分离导电液体的方法以及装置与流程

分离导电液体的方法以及装置
1.本发明关于一种分离、即雾化或喷雾导电液体的方法以及装置。导电液体的雾化是用于分离导电液体成多个微滴。特别地，依据本发明的方法以及装置可用于藉雾化或喷雾一熔体喷流来生产高纯度球形金属粉末。


背景技术：

2.由当前最新技术已知的生成雾化(atomized)微滴的方法以及装置经常以惰性气体雾化液体或液化材料为基础。实际上，特别地在金属粉末生产的领域中已知此等方法。此中，金属或金属合金熔体的熔体喷流(melt jet)是藉由惰性气体喷嘴提供且雾化。
3.此类金属粉末生产方法的一缺点是惰性气体的高消耗量、及关联的高作业成本。
4.因此，本发明的一目的是克服当前最新技术的缺点。特别地，本发明的一任务是提供一种用于分离导电液体、特别地一熔体喷流的方法以及装置，使得可能降低作业成本。
5.此等目的是藉一种依据独立权利要求的分离导电液体的方法以及装置解决。上述方法以及装置的选用及具体实施例是以下附属权利要求及说明的标的。


技术实现要素：

6.分离一导电液体、特别地一熔体喷流的方法包括提供呈液体喷流形式在一第一方向上运动的导电液体的步骤。
7.在本发明的背景中，分离(splitting)意指雾化(atomizing)或喷雾(spraying)导电液体。在此，液体喷流(liquid jet)是指连续液体喷流、或至少一连串紧密接连液滴。液体喷流在第一方向上、大致沿液体喷流的一流动中心轴(stream center axis)运动。特别地，导电液体可为呈熔体喷流形式的金属或金属合金熔体。然而，依据本发明的方法以及装置并非以雾化金属熔体为限，而可用于雾化可被行进电磁场影响的任何导电液体。
8.依据本发明的方法的又一步骤是生成围绕液体喷流的多个高频行进电磁场，上述高频行进电磁场在第一方向上行进且在第一方向上加速液体喷流，从而雾化液体喷流。
9.更明确地，在第一方向上行进的高频行进电磁场可因其环绕液体喷流周围的配置，而较液体喷流的内层更加速液体喷流的外层。高频行进电磁场在液体喷流的外层中生成强力切向分量，这特别地且大致地加速外层。这导致液体喷流中具有大速度梯度的一临界速度分布(critical velocity profile)，可在纵剖面中表现为液体喷流中的一u型速度分布。特别地，层流管流(laminar pipe flow)的速度分布可大致反转(reversed)成u型速度分布。相较于围绕液体喷流的压力，液体喷流内的压力突然地或忽然地增加，使得液体喷流因压力差而碎裂或雾化。雾化或喷出造成液体喷流碎裂成多个细带(ligaments)，因此生成所需的多个微粒。除液体喷流内的压力增加以外，液体喷流亦可过热。
10.对比于习知雾化方法，依据本发明的方法容许一均质液体喷流(譬如：熔体喷流)被高频行进电磁波雾化。无需为此引进任何惰性气体，这意谓上述方法的作业成本可降低。
11.在一具体实施例中，高频行进电磁场可具有一交流频率，交流频率为至少0.1百万赫兹、较佳地至少1百万赫兹、更佳地至少10百万赫兹、又更佳地至少100百万赫兹。例如，行
进电磁场可具有介于0.1百万赫兹与100百万赫兹之间的交流频率。交流频率可依据进一步方法参数、特别地根据待雾化的液体喷流的材料及/或待生成的微粒或微滴的大小而调整。
12.依据一具体实施例，高频行进电磁场可藉由一线圈总成生成，线圈总成具有至少一个极对(pole pair)、较佳地具有多个极对。例如，线圈总成可包括至少二个极对、更佳地至少三个极对、甚佳地至少四或更多个极对。在具有多个极对的线圈总成的情况下，每一极对可皆沿流动中心轴而与相邻极对平行配置。线圈总成可被控制，使得高频行进电磁场在第一方向上行进、即大致在第一方向上运动。
13.在一具体实施例中，上述方法的又一步骤可为，围绕液体喷流生成一气流，气流大致在第一方向上运动且在第一方向上进一步加速液体喷流。待使用的气体较佳地是一惰性气体，譬如氩。气体可处于高压力，譬如介于0帕斯卡与10百万帕斯卡之间、较佳地介于0.1百万帕斯卡与5百万帕斯卡之间。气流可藉由一惰性气体喷嘴生成。除了高频行进电磁场之外，上述气流可与高频行进电磁场联合，以叠加加速度形式冲击液体喷流。气流可与线圈总成同时、时间及/或空间在线圈总成之前、及/或时间及/或空间在线圈总成之后，加速液体喷流。气流通过剪应力作用于液体喷流上。是以，藉由高频行进电磁场及藉由气流，设定液体喷流中的临界速度分布(u型速度分布)及因此高内压力，藉以使液体喷流有效地雾化。由于雾化不仅由气流造成，且亦与行进电磁场协同，因此尽管额外施加一气流，仍可较习知喷出方法降低气体消耗量。
