CN108031855A

CN108031855A - 一种感应加热与射频等离子联合雾化制粉系统

Info

Publication number: CN108031855A
Application number: CN201810046290.1A
Authority: CN
Inventors: 王海英; 龙海明; 郭志猛; 郝俊杰; 李沛
Original assignee: Beijing Gold Technology Development Co Ltd
Current assignee: Beijing Gold Technology Development Co Ltd
Priority date: 2018-01-17
Filing date: 2018-01-17
Publication date: 2018-05-15

Abstract

本发明涉及一种感应加热与射频等离子联合雾化制粉系统，包括高频感应加热装置、射频感应等离子装置、抽真空装置、雾化收集装置、分离除尘装置和丝材输送装置。本发明设计合理，操作简单，采用高频感应加热与射频等离子熔炼及气雾化相结合的技术，整个加热、熔化、气雾化过程经过系统抽真空再充入惰性气进行保护，无污染、无夹杂，通过高频感应加热装置预热丝材与射频等离子装置熔化丝材相结合，提高了预热和熔炼过程中吸热速率，提高了液流或液滴的过热度，使得气雾化后可以获得高的球形度、球化率、较小粒度、无空心球的高质量球形粉末，在雾化过程中采用高压雾化喷嘴，增加了单位时间的金属粉末的产出率。

Description

一种感应加热与射频等离子联合雾化制粉系统

技术领域

本发明涉及粉末冶金技术领域，具体涉及一种感应加热与射频等离子联合雾化制粉系统。

背景技术

随着增材制造(3D打印)、注射成型、热喷涂等技术的蓬勃发展，高质量的球形难熔金属粉末及活泼金属粉末都是这些领域所必须的重要原料，球形难熔及活泼金属粉末生产在整个产品生产流程中关系重大，对于钨、钼、钽、铌等较高熔点的难熔金属，以及钛及钛合金等既活泼且高熔点的金属或合金，很难用常规的熔炼及气雾化方法来获得高质量的球形粉末。

目前，可规模化生产高质量球形难熔及活泼金属粉末的技术主要有等离子旋转电极法(PREP)、感应熔炼惰性气体雾化技术(PIGA、EIGA)、等离子火炬雾化法(PA)、射频等离子球化法(RF)等。

等离子旋转电极法(PREP)以高温等离子束流熔融高速旋转的金属棒料前端，依靠棒料高速旋转的离心力分散甩出熔融液滴，熔融液滴再依靠表面张力缩聚成球状，并在冷凝过程中固化，由于目前应用的等离子枪功率有限，且采用的原料多为直径50～80mm的金属棒料，所以现有等离子旋转电极制粉技术可以进行钛合金、镍基合金及钴基合金的旋转雾化制粉，但无法对更高熔点的钨、钼、钽、铌基金属及合金进行旋转雾化制粉。此外，等离子旋转电极制粉技术中金属棒料的转速一般在20000r/min以内，无法提供更高的金属熔滴分散雾化的离心力，因此，该技术制备的球形粉末粒度一般较粗，如钛及钛合金粉末，绝大多数粒度在100～250μm之间，50μm以下粒径的粉末收得率极低。

针对惰性气体雾化技术(PIGA)，由于一些稀有金属在高温熔炼过程中呈现极度的活性，所以熔炼过程大都在真空或惰性气氛下，并采用水冷坩埚的感应熔炼方式，或采用金属棒料及丝材的直接感应熔化(EIGA)；目前采用感应熔化方式制粉的大都如钛及钛合金、镍基合金等熔点相对不高的金属，对于更高熔点的钨、钼、钽、铌基金属及合金就无法进行熔化及制粉了。另外使用感应熔化气雾化技术熔炼金属棒材或丝材的过程中会出现电极未完全熔化而掉入导流管中，造成阻塞，因而保持液流的连续稳定是EIGA的一个技术难点。另外，感应熔炼后的液滴立即脱离高温区进行雾化，因而一般熔化后的金属液滴的过热度较低，在气雾化冷凝的过程中没有足够的温度和时间保证液滴在表面张力作用下收缩成球，因此粉末的球形度不好，还会产生空心球。

