RU2756902C1 - Регулируемая форсунка для двухпоточного диспергирования металлического расплава - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области техники порошковой металлургии. Предложена регулируемая форсунка для двухпоточного диспергирования металлического расплава. Форсунка состоит из коаксиального сопла Лаваля первого газового потока диспергирования и коаксиального сопла Лаваля второго газового потока диспергирования. Верхняя часть коаксиального сопла Лаваля первого газового потока диспергирования представляет собой винт с внешней резьбой в верхней части и двумя коническими поверхностями с разными углами в нижней части. Нижняя часть коаксиального сопла Лаваля первого газового потока диспергирования представляет собой корпус с внутренней резьбой, отверстием для тангенциального ввода газа и внутренним отверстием, которое в нижней части имеет две конические поверхности с разными углами. Верхняя часть коаксиального сопла Лаваля второго газового потока диспергирования состоит из вертикальной каретки, которая в нижней части имеет внешнюю резьбу и две наружные конические поверхности с разными углами наклона, кольцевой канавки и отверстия для ввода газа. Нижняя часть коаксиального сопла Лаваля второго газового потока диспергирования состоит из вертикальной гайки с внутренней резьбой и выходным отверстием в виде двух конических поверхностей с разными углами. Верхняя часть коаксиального сопла Лаваля первого газового потока диспергирования и верхняя и нижняя части коаксиального сопла Лаваля второго газового потока диспергирования оснащены приводами. Преимуществом изобретения является оптимизация процесса диспергирования, получение металлического порошка высокого качества с высокой дисперсностью, однородностью и сферической формой частиц. 5 ил.

Description

Изобретение относится к порошковой металлургии и технологии диспергирования металлических расплавов с помощью газовых форсунок. Газовое диспергирование является распространенным методом получения металлического порошка. Принцип диспергирования заключается в следующем. Металлический расплав истекает из стока донного тигля, попадает в зону диспергирования, где на него с помощью форсунки оказывается воздействие высокоскоростного газового потока инертного газа (аргона или азота). В результате воздействия газового потока струя расплава расщепляется на жидкие частицы, которые приобретают сферическую форму в свободном полете, охлаждаются, кристаллизуются и собираются на дне приемной камеры в виде металлического порошка.

В настоящее время широкое распространение получило производство деталей с помощью 3D-принтеров из металлических порошков. Для того чтобы изготовить на 3D-принтере деталь, имеющую требуемую форму и свойства, необходимо высокое качество металлического порошка, которое определяется его дисперсностью, однородностью, сферической формой частиц и отсутствием сателлитов. Сателлиты приводят к плохой текучести порошков в системах переноса порошка 3D-принтеров.

Наиболее важными характеристиками порошков, получаемых диспергированием расплава металла газом, являются их морфологическая форма и гранулометрический состав. Размер и морфология порошка влияют на его текучесть, сжимаемость, компактность упаковки и пр. А гранулометрический состав указывает на выход полезного материала, доступного для конкретного применения.

Наибольшее распространение получили газовые форсунки двух типов: с отдельными сопловыми отверстиями и коаксиальные с кольцевым соплом.

В форсунках первого типа каждое из отверстий форсунки является отдельным соплом, имеющим специально спрофилированный канал для разгона газовой среды до необходимой скорости и придания потоку требуемого направления. Традиционное сопло диспергирования газа обычно имеет полную структуру Лаваля − канал особого профиля, сужающийся в середине, разгоняющий проходящий по нему газовый поток до сверхзвуковых скоростей. По мере движения газа по соплу Лаваля его абсолютная температура и давление снижаются, а скорость возрастает. На сужающемся, докритическом участке сопла движение газа происходит с дозвуковыми скоростями (М < 1). В самом узком, критическом сечении сопла локальная скорость газа достигает звуковой (М = 1). На расширяющемся, закритическом участке, газовый поток движется со сверхзвуковыми скоростями (М > 1), при этом внутренняя энергия газа преобразуется в кинетическую энергию его направленного движения.

