專利名稱：制備低氧含量的微細球形金屬粉末的氣體霧化裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種利用高壓氣流將液態(tài)金屬及合金熔體破碎成小液滴并凝固成粉末的霧化裝置，尤其是在非真空條件下所制備粉末具有低的氧含量、粒度微細、形狀為球形特征的霧化裝置。
背景技術：
氣體霧化技術是金屬及合金粉末的一種生產(chǎn)方法，其制粉的原理是用一高速氣流將從導液管流出的液態(tài)金屬流粉碎成小液滴并在隨后的飛行中凝固成粉末的過程。氣霧化粉末具有球形度高、粉末粒度可控等優(yōu)點，已成為高性能及特種合金粉末制備的主要方向。 發(fā)展高球形度、低氧含量的合金粉末的制備裝置具有現(xiàn)實意義。金屬熔體經(jīng)高壓氣流霧化后變成小液滴，小液滴在往下飛行中不斷冷卻凝固成粉末。粉末的氧含量與形狀在凝固過程中不斷變化，當條件允許時，粉末的氧含量可達到較低的水平，形狀呈球形。一般情況下，當液滴具有足夠的凝固時間時(即凝固前不與霧化室的壁碰撞)，在表面能的作用下粉末的形狀為球形。當凝固過程受到外因的干擾時，液滴的凝固過程中的球化不能完全進行，粉末會呈現(xiàn)非球形結構，如條狀、多棱狀、片狀等。現(xiàn)有研究表明，霧化氣氛中氧含量是影響液滴球化的一個主要因素，減少霧化過程中的氧含量是促進粉末的球化的一個主要方法。申請人的研究表明，霧化粉末的氧含量和形狀與霧化裝置的結構和功能配置密切相關。一般認為，高球形度、低氧含量的粉末要在真空條件的霧化裝置上才能實現(xiàn)，在非真空條件下的裝置上制備上述要求的粉末是十分困難的。但真空霧化制粉裝置結構復雜、 制造成本高、生產(chǎn)周期長、維護成本高，所生產(chǎn)出的粉末不具有成本優(yōu)勢，限制了此類粉末的推廣應用。申請人的研究和實踐表明，霧化裝置的結構和功能配置對控制粉末的氧含量和形狀有密切關系。在非真空霧化裝置上可以實現(xiàn)高球形度、低氧含量的粉末的制備。金屬霧化裝置一般由熔煉爐、中間包、霧化室、霧化噴嘴、粉末收集和旋風分離器等幾部分組成。對粉末的氧含量和形狀有直接影響的是霧化室的構造的功能配置。尤其是霧化開始前霧化室的氣氛控制有著十分重要的影響。國內的非真空氣霧化裝備基本上是沿用我國六七十年代的設計思想，霧化室的容積很大，基本上直徑在2米左右，高7米以上，這樣大容積的霧化室十分不利于氣氛控制。對降低粉末的氧含量難以實現(xiàn)。設計這樣一個大容積的霧化室的原因是受霧化技術的限制，國內普遍采用非限制性的霧化噴嘴，粉末粒度比較粗，金屬液滴的凝固距離長，這樣可以避免粉末間的粘連。申請人和其它一些發(fā)明者申請的霧化噴嘴專利可以實現(xiàn)霧化粉末粒度的微細化，細小的金屬液滴意謂著凝固距離的縮短，這樣為設計新型的霧化系統(tǒng)提供了可行性。采用申請人的發(fā)明的緊耦合霧化噴嘴(專利號ZL200910304166. 1)生產(chǎn)微細金屬粉末時，對金屬熔體的有效控制是十分必要的，如熔體的溫度、流率對霧化過程的穩(wěn)定性和粉末粒度分布的均勻性均有重要的影響。熔體的控制由中間包和其組合為一體的導液管來完成。而現(xiàn)有霧化裝置對熔體的控制不能達到微細粉末制備的要求。

發(fā)明內容
本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種提高在非真空條件下氣體霧化粉末的品質，提高粉末的球形度，同時降低粉末的氧含量的制備低氧含量的微細球形金屬粉末的氣體霧化裝置。為了解決上述技術問題，本發(fā)明提供的制備低氧含量的微細球形金屬粉末的氣體霧化裝置，包括熔煉爐、中間包、霧化室、霧化噴嘴、粉末收集器和旋風分離器，所述的霧化室由圓形桶體和錐形集粉斗組成，所述的圓形桶體和所述的錐形集粉斗密封連接，所述的錐形集粉斗的錐度為β，其取值為40 70°，所述的錐形集粉斗的出口與粉末收集器相連，所述的圓形桶體的下部連接有至少一個旋風分離器，所述的旋風分離器與所述的圓形桶體的連接管道相對于所述的圓形桶體的圓心軸往豎直向上方向成一角度α，其取值為 50 70°，在所述的霧化室的頂部或上方設有氣氛純化接口，在所述的霧化室的下方、所述的粉末收集器12和所述的旋風分離器上均安裝有氣氛純化接口。