一種氣體霧化制粉設備及其制粉方法

一種氣體霧化制粉設備及其制粉方法
【專利摘要】本發明公開了一種氣體霧化制粉設備及其制粉方法，其屬于金屬粉末制造技術領域，制粉設備的原料倉內設有放置金屬絲料盤的旋轉托架；熔煉室與原料倉相連通，內設有感應線圈和將旋轉托架上的金屬絲導引進入感應線圈中心上方的送絲機；霧化器與熔煉室相連，該霧化器中霧化噴嘴的上端開口朝向感應線圈；霧化塔和旋風分離器相互連接，霧化塔的頂部與霧化器相連；真空系統與霧化塔相連。上述制粉設備及其制粉方法采用金屬絲代替棒狀原料，提高了霧化氣體的利用率以及生產效率，降低了氣體霧化制造金屬粉末的成本；小規格的液滴有利于獲得更高的過熱度，從而提高了霧化粉末中細粉含量。
【專利說明】
_種氣體霧化制粉設備及其制粉方法
技術領域
[0001]本發明涉及金屬粉末制造技術領域，尤其涉及一種氣體霧化制粉設備及其制粉方法。
【背景技術】
[0002]球形金屬粉末由于具有良好的流動性、穩定的松裝密度等優點，因而成為金屬3D打印、表面熔覆、噴涂、金屬注射成型等領域的必備原料和耗材。采用氣體霧化技術制造球形金屬粉成為工業上普遍使用的方法之一，尤其對于鈦、鋯及其合金的球形金屬粉末制造領域更是如此。目前普遍采用的技術是用高頻錐形線圈、無坩禍感應加熱方式熔化原料棒，形成連續或半連續液滴，再利用高壓氣體通過氣體霧化噴嘴制造球形金屬及合金粉末。
[0003]通過上述工藝制造球形鈦粉的過程存在下述缺點:
[0004]原料棒重量小，工藝過程不連續，高壓霧化氣體利用率低，霧化粉末成本高。上述工藝采用直徑20?100mm，長度200?100mm的圓棒為原料，單根重量在數百克到數十公斤之間。而每根原料棒霧化完成后需更換原料棒，這一過程包括:上提夾頭、封閉加料倉、更換原料棒、抽真空、充氣、新料棒下降等一系列過程。在此期間為保障霧化工藝狀態的穩定性，必須維持噴嘴處霧化氣體的供應，也就是說，在此期間有大量的高壓霧化氣體消耗而并無粉末產出。這一過程的操作時間隨原料棒長度增大而延長，氣體耗費量也急劇增大。通常，霧化氣體用于噴粉的有效工作比例在20%?60%之間，霧化氣體的空吹大大增加了氣體霧化粉末制造成本，直接造成了氣體霧化粉末成本居高不下。而單純增大原料棒直徑或長度也會造成設備的體積和能耗大幅度增加，從而大大增加了設備造價及對場地要求，經濟性差。
[0005]熔化的金屬液滴體積較大、過熱度有限，獲得的霧化粉末粒度難以進一步細化。原料棒在高頻感應線圈加熱下逐步熔化，熔融的金屬液滴在重力作用下從原料棒下部的尖端滴落，進入霧化噴嘴，在高壓氣體作用下霧化凝固形成球形金屬粉末。金屬粉末的粒度是由氣體壓力(或霧化氣體速度)和金屬液滴溫度(正比于熔體粘度)共同決定的。壓力越大、氣流越快、霧化力量越大，粉末越細；同樣，金屬液滴的溫度越高、液滴粘度越小，越容易被霧化成更細的金屬粉末。常用的霧化壓力在20?60Bar之間，基于設備安全使用的考慮，霧化壓力不可能無限提升。因此，在一定霧化壓力下，金屬液滴的過熱度就成為影響金屬粉末粒度的重要因素。而當前的氣體霧化設備由于原料棒較大，熔化的金屬液體體積和重量均較大，因此，常常是液滴尚未達到更高的過熱度就在重力作用下掉入霧化噴嘴，因此獲得的金屬粉末粒度較粗。集中表現為收得的粉末中40μπι以下部分含量較低，難以滿足高精度3D打印、金屬粉末注射成型等應用的要求。