Примером газовой форсунки с распыляющими отверстиями является устройство, описанное в патенте CN 104368820 (А) 25.02.2015, в котором ряд сопел, расположенных вокруг подающего расплав металла канала имеют ускоряющую структуру Лаваля, обеспечивающую высокую кинетическую энергию газового потока. Одним из преимуществ форсунок с распыляющими отверстиями является то, что их сопла со структурой Лаваля можно конструктивно дополнять резонансными камерами, расположенными на пути подачи газа в выходные сопла. Такие камеры, в которых газ резко меняет направление движения и резонирует в карманах каналов, образуют структуры Гартмана, создающие ультразвуковые колебания газового потока. Такие ультразвуковые колебания потока газа в сочетании с его сверхзвуковой скоростью потока повышают эффективность диспергирования форсунки, уменьшают диаметр распыляемых частиц и обеспечивают сужение распределения их размеров. Недостатками форсунок с распыляющими отверстиями является сложность изготовления большого количества сопел небольшого диаметра с качественным исполнением их внутренней структуры Лаваля, их малая пропускная способность, ограничивающая производительность процесса диспергирования, и невозможность регулировки параметров диспергирования, так как настройка форсунки на определенный режим работы с разными металлами, возможна только заменой всей сопловой коробки.

В форсунках коаксиальных с кольцевым соплом, объем распыляющего газа значительно превышает объемы газа в форсунках с отдельными сопловыми отверстиями, соответственно повышается эффективность диспергирования и производительность. Для того, чтобы в форсунках коаксиальных с кольцевым соплом обеспечить сверхзвуковую скорость выхода газа из щелевого зазора, форма стенок этого канала имеет полную структуру Лаваля. Конструктивно это достигается разделением выходной части форсунки на две части, каждая из которых имеет внутреннюю полость со стенками, образующими часть структуры Лаваля, а при сборке форсунки образуется полноценная структура Лаваля, обеспечивающая сверхзвуковую скорость выхода газа из кольцевого щелевого зазора, окружающего отверстие выхода расплава металла.

В патенте CN 203992416 (U) 10.12.2014 представлена такая составная конструкция форсунки кольцевого типа из двух частей, и предложено решение, устраняющее такой недостаток кольцевых щелевых сопел, как неравномерность объёмов истечения газа из различных частей щелевого сопла. Проблема заключаются в том, что подвод газа к форсунке обычно производится одним штуцером, при этом поток газа щелевого сопла в месте, близком к впуску велик, а поток газа, далеко от входа, мал, что вызывает неравномерное диспергирование расплава и большой разброс в размерах гранул образуемого порошка. Тангенциальный вход газа в полость кольцевого сопла Лаваля устраняет эту проблему, так как входящий газ сначала попадает на стенку полости, наиболее удалённую от щелевого сопла и закручиваясь по этой кольцевой стенке равномерно распределяется по всей длине кольцевого щелевого сопла.

В патенте CN 104858439 (A) 26.08.2015 тангенциальный спиральный вход газа в полость кольцевого сопла Лаваля дополнен закрученным потоком газа на выходе, для чего в расширительной секции сопла Лаваля установлен набор направляющих лопаток, соединяющих внутреннюю стенку кожуха сопла и наружную стенку направляющей трубки подачи расплава металла. Направляющие лопатки расположены с интервалами для образования канала между кожухом сопла и направляющей трубкой так, что сверхзвуковой поток на выходе из сопла находится в закрученном состоянии, и спирально окружает вытекающий из трубки расплав, распыляя его равномерным воздействием со всех сторон.

Попытки осуществить регулировку параметров диспергирования за счет изменения геометрии структуры Лаваля различными способами отражены в описаниях многих патентов.

