專利名稱：一種高壓氣體霧化噴嘴的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種用氣體霧化高溫熔融液制取超細(xì)粉末的裝置，特別是一種高壓氣體霧化噴嘴。
背景技術(shù)：
氣體霧化金屬液是常用的制取金屬粉末的方法，而常規(guī)的氣體霧化噴嘴多為金屬液自由下落的非約束型噴嘴，這類噴嘴霧化制取的粉末顆粒很粗，其霧化粉末的平均粒度約在60~75μm的范圍。美國(guó)麻省理工學(xué)院N.T.Grant教授發(fā)明的超聲波霧化器(US PatentN.4778516)利用Hartmman超聲振蕩波管原理，用3MPa的高壓氣體產(chǎn)生頻率為20~100KHz、流速為2.5馬赫的射流霧化金屬液。用這種霧化器將粉末的平均粒度減小到40~60μm。中國(guó)專利CN 1282282A描述了一種矩形Laval噴嘴，按層流霧化原理將金屬液加速霧化成微細(xì)液滴，其霧化粉末的平均粒徑很細(xì)，但該技術(shù)在工藝適應(yīng)性上需要有很高的金屬液過熱度，并且容易產(chǎn)生金屬液過冷而使噴嘴堵塞，造成霧化終止的現(xiàn)象。中國(guó)專利CN 1078928A描述了一種自吸式超聲速環(huán)形射流霧化器，利用渦旋氣流將液體霧化，該發(fā)明的特點(diǎn)是在較低的霧化氣體壓力(壓力小于1MPa)下，霧化熔點(diǎn)較低的金屬液(鉛、錫、鋁等材料)，但用該裝置霧化所得的粉末粒度較粗，并且不適用于霧化高熔點(diǎn)金屬材料(熔點(diǎn)在1000℃以上)。

發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的是為解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺陷而提供一種高壓氣體通過Laval噴管產(chǎn)生高速氣流霧化高熔點(diǎn)熔融材料，制取的金屬粉末粒度更細(xì)小高壓氣體霧化噴嘴。
本實(shí)用新型為達(dá)到上述目的而提供的技術(shù)方案是一種高壓氣體霧化噴嘴，它包含有導(dǎo)流管，導(dǎo)流管外設(shè)有環(huán)繞于其周圍的氣腔，氣腔的外側(cè)腔壁的壁面與內(nèi)側(cè)腔壁的壁面在導(dǎo)流管頂端附近形成Laval噴管結(jié)構(gòu)，Laval噴管結(jié)構(gòu)包括收斂部分、喉口、發(fā)散部分。導(dǎo)流管頂端附近的管壁外側(cè)呈圓錐形，其錐面的延長(zhǎng)線形成夾角β，Laval噴管結(jié)構(gòu)發(fā)散部分中氣腔內(nèi)側(cè)腔壁壁面的延長(zhǎng)線形成夾角θ，角θ大于或等于角β，角β的角度范圍為0°～45°，Laval噴管結(jié)構(gòu)發(fā)散部分的中心軸形成夾角α，角α為-15°～45°，Laval噴管發(fā)散部分中氣腔的內(nèi)側(cè)腔壁壁面、外側(cè)腔壁壁面形成擴(kuò)張角δ，擴(kuò)張角δ的角度范圍為0°～30°。
Laval噴管結(jié)構(gòu)喉口部分可以采用環(huán)縫結(jié)構(gòu)或是沿導(dǎo)流管管壁周圍均勻排列的多個(gè)環(huán)孔結(jié)構(gòu)。
Laval噴管結(jié)構(gòu)中喉口的總截面積為бt，發(fā)散部分的開口端的總截面積為бe，бe與бt之比為1∶1～1∶8。
導(dǎo)流管的出口端面距離Laval噴管結(jié)構(gòu)的發(fā)散部分開口端的長(zhǎng)度L為2～20mm。
本實(shí)用新型的有益效果是高壓氣體通過本實(shí)用新型所描述的Laval噴管產(chǎn)生高速氣流，能適用于霧化高熔點(diǎn)熔融材料，并且對(duì)熔融液體的過熱度要求不高。高壓氣體在本實(shí)用新型所述的結(jié)構(gòu)下，氣流以極高的動(dòng)能霧化熔融液體制取超細(xì)粉末，不僅能將氣體能量充分利用并保證霧化制粉工藝上的連續(xù)性，而且能使粉末的粒度細(xì)化，提高細(xì)粉的出粉比率。
