摘 要: 气体雾化技术是生产金属及合金粉末的主要方法。本文依据气体雾化中喷嘴的结构特征,分析了国外几种具有工业实用意义的雾化技术的原理、性能与发展状况,评述了其优缺点和应用情况。
关键词: 雾化;喷嘴;进展;粉末
1 前言
气体雾化技术是生产金属及合金粉末的主要方法。雾化粉末具有球形度高、粉末粒度可控、氧含量低、生产成本低以及适应多种金属及合金粉末的生产等优点,已成为高性能及特种合金粉末制备技术的主要发展方向[1]。随着粉末冶金新工艺新材料的出现以及粉末原材料在表面工程、电子、化工、激光快速原型、军事等工业中的应用,对合金粉末的要求向着微细、高纯、球形化方向发展,这一驱动力推动着粉末雾化生产技术的不断发展[2]。
气体雾化的基本原理是用一高速气流将液态金属流粉碎成小液滴并凝固成粉末的过程。其核心是控制气体对金属液流的作用过程,使气流的动能最大限度的转化为新生粉末表面能。因此这一控制部件即喷嘴成为气体雾化的关键技术,喷嘴的结构和性能决定了雾化粉末的性能和效率[3]。国外如美国、英国和德国对此进行了大量的研究,相继出现了许多新型的雾化技术,如紧耦合雾化技术、层流雾化技术等。使雾化制粉技术向微细粉末方面跨进了一大步。这些雾化技术有的已成功地应用于工业化生产,有的正在进入工业化领域,极大地促进了雾化工业生产技术的发展。本文结合作者从事粉末雾化、粉末研制和生产的经验,综合评述国外已取得的成就和发展趋势,以供参考。
2 雾化喷嘴的发展现状
早期的气体雾化工艺中,普遍采用自由落体式喷嘴结构。这种喷嘴设计简单、不易堵塞、控制过程也比较简单,但其雾化效率不高,仅适用于50~300Lm粒度粉末的生产。为了提高雾化效率,后来发展出限制式喷嘴。这种喷嘴由于明显缩短了气流的自由飞行距离,使雾化效率得到很大的提高。现代具有工业实用意义的雾化技术是在这一基础上发展起来的。具有代表性的喷嘴结构主要有三大类:211 超声雾化技术[5,6]超声雾化法最初由瑞典人发明,后由美国MIT的Grant教授改进和完善,研究目的是为了生产具有快速冷凝效果的微细粉末。超声雾化喷嘴由拉瓦尔喷嘴和Hartman振动管组合在一起,在产生2~215M(马赫)的超音速气流的同时产生80~100kHz的脉冲频率。所用介质压力在114~812MPa之间,气流的最高速度可以达到640m/s,粉末冷凝速度可以达到104~105K/s。在雾化铝粉时平均粒度可达到22Lm,粉末呈表面光滑的球形状。
该雾化技术提高了气流的速度,雾化效率得到了有效提高。但该技术只能在金属液流直径小于5mm的情况下才具有较好的效果,因此适用于铝等低熔点金属粉末的生产,而对高熔点金属仅限于试验阶段。该技术已进入工业化应用,据报导,美国坩埚公司引进了该技术进行工业化生产。
212 紧耦合(close-couple)雾化技术[7]
在限制式喷嘴中的研究结果已表明,增加气压可以减小粉末的平均粒径。但由于气体速度与压力渐近线性关系,当气压超过5MPa后,其速度增加很少,而且增加气压还明显增加气体消耗量[8]。因此,在限制式喷嘴中雾化气压一般不超过515MPa,限制了雾化效率的进一步提高。提高雾化效率的另一个可行方法是增加气体动能至金属液流的传输效率。这一思想可以改进限制式喷嘴中的结构,使气流自出口至液流的距离最短,这就是所谓的紧耦合雾化喷嘴。图1是两种典型的紧耦合喷嘴结构图,其特点是缩短了气流到液流汇焦的距离。业已表明,这种喷嘴在生产细粉末方面非常有效,已成为目前大多雾化设备的首选喷嘴。
