一種用於金屬氣體霧化的環孔型超音速噴嘴裝置的製作方法

2023-09-15 14:40:35 3

專利名稱：一種用於金屬氣體霧化的環孔型超音速噴嘴裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及快速凝固氣體霧化金屬熔液製備微細粉末的噴嘴，特別是包括一種氣 流噴管的超音速氣體霧化噴嘴。
背景技術：
在製備金屬粉末行業中，氣體霧化技術被廣泛採用。由於其具有高的冷卻速度
(104°C/ sec~106°C/sec)和過冷度，因此通過氣霧化製備超細球形金屬粉體具有很 多引人注目的特性，例如，粉末通過快速凝固氣霧化可以有效地減少合金成分的偏析， 獲得微觀組織細小、成份均勻的合金粉末。此外。通過控制冷凝速率可以獲得具有非 晶、準晶、微晶或過飽和固溶體等非平衡組織的粉末。可廣泛應用於航空航天、電子 信息、人造金剛石合成用觸媒粉末，熱噴塗、能源電力及冶金機械等領域。
氣霧化的基本原理是用一高速氣流擊碎金屬液流，在液態金屬不斷被擊碎成細小 液滴時，高速氣體的動能轉變為金屬液滴增大總表面積的表面能。霧化氣流常採用互 成角度的射流方式來霧化金屬液流，霧化噴嘴典型的結構有自由降落式和限制式或緊 耦合式兩種。自由降落式噴嘴霧化制粉時，金屬熔體自導流嘴流出，要經過一段距離 才能與氣體射流發生作用。而緊耦合式噴嘴是熔體從導流嘴流出很短距離即開始霧化。 因此緊耦合式噴嘴的能量利用率高，並能產生相對穩定的液流，粉末的粒度較細。
為了預測霧化後形成粉體直徑， 一些研究者在大量實驗的基礎上得到了一些經驗 公式，其中Lubanska公式(載於Journal of Metals, 1970， 45頁)被認為是最準確和 適用範圍最廣的。Lubanska公式如下，
《=d。是
^乂
式中，『g = (Av):A^Q表示韋伯數，pm表示液態金屬的密度，C^表示表面張力， AV表示液態金屬和^流之間的相對速度，do表示金屬液流的直徑；dm表示粉體的平 均粒徑，k是由特定噴嘴決定的經驗常數(40 50)， Vm和Vg分別代表金屬液流和氣體
射流的速度，M和A分別表示金屬和霧化氣體的質量流量。由Lubanska公式可以看 出金屬液流和氣體射流的速度在整個霧化過程中起到重要作用，相對速度Av越大， 則霧化粉體的平均粒徑越小。因此提高氣體速度或高的韋伯數可得到細的粉體。為了得到高速氣流，噴管的造型必須是先收縮後擴張，否則即使上下遊壓強差再 大也不可能在管道內部產生超音速氣流。那些以為把流管截面儘量縮小就可以得到超
音速氣流了，結果是失敗的。美國的J.Ting等發明的超音速霧化噴嘴(US Patent N.6142382),利用收縮-擴張型(Laval)噴管得到了超音速氣流，見圖3。中國的陳新 國利用同樣的方法發明了一種高壓氣體霧化噴嘴(CN2714160Y)，見圖4。但是這兩 種噴嘴的噴管大都採用了簡單加工工藝的結構，氣流噴管的收縮段和喉部大多為直線 型型線，即收縮段為圓錐形。I.E.Anderson等指出此類型噴嘴的氣腔產生的氣流流量 不是很穩定(Materials science and engineering A, 326 (2002)101-109)。由空氣動力學分 析可以知道，這種結構產生的氣流到達喉部並非均勻一致，紊流度大，流場中存在激 波，導致氣體的能量損失。而根據超音速噴管的設計要求，到達喉部的音速流必須是 均勻的。

發明內容
本發明的目的在於根據現有技術中存在的問題對其進行改進，以便能得到一種氣 流均勻一致，紊流度小，流場中不存在激波的超音速氣霧化噴嘴，滿足快速凝固金屬氣 霧化的技術要求，製備的金屬粉末達到粒度小，粒徑分布窄的目的。
為達到上述目的，本發明提出的技術方案為 一種用於金屬氣體霧化的環孔型超 音速噴嘴，它包含連接外部氣瓶的進氣管，進氣管與噴嘴環形氣腔相連，噴嘴中心有 一中心孔，氣腔下方腔壁上均勻分布著多個超音速氣體噴管，它包含有穩定段AB、 收縮段BC、喉部CD和擴散段DEF。整個噴管的橫截面為圓形，其型面是由噴管中 ABCDEF曲線繞噴管軸線旋轉所得到的一個流線型曲面。其中氣體噴管中心線的延長 線與中心孔軸線形成夾角a，角01的範圍為-45°~45°。
