專利名稱：一種制備微細(xì)金屬粉末的霧化器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用超音速氣流將液態(tài)金屬霧化成小液滴并凝固成粉末的霧化噴嘴，尤其是制備粒度微細(xì)并具有球形特征的粉末的霧化噴嘴。
背景技術(shù)：
氣體霧化技術(shù)用于金屬粉末的生產(chǎn)，其制粉的原理是用一高速氣流將液態(tài)金屬流粉碎成小液滴并凝固成粉末的過程。氣體霧化粉末具有球形度高、粉末粒度可控等優(yōu)點(diǎn)。霧化器是氣體霧化制粉技術(shù)的核心，霧化器控制氣流對(duì)金屬液流的作用過程，使氣流的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為新生粉末表面能，因此這一控制部件即霧化器決定了霧化粉末的性能和霧化效率。提高微細(xì)粉末(粒度小于45 μ m的粉末)的收得率和粉末的可控性，降低粉末制備成本，是霧化器發(fā)展的趨勢(shì)。在早期的金屬粉末生產(chǎn)實(shí)踐中，普遍采用自由落體式霧化器。這種形式的霧化器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但霧化效率不高，僅適用于60-300 μ m粒度粉末的生產(chǎn)。為了提高霧化效率，后來發(fā)展了限制式霧化器，這種霧化器使霧化效率得到很大的提高。現(xiàn)代具有工業(yè)實(shí)用意義的霧化器主要有兩類一是美國(guó)MIT的Grant教授發(fā)明的超聲霧化器 (US PatentN. 4778516) 0超聲霧化器由拉瓦爾噴嘴和Hartman振動(dòng)管組合在一起，在產(chǎn)生2 - 2. 5 M的超音速氣流的同時(shí)產(chǎn)生80-100KH ζ的脈沖頻率，粉末的平均粒度可達(dá)到 40-60 μ m。該霧化器的目的是為了生產(chǎn)具有快速冷凝效果的鋁及合金，僅適用于鋁等低熔點(diǎn)金屬粉末的生產(chǎn)。二是美國(guó)Iowa州立大學(xué)的Ames實(shí)驗(yàn)室Anderson等人發(fā)明的高壓氣體霧化器(US Patent N. 4619845)。將器的環(huán)縫出口改為20- 個(gè)單一噴孔，這一改進(jìn)可以顯著提高霧化效率。粉末的平均粒度可達(dá)到30-50 μ m。該霧化器的霧化效率是在很高的壓力下實(shí)現(xiàn)的，在工業(yè)上實(shí)現(xiàn)難度高，而且氣體消耗量過大，不利于生產(chǎn)成本的控制。中國(guó)專利CN128M82A發(fā)明了矩形層流霧化器，金屬液從一長(zhǎng)約50mm，寬0. 7mm的導(dǎo)管中流出，進(jìn)入噴嘴后形成Laval形狀，從而產(chǎn)生高的霧化效率，粉末的平均粒度可以達(dá)到10-20 μ m。但該噴嘴在工藝上要求很高，一是要求金屬液的過熱度很高，對(duì)于高熔點(diǎn)金屬不適合；二是霧化過程不穩(wěn)定易于堵嘴，霧化過程難于進(jìn)行。中國(guó)專利CN1078928A發(fā)明了超聲速環(huán)形射流霧化器，是在低壓下霧化低熔點(diǎn)金屬，不適合高熔點(diǎn)金屬的霧化，而且粉末粒度也較粗。中國(guó)專利ZL200820056451. 7發(fā)明一種組合噴嘴，主要特征是在主噴嘴的上方增加一輔助噴嘴，產(chǎn)生一向下的氣流，目的是減少衛(wèi)星粉末和空心粉末的比例。中國(guó)專利 CN1709585A發(fā)明了一高壓霧化噴嘴，該噴嘴的氣體通道采用了 Laval形式，可以獲得較高的氣流速度，霧化效率明顯增加。高熔點(diǎn)金屬的平均粒度可以降低至30μπι左右。但該噴嘴的Laval流道難于精確加工，影響氣流速度的提高，而且氣體流道形成的噴射角最高僅為45°，霧化效率不能進(jìn)一步的提高。中國(guó)專利(申請(qǐng)?zhí)?009103041661)發(fā)明一種用于微細(xì)粉末霧化的噴嘴，氣體通道同樣采用Laval形式，由于采用了尺寸更小的導(dǎo)液管，并且將噴射角提高至70°，霧化效果又有明顯提高。從已有的專利和氣體動(dòng)力學(xué)知識(shí)可以知道，采用Laval形式的氣體通道可以獲得超音速氣流，提高氣體的動(dòng)能，從而提高霧化效率。增加
