高压水雾化气体保护喷嘴的设计

高压水雾化气体保护喷嘴的① 丁俊年 (中国第 23 冶金建设公司 ,湖南 长沙 410014) 摘　要 : 从国内外研究水雾化制粉的现状入手 ,在综合国内外研究资料的基础上 ,为实现高压水雾化制取不锈钢球形或类球形粉 末 ,设计了一种高压水雾化、低压氮气保护的组合雾化喷嘴。经过试制应用证明 ,喷嘴运行正常 ,粉末基本能实现球形 ,粒径较均 匀 ,使用效果好。 关键词 : 高压水雾化 ; 制粉 ; 氮气保护 ; 喷嘴设计 High Pressure Water2atomizing Nozzles with Protective Gas ———A Design DINGJun2nian ( The 23 th Metallurgical Constructron Corporation , Chang 410014 , Hunan , China) Abstract : The author summarises the present state of atomizing powdering at home and abroad. Based on this , a combination nozzle with high pressure water2atomizing and low pressure nitrogen protection functions is designed to manufacture spherical or quasi2spherical stainless steel powders. From its applications , it is shown that the nozzle operates normally , and powder prod2 ucts are almost spherical and have a uniform particle size. Key words : high pressure water2atomization ; powdering ; nitrogen protection ; nozzle designing 　　 1 　水雾化制粉发展概况 在雾化制粉生产中 ,水雾化法制粉是廉价的生产 方法之一。因为水除了价格低和获取容易之外 ,它还 有极高的纯度 (99198 %)和不可压缩性 ,且实现高压的 能耗最低[1 ] 。在国外 ,20 世纪 60 年代曾形成水雾化制 粉研究的热潮。美国的 A O Smith 公司 20 世纪 50 年 代就用高压水生产不锈钢粉、镍基硬面合金粉和低碳 铁粉等 ;1970 年 ,日本神户制钢 (株式会社) 开始生产 水雾铁粉 ,目前该株式会社铁粉的年销售量已达 118 ×106 t ;70 年代中期 ,日本的大同制钢中央研究所开始 研究水雾化法 316 型不锈钢粉末的压制、烧结、粒度分 布等各种特性[2 ] ;创建于 1968 年的加拿大Quebec 金属 粉末公司 ,是目前世界上唯一一家用钛铁矿制取高纯 高碳铁水或钢水并以之为原料、用水雾化法制取铁粉 与钢粉的厂家 ,年生产能力为 20 万 t ,销往 30 多个国 家和地区 ,是目前全世界第三大钢、铁粉末生产厂[3 ] 。 我国水雾化研究与应用起步较晚 ,上世纪 80 年代 引进了几条水雾化制粉生产线 ,如鞍山钢铁公司的水 雾化制铁粉生产线 ,邯郸埃斯尔雾化粉末有限公司从 英国引进的水雾化制粉生产线 (主要生产不锈钢粉、金 刚石工具用胎体粉、硬面技术用粉以及铁基、镍基磁性 粉末等) 。近 10 年来 ,国内自制高压水雾化制粉生产 线估计增加到近 30 条 ,虽然产量都不是很大 ,但促进 了我国粉末冶金技术和粉末冶金工业的发展。国内已 有用高压水雾化生产纯金属铜、钴、镍等粉末和 30μm 以下注射成型用粉末出售[4 ] 。近几年来水雾化设施的 创新研究有所发展 ,如甘肃工业大学合金粉末厂研制 了一次聚焦环孔喷嘴和二次聚焦环孔喷嘴[5 ] ,对生产 硬面技术用镍基合金粉末的质量提高起到了一定的作 用。北京科技大学研制了在常规水雾化喷嘴的下方附 加一冷却水喷嘴、称组合式二次雾化喷嘴[6 ] ,起到了降 低粉末氧含量和增加粉末外形不规则的作用。 