穩定段線段AB是一段平行於噴管軸線的直線。穩定段截面直徑為dp軸向長度
為Lp L,與d,之比為1: 1 1: 8，最佳值為1: 1 1: 4。穩定段直徑與d2之比為1: 1 10: 1，最佳值為2: 1~6: 1。
噴管收縮段BC為曲線，B點截面直徑等於dP C點直徑為喉部直徑d2。收縮段 的軸向長度為L2， L2與d,之比為1: 5~4: 1，最佳值為l: 2 3: 1。
噴管喉部CD型線為一段圓弧。其中圓弧直徑d3與d2之比為1: 1~15: 1，常用 值為3: 1~10: 1。
擴散段DEF的型線是由直線DE加一段曲線EF組成的，其直線段傾斜角是由氣 流的最大膨脹角p，或者說是由設計馬赫數M決定的。其中直線傾斜角的範圍是0° 60°，F點噴管直徑d4與d2之比為1: 1~8: 1。曲線EF是根據空氣動力學理論，
由特徵線法得出的曲線。'
本設計的氣霧化噴管克服了前面所述的缺點，採用了平滑曲線代替了直線型面， 使氣流到達喉部時，得到了均勻一致，紊流度小，流場中不存在激波的氣體。
所述的穩定段理論上越長，來流越均勻。穩定段直徑d,加大，可以提高收縮段的 收縮比，因而降低氣流的紊流度。但是實際上會受到噴管的直徑和加工的難易程度等 條件限制。
所述的收縮段在氣霧化噴管中起到的作用是加速氣流，同時保證氣流達到喉部時
氣流均勻且穩定。收縮段的設計方法有多種，這裡採用的經驗方法是BumowuhckuO公式。
所述的喉部是氣流從亞音速轉變為超音速的過渡段，若要在喉部得到一近似直線 的音速線，必須使喉部處的噴管型線有很大的曲率半徑，不使氣流有彎曲運動。
通過調整出口截面與喉部截面的直徑比(d4:d3)，可得到相應的氣流馬赫數。提高 噴嘴氣腔的壓強，可以改變噴管出口的馬赫數。當氣腔內壓強超過設計壓強時，噴管 出口產生膨脹波，氣流穿過膨脹波進一步加速。
工作時，由於噴管的內部型線(ABCDEF)是流線型，完全按照可以減少氣流由 於壁面產生的普朗特-邁耶波，或者各種激波，降低能量損失和紊流度。
本發明與已有技術相比具有如下優點
1、 增加了穩定段，使氣流速度分布均勻，導直氣流方向，使各點氣流方向均平行 於氣霧化噴管軸線方向，減少氣流的紊流度；
2、 收縮段改為平滑的曲線設計，可以使穩定段來的氣流均勻加速至音速；
3、 整個噴管完全按照空氣動力學理論設計，減少產生普朗特-邁耶波或者各種激波 的機率，降低能量損失和紊流度；
4、 節約材料，降低成本。按照這種設計，氣霧化噴嘴的氣腔中壓強較小，耗氣量 減小，並且噴管出口的馬赫數可以控制，進而可以控制快速凝固氣霧化過程中粉 體的粒度分布。滿足在氣霧化過程中的性能要求，可以獲得高的細粉出粉率，粒 度分布範圍較窄。


圖1為本發明的氣霧化噴嘴中噴管示意圖。
圖中l為氣腔，2為中心孔，3為噴管，4為進氣管。圖2為本發明氣體噴管示意圖。
圖中AB為穩定段，BC為收縮段，CD為喉部，DEF為擴散段。 圖3為美國專利US6，142，382金屬氣霧化噴嘴示意圖。
圖中5為噴嘴，6為導流嘴，7為噴管收縮段，8為噴管擴散段，9為噴管喉部 圖4為中國專利CN 2714160Y高壓氣霧化噴嘴示意圖。 圖中IO為噴嘴，ll為噴管收縮段，12為噴管喉部，13為噴管擴散段。 圖5為實施例1中金屬粉體的粒度分布曲線。 圖6為實施例1中金屬粉體的SEM照片。 圖7為實施例1中金屬粉體的SEM照片。
具體實施例方式
實施例1:
本實施例中，FeNi30合金熔液以1650。C的溫度從導流嘴中流出。Laval型氣體噴 管的喉部直徑d2與出口直徑d4之比為1: 1.7，穩定段L,與c^之比為1: 1,穩定段直
徑d,與d2之比為4: 1，收縮段的長度L2與(^之比為8: 3，噴管喉部d3與d2之比為
8: 1。角a為11°，角p為11.7°。霧化氣體為氮氣，霧化壓力為2.6MPa，霧化室內 壓力為0.1 MPa。金屬粉體的粒度分布曲線如圖5所示，金屬粉體的SEM照片如圖6、 7所示。做出的粉末所達到的平均顆粒直徑為13.1021nm， 40wtM小於11.4014pm， 70wt。/。小於17.2511pm， 90wt。/。小於25.6048|iim。
實施例2:
