取在0.02m～2m的范围内，直径增大可以加大沿盘面旋转的金属液的线速度，减小成品粉体的粒度，但是直径过大则会导致金属液冷却凝固；具体适合的直径取决于从导流管16引出的液流的流量，流量较大时可以采用直径较大的转盘24。
转盘24表面可以配置为向下凸起的凹面，凹面的形状可以是弧形面，也可以是斜面，这样的表面可以对盘面的液膜施加较大的离心力；盘面可以是光滑的表面，也可以设置从中心向边缘扩展的螺旋线形式的轨道27，盘面的液膜沿着轨道27向转盘24边缘流动能得到较大的加速度。较佳的，轨道27可以是沟槽状的结构，也可以是环带结构；转盘24可以用石墨或金属材料制作，选用制作转盘24的材料的原则是转盘24不得与雾化金属反应，不得被雾化金属熔蚀。石墨转盘适合于与碳不发生反应的金属，例如铜和铝；采用金属转盘时，制作转盘24的金属材料的熔点应该高于雾化金属的熔点，例如，稀土金属可以使用钢，铁、镍和它们的合金可以使用钛；转盘24表面可以局部或全部镶嵌或喷涂高熔点的金属或陶瓷材料，例如、Mo、W、BN、MgO、Al2O3、ZrO2等；转盘24还可以采用水冷或气冷的金属结构，例如水冷铜盘。
转盘底座25是支托转盘24的结构，其包括基板28、卡子29、滚动体30和支架31。其中，基板28是转盘24的托板，为了使高速旋转的转盘24保持稳定，在基板28上可以制作出圆环形的沟槽32，沟槽32中安装有若干滚动体30，例如小球、滚珠、滚柱等元件，转盘24的底面通过所述滚动体30与基板28。对于直径较大的转盘24，基板28表面的环形沟槽32可以设置两个以上，并以同心圆的形式在基板28上分布。在基板28的边缘设置有若干卡子29，以便卡子29的上缘卡住转盘24的边缘，增强转盘24旋转的稳定性，卡子29与转盘24之间设置有滚动体30，例如小球、滚珠、滚柱等元件。基板28通过支架31安装在真空室6的炉底上，支架31的高度可调，以便改变转盘24与水冷铜坩埚14的导流管16管口之间的距离。
旋转驱动器26是驱动转盘24旋转的装置，包括高速电机33、变速箱34和传动轴35。其中，高速电机33是本实施方式的核心部件，其与变速箱34结合后提供高速旋转的动力，转速配置为10000～50000rpm。转速越高，离心雾化达到的粉体的粒度越细小。高速电机33和变速箱34安装在真空室6炉底的下面，传动轴35通过真空动密封和高速轴承36穿过炉底伸入真空室6内与转盘24结合，带动转盘24旋转。
成品装置4有两种类型：分别为用于制粉的制粉装置和用于制管的制管装置。
如图8-9所示，制粉装置包括吹扫气体37、气体喷嘴38和粉末收集器39。其中，吹扫气体37通过设置在真空室6室壁的气体喷嘴38吹入真空室6，吹扫方向在水平面上与转盘24的旋转方向相反，在竖直方向向下。吹扫气体37的一个作用是加快雾化流12中液滴的冷却，使液滴呈球形凝固成粉体40；另一个作用是使粉体40向下移动，最后进入粉末收集器39。
可以理解，如果没有吹扫的强制冷却作用，雾化流12中的液滴会以液体的状态撞击到真空室6的室壁，形成形状不规则的粉体。吹扫气体37可以采用惰性气体，例如氩气。为了提高冷却速度，可以采用低温的液态气体，如液氩。如果要对粉体按照粒度大小分类，可以利用旋风分离器对粉末进行分离。用于制粉的悬浮熔炼-离心盘雾化设备要求真空室6有足够大的直径和高度，以便为雾化流12冷却成为粉体40的过程提供较大的行程。
如图10所示，制管装置包括模具管41、模具旋转器42和模具升降机43。其中，模具管41是形成管坯的模具，其环绕离心盘装置3安装，内径等于要求制备的管坯50，高度大于对管坯50要求的长度。模具管41中可以通水冷却；安装在真空室6下面的模具旋转器42的作用是使模具管41沿着于离心盘装置3相反的方向旋转，使雾化流12在模具管41内壁形成的沉积层厚度均匀。
