CN1709585A - 一种高压气体雾化喷嘴 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用气体雾化高温熔融液制取超细粉末的装置，特别是高压气体雾化喷嘴。它包含有导流管，导流管外设有气腔，气腔的外侧腔壁的壁面与内侧腔壁的壁面形成Laval喷管结构，导流管顶端附近的管壁外侧呈圆锥形，其锥面的延长线形成夹角β，Laval喷管结构发散部分中气腔内侧腔壁壁面的延长线形成夹角θ，角θ大于或等于角β，Laval喷管结构发散部分的中心轴形成夹角α，Laval喷管发散部分扩张角δ。本发明能适用于雾化高熔点熔融材料，并且对熔融液体的过热度要求不高。高压气体的气流以极高的动能雾化熔融液体制取超细粉末，不仅能将气体能量充分利用并保证雾化制粉工艺上的连续性，而且能使粉末的粒度细化，提高细粉的出粉比率。

Description

一种高压气体雾化喷嘴

技术领域

本发明涉及一种用气体雾化高温熔融液制取超细粉末的装置，特别是一种高压气体雾化喷嘴。

背景技术

气体雾化金属液是常用的制取金属粉末的方法，而常规的气体雾化喷嘴多为金属液自由下落的非约束型喷嘴，这类喷嘴雾化制取的粉末颗粒很粗，其雾化粉末的平均粒度约在60~75μm的范围。美国麻省理工学院N.T.Grant教授发明的超声波雾化器(US PatentN.4778516)利用Hartmman超声振荡波管原理，用3MPa的高压气体产生频率为20~100KHz、流速为2.5马赫的射流雾化金属液。用这种雾化器将粉末的平均粒度减小到40~60μm。中国专利CN 1282282A描述了一种矩形Laval喷嘴，按层流雾化原理将金属液加速雾化成微细液滴，其雾化粉末的平均粒径很细，但该技术在工艺适应性上需要有很高的金属液过热度，并且容易产生金属液过冷而使喷嘴堵塞，造成雾化终止的现象。中国专利CN 1078928A描述了一种自吸式超声速环形射流雾化器，利用涡旋气流将液体雾化，该发明的特点是在较低的雾化气体压力(压力小于1MPa)下，雾化熔点较低的金属液(铅、锡、铝等材料)，但用该装置雾化所得的粉末粒度较粗，并且不适用于雾化高熔点金属材料(熔点在1000℃以上)。

发明内容

本发明的目的是为解决上述现有技术中存在的缺陷而提供一种高压气体通过Laval喷管产生高速气流雾化高熔点熔融材料，制取的金属粉末粒度更细小高压气体雾化喷嘴。

本发明为达到上述目的而提供的技术方案是：一种高压气体雾化喷嘴，它包含有导流管，导流管外设有环绕于其周围的气腔，气腔的外侧腔壁的壁面与内侧腔壁的壁面在导流管顶端附近形成Laval喷管结构，Laval喷管结构包括收敛部分、喉口、发散部分。导流管顶端附近的管壁外侧呈圆锥形，其锥面的延长线形成夹角β，Laval喷管结构发散部分中气腔内侧腔壁壁面的延长线形成夹角θ，角θ大于或等于角β，角β的角度范围为0°～45°，Laval喷管结构发散部分的中心轴形成夹角α，角α为-15°～45°，Laval喷管发散部分中气腔的内侧腔壁壁面、外侧腔壁壁面形成扩张角δ，扩张角δ的角度范围为0°～30°。

Laval喷管结构喉口部分可以采用环缝结构或是沿导流管管壁周围均匀排列的多个环孔结构。

Laval喷管结构中喉口的总截面积为бt，发散部分的开口端的总截面积为бe，бe与бt之比为1∶1～1∶8。

导流管的出口端面距离Laval喷管结构的发散部分开口端的长度L为2～20mm。

本发明的有益效果是高压气体通过本发明所描述的Laval喷管产生高速气流，能适用于雾化高熔点熔融材料，并且对熔融液体的过热度要求不高。高压气体在本发明所述的结构下，气流以极高的动能雾化熔融液体制取超细粉末，不仅能将气体能量充分利用并保证雾化制粉工艺上的连续性，而且能使粉末的粒度细化，提高细粉的出粉比率。

