專利名稱：循環(huán)式霧化金屬粉末制備方法和裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種循環(huán)式霧化金屬粉末制備方法和裝置，提出循環(huán)使用霧化氣體，并利用 循環(huán)氣體熱量和其中細(xì)微固體顆粒強(qiáng)化霧化效果，減少污染，主要應(yīng)用在粉末冶金工業(yè)和噴 射成形技術(shù)。
背景技術(shù)：
粉末冶金和噴射成形工藝已成為機(jī)電制造加工工業(yè)的重要支柱和非常有前途的產(chǎn)業(yè)。粉 末冶金材料因節(jié)能、節(jié)材、規(guī)模化生產(chǎn)成本低、無需機(jī)械加工等優(yōu)勢，備受金屬產(chǎn)品制造工業(yè) 青睞，由其派生出來的金屬注射成形(metal injection molding, MIM)、熱噴涂(thermal spraying, TS)、金屬快速成形(metal rapid prototyping, MRP)、表面貝占裝(surface mount technology, SMT)等技術(shù)更是得到蓬勃的發(fā)展。而噴射成形技術(shù)是近二、三十年發(fā)展起來的 一項(xiàng)先進(jìn)的半固態(tài)金屬加工技術(shù)，它既能克服傳統(tǒng)冶鑄工藝帶來的缺陷，又可以免除粉末冶 金的制粉、壓制、燒結(jié)等多道工序。采用該技術(shù)制備的材料有晶格細(xì)密規(guī)則、裂紋少、壽命 長等一系列優(yōu)點(diǎn)。
盡管這兩項(xiàng)技術(shù)的生產(chǎn)過程和要求不盡相同，其核心技術(shù)一噴射霧化卻是一致的，噴射 霧化過程形成的粉末、液滴或液固混合顆粒粒徑、分布和形狀決定產(chǎn)品的特性和性能。隨著 國際產(chǎn)業(yè)現(xiàn)代化的加快、以及在汽車工業(yè)、航空航天、電子信息、能源電力、冶金機(jī)械等重 要工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用的拓展，對材料的品種、質(zhì)量以及成本等方面要求的提高，生產(chǎn)微米級
(1~30聲)、亞微米級(0.1~l//m)和納米級(l~100"m)超細(xì)粒度的產(chǎn)品有著相當(dāng)?shù)钠惹?br> 性。而噴射成形技術(shù)中細(xì)微顆粒產(chǎn)生使得材料更加致密，晶格更加細(xì)化，材料性能更好。目 前我國制造業(yè)所需的高檔次金屬粉末需要大量進(jìn)口，而通常國際市場上金屬粉末(50 75戶)
的價(jià)格是相應(yīng)金屬的數(shù)倍乃至十?dāng)?shù)倍，細(xì)顆粒價(jià)格更昂貴得多，因此生產(chǎn)小粒度產(chǎn)品據(jù)有可 觀的經(jīng)濟(jì)價(jià)值。由于氣體霧化已占據(jù)金屬及合金粉末生產(chǎn)的主導(dǎo)地位，對這項(xiàng)技術(shù)的關(guān)注和 研究也越來越多。目前，就我國在該方面的技術(shù)和生產(chǎn)能力而言，與國際上還有相當(dāng)大的差 距。對金屬粉末設(shè)備的改進(jìn)和創(chuàng)造性的技術(shù)革新非常必要。
