CN205128928U - 制备微细球形金属粉末的低成本雾化装置 - Google Patents

Abstract

一种制备微细球形金属粉末的低成本雾化装置，由中频熔炼炉、中间包、雾化室、雾化喷嘴、粉末收集器和旋风分离器等组成。雾化室由圆形雾化桶和锥形集粉斗通过法兰密封连接组成，圆形雾化桶内径为φ1000-1500mm、高度为2000-3500mm，锥形集粉斗锥度为40-70°，出口内径为φ100-200mm；连通该旋风分离器与圆形雾化桶的管道与圆形雾化桶的圆心轴成50-70°夹角；中间包的坩埚是石墨材质或氧化物材质，采用感应加热，尤其是采用超音频或高频感应加热电源，本装置还设有数个气氛纯化接口。本装置结构紧凑、功能配置合理，所生产的粉末粒度细小、球形度高，-325目粉末的收得率大于60%，氧含量小于1000ppm，为绝大多数的气体雾化粉末，如不锈钢、镍基合金粉末的低成本制备提供了新的解决方案。

Description

制备微细球形金属粉末的低成本雾化装置

技术领域

本实用新型涉及一种利用高压气流将液态金属及合金熔体破碎成小液滴并凝固成粉末的雾化装置，尤其是在非真空条件下所制备粉末具有低的氧含量、粒度微细、形状为球形特征的雾化装置。

背景技术

气体雾化技术是金属及合金粉末的一种生产方法，其制粉的原理是用高速气流将从导液管流出的液态金属流粉碎成小液滴并在随后的飞行中凝固成粉末的过程。气雾化粉末具有球形度高、粉末粒度可控等优点，已成为高性能及特种合金粉末制备的主要方向。发展高球形度、低氧含量的合金粉末的制备装置具有现实意义。

金属熔体经高压气流雾化后变成小液滴，小液滴在往下飞行中不断冷却凝固成粉末。粉末的氧含量与形状在凝固过程中不断变化，当条件允许时，粉末的氧含量可达到较低的水平，形状呈球形。一般情况下，当液滴具有足够的凝固时间时（即凝固前与雾化室的内壁不发生碰撞），在表面能的作用下粉末的形状为球形。但是，当凝固过程受到外因的干扰时，液滴凝固过程中的球化不能完全进行，粉末会呈现非球形结构，如条状、多棱状、片状等。现有研究表明，雾化气氛中氧含量是影响液滴球化的主要因素之一，减少雾化过程中的氧含量是促进粉末球化的一个主要方法。研究表明，雾化粉末的氧含量和形状与雾化装置的结构和功能配置密切相关。

一般认为，高球形度、低氧含量的粉末需要真空条件的雾化装置才能实现，非真空条件下的装置制备上述要求的粉末是十分困难的。但真空雾化制粉装置结构复杂、制造成本高、生产周期长、维护成本高，所生产出的粉末不具有成本优势，限制了此类粉末的推广应用。进一步的研究和实践表明，雾化装置的结构和功能配置对控制粉末的氧含量和形状有密切关系，非真空雾化装置可以实现高球形度、低氧含量的粉末的制备。

金属雾化装置一般由熔炼炉、中间包、雾化室、雾化喷嘴、粉末收集器和旋风分离器等几部分组成。对粉末的氧含量和形状有直接影响的是雾化室的构造的功能配置。尤其是雾化开始前雾化室的气氛控制有着十分重要的影响。国内的非真空气雾化装备基本上是沿用我国六、七十年代的设计思想，雾化室的容积很大，基本上直径在2米左右、高7米以上，这样大容积的雾化室十分不利于气氛控制，对降低粉末的氧含量难以实现。设计这样一个大容积的雾化室的原因是受雾化技术的限制，国内普遍采用非限制性的雾化喷嘴，粉末粒度比较粗，金属液滴的凝固距离长，这样可以避免粉末间的粘连。本发明人之前申请的ZL200910304166.1的雾化喷嘴专利可以实现雾化粉末粒度的微细化，细小的金属液滴表明凝固距离的缩短，这样为设计新型的雾化装置提供了可行性。

采用ZL200910304166.1的雾化喷嘴生产微细金属粉末时，对金属熔体的有效控制是十分必要的，如熔体的温度、流率对雾化过程的稳定性和粉末粒度分布的均匀性均有重要的影响。熔体的控制由中间包和其组合为一体的导液管来完成，而现有雾化装置对熔体的控制不能达到微细粉末制备的要求。

