静电收集器的研制及其在热喷涂法制备粉末中的应用
冯拉俊,郭巧琴,刘 兵
西安理工大学学报
摘要:根据静电收集原理结合热喷涂制备粉末的特性,试制了适合于热喷涂制粉的静电收集器。用冷喷Al2O3粉末、石墨粉末、Al粉末以及热喷涂的方式对收集器的收集效率进行了测试。结果表明,影响静电收集器收集效率的参数有电压大小、极板间距、粉末类别等;静电收集器收集到的粉末是微细粉末。
关键词:热喷涂;静电收集器;收集效率;微细粉末
热喷涂技术是一种新兴的材料表面处理技术,它利用专用设备把某种固体材料加热熔化或软化并加速喷射到基体表面,从而形成一种特制薄层以提高机体的表面性能[1]。随着热喷涂技术的发展,热喷涂技术不仅可被用来制备涂层,而且还可以用来制备微细粉末[2]。但是由于其制备的粉末属于微粉甚至超微粉,且易于飞散[3],因此对微细粉末的收集是其关键的环节之一。目前国内外虽已研制出旋风式、透镜式、圆筒式等电收集器,但是它们主要用来收集较大的颗粒,对于收集微粉甚至超微粉的效率太低。本文根据静电收集可以收集细小颗粒的优点,试制出了适合于热喷涂工艺条件下的平行电极静电收集器,并对影响收集效率的各种因素进行了研究,取得了满意的效果。
1 实验部分
1.1 试验原料及设备
实验原料:Al2O3粉末(化学纯),石墨粉,Al粉(化学纯),无水乙醇(99.0%)。实验设备:自制静电收集器,0～2200 V稳压电源,YNJ1.2/10空气压缩机,氧气瓶,乙炔气瓶,TG382A电子天平,喷枪,DGB20003台式烘箱。
1.2 实 验
静电收集原理:空气中的粉尘颗粒由于摩擦、碰撞、热效应等原因而带上一定的电荷,这些带电荷的颗粒在通过加有高压电场的电极时,会在电场力的作用下向电极极板发生定向移动,并被吸附在电极极板上[4],从而达到收集微细粉的目的。本文根据静电收集原理,试制了套筒式静电收集器和平板式静电收集器。实验研究表明,平板式静电收集器效率较高,它是采用60 cm×20 cm×0.6 cm的钢板作电极极板,极板间采用陶瓷片绝缘。实验前,先将待用的400目的Al2O3陶瓷粉末、石墨粉及铝粉放入烘箱烘干(180℃左右,30 min),然后用天平称量5 g粉末。图1为喷涂系统装置。冷喷(此时不接气瓶)Al2O3陶瓷粉末、石墨粉及铝粉时,在极板电压为0 V、500 V、1000 V时调整极板间距为5 mm、10mm、20 mm,测试静电收集器的效率。根据实验所得结果进行火焰喷涂,此时喷枪中通入乙炔气、氧气,反应为:2C2H2+O2=2CO2+2H2O。实验完毕,收集器进行放电,使极板间电压为零。收取收集到的粉末,用电子天平称出其质量,再用重力沉降法测量粉末粒度。
粉末的粒径是一个范围,本文测试的粉末粒径是80%达到了沉降终止线的粉末粒径。
2 实验结果与讨论
2.1 极板间距对收集效率的影响
图2为极板电压为1 000 V,极板间距改变时,冷喷石墨粉、铝粉得到的极板间距与收集效率的关系曲线。由图可见,当极板间距由5 mm增加到20 mm时,收集效率下降。根据电场强度计算公式[5]:E=U/d F=Eq(2)有F=Uq/d(3)式中,E为电场强度;U为极板电压;d为极板间距;F为带电颗粒所受电场力;q为颗粒带电量。由此可知,极板间距与带电颗粒所受电场力成反比。所以在一定电场条件下,当极板间距增大时,带电颗粒所受电场力减小,这使得极板靠静电吸附颗粒的作用力减小,从而导致收集效率降低。
2.2 极间电压对收集效率的影响