在霧化氣體的再循環(huán)利用上，國外有一些工作，其中也包括國外正在使用的技術(shù)，如US 4838912提供了一種純化霧化后氣體并再循環(huán)使用的方法。先過濾氣體爾后純化它，壓縮后 采用液氮液化，再轉(zhuǎn)化為高壓氣體重新使用。US 4629407提供了一套包括霧化塔、氣體循環(huán) 系統(tǒng)、氣體純化系統(tǒng)在內(nèi)利用惰性氣體如氮制造金屬粉末的裝置。US 2002/0125591 Al提供了一種利用再循環(huán)霧化氣體如氦生產(chǎn)霧化粉末如金屬粉末的方法，以及用于生產(chǎn)該霧化粉末 的裝置。它通過將用后氣體進(jìn)行顆粒分離，雜質(zhì)清除等步驟實(shí)現(xiàn)氣體的純化，而后達(dá)到循環(huán) 使用惰性貴氣體從而節(jié)約成本的目的。
不過在它們的設(shè)計(jì)中都是要將用后氣體恢復(fù)到一種非常純粹的狀態(tài)，將其中的雜質(zhì)如水、 氧氣、二氧化碳、固體顆粒等全部凈化除去，再干燥壓縮，因而其所使用設(shè)備復(fù)雜，維護(hù)困 難，規(guī)模龐大，不利于大規(guī)模生產(chǎn)，能效比差。 發(fā)明內(nèi)容-
本發(fā)明的目的在于，針對已有技術(shù)存在的缺陷，提供一種高效節(jié)能、低污染、再循環(huán)利 用霧化氣體的循環(huán)式霧化金屬粉末制備方法和裝置，不需非常復(fù)雜的純化過程，也能夠有效
的實(shí)現(xiàn)氣體再循環(huán)的目的，同時(shí)也充分利用了廢熱量的再循環(huán)和氣體中雜質(zhì)固體顆粒的動量， 使得霧化更加充分。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明的構(gòu)思是-
本發(fā)明利用氣體霧化液體金屬的方法實(shí)現(xiàn)液體射流粉末化效果，通常由霧化室、氣體霧 化器、金屬液體加熱爐、阻流機(jī)構(gòu)等組成。金屬液體加熱爐中的熔融液體在阻流機(jī)構(gòu)開啟情 況下經(jīng)導(dǎo)管進(jìn)入霧化室在導(dǎo)管口附近被經(jīng)由氣體霧化器噴出的高速高壓氣流沖擊在霧化室中 發(fā)生破碎形成液滴，液滴在霧化室中飛行降溫形成金屬粉末。
本發(fā)明儲氣室提供純凈的霧化惰性氣體，如氦、氮、氬等；
本發(fā)明的氣體再循環(huán)流路，利用用后氣體、用后氣體中的顆粒、以及用后氣體所攜帶的 熱量，來加強(qiáng)霧化效果。流路中氣體存在的較大顆粒需經(jīng)過顆粒氣體膨脹分離室和離心粒子 分離器分離沉降。而后經(jīng)由空壓泵加壓至工作壓力。流路中氣體的溫度可以通過溫控部件調(diào) 節(jié)，包括加熱或者降溫，可以根據(jù)不同的要求來調(diào)節(jié)。流路中氣體中所含氧氣、濕度、二氧 化碳、 一氧化碳、二氧化硫等含氧量和含雜質(zhì)需要進(jìn)行檢測，并發(fā)出實(shí)時(shí)的檢測指標(biāo)信號， 指標(biāo)信號有超標(biāo)和正常指示等級，在正常信號下，氣體經(jīng)由再循環(huán)流路控制閥和主控制閥進(jìn) 入霧化器；
本發(fā)明的廢氣處理流路，能夠有效去處去除氣體中所含的微金屬粉末，有害氣體如一氧 化碳、二氧化硫等。工作在儲氣室工作模式和清理工作模式，在再循環(huán)工作模式中流路控制 閥門關(guān)閉。用后氣體經(jīng)由廢氣處理流路需經(jīng)過粒子過濾器、廢氣燃燒室和有害氣體吸收裝置。 粒子過濾器過濾細(xì)微粉末所用材料如網(wǎng)膜多孔材料等，廢氣燃燒室可以燃燒有害氣體如一氧 化碳等，有害氣體吸收裝置可以采用物理和化學(xué)方法，如用水吸收二氧化硫等。