[0006]再有，上述工藝制造球形鈦粉的過程還存在的缺陷是，使用昂貴的高壓霧化氣體維持熔煉室和霧化室的壓力差，導致霧化粉末制造成本居高不下。氣體霧化制粉過程中作為動力的高壓霧化氣體是最大的成本源，用于維持熔煉室壓力穩定所充入的高壓霧化氣也造成了一定的氣體浪費，增大了氣體霧化金屬粉末的成本。
[0007]另外，目前技術所用的霧化噴嘴孔徑較大，霧化氣體消耗大。現有霧化噴嘴是根據現有液滴尺寸匹配設計的，中心孔徑常常在15?20mm之間。相同霧化氣體流速下，孔徑越大，霧化氣體流量消耗越大、費用越高，這就大大增加了氣體霧化金屬粉末的成本。

【發明內容】

[0008]本發明的目的在于提供一種氣體霧化制粉設備及其制粉方法，其可連續生產作業，作業效率高，能耗低，生產成本低，作為產品的金屬粉末品質更高。
[0009]為達此目的，本發明采用以下技術方案:。
[0010]一種氣體霧化制粉設備包括:
[0011 ]原料倉，其內設有放置金屬絲料盤的旋轉托架；
[0012]熔煉室，其與所述原料倉相連通，內設有感應線圈和將所述旋轉托架上的金屬絲導引進入所述感應線圈中心上方的送絲機；
[0013]霧化器，其與所述熔煉室相連，該霧化器中霧化噴嘴的上端開口朝向所述感應線圈；
[0014]相互連接的霧化塔和旋風分離器，所述霧化塔的頂部與所述霧化器相連；
[0015]真空系統，其與所述霧化塔相連。
[0016]作為優選，所述氣體霧化制粉設備還包括:
[0017]矯直機，其內置于所述熔煉室內，位于所述送絲機和感應金屬圈之間，供金屬絲穿過。
[0018]作為優選，所述氣體霧化制粉設備還包括:
[0019]粉末收集罐，其與所述旋風分離器的出粉口相連。
[0020]作為優選，所述熔煉室為真空密封的雙層水冷結構，側方開設有觀察窗;所述霧化塔為雙層水冷結構。
[0021]作為優選，所述感應線圈為紫銅材質，單匝或多匝結構，內部設計有截面積不小于4平方毫米的冷卻水道。
[0022]作為優選，所述霧化噴嘴的孔徑為4mm?20mm。
[0023]上述任一項所述的氣體霧化制粉設備，其制粉方法如下:
[0024]a)將金屬絲原料裝入原料倉內的旋轉托架上，送絲機輸送金屬絲至感應線圈上方；
[0025]b)啟動真空系統，排空設備內的空氣至所需真空度；
[0026]c)關閉真空系統，向設備內充入霧化氣體；
[0027]d)啟動霧化器，并向霧化器供應高壓霧化氣體，且維持熔煉室和霧化塔的工作壓力差；
[0028]e)啟動感應線圈，加熱熔化金屬絲，對液滴連續或半連續持續熔化和霧化。
[0029]作為優選，所述氣體霧化制粉設備還包括:
[0030]尾排過濾器；
[0031 ]排氣管，其與所述尾排過濾器相連接；
[0032]內循環風機，其與所述熔煉室和所述排氣管相連。
[0033]上述氣體霧化制粉設備，其制粉方法如下:
[0034]a)將金屬絲原料裝入原料倉內的旋轉托架上，送絲機輸送金屬絲至感應線圈上方；
[0035]b)啟動真空系統，排空設備內的空氣至所需真空度；
[0036]c)關閉真空系統，向設備內充入霧化氣體，并與排氣管的出氣口形成初始壓力差；
[0037]d)啟動霧化器、內循環風機、尾排過濾器，并向霧化器供應高壓霧化氣體，且維持熔煉室和霧化塔的工作壓力差；
[0038]e)啟動感應線圈，加熱熔化金屬絲，對液滴連續或半連續持續熔化和霧化。
[0039 ] 作為優選，所述步驟a)中送絲機輸送金屬絲的速度為lmm/s?1000mm/s ；