紧耦合雾化粉末的特点是微细粉末收得率高,对高熔点金属如钢铁合金,粉末平均粒度可以达到30Lm,低熔点金属则可低至10~20Lm;其次粉末粒度分布窄。一般限制式喷嘴粉末的标准偏差为2~3,而紧耦合的可以达到118~210左右。最后粉末具有高的冷却速度。在同样的生产条件下,粉末的冷速与粉末的粒径1/d2成比例,因而粉末的细化明显提高粉末的冷凝速度,高的冷却速度有利于快速冷凝合金或非晶合金粉末的生产。紧耦合雾化技术是研究最丰富、工业中应用最成熟的一种气体雾化制粉技术,应用覆盖从几十公斤的试验装置到日产上吨的工业化生产设备。
目前的紧耦合雾化技术研究主要分为两类:一是研究喷嘴结构参数和气流的特征表现;二是研究雾化工艺参数与粉末性能的关系。前者的研究旨在获得气流流场与喷嘴的关系,以使气流在喷嘴出口处达到速度最大而气体流量最小,为喷嘴的设计加工提供理论依据[9~11]。如美国宾夕法尼亚大学的研究者利用气流影像技术研究了两种紧耦合喷嘴的气流特征以及气流和液流的作用方式;后者的研究主要是在特定的喷嘴基础上研究雾化工艺参数对粉末特性和雾化效率的影响,以优化和指导粉末的生产[12~15]。在紧耦合雾化中,包含许多物理和化学过程,存在着气体的动能和液流的热量等传输过程,情况十分复杂,所以气流与液流作用机理至今没有完全研究清楚,其设计也没有一个完善的理论指导。研究发现,在紧耦合雾化过程中,不但雾化喷嘴的结构对雾化效率有明显影响,而且导液管形状和位置也是影响雾化效率和稳定性的一个重要因素,这两者的优化设计可以使雾化效率达到最佳化[16]。为了评价和优化喷嘴的结构设计,需要花费大量的时间和财力进行雾化摸索试验。紧耦合雾化喷嘴需要精确控制才能避免雾化过程的堵嘴等不稳定现象。因此,许多研究者还在致力于了解雾化的机理,以期提高雾化效率,增加细粉的出粉率。
213 高压气体雾化技术[17~19]
在紧耦合雾化技术中,尽管雾化效率得到了很大的提高,但仍然存在不足:一是当雾化气压增加至一定值时,导液管出口处将产生正压,使雾化过程不能进行;二是在高压雾化下,在导液管出口处产生真空(负压过低),使金属液流率增加,不利于细粉末的生产。
美国Iowa州立大学的Ames实验室Andesron等人将紧耦合喷嘴的环缝出口改为20~24个单一喷孔,通过提高气压(最高可达到17MPa)和导液管出口处的形状设计,克服紧耦合喷嘴中存在的气流激波(这是紧耦合喷嘴中产生上述现象的原因),使气流呈超声速层流状态,并在导液管出口处形成有效的负压,如图2(a)所示。这一改进可以显著提高雾化效率,如在1215MPa压力下,雾化Sn-5%Pb合金时,75%的粉末粒度小于10Lm;雾化Cu-813%Al合金粉末的平均粒度达到12Lm。在低压下这一合金的雾化粒度将达到60Lm;Ting等人[20,21]在这一研究基础上,将火箭发动机中的收放喷管设计思想引入雾化喷孔的设计中,将上述高压等径喷孔改成具有收放结构的喷孔,如图2(b)所示。这样可以在较低的气压下产生更高的超音速气流和均匀的气体速度场,从而更加有效抑制有害激波的产生,明显增加气体的动能,使雾化效率更高。该喷嘴在较低的气压下产生与高压雾化喷嘴相同的雾化效果,如在3186MPa的压力下可以产生与前者喷嘴在717MPa压力下相同的速度,而且气流速度更加稳定和均匀。在4113MPa压力下雾化Fe-8A-l 115Si合金粉末有50%小于38Lm;对316L不锈钢,在3113MPa压力下50%粉末小于35Lm。表1是不同方法生产Fe-8A-l 115Si合金的粉末性能和气体消耗量比较。