В патенте CN 202861405 (U) 10.04.2013 форсунка для диспергирования сплава и получения металлического порошка состоит из верхней и нижней крышки, скреплённых между собой болтами через регулировочную прокладку, толщина которой определяет величину зазора в щели кольцевого сопла, элементы которого крепятся, соответственно к верхней и нижней части форсунки. При перенастройке форсунки на другие режимы работы эта прокладка заменяется на другую, с толщиной, определяющей требуемый щелевой зазор в сопле. Этот процесс довольно трудоёмкий, при этом для проведения переналадки требуется квалификация оператора.

Более простая переналадка на другие структурные параметры производится в устройстве по патенту CN 105618772 (A) 01.06.2016. Здесь форсунка также включает верхний и нижний корпус, соединенные крепежными болтами, и в нижнем корпусе предусмотрено отверстие с формой поверхности кольцевого щелевого сопла в виде половины структуры Лаваля. Вторая половина структуры Лаваля реализована формой поверхности держателя трубки, подающей расплав в форсунку, и этот держатель крепится на верхнем корпусе с помощью двух сжимающих его полуколец. Для переналадки форсунки, крепление этих полуколец необходимо ослабить и вручную поднять или опустить этот держатель, выдерживая необходимый зазор в сопле Лаваля. Так как этот держатель подающей трубки также состоит из двух половин, то положение трубки, подающей расплав также можно отрегулировать, выставив длину её выступа от распыляющего зазора, после чего зафиксировать это положение зажимом крепления полуколец.

В патенте CN 205165879 (U) 20.04.2016 описано устройство распылительной форсунки, в которой регулируется размер кольцевого зазора между нижним и верхним конусами щелевого сопла, что позволяет отрегулировать угол диспергирования и скорость струи газа. Составные части кольцевого сопла, внутренние полости которых в совокупности образуют структуру Лаваля, соединены по резьбе, и зазор между ними меняется за счет их вертикального перемещения при взаимном повороте.

В патенте CN 205200546 (U) 04.05.2016 форсунка также включает в себя верхнюю сопловую матрицу, которая соединена с нижней сопловой матрицей, образуя структуру Лаваля, при этом эти две матрицы соединены резьбой. При подготовке форсунки к работе предварительно производится установка требуемого зазора в узкой части структуры Лаваля, за счет взаимного вращения верхней и нижней сопловых матриц, после чего в форсунку устанавливаются все остальные агрегаты, включая вспомогательную часть сопла с системой нагрева и направления расплава.

В патенте CN 203330402 (U) 11.12.2013 предлагается регулируемая форсунка для получения порошков из титана или титановых сплавов различной дисперсности, состоящая из основного корпуса, изготовленного из титанового сплава, в нижней стенке которого предусмотрено коническое отверстие с двумя углами наклона образующей. В это коническое отверстие устанавливается трубка для подачи титанового расплава, нижняя наружная поверхность которой имеет форму конуса, а верхняя цилиндрическая поверхность крепится к самоблокирующемуся фиксирующему болту, который удерживает ее в определенном положении в корпусе форсунки. Трубка для подачи титанового расплава и болт изготовлены из вольфрамового сплава. Конические поверхности корпуса форсунки и трубки, подающей расплав, образуют сопло Лаваля, в котором верхняя часть конуса корпуса образует участок входа газового потока, а нижняя часть конуса участок выхода газа из сопла Лаваля со сверхзвуковой скоростью. Получение требуемых параметров диспергирования производится за счет изменения положения подающей трубки относительно корпуса, при этом в щелевое отверстие предварительно вводятся вспомогательные элементы в виде трех калиброванных по толщине прокладок, после прижима трубки к которым, производится зажим фиксирующего болта и извлечение прокладок. Такая регулировка форсунки требует высокой квалификации оператора, при этом извлечение из сопла зажатых прокладок весьма затруднительно и не обеспечивает точности настройки.