[0040] 所述步驟b)中的真空度為0.001Pa?500Pa;
[0041 ] 所述步驟c)中的初始壓力差為10Pa?lOOOOOPa;
[0042]所述步驟d)中的工作壓力差為10Pa?lOOOOOPa。
[0043]本發明所提供的氣體霧化制粉設備及其制粉方法，其帶來了如下技術效果:
[0044]1.采用金屬絲代替棒狀原料，消除了頻繁更換原料棒帶來的繁復操作，從而使得原料可以不間斷的連續送絲，大幅度延長了霧化過程的連續工作時間，提高了霧化氣體的利用率以及生產效率，降低了氣體霧化制造金屬粉末的成本；
[0045]2.小規格的液滴有利于獲得更高的過熱度，從而提高了霧化粉末中細粉含量，提升了粉末的品質。
【附圖說明】
[0046]圖1是本發明實施例所提供的氣體霧化制粉設備的示意圖。
[0047]圖中:1_原料倉、101-旋轉托架、2-熔煉室、21-觀察窗、201-感應線圈、202-送絲機、301-霧化噴嘴、4-霧化塔、5-旋風分離器、6-尾排過濾器、7-排氣管、701-排氣閥門、8-內循環風機、9-真空系統、10-矯直機、11-粉末收集罐。
【具體實施方式】
[0048]下面結合附圖并通過【具體實施方式】來進一步說明本發明的技術方案。
[0049]實施例一
[0050]如圖1所示，一種氣體霧化制粉設備，包括原料倉1、熔煉室2、霧化器、霧化塔4、旋風分離器5、和真空系統9。其中，原料倉I為真空密封結構，其內設有放置金屬絲料盤的旋轉托架101。熔煉室2與原料倉I相連通，并與該原料倉I連成一體，二者與外界密封隔離。熔煉室2為真空密封的雙層水冷結構，側方開設有觀察窗21可監控熔化霧化過程，觀察窗21優選石英玻璃制成，并可裝置活動遮光板。
[0051 ]熔煉室2內設有感應線圈201和將旋轉托架上的金屬絲導引進入感應線圈201中心上方的送絲機202，為了確保輸送金屬絲的過程中，金屬絲的位置不發生偏移，使其準確地送到感應線圈201中心上方，于是在送絲機202和感應線圈201之間設置矯直機10。送絲機202可根據需求進行調速，其輸送金屬絲進入矯直機10，矯直后的連續金屬絲正對感應線圈201的中心，由上向下進入感應線圈201。根據連續金屬絲的直徑，可更換不同送絲輪和矯直輪。連續金屬絲直徑在Imm?5mm之間。感應線圈201為紫銅材質，單Bi或多Bi結構，內部設計有截面積不小于4平方毫米的冷卻水道。感應線圈201通過連接法蘭與熔煉室2之外的電源電極相連，并同時連接線圈冷卻水道。冷卻水道與設備外的冷卻系統相連。感應線圈的供電由放置于密封罐體外的高頻電源提供，其工作頻率在10kHz?IMHz之間，最大功率不小于1kW0
[0052]霧化器與熔煉室2相連，該霧化器中霧化噴嘴301的上端開口朝向感應線圈201，為了提升霧化效果，優選地，霧化器中霧化噴嘴301的開口與感應線圈201同軸設置。該霧化器是專為細小液滴或液流設計，霧化噴嘴301的孔徑為4mm?20mm。
[0053]真空系統9，其與霧化塔4相連，用于對設備內部抽真空。霧化塔4為雙層水冷結構，其頂部與霧化器相連，底部通過管道與旋風分離器5的上部連接。為了便于將制成的粉末加以收集，于是，旋風分離器5的出粉口上連有一粉末收集罐11，如此，制成的粉末便可收集在粉末收集罐11內，然后在轉向它處。當然，本領域的技術人員也可用其他容器收集粉末，或者直接在旋風分離器5的出粉口上連接包裝物，收集完粉末后直接打包發貨。
