本發(fā)明涉及一種等離子體霧化系統(tǒng)，具體涉及一種新型的等離子體霧化制備球型粉末系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

隨著增材制造技術(shù)(亦稱為3d打印)、金屬注射成形(mim)、熱噴涂等技術(shù)的快速發(fā)展，市場上對金屬粉末，特別是高質(zhì)量的球型金屬粉末的需求日漸增加。市場需求的金屬粉末種類包括鈦、鎳、鉬、鈷、銅、鐵、鋁、不銹鋼等金屬及其合金粉末。

目前制備金屬粉末的常用工藝有機械合金化法、熱還原法、熔融電解法和霧化法等。其中霧化法是制備球型金屬粉末的主要工藝，目前國內(nèi)常用的霧化法分有電極感應(yīng)氣體霧化法(eiga)和等離子體旋轉(zhuǎn)電極霧化法(prep)。

eiga技術(shù)采用無坩堝技術(shù)，原料金屬被加工成棒狀直接放置于感應(yīng)線圈中加熱熔化，這種設(shè)計避免了熔化過程中金屬與坩堝的接觸，避免了污染，從而保持霧化粉末的純凈度，加熱速率快、工藝簡單、設(shè)備清洗方便等。但是目前eiga技術(shù)還存在諸多問題：感應(yīng)線圈限制感應(yīng)電極原料棒材的直徑，大直徑電極要求更高的感應(yīng)加熱電源和感應(yīng)線圈，成本較高；為保證電極穩(wěn)定停留與線圈中，垂直送料速度和電極自轉(zhuǎn)速度如何配合也是一個復(fù)雜的問題，問題仍需解決；電極感應(yīng)加熱熔化后流入氣霧化噴嘴，金屬液滴應(yīng)保持穩(wěn)定持續(xù)的流態(tài)而不間斷，實際霧化過程中會出現(xiàn)液滴狀，或者電極未完全熔化而斷裂掉入導(dǎo)流管中，從而造成阻塞。eiga感應(yīng)電極原料棒材的直徑受限于感應(yīng)線圈、熔融金屬液難以保證穩(wěn)定流入氣霧化噴嘴、收粉率較低，平均粒徑約為80um。

prep法是將金屬或合金制成自耗電極，自耗電極端部在同軸等離子體電弧加熱源的作用下熔化形成液膜，液膜在旋轉(zhuǎn)離心力的作用下被高速甩出形成液滴，熔融液滴與霧化室內(nèi)氬氣摩擦，在切應(yīng)力作用下進一步破碎，隨后熔滴在表面張力的作用下快速冷卻凝固成球形粉末。采用prep制備的粉末具有表面清潔、球形度高、流動性好、低含氧量、粒度分布窄等優(yōu)勢。但是prep工藝受限于電極棒大幅提速后導(dǎo)致的密封、振動等相關(guān)技術(shù)瓶頸，且電極棒是定長的無法保證霧化連續(xù)性、霧化效率低、電極高速轉(zhuǎn)動容易磨損轉(zhuǎn)軸、制得粉末粒徑較大、平均粒徑約為150um。而3d打印、金屬注射成形等技術(shù)對細粒徑粉體的要求均在45um以下，采用該法難以低成本制備符合要求的細粒徑粉體。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對上述背景，為生產(chǎn)出純凈度高、粒徑范圍廣、平均粒徑小(約為40um)、收粉率較高、霧化效率高、球形度好的球型金屬粉末，本發(fā)明設(shè)計出一種新型的等離子體霧化制備球型粉末系統(tǒng)，適用于制備不同種類的球型金屬(如鈦、鎳、鉬、鈷、銅、鐵、鋁、不銹鋼等)及其合金粉末，或者陶瓷球型粉末。

本發(fā)明提供一種新型的等離子體霧化制備球型粉末系統(tǒng)，包括進料裝置、等離子體炬、霧化塔、真空泵和供氣裝置，真空泵與供氣裝置分別連接霧化塔，所述供氣裝置提供惰性氣體；還包括粉末篩分裝置，所述霧化塔出料口連接粉末篩分裝置；所述等離子體炬有一個或多個安裝于霧化塔頂部；所述霧化塔包括內(nèi)壁和外壁，內(nèi)壁、外壁之間具有空間形成水冷夾層。