下面结合附图通过实施例对本发明作进一步阐述，但实施例并不限制本发明的保护范围。

附图说明

图1是实施例1的剖视结构示意图；

图2是本发明Laval喷管环缝形喉口示意图；

图3是本发明Laval喷管环孔形喉口示意图；

图4是实施例1所得的金属粒度分布图；

图5是实施例1雾化粉末的扫描电镜形貌；

图6是实施例2所得的金属粒度分布图；

图7是实施例2雾化粉末的扫描电镜形貌；

图8是实施例3所得的金属粒度分布图；

图9是实施例3雾化粉末的扫描电镜形貌。

具体实施方式

实施例1：

一种Laval喷管喉口为如图2所示环缝结构的高压气体雾化喷嘴，其剖视图如图1所示，它包含有导流管1，导流管1外设有环绕于其周围的气腔2，气腔2的外侧腔壁21的壁面21a、21b与内侧腔壁22的壁面22a、22b在导流管1顶端附近形成Laval喷管结构3，Laval喷管结构3包括收敛部分31、喉口32、发散部分33，导流管1顶端附近的管壁外侧呈圆锥形4，其锥面41的延长线形成夹角β，Laval喷管结构3发散部分33中气腔2内侧腔壁壁面22b的延长线形成夹角θ，角θ大于或等于角β，Laval喷管结构3发散部分33的中心轴形成夹角α，Laval喷管3发散部分33中气腔2的内侧腔壁壁面22b、外侧腔壁壁面21b形成扩张角δ，Laval喷管结构3中喉口32的总截面积为бt，发散部分33的开口端34的总截面积为бe，导流管1的出口端面距离Laval喷管结构3的发散部分33开口端34的长度为L。

本发明利用收敛----发散型形状的Laval喷管结构将高压气体加速到数马赫的超音速度，高速气流以α角度高速撞击金属液流，气体的能量(动能)与液态金属充分交换吸收形成极细的金属液滴，金属液滴经快速冷凝形成超细粉末。在雾化过程中，一定角度的高速气流在导流管顶端前的雾化区形成一个负压吸动区，可以源源不断地将液态金属液抽吸到导流管顶端的雾化区，使雾化持续正常进行。扩张角δ使气体离开喷嘴后不致继续过分膨胀，超音速气流在离开喷管时以稳定的层流射向金属液体。

根据收敛-发散型喷管的空气动力学原理，喷管出口处与喉口处的截面积决定了喷管出口气流的最大速度。如对于氮气，当бe/бt＝5时出口处气体能达到的最大流速为3.18马赫。在气流完全膨胀条件下，雾化器内气体压力Pa与喷管出口处压力Pe比值应为4.76MPa。Pa/Pe高于此比值时出口出现膨胀波，Pa/Pe小于此比值时出现一个斜激波，气流边界方向向中心弯曲，气流边界界面上喷管出口压力Pe和雾化室背压Pb平衡，即Pe＝Pb。一般，雾化气体压力Pa越大，经收敛—发散喷管加速后的气流速度越高，雾化所得的粉末越细。但过份地增大喷管的截面积比，提高雾化压力并不显著提高气流速度。如当бe/бt≈10时，出口的最大气流速度约为4马赫，而此时需要的最大雾化压力约15MPa。相反，当出口最大流速为3.5马赫时，бe/бt＝6.8时，Pa/Pe＝7.6。本发明中，бe与бt之比为1∶1～1∶8，采用бe/бt比小于8的喷管参数，雾化压力比范围为4~80，最佳范围为3~60。喉口32处的总截面积为5mm²~50mm²，气体出口处34总截面积与喉口32截面积比为8∶1~1.2∶1，雾化喷嘴的最大气流速度可达到3.6马赫，雾化时所需要的最大雾化腔/气体出口背压力比Pa/Pe为71倍。一般，气体出口处的背压为1~1.3大气压，雾化所需的最高压力为7.1~8.2MPa。雾化气体流量控制在1.5~25m³/min。