模具旋转器42包括模具座44、模具电机45、模具减速箱46和传动机构47。其中，模具电机45和模具减速箱46安装在真空室6的下面，传动机构47的第二传动轴48通过模具动密封和轴承49穿过炉底进入真空室6与模具座44结合，模具管41安装在模具座44的上面。较佳的，模具管41的旋转速度可以按照10～300rpm的范围设置。
模具升降机43的作用是使模具管41能沿竖直方向升降，在雾化沉积的过程中，模具管41改变高度能使在模具管41内壁形成的沉积层的长度增大，形成长度符合要求的管坯50。模具升降机43可以有多种结构，只要使模具管41具有升降功能的结构均为本实施方式涉及的范畴，例如，安装在真空室6炉底的电机模组机构51，其升降杆52通过真空动密封穿过炉底进入真空室6，顶在模具座44的下面。升降速度的选择依据在模具管41内壁形成的沉积层的厚度符合对管坯50的厚度要求为准，这与从导流管16流出的金属液的流速和模具管41的内径等因素有关。
结合图2、7所示，启动基于悬浮熔炼的离心盘雾化制备装置的流程如下：向水冷铜坩埚14加入金属物料，调节离心盘支架31的高度使转盘24到导流管16的距离符合要求，对真空室6抽真空，如果有要求再充入惰性气体，启动感应电源21加热水冷铜坩埚14中的物料，物料完全熔化后，加热导流管16，同时启动转盘24旋转。然后通过坩埚盖15的充气管23向水冷铜坩埚14内充入惰性气体，将金属液通过导流管16压出水冷铜坩埚14向转盘24喷射，在转盘24表面形成向边缘流动的液膜11，液膜11在离心力的作用下高速甩出盘缘，形成由微细的液滴组成的雾化流12。
结合图8-9所示，在制粉的工艺流程中：将吹扫气体37通过气体喷嘴38吹入真空室6，方向与转盘24的旋转方向相反并且朝下，雾化流12中的液滴在吹扫气体37的冷却作用下凝固形成粉体40，然后被气体扫入粉末收集器39。
结合图10所示，对于制管的工艺流程：在熔炼过程中预先升高模具管41的高度，使模具管41的上端略高于雾化流12的射出高度，并且在启动转盘24旋转的同时启动模具管41反向旋转。在导流管16向转盘24射出液流之后，转盘24发射的雾化流12撞击到旋转的模具管41的内壁，形成环形的沉积层13。这时启动模具升降机43，令模具管41缓慢升高，使环形的沉积层的高度逐渐增加，直至水冷铜坩埚14中的金属液全部雾化形成管坯50。在制管的工艺流程中，要求雾化流12以固/液两相粒子的形式向模具管41的内壁沉积，所以一般不需要用吹扫气体37冷却雾化流12。
本实施方式的辅助装置5包括冷却系统和控制系统。其中，装置的冷却系统用于对真空室6、水冷铜坩埚14、坩埚盖15、感应圈18、水冷电极19、电缆20、感应电源21、转盘24和/或模具管41进行冷却。装置的控制系统用于对电源功率、真空机组、气体阀门、转盘24的旋转驱动器26、模具旋转器42、模具升降机43的控制。
本发明提供了一些具体实施例，以便更好地理解本实施方式：
实施例1：
本实施例采用悬浮熔炼-离心盘雾化设备用于制备钛粉，设备由真空炉体1、熔炼装置2、离心盘装置3、成品装置4和辅助装置5等部分组成(图1)。
真空炉体的真空室6其内径为2500mm，高度为3000mm(图2)。水冷铜坩埚14装在真空室6内，它具有分瓣结构，在每一个瓣片中都有冷却水路。为了形成液流，在坩埚底部的中心设有液流孔22，在孔中插入内径为2mm的导流管16，导流管的下端相对于离心盘的盘面形成30°的角度。导流管用氧化锆-氧化钇膜壳制作，在它的外面套有钼管，在钼管的外面装有感应圈17，用100kW的高频电源加热。在坩埚的上端设有坩埚盖15，坩埚盖设有充气管23，充气管与室外的氩气源8结合。
感应圈18环绕坩埚设置，在真空室内它接入水冷电极19，电极则经过绝缘和密封穿过真空室室壁，再通过电缆20与超音频电源21连通(图2)，电源功率为300kW。
离心盘装置由转盘24、转盘底座25、旋转驱动器26等部分组成(图3)。
