Машина для распыления металлического порошка на воду с размером частиц 100–400 меш.

Порошок, полученный методом вакуумной воздушной атомизации, обладает преимуществами высокой чистоты, низкого содержания кислорода и мелкодисперсного размера частиц. После многолетних непрерывных инноваций и усовершенствований технология вакуумной воздушной атомизации порошков превратилась в основной метод производства высокоэффективных металлических и легированных порошков и стала ведущим фактором, поддерживающим и стимулирующим исследования новых материалов и разработку новых технологий. В данной работе представлены принцип, процесс и оборудование для измельчения порошков методом вакуумной воздушной атомизации, а также проанализированы типы и области применения порошков, полученных этим методом.

Метод распыления — это метод получения порошка, при котором быстро движущаяся жидкость (распыляющая среда) воздействует на жидкий металл или сплав, измельчая его на мелкие капли, которые затем конденсируются в твердый порошок. Распыленные частицы порошка не только имеют точно такой же однородный химический состав, как и данный расплавленный сплав, но и благодаря быстрой кристаллизации измельчают кристаллическую структуру и устраняют макросегрегацию второй фазы. В качестве распыляющей среды обычно используется вода или ультразвук, что называется распылением водой и газовым распылением соответственно. Металлические порошки, полученные методом распыления водой, обладают высокой производительностью и экономичностью, а также высокой скоростью охлаждения, но порошки имеют высокое содержание кислорода и неправильную морфологию, обычно в виде хлопьев. Порошок, полученный методом ультразвукового распыления, имеет малый размер частиц, высокую сферичность и низкое содержание кислорода и стал основным методом получения высокоэффективных сферических металлических и сплавных порошков.

Технология вакуумной плавки с высокотемпературным газовым распылением и измельчением объединяет в себе высоковакуумные технологии, технологии высокотемпературной плавки, а также технологии высокого давления и высокой скорости газа и предназначена для удовлетворения потребностей развития порошковой металлургии, особенно для производства высококачественных сплавов, содержащих порошки активных элементов. Ультразвуковое/газовое распыление и измельчение — это новая технология быстрого затвердевания. Благодаря высокой скорости охлаждения порошок обладает такими характеристиками, как измельчение зерен, однородный состав и высокая растворимость в твердом веществе.

В дополнение к вышеперечисленным преимуществам, металлический порошок, полученный методом вакуумной плавки с газовым распылением под высоким давлением, обладает следующими тремя характеристиками: чистота порошка, низкое содержание кислорода; высокий выход мелкодисперсного порошка; высокая сферичность. Конструкционные или функциональные материалы, изготовленные из этого порошка, имеют множество преимуществ перед традиционными материалами с точки зрения физических и химических свойств. Разработанные порошки включают порошок суперсплава, порошок сплава, полученный методом термонапыления, порошок медного сплава и порошок нержавеющей стали.

1. Процесс и оборудование для вакуумного распыления порошка.

1.1 Процесс измельчения порошка методом вакуумного распыления воздуха

Метод вакуумного распыления с использованием воздуха — это новый тип процесса, разработанный в последние годы в отрасли производства металлических порошков. Он обладает преимуществами, такими как низкая вероятность окисления материалов, быстрое охлаждение металлического порошка и высокая степень автоматизации. Конкретный процесс заключается в том, что после расплавления и рафинирования сплава (металла) в индукционной печи расплавленный металлический порошок заливается в теплоизоляционную таблетку, поступает в направляющую трубу и сопло, а поток расплава распыляется потоком газа под высоким давлением. Распыленный металлический порошок затвердевает и оседает в распылительной башне, попадая в резервуар для сбора порошка.