14.惰性气体喷嘴可为一拉瓦(laval)喷嘴。
15.在一具体实施例中，高频行进电磁场可藉由一整合于惰性气体喷嘴中的线圈总成生成。在此情况下，液体喷流可藉由气流与高频行进电磁场大致同时地加速。
16.在一具体实施例中，高频行进电磁场可藉由沿流动中心轴安装于惰性气体喷嘴上游或下游的一线圈总成生成。在此情况下，藉高频行进电磁场及气流而成的液体喷流加速，至少部份地一个接一个地作用于液体喷流或至少部份地已雾化液体喷流上。
17.在一具体实施例中，液体喷流可藉由通过一环形喷嘴引进的又一气流而雾化。上述又一气流可对液体喷流或至少部份地雾化液体喷流具有一类似脉冲或类似冲击的效应。惰性气体亦可作为用于此目的的气体，譬如氩。环形喷嘴可位于沿流动中心轴观看时的线圈总成下游。沿流动中心轴观察时，环形喷嘴可安装于惰性气体喷嘴下游。
18.上述方法可特别地为电极感应熔化(惰性)气体雾化方法(eiga，electrode induction melting(inert)gas atomization)，或可用于电极感应熔化(惰性)气体雾化(eiga)方法中。上述方法可为真空感应熔化结合惰性气体雾化方法(viga，vacuum induction melting combined with inert gas atomization)、等离子体熔化感应引导气体雾化方法(piga，plasma melting induction guiding gas atomization)、冷坩埚感应熔化方法(ccim，cold crucible induction melting)、或任何用于粉末生产的其他方法。
19.液体喷流可特别地藉由以一锥形感应线圈熔化一垂直地悬置旋转电极而生成。为此，电极在感应线圈的方向上连续地运动，以被熔化或熔脱而无接触。电极环绕其纵轴的旋转运动可确保电极的均匀熔化。电极的熔化及生成熔体喷流的雾化可在真空下或在惰性大气中完成，以避免熔化材料譬如与氧的非期望反应。电极感应熔化(惰性)气体雾化(eiga)方法可用于无陶瓷生产高纯度金属或贵重金属粉末，譬如钛、锆、铌、及钽合金的粉末。
20.在一具体实施例中，上述方法可更包括冷却雾化液体喷流以生成多个固化、特别
地球形粒子的步骤。冷却可在局部冷却条件下实施。冷却亦可藉一冷却装置主动地影响，尤其是整合于一收集容器中的冷却装置。
21.本发明的又一构想有关于一种分离导电液体、特别地熔体喷流的装置。上述装置包括一液体源及一线圈总成，液体源是用于提供在一第一方向上运动的导电液体的一液体喷流，线圈总成具有至少一个极对，位在液体源关于液体喷流运动方向的下游且与液体喷流关于一流动中心轴同轴地配置。线圈总成调整成适应于生成围绕液体喷流且在第一方向上行进的多个高频行进电磁场，以藉由高频行进电磁场在第一方向上加速液体喷流，且从而雾化液体喷流。
22.上述装置可调整成适应于执行上述用于分离导电液体的方法。
23.依据一具体实施例，用于生成高频行进电磁场的线圈总成可包括多个极对。例如，线圈总成可包括至少二个极对、更佳地至少三个极对、又更佳地至少四个或更多个极对。多个极对的每一极对可皆沿液体喷流的流动中心轴而与相邻极对平行配置。线圈总成可被驱动，使得高频行进电磁场在第一方向上依一既定速度行进，即大致在第一方向上依既定速度行进。
24.在一具体实施例中，高频行进电磁场可具有一交流频率，交流频率至少0.1百万赫兹、较佳地至少1百万赫兹、较佳地至少10百万赫兹、更佳地至少100百万赫兹。例如，行进电磁场可具有介于0.1百万赫兹与100百万赫兹之间的交流频率。交流频率可依据进一步方法参数、特别地根据待雾化的液体喷流材料及/或待生成的微粒或微滴的大小而被调整或调整。
25.依据一具体实施例，装置可包括一惰性气体喷嘴，设计成生成围绕液体喷流且大致在第一方向上运动的气流，以藉由气流在第一方向上额外地加速液体喷流。气流可为惰性气体流，其中譬如氩可用作为惰性气体。
26.气流可藉呈一拉瓦(laval)喷嘴的一惰性气体喷嘴生成。