转盘24是具有一定厚度的圆盘，它装在真空室内，坩埚10的下方，转盘的直径为120mm。。转盘表面从中心向边缘对于水平面具有15°的角度。在盘面上装有面，也可以设置形成从中心向边缘扩展的螺旋线形式环带27，环带的高度为10mm。转盘用钼板制作，中心区镶衬有BN圆片。
支托转盘转盘底座由基板28、卡子29、滚动体30和支架31组成。不锈钢基板装在转盘24的底面，在基板有一条圆环形的沟槽32，沟槽中装有轴承珠30，转盘的底面通过这些轴承珠与底座接触。在底座的边缘设置有4卡子29它们的上缘卡住转盘的边缘，卡子与转盘之间也装有轴承珠30。基板28通过支架31装在真空室的炉底上，支架用不锈钢制作，的高度可调。
旋转驱动器26是驱动转盘24旋转的装置，它由高速电机33、变速箱34、传动轴35等部件组成。高速电机和变速箱装在真空室炉底的下面，传动轴通过真空动密封和高速轴承36穿过炉底伸入真空室内与转盘结合，带动转盘旋转。
在本实施例中，成品装置4采用制粉装置，它由吹扫气体37、气体喷嘴38和粉末收集器39组成(图5-6)。吹扫气体采用氩气，它通过设在真空室室壁的气体喷嘴吹入真空室6，吹扫方向在水平面上与转盘的旋转方向相反，在竖直方向向下。
在本实施例中，制备钛粉的流程如下(图2-3)：向坩埚14加入5kg海绵钛，调节离心盘支架31的高度使离心盘24到坩埚导流管16的距离为10mm，对真空室6抽真空，然后充入0.1MPa的氩气，启动感应电源21加热钛料，钛料完全熔化后，加热导流管达到约1800℃，这时启动离心盘24旋转，转速为35000rpm。然后通过坩埚盖15的充气管23向坩埚内充入惰性气体，压力为0.3MPa，使金属液通过导流管16压出坩埚向离心盘喷射形成雾化流12。同时，将氩气37通过真空室室壁的气体喷嘴38吹入真空室6冷却雾化流，使雾化流12中的液滴冷凝成粉体40并且被扫入粉末收集器39(图5-6)，吹扫气体的压力为02MPa。
在本实施例中，制得的钛粉的粒度在20～80μm的范围内，球形度很高。
实施例2：
本实施例是用于制备镍基高温合金管坯的悬浮熔炼-离心盘雾化设备，熔炼设备的基本结构和熔炼的材料与实施例1相同(图1～图3)。
本实施例与实施例1的区别是它的成品装置4采用制管装置(图7)，制管装置由模具管41、模具旋转器42、模具升降机43等部件组成(图7)。模具管环绕离心盘安装，内径200mm，高度300mm，用不锈钢材料制作。模具旋转器的作用是驱动模具管沿着与离心盘相反的方向旋转，它由模具座44、模具电机45、模具减速箱46和传动机构47组成。模具电机和模具减速箱装在真空室6的下面，传动机构的传动轴48通过动密封和轴承49穿过炉底进入真空室与模具座结合，模具管则装在模具座的上面。模具升降机43的作用是使模具管能沿竖直方向升降，它由装在真空室炉底的电机-模组机构51和通过真空动密封穿过炉底进入真空室的升降杆52组成，升降杆的顶端顶在模具座44的下面。
在本实施例中，熔炼和雾化过程与实施例1相同，区别仅在于加入坩埚的物料是10kg镍基高温合金料。在开始雾化流程之前升高模具管41的高度，使模具管的上端略高于雾化流射出的高度，并且启动模具管41沿着与离心盘旋转方向相反的反向旋转，转速100rpm。在导流管16向离心盘射出液流和离心盘启动之后，雾化流12在模具管的内壁开始形成环形的沉积层13。当沉积层的厚度约8mm时，以10mm/min的速度向上提升模具管，在约2分钟的时间内坩埚中的合金液全部雾化。这时停止加热、停止离心盘旋转，停止模具管的旋转和升高。从模具管上取出管坯，其直径为200mm，高度约200mm，厚度约10mm，重量约10kg。
尽管已经示出和描述了本发明的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。
Claims (10)
1.一种基于悬浮熔炼的离心盘雾化制备装置，其特征在于，包括真空炉体(1)、熔炼装置(2)、离心盘装置(3)以及成品装置(4)；