等离子火炬雾化法(PA)以加拿大AP&C公司为代表。该技术以丝材为原料，以直流等离子炬的高温等离子射流为热源，在氩气气氛下，利用等离子炬的高温、高速特性，用多把等离子炬将丝材融化并雾化成小的液滴，随后冷却为球形粉末。该方法可生产球形度高且粒径小的高质量球形粉末，但该技术由于受到等离子炬及丝材传热效率等限制，导致粉末产量较低。

射频等离子法(RF)以加拿大TEKNA公司为代表。该技术采用射频等离子炬对原料进行加热，有其它方法无法比拟的等离子体温度高、无电极污染等优点；以金属粉末为原料，经过等离子高温熔化后，液滴在表面张力作用下收缩成球并随后凝固，可以得到球形度很好的球形粉末。缺点是粉末纯度、粒度受原料本身限制，且粉末产量较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种感应加热与射频等离子联合雾化制粉系统，用以解决现有高熔点的难熔金属，以及钛及钛合金等既活泼且高熔点的金属或合金难以获得高质量球形粉末的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为：

一种感应加热与射频等离子联合雾化制粉系统，包括高频感应加热装置、射频感应等离子装置、抽真空装置、雾化收集装置、分离除尘装置和丝材输送装置，所述高频感应加热装置的绝缘封装管与所述射频感应等离子装置的等离子灯炬为一体化成型结构，采用密封设计；

进一步地，所述雾化收集装置包括雾化喷嘴、雾化反应室及雾化反应室收料罐；

进一步地，所述抽真空装置包括一级高真空油扩散泵串联一级机械泵；

进一步地，所述分离除尘装置包括旋风分离器、除尘器、分离器收料罐和除尘器收集罐；

进一步地，所述丝材输送装置包括放线器、矫直器和送丝器，所述丝材输送装置的功率为1～3KW，变频调速，送丝速度为1～20m/min；

进一步地，所述高频感应加热装置包括高频感应加热电源、高频感应线圈、绝缘封装管和封装结构，所述高频感应加热电源的功率为15～100KW，振荡频率为50～500KHz，所述的高频感应线圈为4～10匝，直径为6～20mm，采用空心铜管制作，所述高频感应线圈中间插入所述绝缘封装管，所述绝缘封装管采用石英玻璃材料制作而成，所述封装结构将所述高频感应加热装置与丝材输送装置进行密封连接；

进一步地，所述射频感应等离子装置包括射频感应加热电源、射频感应线圈、等离子灯炬和等离子灯炬卡具，所述射频感应加热电源的功率为50～200KW，振荡频率为3～300MHz，所述射频感应线圈为4～6匝，直径为60～90mm，采用空心铜管制作，所述等离子灯炬采用三层水冷结构，通过所述等离子灯炬卡具与所述高频感应加热装置相连；

进一步地，所述抽真空装置将整个系统抽真空至10^-1～10^-3Pa，系统漏气率＜0.005Pa·L/s，再充入氦气或氩气建立保护气氛，系统压力控制在-50KPa～+50KPa；

进一步地，所述等离子灯炬采用氦气或氩气建立稳定的等离子炬，所述氦气或氩气的主气流量为10～100L/min，边气流量为20～300L/min，所述氦气或氩气的纯度不低于99.995％；

进一步地，所述雾化喷嘴为高压雾化喷嘴，所述雾化喷嘴用的雾化气体为氩气或氦气，所选的雾化压力为5～10MPa，雾化气流量为2～20m³/min。

本发明具有如下优点：

1、本发明一种感应加热与射频等离子联合雾化制粉系统包括高频感应加热装置、射频感应等离子装置、抽真空装置、雾化收集装置、分离除尘装置和丝材输送装置，系统设计合理，操作简单，采用高频感应加热与射频等离子熔炼及气雾化相结合的技术，整个加热、熔化、气雾化过程经过系统抽真空再充入惰性气进行保护，无气体污染、无电极污染、无夹杂。