从上述数据说明,Ames国家实验室开发的高压气体雾化技术,在生产微细粉末方面很有成效,而且明显节约气体用量。
3 新型雾化技术的研究
尽管前所述的现代雾化技术已取得了长足的进步,并且成功地应用于工业化生产,但随着微细粉末在高新技术、新材料中的应用,需要大量粒径小于20Lm或10Lm以下的金属及合金粉末。上述方法在生产这些粉末时仍然存在不足:一是细粉末的出产率低(小于20%);二是气体消耗量大,生产成本高。为此,由上世纪90年代至现在,国外对雾化技术的研究又取得了新的进展:一方面使微细粉末的收得率大大提高;另一方面这些技术正在进入工业化规模应用。这些新型雾化技术主要有三类:311 层流雾化技术[22,23]
在常规的气体雾化技术中(如紧耦合),金属粉末的形成是靠气流对金属液流的扰动和冲击使其破碎成粉末,由于气流的扰动具有统计特征,粉末的粒度分布较宽;同时在所有的雾化技术中,不管喷嘴的结构如何,气流在作用于液流前的飞行中不断膨胀,速度减小,因此雾化气体能量损失较大,使雾化效率不能进一步提高。
德国Nanoval公司Gerking等人认识到喷嘴的这种特性,对喷嘴进行重大改进,提出了层流超声雾化的概念,图3是层流雾化喷嘴和导液管结构示意图。气流在喷嘴中呈层流,同时金属液流也呈层流状态,气流不再以某一角度冲击液态金属流,而是平行于金属流。在这里金属液流依靠气流在液流表面产生的剪切力和挤压而变形,液流直径不断减小,发生层流纤维化。这一过程在一个稳定的气流和金属流场中进行。在图3的原理图中,当压力P1(雾化压力)与压力P2(环境压力)之比达到某一临界值时,气流在喷嘴的最小处达到音速;当进一步提高压力比时,将维持稳定的音速状态,在喷嘴的最小处下方,气流将呈超声状态,并不出现激波。这时金属液流细丝得到加速,并当表面张力不再平衡金属流内压力和气流压力时,失去稳定性并且破裂为/刷子状0的多个纤维丝而后进一步破碎成粉末。
这一新的雾化概念克服了常规气雾化过程中存在的问题,因此雾化效率非常高,粉末粒度分布非常窄,冷却速度达到106~107K/s。在210MPa的雾化压力下,使用Ar或N2气作雾化介质雾化铜、铝、316L不锈钢等合金,粉末平均粒径为10Lm;该工艺的另一个优点是气体消耗量低。在同样的雾化效果下,Nanoval工艺的气体消耗量仅为紧耦合的1/3,自由落体式的1/7。因此这一工艺具有显著的经济性,并且适应于大多数金属粉末的生产。
但该雾化技术控制难度大,雾化过程不稳定,且产量小(金属质量流率小于1kg/min),不利于工业化生产。Nanoval公司正致力于这些问题的解决,据报道,目前已将金属质量流率提高至2kg/min,达到小批量生产的阶段[25],相信不久将进入工业化生产,将对传统的雾化技术产生深远的影响。
312 超声紧耦合雾化技术[26,27]
英国PSI公司对紧耦合环缝式喷嘴进行结构优化,一是使气流的出口速度超过声速,从而在较小的雾化压力下获得高速气流,如在215MPa压力下,氩气的喷出速度可达540m/s,气体消耗量小于5kg/min;二是增加金属液流的体积流率。通常在紧耦合雾化中,为了增加细粉的产率,需要降低金属液流的体积流率(小于015L/min),在超声紧耦合雾化技术中体积流率可以大于015L/min,这有利于工业化生产和降低生产成本。雾化高表面能的金属,如不锈钢,平均粒度可以达约20Lm,粉末的标准偏差最低可以降至115。而该技术的另一个优点是大大提高了粉末的冷却速度,可以产生快冷或非晶结构的粉末。PSI公司还结合导液管的优化设计,改进了粉末批量雾化过程中的可靠性和重复性。这些措施包括:加热导液管,以降低金属液流在导液管中冷凝的几率;在熔体表面加压,稳定金属液流的体积流率,从而使粉末粒度分布更窄和均匀;设计特殊形状的导液管,消除金属液体在导液管出口的凝固。