真空炉体(1)包括真空室(6)，且真空室(6)配置为安装和运行熔炼装置(2)、离心盘装置(3)和成品装置(4)的腔体；
熔炼装置(2)安装在真空室(6)中，包括水冷铜坩埚(14)和导流管(16)；其中，水冷铜坩埚(14)底部的中心开设有液流孔(22)，并在液流孔(22)中插入导流管(16)；
离心盘装置(3)包括转盘(24)、转盘底座(25)和旋转驱动器(26)；其中，转盘(24)安装在真空室(6)内、水冷铜坩埚(14)的下方；转盘底座(25)支托转盘(24)，使高速旋转的转盘(24)保持稳定；旋转驱动器(26)驱动转盘(24)旋转；
其中，成品装置(4)包括吹扫气体(37)、气体喷嘴(38)和粉末收集器(39)；其中，吹扫气体(37)通过设置在真空室(6)室壁的气体喷嘴(38)吹入真空室(6)，吹扫方向在水平面上与转盘(24)的旋转方向相反，在竖直方向向下；
或，成品装置(4)包括模具管(41)、模具旋转器(42)和模具升降机(43)；其中，模具管(41)环绕转盘(24)安装，内径等于要求制备的管坯(50)，安装在真空室(6)下面的模具旋转器(42)配置为使模具管(41)沿着于离心盘装置(3)相反的方向旋转，模具升降机(43)配置为使模具管(41)能沿竖直方向升降。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在水冷铜坩埚(14)的上端设置有坩埚盖(15)，坩埚盖(15)设置有充气管(23)，且充气管(23)与真空室(6)外的充气系统(8)结合，以使水冷铜坩埚(14)内形成密闭空间，以便向水冷铜坩埚(14)内的金属熔池施加气体压力，为液流加压，并且控制液流的流速。
3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，导流管(16)的下端相对于转盘(24)形成锐角。
4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，在导流管(16)的外面设置环形加热器(17)，在导流管(16)的周围设置有感应线圈(58)，以利用高频电磁场加热导流管(16)中的金属液，且感应线圈(58)对金属液施加电磁力，避免液流与导流管(16)的管壁接触；
和/或，以利用导流管(16)与其周围的感应线圈(58)形成电磁阀，切断高频电源时，导流管(16)中的金属液会立即凝固以中断液流；
其中，导流管(16)采用紫铜管制作，紫铜管沿长度方向切分成若干等宽度的瓣片(53)，在每个瓣片(53)内钻孔作为冷却水路(54)，相邻瓣片(53)的冷却水路(54)首尾相连，形成导流管(16)的整体水路(55)；
或，导流管(16)采用细铜管(56)制作，细铜管(56)被反复弯折成相互平行的若干弓形段(57)，所述弓形段(57)再围绕一个中心制作成圆柱形的导流管(16)。
5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，转盘(24)表面配置为向下凸起的凹面，凹面的形状为弧形面或斜面；
或，转盘(24)表面为光滑的表面；
或，转盘(24)表面设置从中心向边缘扩展的螺旋线形式的轨道(27)。
6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，转盘底座(25)包括基板(28)、卡子(29)、滚动体(30)和支架(31)；
其中，基板(28)是转盘(24)的托板，在基板(28)上设置有圆环形的沟槽(32)，沟槽(32)中安装有若干滚动体(30)；
在基板(28)的边缘设置有若干卡子(29)，卡子(29)与转盘(24)之间设置有滚动体(30)；
基板(28)通过支架(31)安装在真空室(6)的炉底上，支架(31)的高度可调。
7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，旋转驱动器(26)包括高速电机(33)、变速箱(34)和传动轴(35)；
