技术领域
[0001] 本
发明属于粉末
冶金技术领域，尤其是涉及一种气雾化制备金属粉末快速冷却方法及装置。
背景技术
[0002] 气雾化制备的金属粉末具有球形度高、流动性好、
氧含量低等诸多优点。经过多年的发展与完善，气雾化制粉技术已发展为生产高性能金属及
合金粉末的主要方法，进而成为支持和推动新材料研究及发展的重要手段。其基本原理是利用高速气流将液态金属
粉碎成小液滴并最终
凝固成粉末，气雾化技术的核心是控制气体对金属液体的作用过程，使高速气流的
动能最大程度地转化为金属粉末的表面能，并使粉末在后续的飞行过程中凝固冷却。目前，随着金属3D打印技术的蓬勃发展，其赖以使用的金属粉末原材料的制备越来越受到重视，这也进一步推动了气雾化制粉技术的发展和应用。
[0003] 目前的气雾化制粉技术，存在气体
能量转换效率较低的共性技术难题。即使是当前公认的雾化效率最高的紧耦合气雾化制粉技术，其气体能量转换效率也不足30％。因此，金属熔体雾
化成细小液滴后的凝固冷却缓慢，直接导致气雾化制粉技术在工业生产应用中面临粉末冷却慢，难以及时出粉筛分
包装、生产效率相对较低的不足，且粉末冷却缓慢相对增加了氧化的
风险，也直接带来粉末氧含量偏高的产品
质量等问题，尤其是随着
增材制造对金属粉末的氧含量、流动性、球形度的要求比传统
粉末冶金领域更高，使得当前对气雾化制粉技术的要求越来越高。
[0004] 因此，为有效的满足当前增材制造领域对高端金属粉末的需求，保障我国金属增材制造产业的健康发展，必须开展气雾化制粉技术研发，进一步提升气雾化制粉技术的能量转换效率，因此在技术研发方面的重点一直集中于喷盘设计和雾化工艺参数优化两个方面，对于实现粉末快速冷却，提升生产效率和粉末品质方面的关注度不足。另一方面，开发出能实现粉末快速冷却、及时出粉的工业级气雾化制粉技术及装置对于当下工业生产而言迫在眉睫。
[0005] 中国
专利CN109759599A介绍了一种可降低卫星粉的金属粉末制备装置，包括熔炼室、雾化室、雾化下锥、旋风分离器、集粉装置、除尘装置、风机及引风机，所述熔炼室设于所述雾化室上方并与所述雾化室相通，所述雾化室下端连接所述雾化下锥，所述雾化下锥与所述旋风分离器通过管道相通，所述旋风分离器的一端连接集粉装置，另一端插设有两路分支管道，其中一路分支管道为
回流管道且连接至所述雾化室的上端，另一分支管道连接至所述除尘布袋下端，所述除尘装置的上端通过管道与所述风机相连，所述引风机设于所述回流管道上。
[0006] 在传统的气雾化技术中，为实现粉末的冷却，一般在雾化过程中采用高压高流量雾化气体来快速冷却粉末，而这种传统的大流量冷却方式主要存在两个问题：(1)雾化气体出口与金属液流距离接近，气体
接触钢液后会被快速加热，在随后的粉末与气体共同飞行过程中，粉末和气体的温差相对较少，导致气体冷却效果差；(2)大流量雾化相对而言成本高，但雾化效率及冷却能
力却未明显提升，导致气体资源浪费，不经济。
发明内容
[0007] 本发明的目的就是为了解决当前工业应用中存在的气雾化制粉技术不能实现粉末快速冷却、快速出粉等实际问题而提出一种气雾化制备金属粉末快速冷却方法及装置，本发明可以提升当前国内气雾化制粉的生产效率及提升粉末品质。
[0008] 基于上述背景技术的现状，本发明基于实际分析，提出在雾化下锥引入外部气流辅助冷却的思路，并通过设计简单实用的结构来实现上述思路。