[0054]上述氣體霧化制粉設備，其制粉方法如下:
[0055]a)將金屬絲原料裝入原料倉內的旋轉托架上，并將引出的金屬絲裝入送絲機，調節送絲機輸送金屬絲的速度在lmm/s?1000mm/s時間，輸送金屬絲至感應線圈上方；
[0056]b)啟動冷卻水，關閉熔煉室、霧化塔、旋風分離器的艙門，密封整套設備，啟動真空系統，排空設備內的空氣至所需真空度，該真空度可根據實際情況設置在0.0OlPa?500Pa之間；
[0057]c)關閉真空系統，向設備內充入霧化氣體；
[0058]d)啟動霧化器，并向霧化器供應高壓霧化氣體，且維持熔煉室和霧化塔的工作壓力差，該工作壓力差為10Pa?lOOOOOPa;
[0059]e)啟動感應線圈，加熱熔化金屬絲，并根據熔化情況調節感應線圈功率和輸送金屬絲的速度，對液滴連續或半連續持續熔化和霧化；
[0060]f)待整盤連續金屬絲熔化完成，逐步停止送絲機、感應線圈和霧化氣體供應，從粉末收集罐中獲得霧化金屬粉。
[0061]上述實施例一所提供的氣體霧化制粉設備及其制粉方法，采用金屬絲代替棒狀原料，從而使得原料可以不間斷的連續送絲數十到數百公斤，使得不間斷霧化周期從原先的數十分鐘延長到數十小時甚至數天以上，避免了現有技術數分鐘就需要更換原料棒的情況，充分滿足了生產需求。同時，由于在連續工作周期中，所有時間均用來熔化和霧化制粉，沒有了更換原料所需的停頓空擋期，同時也消除了空檔期大量霧化氣體的無謂消耗，既提升了霧化氣體的利用率。又提高了工作效率，從而可以有效地降低氣體霧化制粉的成本。
[0062]由于采用金屬絲為原料，液滴尺寸縮小，更易獲得更高的過熱度，從而提升了細粉末含量，提尚粉末品質。
[0063]實施例二
[0064]如圖1所示，一種氣體霧化制粉設備，包括原料倉1、熔煉室2、霧化器、霧化塔4、旋風分離器5、尾排過濾器6、排氣管7、內循環風機8和真空系統9。其中，原料倉I為真空密封結構，其內設有放置金屬絲料盤的旋轉托架101。熔煉室2與原料倉I相連通，并與該原料倉I連成一體，二者與外界密封隔離。熔煉室2為真空密封的雙層水冷結構，側方開設有觀察窗21可監控熔化霧化過程，觀察窗21優選石英玻璃制成，并可裝置活動遮光板。
[0065]熔煉室2內設有感應線圈201和將旋轉托架上的金屬絲導引進入感應線圈201中心上方的送絲機202，為了確保輸送金屬絲的過程中，金屬絲的位置不發生偏移，使其準確地送到感應線圈201中心上方，于是在送絲機202和感應線圈201之間設置矯直機10。送絲機202可根據需求進行調速，其輸送金屬絲進入矯直機10，矯直后的連續金屬絲正對感應線圈201的中心，由上向下進入感應線圈201。根據連續金屬絲的直徑，可更換不同送絲輪和矯直輪。連續金屬絲直徑在Imm?5mm之間。感應線圈201為紫銅材質，單Bi或多Bi結構，內部設計有截面積不小于4平方毫米的冷卻水道。感應線圈201通過連接法蘭與熔煉室2之外的電源電極相連，并同時連接線圈冷卻水道。冷卻水道與設備外的冷卻系統相連。感應線圈的供電由放置于密封罐體外的高頻電源提供，其工作頻率在10kHz?IMHz之間，最大功率不小于1kW0
[0066]霧化器與熔煉室2相連，該霧化器中霧化噴嘴301的上端開口朝向感應線圈201，為了提升霧化效果，優選地，霧化器中霧化噴嘴301的開口與感應線圈201同軸設置。該霧化器是專為細小液滴或液流設計，霧化噴嘴301的孔徑為4mm?20mm。