В последнее время наиболее распространенным методом получения порошковых материалов стало двухпоточное диспергирование, когда предварительно раздробленный расплав до отверждения его частиц, дополнительно подвергается воздействию следующего сопла, или нескольких сопел, производящих дробление частиц материала до мелкодисперсного состояния.

В патенте CN 206824665 (U) 02.01.2018 (прототип) описывается метод двухпоточного диспергирования, который в основном использует высокоскоростную и высоконапорную среду диспергирования, генерируемую соплом. По сравнению с другими методами двухпоточное диспергирование является более экономичным и эффективным. Рабочая среда двухпоточного диспергирования обычно выбирается в виде газа и жидкости, которые не вступают в реакцию с расплавом, но может производиться также двумя потоками газа с различными параметрами его подачи. Форсунка двухпоточного диспергирования обычно имеет в своей верхней части конструкцию, обеспечивающую равномерное вытекание расплава, и его предварительное дробление, и распылительную камеру внизу. Расплав, проходя через структуры такой форсунки, подвергается воздействию высокоэнергетического и высокоскоростного газового потока, генерируемого соплом, разбивается на мелкие капли, которые охлаждаются и затвердевают в процессе свободного полета. Двухпоточное диспергирование особенно подходит для изготовления ультрадисперсного металлического порошка с круглым и равномерным размером частиц.

Кольцевое щелевое конусное сопло может обеспечить концентрацию газа в одной точке и воздействовать на поток расплавленного металла. В то же время использование дугообразной внутренней полости способствует не только плавному потоку газа и снижению потерь энергии, но и более благоприятной конструкции формы сопла.

Существует три типа кольцевых щелевых сопел: сжимающий тип, расширительный тип и выдвижной тип. Среди них выдвижное сопло (сопло Лаваля) может производить тот же эффект диспергирования, что и распылительное сопло высокого давления при более низком давлении воздуха, и получать наибольшую скорость выхода воздуха, и его применение становится все более обширным. Производственная практика показала, что при постоянстве угла диспергирования и давления газа, чем меньше зазор в горловине сопла, тем больше давление диспергирования и тем меньше средний размер частиц порошка. Поэтому для получения сверхтонкого порошка сплава с округлым и равномерным размером частиц зазор сопла должен строго и точно контролироваться. В патенте CN 206824665 (U) 02.01.2018 предлагается создание кольцевой щелевой газовой форсунки с регулируемым зазором сопла, которая может быть использована для приготовления металлических порошков с хорошей сферичностью частиц и концентрированным распределением различных размеров частиц. Схема описанной форсунки с регулируемым зазором сопла включает корпус с внутренней полостью и дугообразной горловиной, через которую проходит подающая расплав трубка, а нижний конец полости закрыт дискообразным днищем, по резьбе соединенным с внутренней стороной корпуса, и имеющим центральное отверстие с наклонными стенками, образующее с дугообразной горловиной сопло Лаваля. Заданный зазор в кольцевой щели, предварительно во время сборки сопла, выставляется вращением по резьбе дискообразного дна корпуса с выдержкой требуемого размера и контроля с помощью микрометра, после чего затягивается контрящий винт и производится сборка всей форсунки с установкой трубки подачи расплава и подключением уже собранной форсунки к камере плавления материала.

Недостатком этой и всех рассмотренных конструкций является невозможность постоянного контроля и изменения параметров диспергирования в процессе получения порошкового материала. Все регулировки производятся до начала производства порошка и требуют полной разборки форсунок с последующей сборкой. Кроме того, во всех рассмотренных примерах регулируется только один параметр, влияющий на процесс диспергирования, между тем при двухпоточном диспергировании в процессе участвуют две распыляющие структуры, и от эффективности работы каждого уровня диспергирования зависит качество получаемого порошкового материала.

Задачей предлагаемого изобретения является оптимизация процесса диспергирования путём создания непрерывно регулируемой форсунки для получения порошков из металлических расплавов, в которой основные геометрические параметры форсунки, влияющие на процесс диспергирования, могут быть отрегулированы непосредственно в процессе диспергирования в ручном или автоматическом режиме.

