CN201807737U - 用于制备金属粉末的雾化喷嘴 - Google Patents

Abstract

本实用新型是用于制备金属粉末的雾化喷嘴，包括进气管、上盖、下盖、导液管。上盖沿铅垂方向自上而下压合于下盖上。下盖的横向中心部位沿铅垂方向的下端沿与上盖之间设置成拉瓦尔型环缝。进气管与拉瓦尔型环缝相连通。导液管于上盖横向中心部位穿过上盖后进入拉瓦尔型环缝围成的区域。导液管内腔横截面呈圆形。在平行于铅垂方向的截面上，拉瓦尔型环缝所喷射的气流束的方向与从导液管中流出的金属液流柱之间的夹角a为0～10°。该喷嘴雾化能效高，用来制备金属粉末可有效减小粉末粒径，提高粉末粒径分布集中度。

Description

用于制备金属粉末的雾化喷嘴

技术领域

本实用新型涉及用于制备金属粉末的雾化喷嘴。

背景技术

气体雾化法被广泛用于金属粉末的制备，其原理是用高速运动的气流击碎金属液流，使其破碎成粉末。在液态金属不断被击碎成细小的液滴时，高速气流的动能转变为金属液滴增大总表面积的表面能。雾化气流一般采用同金属液流互成夹角的射流方式来雾化金属液流。气体雾化技术的核心构件是雾化喷嘴。雾化喷嘴的典型结构有自由降落式和限制式两种。利用自由降落式喷嘴雾化制粉时，金属熔体从导流嘴流出，进过一段时间的自由降落后才与气体射流发生相互撞击。利用限制式喷嘴雾化制粉时，金属熔体从导流嘴流出极短距离后就与气体射流发生相互撞击，开始雾化。由于限制式喷嘴的能量利用率高，微细粉末的收得率较高，现代具有工业实用意义的微细粉体制备技术一般都采用限制式喷嘴。

具有代表性的限制式喷嘴技术具体可分为三类：超声雾化技术、紧耦合雾化技术和高压气体雾化技术。

超声雾化技术中使用的超声雾化喷嘴由拉瓦尔喷嘴和 Hartman震动管组合在一起，可产生2～2.5马赫的超音速气流，同时产生80～100KHz的脉冲频率，所用介质压力在1.5～8MPa之间，气流的最高速度可达640m/s，粉末冷凝速度可达10⁴～10⁵K/s 之间。使用这种喷嘴雾化铝粉等低熔点金属时，粉末平均粒度可达到22微米左右。

至于紧耦合雾化技术，对限制式喷嘴的研究结果表明，增加气压可以减小粉末的平均粒径。但由于受气流速度与压力渐近线的关系限制，当气压超过5MPa后，气流速度增加及其平缓，且增加气压明显增大气体的耗用量。提高雾化效率的另一个途径是增加气体动能至金属液流的传输效率。按照这一设计思想，可以改进限制式喷嘴的结构，使气流从出口至液流的距离最短，这就是所谓的紧耦合雾化喷嘴。采用紧耦合雾化喷嘴，可将铝等低熔点金属粉末的平均粒度降低至10～20微米。

在紧耦合雾化技术中，尽管雾化效率得到了很大的提高，但仍然存在不足：一是当雾化气压增加至一定值时，导液管出口将处于正压，使雾化出现“返风”而不能正常进行雾化；二是在高压雾化下，导液管出口处易产生负压过低的现象，使金属流速增加，不利于微细粉末的产生。为克服以上缺陷，又发展出了新的高压雾化喷嘴技术，将紧耦合喷嘴的环缝改进为20～24个单一独立的喷孔，通过提高气压和导液管出口的形状设计，克服紧耦合喷嘴存在的气流激波，并在导液管出口处形成合适的负压，以提高雾化时的能效。

从超声雾化技术、紧耦合雾化技术到高压气体雾化技术，虽然雾化效率得到了很大的提高，微细粉末的收得率也实现了较高水平，但是这几种雾化技术中使用的喷嘴仍然存在着有害的气流激波，而且出于降低生产成本的考虑，它们的雾化能效和粉末收得率也都有进一步提高的必要。

发明内容

针对上述问题，本实用新型目的在于提供一种用于制备金属粉末的雾化喷嘴，该雾化喷嘴具有更高的能效，用该喷嘴制备金属粉末时大幅度地减小了粉末的粒径，且粉末粒径分布较为集中。