本發(fā)明的顆粒收集部件收集不同階段氣體中存在的不同尺寸范圍的固體金屬顆粒，其顆粒平均尺寸依次為第一收集箱大于第二收集箱大于第三收集箱。收集箱中顆粒的排除可以有 杜絕空氣的設(shè)計(jì)。
根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案
一種循環(huán)式霧化金屬粉末制備方法，包括再主流路中，利用惰性氣體對金屬液體進(jìn)行霧 化，霧化后大顆粒金屬粉末沉降于第一收集箱中，而含有顆粒的用后氣體進(jìn)入再循環(huán)流路， 其特征在于在所述再循環(huán)流路中，所述用后氣體經(jīng)膨脹分離腔和離心粒子分離室進(jìn)行部充分 的顆粒分離后，中等顆粒金屬粉末沉降于第二收集箱中，而含有細(xì)微固體顆粒的分離后氣體 經(jīng)溫控部件調(diào)溫和氣體質(zhì)量檢測控制儀檢測后，檢測氣體指標(biāo)正常時(shí)，氣體進(jìn)入主流路再參 與霧化，檢測氣體指標(biāo)超標(biāo)時(shí)，切換氣路使氣體進(jìn)入廢氣處理流路進(jìn)行處理和排氣。
上述惰性氣體為氦氣、或氮?dú)狻⒒驓鍤狻?br> 上述溫控部件調(diào)溫包括加熱或降溫。
上述切換氣路為手動切換氣路或自動切換氣路。
上述檢測氣體指標(biāo)式再循環(huán)氣體中所含氧氣、濕度、二氧化碳、 一氧化碳、二氧化硫的 含量和雜質(zhì)含量。
上述廢氣處理流路中，進(jìn)入該流路的氣體經(jīng)粒子過濾器，細(xì)微顆粒金屬粉末沉降于第三 收集箱中，而過濾后氣體經(jīng)廢氣然受室燃燒和有害氣體吸收裝置吸收有害氣體后的廢氣排放 至大氣中。
一種循環(huán)式霧化金屬粉末制備裝置，應(yīng)用于上述方法，包括一個(gè)金屬粉末霧化設(shè)備，其 上部有一個(gè)金屬流體加熱爐下底接通金屬液體噴嘴，該金屬液體噴嘴上有氣體霧化器由主流 道經(jīng)一個(gè)壓力閥接通一個(gè)儲氣室，其中部為霧化室經(jīng)通道，下面接通第一收集箱，旁通氣管 道接通再循環(huán)流路，其特征在于所述再循環(huán)流路中，所述旁通氣管道接通一個(gè)上下連通的膨 脹氣體分離腔和離心粒子分離腔，膨脹氣體分離腔下部通過通道接通第二收集箱，而離心粒 子分離腔上部接通一個(gè)空氣泵的進(jìn)口，空氣泵的出口接通一個(gè)溫控部件和一個(gè)氣體質(zhì)量檢測 控制儀后分成兩路 一路經(jīng)一個(gè)再循環(huán)壓力閥接通主流道，另一路接通廢氣處理流路。
上述廢氣處理流路中，流入管路接通一個(gè)粒子過濾器的下部，該粒子過濾器的底部接通 第三收集箱而頂部出口經(jīng)一個(gè)廢氣壓力閥、 一個(gè)廢氣燃燒室和一個(gè)有害氣體吸收裝置接通廢 氣排氣管。
本發(fā)明利用氣體中所攜帶的細(xì)微固體顆粒(<10戶)增加霧化氣體的比重和霧化氣體動
量，同時(shí)利用氣體在上一循環(huán)中所獲得的熱量，來改變氣體的溫度。較高溫度的霧化氣體減 小了液體的凝固速度，與較大的氣體比重一起，都使霧化更加充分，霧化效果更好，同時(shí)細(xì)微粉末和氣體的內(nèi)循環(huán)也減少了金屬粉塵的污染和處理廢氣的難度。同時(shí)，本發(fā)明采用不充 分顆粒分離的再循環(huán)氣體，不需非常復(fù)雜的純化過程也能實(shí)現(xiàn)有效的氣體再循環(huán)利用，使得 設(shè)備較簡單，易于維護(hù)，能效較好，有利于大規(guī)模生產(chǎn)。
本發(fā)明可以獲得更好的霧化效果，和更細(xì)的金屬液滴和粉末，同時(shí)節(jié)省了氣體供應(yīng)和廢 氣處理的成本。