27.在一具体实施例中，线圈总成可配置或整合于惰性气体喷嘴中。线圈总成与惰性气体喷嘴可彼此同轴地配置。在此情况下，液体喷流可藉由气流且藉由高频行进电磁场大致同时地加速。
28.在一具体实施例中，线圈总成可配置于惰性气体喷嘴沿流动中心轴观看的上游或下游。在此情况下，藉由高频行进电磁场及气流的液体喷流加速，至少部份地一个接一个地作用于液体喷流或至少部份地已雾化液体喷流上。
29.由于惰性气体喷嘴的配置，除了高频行进电磁场之外，气流可与高频行进电磁场协同，以叠加加速度形式冲击液体喷流。是以，液体喷流中的临界速度分布可藉由高频行进电磁场及气流而调整，以有效地雾化液体喷流。由于雾化不仅由气流达成，且与行进电磁场联合，因此尽管额外施加一气流，仍可较习知喷嘴装置降低气体消耗量。
30.在一具体实施例中，装置可包括一环形喷嘴，其中环形喷嘴设计成，藉由通过环形喷嘴引进的又一气流，额外地雾化液体喷流。环形喷嘴可被架设以藉由对液体喷流或至少部份地已雾化液体喷流的一脉冲(impulse)，而进一步雾化液体喷流或至少部份地已雾化液体喷流。亦可为此使用惰性气体，譬如氩。环形喷嘴可位于沿流动中心轴观看时的线圈总成下游。环形喷嘴可位于当沿流动中心轴观看时的惰性气体喷嘴下游。
31.在具有单一惰性气体喷嘴及单一环形喷嘴的一具体实施例中，此二个喷嘴可设计
于单一喷嘴配置中。喷嘴配置可呈单一件。
32.在具有一惰性气体喷嘴及一环形喷嘴的一具体实施例中，待生产的粉末的品质及/或粒子大小，可被线圈总成、惰性气体喷嘴、及环形喷嘴的交互作用及调整所影响。
33.在一具体实施例中，液体源可为一熔体喷流源，特别地呈一电极。在一具体实施例中，液体喷流可为一熔化电极材料的熔体喷流。电极可为一垂直地悬置、可旋转的电极。例如，电极可包括钛、钛合金、锆基、铌基、镍基、或钽基合金、贵金属或贵金属合金、铜或铝合金、特殊金属或特殊金属合金，或者由上述者组成。电极可具有大于50毫米及达150毫米的直径，以及大于500毫米及达1000毫米的长度。
34.又，装置可包括一锥形感应线圈，与电极同轴且位于电极的下方端的区域中，及调整成适应于熔化电极以生成熔体喷流。为此，电极可在感应线圈的方向上连续地位移。电极及感应线圈可位于一外壳中，其中真空或惰性大气施加至外壳。
35.在一具体实施例中，装置可包括一雾化塔，用于冷却且固化雾化液体喷流。此雾化塔可连接至外壳，且亦可供应真空或惰性大气。线圈总成、及倘有装配时的惰性气体喷嘴亦可位于外壳中，在与雾化塔连接的区域中。雾化塔可配备有一冷却装置，以主动地冷却雾化液体喷流及因此依针对性方式影响粒子形成。
36.装置可为一电极感应熔化(惰性)气体雾化(eiga)系统，或可装设于一电极感应熔化(惰性)气体雾化系统中。
37.尽管仅关于本发明的方法来说明某些构想及特征，然此等者可相应地应用至装置及具体实施例，且反之亦然。
附图说明
38.以下将参考随附示意图式更详细地解说本发明的具体实施例。描绘出：
39.图1显示依据本发明的方法的作业模式的示意图。
40.图2显示藉由一拉瓦(laval)喷嘴的喷出方法的作业模式的示意图。
41.图3显示在电极感应熔化(惰性)气体雾化(eiga)方法中，依据本发明的方法的作业模式的示意图。
具体实施方式
42.图1是以纵剖面显示导电液体的液体喷流10的剖面。在本范例中，液体喷流10是大致一金属熔体的连续熔体喷流。从液体源(未显示)起，液体喷流10沿其流动中心轴a在第一方向12上运动。在所示的图1中，液体喷流10因重力而从顶部落至底部。
43.液体喷流10通过装置20，以雾化液体喷流10。在图式所示的设计范例中，装置20包括线圈总成22，线圈总成22具有三个极对24a、24b、24c。请了解，在另一选择设计范例中，线圈总成可具有多于或少于三个的极对。线圈总成22是在未显示出的液体源的沿运动方向的下游，且上述绕组是彼此平行配置且与液体喷流10同轴。
44.个别独立的极对24a、24b、24c可被一个接一个地控制，使得多个相变化及藉此高频行进电磁场将生成。相变化的顺序是藉编号阐明作为范例。高频行进电磁场可譬如具有介于0.1与100百万赫兹之间的交流频率。
