熔體過熱度對霧化過程的影響

1、熔體過熱度對霧化過程的影響艸呂海波母育鋒李新軍陳凡(中南工業(yè)大學(xué)粉末冶金研究所, 長沙, 410083)摘 要 研究了熔體過熱度對霧化制粉工藝過程的影響. 結(jié)果表明, 在限制式的噴嘴結(jié)構(gòu)中, 金屬熔體的過熱度對霧化過程能否順利進(jìn)行有著重要的作用. 在較低的過熱度 ( t< 130 ) 時, 熔體會在導(dǎo)液管中凝固或在 導(dǎo)液管末端形成倒錐形的粘結(jié)塊, 致使熔體滯流或反噴; 當(dāng)過熱度 t> 150 時, 熔體的流動不再受過熱度的影響, 隨著過熱度的增加, 粉末的球化程度增大, 平均粒度減小.關(guān)鍵詞 粉末冶金; 霧化; 過熱度; 熔體中圖法分類號 T F 123. 2在限制式噴嘴結(jié)構(gòu)中,

2、由于采用了金屬熔體與氣體射流的緊密耦流動形式, 導(dǎo)液管末端存在 巨大的溫度梯度和壓力梯度, 因此, 需要對霧化各 參數(shù)有較為全面的了解和精細(xì)的控制, 以獲得理 想的粉末, 否則, 只能得到較差的霧化結(jié)果, 甚至?xí)霈F(xiàn)“堵嘴”、“滯流”及“反噴”等現(xiàn)象, 使霧化過 程中止. 本文著重考察了熔體過熱度對霧化過程 及粉末特性的影響.1實驗霧化系統(tǒng)由一個高6 m 、內(nèi)徑0. 6 m 的用不銹鋼做成的霧化筒、粉末收集器、旋風(fēng)收塵器及霧化 噴嘴所組成, 噴嘴為限制式環(huán)孔結(jié)構(gòu). 使用的霧化介質(zhì)為高壓瓶裝氮氣, 霧化壓力設(shè)定為1. 0 M P a,用帶自動控溫裝置的電阻爐將金屬錫 ( 5 k g爐)在石墨坩堝

3、中加熱到設(shè)計溫度后, 調(diào)整氣體壓力 穩(wěn)定后進(jìn)行霧化 ( 圖1) , 導(dǎo)液管的伸出長度為1. 4mm , 其未端負(fù)壓為- 0. 014 M P a ( 無熔體流動時 測得) , 用秒表記錄霧化所用的時間, 金屬的流率以收得的粉末重量計算, 將收得的粉末送質(zhì)檢中 心分析.圖 1 霧化設(shè)備示意圖吸作用, 使得導(dǎo)液管附近出現(xiàn)了一個負(fù)壓區(qū), 這樣自導(dǎo)液管流出的熔體會首先沿導(dǎo)液管的徑向鋪展膜化1, 2, 然后在導(dǎo)液管的邊緣被高速氣流沖擊而2 結(jié)果與討論粉碎成液滴 (如圖2所示) , 液滴在隨后的飛行過程中進(jìn)一步破碎冷卻成固體粉末. 由于熔體與氣體 間存在劇烈的換熱過程, 當(dāng)熔體溫度 t 低時 (過熱 度

4、t < 1 2 8 ) , 液膜 會 首 先 凝 固 在 導(dǎo) 液 管 末 端2. 1過熱度對熔體流動的影響在限制式的噴嘴結(jié)構(gòu)中, 由于高速氣流的卷收稿日期 1997201223第一作者 呂海波, 男, 64歲, 教授, 博士生導(dǎo)師中南工業(yè)大學(xué)學(xué)報150第28卷減小, 但 12r13 減小的程度比 12 的大 ( 見表2) ,所 以 粉 末 的 粒 度 變 細(xì), 這 種 趨 勢 尤 其 是 在 試 驗1006P 和1125P 中表現(xiàn)明顯.出 口 的 平 面 上, 隨 著 熔 體的不斷流下和高速氣流的 沖 刷, 形 成 一 個 底 面 直 徑與 導(dǎo) 液 管 外 徑 相 近、高 度近似于熔體出

5、口至氣體射 流 焦 點 處 的 倒 錐 體 ( 見 圖3 ) , 這 時 氣 流 間 的 相 互 作用 加 強, 使 得 焦 點 處 的 壓圖 2 霧化的破碎機制力呈很大的正壓, 部分氣體通過導(dǎo)液管向坩堝內(nèi)熔體溫度較高時 ( t流 動, 從而形成“反噴”現(xiàn)象.> 148 , 表1) , 在所有試驗中金屬熔體的流動速率基本保持不變, 霧化結(jié)束后, 其導(dǎo)液管末端留有 一薄層的錫膜, 說明熔體在破碎前的膜化過程是存在的.圖 3 金屬在導(dǎo)液管末端的粘結(jié)圖 4 粉末的表面形貌 SEM表 1 實驗條件和結(jié)果金屬流率k grm in - 1d 50 0 m實驗編號t t1004A1006A1006P1