圖1循環(huán)式霧化金屬粉末制備裝置圖
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明的一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例結(jié)合

如下本循環(huán)式霧化金屬粉末制備方法是在主 流路中，利用惰性氣體對金屬流進(jìn)行霧化，霧化后大顆粒金屬粉末沉降于第一收集箱中，而 含有顆粒的用后氣體進(jìn)入再循環(huán)流路，在所述再循環(huán)流路中，所述用后氣體經(jīng)膨脹分離腔和 離心粒子分離室進(jìn)行部充分的顆粒分離后，中等顆粒金屬粉末沉降于第二收集箱中，而含有 細(xì)微固體顆粒的分離后氣體經(jīng)溫控部件調(diào)溫和氣體質(zhì)量檢測控制儀檢測后，檢測氣體指標(biāo)正 常時(shí)，氣體進(jìn)入主流路再參與霧化，檢測氣體指標(biāo)超標(biāo)時(shí)，切換氣路使氣體進(jìn)入廢氣處理流 路進(jìn)行處理和排氣。
上述惰性氣體為氦氣、或氮?dú)?、或氬氣。上述溫控部件調(diào)溫包括加熱或降溫。上述切換 氣路為手動切換氣路或自動切換氣路。上述檢測氣體指標(biāo)是再循環(huán)氣體中所含氧氣、溫度、 二氧化碳、 一氧化碳、二氧化硫的含量和雜質(zhì)含量。上述廢氣處理流路中，進(jìn)入該流路的氣 體經(jīng)粒子過濾器，細(xì)微顆粒金屬粉末沉降于第三收集箱中，而過濾后氣體經(jīng)廢氣然受室燃燒 和有害氣體吸收裝置吸收有害氣體后的廢氣排放至大氣中。
參見圖1，應(yīng)用上述方法的循環(huán)式霧化金屬粉末制備裝置是包括一個(gè)金屬粉末霧化設(shè) 備，其上部有一個(gè)金屬液體加熱爐23下底接通金屬液體噴嘴，該金屬液體噴嘴上有氣體霧化
器22由主流道32經(jīng)一個(gè)壓力閥41接通一個(gè)儲氣室9，其中部為霧化室2經(jīng)通道25，下面接 通第一收集箱21，旁通氣管道31接通再循環(huán)流路，所述再循環(huán)流路中，所述旁通氣管道31 接通一個(gè)上下連通的膨脹氣體分離腔26和離心粒子分離腔5，膨脹氣體分離腔26下部通過 通道27接通第二收集箱28，而離心粒子分離腔5上部接通一個(gè)空氣泵6的進(jìn)口，空氣泵6 的出口接通一個(gè)溫控部件7和一個(gè)氣體質(zhì)量檢測控制儀后分成兩路 一路經(jīng)一個(gè)再循環(huán)壓力 閥44接通主流道32，另一路接通廢氣處理流路。
上述廢氣處理流路中，流入管路36接通一個(gè)粒子過濾器10的下部，該粒子過濾器10的 底部接通第三收集箱29而頂部出口經(jīng)一個(gè)廢氣壓力閥43、 一個(gè)廢氣燃燒室11和一個(gè)有害氣體吸收裝置12接通廢氣排氣管372。
參見圖1,儲氣室9出口管路38上有一個(gè)儲氣控制閥42，圖1中還有的標(biāo)號代表20為 金屬2粉末，33、 34、 35、 36、 361、 37、 371、 381均為連接氣管路，24為金屬液體阻流機(jī) 構(gòu)，201為金屬噴霧液體。
本實(shí)施例應(yīng)用于生產(chǎn)鐵粉如下
參見圖1，具體生產(chǎn)鐵粉，其操作工藝如下首先確定初始工作參考狀態(tài)，將鐵水在金屬
液體加熱爐23中加熱到170(TC左右，儲氣室9工作壓力設(shè)定為5 20MPa，空壓泵6工作壓 力設(shè)定為略高于5 20MPa，使用離心粒子分離器5保障再循環(huán)氣體中粒子直徑<10/^，溫控