实用新型内容

本实用新型的目的为了提高在非真空条件下气体雾化粉末的品质,提高粉末的球形度，同时降低粉末的氧含量，而提供一种结构紧凑、功能配置符合高品质粉末生产要求的制备微细球形金属粉末的低成本雾化装置。本装置适用于熔点1600℃以下所有金属及合金熔体的雾化，尤其高熔点金属及合金微细粉末的制备。

为达上述目的，本实用新型所采用的技术方案是：一种制备微细球形金属粉末的低成本雾化装置，其包括中频熔炼炉、中间包、雾化喷嘴、雾化室、粉末收集器及旋风分离器；该中间包由中间包发热坩埚和中间包加热炉组成；该雾化室由圆形雾化桶及锥形集粉斗组成，该圆形雾化桶下方通过管道与该旋风分离器连通，其特征在于：所述中间包发热坩埚为石墨坩埚或氧化物坩埚；中间包加热炉采用感应加热炉；所述圆形雾化桶及锥形集粉斗通过法兰密封连接；该圆形雾化桶的内径为φ1000-1500mm，高度为2000-3500mm；该锥形集粉斗的锥度为40-70°，根据圆形雾化桶的内径而定，该锥形集粉斗的出口内径为φ100-200mm；所述连通该旋风分离器与该圆形雾化桶的管道倾斜设置，且与圆形雾化桶的圆心轴成50-70°夹角；所述圆形雾化桶的顶部或上方设有2-6个引入纯化气体的气氛纯化接口，该锥形集粉斗的下方、粉末收集器及旋风分离器均安装有1-3个气氛纯化接口，纯化气体的流量为0.5-2m³。

所述中间包加热炉为超音频或高频感应加热炉，电源功率为30-60kW。

所述纯化气体为高纯氮气，与该气氛纯化接口连通的管道上设有气体流量计。

所述雾化室内设有氧传感器。

所述雾化装置安装于具有三层工作平台的钢制框架中，从下往上依次为置设粉末收集器的第一层工作平台、置设雾化喷嘴、雾化室和旋风分离器的第二层工作平台、以及置设中频熔炼炉和中间包的第三层工作平台。所述钢制框架的长为4-7m、宽为4-6m，高度由雾化室的高度而定。

本雾化装置具有紧凑的结构和合理的功能配置，达到制备微细粉末的要求，在雾化开始前对雾化室的气氛进行纯化，可以使熔体的雾化过程在无氧或少氧的环境下进行，因此粉末具有高球形度和低的氧含量。本装置装备高效率喷嘴，能提高雾化效率，大幅度增加微细粉末的产率，所生产的粉末粒度细小、球形度高，-325目粉末的收得率大于60%，氧含量小于1000ppm；所采用的中间包加热方式可以实现熔点在1600℃以下所有金属及合金熔体的雾化，为绝大多数的气体雾化粉末，尤其是高熔点、低氧含量、高球形度、粒度微细的金属和合金粉末，如不锈钢、镍基合金粉末的制备提供了新的解决方案。

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步说明。

附图说明

图1是本实用新型雾化装置的结构示意图。

图2是采用本装置雾化的Fe-6.5wt%Si铁合金粉末形貌图。

图3是采用本装置雾化的316不锈钢粉末形貌图。

图4是采用本装置雾化的17-4ph不锈钢粉末形貌图。

具体实施方式

参见图1，本实用新型为一种制备微细球形金属粉末的低成本雾化装置，其包括中频熔炼炉1、中间包2、雾化喷嘴3、雾化室4、粉末收集器5及旋风分离器6。该中间包2置于雾化喷嘴3上方，并由中间包发热坩埚21和中间包加热炉22组成；该雾化喷嘴3采用ZL200910304166.1的雾化喷嘴，该雾化室4由圆形雾化桶41及锥形集粉斗42组成，该圆形雾化桶41上设有照明窗口44、雾化观察窗45及清理口46，且该圆形雾化桶41下方通过管道47与该旋风分离器6连通，该粉末收集器5与该锥形集粉斗42底部连通，前述提及的雾化装置的各部件皆为现有技术，在此不再赘述，以下仅就本实用新型的改进之处作出说明。