В процессе газового распыления основными аспектами являются распылительное оборудование, ультразвуковое распыление и поток жидкого металла. В распылительном оборудовании впрыскиваемый ультразвуковой поток ускоряется и взаимодействует с впрыскиваемым потоком жидкого металла, образуя поле потока. В этом поле потока расплавленный металл разрушается, охлаждается и затвердевает, в результате чего получается порошок с определенными характеристиками. Параметры распылительного оборудования включают структуру сопла, структуру катетера, положение катетера и т. д., параметры распыляемого газа и его технологические параметры включают ультразвуковые свойства, давление воздуха на входе, скорость воздуха и т. д., а параметры потока жидкого металла и его технологические параметры включают свойства потока жидкого металла, перегрев, диаметр потока жидкости и т. д. Ультразвуковое распыление позволяет регулировать размер частиц порошка, распределение частиц по размерам и микроструктуру путем регулирования различных параметров и их координации.

1.2 Оборудование для вакуумного распыления воздуха и измельчения

Современное оборудование для вакуумного распыления и измельчения в основном включает в себя зарубежное и отечественное оборудование. Зарубежное оборудование отличается высокой стабильностью и точностью управления, но имеет высокую стоимость, а также высокие затраты на техническое обслуживание и ремонт. Отечественное оборудование имеет низкую стоимость, низкие затраты на техническое обслуживание и удобство в обслуживании. Однако отечественные производители оборудования, как правило, не владеют основными технологиями, такими как распылительные форсунки и процессы распыления. В настоящее время соответствующие зарубежные научно-исследовательские институты и производственные предприятия держат технологии в строгой тайне, и конкретные и промышленные параметры процесса не могут быть получены из соответствующей литературы и патентов. Это приводит к слишком низкому выходу высококачественного порошка, что делает его экономически невыгодным, и является основной причиной, по которой в нашей стране до сих пор не удалось наладить промышленное производство высококачественного порошка, несмотря на наличие множества предприятий по производству аэрозольных порошков и научно-исследовательских центров.

Конструкция ультразвукового распылительного измельчительного устройства включает в себя следующие части: индукционную плавильную печь средней частоты, печь для выдержки, систему распыления, распылительный бак, систему пылеудаления, систему подачи ультразвука, систему водяного охлаждения, систему управления и т. д.

В настоящее время различные исследования в области аэрозолизации в основном сосредоточены на двух аспектах. С одной стороны, изучаются параметры конструкции сопла и характеристики струйного потока. Цель состоит в том, чтобы установить взаимосвязь между полем воздушного потока и конструкцией сопла, чтобы ультразвук достигал скорости на выходе из сопла при малом расходе ультразвука, и обеспечить теоретическую основу для проектирования и обработки сопла. С другой стороны, изучается взаимосвязь между параметрами процесса распыления и свойствами порошка. Цель состоит в изучении влияния параметров процесса распыления на свойства порошка и эффективность распыления в зависимости от конкретного сопла для оптимизации и направления производства порошка. Иными словами, повышение производительности мелкодисперсного порошка и снижение расхода газа являются основными направлениями развития технологии ультразвукового распыления.

1.2.1 Различные типы форсунок для ультразвукового распыления

Распыляемый газ, проходящий через сопло, увеличивает скорость и энергию, эффективно разрушая жидкий металл и подготавливая порошок, соответствующий требованиям. Сопло контролирует поток и характер распыляемой среды и играет решающую роль в уровне эффективности распыления и стабильности процесса распыления, являясь ключевой технологией ультразвукового распыления. На ранних этапах газового распыления обычно использовалась конструкция сопла со свободным падением. Это сопло имеет простую конструкцию, не склонно к засорению, а процесс управления относительно прост, но его эффективность распыления невысока, и оно подходит только для производства порошка с размером частиц 50-300 мкм. Для повышения эффективности распыления позже были разработаны ограничительные или плотно соединенные распылительные сопла. Плотное или ограничительное сопло сокращает дальность полета газа и уменьшает потери кинетической энергии в процессе газового потока, тем самым увеличивая скорость и плотность газового потока, взаимодействующего с металлом, и повышая выход мелкодисперсного порошка.

1.2.1.1 Сопло с кольцевым пазом

Ультразвук под высоким давлением поступает в сопло тангенциально. Затем он выбрасывается с высокой скоростью, образуя вихрь.