部件7溫度設(shè)定為ll(TC，氧氣、濕度、二氧化碳、 一氧化碳、二氧化硫等含量正常值均設(shè) 為小于IOPPM，否則為超標(biāo)，粒子過濾器10內(nèi)填充炭纖維網(wǎng)膜多空材料，廢氣燃燒室11混 入空氣燃燒，有害氣體吸收裝置12主要采用水來吸收二氧化硫。所有壓力閥門41， 42， 43， 44和阻流機(jī)構(gòu)24關(guān)閉，氣體質(zhì)量檢測控制儀8關(guān)閉，溫控部件7關(guān)閉，廢氣燃燒室ll關(guān)閉。
(1) 工作在主流路工作模式
依次為壓力闊門42開啟->壓力閥門41開啟->壓力阓門43開啟->廢氣燃燒室11開啟-〉 空壓泵6開啟->阻流構(gòu)件24開啟。
(2) 工作在再循環(huán)流路工作模式
依次為壓力閥門44開啟-〉壓力閥門41開啟-〉溫控部件7開啟-〉氣體質(zhì)量檢測控制儀8 開啟-〉離心粒子分離器5開啟->空壓泵6開啟-〉阻流構(gòu)件24開啟。
(3) 工作在廢氣處理工作模式
依次為壓力閥門42開啟-〉壓力閥門41開啟->壓力閥門43開啟-〉廢氣燃燒室11開啟-〉 空壓泵6開啟。
(4) 再循環(huán)工作模式向清理工作模式轉(zhuǎn)換
依次為阻流機(jī)構(gòu)24關(guān)閉-〉壓力閥門43開啟-〉廢氣燃燒室11開啟->壓力閥門42開啟-> 壓力閥門44關(guān)閉->氣體質(zhì)量檢測控制儀8關(guān)閉-〉溫控部件7關(guān)閉->離心粒子分離器5關(guān)閉。
(5) 廢氣處理工作模式轉(zhuǎn)換向再循環(huán)工作模式
依次為氣體質(zhì)量檢測控制儀8開啟-〉溫控部件7開啟->離心粒子分離器5開啟->壓力閥 門44開啟->壓力閥門42關(guān)閉-〉壓力閥門43關(guān)閉->廢氣燃燒室11關(guān)閉->阻流機(jī)構(gòu)24開啟。
權(quán)利要求
1. 一種循環(huán)式霧化金屬粉末制備方法，包括再主流路中，利用惰性氣體對金屬液體進(jìn)行霧化，霧化后大顆粒金屬粉末沉降于第一收集箱中，而含有顆粒的用后氣體進(jìn)入再循環(huán)流路，其特征在于在所述再循環(huán)流路中，所述用后氣體經(jīng)膨脹分離腔和離心粒子分離室進(jìn)行部充分的顆粒分離后，中等顆粒金屬粉末沉降于第二收集箱中，而含有細(xì)微固體顆粒的分離后氣體經(jīng)溫控部件調(diào)溫和氣體質(zhì)量檢測控制儀檢測后，檢測氣體指標(biāo)正常時(shí)，氣體進(jìn)入主流路再參與霧化，檢測氣體指標(biāo)超標(biāo)時(shí)，切換氣路使氣體進(jìn)入廢氣處理流路進(jìn)行處理和排氣。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的循環(huán)式霧化金屬粉末制備方法，其特征在于所述惰性氣體為氦氣、 氮?dú)饣驓鍤狻?br> 3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的循環(huán)式霧化金屬粉末制備方法，其特征在于所述溫控部件調(diào)溫包括 加熱或降溫。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的循環(huán)式霧化金屬粉末制備方法。其特征在于所述切換氣路為手動切 換氣路或自動切換氣路。