该中间包2的中间包发热坩埚21可以是石墨材质或氧化物材质，如石墨坩埚，容量为1-3L；中间包加热炉22采用感应加热，如超音频或高频感应加热炉，电源功率为30-60kW。此种加热方式具有加热速度快、温度高、石墨坩埚价格低可重复利用等优点，有利于熔点高于1600℃的金属熔体的控制和雾化过程的稳定。

该雾化室4的圆形雾化桶41及锥形集粉斗42通过法兰43密封连接。该圆形雾化桶41的内径为φ1000-1500mm，高度为2000-3500mm；该锥形集粉斗42的锥度为β，取值为40-70°，根据圆形雾化桶41的内径而定，该锥形集粉斗42的出口内径为φ100-200mm。

连通该旋风分离器6与该圆形雾化桶41的管道47倾斜设置，且与圆形雾化桶41的圆心轴48成一角度α，α的取值范围为50-70°。旋风分离器6依据微细粉末的分离要求进行装设，其分离效果可以达到99%以上，在一般情况下，旋风分离器仅安装一个，对于价值较高的金属粉末，可以安装两个或三个，以减少金属的损耗量。

本装置还于圆形雾化桶41的顶部或上方设有2-6个气氛纯化接口（图中未示），同时于锥形集粉斗42的下方、粉末收集器5及旋风分离器6等处均安装有1-3个气氛纯化接口（图中未示），气氛纯化接口的安装数量取决于雾化室4的大小及粉末氧含量的要求。通过气氛纯化接口引入高纯氮气，使雾化室4、粉末收集器5、旋风分离器6内部的空气被置换，保持气氛的低氧含量，每一个气氛纯化接口的纯化气体（高纯氮气）的流量均通过气体流量计（图中未示）控制，流量保持为0.5-2m³。雾化室4内还可以加装一氧传感器（图中未示）以监测纯化效果，在没有氧传感器的情况下，可以通过控制纯化时间达到相同的纯化效果。

本装置亦可安装在一个具有三层工作平台的钢制框架中，从下往上依次为置设粉末收集器5的第一层工作平台、置设雾化喷嘴3、雾化室4和旋风分离器6的第二层工作平台、以及置设中频熔炼炉1和中间包2的第三层工作平台，其功能分别为雾化室清理、雾化操作、金属熔炼与浇注操作。第二层工作平台可以是单独的平台，也可以是附属在第一层工作平台上，为高出第一层平台0.5-1.5m的小平台，在有些情况下第一层和第二层工作平台合为一层工作平台。钢制框架的面积尺寸为长4-7m、宽4-6m，典型尺寸为6×6m、5×6m，具体高度由雾化室的高度而定，本实用新型不排除可以实现平台功能的其它尺寸。较大的工作平台有利于雾化工作的展开，并使钢制框架更加稳定，而较小的工作平台可以节约制造成本。

实施例1

结合图1，雾化室4的圆形雾化桶41的内径为φ1300mm、高度为3000mm，锥形集粉斗42的锥度为70°、出口内径为φ150mm。该圆形雾化桶41上设有照明窗口44、雾化观察窗45及清理口46，该圆形雾化桶41下方与旋风分离器6连通的管道47相对于圆形雾化桶41的圆心轴48成一角度为60°，旋风分离器仅安装一个。雾化室4的顶部设有6个气氛纯化接口，锥形集粉斗42、粉末收集器5、旋风分离器6等部位均安装2个气氛纯化接口。每一个气氛纯化接口的管道上设有气体流量计，以控制纯化气体（高纯氮气）的流量，流量调节范围为0.5-2m³。中频熔炼炉容量为100kg，熔炼电源为150kW，频率1500Hz；中间包采用石墨坩埚加热，电源为超音频感应加热炉，功率50kW。

采用本实施例的雾化装置进行了实施例2-4的雾化试验。

实施例2

以Fe-6.5wt%Si铁合金为雾化对象进行粉末的雾化试验，试验投料合金量为80kg，雾化参数设定为：雾化温度为1600℃，雾化压力为3.0MPa。雾化前雾化室进行一小时的气氛纯化。雾化后进行粉末粒度、氧含量和总收得率的分析。粉末粒度用标准分析筛进行粉末粒度测定，氧含量用Leco氧氮分析仪分析，所有收集的粉末和投料量比值为总收得率。所雾化的粉末中粒度小于150μm（-100目）的粉末的比例为90.5%，小于45μm（-320目）的粉末的比例为56.0%，-325目粉末的氧含量为210ppm，粉末的形貌为球形，见图2。总收得率为99.2%。