2 　水雾化制粉的原理与工艺特点 2. 1 　水雾化制粉的原理 金属液体的雾化制粉机理十分复杂 ,虽然有许多 问题还在探讨和研究中 ,但经过国内外学者半个世纪 来的研究 ,已建立了一些具有指导性的模型。最具代 表性的数学物理模型有 4 个 :即微扰法、似有理法、量 纲法和能量法等[7～9 ] 。在众多学者看来 ,水雾化 基本遵循气体雾化的机理 ,但又区别于气体雾化。因 为气体雾化是当气体接触金属液流的瞬间靠剪切力 , 第 23 卷第 4 期 2003 年 08 月 矿 　冶 　工 　程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol . 23 №4 August 2003 ① 收稿日期 : 2003203216 　　作者　男　工程师 © 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 首先扰动或振动液体 ,进而将其撕裂成带条状 ,此时称 一次雾化。当撕裂的液滴进入雾化焦点时 ,进一步被 破碎成细小的液体颗粒 (称二次雾化) 。而水雾化是靠 高压水流的冲击力冲击破碎金属液流成粉末的 ,而且 由于水的冷却速度较大 ,有些颗粒在一次雾化还来不 及球化就凝固成了粉末。所以水雾化制取的粉末被认 为是不规则的粉末。 2. 2 　水雾化制粉的工艺特点。 水雾化制粉属于二流雾化制粉工艺 ,其影响因素 是水流和金属液流。 众所周知 ,雾化水流的特点是 : ①水的粘度大 (11009 厘泊) ,是氮气 (010174 厘泊) 的 60 倍[10 ] 。同时 水的密度比气体大 ,因此 ,当速度相同时水雾化的动能 大 ,破碎效率比气体高 ,能获得较细粒度的粉末 ; ②水 的冷却速度大 ,通常可达 104 ～105 KΠs ,有时可达 106 KΠs ,是获得快速凝固的有效方法 ,所以制得的粉末组 织结构微细 ,无偏析 ,甚至可获得亚稳相[1 ] 。此外 ,熔 融金属流的内径对雾化效果的影响也很重要。 2. 3 　实现颗粒球化的理论依据 水雾化粉末的形状主要与水流量、熔体温度、金属 熔点、熔体的表面张力、雾化气氛与雾化夹角等因素有 关 ,它遵循下列关系式[6 ] : t凝固 = [ DPmΠ6 h ] Cpln[ ( Tm - To )Π( Ts - To) ] + HΠ( Ts - To ) (1) 式中 D 为熔滴直径 ; Pm 为金属熔液的密度 ; To 为雾 化介质温度 ; Ts 为凝固温度 ; Tm 为金属的起始温度 ; H 为金属的熔化潜热 ; h 为传热系数 ; Cp 为金属的质 量定压热容。 t球化 = [3π3μΠ4Vб] ( r1 4 - r2 4 ) (2) 式中 r1 为转变成球形后的颗粒半径 ; r2 为转变成球形 前的颗粒半径 ;μ为熔融金属的粘度 ; б为液态金属的 表面张力 ; V 为粉末颗粒的体积。 由上述两式看 ,其共同的可变量是粉末的粒径。 粉末的粒径越大 ,粉末凝固所需要的时间就愈长 ,粉末 得到球化的时间就愈充足。也就是说当 t球化 < t凝固 时 ,金属液滴有充足的球化时间 ,粉末颗粒易形成球 形。但在实际生产中 ,可变因素还很多 ,诸如水的动能 ( E = 12 mv 2 ) 、水的压力 ( V2 = K(1 - p - 0129 ) [5 ] 、喷嘴的 水流出口与金属液流的喷射夹角 ( d平 = C 常数V水 sina ,其中 d平 为粉粒平均粒径、V水 为喷射水速)等因素有关。 上述各种上数学表达式的研究 ,都遵循如图 1 所 示的图示模型。 图 1 　水雾化示意 3 　雾化喷嘴的设计 在用水雾化生产 1Cr18Ni9Ti 合金球形粉时 ,此种 合金的特点是熔点高、相对过冷度大、结晶形核快 ,特 别是合金含有强氧化性元素 Ti ,当合金液滴与水接触 时 ,在其表面很快形成一层不规则的壳 ,并且这层壳具 有足够的抗压强度承受表面张力的作用 ,使粉末颗粒 呈现不规划形状。 要想使这种难以成球形的合金获得球形或近球形 粉末 ,依据前述的球化理论、雾化模型和工艺特点 ,要 对喷嘴进行重新设计。其#设计#为 : (1) 喷嘴的结 构形式为环孔式。(2) 喷嘴能起到在雾化过程中降低 液滴冷却速度的作用。