熔体过热度对雾化过程的影响

1、熔体过热度对雾化过程的影响艹吕海波母育锋李新军陈凡(中南工业大学粉末冶金研究所, 长沙, 410083)摘 要 研究了熔体过热度对雾化制粉工艺过程的影响. 结果表明, 在限制式的喷嘴结构中, 金属熔体的过热度对雾化过程能否顺利进行有着重要的作用. 在较低的过热度 ( t< 130 ) 时, 熔体会在导液管中凝固或在 导液管末端形成倒锥形的粘结块, 致使熔体滞流或反喷; 当过热度 t> 150 时, 熔体的流动不再受过热度的影响, 随着过热度的增加, 粉末的球化程度增大, 平均粒度减小.关键词 粉末冶金; 雾化; 过热度; 熔体中图法分类号 T F 123. 2在限制式喷嘴结构中,

2、由于采用了金属熔体与气体射流的紧密耦流动形式, 导液管末端存在 巨大的温度梯度和压力梯度, 因此, 需要对雾化各 参数有较为全面的了解和精细的控制, 以获得理 想的粉末, 否则, 只能得到较差的雾化结果, 甚至会出现“堵嘴”、“滞流”及“反喷”等现象, 使雾化过 程中止. 本文着重考察了熔体过热度对雾化过程 及粉末特性的影响.1实验雾化系统由一个高6 m 、内径0. 6 m 的用不锈钢做成的雾化筒、粉末收集器、旋风收尘器及雾化 喷嘴所组成, 喷嘴为限制式环孔结构. 使用的雾化介质为高压瓶装氮气, 雾化压力设定为1. 0 M P a,用带自动控温装置的电阻炉将金属锡 ( 5 k g炉)在石墨坩埚

3、中加热到设计温度后, 调整气体压力 稳定后进行雾化 ( 图1) , 导液管的伸出长度为1. 4mm , 其未端负压为- 0. 014 M P a ( 无熔体流动时 测得) , 用秒表记录雾化所用的时间, 金属的流率以收得的粉末重量计算, 将收得的粉末送质检中 心分析.图 1 雾化设备示意图吸作用, 使得导液管附近出现了一个负压区, 这样自导液管流出的熔体会首先沿导液管的径向铺展膜化1, 2, 然后在导液管的边缘被高速气流冲击而2 结果与讨论粉碎成液滴 (如图2所示) , 液滴在随后的飞行过程中进一步破碎冷却成固体粉末. 由于熔体与气体 间存在剧烈的换热过程, 当熔体温度 t 低时 (过热 度

4、t < 1 2 8 ) , 液膜 会 首 先 凝 固 在 导 液 管 末 端2. 1过热度对熔体流动的影响在限制式的喷嘴结构中, 由于高速气流的卷收稿日期 1997201223第一作者 吕海波, 男, 64岁, 教授, 博士生导师中南工业大学学报150第28卷减小, 但 12r13 减小的程度比 12 的大 ( 见表2) ,所 以 粉 末 的 粒 度 变 细, 这 种 趋 势 尤 其 是 在 试 验1006P 和1125P 中表现明显.出 口 的 平 面 上, 随 着 熔 体的不断流下和高速气流的 冲 刷, 形 成 一 个 底 面 直 径与 导 液 管 外 径 相 近、高 度近似于熔体出

5、口至气体射 流 焦 点 处 的 倒 锥 体 ( 见 图3 ) , 这 时 气 流 间 的 相 互 作用 加 强, 使 得 焦 点 处 的 压图 2 雾化的破碎机制力呈很大的正压, 部分气体通过导液管向坩埚内熔体温度较高时 ( t流 动, 从而形成“反喷”现象.> 148 , 表1) , 在所有试验中金属熔体的流动速率基本保持不变, 雾化结束后, 其导液管末端留有 一薄层的锡膜, 说明熔体在破碎前的膜化过程是存在的.图 3 金属在导液管末端的粘结图 4 粉末的表面形貌 SEM表 1 实验条件和结果金属流率k grm in - 1d 50 0 m实验编号t t1004A1006A1006P1

6、125P1209A1209P320360380420490520881281481882582881. 060. 990. 970. 9827. 820. 515. 514. 9 1203A 560 328 1. 02 13. 9 0d 50为粉末平均粒度图 5 粉末的粒度分布曲线2. 2过热度对粉末形貌、粒度大小及分布的影响熔体的温度除保证熔体的顺利流动外, 它还 可以通过改变熔体的特性而影响粉末的形貌、粒 度大小及分布. 试验结果表明, 随过热度的增大, 粉 末由不规则的哑铃状、棒形变为球形 ( 图4) , 粉末的平均粒度逐渐减小 ( 图5). M ille r 等3 研究认 为, 粉末的

7、平均粒度与熔体表面张力 的平方根、粘度 的立方根成正比, 而与熔体的密度 的平 方根成反比, 即 d 50 = k 12r13r- 12 , 式中 k 为常数, 与熔体特性外的其他雾化参数有关. 随着温度的 提 高 ( 过 热 度 增 大 ) , 熔 体 的 , , 均 相 应 地如前所述, 粉末的形成过程由熔体的膜化液膜初始破碎成液滴液滴的二次破碎和冷凝等 三个阶段组成, 只有那些在一次破碎后仍呈液体 状态且粒度大于二次破碎颗粒临界值2 的颗粒才 能在飞行过程中被破碎细化, 然后在表面张力的作用下由不规则状趋于球形. 熔体在148 和188的过热度时, 二次破碎后形成的液滴在进行二 次破碎前

8、就已经凝固, 不能被进一步细化, 也没有 充裕的时间进行球化, 所以粉末的粒度比较大, 形状 多为哑铃状和棒形 ( 图4a, 4b ). 当温度很高 ( t> 258 ) 时 , 雾 化 过 程 进 行 比 较 彻 底 , 尽 管第2期吕海波等: 熔体过热度对雾化过程的影响151表 2 熔体特性变化表 d 50 m 4密度 k grm - 36表面张力 mNrm - 1粘度 P ars5 过热度 t计算值实测值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表面张力减小, 但颗粒的凝固时间相对延长, 颗粒还是可以成球形的 (如图4c 4e).参考文献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

10、s. M a te r ia lSc ience and T ech no lo gy, 1987, 3 ( 12) : 1029 1039U na l A. L iqu id b reak 2up in ga s a tom iza t io n o f f ine a lum in ium pow de r s. M e ta llu rg ica l T ran sac t io n s B , 1989, 20B ( 1) : 61 69U p adh yay R A , Sp ec il H S. In te lligen t p ro ce ssing fo r m e ta l

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13、结构制取锡粉的过程中, 熔体的过热度对雾化过程能否正常进行、能否获得理 想的粉末有重要的影响. 过热度在88 和128 时, 熔体会在导液管内部和末端凝固而引起滞流 或反喷; 粉末的粒度随过热度的增大而减小, 形状逐渐由哑铃状、棒形趋于球形, 选取高的过热度( t> 258 ) 条件有利于获得微细、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