实施例3

以316L不锈钢为雾化对象进行粉末的雾化试验，试验投料合金量为100kg，雾化参数设定为：雾化温度为1650℃，雾化压力为4.0MPa。雾化前雾化室进行一小时的气氛纯化。雾化后进行粉末粒度、氧含量和总收得率的分析。粉末粒度用标准分析筛进行粉末粒度测定，氧含量用Leco氧氮分析仪分析，所有收集的粉末和投料量比值为总收得率。所雾化的粉末中粒度小于150μm（-100目）的粉末的比例为92.5%，小于45μm（-320目）的粉末的比例为62.0%，-325目粉末的氧含量为760ppm，粉末的形貌为球形，见图3。总收得率为99.0%。

实施例4

以17-4PH不锈钢为雾化对象进行粉末的雾化试验，试验投料合金量为100kg，雾化参数设定为：雾化温度为1620℃，雾化压力为4.0MPa。雾化前雾化室进行一小时的气氛纯化。雾化后进行粉末粒度、氧含量和总收得率的分析。粉末粒度用标准分析筛进行粉末粒度测定，氧含量用Leco氧氮分析仪分析，所有收集的粉末和投料量比值为总收得率。所雾化的粉末中粒度小于150μm（-100目）的粉末的比例为93.6%，小于45μm（-320目）的粉末的比例为66.3.0%，-325目粉末的氧含量为620ppm，粉末的形貌为球形，见图4。总收得率为99.1%。

Claims (6)

1.一种制备微细球形金属粉末的低成本雾化装置，其包括中频熔炼炉（1）、中间包（2）、雾化喷嘴（3）、雾化室（4）、粉末收集器（5）及旋风分离器（6）；该中间包（2）由中间包发热坩埚（21）和中间包加热炉（22）组成；该雾化室（4）由圆形雾化桶（41）及锥形集粉斗（42）组成，该圆形雾化桶（41）下方通过管道（47）与该旋风分离器（6）连通，其特征在于：

所述中间包发热坩埚（21）为石墨坩埚或氧化物坩埚；中间包加热炉（22）采用感应加热炉；

所述圆形雾化桶（41）及锥形集粉斗（42）通过法兰（43）密封连接；该圆形雾化桶（41）的内径为φ1000-1500mm，高度为2000-3500mm；该锥形集粉斗（42）的锥度为40-70°，根据圆形雾化桶（41）的内径而定，该锥形集粉斗（42）的出口内径为φ100-200mm；

所述连通该旋风分离器（6）与该圆形雾化桶（41）的管道（47）倾斜设置，且与圆形雾化桶（41）的圆心轴（48）成50-70°夹角；

所述圆形雾化桶（41）的顶部或上方设有2-6个引入纯化气体的气氛纯化接口，该锥形集粉斗（42）的下方、粉末收集器（5）及旋风分离器（6）均安装有1-3个气氛纯化接口，纯化气体的流量为0.5-2m³。

2.如权利要求1所述的制备微细球形金属粉末的低成本雾化装置，其特征在于，所述中间包加热炉（22）为超音频或高频感应加热炉，电源功率为30-60kW。

3.如权利要求1所述的制备微细球形金属粉末的低成本雾化装置，其特征在于，所述纯化气体为高纯氮气，与该气氛纯化接口连通的管道上设有气体流量计。

4.如权利要求1所述的制备微细球形金属粉末的低成本雾化装置，其特征在于，所述雾化室（4）内设有氧传感器。

5.如权利要求1-4中任一项所述的制备微细球形金属粉末的低成本雾化装置，其特征在于，所述雾化装置安装于具有三层工作平台的钢制框架中，从下往上依次为置设粉末收集器（5）的第一层工作平台、置设雾化喷嘴（3）、雾化室（4）和旋风分离器（6）的第二层工作平台、以及置设中频熔炼炉（1）和中间包（2）的第三层工作平台。

6.如权利要求5所述的制备微细球形金属粉末的低成本雾化装置，其特征在于，所述钢制框架的长为4-7m、宽为4-6m，高度由雾化室的高度而定。