45.高频行进电磁场亦因相变化而在第一方向12上运动。由于环绕液体喷流10的线圈总成22的绕组的配置，藉高频行进电磁场生成而具有强力切向分量的劳仑兹(lorentz)力26主要冲击液体喷流10的外层，且额外地在第一方向12上加速外层。是以，液体喷流10的外层较液体喷流10的内层更强力地被加速，导致在液体喷流中具有大速度梯度的临界速度分布。图示液体喷流内的速度分布、在液体喷流传开期间的速度是藉箭头vm表现，其中较长箭头指示较高速度，且较短箭头指示较低速度(为了清晰，仅单一箭头标记有元件符号vm)。在纵剖面中，液体喷流10从线圈总成22离去处的临界速度分布显示如u型速度分布28。液体喷流10内的大速度梯度将增加液体喷流10内的压力。这导致液体喷流10内高压力与围绕液体喷流的远较低压力之间的一大压力差。压力差造成液体喷流10分解成多个细带，即液体喷流10雾化成多个微粒。微粒可譬如具有介于20微米与100微米之间的平均粒子大小或平均粒子直径d50。
46.图2是以纵剖面显示金属熔体的熔体喷流110的剖面。熔体喷流110是藉由惰性气体喷出方法或拉瓦(laval)喷出而雾化。熔体喷流110通过一惰性气体喷嘴120的一开口，以进入一雾化塔(未显示)。
47.对比于图1中所示的方法，图2中所示方法中的熔体喷流110的临界速度分布是藉一惰性气体流122生成。惰性气体流122是以一高速度vg流通过惰性气体喷嘴120而进入雾化塔中。由于熔体喷流110是通过惰性气体喷嘴120中心，因此惰性气体流122围绕熔体喷流110且通过剪应力作用于熔体喷流110的外层上。熔体喷流110的外层因此较熔体喷流110的内层在第一方向12上更强力地加速。如此将生成熔体喷流110内的一临界速度分布128，且当熔体喷流110离开惰性气体喷嘴120或进入相连接的雾化塔后，雾化熔体喷流110。
48.图3显示在一电极感应熔化(惰性)气体雾化(eiga)方法中，依据本发明的程序的作业模式的示意图，或者在一电极感应熔化(惰性)气体雾化(eiga)工厂200中，依据本发明的装置20的一剖视图的一剖面。与图1中相同的组件及特征具有相同参考符号。
49.如可在图3中看出，图式所示设计范例中的线圈总成22是整合入一惰性气体喷嘴30中，惰性气体喷嘴设计成拉瓦(laval)喷嘴形式。图3因此显示本发明的一具体实施例，包括图1及图2中所示方法的组合。这造成意外的协同效果，可导致进一步改善的雾化。
50.线圈总成22与惰性气体喷嘴30是同轴地配置，其中线圈总成22分别圈绕(enclose)惰性气体喷嘴30及惰性气体喷嘴30内部。惰性气体流32流动漫过惰性气体喷嘴30，依层流(laminar)方式加速由数个接连液滴组成的液体喷流10(与图2类似)。此经由惰性气体喷嘴30或经由惰性气体流32的层流加速(与图2类似)是与导电液体喷流10经由线圈总成22的电磁加速(与图1类似)叠加。
51.上述二加速协同冲击液体喷流10，使得液体喷流在第一方向12上加速。此等叠加加速造成液体喷流10中的临界u型速度分布形成，与图1及图2的速度分布对应。如此生成的液体喷流10内的大速度梯度将增加液体喷流10内的压力，导致液体喷流10内的高压力与围绕液体喷流的远较低压力之间的一大压力差。上述压力差造成液体喷流10分解成多个细带，即液体喷流10雾化成多个微粒。
52.亦如图3中所示，液体喷流10是藉所谓电极感应熔化(惰性)气体雾化(eiga)方法生成。为此，一电极感应熔化(惰性)气体雾化(eiga)线圈40或一感应线圈40是安装于线圈总成22及惰性气体喷嘴30前方。感应线圈40是与线圈总成22及惰性气体喷嘴30同轴地配
置。感应线圈40当在第一方向12上观看时是呈锥度(tapered)，即感应线圈40当在第一方向12上观看时具有递减的直径。
53.一电极42是与感应线圈40同轴地设置，且至少部份地在感应线圈40前方，电极42是藉由感应线圈40熔脱(melted off)，以生成液体喷流10。图式所示的电极可譬如由钛、钛合金、以锆、铌、镍、或钽为基础的合金、贵重金属或贵重金属合金、铜或铝合金、特殊金属或特殊金属合金组成。电极42悬置于上方端(未显示)处，且可在第一方向上、即线圈总成22及惰性气体喷嘴30的配置方向上轴向地位移。这容许电极42在熔化电极42期间连续地循轨迹行进。
54.线圈总成22及惰性气体喷嘴30下游者是一环形喷嘴50，又一惰性气体流52可经由环形喷嘴50而引进整体总成。图式所示设计中的又一惰性气体流52类似脉冲或类似冲击地碰撞从线圈总成22及惰性气体喷嘴30出现的液体喷流10。当来自环形喷嘴50的又一惰性气体流52冲击出现的液体喷流时，出现的液体喷流10可能已经至少部份地雾化。藉又一惰性气体流52对液体喷流10或至少部份地雾化液体喷流10的冲击，液体喷流10将进一步喷出。