Поставленная задача достигается тем, что регулируемая форсунка для двухпоточного диспергирования металлического расплава состоит из коаксиального сопла Лаваля первого газового потока диспергирования и коаксиального сопла Лаваля второго газового потока диспергирования, при этом верхняя часть коаксиального сопла Лаваля первого газового потока диспергирования представляет собой винт с внешней резьбой в верхней части и двумя коническими поверхностями с разными углами в нижней части, а нижняя часть коаксиального сопла Лаваля первого газового потока диспергирования представляет собой корпус с внутренней резьбой, отверстием для тангенциального ввода газа и внутренним отверстием, которое в нижней части имеет две конических поверхности с разными углами; верхняя часть коаксиального сопла Лаваля второго газового потока диспергирования состоит из вертикальной каретки, которая в нижней части имеет внешнюю резьбу и две наружные конические поверхности с разными углами наклона, кольцевой канавки и отверстия для ввода газа, а нижняя часть коаксиального сопла Лаваля второго газового потока диспергирования состоит из вертикальной гайки с внутренней резьбой и выходным отверстием в виде двух конических поверхностей с разными углами; при этом верхняя часть коаксиального сопла Лаваля первого газового потока диспергирования и верхняя и нижняя части коаксиального сопла Лаваля второго газового потока диспергирования оснащены приводами.

Конструкция предложенной форсунки описывается следующими чертежами:

На фиг. 1 изображен общий вид форсунки;

На фиг. 2 изображен разрез А – А на фиг. 1.

На фиг. 3 изображен разрез Б – Б на фиг. 2.

На фиг. 4 изображен разрез В – В на фиг. 3.

На фиг. 5 изображена принципиальная схема взаимодействия основных агрегатов.

Корпус 1 представляет собой деталь сложной формы, в которой предусмотрены рёбра с отверстиями 2 для крепления к раздаточной ёмкости с расплавом металла (на чертеже не показана), поверхность для крепления привода 3 управления зазором коаксиального сопла Лаваля первого газового потока диспергирования, два вертикальных паза, в которых перемещаются ползуны 4 и 5, являющиеся частью вертикально перемещаемой каретки 6, и внутреннее отверстие, которое в нижней части имеет две конических поверхности с разными углами, которые образуют нижнюю часть половины коаксиального сопла Лаваля первого газового потока диспергирования, а в верхней части имеет внутреннюю резьбу, в которой находится винт 7. В корпусе 1 предусмотрено отверстие 8 для тангенциального ввода газа в верхний кольцевой распылитель форсунки. Винт 7 в верхней части имеет внешнюю резьбу, позволяющую ему с поворотом вертикально перемещаться внутри корпуса 1, а в нижней части имеет две конических поверхности с разными углами, которые образуют верхнюю часть половины коаксиального сопла Лаваля первого газового потока диспергирования. Внутри винта 7 предусмотрено отверстие, внизу цилиндрическое, а вверху резьбовое, в котором расположена подающая жидкий расплав трубка 9, положение которой относительно нижнего конуса винта 7 зафиксировано контрящей гайкой 10. К верхней плоскости винта 7 крепится зубчатое колесо 11, вращающее винт 7 внутри корпуса 1, взаимодействующее с шестерней 12, закрепленной на выходном валу привода 3. Вертикальная каретка 6 в своей нижней части имеет две наружные конические поверхности с разными углами наклона, кольцевую канавку 13 и отверстие 14 для ввода газа в нижний кольцевой распылитель форсунки, образующие верхнюю часть половины коаксиального сопла Лаваля второго газового потока диспергирования. Нижняя часть каретки 6 имеет внешнюю резьбу, по которой, вращаясь, перемещается вертикально гайка 15 с внутренней резьбой и выходным отверстием в виде двух конических поверхностей с разными углами, образующую нижнюю часть половины коаксиального сопла Лаваля второго газового потока диспергирования. К верхней плоскости гайки крепится зубчатое колесо 16 взаимодействующее с шестерней 17, закрепленной на выходном валу привода 18, установленном на ползуне 5, являющимся частью каретки 6, которая перемещается вертикально с помощью привода 19, закрепленном на ползуне 4 являющимся частью каретки 6. На выходном валу привода 19 закреплена шестерня 20, взаимодействующая с рейкой 21, закрепленной на корпусе 1.

