TWI660773B - 熔湯輸送導管及應用其之合金粉末製造設備 - Google Patents

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Abstract

一種熔湯輸送導管及應用其之合金粉末製造設備，所述合金粉末製造設備包括：一坩堝單元，用以產生一熔湯；一熔湯輸送導管，用以輸送坩堝單元之熔湯；以及一噴嘴單元，連通於熔湯輸送導管，用以供輸送一惰性氣體，用以將離開熔湯輸送導管之熔湯沖擊霧化後而快速凝固成合金粉末；其中，熔湯輸送導管更包括一出口端，其包括一端面及一斜面，端面緊鄰並環繞出口，斜面連接並環繞端面，且斜面上加工形成有均勻分布的多個凹槽，藉此增加端面與斜面之連接處的周長，進而增加氣液作用區的長度，達到更好的合金粉末粒徑表現。

Description

熔湯輸送導管及應用其之合金粉末製造設備
本發明係關於一種熔湯輸送導管及應用其之合金粉末製造設備，特別是關於一種利用凹槽設置增加氣液接觸區面積的熔湯輸送導管及應用其之合金粉末製造設備。
金屬粉末是指尺寸小於1mm的金屬顆粒群，通常製取方法按轉變的作用原理分為機械法和物理化學法兩類，既可從固、液、氣態金屬直接細化獲得，又可從其不同狀態下的金屬化合物經還原、熱解、電解而轉變製取。難熔金屬的碳化物、氮化物、硼化物、矽化物一般可直接用化合或還原-化合方法製取。因製取方法不同，同一種粉末的形狀、結構和粒度等特性常常差別很大，其中應用最廣的是還原法、霧化法、電解法。
霧化法是將熔融金屬霧化成細小液滴，在冷卻介質中凝固成粉末。廣泛應用的二流(熔體流和高速流體介質)霧化法是用高壓空氣、氮氣、氬氣等(氣體霧化)和高壓水(水霧化)作噴射介質來擊碎金屬液體流。也有利用旋轉盤粉碎和熔體自身(自耗電極和坩堝)旋轉的離心霧化法，以及其他霧化方法如溶氫真空霧化、超聲波霧化等。由於液滴細小和熱交 換條件好，比鑄錠時可高幾個數量級。因此合金的成分均勻，組織細小，用它製成的合金材料無宏觀偏析，性能優異。氣霧化粉末一般近球形，水霧化可製得不規則形狀。粉末的特性如粒度、形狀和結晶組織等主要取決於熔體的性能(黏度、表面張力、過熱溫度)和霧化工藝參數(如熔體流直徑、噴嘴結構、噴射介質的壓力、流速等)。幾乎所有可被熔化的金屬都可用霧化法生產，尤其適宜生產合金粉末。此法生產效率高，並易於擴大工業規模。目前不僅用於大量生產工業用鐵、銅、鋁粉和各種合金粉末，還用來生產高純淨度(O2<100ppm)的高溫合金、高速鋼、不鏽鋼和鈦合金粉末。此外，用激冷技術製取快速冷凝粉末日益受到重視，用它可以制出高性能的微晶材料。
本發明所欲解決的主要問題，係在於利用設置於熔湯輸送導管出口端處的凹槽，增加熔湯輸送導管出口端處的周長，進而增加熔湯與高速惰性氣體的氣液作用區面積，使成形的合金粉末粒徑大小更為理想也更加均勻。
為達成上述的目的，本發明公開了一種合金粉末製造設備，包括：一坩堝單元，用以產生一熔湯；一熔湯輸送導管，用以輸送該坩堝單元之熔湯，並包括一入口及一出口，該入口連通於該坩堝單元之底部，且該出口連通該入口；以及一噴嘴單元，連通於該熔湯輸送導管之該出口，用以供輸送一惰性氣體；其中，該熔湯輸送導管更包括一出口端，其包括一端面及一斜面，該端面緊鄰並環繞該出口，該斜面連接並環繞該端面，且該斜面上加工形成有多個凹槽，藉此增加該端面與 該斜面之連接處的周長。
在一實施例中，所述凹槽靠近該端面的凹槽截面大於遠離該端面的凹槽截面，形成一錐狀的凹槽。
在一實施例中，所述熔湯輸送導管的該些凹槽為半圓、V形或U形型態。
在一實施例中，當該熔湯輸送導管的該斜面上沒有加工形成任何凹槽時，該端面與該斜面之連接處具有一第一周長；當該斜面上有加工形成均勻分布的多個凹槽時，該端面與該斜面之連接處具有一第二周長，該第二周長比該第一周長多38%以上的長度。
本發明同時公開了一種熔湯輸送導管，包括：一入口及一出口，該出口連通該入口；以及一出口端，包括一端面及一斜面，該端面緊鄰並環繞該出口，該斜面連接並環繞該端面，且該斜面上加工形成有均勻分布的多個凹槽，藉此增加該端面與該斜面之連接處的周長。
在一實施例中，所述凹槽靠近該端面的凹槽截面大於遠離該端面的凹槽截面，形成一錐狀的凹槽。
在一實施例中，所述凹槽為半圓、V形或U形型態。