图3为极板间距为5 mm时,改变电压,用收集器收集不同粉末时的电压与收集效率的关系曲线。由图可知,当极板间电压在0～1000 V变化时,用静电收集器收集三种粉末的收集效率均随电压的升高而增加。由于铝粉和石墨粉导电,而且石墨粉的导电能力比铝粉的导电能力强。所以,当电压大于1000 V时,石墨粉开始出现放电,电压大于1600 V时,铝粉开始导电,并都伴随有爆鸣声,致使电压降低。由F=Uq/d知:极板电压降低,带电颗粒所受电场力减小,被极板吸附的能力也随之减小,从而导致收集效率降低。Al2O3粉末不导电,同时电位升至2 000 V时也未出现收集效率随电压增大而减少的现象。
2.3 粉末类别对收集效率的影响
图4为粉末类型的变化对收集效率的影响关系图。由图可知,相同条件下,铝粉的收集效率最高,其次是石墨、Al2O3粉。其原因可解释为:在相同的喷涂条件下,铝粉表面产生的静电量较大,且其密度较小,受电场力影响较大,所以收集效率最高;石墨粉末密度小,在喷枪中的摩擦力小,致使石墨粉末表面所产生的静电电荷较小,从而导致其所受电场力也相应较小,使得收集效率低于铝粉末;Al2O3粉末在喷枪中产生的摩擦力大于铝粉末和石墨粉末,但它不导电,摩擦力产生的静电小,另外Al2O3粉末的密度大,相同电场力条件下,受电场力作用较弱,同时大量的Al2O3粉末未被静电器收集而逃逸,使得收集效率为最低。
2.4 静电收集器在火焰喷涂中的应用
把静电收集器应用到火焰喷涂制粉末中,用来收集火焰喷涂过程中的粉末。当极板间距为10mm时,改变电压大小进行火焰喷涂石墨粉、铝粉试验,其结果如图5所示。由图可知,在相同极板间距条件下,随着极板电压的增大,粉末的收集效率随之增大。但当极板电压高于1 000 V时,对于铝粉,其曲线呈下降趋势,收集效率降低。这是由于铝粉导电能力强,出现了严重放电,故电场强度减弱,收集效率降低[6]。而对于石墨粉,在此情况下则发生如下反应[7]:
C+O2=CO2 2C+O2=2CO
从而导致石墨颗粒减小,使得石墨收集量大大低于铝粉;另外颗粒的电荷质量比相对增大,致使随电场电压升高[8],收集效率提高。火焰喷涂制粉末时,收集器的效率大大低于冷喷时的效率,这主要是由于气流通过静电收集器时,空气被击穿,产生放电,导致极板间的电场强度降低。用重力沉降法,依据公式(1)测量冷喷和火焰喷涂过程中收集到的粉末粒度,得到冷喷Al2O3粉末、石墨粉、铝粉的粉末粒度分别为37μm、47μm、42μm,收集到火焰喷涂后的三种粉末粒度分别为37μm、41μm、40μm。由此可知,对于同一种粉末而言,静电收集器收集到的火焰喷涂的粉末粒度比冷喷过程中的粉末粒度小。这是由于火焰喷涂时,粉末处于高温,颗粒被熔化,在气流作用下,粉末颗粒同时被细化[9]。实验结果还表明,Al2O3粉末的熔点较高,火焰喷涂难以使之细化。
3 结 论
通过实验研究可以得到如下结论:
(1)对于热喷涂法制粉,采用平板式静电收集器较理想。极板电压、极板间距及粉末的种类对收集器的效率有较大地影响。极板间距越小,极板电压越高,对于不导电的粉末收集效率越高;但对于导电粉末,电压越高或极板太近,粉末通过时会产生放电,导致收集效率降低。对400目的铝粉末或石墨粉末,静电收集器的电压在800 V,极板间距5 mm为宜,收集效率可达60%以上;对于Al2O3粉末,极板间距为5 mm,极板电压为2 000 V,收集效率为30%。(2)静电收集器收集热喷涂法制备中的导电粉末较理想。不导电粉末在喷枪嘴处,由于摩擦而带的电荷较小,因此收集效果差。(3)在相同的极板电压或极板间距情况下,火焰喷涂的高温气流通过静电收集器时,使极板间空气发生电离击穿,形成火花通道,产生强烈的放电,致使静电收集器的效率大大低于冷喷时的收集效率。因此在热喷涂法制粉时,应设计较长的冷却管道使喷涂气流冷却后,再经过静电收集器较为理想。
参考文献略
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