在环孔喷嘴上实现降低冷却速 度有两个办法 ,一是提高雾化水压力 ,因为水压提高其 相对流量减少 ,起到降低冷速的作用 ,但水压提高其相 应流速增大 ,根据平均粒径公式 ,会使粉末变细 ,因为 用户对粉末粒度范围要求很窄 ( - 0. 10～ - 0. 18 mm) , 所以此方案不可取。第二方案是采用相同的压力 ,减 少孔的个数 ,并且在水雾化喷嘴的下方增加一低压气 雾化喷嘴 ,用氮气保护雾化 ,在计算雾化夹角时 ,水雾 化的焦点要处在气雾化焦点之上。根据上述设计思 路 ,设计了水气组合式雾化喷嘴 (图 2) 。 喷嘴设计正确与否 ,首先要检验其雾化介质能否 获得高能量或高速度 ,其次是喷射夹角是否有堵漏包 现象 ,最后是看雾化的粉末是否符合客户的技术要求。 因此应从上述 3 个方面对喷嘴进行试验。 3. 1 　空载试验 水雾化喷嘴夹角是预先设计的 ,一般取值在 42°～ 44°范围 ;气雾化喷嘴夹角为 45°的环缝喷嘴 ,压力预先 86 矿　冶　工　程 第 23 卷 © 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 图 2 　水气组合雾化喷嘴示意 调至 2. 5 MPa ,喷嘴组装好后进行水压试验。水压试 验从 1 MPa 开始 ,缓慢调至 15 MPa ,观察过程中喷嘴运 行正常 ,无水返流 ,说明角度设计合理。 3. 2 　生产应用试验 雾化合金 1Cr18Ni9Ti ,将配好的炉料在 50 kg 中频 感应炉中熔炼 ,待熔炼完全合金化后 ,将钢水温度过热 100～150 ℃,然后注入烘烤温度达 900 ℃以上的漏包 中 ,漏嘴内径控制在 6～8 mm ,并以 9～14 MPa 的高压 水和 1～2. 5 MPa 的氮气 ,进行保护雾化 ,试验结果表 明 ,整个雾化过程安全正常 ,50 kg 钢水全部顺利喷雾 完成 ,未出现堵包和中断雾化现象。 3. 3 　雾化过程成因分析 高压水加低压气体雾化 ,从雾化角度上来说 ,属于 一种保护性雾化 ,但它不仅仅是保护金属液滴不被氧 化的问题。因为气体的注入方式是以喷嘴形式叠加于 水雾化喷嘴之下的 ,且水雾化焦点在气雾化焦点之上 , 由于气雾化的负压效应 ,起到了一个抽吸作用 ,同时气 体还起到了一个减缓冷却的作用 ,延长液滴球化的时 间 ,所以能使雾化过程顺利进行。 4 　粉末性能检测和应用分析 4. 1 　粉末的形貌检测 粉末形貌是用户提出的重要性能之一。用扫描电 镜观察粉末的形貌 ,并与没有保护性气体、没有减少流 量的环孔喷雾粉末进行了对比分析 ,结果见图 3 ,图 4。 由粉末照片看出组合喷嘴雾化的粉末 90 %以上 是椭球形 ,而普通喷嘴则正好相反 ,成椭球形的很少 , 这一结果符合用户要求。 图 3 　原喷嘴雾化粉末形貌 图 4 　组合喷嘴雾化粉末形貌 4. 2 　粉末粒度分布 粒度分布同样进行了对比分析 ,都取 - 0. 10～ 0. 18 mm 的粉末 ,用激光衍射粒度分析仪测试其分布 曲线 ,结果见图 5 和图 6。 图 5 　无保护雾化粉末粒度分布 图 6 　N2 保护雾化粉末粒度分布 从粒度分布曲线看 ,用氮气保护雾化 50μm 以上 的粉末明显比普通无保护的要多 ,而且均匀。说明氮 气保护起到了部分阻碍粉末细化延长粉末凝固时间的 作用。当然 ,气压增大时 ,有可能推进粉末细化 ,这需 要实验进行修正。 96第 4 期 丁俊年 : 高压水雾化气体保护喷嘴的设计 © 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net 4. 3 　粉末应用实例 用户提出的不锈钢粉末是用于生产高压容器中的 易燃易爆气体安全防爆止火管 ,即一旦气体燃烧时 ,止 火管可以阻止火苗进入高压容器 ,起到安全保护作用。 止火管是采用粉末冶金工艺 ,经压制烧结制成的 , 属于多孔粉末冶金工艺 ,经测试其径向压溃强度均大 于 50 NΠmm2 以上 ,说明粉末中一些长轴相对较长的椭 球形粉末和一些粒径较细的粉末起到了提高强度的作 用。气体流量测试为 ,在 0. 1 MPa 的压力下 ≥3 m3Πh , 说明长椭球粉和细粒粉的所占比例适宜 ,对流量不产 生影响。在 0. 01～0. 