超音速气流离开喷管后的前进过程中，流场中的速度、压力和密度等参数的分布具有不连续的阶跃特性。流场中每向前产生一个激波，气体的流速减慢，压力阶跃上升，直至气流变成亚音速的紊流，超音速流场中压力的阶跃特性影响导流管顶端的压力分布，并对雾化稳定性产生影响。当前工艺中雾化常采用一个低于喷管出口完全膨胀时的临界压力，这种情况下气流会在喷管出口处产生一个斜激波，斜激波的方向与雾化压力有关，斜激波界面前后气流场出现压力阶跃，斜激波作用到导流管顶端平面处，当该处压力大于导流管内的压力时，气体向导流管内扩散冒泡，阻止金属液流动，并使金属液流量减少甚至终止雾化，这种状态下雾化维持的时间很短。因此要设计适当的导流管1的出口端面距离Laval喷管结构3的发散部分33开口端34的长度L，使雾化顶面处于一个稳定的压力范围内，实现稳定雾化，L过长会使高速气流的能量损失很大，其最佳范围是2～20mm。

喷管发散段的扩张角б也会影响金属液的雾化，根据空气动力学原理，气体在扩张管内膨胀时管内气体的压力、密度、流速随膨胀管的截面积变化，为控制气流的膨胀速度，必须控制Laval喷管结构3在其发散部分33开口端34的张角δ。本发明的喷管扩张角δ的角度范围为0°～30°，其最佳扩张角为5~30°。扩张角过大会引起气体过膨胀，导至喷管壁面上压力过低，液态金属会逆高速气流方向向喷管内倒流、凝固。

Laval喷管结构3中角α影响气体和液态金属的能量交换效率。本发明中的角α的角度范围为-15°～45°。(在角β取0°，角θ取0°，角δ大于0°时，角α会向外扩张，此时形成的角度在本说明书中定义为负角度。)其最佳范围为-10°～40°。角β及顶端平面外延距离L决定了气液交汇点在气流场中的位置压力，对超速音速气流起导向作用，本发明中，角β的角度范围为0°～45°，其最佳范围为5°～40°。

本实施例中角β取30°，角α取40°，角δ取20°，L取4mm，бe与бt之比为5∶1，导流管1的内径4.5mm。将25Kg纯铁，放于该雾化炉的感应炉中，系统抽真空，并用90KW的功率将纯铁熔化。纯铁的熔点为1573℃，当熔融液体的温度升至1650℃时，将金属液倒入中间包准备雾化，用4.2Mpa的气体压力对液态铁雾化，雾化时间持续240秒。将雾化态粉末在激光粒度仪上测试，粒度分布如图4所示，所得的粉末中32wt％小于10μm，60wt％小于20μm。图5是雾化态纯铁粉末的显微形貌。

实施例2：

一种Laval喷管喉口32为如图2所示环缝结构的高压气体雾化喷嘴，角β＝30°，角α＝40°，角δ＝10°，L＝2mm，环缝截面积为16mm²，бe与бt之比为5∶1，导流管1中心孔径4.2mm。材料的基本成份为Fe70Ni30，将21Kg纯铁棒、9Kg纯镍板加入雾化炉的MgO坩埚中，雾化系通抽真空，中频送电90KW、45min，炉料熔化，炉料的熔点约1480℃，待炉温升到1600℃，将液体倒入中间包准备雾化。雾化采用3.8Mpa的雾化压力，气体为高纯氮气。雾化态粉末的粒度分布如图6所示，雾化所得粉末9.2wt％小于10μm，31.2wt％小于20μm，76.3wt％小于40μm。雾化态粉末的平均粒径为30.3μm，图7是雾化态Fe70Ni30粉末的扫描电镜形貌。