6、125P1209A1209P320360380420490520881281481882582881. 060. 990. 970. 9827. 820. 515. 514. 9 1203A 560 328 1. 02 13. 9 0d 50為粉末平均粒度圖 5 粉末的粒度分布曲線2. 2過熱度對粉末形貌、粒度大小及分布的影響熔體的溫度除保證熔體的順利流動外, 它還 可以通過改變?nèi)垠w的特性而影響粉末的形貌、粒 度大小及分布. 試驗結(jié)果表明, 隨過熱度的增大, 粉 末由不規(guī)則的啞鈴狀、棒形變?yōu)榍蛐?( 圖4) , 粉末的平均粒度逐漸減小 ( 圖5). M ille r 等3 研究認(rèn) 為, 粉末的

7、平均粒度與熔體表面張力 的平方根、粘度 的立方根成正比, 而與熔體的密度 的平 方根成反比, 即 d 50 = k 12r13r- 12 , 式中 k 為常數(shù), 與熔體特性外的其他霧化參數(shù)有關(guān). 隨著溫度的 提 高 ( 過 熱 度 增 大 ) , 熔 體 的 , , 均 相 應(yīng) 地如前所述, 粉末的形成過程由熔體的膜化液膜初始破碎成液滴液滴的二次破碎和冷凝等 三個階段組成, 只有那些在一次破碎后仍呈液體 狀態(tài)且粒度大于二次破碎顆粒臨界值2 的顆粒才 能在飛行過程中被破碎細(xì)化, 然后在表面張力的作用下由不規(guī)則狀趨于球形. 熔體在148 和188的過熱度時, 二次破碎后形成的液滴在進(jìn)行二 次破碎前

8、就已經(jīng)凝固, 不能被進(jìn)一步細(xì)化, 也沒有 充裕的時間進(jìn)行球化, 所以粉末的粒度比較大, 形狀 多為啞鈴狀和棒形 ( 圖4a, 4b ). 當(dāng)溫度很高 ( t> 258 ) 時 , 霧 化 過 程 進(jìn) 行 比 較 徹 底 , 盡 管第2期呂海波等: 熔體過熱度對霧化過程的影響151表 2 熔體特性變化表 d 50 m 4密度 k grm - 36表面張力 mNrm - 1粘度 P ars5 過熱度 t計算值實測值1481882582883286889. 726865. 326822. 626804. 326779. 820. 0014501001350. 001200. 001200. 0

9、0110567. 35562. 39553. 71549. 99545. 0732. 48 k31. 63 k30. 27 k30. 21 k29. 27 k27. 820. 515. 514. 913. 9表面張力減小, 但顆粒的凝固時間相對延長, 顆粒還是可以成球形的 (如圖4c 4e).參考文獻(xiàn)1U na l A. E ffec t o f p ro ce ssing va r iab le s o n p a r t ic le size in ga sa tom iza t io n o f rap id ly so lid if ied a lum in ium pow de r

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13、結(jié)構(gòu)制取錫粉的過程中, 熔體的過熱度對霧化過程能否正常進(jìn)行、能否獲得理 想的粉末有重要的影響. 過熱度在88 和128 時, 熔體會在導(dǎo)液管內(nèi)部和末端凝固而引起滯流 或反噴; 粉末的粒度隨過熱度的增大而減小, 形狀逐漸由啞鈴狀、棒形趨于球形, 選取高的過熱度( t> 258 ) 條件有利于獲得微細(xì)、球形粉末.456IN FLU ENC ES O F M EL T S U P ERHEA T O N A TOM IZA T IO N P RO C EDUR EL u H a ibo M u Y uf en g L i X inj u n C h en P en g(R e sea rch

14、In st itu te o f Pow de r M e ta llu rgy, C en t ra l So u th U n ive r sity o fT ech no lo gy, C h ang sh a, 410083, C h ina)A B ST RA C TT h e in f lu en ce o f m e lt sup e rh ea t o n ga s a tom iza t io n p ro ce ss is stu d ied in th is p ap e r. R e su lt s show th a t a t low e r sup e rh ea t, m e lt w ill so lid ify in th e gu ide tu b e o r b u ild up a t th e tu b e t ip , w h ich lead s th e m e lt upw a rd s o r f lu id2stop in stead o f a tom iza t io n. Pow de r s b ecom e f in e