[0067]真空系統9，其與霧化塔4相連，用于對設備內部抽真空。霧化塔4為雙層水冷結構，其頂部與霧化器相連，底部通過管道與旋風分離器5的上部連接。該旋風分離器5的頂部通過管道與尾排過濾器6的下部連接。為了便于將制成的粉末加以收集，于是，旋風分離器5的出粉口上連有一粉末收集罐11，如此，制成的粉末便可收集在粉末收集罐11內，然后在轉向它處。當然，本領域的技術人員也可用其他容器收集粉末，或者直接在旋風分離器5的出粉口上連接包裝物，收集完粉末后直接打包發貨。
[0068]尾排過濾器6的頂部與排氣管7相連，過濾后的氣體可經排氣管7排出。排氣管7上裝有排氣閥門701，在需要排氣時可將此閥門701打開，或者將排氣閥門701選用壓力閥，待排氣管7內的壓力達到某一閾值時，打開壓力閥，將氣體排出。
[0069]內循環風機8通過管道與熔煉室2和排氣管7相連。內循環風機8、排氣管7和排氣閥門701構成了內循環壓力保持系統，用于將部分過濾后的常壓排氣重新增壓返充入熔煉室2，以維持熔煉室2與霧化塔4之間正常工作所需的壓力差。根據工藝需要，內循環風機8可調速，以實現壓力差調控。
[0070]上述氣體霧化制粉設備，其制粉方法如下:
[0071 ] a)將金屬絲原料裝入原料倉內的旋轉托架上，并將引出的金屬絲裝入送絲機，調節送絲機輸送金屬絲的速度在lmm/s?1000mm/s時間，輸送金屬絲至感應線圈上方；
[0072]b)啟動冷卻水，關閉熔煉室、霧化塔、旋風分離器、尾排過濾器的艙門，密封整套設備，啟動真空系統，排空設備內的空氣至所需真空度，該真空度可根據實際情況設置在
0.001?3?500?3之間；
[0073]c)關閉真空系統，向設備內充入霧化氣體，并與排氣管的出氣口形成初始壓力差，該初始壓力差為I OOPa?I OOOOOPa;
[0074]d)啟動霧化器、內循環風機、尾排過濾器，并向霧化器供應高壓霧化氣體，適當調節內循環風機轉速以維持熔煉室和霧化塔的工作壓力差，該工作壓力差為10Pa?lOOOOOPa；
[0075]e)啟動感應線圈，加熱熔化金屬絲，并根據熔化情況調節感應線圈功率和輸送金屬絲的速度，對液滴連續或半連續持續熔化和霧化；
[0076]f)待整盤連續金屬絲熔化完成，逐步停止送絲機、感應線圈和霧化氣體供應，從粉末收集罐中獲得霧化金屬粉。
[0077]上述實施例二所提供的氣體霧化制粉設備及其制粉方法，采用金屬絲代替棒狀原料，從而使得原料可以不間斷的連續送絲數十到數百公斤，使得不間斷霧化周期從原先的數十分鐘延長到數十小時甚至數天以上，避免了現有技術數分鐘就需要更換原料棒的情況，充分滿足了生產需求。同時，由于在連續工作周期中，所有時間均用來熔化和霧化制粉，沒有了更換原料所需的停頓空擋期，同時也消除了空檔期大量霧化氣體的無謂消耗，既了提升了霧化氣體的利用率。又提高了工作效率，從而可以有效地降低氣體霧化制粉的成本。
[0078]由于采用金屬絲為原料，液滴尺寸縮小，更易獲得更高的過熱度，從而提升了細粉末含量，提尚粉末品質。
[0079]采用內循環壓力保持系統以維持熔煉室和霧化塔的壓力差，避免了使用高壓霧化氣這一昂貴的氣源，從而節約了霧化氣體的使用，也降低了粉末制造成本。
[0080]小液滴匹配小通徑霧化器噴嘴，霧化器內徑大幅度縮小，從而使得同等霧化氣流速的要求下霧化氣體耗量可以大幅度減少，這也大大降低了生產成本，使得供氣系統負載減小，整套設備造價更低。