所述的中間包所用的坩堝是石墨材質或氧化物材質，容量為1 3L，所述的中間包的加熱方式采用感應加熱爐感應加熱，采用超音頻或高頻感應加熱電源，電源功率為 30 60kw。所述的圓形桶體的內徑為Φ 1000 1500mm，高度為2000 3500mm。所述的錐形集粉斗的出口為Φ 100 200mm。所述的霧化室和所述的旋風分離器安裝在一個具有三層工作平臺的鋼制框架中， 從下往上依次稱第一層工作平臺、第二層工作平臺和第三層工作平臺，所述的第二層工作平臺是單獨的平臺，或是附屬在所述的第一層工作平臺上、高出所述的第一層平臺0.5 1.5m的小平臺，或所述的第一層工作平臺和所述的第二層工作平臺合為一層工作平臺，所述的鋼制框架的平面尺寸為長4 7m，寬4 6m，典型尺寸為6 X 6m或5 X 6m，所述的鋼制框架的高度為4 7m。采用上述技術方案的制備低氧含量的微細球形金屬粉末的氣體霧化裝置，旋風分離器是依據(jù)微細粉末的分離要求進行設計，其分離效果可以達到99%以上，在一般情況下， 旋風分離器僅安裝一個。對價值較高的金屬粉末，可以安裝兩個或三個旋風分離器，以減少金屬的損耗量。霧化室和旋風分離器安裝在一個具有三層工作平臺的鋼制框架中，從下往上依次稱第一層工作平臺、第二層工作平臺和第三層工作平臺，其功能分別為霧化室清理、霧化操作、金屬熔煉與澆注操作。第二層工作平臺是單獨的平臺，或是附屬在第一層工作平臺上、 高出第一層工作平臺0. 5 1. 5m的小平臺，或第一層工作平臺和第二層工作平臺合為一層工作平臺。鋼制框架的面積尺寸為長4 7m，寬4 6m，典型尺寸為6X 6m、5X6m，本發(fā)明不排除可以實現(xiàn)平臺功能的其它尺寸。較大的工作平臺有利于霧化工作的展開，并使鋼制框架更加穩(wěn)定，而較小的工作平臺可以節(jié)約制造成本。鋼制框架的高度為4 7m，具體高度由霧化室的高度而定。在霧化室的頂部或上方引入了 2 6個不等的氣氛純化接口，在霧化室的下方、粉末收集器、旋風分離器等部位均安裝氣氛純化接口，每個部位接口 1 3個不等，具體接口數(shù)量取決于霧化室的大小及粉末氧含量的要求。通過純化接口引入高純氮氣，使霧化室、粉末收集器、旋風分離器內部的空氣被置換，保持氣氛的低氧含量，每一個接口的純化氣體的流量均由氣體流量計控制，流量保持為0. 5 2m3，霧化室還可以加裝一氧傳感器，監(jiān)測純化效果。沒有氧傳感器的情況下，可以控制純化時間達到相同的效果。作為中間包所用的坩堝可以是石墨材質或氧化物材質，容量為1 3L，中間包的加熱方式采用感應加熱，尤其是采用超音頻或高頻感應加熱電源，電源功率為30 60kw， 發(fā)熱體采用市售的石墨粘土坩堝，這一加熱方式具有加熱速度快、溫度高、石墨坩堝價格低可重復利用等優(yōu)點，有利于熔點高于1600°C的金屬熔體的控制和霧化過程的穩(wěn)定。本發(fā)明的有益效果是霧化裝置具有緊湊的結構和合理的功能配置，達到制備微細粉末的要求，在霧化開始前對霧化室的氣氛進行純化，可以使熔體的霧化過程在無氧或少氧的環(huán)境下進行，因此粉末具有高球形度和低的氧含量。本發(fā)明裝置如裝備申請人發(fā)明的霧化噴嘴，提高霧化效率，大幅度增加微細粉末的產(chǎn)率。本發(fā)明裝置所采用的中間包加熱方式可以實現(xiàn)熔點在1600°C以下所有金屬及合金熔體的霧化，為絕大多數(shù)的氣體霧化粉末， 尤其是高熔點、低氧含量、高球形度、粒度微細的金屬和合金粉末，如不銹鋼、鎳基合金粉末的制備提供了新的解決方案。綜上所述，本發(fā)明是一種提高在非真空條件下氣體霧化粉末的品質，提高粉末的球形度，同時降低粉末的氧含量的制備低氧含量，具有結構緊湊、功能配置符合高品質粉末生產(chǎn)要求的微細球形金屬粉末的氣體霧化裝置。


