基于可控磁悬浮熔炼技术的金属粉末制备方法及装置制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种基于可控磁悬浮熔炼技术的金属粉末制备方法及装置。该方法包括下列步骤：使金属丝的一端匀速通过电磁场区域；金属丝在电磁场区域内升温熔化，并持续不断地形成金属液滴；金属液滴持续不断地滴入气雾化区域；高压高速惰性气体在气雾化区域内将金属液滴冲击打散，冷却，形成金属粉末。装置包括：真空腔体；设置在真空腔体内的一对滚轮，两个滚轮的轴向平行，两个滚轮的旋转方向相反，且两个滚轮的旋转面之间的缝隙与金属丝的直径相匹配；两端均开口的石英玻璃管，石英玻璃管的一端与金属丝出口连接，另一端依次连接气雾化喷嘴、粉末收集器；石英玻璃管外缠绕有线圈。本发明能稳定控制熔融金属液的流速，能够满足工业化生产需求。
【专利说明】基于可控磁悬浮熔炼技术的金属粉末制备方法及装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及悬浮熔炼领域，具体而言，涉及一种基于可控磁悬浮熔炼技术的金属粉末制备方法及装置。
【背景技术】
[0002]气雾化技术制备的粉末粒度细小、球形度高、氧含量低，目前是生产高性能球形金属粉末的重要方法。气雾化技术的生产原理是利用高压气体将高温熔化的金属雾化成细小的金属粉末。
[0003]通常气雾化制粉装置采用坩祸熔炼的方式，即先将金属在坩祸中熔融，再将熔融金属倾倒至导流装置中，从导流孔流出的金属熔液在高压高速气流的作用下迅速弥散形成微细粉末。该技术用于制备低熔点金属粉末是可行的，但是用来制备高熔点、活泼金属粉末还存在难以克服的问题。主要原因是活性较高的熔融金属在高温下与坩祸和导流装置接触后会发生化学反应，导致炉内烧蚀，金属纯度下降，因此无法进行工业生产。例如，钛及钛合金粉末的制备目前尚不能用气雾化技术来实现。为了解决该问题，现有技术中已出现了两种主要方式:冷坩祸悬浮熔炼和自悬浮熔炼。
[0004]冷坩祸悬浮熔炼技术可以实现熔炼过程中被熔融金属处于悬浮状态，但是在浇注过程中仍不能避免金属物料与坩祸的接触。而自悬浮熔炼技术可以始终保持熔融金属的非接触状态，但是无法稳定控制熔融金属液的流速，因而不能满足工业化生产需求。
[0005]有鉴于此，特提出本发明。
【发明内容】
[0006]本发明的第一目的在于提供一种基于可控磁悬浮熔炼技术的金属粉末制备方法，其可以稳定控制熔融金属液的流速，实现生产过程可控化，能够满足工业化生产需求。
[0007]本发明的第二目的在于提供一种基于可控磁悬浮熔炼技术的金属粉末制备装置，其适用于高熔点、活泼金属粉末的制备，可以稳定控制熔融金属液的流速，实现生产过程可控化，能够满足工业化生产需求。
[0008]为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案:
[0009]一种基于可控磁悬浮熔炼技术的金属粉末制备方法，用于将金属丝制备成金属粉末；其包括下列步骤:
[0010]使金属丝的一端勾速通过电磁场区域；
[0011]金属丝在电磁场区域内升温熔化，并持续不断地形成金属液滴；
[0012]金属液滴持续不断地滴入气雾化区域；
[0013]高压高速惰性气体在气雾化区域内将金属液滴冲击打散；
[0014]金属液滴被冲击打散后冷却，形成金属粉末；
[0015]上述所有步骤在真空条件下进行。
[0016]上述方法所用的原材料为金属丝形式，这样既容易控制进料的质量，也容易控制进料的速度。同时使金属丝的一端匀速通过电磁场区域，从而才可以持续不断地形成金属液滴，即以固定的速度形成金属液滴，该金属液滴再持续不断地滴入气雾化区域，在高压高速惰性气体的作用下雾化为金属粉末。由此可见，通过控制金属丝进入电磁场区域的速度就可以获得所需的稳定持续的金属液流，最终以一定生产效率获得金属粉末。
[0017]一种基于可控磁悬浮熔炼技术的金属粉末制备装置，包括:
[0018]真空腔体，真空腔体设有抽气口和金属丝出口，抽气口连接真空抽气装置；
[0019]设置在真空腔体内的一对滚轮，两个滚轮的轴向平行，两个滚轮的旋转方向相反，且两个滚轮的旋转面之间的缝隙与金属丝的直径相匹配；两个所述滚轮的旋转面之间的缝隙与所述金属丝出口相通；
[0020]两端均开口的石英玻璃管，石英玻璃管的一端与金属丝出口连接，另一端依次连接气雾化喷嘴、粉末收集器；
[0021]石英玻璃管外缠绕有线圈。