2、本发明通过高频感应加热装置预热金属丝材与射频等离子装置熔化丝材相结合，提高了预热和熔炼过程中吸热速率，通过调节射频感应加热装置的电源功率和振动频率，提高了液流或液滴的过热度，使得气雾化后可以获得高的球形度、球化率、较小粒度、无空心球的高质量球形粉末，在雾化过程中采用高压雾化喷嘴和惰性雾化气，雾化过程不会产生杂质，增加了单位时间的金属粉末的产出率。

附图说明

图1为本发明一种感应加热与射频等离子联合雾化制粉系统的系统图。

其中，1.高频感应加热装置、2.射频感应等离子装置、3.抽真空装置、4.雾化收集装置、5.分离除尘装置、6.丝材输送装置、7.雾化喷嘴、8.雾化反应室、9.雾化反应室收料罐、10.高真空油扩散泵、11.机械泵、12.旋风分离器、13.除尘器、14.分离器收料罐、15、放线器、16、矫直器、17、送丝器、18.高频感应加热电源、19.高频感应线圈、20.绝缘封装管、21.封装结构、22.射频感应加热电源、23.射频感应线圈、24.等离子灯炬、25.等离子灯炬卡具、26.除尘器收集罐。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

如图1所示，一种感应加热与射频等离子联合雾化制粉系统，包括高频感应加热装置1、射频感应等离子装置2、抽真空装置3、雾化收集装置4、分离除尘装置5和丝材输送装置6，所述高频感应加热装置1包括高频感应加热电源18、高频感应线圈19、绝缘封装管20和封装结构21，所述高频感应加热电源18的功率为30KW，振荡频率为100～300KHz，所述高频感应线圈19为6匝，直径为10mm，采用空心铜管制作，所述高频感应线圈19中间插入所述绝缘封装管20，所述绝缘封装管20采用石英玻璃材料制作而成，所述封装结构21将高频加热感应装置1与丝材输送装置6进行密封连接，所述射频感应等离子装置2包括射频感应加热电源22、射频感应线圈23、等离子灯炬24和等离子灯炬卡具25，所述射频感应加热电源22的功率为100KW，振荡频率为3MHz，所述射频感应线圈23为4匝，直径为80mm，采用空心铜管制作，所述等离子灯炬24采用三层水冷结构，通过所述等离子灯炬卡具25与所述高频感应加热装置1相连，所述等离子灯炬24采用氦气建立稳定的等离子炬，所述氦气的主气流量为10～50L/min，边气流量为20～100L/min，所述氦气的纯度不低于99.995％，所述高频感应加热装置1的绝缘封装管20与所述射频感应等离子装置2的等离子灯炬24为一体化成型结构，采用密封设计，所述抽真空装置3包括一级高真空油扩散泵10串联一级机械泵11，将整个系统的压力抽真空10^-1～10^-3Pa，系统漏气率＜0.005Pa·L/s，再充入氦气建立保护气氛，系统压力控制在-20KPa～+20KPa，所述雾化收集装置4包括雾化喷嘴7、雾化反应室8及雾化反应室收料罐9，所述雾化喷嘴7为高压雾化喷嘴，所述雾化喷嘴7用的雾化气体为氦气，所选的雾化压力为5～8MPa，雾化气流量为2～10m³/min，所述分离除尘装置5包括旋风分离器12、除尘器13、分离器收料罐14和除尘器收集罐26，所述丝材输送装置6包括放线器15、矫直器16和送丝器17，所述丝材输送装置6的功率为1～3KW，变频调速，送丝速度为2～6m/min。

一种感应加热与射频等离子联合雾化制粉系统的制粉方法，通过抽真空装置3先将整个系统抽真空后再充入惰性气，通过丝材输送装置6将制备好的丝材输送到高频感应加热装置1进行预热，预热后的丝材经过射频等离子装置2进行熔炼，熔炼后的液滴在雾化收集装置4中雾化成微细液滴并冷却为球形粉末，经分离除尘装置5分离收集，并经过筛分得到所需的金属粉末。