材料為MMnCo合金熔液以1450°C的溫度從一導流嘴噴出，導流嘴內徑為4.0mm。 Laval型氣體噴管的喉部直徑(12與出口直徑d4之比為1: 2.5，穩定段"與dt之比為1:
2，穩定段直徑d,與d2之比為4: 1，收縮段的長度L2與(^之比為1: 1，噴管喉部(13
與(12之比為8: 1。角a為ir，角(3為20。。霧化氣體為氮氣，霧化壓力為3.5MPa， 霧化室內壓力為O.l MPa。霧化所得粉末50wtn/。小於10.5jxm， 80wt。/。小於17.05pm， 平均顆粒直徑為12.06pm。
實施例3:
本實施例中，Laval型氣體噴管的喉部直徑4與出口直徑cU之比為1: 2，穩定段
!^與山之比為1: 2，穩定段直徑d!與d2之比為5: 1，收縮段的長度L2與D、之比為 1: 1，噴管喉部d3與d2之比為8: 1。角Ot為ir，角卩為11T。霧化氣體為氬氣，
霧化壓力為UMPa，霧化室內壓力為O.l MPa。A120SnlCu合金熔液霧化溫度為74(TC。霧化所得粉末50wt。/。小於27.7pm， 80wt。/。小於40.24pm，平均顆粒直徑為30.05pm。
權利要求
1、一種用於金屬氣體霧化的環孔型超音速噴嘴裝置，它包含連接外部氣瓶的進氣管(4)，進氣管與噴嘴環形氣腔(1)相連，噴嘴中心有一中心孔(2)，氣腔下方腔壁上均勻分布著多個超音速氣體噴管(3)，它包含有穩定段、收縮段、喉部和擴散段，其中氣體噴管中心線的延長線與中心孔軸線形成夾角α，所述的穩定段線段AB是一段平行於噴管軸線的直線，所述的噴管收縮段BC為收縮式的曲線，所述的噴管喉部CD型線為一段圓弧，所述的擴散段DEF型線是由直線DE加一段曲線EF組成的，整個噴管的橫截面為圓形，其型面是由噴管中ABCDEF曲線繞噴管軸線旋轉所得到的一個流線型曲面。
2、 根據權利要求1所述的一種用於金屬氣體霧化的環孔型超音速噴嘴裝置，其特 徵在於氣體噴管中心線的延長線與中心孔軸線形成夾角a為-45°~45° 。
3、 根據權利要求1或2所述的一種用於金屬氣體霧化的環孔型超音速噴嘴裝置， 其特徵在於穩定段AB的軸向長度L,與截面直徑d,之比為1: 1 1: 8，直徑d,與4之比為1: 1 10: 1。
4、 根據權利要求3所述的一種用於金屬氣體霧化的環孔型超音速噴嘴裝置，其特徵在於穩定段AB的軸向長度L,與截面直徑d,之比為1: 1 1: 4。
5、 根據權利要求1或2所述的一種用於金屬氣體霧化的環孔型超音速噴嘴裝置，其特徵在於收縮段曲線BC的軸向長度L2與B點截面直徑d,之比為1: 5~4: 1, 直徑d,與d2之比為2: 1~6: 1。
6、 根據權利要求5所述的一種用於金屬氣體霧化的環孔型超音速噴嘴裝置，其特徵在於收縮段曲線BC的軸向長度L2與B點截面直徑d，之比為1: 2~3: 1。
7、 根據權利要求1或2所述的一種用於金屬氣體霧化的環孔型超音速噴嘴裝置，其特徵在於噴管喉部CD型線曲率直徑d3與喉部直徑d2之比為1: 1~15: 1。
8、 根據權利要求1所述的一種用於金屬氣體霧化的環孔型超音速噴嘴裝置，其特徵在於擴散段DEF段型線中直線部分傾斜角p的範圍是0°~60° ， F點噴管直徑d4與4之比為1: 1 8: 1。
全文摘要
本發明提供一種用於金屬氣體霧化的環孔型超音速噴嘴裝置，它包含連接外部氣瓶的進氣管(4)，進氣管與噴嘴環形氣腔(1)相連，噴嘴中心有一中心孔(2)，氣腔下方腔壁上均勻分布著多個超音速氣體噴管(3)，它包含有穩定段、收縮段、喉部和擴散段，氣體噴管中心線的延長線與中心孔軸線形成夾角α。穩定段線段AB是一段平行於噴管軸線的直線，噴管收縮段BC為收縮式的曲線，噴管喉部CD型線為一段圓弧，擴散段DEF的段型線是由直線DE加一段曲線EF組成的，整個噴管的橫截面為圓形，其型面是由噴管中ABCDEF曲線繞噴管軸線旋所得到的一個流線型曲面。本發明的優點是它是一種氣流均勻一致，紊流度小，流場中不存在激波的超音速氣霧化噴嘴，可滿足快速凝固金屬氣霧化的技術要求，製備的金屬粉末達到粒度小，粒徑分布窄的目的。
文檔編號B05B1/34GK101406862SQ20071017583
公開日2009年4月15日 申請日期2007年10月12日 優先權日2007年10月12日
發明者駿 徐, 朱學新, 趙新明 申請人:北京有色金屬研究總院