中南大学从英国PSI公司引进了具有上述特征的超声紧耦合雾化技术成套装备,目前已投入正常运行。从使用结果看,该设备和技术代表了紧耦合雾化技术的新的发展方向,且非常具有工业实用意义。可以广泛应用于微细不锈钢、铁合金、镍合金、铜合金、磁性材料、储氢材料等合金粉末的生产。
313 热气体雾化技术[28~30]
在气体雾化技术中,气体所具有的能量是决定雾化效率的决定因素。气体的性能如声速、马赫数、体积流率、韦伯数均影响气体的能量。而气流的速度是最具有影响力的因素,因为气体的动能与速度的平方成正比。因此,在雾化技术中均是以提高气流的出口速度为首要目标。从气体动力学的原理可知,气流的速度不仅与喷嘴的结构、压力、气体类型有关,而且还受气体温度的影响。当气体温度从室温增加至500e时,气流速度将增加一倍左右,如图4所示。因此提高雾化介质的温度将显著增加其动能。近年来,英国PSI公司和美国HJE公司分别研究了热气体的作用。HJE公司在1172MPa压力下将气体加热至200~400e,雾化银合金和金合金,结果显示粉末的平均粒径dm和标准偏差R均随着雾化气体温度的提高而明显降低。如纯银分别在40e和400e雾化时,dm和R分别从23165Lm和1163降至16190Lm和1154。而且研究发现:随着气体温度增加,气体发生膨胀,气体的质量流率减少,气体消耗量从119kg/min降为115kg/min。PSI公司采用500e热气体雾化了不锈钢和纯铜粉末,结果表明,粉末平均粒度分别可以从22Lm、15Lm降至15Lm、10Lm, 10Lm以下粉末的产率大于30%。作者单位从英国引进了这一技术,初步结果表明,热气体雾化细粉末明显提高,并且气体用量可以节约30%以上。
图4 气体流速与温度的关系[28]
与传统的雾化技术相比,热气体雾化技术可以提高雾化效率,降低气体消耗量,易于在传统的雾化设备上实现,是一个非常具有应用前景的技术。但热气体雾化技术由于受到气体加热系统和喷嘴的限制,仅有少数几家进行研究,对其雾化机理、喷嘴的设计、粉末性能和组织结构以及气体消耗量还很少有研究报告,这是热气体雾化技术重点需要研究的问题,也是评估热气体雾化技术的依据。
4 结束语
气体雾化已占据金属及合金粉末生产的主导地位。提高微细粉末的生产率,降低气体消耗量是国际上气体雾化技术发展方向。近年来我国的研究工作者对气体雾化技术也进行了大量的研究,取得了较大的进步。但在微细金属粉末(小于20Lm)收得率上仍有差距,关键技术仍然需要从国外引进。
雾化过程又是一个十分复杂的物理、化学过程,其作用机理至今仍不十分清楚,其研究没有现成的理论指导。由于雾化理论与机理的研究严重滞后,导致雾化的研究主要着重于工艺性研究,缺乏理论支持。有研究表明,雾化介质的能量转换率极低,是雾化效率不能有效提高的主要原因,如果能从理论上描述各种作用机理,从而从理论上指导雾化喷枪的设计,将使雾化技术有一个大的突破。这一研究也是粉末冶金领域的基础理论研究,应引起关注。
参考文献略
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