在一實施例中，所述該些凹槽使該開口端形成均勻分布的多齒結構之形態。
在一實施例中，當該斜面上加工沒有形成任何凹槽時，該端面與該斜面之連接處具有一第一周長；當該斜面上加工形成有均勻分布的多個凹槽時，該端面與該斜面之連接處具有一第二周長，該第二周長比該第一周長多38%以上的長 度。
在一實施例中，該出口端更包括一外管壁面連接並環繞該斜面，該外管壁面與該斜面之間具有一夾角，所述夾角介於15~25°。
經由本發明創作的熔湯輸送導管，在合金粉末製造時，可有效增加同樣管徑的氣液作用區面積達一預定比例(例如38%)以上，經實證可製造出粒徑大小更均勻且粒徑更為理想的合金粉末。
1‧‧‧合金粉末製造設備
10A‧‧‧熔湯
10B‧‧‧合金粉末
11‧‧‧坩堝單元
12‧‧‧熔湯輸送導管
12A~12D‧‧‧熔湯輸送導管
121A‧‧‧入口
121B‧‧‧出口
122‧‧‧出口端
122A‧‧‧斜面
122B‧‧‧端面
123‧‧‧凹槽
123A‧‧‧半圓形凹槽
123B‧‧‧V形凹槽
123C‧‧‧U形凹槽
13‧‧‧噴嘴單元
131‧‧‧高速惰性氣體
131A‧‧‧迴流氣體
A‧‧‧氣液作用區
L’‧‧‧第一周長
L‧‧‧第二周長
L1~L4‧‧‧導管端面周長
α 1~α 4‧‧‧夾角
S1‧‧‧合金粉末製程
S11~S13‧‧‧步驟
圖1A為本發明所述合金粉末製造設備結構示意圖；圖1B為本發明所述合金粉末成形階段示意圖；圖1C為本發明所述合金粉末成形原理示意圖；圖1D為本發明所述熔湯輸送導管之出口端結構示意圖；圖1E為本發明所述熔湯輸送導管之周長比較示意圖；圖2A為本發明所述半圓形凹槽之熔湯輸送導管示意圖；圖2B為本發明所述V形凹槽之熔湯輸送導管示意圖；圖2C為本發明所述U形凹槽之熔湯輸送導管示意圖；圖3A至圖3D為本發明所述熔湯輸送導管之斜面夾角與周長的關係示意圖；圖4為本發明所述合金粉末粒徑與氣液作用長度之關係示意圖；圖5為本發明所述合金粉末製程之流程圖。
首先，請參閱圖1A至圖1E，如圖1A所示，本發明提供一種合金粉末製造設備1，包括：一坩堝單元11，用以產生一熔湯10A；一熔湯輸送導管12，用以輸送該坩堝單元11之熔湯10A包括一入口121A及一出口121B，該入口121A連通於該坩堝單元11之底部，且該出口121B連通該入口121A；以及一噴嘴單元13，連通於該熔湯輸送導管12之該出口121B，用以供輸送一惰性氣體，該惰性氣體為一高速惰性氣體131，用以將離開該熔湯輸送導管12之出口121B的該熔湯10A沖擊霧化後而快速凝固成合金粉末10B。該熔湯輸送導管12更包括一出口端122，如圖1D所示，其包括一端面122B及一斜面122A，該端面122B緊鄰並環繞該出口121B，該斜面122A連接並環繞該端面122B，且該斜面122A上加工形成有均勻分布的多個凹槽123，藉此增加該端面122B與該斜面122A之連接處的周長L(如圖1E所示)。
在此一實施例中，如圖1D所示，所述凹槽123靠近該端面122B的凹槽截面大於遠離該端面122B的凹槽截面，形成一錐狀的凹槽123。
在此一實施例中，當該熔湯輸送導管12的該斜面122A上沒有加工形成任何凹槽123時，如圖1E所示，該環繞該出口121B的端面122B與圖1D中的該斜面122A之連接處具有一第一周長L’；當該斜面122A上如圖1D有加工形成均勻分布的多個凹槽123時，所述該些凹槽123使該開口端122形成多齒結構之形態，該端面122B與該斜面122A之連接處具有一第二周長L，該第二周長L比該第一周長L’多約38%的長度。
本發明所述的合金粉末製造設備1，其合金粉末的成形階段與成形原理請參閱圖1B及圖1C，如圖所示，熔湯10A經由熔湯輸送導管12輸送至出口端122時，會與噴嘴單元13中輸送的高速惰性氣體131交會於氣液作用區A，所述氣液作用區A係指熔湯輸送導管12輸送的熔湯10A於出口端122與高速惰性氣體131交會的出口端端面122B(如圖1D所示)邊緣處。
由於流體力學的作用，當高速惰性氣體131自噴嘴單元13沿著該熔湯輸送導管12的外管壁面高速噴出，會在端面122B下方的空間形成一迴流氣體131A，所述迴流氣體131A會將由圖1A中的出口121B流出的熔湯10A保持於端面122B形成一流體薄膜，並於該端面121B的邊緣與高速惰性氣體131交會，產生氣液作用，將該熔湯10A沖擊霧化後而快速凝固成合金粉末10B。