[0009] 本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
[0010] 一种气雾化制备金属粉末快速冷却的装置，包括熔炼室、雾化室、雾化下锥、旋风分离器、集粉装置、除尘装置及风机，所述熔炼室设于雾化室上方并与雾化室相通，所述雾化室的下端连接雾化下锥，雾化下锥与旋风分离器通过管道相通，旋风分离器的一端连接集粉装置，另一端通过管路连接至除尘布装置下端，除尘装置的上端通过管道与风机相连，所述雾化下锥的底部设置有三通管件，三通管件的上
接口连接雾化下锥，三通管件的右侧接口通过斜管与旋风分离器相通，三通管件的左侧连接外加辅助冷却气流管道。
[0011] 所述三通管件的左侧通过圆板、
法兰连接外加辅助冷却气流管道，所述三通管件的左侧与圆板之间密封连接，所述圆板与法兰密封连接，所述法兰与外加辅助冷却气流管道之间密封连接，所述圆板与法兰之间形成空腔，所述外加辅助冷却气流管道与空腔之间相通，所述圆板上设有用于实现空腔与三通管件内部相通的圆孔。
[0012] 所述圆板上的圆孔开设在圆板的下半圆上。
[0013] 所述圆板上的圆孔的个数为18-30个，所述圆板上的圆孔的直径为2-10mm。
[0014] 所述圆板上的圆孔均匀排布成与圆板圆心同心的一段圆弧。
[0015] 所述外加辅助冷却气流管道上设置有流量控制
阀，可根据不同金属材料的凝固冷却特性选取不同的外加气体流量，从而实现冷却效率和生产成本的最优化组合。
[0016] 一种气雾化制备金属粉末快速冷却的方法，基于所述的装置，利用外加辅助冷却气流管道引入外加高速气流来辅助雾化下锥后段飞行的金属粉末的冷却，有效实现粉末的快速冷却和快速飞行，便于提高气雾化生产效率。具体而言，利用外加辅助冷却气流管道引入外加高速气流，外加气流在气腔中稳定后经过圆板部分的小孔
加速后从小孔进入三通内部，在三通后段的管道中与飞行的粉末相遇，实现对金属粉末的冷却和加速。
[0017] 外加辅助冷却气流管道压力为0.5MPa，调节气体流量5m3/min。
[0018] 与
现有技术相比，本发明利用外加辅助气流，并通过巧妙的结构设计，实现外加气流的加速后进入雾化粉末飞行通道，实现对金属粉末的加速冷却功效。本发明相对于当前的现有技术，尤其是工业生产现有技术，最突出的特点为在不明显增大生产成本的条件下，可以实现粉末生产实时冷却、快速出粉、防止粉末氧化、提升粉末品质等四大优点。
附图说明
[0019] 图1为气雾化制备金属粉末快速冷却的装置结构示意图；
[0020] 图2为圆板结构示意图(左为剖视图，右为主视图)；
[0021] 图3为法兰、圆板、管道组合形成的气腔结构示意图。
具体实施方式
[0022] 下面结合附图和具体
实施例对本发明进行详细说明。
[0023] 实施例
[0024] 参考图1-图3，一种气雾化制备金属粉末快速冷却的装置，包括熔炼室1、雾化室2、雾化下锥3、旋风分离器4、集粉装置5、除尘装置6及风机7，所述熔炼室1设于雾化室2上方并与雾化室2相通，所述雾化室2的下端连接雾化下锥3，雾化下锥3与旋风分离器4通过管道相通，旋风分离器4的一端连接集粉装置5，另一端通过管路连接至除尘布装置6下端，除尘装置6的上端通过管道与风机7相连，所述雾化下锥3的底部设置有三通管件8，三通管件8的上接口连接雾化下锥3，三通管件8的右侧接口通过斜管与旋风分离器4相通，三通管件8的左侧连接外加辅助冷却气流管道9。