为达至上述本实用新型目的，本实用新型用来制备金属粉末的雾化喷嘴，包括进气管、上盖、下盖、导液管。上盖沿铅垂方向自上而下压合于下盖上。下盖的横向中心部位沿铅垂方向的下端沿与上盖之间设置成拉瓦尔型环缝。进气管与拉瓦尔型环缝相连通。导液管于上盖横向中心部位穿过上盖后进入拉瓦尔型环缝围成的区域。导液管内腔横截面呈圆形。在平行于铅垂方向的截面上，拉瓦尔型环缝所喷射的气流束的方向与从导液管中流出的金属液流柱之间的夹角a为0～10°，优选0～5°。

前述述雾化喷嘴，其导液管沿铅垂方向的下端面位于拉瓦尔型环缝径向尺寸最小部位的上方。

前述述雾化喷嘴，其导液管包括沿铅垂方向自上而下首尾连接的稳定段、收缩段、喉部和扩散段。

前述雾化喷嘴，其稳定段的长度同自身直径之比为1∶1～10，其稳定段的直径同喉部的直径之比为1～3∶1。

前述雾化喷嘴，其收缩段沿铅垂方向的长度同稳定段的直径之比为1～3∶1～2。

前述雾化喷嘴，其扩散段沿铅垂方向位于下端沿的径向尺寸最大部位之直径同喉部的直径之比为1～3∶1。

本实用新型用于制备金属粉末的雾化喷嘴，其气流不再以较大角度冲击金属液流，而是以近乎平行于金属液流的小角度同金属液流发生撞击。当金属液流向下方运动时，气流以几乎平行于液流方向的角度环绕着液流柱向下冲击，气流在液流的表面产生剪切力和挤压力，使液流直径不断减小，并发生层流纤维化。当液流束的表面张力不再能够平衡金属液内部的压力和气流压力时，金属液流束失去稳定性，进而破碎成刷子状的多个纤维丝，而后进一步破碎成粉末。相对于现有紧耦合雾化技术及超声雾化技术，该雾化喷嘴有效地降低了有害激波的产生，因此，降低了能耗，极大地提高了雾化能效。利用该雾化喷嘴雾化低熔点的金属铝时，得到的粉末平均粒径<10微米，细粉收得率大幅提高。此外，该雾化喷嘴将导液管的内腔结构被设计成拉瓦尔型喷管，如此，当金属液顺着拉瓦尔型管的出口喷出时，由于绝热膨胀，金属液密度变小，导致导液管出口处金属液的紊流度得以有效增大，从而增加了雾化介质对金属液滴的有效破碎次数，因而雾化效率进一步提高。

附图说明

图1本实用新型用于制备金属粉末的雾化喷嘴剖视图。

图2本实用新型用于制备金属粉末的雾化喷嘴局部剖视图。

图3本实用新型用于制备金属粉末的雾化喷嘴构件一剖视图。

图4本实用新型用于制备金属粉末的雾化喷嘴构件二剖视图。

图5本实用新型用于制备金属粉末的雾化喷嘴构件三剖视图。

图6本实用新型用于制备金属粉末的雾化喷嘴工作过程示意图。

图7是图6的局部放大程示意图。

图8用本实用新型雾化喷嘴制备的铝粉粒度分布示意图一。

图9用本实用新型雾化喷嘴制备的铝粉粒度分布示意图二。

具体实施方式

下面结合附图详细描述本实用新型用于制备金属粉末的雾化喷嘴。

参见图1～5，分别示出本实用新型用于制备金属粉末的雾化喷嘴及其构件的剖视图。

该雾化喷嘴100的组成主要包括四个构件，分别是进气管101、上盖102、下盖103、导液管104。

下盖103呈圆框形状，其圆柱壁上开设有连通框体内外的圆孔以接纳进气管101，其圆盘径向中部开设有通孔107，用来同上盖102之间构成下文所描述的拉瓦尔型环缝105。

上盖102的基台部分呈圆盘状110，在其基台轴向一侧的径向中部设置有外凸的圆锥台111，一个圆孔108沿基台和圆锥台的轴向贯通基台和圆锥台。导液管104即固定于该贯通基台和圆锥台的圆孔108中。