На фиг. 5, в качестве примера применения, условно показаны основные агрегаты установки для получения порошков из металлических расплавов, использующей регулируемую форсунку 22 по данному изобретению, установленную в камере диспергирования 23 и соединенную с агрегатом 24 подготовки жидкого расплава и его дозированной подачи в форсунку 22. Камера подготовки расплава 25 вместе с камерой диспергирования 23 образуют единый герметичный корпус, в котором агрегат вакуумирования и циркуляции инертного газа 26, создаёт необходимую по составу, давлению и температуре атмосферную среду, и поддерживает её в камерах 25 и 23 по трубопроводам 27. Агрегат подготовки инертного газа для диспергирования 28 направляет распыляющие газы требуемой температуры и давления в сопла верхнего и нижнего потоков диспергирования форсунки 22 по трубопроводам 29. Датчики различного типа 30 контролируют процесс диспергирования, в том числе с помощью телевизионного и ультразвукового контроля и по кабельной связи 31 направляют данные в систему управления 32. Система управления анализирует данные, поступающие с датчиков, и заданные по программе параметры функционирования агрегатов установки и осуществляет управление агрегатом подготовки инертного газа для диспергирования 28 по кабелям 33, агрегатом подготовки жидкого расплава 24 по кабелю 34 и приводами регулируемой форсунки 22 по кабелю 35.

Форсунка работает следующим образом.

Приводы форсунки 3, 18 и 19 с помощью встроенного датчика положения постоянно контролируют позиции подвижных органов форсунки 22, и изменяют их положение по команде от системы управления 32 в соответствии с заданной программой. В камере подготовки расплава 25 и камере диспергирования 23 агрегатом 26 сначала производится вакуумирование, после чего создаётся постоянная циркуляция инертного газа требуемого давления, температуры и скорости потока.

В агрегате 24 производится подготовка жидкого расплава и его дозированная подача в трубку 9 форсунки 22. Агрегат 28 начинает подачу распыляющего инертного газа требуемой температуры и давления в приёмные отверстия 8 и 14 форсунки 22.

Подача газа первого потока производится по тангенциально расположенному каналу в полость, образуемую наружной поверхностью винта 7 и внутренней поверхностью корпуса 1, и закручиваясь вдоль его стенок равномерно поступает в узкую щель между этими деталями, ширина которой отрегулирована предварительно приводом 3 по команде от системы управления 32 (на фиг.3 изображено крайнее верхнее положение винта 7, при котором эта щель имеет максимальную ширину).

Регулировка ширины щели осуществляется изменением вертикального положения винта 7 при его вращении по резьбе в корпусе 1 с помощью зубчатого колеса 11, вращаемого шестерней 12, сидящей на валу привода 3. Поверхности деталей 1 и 7 образуют структуру коаксиального сопла Лаваля, создающего поток газа сверхзвуковой скорости на выходе из него непосредственно в зоне выхода расплава металла из трубки 9.

Положение конца трубки 9 относительно нижней конической поверхности винта 7 регулируется предварительно, в зависимости от свойств расплава и требуемой дисперсности получаемого порошка, вращением по резьбе трубки 9 в винте 7, после чего фиксируется контрящей гайкой 10. Трубка 9 является быстросменной деталью, для её извлечения не требуется разборка форсунки, достаточно ослабить затяжку контрящей гайки, и вывернуть её из форсунки. Замена трубки требуется не только из-за её регулярного износа в условиях сверхзвуковых узких газовых потоков, но и для изменения условий подачи расплава, так её выходное нижнее отверстие играет роль капилляра, из которого расплав отсасывается низким давлением скоростного газового потока, и от его диаметра зависит скорость подачи расплава в зону диспергирования.