其中，高速电机(33)与变速箱(34)结合后提供高速旋转的动力，高速电机(33)和变速箱(34)安装在真空室(6)炉底的下面，传动轴(35)通过真空动密封和高速轴承(36)穿过炉底伸入真空室(6)内与转盘(24)结合。
8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，模具旋转器(42)包括模具座(44)、模具电机(45)、模具减速箱(46)和传动机构(47)；
其中，模具电机(45)和模具减速箱(46)安装在真空室(6)的下面，传动机构(47)的第二传动轴(48)通过模具动密封和轴承(49)穿过炉底进入真空室(6)与模具座(44)结合，模具管(41)安装在模具座(44)的上面。
9.根据权利要求8所述的装置，其特征在于，模具升降机(43)包括安装在真空室(6)炉底的电机模组机构(51)，其升降杆(52)通过真空动密封穿过炉底进入真空室(6)，顶在模具座(44)的下面。
10.一种基于悬浮熔炼的离心盘雾化制备方法，其特征在于，使用如权利要求1-9任意一项所述的装置，包括如下步骤：
S1、向水冷铜坩埚(14)加入金属物料，调节离心盘支架(31)的高度使转盘(24)到导流管(16)的距离符合要求，对真空室(6)抽真空，启动感应电源(21)加热水冷铜坩埚(14)中的物料；
S2、物料完全熔化后，加热导流管(16)，同时启动转盘(24)旋转，然后通过坩埚盖(15)的充气管(23)向水冷铜坩埚(14)内充入惰性气体，将金属液通过导流管(16)压出水冷铜坩埚(14)向转盘(24)喷射，在转盘(24)表面形成向边缘流动的液膜(11)，液膜(11)在离心力的作用下高速甩出盘缘，形成由微细的液滴组成的雾化流(12)；
S3、将吹扫气体(37)通过气体喷嘴(38)吹入真空室(6)，方向与转盘(24)的旋转方向相反并且朝下，雾化流(12)中的液滴在吹扫气体(37)的冷却作用下凝固形成粉体(40)，然后被气体扫入粉末收集器(39)；
或，S3、在熔炼过程中预先升高模具管(41)的高度，使模具管(41)的上端略高于雾化流(12)的射出高度，并且在启动转盘(24)旋转的同时启动模具管(41)反向旋转；在导流管(16)向转盘(24)射出液流之后，转盘(24)发射的雾化流(12)撞击到旋转的模具管(41)的内壁，形成环形的沉积层(13)，这时启动模具升降机(43)，令模具管(41)缓慢升高，使环形的沉积层的高度逐渐增加，直至水冷铜坩埚(14)中的金属液全部雾化形成管坯(50)。
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| CN202311647073.5A CN117583615A (zh) | 2023-12-04 | 2023-12-04 | 一种基于悬浮熔炼的离心盘雾化制备装置及方法 |
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| CN202311647073.5A CN117583615A (zh) | 2023-12-04 | 2023-12-04 | 一种基于悬浮熔炼的离心盘雾化制备装置及方法 |
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Family Applications (1)
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2023
- 2023-12-04 CN CN202311647073.5A patent/CN117583615A/zh active Pending
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