3噴射角可以提高氣流對(duì)金屬液流的沖擊破碎效果，增加氣流的能量轉(zhuǎn)化率，有效增加微細(xì)粉末的產(chǎn)率。而已有的專利對(duì)噴射角約定也僅在70°以內(nèi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的為了提高氣體霧化的效率，增加微細(xì)粉末的收得率，提供一種具有超音速氣流、更高的噴射角的新型霧化器，從而制取微細(xì)粒度的粉末，本發(fā)明還適用于熔點(diǎn) Ieoo0C以下所有金屬及合金熔體的霧化。本發(fā)明為解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是霧化器結(jié)構(gòu)由為上下兩部分組成，上下兩部分組合后形成一進(jìn)氣腔、出氣流道。上部的工作部分是一個(gè)圓錐臺(tái)和圓柱組合，連接處采用圓弧過渡。中心有一通孔，用于放置金屬液導(dǎo)流管。下部分由一個(gè)圓柱內(nèi)腔下連接一個(gè)內(nèi)圓錐形臺(tái)，連接處采用圓弧過渡。上部圓錐臺(tái)的錐角為β，其取值范圍為 60° -90°，錐臺(tái)的氣流出口端(最小處)的直徑為d，其取值范圍為12-20mm;而下部的內(nèi)圓錐臺(tái)的錐角為θ，其取值范圍為50° -80°。上下錐臺(tái)在組合后形成氣體流出通道，氣體通道的中心線形成的夾角即為噴射角，這一角度為55° -85°。由于角β的值大于Θ， 氣體流道在氣腔出口處是最狹窄處(即喉部)，然后逐漸發(fā)散(即擴(kuò)張段)，形成一個(gè)具有 Laval噴管結(jié)構(gòu)特征的通道，擴(kuò)張段的長(zhǎng)度為30_50mm。依據(jù)氣體動(dòng)力學(xué)的原理，具有Laval 結(jié)構(gòu)的噴管其氣流出口速度將達(dá)到超聲速狀態(tài)。本發(fā)明的有益效果是霧化器的氣體流道具有Laval噴管結(jié)構(gòu)特征，擴(kuò)張段較長(zhǎng)， 保證氣流達(dá)到超聲速以獲得高速氣流，提高霧化效率；同采用比現(xiàn)有霧化器更大的噴射角進(jìn)一步提高氣流對(duì)金屬液流的沖擊破碎效果，大幅度增加微細(xì)粉末的產(chǎn)率。本發(fā)明霧化器適用于熔點(diǎn)在1500°C以下所有金屬及合金熔體的霧化。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。


圖1霧化器結(jié)構(gòu)圖1上噴嘴2下噴嘴3導(dǎo)流管導(dǎo)入孔4進(jìn)氣腔5 喉部6氣流擴(kuò)張段7下噴嘴圓弧過渡段8上噴嘴圓弧過渡段9上下部分的接合處
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例做出進(jìn)一步的說明。例 1使用圖1所示的噴嘴結(jié)構(gòu)，噴嘴上部錐臺(tái)的錐角為85°，下部?jī)?nèi)錐臺(tái)的錐角為75°。導(dǎo)液管的外徑為15mm，內(nèi)徑為4. 0mm。以304L不銹鋼為霧化對(duì)象進(jìn)行粉末的霧化試驗(yàn)，試驗(yàn)合金為50kg，霧化溫度為1600°C，霧化壓力為4. 5MPa。霧化后將粉末用標(biāo)準(zhǔn)分析篩進(jìn)行粉末粒度測(cè)定，所霧化的粉末中粒度小于150 μ m(-100目)的粉末的比例為98.0%， 小于45μπι(-320目)的粉末的比例為76. 3%，小于23μπι(-6000目)的粉末的比例為 60. 2%，粉末的平均粒度d5(1約為18 μ m。例 2使用圖1所示的噴嘴結(jié)構(gòu)，噴嘴上部錐臺(tái)的錐角為85°，下部?jī)?nèi)錐臺(tái)的錐角為 75°。導(dǎo)液管的外徑為15mm，內(nèi)徑為4. 0mm。以17_4ph不銹鋼為霧化對(duì)象進(jìn)行粉末的霧化試驗(yàn)，試驗(yàn)合金為50kg，霧化溫度為1580°C，霧化壓力為4. 5MPa。霧化后將粉末用標(biāo)準(zhǔn)分析篩進(jìn)行粉末粒度測(cè)定，所霧化的粉末中粒度小于150μπι(-100目)的粉末的比例為 98. 5%，小于45μπι(-320目)的粉末的比例為81. 0%，小于23 μ m(_6000目)的粉末的比例為65. 3%，粉末的平均粒度d5(1約為15 μ m。例 3使用圖1所示的噴嘴結(jié)構(gòu)，噴嘴上部錐臺(tái)的錐角為75°，下部?jī)?nèi)錐臺(tái)的錐角為 65°。導(dǎo)液管的外徑為15mm，內(nèi)徑為4. 0mm。以316L不銹鋼為霧化對(duì)象進(jìn)行粉末的霧化試驗(yàn)，試驗(yàn)合金為50kg，霧化溫度為1600°C，霧化壓力為4. 5MPa。霧化后將粉末用標(biāo)準(zhǔn)分析篩進(jìn)行粉末粒度測(cè)定，所霧化的粉末中粒度小于150μπι(-100目)的粉末的比例為96. 5%, 小于45μπι(-320目)的粉末的比例為70.8%，小于23μπι(-6000目)的粉末的比例為 56.5%,粉末的平均粒度d5(1約為22 μ m。