Выходящий под действием отсасывающего эффекта скоростного газового потока металлический расплав тут же распыляется этим кольцевым газовым потоком, и в виде капель под действием собственного веса и верхнего газового потока опускается вниз, попадая в зону нижнего кольцевого газового потока, в котором производится его дальнейшее диспергирование и насыщение кинетической энергией, создающей усиление сил поверхностного натяжения в каждой отдельной частице расплава, что обеспечивает качественную сферическую форму получаемых частиц, которые остывая и перемещаясь ниже в камере диспергирования 23 в виде мелкодисперсного порошка оседают в приёмной ёмкости для готовой продукции.

Нижний кольцевой газовый поток формируется за счет подачи инертного газа требуемого давления и температуры из агрегата 28 во входное отверстие 14 форсунки 22, из которого по кольцевому пазу 13 равномерно поступает через большое количество отверстий расположенных концентрично в полость, образуемую между кареткой 6 и навернутой на неё по резьбе гайкой 15 (на фиг.3 эта гайка изображена в крайнем верхнем положении, при котором щель между этими двумя деталями практически закрыта). К началу работы величина зазора в щели устанавливается в соответствии с заданием от системы управления 32 посредством поворота гайки 15 по резьбе на каретке 6 с помощью зубчатого колеса 16, вращаемого шестерней 17, находящейся на валу привода 18. Две нижние конические поверхности каретки 6 и две конические поверхности гайки 15 образуют коаксиальное сопло Лаваля с регулируемой геометрией, формирующего струю газа сверхзвуковой скорости, кольцом охватывающую распылённый материал, образованный первым потоком диспергирования, и производящую дальнейшее диспергирование его частиц.

Эффективность нижнего потока диспергирования в значительной степени зависит от положения фокуса кольцевого потока на оси форсунки и расстояния между ним и фокусом верхнего потока диспергирования. Это расстояние изменяется при регулировке зазоров в верхнем и нижнем соплах Лаваля, а также зависит от свойств распыляемого расплава, поэтому требует регулировки при первоначальной настройке форсунки, и постоянной корректировки при её последующем функционировании. Для этого каретка 6 несущая нижнее сопло Лаваля перемещается вертикально с помощью привода 19, закрепленного на ползуне 4, являющегося выступом каретки 6, вращающего шестерню 20, взаимодействующую с рейкой 21, закреплённой на корпусе 1.

Процесс диспергирования расплава металла форсункой 22 постоянно контролируется датчиками 30, которые могут включать телевизионную систему наблюдения с распознаванием силуэта и плотности потоков получаемого порошка, систему ультразвукового контроля и оценки дисперсности порошка на разных уровнях камеры диспергирования, и отправлять полученную информацию по кабелям 31 в систему управления 32, которая в свою очередь производит сравнение этих параметров с запрограммированными и выдаёт сигналы корректирующих перемещений по кабелям 35 приводам 3, 18 и 19, а также по кабелю 34 при необходимости подается команда в агрегат 24 на изменение температуры подаваемого расплава, или смену объемов дозированной подачи расплава в форсунку 22, а по кабелям 33 в агрегат 28 команды на изменение температуры или давления распыляющих газов.

Технический результат.

− Форсунка для двухпоточного диспергирования металлического расплава, имеющая в своей верхней части конструкцию, обеспечивающую равномерное вытекание расплава и его предварительное дробление, в виде кольцевого распылителя на основе сопла Лаваля, а также распылительную камеру в нижней части, обеспечивающую окончательное дробление и охлаждение частиц расплава, с коаксиальным соплом Лаваля, имеет возможность непрерывного регулирования зазоров в верхнем и нижнем соплах Лаваля, а также расстояния между этими соплами.