以下結(jié)合附圖通過實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步闡述，但實(shí)施例并不限制本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。


圖1是實(shí)施例1的剖視結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本實(shí)用新型Laval噴管環(huán)縫形喉口示意圖；圖3是本實(shí)用新型Laval噴管環(huán)孔形喉口示意圖；圖4是實(shí)施例1所得的金屬粒度分布圖；圖5是實(shí)施例1霧化粉末的掃描電鏡形貌；圖6是實(shí)施例2所得的金屬粒度分布圖；圖7是實(shí)施例2霧化粉末的掃描電鏡形貌；圖8是實(shí)施例3所得的金屬粒度分布圖；圖9是實(shí)施例3霧化粉末的掃描電鏡形貌。
具體實(shí)施方式
實(shí)施例1一種Laval噴管喉口為如圖2所示環(huán)縫結(jié)構(gòu)的高壓氣體霧化噴嘴，其剖視圖如圖1所示，它包含有導(dǎo)流管1，導(dǎo)流管1外設(shè)有環(huán)繞于其周圍的氣腔2，氣腔2的外側(cè)腔壁21的壁面21a、21b與內(nèi)側(cè)腔壁22的壁面22a、22b在導(dǎo)流管1頂端附近形成Laval噴管結(jié)構(gòu)3，Laval噴管結(jié)構(gòu)3包括收斂部分31、喉口32、發(fā)散部分33，導(dǎo)流管1頂端附近的管壁外側(cè)呈圓錐形4，其錐面41的延長(zhǎng)線形成夾角β，Laval噴管結(jié)構(gòu)3發(fā)散部分33中氣腔2內(nèi)側(cè)腔壁壁面22b的延長(zhǎng)線形成夾角θ，角θ大于或等于角β，Laval噴管結(jié)構(gòu)3發(fā)散部分33的中心軸形成夾角α，Laval噴管3發(fā)散部分33中氣腔2的內(nèi)側(cè)腔壁壁面22b、外側(cè)腔壁壁面21b形成擴(kuò)張角δ，Laval噴管結(jié)構(gòu)3中喉口32的總截面積為бt，發(fā)散部分33的開口端34的總截面積為б e，導(dǎo)流管1的出口端面距離Laval噴管結(jié)構(gòu)3的發(fā)散部分33開口端34的長(zhǎng)度為L(zhǎng)。
本實(shí)用新型利用收斂----發(fā)散型形狀的Laval噴管結(jié)構(gòu)將高壓氣體加速到數(shù)馬赫的超音速度，高速氣流以α角度高速撞擊金屬液流，氣體的能量(動(dòng)能)與液態(tài)金屬充分交換吸收形成極細(xì)的金屬液滴，金屬液滴經(jīng)快速冷凝形成超細(xì)粉末。在霧化過程中，一定角度的高速氣流在導(dǎo)流管頂端前的霧化區(qū)形成一個(gè)負(fù)壓吸動(dòng)區(qū)，可以源源不斷地將液態(tài)金屬液抽吸到導(dǎo)流管頂端的霧化區(qū)，使霧化持續(xù)正常進(jìn)行。擴(kuò)張角δ使氣體離開噴嘴后不致繼續(xù)過分膨脹，超音速氣流在離開噴管時(shí)以穩(wěn)定的層流射向金屬液體。
根據(jù)收斂一發(fā)散型噴管的空氣動(dòng)力學(xué)原理，噴管出口處與喉口處的截面積決定了噴管出口氣流的最大速度。如對(duì)于氮?dú)?，?dāng)бe/бt＝5時(shí)出口處氣體能達(dá)到的最大流速為3.18馬赫。在氣流完全膨脹條件下，霧化器內(nèi)氣體壓力Pa與噴管出口處壓力Pe比值應(yīng)為4.76MPa。Pa/Pe高于此比值時(shí)出口出現(xiàn)膨脹波，Pa/Pe小于此比值時(shí)出現(xiàn)一個(gè)斜激波，氣流邊界方向向中心彎曲，氣流邊界界面上噴管出口壓力Pe和霧化室背壓Pb平衡，即Pe＝Pb。一般，霧化氣體壓力Pa越大，經(jīng)收斂-發(fā)散噴管加速后的氣流速度越高，霧化所得的粉末越細(xì)。