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的循環(huán)式霧化金屬粉末制備方法，其特征在于所述檢測氣體指標(biāo)是再 循環(huán)氣體中所含氧氣、溫度、二氧化碳、 一氧化碳、二氧化硫的含量和雜質(zhì)含量。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的循環(huán)式霧化金屬粉末制備方法，其特征在于在所述廢氣處理流路 中，進(jìn)入該流路的氣體經(jīng)粒子過濾器，細(xì)微顆粒金屬粉末沉降于第三收集箱中，而過濾后 氣體經(jīng)廢氣然受室燃燒和有害氣體吸收裝置吸收有害氣體后的廢氣排放至大氣中。
7. —種循環(huán)式霧化金屬粉末制備裝置，應(yīng)用于權(quán)利要求1所述的循環(huán)式霧化金屬粉末制備方 法，包括一個(gè)金屬粉末霧化設(shè)備，其上部有一個(gè)金屬液體加熱爐(23)下底接通金屬液體 噴嘴，該金屬液體噴嘴上有氣體霧化器(22)由主流道(32)經(jīng)一個(gè)壓力閥(41)接通一 個(gè)儲氣室(9)，其中部為霧化室(2)經(jīng)通道(25)，下面接通第一收集箱(21)，旁通氣 管道(31)接通再循環(huán)流路，其特征在于所述再循環(huán)流路中，所述旁通氣管道(31)接通 一個(gè)上下連通的膨脹氣體分離腔(26)和離心粒子分離腔(5)，膨脹氣體分離腔(26)下 部通過通道(27)接通第二收集箱(28)，而離心粒子分離腔(5)上部接通一個(gè)空氣泵(6) 的進(jìn)口，空氣泵(6)的出口接通一個(gè)溫控部件(7)和一個(gè)氣體質(zhì)量檢測控制儀后分成兩 路 一路經(jīng)一個(gè)再循環(huán)壓力閥(44)接通主流道(32)，另一路接通廢氣處理流路。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的循環(huán)式霧化金屬粉末制備裝置，其特征在于所述廢氣處理流路中， 流入管路(36)接通一個(gè)粒子過濾器(10)的下部，該粒子過濾器(10)的底部接通第三 收集箱(29)而頂部出口經(jīng)一個(gè)廢氣壓力閥(43)、 一個(gè)廢氣燃燒室(11)和一個(gè)有害氣 體吸收裝置(12)接通廢氣排氣管(372)。
全文摘要
本發(fā)明提供一種循環(huán)式霧化金屬粉末制備方法和裝置。它在主流路中，利用惰性氣體對金屬液體進(jìn)行霧化，霧化后大顆粒金屬粉末沉降于第一收集箱中，而含有顆粒的用后氣體進(jìn)入再循環(huán)流路，在再循環(huán)流路中，用后氣體經(jīng)膨脹分離腔和離心粒子分離室進(jìn)行部充分的顆粒分離后，中等顆粒金屬粉末沉降于第二收集箱中，而含有細(xì)微固體顆粒的分離后氣體經(jīng)溫控部件調(diào)溫和氣體質(zhì)量檢測控制儀檢測后，檢測氣體指標(biāo)正常時(shí)，氣體進(jìn)入主流路再參與霧化，檢測氣體指標(biāo)超標(biāo)時(shí)，切換氣路使氣體進(jìn)入廢氣處理流路進(jìn)行處理和排氣。本發(fā)明霧化效果好，同時(shí)細(xì)微粉末和氣體的內(nèi)循環(huán)也減少了金屬粉塵的污染和處理廢氣的難度。
文檔編號B22F9/08GK101417340SQ20081020028
公開日2009年4月29日 申請日期2008年9月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月24日
發(fā)明者王志亮 申請人:上海大學(xué)