例 4使用圖1所示的噴嘴結(jié)構(gòu)，噴嘴上部錐臺(tái)的錐角為75°，下部?jī)?nèi)錐臺(tái)的錐角為 65°。導(dǎo)液管的外徑為15mm，內(nèi)徑為4. 0mm。以Si合金為霧化對(duì)象進(jìn)行粉末的霧化試驗(yàn)，試驗(yàn)合金為100kg，霧化溫度為1550°C，霧化壓力為4. 5MPa。霧化后將粉末用標(biāo)準(zhǔn)分析篩進(jìn)行粉末粒度測(cè)定，所霧化的粉末中粒度小于150 μ m(-100目)的粉末的比例為 95.8%，小于45“111(-320目)的粉末的比例為73. 4%，小于23 μ m(-6000目)的粉末的比例為58. 5%，粉末的平均粒度d5(1約為20 μ m。例 5使用圖1所示的噴嘴結(jié)構(gòu)，噴嘴上部錐臺(tái)的錐角為65°，下部?jī)?nèi)錐臺(tái)的錐角為 55°，導(dǎo)液管的外徑為12mm，內(nèi)徑為4. 0mm。以Cu_10wt% Sn-IOwt% Ti為霧化對(duì)象進(jìn)行粉末的霧化試驗(yàn)，試驗(yàn)合金為50kg，霧化溫度為1000°C，霧化壓力為4. OMPa0霧化后將粉末用標(biāo)準(zhǔn)分析篩進(jìn)行粉末粒度測(cè)定，所霧化的粉末中粒度小于150μπι(-100目)的粉末的比例為99. 5%，小于45μπι(-320目)的粉末的比例為86. 3%，小于23 μ m(_6000目)的粉末的比例為75.0%,粉末的平均粒度d50約為12 μ m。
權(quán)利要求
1.一種霧化噴嘴，它的結(jié)構(gòu)由上噴嘴1和下噴嘴2兩部分組合而成，上下兩部分組合后形成一個(gè)進(jìn)氣腔4、喉部5、氣流擴(kuò)張段6。上噴嘴的工作部分是一個(gè)圓錐臺(tái)和圓柱組成，連接處采用圓弧過渡，中心有一導(dǎo)流管導(dǎo)入孔3。下噴嘴由一個(gè)圓柱內(nèi)腔下連接一個(gè)內(nèi)圓錐形臺(tái)，連接處為下噴嘴圓弧過渡段7。上部圓錐臺(tái)的錐角為β，其取值范圍為60° -90°，錐臺(tái)的氣流出口端(最小處)的直徑為d，其取值范圍為12-20mm;而下部的內(nèi)圓錐臺(tái)的錐角為θ，其取值范圍為50° -80°。上下錐臺(tái)在組合后形成氣體流出通道，氣體流道在氣腔出口處是最狹窄處(即喉部幻，然后逐漸發(fā)散(即氣流擴(kuò)張段6)，形成一個(gè)具有Laval噴管結(jié)構(gòu)特征的通道，擴(kuò)張段的長(zhǎng)度為30-50mm。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霧化噴嘴，其特征是氣體自進(jìn)氣腔至噴嘴的出口形成Laval 形式的氣體流道，其最小處(即喉部幻由兩個(gè)圓弧面組成，而隨后的發(fā)散部分(即氣流擴(kuò)張段6)由兩個(gè)圓錐面組成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的霧化噴嘴，其特征是霧化壓力可以在0.5-6. OMPa范圍內(nèi)使用，氣體流量為5-20m3/分鐘。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于金屬粉末氣體霧化制備的高效率的霧化噴嘴。它的結(jié)構(gòu)由上下兩部分組成。上部的工作部分是一個(gè)圓錐臺(tái)和圓柱組成，連接處采用圓弧過渡，中心有一通孔。下部分由一個(gè)圓柱內(nèi)腔下連接一個(gè)內(nèi)圓錐形臺(tái)，同樣連接處采用圓弧過渡。上部圓錐臺(tái)的錐角為β，而下部的內(nèi)圓錐臺(tái)的錐角為θ。上下錐臺(tái)在組合后形成氣體流出通道，氣體流道在氣腔出口處是最狹窄處(即喉部)，然后逐漸發(fā)散(即擴(kuò)張段)，形成一個(gè)具有Laval噴管結(jié)構(gòu)特征的通道。本發(fā)明的有益效果是噴嘴的氣體流道具有Laval噴管結(jié)構(gòu)特征，可以產(chǎn)生高速氣流，提高霧化氣體的動(dòng)能，同采用大的噴射角進(jìn)一步提高氣流對(duì)金屬液流的沖擊破碎效果，大幅度增加微細(xì)粉末的產(chǎn)率。本發(fā)明噴嘴還適用于熔點(diǎn)在1600℃以下所有金屬及合金熔體的霧化。
文檔編號(hào)B22F9/08GK102335748SQ20101023568
公開日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2010年7月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月20日
發(fā)明者姜曉純 申請(qǐng)人:湖南恒基粉末科技有限責(zé)任公司