原料可選用不規(guī)則粉體狀、絲狀或棒狀金屬、合金或陶瓷材料，原料被高溫高速的多股等離子體射流聚合焦點中加熱熔化同時被重整球化或霧化，在惰性保護氣中充分球化凝固成粉。本發(fā)明設(shè)計中，可使用一個或多個等離子體炬，并可選用多種類型的等離子體炬，等離子體炬功率根據(jù)處理量和工藝需求為30-100kw，通過多股互成角度射流聚集焦點，利用高速高溫射流對原料進行熔化的同時沖擊破碎熔融態(tài)原料，克服熔融態(tài)物料原子間的鍵合力并使之霧化成為球型粉末。原料在高溫等離子體射流下獲得充足的過熱溫度，使得原料在霧化紊流階段粘度降低，有效促進球型粉末的形成及降低粉末粒徑，提高霧化效率。上述進料裝置、等離子體炬、真空泵、供氣裝置等為現(xiàn)有技術(shù)。

上述等離子體霧化制備球形粉末系統(tǒng)還包括旋風(fēng)分離器，所述旋風(fēng)分離器的入口連接霧化塔下部，其底部顆粒排放口連接粉末篩分裝置。通過設(shè)置旋風(fēng)分離器，對霧化塔內(nèi)的惰性保護氣及超細小粉末進行抽吸和收集，從而有效避免此類超細小粉末在霧化塔中回流至上端霧化區(qū)域粘結(jié)其他未完全冷卻凝固球化粉體，造成“衛(wèi)星球”影響粉體球形度。

進一步地，還包括氣體循環(huán)系統(tǒng)，由依次串聯(lián)的過濾器、惰性氣體回收罐和氣體壓縮罐組成，所述過濾器連接旋風(fēng)分離器的出風(fēng)口，所述氣體壓縮罐連接霧化塔上部。霧化塔中的惰性保護氣體通過旋風(fēng)分離器被抽吸后，經(jīng)過過濾器、惰性氣體回收罐和氣體壓縮罐重新回收至霧化塔可供再次使用，惰性氣體回收利用率達到50％-60％。

供氣裝置提供的惰性氣體為氬氣、氮氣或氦氣。由于惰性氣體不間斷通入霧化塔中，除了對霧化或球化的粉體進行保護以外，還能對破碎熔融態(tài)進行進一步?jīng)_擊，加速熔融態(tài)的固化。

進料裝置還包括矯直器和套管，用于棒材或絲材原料進料，所述矯直器連通套管，套管插入霧化塔頂部，并通過法蘭與密封片密封固定，所述套管的出口正對等離子體炬的射流中心。本裝置可適應(yīng)不同規(guī)格粉體狀、絲狀或棒狀的金屬、合金或陶瓷材料的進料。進料裝置進料口可根據(jù)絲材或棒材的直徑需求調(diào)整尺寸，并配有套管引導(dǎo)進料。不規(guī)則粉體狀原料通過等離子體炬工作載氣送入霧化塔內(nèi)；絲材原料先后通過矯直器和套管送入霧化塔內(nèi)，棒材原料直接通過套管進料，絲材或棒材原料與霧化塔的進料口密封設(shè)計。

進一步地，上述套管優(yōu)選耐高溫的剛玉套管引導(dǎo)進料。

當(dāng)進料量較小時，可選用單個雙流等離子體炬，雙射流等離子體炬的兩股等離子體射流從左右兩端的陰陽電極發(fā)射出并匯集于中間焦點處，能量集中，為霧化提高熱能。

進一步地，所述等離子體炬為并列安裝的兩個，該等離子體為雙射流等離子體炬或三相交流等離子體炬。當(dāng)進料量較大時，可安裝兩個雙流等離子體炬安裝，此時，四股等離子體射流從電極發(fā)射出并匯集于中間焦點處，不同外形狀態(tài)的原料通過等離子體炬中間處導(dǎo)入至射流焦點處同時進行熔化或霧化，并進入下一個階段凝固球化；射流焦點可通過調(diào)控工作載氣質(zhì)量流量大小以控制霧化焦點位置，以便制備球形粉末時的霧化工藝優(yōu)化。