上盖102沿工作状态下的铅垂方向，即上盖102的轴向，自上而下压合于下盖103内框的框台109上。在上盖102和下盖103相互贴合的状态下，下盖103的横向（即其径向）的中心部位沿铅垂方向的下端沿，即上文描述的通孔107，与上盖102之圆锥台111的外表面之间构成拉瓦尔型环缝105。进气管101经过下盖103圆柱壁上的圆孔与拉瓦尔型环缝105相连通，以便把高压气体引入并从拉瓦尔型环缝105中喷出。导液管104于上盖102横向，即其径向的中心部位，穿过贯通上盖102的圆孔108后进入拉瓦尔型环缝105围成的区域。导液管104的内腔横截面呈圆形。在平行于铅垂方向的截面上，拉瓦尔型环缝105所喷射的气流束的方向x与从导液管104中流出的金属液流柱106之间的夹角a为0～10°，通常选用的范围是0～5°，参见图7。导液管104沿铅垂方向的下端面位于拉瓦尔型环缝105径向尺寸最小部位的上方。

作为引导金属液流的通道，沿着铅垂方向，即导液管104的轴向，导液管104包括自上而下首尾连接的稳定段L1、收缩段L2、喉部L3和扩散段L4。稳定段L1的长度同自身直径d1之比可以选取L1∶d1 = 1∶1～10的数值范围。稳定段L1的直径d1同喉部L3的直径d2之比可以选取d1∶d2 = 1～3∶1的数值范围。收缩段L2沿铅垂方向的长度同稳定段L1的直径d1之比可以选取L2∶d1 = 1～3∶1～2的数值范围。扩散段L4沿铅垂方向位于下端沿的径向尺寸最大部位之直径d3同喉部L3的直径d2之比可以选取d3∶d2 = 1～3∶1的数值范围。

图8、9分别示出了用本实用新型雾化喷嘴在两个工艺条件下制备的金属铝粉粒度分布示意图。其中，两个工艺条件使用的雾化喷嘴的结构参数均为：稳定段长度L1/自身直径d1 = 1/1，稳定段直径d1/喉部直径d2 = 3/1，收缩段L2/稳定段直径d1 = 3/1，扩散段直径d3与喉部d2之比为1.5/1。

其中，图8所示铝粉的制备条件为：金属铝液以920～950℃从导液管104中流出，导液管104使用氧化锆陶瓷材质，雾化气体使用氮气，雾化压力选用2.2～2.5Mpa。所得金属铝粉末平均粒径D50：9.09μm，D75：13.17μm，D99：23.15μm。

图9所示铝粉的制备条件为：金属铝液以920～950℃从导液管104中流出，导液管104使用氧化锆陶瓷材质。雾化气体使用混合气体，雾化压力选用2.8～3MPa。所得金属铝粉末平均粒径D50：7.01μm，D75：9.81μm，D99：17.34μm。

Claims (7)

1.制备金属粉末的雾化喷嘴，包括进气管、上盖、下盖、导液管，所述上盖沿铅垂方向自上而下压合于所述下盖上，所述下盖的横向中心部位沿铅垂方向的下端沿与所述上盖之间设置成拉瓦尔型环缝，所述进气管与所述拉瓦尔型环缝相连通，所述导液管于所述上盖横向中心部位穿过所述上盖后进入所述拉瓦尔型环缝围成的区域，所述导液管内腔横截面呈圆形，其特征在于，在平行于铅垂方向的截面上所述拉瓦尔型环缝所喷射的气流束的方向与从所述导液管中流出的金属液流柱之间的夹角a为0～10°。

2.根据权利要求1所述雾化喷嘴，其特征在于，所述夹角a为0～5°。

3.根据权利要求1或2所述雾化喷嘴，其特征在于，所述导液管沿铅垂方向的下端面位于所述拉瓦尔型环缝径向尺寸最小部位的上方。

4.根据权利要求3所述雾化喷嘴，其特征在于，所述导液管包括沿铅垂方向自上而下首尾连接的稳定段、收缩段、喉部和扩散段。

5.根据权利要求4所述雾化喷嘴，其特征在于，所述稳定段的长度同直径之比为1∶1～10，所述稳定段的直径同所述喉部的直径之比为1～3∶1。

6.根据权利要求4所述雾化喷嘴，其特征在于，所述收缩段沿铅垂方向的长度同所述稳定段的直径之比为1～3∶1～2。

7.根据权利要求4所述雾化喷嘴，其特征在于，所述扩散段沿铅垂方向位于下端沿的径向尺寸最大部位之直径同所述喉部的直径之比为1～3∶1。 

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