但過份地增大噴管的截面積比，提高霧化壓力并不顯著提高氣流速度。如當(dāng)бe/бt≈10時(shí)，出口的最大氣流速度約為4馬赫，而此時(shí)需要的最大霧化壓力約15MPa。相反，當(dāng)出口最大流速為3.5馬赫時(shí)，бe/бt＝6.8時(shí)，Pa/Pe＝7.6。本實(shí)用新型中，бe與бt之比為1∶1～1∶8，采用бe/бt比小于8的噴管參數(shù)，霧化壓力比范圍為4~80，最佳范圍為3~60。喉口32處的總截面積為5mm2~50mm2，氣體出口處34總截面積與喉口32截面積比為8∶1~1.2∶1，霧化噴嘴的最大氣流速度可達(dá)到3.6馬赫，霧化時(shí)所需要的最大霧化腔/氣體出口背壓力比Pa/pe為71倍。一般，氣體出口處的背壓為1~1.3大氣壓，霧化所需的最高壓力為7.1~8.2MPa。霧化氣體流量控制在1.5~25m3/min。
超音速氣流離開噴管后的前進(jìn)過程中，流場(chǎng)中的速度、壓力和密度等參數(shù)的分布具有不連續(xù)的階躍特性。流場(chǎng)中每向前產(chǎn)生一個(gè)激波，氣體的流速減慢，壓力階躍上升，直至氣流變成亞音速的紊流，超音速流場(chǎng)中壓力的階躍特性影響導(dǎo)流管頂端的壓力分布，并對(duì)霧化穩(wěn)定性產(chǎn)生影響。當(dāng)前工藝中霧化常采用一個(gè)低于噴管出口完全膨脹時(shí)的臨界壓力，這種情況下氣流會(huì)在噴管出口處產(chǎn)生一個(gè)斜激波，斜激波的方向與霧化壓力有關(guān)，斜激波界面前后氣流場(chǎng)出現(xiàn)壓力階躍，斜激波作用到導(dǎo)流管頂端平面處，當(dāng)該處壓力大于導(dǎo)流管內(nèi)的壓力時(shí)，氣體向?qū)Я鞴軆?nèi)擴(kuò)散冒泡，阻止金屬液流動(dòng)，并使金屬液流量減少甚至終止霧化，這種狀態(tài)下霧化維持的時(shí)間很短。因此要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)膶?dǎo)流管1的出口端面距離Laval噴管結(jié)構(gòu)3的發(fā)散部分33開口端34的長(zhǎng)度L，使霧化頂面處于一個(gè)穩(wěn)定的壓力范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定霧化，L過長(zhǎng)會(huì)使高速氣流的能量損失很大，其最佳范圍是2～20mm。
噴管發(fā)散段的擴(kuò)張角б也會(huì)影響金屬液的霧化，根據(jù)空氣動(dòng)力學(xué)原理，氣體在擴(kuò)張管內(nèi)膨脹時(shí)管內(nèi)氣體的壓力、密度、流速隨膨脹管的截面積變化，為控制氣流的膨脹速度，必須控制Laval噴管結(jié)構(gòu)3在其發(fā)散部分33開口端34的張角δ。本實(shí)用新型的噴管擴(kuò)張角δ的角度范圍為0°～30°，其最佳擴(kuò)張角為5~30°。擴(kuò)張角過大會(huì)引起氣體過膨脹，導(dǎo)至噴管壁面上壓力過低，液態(tài)金屬會(huì)逆高速氣流方向向噴管內(nèi)倒流、凝固。
Laval噴管結(jié)構(gòu)3中角α影響氣體和液態(tài)金屬的能量交換效率。本實(shí)用新型中的角α的角度范圍為-15°～45°。(在角β取0°，角θ取0°，角δ大于0°時(shí)，角α?xí)蛲鈹U(kuò)張，此時(shí)形成的角度在本說明書中定義為負(fù)角度。)其最佳范圍為-10°～40°。角β及頂端平面外延距離L決定了氣液交匯點(diǎn)在氣流場(chǎng)中的位置壓力，對(duì)超速音速氣流起導(dǎo)向作用，本實(shí)用新型中，角β的角度范圍為0°～45°，其最佳范圍為5°～40°。