因此，於熔湯輸送導管12的出口端122的斜面122A上設置的凹槽123，會如圖1E所示，增加該端面122B邊緣的第二周長L(相對於未設置有凹槽123的端面122B邊緣之第一周長L’)。而使第二周長L增加，即可增長熔湯10A與高速惰性氣體131交會的氣液作用區A的長度，在實證數據下確實可提高合金粉末10B粒徑的均勻度。
續請參閱圖2A至圖2C，在一實施例中，所述熔湯輸送導管12的該些凹槽123可為半圓、V形或U形型態。
如圖2A所示，半圓形凹槽123A設置於熔湯輸送導管12出口端122處的斜面122A上，該半圓形凹槽123A靠 近端面122B的凹槽截面大於遠離端面122B的凹槽截面，使端面122B與斜面122A連接處形成的第二周長L如圖1E所示大於未設置有凹槽的第一周長L’，使圖1C的熔湯10A由入口121A輸送至出口121B與高速惰性氣體131於氣液作用區A作用的範圍增長，提升合金粉末10B的粒徑均勻性。
或如圖2B所示，以V形凹槽123B設置於熔湯輸送導管12出口端122處的斜面122A上，使端面122B與斜面122A連接處形成的第二周長L如圖1E所示大於未設置有凹槽的第一周長L’，使圖1C的熔湯10A由入口121A輸送至出口121B與高速惰性氣體131於氣液作用區A作用的範圍增長，提升合金粉末10B的粒徑均勻性。
或如圖2C所示，以U形凹槽123C設置於熔湯輸送導管12出口端122處的斜面122A上，使端面122B與斜面122A連接處形成的第二周長L如圖1E所示大於未設置有凹槽的第一周長L’，使圖1C的熔湯10A由入口121A輸送至出口121B與高速惰性氣體131於氣液作用區A作用的範圍增長，提升合金粉末10B的粒徑均勻性。
本發明之技術特徵主要在於利用凹槽123之設置增長熔湯輸送導管12的端面122B周長L，以增加氣液作用區A的長度，其中，熔湯輸送導管12在出口端122設置有一斜面122A，該斜面122A與熔湯輸送導管12的外管壁面具有一夾角，此一夾角的角度會影響該熔湯輸送導管12端面122B的周長L，如圖3A至圖3D所示。續請參閱圖3A至圖3D，圖3A至圖3D為本發明所述熔湯輸送導管之斜面夾角與周長的 關係示意圖。
由圖3A至圖3D，「熔湯輸送導管12A的夾角α 1」至「熔湯輸送導管12B的夾角α 2」至「熔湯輸送導管12C的夾角α 3」至「熔湯輸送導管12D的夾角α 4」的角度越來越大，則該斜面122A與該端面122B連接觸的周長則會出現「夾角α 1的導管端面周長L1>夾角α 2的導管端面周長L2>夾角α 3的導管端面周長L3>夾角α 4的導管端面周長L4」的情形。
而導管端面周長L1~L4的長度在形成合金粉末的粒徑表現上如圖4所示，當導管端面周長L1~L4越長，氣液作用區A長度就會越長，而合金粉末10B經噴嘴單元13形成的噴霧平均粒徑就會如圖4的曲線圖表示，有越小的趨勢，而目前在合金粉末的應用上，粒徑較小的合金粉末會優於粒徑較大的合金粉末。
在本發明的實施例中，該出口端122的外管壁面與該斜面122A之間具有一夾角，所述夾角介於15~25°。
因此，基於圖4的實證曲線圖可得知，經由本發明所提出的在熔湯輸送導管12出口端122斜面122A設置多個凹槽123，以增加該斜面122A與端面122B連接處周長L的設計，在目前實證上來說確實有提升合金粉末10B粒徑表現的效果。
最後，應用本發明所述的熔湯輸送導管12的合金粉末製造設備1在合金粉末製程S1如圖5所示，有以下步驟：步驟S11：提供一熔湯，包括有至少兩種以上金屬；步驟S12：提供一熔湯輸送導管，該熔湯輸送導管輸送該 熔湯至出口端，該出口端連通有一噴嘴單元；以及步驟S13：該噴嘴單元噴出一高速氣體，用以將該熔湯沖擊霧化後快速凝固成合金粉末。
綜上所述，本發明所公開之熔湯輸送導管12，在應用於合金粉末製造設備1時，可有效增加同樣管徑的氣液作用區A面積達一預定比例(例如38%)以上，經實證可製造出粒徑大小更均勻且粒徑更為理想的合金粉末10B。
上述本發明所採用的技術手段之實施方式或實施例，並非用來限定本發明專利實施之範圍。即凡與本發明專利申請範圍文義相符，或依本發明專利範圍所做的均等變化與修飾，皆為本發明專利範圍所涵蓋。