圖1是本發(fā)明的霧化裝置的結構圖。圖2是實施例1的i^e-6. 5wt % Si鐵合金粉末形貌圖。圖3是實施例2的316不銹鋼粉末形貌圖。圖4是實施例3的17_4ph不銹鋼粉末形貌圖。
具體實施例方式下面結合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明。參見圖1，霧化室上部安裝有霧化噴嘴2，中間包由坩堝4和感應加熱爐3組成，坩堝4是石墨材質或氧化物材質，容量為1 3L，坩堝4外圍設有感應加熱爐3，感應加熱爐3 采用超音頻或高頻感應加熱電源，電源功率為30 60kw，霧化噴嘴2對接有坩堝4，中頻熔煉爐1與坩堝4對接，霧化室由圓形桶體6和錐形集粉斗10組成，圓形桶體6和錐形集粉斗10由法蘭9密封連接，圓形桶體6的內徑為Φ 1000 1500mm，高度為2000 3500mm， 錐形集粉斗10的錐度為β，其取值為40 70°，錐形集粉斗10的出口為Φ 100 200mm 且與粉末收集器12相連，在圓形桶體6的上方設有觀察孔7、照明孔5和操作孔，在圓形桶體6的下部設有清理孔8，圓形桶體6的下部連接有至少一個旋風分離器11，旋風分離器11 與圓形桶體6的連接管道相對于圓形桶體6的圓心軸往豎直向上方向成一角度α，其取值為50 70°，在霧化室的頂部或上方設有2 6個氣氛純化接口，在霧化室的下方、粉末收集器12和旋風分離器11上均安裝有氣氛純化接口。霧化室和旋風分離器11安裝在一個具有三層工作平臺的鋼制框架中，從下往上依次稱第一層工作平臺、第二層工作平臺和第三層工作平臺，第二層工作平臺是單獨的平臺，或是附屬在第一層工作平臺上、高出第一層平臺0. 5 1. 5m的小平臺，或第一層工作平臺和所述的第二層工作平臺合為一層工作平臺，鋼制框架的平面尺寸為長4 7m，寬4 6m，典型尺寸為6 X 6m或5 X 6m，所述的鋼制框架的高度為4 7m。具體地，依據(jù)上述發(fā)明建造了一套霧化裝置，霧化室的圓形桶體6的內徑為 Φ 1300mm，高度為3000mm，錐形集粉斗10錐度為70°，錐形集粉斗10的出口為Φ 150mm。 在圓形桶體6的上方設有觀察孔7、照明孔5、操作孔等附屬接口，在下部設有兩個接口，其中一個與旋風分離器11相接，與旋風分離器11的管道相對于圓形桶體6的圓心軸成一角度為60°。旋風分離器11僅安裝一個。在霧化室的頂部引入了 6個氣氛純化接口，在霧化室的下方、粉末收集器12、旋風分離器11等部位均安裝氣氛純化接口，每個部位接口 2個。 每一個接口的純化氣體的流量均由氣體流量計控制，流量調節(jié)范圍為0. 5 4m3。中頻熔煉爐1的容量為100kg，熔煉電源為150kw，頻率1500HZ，中間包的坩堝4采用石墨坩堝加熱， 感應加熱爐3的電源為超音頻感應電源，功率50kw。在這裝置上進行了幾種粉末的霧化試驗，具體實施結果如下實施例1 以Fe-6. 5wt % Si鐵合金為霧化對象進行粉末的霧化試驗，試驗投料合金量為 80kg，霧化參數(shù)設定為霧化溫度為1600°C，霧化壓力為3. OMPa0霧化前霧化室進行一小時的氣氛純化。霧化后進行粉末粒度、氧含量和總收得率的分析。粉末粒度用標準分析篩進行粉末粒度測定，氧含量用Leco氧氮分析儀分析，所有收集的粉末和投料量比值為總收得率。所霧化的粉末中粒度小于150 μ m(-100目)的粉末的比例為90. 5%，小于45 μ m(-320 目)的粉末的比例為56.0%，-325目粉末的氧含量為210ppm，粉末的形貌為球形，見圖2。 總收得率為99.2%。實施例2 以316L不銹鋼為霧化對象進行粉末的霧化試驗，試驗投料合金量為100kg，霧化參數(shù)設定為霧化溫度為1650°C，霧化壓力為4. OMPa0霧化前霧化室進行一小時的氣氛純化。霧化后進行粉末粒度、氧含量和總收得率的分析。粉末粒度用標準分析篩進行粉末粒度測定，氧含量用Leco氧氮分析儀分析，所有收集的粉末和投料量比值為總收得率。所霧化的粉末中粒度小于150 μ m(-100目)的粉末的比例為92. 5%，小于45 ym(-320目)的粉末的比例為62.0%，-325目粉末的氧含量為560ppm，粉末的形貌為球形，見圖3?？