本實(shí)施例中角β取30°，角α取40°，角δ取20°，L取4mm，бe與бt之比為5∶1，導(dǎo)流管1的內(nèi)徑4.5mm。將25Kg純鐵，放于該霧化爐的感應(yīng)爐中，系統(tǒng)抽真空，并用90KW的功率將純鐵熔化。純鐵的熔點(diǎn)為1573℃，當(dāng)熔融液體的溫度升至1650℃時(shí)，將金屬液倒入中間包準(zhǔn)備霧化，用4.2Mpa的氣體壓力對(duì)液態(tài)鐵霧化，霧化時(shí)間持續(xù)240秒。將霧化態(tài)粉末在激光粒度儀上測(cè)試，粒度分布如圖4所示，所得的粉末中32wt％小于10μm，60wt％小于20μm。圖5是霧化態(tài)純鐵粉末的顯微形貌。
實(shí)施例2一種Laval噴管喉口32為如圖2所示環(huán)縫結(jié)構(gòu)的高壓氣體霧化噴嘴，角β＝30°，角α＝40°，角δ＝10°，L＝2mm，環(huán)縫截面積為16mm2，бe與бt之比為5∶1，導(dǎo)流管1中心孔徑4.2mm。材料的基本成份為Fe70Ni30，將21Kg純鐵棒、9Kg純鎳板加入霧化爐的MgO坩堝中，霧化系通抽真空，中頻送電90KW、45min，爐料熔化，爐料的熔點(diǎn)約1480℃，待爐溫升到1600℃，將液體倒入中間包準(zhǔn)備霧化。霧化采用3.8Mpa的霧化壓力，氣體為高純氮?dú)?。霧化態(tài)粉末的粒度分布如圖6所示，霧化所得粉末9.2wt％小于10μm，31.2wt％小于20μm，76.3wt％小于40μm。霧化態(tài)粉末的平均粒徑為30.3μm，圖7是霧化態(tài)Fe70Ni30粉末的掃描電鏡形貌。
實(shí)施例3本實(shí)施例中采用噴管喉口32為環(huán)孔結(jié)構(gòu)的噴嘴，由20個(gè)單獨(dú)的環(huán)孔組成。角β＝40°，角α＝30°，角δ＝24°，L＝5mm，бe與бt之比為5∶1，環(huán)孔總截面積為20mm2，導(dǎo)流管1中心孔徑4.5mm。材料的基本成份為FeSi9.6Al5.4。將21.3Kg純鐵、2.4Kg工業(yè)純硅放入霧化爐的坩堝中，霧化系統(tǒng)抽真空，中頻送電70KW，40分鐘，爐料熔化，在保護(hù)氣氛狀態(tài)下加入1.35Kg鋁，待爐溫升到1550℃準(zhǔn)備霧化，霧化壓力4.5MPa，氣體為高純氮?dú)?。霧化態(tài)粉術(shù)的粒度分布如圖8所示，霧化所得粉末的平均粒徑18.8μm，31.6wt％小于10μm，64.9wt％小于20μm。圖9是粉末的掃描電鏡形貌。
實(shí)施例4一種Laval噴管喉口32為如圖2所示環(huán)縫結(jié)構(gòu)的高壓氣體霧化噴嘴，角β＝5°，角α＝0°，角δ＝15°，L＝8mm，環(huán)縫截面積為16mm2，бe與бt之比為3∶1，導(dǎo)流管1中心孔徑4.2mm。材料的基本成份為Cu90Sn10，將27Kg純銅、3Kg純錫加入霧化爐的石墨黏土坩堝中，霧化系通抽真空，中頻送電30KW、30min，爐料熔化，爐料的熔點(diǎn)約850℃，待爐溫升到1000℃，將液體倒入中間包準(zhǔn)備霧化。霧化采用2.5Mpa的霧化壓力，氣體為高純氮?dú)?。霧化所得粉末18.2wt％小于10μm，45.2wt％小于20μm，86.3wt％小于40μm。
實(shí)施例5一種Laval噴管喉口32為如圖2所示環(huán)縫結(jié)構(gòu)的高壓氣體霧化噴嘴，角β＝0°，角α＝-10°，角δ＝15°，L＝5mm，環(huán)縫截面積為16mm2，бe與бt之比為3∶1，導(dǎo)流管1中心孔徑4.2mm。材料的基本成份為Al90Sn10，將10.8Kg純銅、1.2Kg純錫加入霧化爐的石墨黏土坩堝中，霧化系通抽真空，中頻送電30KW、30min，爐料熔化，爐料的熔點(diǎn)約600℃，待爐溫升到700℃，將液體倒入中間包準(zhǔn)備霧化。霧化采用2.5Mpa的霧化壓力，氣體為高純氮?dú)?。霧化所得粉末31.5wt％小于10μm，55.8wt％小于20μm，91.3wt％小于40μm。