− Непрерывное регулирование этих геометрических параметров, а также настраиваемое положение нижнего конца подающей расплав трубки относительно верхнего сопла Лаваля, в сочетании с оперативным управлением температурой расплава, температурой и давлением распыляющих газов, скоростью потока и температурой газов, циркулирующих в камере диспергирования, позволяет оптимизировать процесс диспергирования.

− Основная быстро изнашиваемая деталь форсунки, находящаяся в самых тяжелых и неблагоприятных условиях работы – это трубка подачи жидкого расплава. В конструкции предусмотрена её быстрая замена, не требующая разборки всей форсунки, а о необходимости такой замены датчики контроля за технологическим процессом своевременно сигнализируют в систему управления, которая выдаст соответствующее сообщение или команду на прерывание процесса диспергирования, если этот износ превысил допустимый уровень и вызывает брак.

− Возможность непрерывного регулирования параметров работы форсунки выводит её на качественно новый уровень развития производства мелкодисперсных порошковых материалов для 3D технологий, так как позволяет полностью автоматизировать процесс производства, упрощает наладку оборудования, и позволяет быстро и с минимальными затратами подобрать оптимальные параметры для каждой партии материала.

− Качественно изменяются наладочные и экспериментальные работы, так как появляется возможность экспериментально определить влияние каждого параметра, в том числе геометрических параметров форсунки на процесс диспергирования и создать базу данных, на основе которой можно быстро определить оптимальные параметры, и в соответствии с ними автоматически наладить форсунку в соответствии с производственным заданием.

− Качественно изменяется повторяемость процесса, и весь настроенный процесс при смене материала расплава, так как все оптимальные параметры для каждого материала сохраняются в памяти системы управления и в любой момент могут быть использованы для переналадки оборудования при смене материала.

− Применение автоматически регулируемой форсунки и системы управления с датчиками контроля технологического процесса предотвращает такие вероятные сбои в процессе диспергирования, как возникновение турбулентности распыляющих потоков, которая ведет к выпуску бракованного порошка с неправильной формой частиц, их нестандартным габаритом и слипанию частиц между собой. При отсутствии системы наблюдения и автоматически регулируемой форсунки такие сбои в работе оборудования выясняются только после окончания процесса диспергирования и извлечения произведенного порошка, что порождает значительные потери времени, энергии и материалов, и соотвественно потери денежных средств.

− Использование форсунки для двухпоточного диспергирования металлического расплава позволяет получить металлический порошок высокого качества с высокой дисперсностью, однородностью и сферической формой частиц.

Claims (1)

1. Регулируемая форсунка для двухпоточного диспергирования металлического расплава, состоящая из коаксиального сопла Лаваля первого газового потока диспергирования и коаксиального сопла Лаваля второго газового потока диспергирования, при этом верхняя часть коаксиального сопла Лаваля первого газового потока диспергирования представляет собой винт с внешней резьбой в верхней части и двумя коническими поверхностями с разными углами в нижней части, а нижняя часть коаксиального сопла Лаваля первого газового потока диспергирования представляет собой корпус с внутренней резьбой, отверстием для тангенциального ввода газа и внутренним отверстием, которое в нижней части имеет две конические поверхности с разными углами; верхняя часть коаксиального сопла Лаваля второго газового потока диспергирования состоит из вертикальной каретки, которая в нижней части имеет внешнюю резьбу и две наружные конические поверхности с разными углами наклона, кольцевой канавки и отверстия для ввода газа, а нижняя часть коаксиального сопла Лаваля второго газового потока диспергирования состоит из вертикальной гайки с внутренней резьбой и выходным отверстием в виде двух конических поверхностей с разными углами, отличающаяся тем, что верхняя часть коаксиального сопла Лаваля первого газового потока диспергирования и верхняя и нижняя части коаксиального сопла Лаваля второго газового потока диспергирования оснащены приводами.

Images