偸盏寐蕿?99. 0%。實施例3 以17-4PH不銹鋼為霧化對象進行粉末的霧化試驗，試驗投料合金量為100kg，霧化參數(shù)設定為霧化溫度為1620°C，霧化壓力為4. OMPa0霧化前霧化室進行一小時的氣氛純化。霧化后進行粉末粒度、氧含量和總收得率的分析。粉末粒度用標準分析篩進行粉末粒度測定，氧含量用Leco氧氮分析儀分析，所有收集的粉末和投料量比值為總收得率。所霧化的粉末中粒度小于150 μ m(-100目)的粉末的比例為93.6%，小于45 μ m(-320目)的粉末的比例為66.3.0%，-325目粉末的氧含量為620ppm，粉末的形貌為球形，見圖4?？偸盏寐蕿?9. 1% ο
權利要求
1.一種制備低氧含量的微細球形金屬粉末的氣體霧化裝置，包括熔煉爐、中間包、霧化室、霧化噴嘴O)、粉末收集器(1 和旋風分離器(11)，其特征是所述的霧化由圓形桶體(6)和錐形集粉斗(10)組成，所述的圓形桶體(6)和所述的錐形集粉斗(10)密封連接， 所述的錐形集粉斗(10)的錐度為β，其取值為40 70°，所述的錐形集粉斗(10)的出口與粉末收集器(1 相連，所述的圓形桶體(6)的下部連接有至少一個旋風分離器(11)，所述的旋風分離器(11)與所述的圓形桶體(6)的連接管道相對于所述的圓形桶體(6)的圓心軸往豎直向上方向成一角度α，其取值為50 70°，在所述的霧化室的頂部或上方設有氣氛純化接口，在所述的霧化室的下方、所述的粉末收集器(1 和所述的旋風分離器(11) 上均安裝有氣氛純化接口。
2.根據(jù)權利要求1所述的制備低氧含量的微細球形金屬粉末的氣體霧化裝置，其特征是所述的中間包所用的坩堝(4)是石墨材質或氧化物材質，容量為1 3L，所述的中間包的加熱方式采用感應加熱爐( 感應加熱，采用超音頻或高頻感應加熱電源，電源功率為 30 60kw。
3.根據(jù)權利要求1或2的所述的制備低氧含量的微細球形金屬粉末的氣體霧化裝置， 其特征是所述的圓形桶體(6)的內徑為Φ 1000 1500mm，高度為2000 3500mm。
4.根據(jù)權利要求1或2的所述的制備低氧含量的微細球形金屬粉末的氣體霧化裝置， 其特征是所述的錐形集粉斗(10)的出口為Φ 100 200mm。
5.根據(jù)權利要求1或2的所述的制備低氧含量的微細球形金屬粉末的氣體霧化裝置， 其特征是所述的霧化室和所述的旋風分離器(11)安裝在一個具有三層工作平臺的鋼制框架中，從下往上依次稱第一層工作平臺、第二層工作平臺和第三層工作平臺，所述的第二層工作平臺是單獨的平臺，或是附屬在所述的第一層工作平臺上、高出所述的第一層平臺 0. 5 1. 5m的小平臺，或所述的第一層工作平臺和所述的第二層工作平臺合為一層工作平臺，所述的鋼制框架的平面尺寸為長4 7m，寬4 6m，典型尺寸為6 X 6m或5 X 6m，所述的鋼制框架的高度為4 7m。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種制備低氧含量的微細球形金屬粉末的氣體霧化裝置，霧化室由圓形桶體(6)和錐形集粉斗(10)組成，圓形桶體(6)和錐形集粉斗(10)密封連接，錐形集粉斗(10)的錐度為β，其取值為40～70°，錐形集粉斗(10)的出口與粉末收集器(12)相連，圓形桶體(6)的下部連接有至少一個旋風分離器(11)，旋風分離器(11)與圓形桶體(6)的連接管道相對于圓形桶體(6)的圓心軸往豎直向上方向成一角度α，其取值為50～70°，在霧化室的頂部或上方設有氣氛純化接口，在霧化室的下方、粉末收集器(12)和旋風分離器(11)上均安裝有氣氛純化接口。本發(fā)明能提高在非真空條件下氣體霧化粉末的品質，提高粉末的球形度，同時降低粉末的氧含量的制備低氧含量，結構緊湊、功能配置。
文檔編號B22F9/08GK102407338SQ20111039997
公開日2012年4月11日 申請日期2011年12月6日 優(yōu)先權日2011年12月6日
發(fā)明者陳仕奇 申請人:中南大學