实施例2

如图1所示，一种感应加热与射频等离子联合雾化制粉系统，包括高频感应加热装置1、射频感应等离子装置2、抽真空装置3、雾化收集装置4、分离除尘装置5和丝材输送装置6，所述高频感应加热装置1包括高频感应加热电源18、高频感应线圈19、绝缘封装管20和封装结构21，所述高频感应加热电源18的功率为60KW，振荡频率为200～400KHz，所述的高频感应线圈19为8匝，直径为12mm，采用空心铜管制作，所述高频感应线圈19中间插入所述绝缘封装管20，所述绝缘封装管20采用石英玻璃材料制作而成，所述封装结构21将高频加热感应装置1与丝材输送装置6进行密封连接，所述射频感应等离子装置2包括射频感应加热电源22、射频感应线圈23、等离子灯炬24和等离子灯炬卡具25，所述射频感应加热电源22的功率为200KW，振荡频率为50MHz，所述射频感应线圈23为5匝，直径为90mm，采用空心铜管制作，所述等离子灯炬24采用三层水冷结构，通过所述等离子灯炬卡具25与所述高频感应加热装置1相连，所述等离子灯炬24采用氩气建立稳定的等离子炬，所述氩气的主气流量为30～80L/min，边气流量为50～200L/min，所述氩气纯度不低于99.995％，所述高频感应加热装置1的绝缘封装管20与所述射频感应等离子装置2的等离子灯炬24为一体化成型结构，采用密封设计，所述抽真空装置3包括一级高真空油扩散泵10串联一级机械泵11，所述抽真空装置3将整个系统的压力抽真空至10^-1～10^-3Pa，系统漏气率＜0.005Pa·L/s，再充入氩气建立保护气氛，系统压力控制在-30KPa～+30KPa，所述雾化收集装置4包括雾化喷嘴7、雾化反应室8及雾化反应室收料罐9，所述雾化喷嘴7为高压雾化喷嘴，所述雾化喷嘴7用的雾化气体为氩气，所选的雾化压力为5～10MPa，雾化气流量为5～15m³/min，所述分离除尘装置5包括旋风分离器12、除尘器13、分离器收料罐14和除尘器收集罐26，所述丝材输送装置6包括放线器15、矫直器16和送丝器17，所述丝材输送装置6的功率为1～3Kw，变频调速，送丝速度为3～5m/min。

实施例3

如图1所示，一种感应加热与射频等离子联合雾化制粉系统，包括高频感应加热装置1、射频感应等离子装置2、抽真空装置3、雾化收集装置4、分离除尘装置5和丝材输送装置6，所述高频感应加热装置1包括高频感应加热电源18、高频感应线圈19、绝缘封装管20和封装结构21，所述高频感应加热电源18的功率为40Kw，振荡频率为100～300KHz，所述的高频感应线圈19为8匝，直径为10mm，采用空心铜管制作，所述高频感应线圈19中间插入所述绝缘封装管20，所述绝缘封装管20采用石英玻璃材料制作而成，所述封装结构21将高频加热感应装置1与丝材输送装置6进行密封连接，所述射频感应等离子装置2包括射频感应加热电源22、射频感应线圈23、等离子灯炬24和等离子灯炬卡具25，所述射频感应加热电源22的功率为120Kw，振荡频率为20MHz，所述射频感应线圈23为5匝，直径为75mm，采用空心铜管制作，所述等离子灯炬24采用三层水冷结构，通过所述等离子灯炬卡具25与所述高频感应加热装置1相连，所述等离子灯炬24采用氦气建立稳定的等离子炬，所述氦气的主气流量为10～60L/min，边气流量为20～100L/min，所述氦气的纯度不低于99.995％，所述高频感应加热装置1的绝缘封装管20与所述射频感应等离子装置2的等离子灯炬24为一体化成型结构，采用密封设计，所述抽真空装置3包括一级高真空油扩散泵10串联一级机械泵11，所述抽真空装置3将整个系统的压力抽真空至10^-1～10^-3Pa，系统漏气率＜0.005Pa·L/s，并充入氦气建立保护气氛，系统压力控制在-50KPa～+50KPa，所述雾化收集装置4包括雾化喷嘴7、雾化反应室8及雾化反应室收料罐9，所述雾化喷嘴7为高压雾化喷嘴，所述雾化喷嘴7用的雾化气体为氦气，所选的雾化压力为8～10MPa，雾化气流量为10～20m³/min，所述分离除尘装置5包括旋风分离器12、除尘器13、分离器收料罐14和除尘器收集罐26，所述丝材输送装置6包括放线器15、矫直器16和送丝器17，所述丝材输送装置6的功率为1～3Kw，变频调速，送丝速度为5～8m/min。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims

1.一种感应加热与射频等离子联合雾化制粉系统，其特征在于：所述感应加热与射频等离子联合雾化制粉系统包括高频感应加热装置(1)、射频感应等离子装置(2)、抽真空装置(3)、雾化收集装置(4)、分离除尘装置(5)和丝材输送装置(6)，所述高频感应加热装置(1)的绝缘封装管(20)与所述射频感应等离子装置(2)的等离子灯炬(24)为一体化成型结构，采用密封设计。

2.根据权利要求1所述的感应加热与射频等离子联合雾化制粉系统，其特征在于：所述雾化收集装置(4)包括雾化喷嘴(7)、雾化反应室(8)及雾化反应室收料罐(9)。

3.根据权利要求1所述的感应加热与射频等离子联合雾化制粉系统，其特征在于：所述抽真空装置(3)包括一级高真空油扩散泵(10)串联一级机械泵(11)。

4.根据权利要求1所述的感应加热与射频等离子联合雾化制粉系统，其特征在于：所述分离除尘装置(5)包括旋风分离器(12)、除尘器(13)、分离器收料罐(14)和除尘器收集罐(26)。

5.根据权利要求1所述的感应加热与射频等离子联合雾化制粉系统，其特征在于：所述丝材输送装置(6)包括放线器(15)、矫直器(16)和送丝器(17)，所述丝材输送装置(6)的功率为1～3KW，变频调速，送丝速度为1～20m/min。

6.根据权利要求1所述的感应加热与射频等离子联合雾化制粉系统，其特征在于：所述高频感应加热装置(1)包括高频感应加热电源(18)、高频感应线圈(19)、绝缘封装管(20)和封装结构(21)，所述高频感应加热电源(18)的功率为15～100Kw，振荡频率为50～500KHz，所述的高频感应线圈(19)为4～10匝，直径为6～20mm，采用空心铜管制作，所述高频感应线圈(19)中间插入所述绝缘封装管(20)，所述绝缘封装管(20)采用石英玻璃材料制作而成，所述封装结构(21)将所述高频感应加热装置(1)与丝材输送装置(6)进行密封连接。

7.根据权利要求1所述的感应加热与射频等离子联合雾化制粉系统，其特征在于：所述射频感应等离子装置(2)包括射频感应加热电源(22)、射频感应线圈(23)、等离子灯炬(24)和等离子灯炬卡具(25)，所述射频感应加热电源(22)的功率为50～200KW，振荡频率为3～300MHz，所述射频感应线圈(23)为4～6匝，直径为60～90mm，采用空心铜管制作，所述等离子灯炬(24)采用三层水冷结构，通过所述等离子灯炬卡具(25)与所述高频感应加热装置(1)相连。

8.根据权利要求3所述的感应加热与射频等离子联合雾化制粉系统，其特征在于：所述抽真空装置(3)将整个系统抽真空至10^-1～10^-3Pa，系统漏气率＜0.005Pa·L/s，再充入氦气或氩气建立保护气氛，系统压力控制在-50KPa～+50KPa。

9.根据权利要求7所述的感应加热与射频等离子联合雾化制粉系统，其特征在于：所述等离子灯炬(24)采用氩气或氦气建立稳定的等离子炬，所述氦气或氩气的主气流量为10～100L/min，边气流量为20～300L/min，所述氦气或氩气纯度不低于99.995％。

10.根据权利要求2所述的感应加热与射频等离子联合雾化制粉系统，其特征在于：所述雾化喷嘴(7)为高压雾化喷嘴，所述雾化喷嘴(7)用的雾化气体为氩气或氦气，所选的雾化压力为5～10MPa，雾化气流量为2～20m³/min。