權(quán)利要求1.一種高壓氣體霧化噴嘴，它包含有導(dǎo)流管(1)，導(dǎo)流管(1)外設(shè)有環(huán)繞于其周圍的氣腔(2)，氣腔(2)的外側(cè)腔壁(21)的壁面(21a)、(21b)與內(nèi)側(cè)腔壁(22)的壁面(22a)、(22b)在導(dǎo)流管(1)頂端附近形成Laval噴管結(jié)構(gòu)(3)，Laval噴管結(jié)構(gòu)(3)包括收斂部分(31)、喉口(32)、發(fā)散部分(33)，其特征是導(dǎo)流管(1)頂端附近的管壁外側(cè)呈圓錐形(4)，其錐面(41)的延長(zhǎng)線形成夾角β，Laval噴管結(jié)構(gòu)(3)發(fā)散部分(33)中氣腔(2)內(nèi)側(cè)腔壁壁面(22b)的延長(zhǎng)線形成夾角θ，角θ大于或等于角β，角β的角度范圍為0°～45°，Laval噴管結(jié)構(gòu)(3)發(fā)散部分(33)的中心軸形成夾角α，角α為-15°～45°，Laval噴管(3)發(fā)散部分(33)中氣腔(2)的內(nèi)側(cè)腔壁壁面(22b)、外側(cè)腔壁壁面(21b)形成擴(kuò)張角δ，擴(kuò)張角δ的角度范圍為0°～30°。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓氣體霧化噴嘴，其特征是Laval噴管結(jié)構(gòu)(3)喉口(32)部分是環(huán)縫結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種高壓氣體霧化噴嘴，其特征是Laval噴管結(jié)構(gòu)(3)喉口(32)部分是圍繞導(dǎo)流管(1)管壁均勻排列的多個(gè)環(huán)孔結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種高壓氣體霧化噴嘴，其特征是Laval噴管結(jié)構(gòu)(3)中喉口(32)的總截面積為бt，發(fā)散部分(33)的開口端(34)的總截面積為бe，бe與бt之比為1∶1～1∶8。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種高壓氣體霧化噴嘴，其特征是導(dǎo)流管(1)的出口端面距離Laval噴管結(jié)構(gòu)(3)的發(fā)散部分(33)開口端(34)的長(zhǎng)度L為2～20mm。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種用氣體霧化高溫熔融液制取超細(xì)粉末的裝置，特別是高壓氣體霧化噴嘴。它包含有導(dǎo)流管，導(dǎo)流管外設(shè)有氣腔，氣腔的外側(cè)腔壁的壁面與內(nèi)側(cè)腔壁的壁面形成Laval噴管結(jié)構(gòu)，導(dǎo)流管頂端附近的管壁外側(cè)呈圓錐形，其錐面的延長(zhǎng)線形成夾角β，Laval噴管結(jié)構(gòu)發(fā)散部分中氣腔內(nèi)側(cè)腔壁壁面的延長(zhǎng)線形成夾角θ，角θ大于或等于角β，Laval噴管結(jié)構(gòu)發(fā)散部分的中心軸形成夾角α，Laval噴管發(fā)散部分?jǐn)U張角δ。本實(shí)用新型能適用于霧化高熔點(diǎn)熔融材料，并且對(duì)熔融液體的過熱度要求不高。高壓氣體的氣流以極高的動(dòng)能霧化熔融液體制取超細(xì)粉末，不僅能將氣體能量充分利用并保證霧化制粉工藝上的連續(xù)性，而且能使粉末的粒度細(xì)化，提高細(xì)粉的出粉比率。
文檔編號(hào)B22F9/08GK2714160SQ200420023889
公開日2005年8月3日 申請(qǐng)日期2004年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2004年6月18日
發(fā)明者陳新國(guó) 申請(qǐng)人:杭州宇通微粉有限公司