[0025] 其中，所述三通管件8的左侧通过圆板10、法兰11连接外加辅助冷却气流管道9，所述三通管件8的左侧与圆板10之间密封连接，所述圆板10与法兰11密封连接，所述法兰11与外加辅助冷却气流管道9之间密封连接，所述圆板10与法兰11之间形成空腔12，所述外加辅助冷却气流管道9与空腔12之间相通，所述圆板10上设有用于实现空腔12与三通管件8内部相通的圆孔13。
[0026] 所述圆板10上的圆孔13开设在圆板10的下半圆上。所述圆板10上的圆孔13的个数为18-30个，所述圆板10上的圆孔13的直径为2-10mm。所述圆板10上的圆孔13均匀排布成与圆板10圆心同心的一段圆弧。
[0027] 所述外加辅助冷却气流管道9上设置有流量
控制阀，可根据不同金属材料的凝固冷却特性选取不同的外加气体流量，从而实现冷却效率和生产成本的最优化组合。
[0028] 一种气雾化制备金属粉末快速冷却的方法，基于所述的装置，利用外加辅助冷却气流管道9引入外加高速气流来辅助雾化下锥后段飞行的金属粉末的冷却，有效实现粉末的快速冷却和快速飞行，便于提高气雾化生产效率。具体而言，利用外加辅助冷却气流管道9引入外加高速气流，外加气流在气腔中稳定后经过圆板部分的小孔加速后从小孔进入三通内部，在三通后段的管道中与飞行的粉末相遇，实现对金属粉末的冷却和加速。
[0029] 实施例2
[0030] 采用实施例1的装置制备增材制造用316L
不锈钢粉末，具体过程为：采用92公斤316L圆棒在
真空度为1Pa的状态下进行感应熔炼，当红外测温测得钢液
温度为1640℃时向整个设备中充填氩气，当系统压力为100kPa时开启风机，在风机的抽吸作用下，当系统压力为92kPa开始浇注雾化，雾化压力采用4MPa。
[0031] 优选地，外加气流管道直径为25mm，圆板半径为76mm，且在圆板下半圆半径58mm处的圆周上均匀分布有20个直径为5mm的小圆孔。
[0032] 优选地，外加气流管道压力约为0.5MPa，调节气体流量5m3/min。
[0033] 雾化完成后，采用温度
传感器测试金属粉末内部温度，约为30℃，实现了粉末的快速冷却，出粉后实测氧含量为214ppm。
[0034] 实施例3
[0035] 采用实施例1的装置制备增材制造用18Ni300模具钢粉末，具体过程为：采用90公斤18Ni300圆棒在真空度为3Pa的状态下进行感应熔炼，当红外测温测得钢液温度为1670℃时向整个设备中充填氩气，当系统压力为100kPa时开启风机，在风机的抽吸作用下，当系统压力为92kPa开始浇注雾化，雾化压力采用3.8MPa。
[0036] 优选地，外加气流管道直径为25mm，圆板半径为76mm，且在圆板下半圆半径58mm处的圆周上均匀分布有20个直径为5mm的小圆孔。
[0037] 优选地，外加气流管道压力约为0.5MPa，调节气体流量5m3/min。
[0038] 雾化完成后，采用温度传感器测试金属粉末内部温度，约为54℃，实现了粉末的快速冷却，出粉后实测氧含量为178ppm。
[0039] 表1普通雾化和外加气流辅助冷却后的雾化结果对比
[0040]
[0041] 上述的对实施例的描述是为便于该技术领域的普通技术人员能理解和使用发明。熟悉本领域技术的人员显然可以容易地对这些实施例做出各种
修改，并把在此说明的一般原理应用到其他实施例中而不必经过创造性的劳动。因此，本发明不限于上述实施例，本领域技术人员根据本发明的揭示，不脱离本发明范畴所做出的改进和修改都应该在本发明的保护范围之内。