[0081]顯然，本發明的上述實施例僅僅是為了清楚說明本發明所作的舉例，而并非是對本發明的實施方式的限定。對于所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這里無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明權利要求的保護范圍之內。
【主權項】
1.一種氣體霧化制粉設備，其特征在于，包括: 原料倉，其內設有放置金屬絲料盤的旋轉托架； 熔煉室，其與所述原料倉相連通，內設有感應線圈和將所述旋轉托架上的金屬絲導引進入所述感應線圈中心上方的送絲機； 霧化器，其與所述熔煉室相連，該霧化器中霧化噴嘴的上端開口朝向所述感應線圈； 相互連接的霧化塔和旋風分離器，所述霧化塔的頂部與所述霧化器相連； 真空系統，其與所述霧化塔相連。2.根據權利要求1所述的氣體霧化制粉設備，其特征在于，還包括: 尾排過濾器； 排氣管，其與所述尾排過濾器相連接； 內循環風機，其與所述熔煉室和所述排氣管相連。3.根據權利要求1所述的氣體霧化制粉設備，其特征在于，還包括: 矯直機，其內置于所述熔煉室內，位于所述送絲機和感應金屬圈之間，供金屬絲穿過。4.根據權利要求1所述的氣體霧化制粉設備，其特征在于，還包括: 粉末收集罐，其與所述旋風分離器的出粉口相連。5.根據權利要求1所述的氣體霧化制粉設備，其特征在于:所述熔煉室為真空密封的雙層水冷結構，側方開設有觀察窗;所述霧化塔為雙層水冷結構。6.根據權利要求1所述的氣體霧化制粉設備，其特征在于:所述感應線圈為紫銅材質，單匝或多匝結構，內部設計有截面積不小于4平方毫米的冷卻水道。7.根據權利要求1所述的氣體霧化制粉設備，其特征在于:所述霧化噴嘴的孔徑為4mm?20mmo8.根據權利要求1、3至7中任一項所述的氣體霧化制粉設備，其制粉方法如下: a)將金屬絲原料裝入原料倉內的旋轉托架上，送絲機輸送金屬絲至感應線圈上方； b)啟動真空系統，排空設備內的空氣至所需真空度； c)關閉真空系統，向設備內充入霧化氣體； d)啟動霧化器，并向霧化器供應高壓霧化氣體，且維持熔煉室和霧化塔的工作壓力差； e)啟動感應線圈，加熱熔化金屬絲，對液滴連續或半連續持續熔化和霧化。9.根據權利要求2所述的氣體霧化制粉設備，其制粉方法如下: a)將金屬絲原料裝入原料倉內的旋轉托架上，送絲機輸送金屬絲至感應線圈上方； b)啟動真空系統，排空設備內的空氣至所需真空度； c)關閉真空系統，向設備內充入霧化氣體，并與排氣管的出氣口形成初始壓力差； d)啟動霧化器、內循環風機、尾排過濾器，并向霧化器供應高壓霧化氣體，且維持熔煉室和霧化塔的工作壓力差； e)啟動感應線圈，加熱熔化金屬絲，對液滴連續或半連續持續熔化和霧化。10.根據權利要求9所述的制粉方法，其特征在于:所述步驟a)中送絲機輸送金屬絲的速度為1臟/8?1000臟/s ； 所述步驟b)中的真空度為0.001Pa?500Pa; 所述步驟c)中的初始壓力差為10Pa?10000Pa; 所述步驟d)中的工作壓力差為10Pa?lOOOOOPa。
【文檔編號】B22F9/08GK106041107SQ201610700610
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年8月19日
【發明人】趙文天, 趙楓, 馬旭東
【申請人】趙文天, 趙楓