15 MPa 的压力下 ,连续 30 次的 止火试验未发现异常 ,满足了用户的使用要求。 5 　结　　语 水气叠加雾化虽然还处在试用阶段 ,有许多数据 有待测试 ,但其优缺点可归纳如下。 1) 水雾化粉末生产中氮气保护的作用很明显 ,特 别是对含有强氧化性元素 (如 Al、Cr、Ti、Mg 等) 的合 金 ,但相应粉末的成本会增高。所以此法目前仅用于 有特殊要求的粉末。 2) 采用喷嘴形式注入氮气保护比直接向集粉筒 注入氮气的效果好。因为水蒸汽是在雾化瞬间产生 的 ,由于氮气喷嘴的负压作用 ,可将产生的蒸汽抽走或 排开 ,起到保护作用。 3) 在所有雾化制粉的公式和理论讨论中都未能 考虑雾化介质的流量特别是水的流量 ,作者认为在设 计喷嘴时 ,必须加以考虑。 参 考 文 献 [1 ] 　刘冶平 ,王柏意. 国外水雾化制粉进展. 湖南冶金 ,1993(4) :50～55 [2 ] 　加藤哲男 , 草加腾司. 水喷雾 SVS316 ™ É Ó ™钢粉の诸特性汇及 しずす- si . Mn ずょ:C成分の影响. 粉体 すょ- :粉末冶金 ,1975 , 122(01) :1～11 [3 ] 　韩凤麟. QMP 公司水雾化铁粉与钢粉的生产. 粉末冶金工业 , 2003 ,13 (02) :16～21 [4 ] 　东建中. 纯钴粉的高压水喷雾法制取工艺. 硬质合金 ,1993 ,10 (02) :79～81 [5 ] 　胡春莲 ,候尚林. 雾化喷嘴结构对喷焊合金粉末性能的影响. 材 料保护 ,2002 ,35 (12) :53～54 [6 ] 　麻洪秋 ,等. 急冷水雾化工艺对金属粉末性能的影响. 粉末冶金 技术 ,2002 ,20 (6) :346～349 [7 ] 　陈振华. 金属粉末的雾化问题. 粉末冶金技术 ,1998 ,16 (04) :282 ～289 [8 ] 　沈英俊 ,等. 若干雾化参数的理论简析. 粉末冶金技术 ,1995 ,13 (01) :21～25 [9 ] 　孙剑飞 ,等. 高温合金雾化熔滴的热传输与凝固行为. 粉末冶金 技术 ,2000 ,18 (02) :92～97 [10 ] 　韩凤麟 ,葛昌纯. 钢铁粉末生产. 北京 :冶金工业出版社 ,1981. 190 (上接第 66 页) 3. 6 　金刚石钝化 图 11～12 分别是 2 号钻头一个胎块前后 2 张照片。 对比图 11 和图 12 ,图 12 上很多金刚石都比图 11 上的金 刚石变圆滑了 ,另外图 12 上金刚石出露不少 ,但钻速只 有 0. 42 mΠh ,主要是由于金刚石所钝化造成。金刚石钝 化主要发生在岩石硬度很高 ,钻压比较小的时候。 图 11 　2 号钻头喷砂后显微照片 图 12 　2 号钻头金刚石钝化状况 钻速 0. 427 mΠh ,钻压 320 kg ,钻头进尺 0. 2 m 4 　结　　论 1) 金刚石在钻进过程中 ,钻头唇面上的金刚石是 一层一层换掉的 ,而且金刚石的出露量在一层金刚石 的磨损过程中随着钻头进尺呈周期性变化。 2) 金刚石钻头的钻速随钻头唇面上出露的金刚 石变化而变化 ,金刚石出露量多 ,钻速高 ,反之亦然。 3) 观察金刚石钻头唇面金刚石的出露情况 ,通过 统计 ,真正出露破碎岩石的金刚石只占应出露金刚石 的 3. 5 %～12 % ,其它的金刚石不是脱粒了就是破碎 了。如能提高金刚石的包镶强度和金刚石本身的强 度 ,减少金刚石脱粒和破碎 ,则金刚石钻头钻速和寿命 应能大幅度提高。 4) 金刚石的主要破损形式是脱粒和破碎 ,但如岩 石较硬 ,钻压较低时 ,金刚石的钝化也是比较严重的。 参 考 文 献 [1 ] 　鲁　凡. 金刚石粒度与钻进速度的定量关系. 中南工业大学学 报 ,1997 ,28 (5) :414～418 [2 ] 　鲁 　凡. 混装金刚石工作原理及高性能制品设计. 工业金刚石 , 2000(5Π6) : 13～17 [3 ] 　丁华东 , 等. 金刚石头胎体材料设计新思路. 西安交通大学学报 , 1997 , 31 (4) :124～126 07 矿　冶　工　程 第 23 卷 © 1994-2006 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http://www.cnki.net