55.如图3中所示，线圈总成22、惰性气体喷嘴(拉瓦(laval)喷嘴)30、与环形喷嘴50可设计如一共同装置20。装置20可譬如呈单一件。
56.图3中所示的整体配置可接续一雾化塔，以冷却及固化上述雾化液体喷流，雾化塔在此仅象征地指示且未显示全部。雾化塔可包括一收集槽，用于收集固化的粉末。
57.请了解，为替代用于生成液体喷流的电极感应熔化(惰性)气体雾化(eiga)方法，可提供无坩埚方法或有坩埚方法，譬如真空感应熔化结合惰性气体雾化(viga)方法、等离子体熔化感应引导气体雾化(piga)方法、冷坩埚感应熔化(ccim)方法、或任何其他方法。缘是，在图3所示的系统中，为替代感应线圈，以上述及方法所需的一个或更多个装置可设于线圈总成上游。
58.请了解，在一具体实施例中，依据本发明的方法及依据本发明的装置亦可包括具有线圈总成的装置与环形喷嘴的一组合，而无惰性气体喷嘴。
59.藉由依据本发明的方法或依据本发明的装置，作业成本可藉节省惰性气体消耗量而特别地较习知惰性气体喷出方法降低。
60.符号说明
61.10
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液体喷流
62.a
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流动中心轴
63.12
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第一方向
64.20
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雾化液体喷流的装置
65.22
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线圈总成
66.24a,24b,24c 极对/绕组
67.26
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劳仑兹力
68.28
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u型速度分布
69.vmꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
液体喷流内的速度
70.ꢀꢀꢀ
相变化
71.30
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惰性气体喷嘴(拉瓦喷嘴)
72.32
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惰性气体流
73.40
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
感应线圈
74.42
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
电极
75.50
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
环形喷嘴
76.52
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
又一惰性气体流
77.110
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熔体喷流(目前技术水平)
78.120
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
惰性气体喷嘴(目前技术水平)
79.122
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惰性气体流(目前技术水平)
80.128
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
速度分布(目前技术水平)
81.200
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电极感应熔化(惰性)气体雾化工厂。