Claims (9)

  1. 一種合金粉末製造設備，包括：一坩堝單元，用以產生一熔湯；一熔湯輸送導管，用以輸送該坩堝單元之熔湯，並包括一入口及一出口，該入口連通於該坩堝單元之底部，且該出口連通該入口；以及一噴嘴單元，連通於該熔湯輸送導管之該出口，用以供輸送一惰性氣體；其中，該熔湯輸送導管更包括一出口端，其包括一端面及一斜面，該端面緊鄰並環繞該出口，該斜面連接並環繞該端面，且該斜面上具有多個凹槽，藉此增加該端面與該斜面之連接處的周長。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的合金粉末製造設備，其中，所述凹槽靠近該端面的凹槽截面大於遠離該端面的凹槽截面，形成一錐狀的凹槽。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的合金粉末製造設備，其中，所述熔湯輸送導管的該些凹槽為半圓、V形或U形型態。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的合金粉末製造設備，其中，當該熔湯輸送導管的該斜面上沒有加工形成任何凹槽時，該端面與該斜面之連接處具有一第一周長；當該斜面上有加工形成均勻分布的多個凹槽時，該端面與該斜面之連接處具有一第二周長，該第二周長比該第一周長多38%的長度。
  5. 一種熔湯輸送導管，包括：一入口及一出口，該出口連通該入口；以及一出口端，包括一端面及一斜面，該端面緊鄰並環繞該出口，該斜面連接並環繞該端面，且該斜面上具有多個凹槽，藉此增加該端面與該斜面之連接處的周長；其中，所述凹槽靠近該端面的凹槽截面大於遠離該端面的凹槽截面，形成一錐狀的凹槽。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的熔湯輸送導管，其中，所述凹槽為半圓、V形或U形型態。
  7. 一種熔湯輸送導管，包括：一入口及一出口，該出口連通該入口；以及一出口端，包括一端面及一斜面，該端面緊鄰並環繞該出口，該斜面連接並環繞該端面，且該斜面上具有多個凹槽，藉此增加該端面與該斜面之連接處的周長；其中，該些凹槽使該開口端形成均勻分布的多齒結構之形態。
  8. 如申請專利範圍第7項所述的熔湯輸送導管，其中，當該斜面上沒有加工形成任何凹槽時，該端面與該斜面之連接處具有一第一周長；當該斜面上有加工形成均勻分布的多個凹槽時，該端面與該斜面之連接處具有一第二周長，該第二周長比該第一周長多38%的長度。
  9. 如申請專利範圍第7項所述的熔湯輸送導管，其中，該出口端更包括一外管壁面連接並環繞該斜面，該外管壁面與該斜面之間具有一夾角，所述夾角介於15~25°。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2011016800A1 (en) * 2009-08-03 2011-02-10 Dow Global Technologies Inc. Atomizer nozzle assembly for use with fluidized bed apparatus

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