另外，等離子體炬也可安裝三個或多個，為層流等離子體炬，并配備等離子體炬位置調(diào)節(jié)裝置，使所有層流等離子體炬的射流集中于同一焦點；所述位置調(diào)節(jié)裝置包括球形密封活接頭、連桿、套桿和液壓傳動裝置，等離子體炬通過球形密封活接頭安裝于霧化塔上，其尾部連接液壓傳動裝置，套桿豎直固定與霧化塔上，液壓傳動裝置、連桿、套桿依次鉸接。通過套桿、連桿和液壓傳動裝置相結(jié)合以調(diào)整等離子體炬的插入深度、與進料軸線夾角、距離，有利于優(yōu)化工藝和提升處理量。通過調(diào)整等離子體炬位置，從而調(diào)整三股或多股等離子體射流的匯聚焦點位置。層流等離子體炬射流在軸線上長度可調(diào)可控，調(diào)整弧電流和氣流量，控制精度高，并且能量集中，本裝置使得多股射流有效集中于同一焦點中，為霧化提供高能熱量，無需使用拉法爾(laval)噴管以協(xié)助提高射流速度。

上述等離子體炬提供的等離子體射流的溫度為3000-20000k，速度為300-2000m/s。

進一步地，上述水冷夾層設(shè)有螺旋型水冷導(dǎo)槽，控制霧化塔的壁溫低于50℃。通過水冷夾層對霧化塔主體進行冷卻散熱，確保霧化物料獲得較高的冷卻速率，提高細粉收粉數(shù)量和球形度。為了防止水冷夾層產(chǎn)生銹垢，保持穩(wěn)定的導(dǎo)熱性，上述水冷夾層中通入流動的去離子水。

所述霧化塔主體采用分段式設(shè)計，通過法蘭密封連接，可根據(jù)處理量增減容量，各段配有樣品收集處、觀察窗、溫度測定點和壓力測點，便于更好的操作調(diào)節(jié)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于：

(1)配備一個或多個等離子體炬，通過多股互成角度射流聚集焦點，利用高溫高速射流對原料進行熔化的同時沖擊熔融態(tài)原料，有效降低粉末的粒徑，可選用不同類型的等離子體炬。

(2)通過水冷夾層對霧化主體進行冷卻散熱，使霧化物料獲得較高的冷卻速率，提高細粉收粉數(shù)量；

(3)通過設(shè)置旋風(fēng)分離器，有效避免此類超細小粉末在霧化塔中回流至上端霧化區(qū)域粘結(jié)其他未完全冷卻凝固球化粉體，提高粉體的球形度；

(4)對惰性氣體的循環(huán)利用，節(jié)約資源，減少成本。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實施例1結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本發(fā)明實施例2結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明霧化塔頂部進料口及套管結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明等離子體炬位置調(diào)節(jié)裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖中標記：

1.進料裝置，1-0.絲材或棒材，1-1.剛玉套管，1-2.法蘭，1-3.密封片，2.矯直器，3.雙射流等離子體炬，3-1.層流等離子體炬，4.霧化塔，4-1.水冷夾層，5.真空泵，6.粉末篩分裝置，7.旋風(fēng)分離器，8.過濾器，9.惰性氣體回收罐，10.氣體壓縮罐，11.供氣裝置，12.等離子體炬位置調(diào)節(jié)裝置，12-1.球形密封活接頭，12-2.液壓傳動裝置，12-3.連桿，12-4套桿。

具體實施方式

為了更好地理解本發(fā)明，下面結(jié)合實施例對本發(fā)明進行進一步的闡明。

實施例1

如圖1，本實施例中的等離子體霧化制備球型粉末系統(tǒng)包括進料裝置1、雙射流等離子體炬3、霧化塔4、真空泵5、供氣裝置11、旋風(fēng)分離器7，過濾器8、惰性氣體回收罐9和氣體壓縮罐10，霧化塔4采用銹鋼鋼板焊接而成，焊接處采用扎箍固定，霧化塔4主體采用分段式設(shè)計，通過法蘭密封連接，可按處理量需求增減容量，各段配有樣品收集、觀察窗裝置、溫度測定和壓力測點。霧化塔包括內(nèi)壁和外壁，所述內(nèi)壁、外壁之間具有空間形成水冷夾層4-1，水冷夾層設(shè)有螺旋型水冷導(dǎo)槽，并設(shè)有進水口和出水口，水冷夾層中通去離子水，控制霧化塔的壁溫低于50℃。真空泵5與供氣裝置11分別連接霧化塔4，真空泵5用于霧化塔、管道等的抽真空，供氣裝置11對霧化塔提供惰性氣體；旋風(fēng)分離器7的入口連接霧化塔4，其底部顆粒排放口連接粉末篩分裝置6。過濾器連接旋風(fēng)分離器的出風(fēng)口，過濾裝置、惰性氣體回收罐和氣體壓縮罐依次串聯(lián)，氣體壓縮罐連接霧化塔上部。