实施例3：

本实施例中采用喷管喉口32为环孔结构的喷嘴，由20个单独的环孔组成。角β＝40°，角α＝30°，角δ＝24°，L＝5mm，бe与бt之比为5∶1，环孔总截面积为20mm²，导流管1中心孔径4.5mm。材料的基本成份为FeSi9.6Al5.4。将21.3Kg纯铁、2.4Kg工业纯硅放入雾化炉的坩埚中，雾化系统抽真空，中频送电70KW，40分钟，炉料熔化，在保护气氛状态下加入1.35Kg铝，待炉温升到1550℃准备雾化，雾化压力4.5MPa，气体为高纯氮气。雾化态粉末的粒度分布如图8所示，雾化所得粉末的平均粒径18.8μm，31.6wt％小于10μm，64.9wt％小于20μm。图9是粉末的扫描电镜形貌。

实施例4：

一种Laval喷管喉口32为如图2所示环缝结构的高压气体雾化喷嘴，角β＝5°，角α＝0°，角δ＝15°，L＝8mm，环缝截面积为16mm²，бe与бt之比为3∶1，导流管1中心孔径4.2mm。材料的基本成份为Cu90Sn10，将27Kg纯铜、3Kg纯锡加入雾化炉的石墨黏土坩埚中，雾化系通抽真空，中频送电30KW、30min，炉料熔化，炉料的熔点约850℃，待炉温升到1000℃，将液体倒入中间包准备雾化。雾化采用2.5Mpa的雾化压力，气体为高纯氮气。雾化所得粉末18.2wt％小于10μm，45.2wt％小于20μm，86.3wt％小于40μm。

实施例5：

一种Laval喷管喉口32为如图2所示环缝结构的高压气体雾化喷嘴，角β＝0°，角α＝-10°，角δ＝15°，L＝5mm，环缝截面积为16mm²，бe与бt之比为3∶1，导流管1中心孔径4.2mm。材料的基本成份为Al90Sn10，将10.8Kg纯铜、1.2Kg纯锡加入雾化炉的石墨黏土坩埚中，雾化系通抽真空，中频送电30KW、30min，炉料熔化，炉料的熔点约600℃，待炉温升到700℃，将液体倒入中间包准备雾化。雾化采用2.5Mpa的雾化压力，气体为高纯氮气。雾化所得粉末31.5wt％小于10μm，55.8wt％小于20μm，91.3wt％小于40μm。

Claims (5)

1、一种高压气体雾化喷嘴，它包含有导流管(1)，导流管(1)外设有环绕于其周围的气腔(2)，气腔(2)的外侧腔壁(21)的壁面(21a)、(21b)与内侧腔壁(22)的壁面(22a)、(22b)在导流管(1)顶端附近形成Laval喷管结构(3)，Laval喷管结构(3)包括收敛部分(31)、喉口(32)、发散部分(33)，其特征是：导流管(1)顶端附近的管壁外侧呈圆锥形(4)，其锥面(41)的延长线形成夹角β，Laval喷管结构(3)发散部分(33)中气腔(2)内侧腔壁壁面(22b)的延长线形成夹角θ，角θ大于或等于角β，角β的角度范围为0°～45°，Laval喷管结构(3)发散部分(33)的中心轴形成夹角α，角α为-15°～45°，Laval喷管(3)发散部分(33)中气腔(2)的内侧腔壁壁面(22b)、外侧腔壁壁面(21b)形成扩张角δ，扩张角δ的角度范围为0°～30°。

2、根据权利要求1所述的一种高压气体雾化喷嘴，其特征是：Laval喷管结构(3)喉口(32)部分是环缝结构。

3、根据权利要求1所述的一种高压气体雾化喷嘴，其特征是：Laval喷管结构(3)喉口(32)部分是围绕导流管(1)管壁均匀排列的多个环孔结构。

4、根据权利要求1或2或3所述的一种高压气体雾化喷嘴，其特征是：Laval喷管结构(3)中喉口(32)的总截面积为бt，发散部分(33)的开口端(34)的总截面积为бe，бe与бt之比为1∶1～1∶8。

5、根据权利要求4所述的一种高压气体雾化喷嘴，其特征是：导流管(1)的出口端面距离Laval喷管结构(3)的发散部分(33)开口端(34)的长度L为2～20mm。

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