工作時，真空泵5對霧化塔4抽真空，關(guān)閉真空泵5；開啟供氣裝置11、進料裝置1、旋風(fēng)分離器7和粉末篩分裝置6，水冷夾層中通入去離子水。原料經(jīng)等離子體炬，兩股等離子體射流從陰陽電極發(fā)射出并匯集與中間焦點處，被高溫高速加熱熔化，同時被沖擊破碎，原料液滴在霧化塔內(nèi)冷卻凝固球化，得球形粉末，惰性氣體對這一過程進行保護。在重力、表面張力以及惰性氣體的沖擊作用下，球形粉末下降霧化塔底部，粉末通過霧化塔底部出料口進入粉末篩分裝置，通過多級震動篩分，被劃分為不同粒徑分布范圍的球形粉末。

惰性氣體采用氬氣，氬氣先后經(jīng)旋風(fēng)分離器、過濾器、惰性氣體回收罐、氣體壓縮罐，重新進入到霧化器中，旋風(fēng)分離器中收得的粉末通入粉末篩分裝置。通過通入惰性氣體保護裝置內(nèi)霧化粉體，一方面是通過工作載氣進入霧化器中，另一方面是在霧化完成后，氣體過濾循環(huán)后再次利用并充滿霧化器中再進行粉體保護，實現(xiàn)對惰性氣體進行循環(huán)使用。

實施例2

本實施例是在實施例1的基礎(chǔ)上做出的改進，如圖2，等離子體炬選用三個層流等離子體炬3-1，安裝在霧化塔4頂部，并配備等離子體炬位置調(diào)節(jié)裝置12。等離子體炬位置調(diào)節(jié)裝置如圖4所示，位置調(diào)節(jié)裝置包括球形密封活接頭12-1、連桿12-3、套桿12-4和液壓傳動裝置12-2，等離子體炬通過球形密封活接頭12-1安裝于霧化塔4上，其尾部連接液壓傳動裝置12-2，套桿12-4豎直固定與霧化塔上，并套住剛玉套管1-1，液壓傳動裝置12-2、連桿12-3、套桿12-4依次鉸接。通過裝置中的套桿12-4、連桿12-3和液壓傳動裝置12-2等相結(jié)合以調(diào)整等離子體炬的插入深度、與進料軸線夾角、距離，從而調(diào)整三股等離子體射流的匯聚焦點位置；層流等離子體炬射流在軸線上長度可調(diào)控，調(diào)整弧電流和氣流量，可使得多股射流有效集中于同一焦點中，能量集中，為霧化提供高能熱源；不同形狀的原料通過載氣或霧化塔頂部中心處的進料口被導(dǎo)入至射流焦點處，同時進行熔化和霧化，并進入下一階段進行凝固球化。

本實施例還對進料裝置進行改進，該進料裝置還包括矯直器2和剛玉套管1-1，用于棒材或絲材原料進料，所述矯直器2連通剛玉套管1-1，剛玉套管1-1插入霧化塔4頂部，并通過法蘭1-2與密封片1-3密封固定，所述剛玉套管1-1的出口正對等離子體炬3-1的射流中心。本裝置可適應(yīng)不同規(guī)格粉體狀、絲狀或棒狀的金屬、合金或陶瓷材料的進料。絲材經(jīng)矯直器2矯直送入剛玉套管，從剛玉套管1-1中出來的絲材到達層流等離子體炬的射流焦點處，被高溫高速加熱熔化，同時被沖擊破碎，原料液滴在霧化塔內(nèi)冷卻凝固球化，得球形粉末。

上述實施例僅僅是較佳的實施例，并非對實施方式的限定。對于所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在上述說明的基礎(chǔ)上還可以做出其它不同形式的變化或變動。凡依本發(fā)明申請專利范圍的內(nèi)容所作的等效變化與修飾，都應(yīng)作為本發(fā)明的技術(shù)范疇。