[0022]上述装置与上文所述的基于可控磁悬浮熔炼技术的金属粉末制备方法的技术原理相同，具体为:在真空腔体内，将金属丝的一端穿过两个滚轮之间的缝隙，随着两个滚轮的旋转，金属丝被带动进入石英玻璃管内；由于石英玻璃管外缠绕有线圈，因此石英玻璃管内为电磁场区域，金属丝最先进入该区域的一端升温熔化并形成一定体积和质量的悬浮金属熔包，在持续进料并熔化的过程中，金属熔包不断长大，直到其底部所承受的重力大于该位置的表面张力时，金属液体向下滴落，控制进料速率和滴落速率一致，则形成稳定持续的金属液流。这种金属液流可以是滴流，也可以是连续注流，当金属液滴通过气雾化喷嘴时，在气流焦点位置附近被高压高速惰性气体冲击打散，迅速弥散并冷却成为微细粉末，粉末落入粉末收集器中。上述整个过程全部为非接触状态，控制滚轮的旋转速度即可产生稳定持续的金属液流。
[0023]进一步地，真空腔体内还设有进丝导套和出丝导套；金属丝在两个滚轮的带动下，依次穿过进丝导套、两个滚轮之间的缝隙、出丝导套和金属丝出口。
[0024]进一步地，进丝导套、出丝导套和石英玻璃管的轴线共线。
[0025]进一步地，真空腔体内还设有辊轴，金属丝缠绕于辊轴上。
[0026]进一步地，线圈沿石英玻璃管的长度方向依次分为:预热线圈、平衡加热线圈和悬浮控制线圈；
[0027]预热线圈用于对金属丝初步加热；
[0028]平衡加热线圈用于对金属丝进一步加热，使熔融的金属悬浮；
[0029]悬浮控制线圈用于提供一个V字形的漏斗磁场约束空间。
[0030]进一步地，粉末收集器的底部设有阀门。
[0031]进一步地，石英玻璃管内设有温度传感器。
[0032]进一步地，真空腔体和粉末收集器均设有观察窗口。
[0033]进一步地，真空腔体内和粉末收集器内均设有温度传感器、压力传感器。
[0034]与现有技术相比，本发明的有益效果为:
[0035](I)通过进丝导套和出丝导套约束金属丝，可以对金属丝更精准定位，提高进料效率。
[0036](2)进丝导套、所述出丝导套和所述石英玻璃管的轴线共线时，可以使金属丝处于直线状态，张紧力提高，送料效率更高，单位时间内的熔化质量更加均一。
[0037](3)通过辊轴缠绕金属丝，可进一步提高金属丝的张紧力，控制辊轴的旋转速度，使其与滚轮的旋转速度一致，可以实现整个进料过程自动化。
[0038](4)将线圈设置成预热线圈、平衡加热线圈和悬浮控制线圈三部分，既可以提高熔化速率，又可以改善悬浮效果。其中，所述预热线圈用于对金属丝初步加热；所述平衡加热线圈用于对金属丝进一步加热，使熔融的金属悬浮；所述悬浮控制线圈用于提供一个V字形的漏斗磁场约束空间，以提供足够悬浮力。
[0039](5)粉末收集器的底部设有阀门，方便将产品运出。
[0040](6)石英玻璃管内、真空腔体内和所述粉末收集器内设置温度传感器或压力传感器，方便实时测量监控。
[0041](7)通过真空腔体和粉末收集器上的观察窗口实现可视化。
【专利附图】
【附图说明】
[0042]为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，以下将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
[0043]图1为实施例2提供的基于可控磁悬浮熔炼技术的金属粉末制备装置的结构示意图；
[0044]图2为实施例3提供的基于可控磁悬浮熔炼技术的金属粉末制备装置的结构示意图；
[0045]图3为图2的局部A的放大图；
[0046]附图标记:
[0047]1-金属丝；2_抽气口 ；3-滚轮；4_石英玻璃管；5-线圈；6_金属丝出口 ；7-金属熔包；8_气雾化喷嘴；9_金属粉末；10-真空腔体；11-粉末收集器；12-金属液流；13_阀门；14-密封头；15-进丝导套；16-出丝导套；
[0048]501-预热线圈；502_平衡加热线圈；503_悬浮控制线圈。
【具体实施方式】
[0049]下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
[0050]实施例1
[0051]一种基于可控磁悬浮熔炼技术的金属粉末制备方法，包括下列步骤:
[0052]第一步:使金属丝的一端勾速通过电磁场区域。
[0053]第二步:金属丝在电磁场区域内升温熔化，并持续不断地形成金属液滴。
[0054]第三步:金属液滴持续不断地滴入气雾化区域。
[0055]第四步:高压高速惰性气体在气雾化区域内将金属液滴冲击打散。
[0056]第五步:金属液滴被冲击打散后冷却，形成金属粉末。
[0057]上述所有步骤通常在真空条件下进行，这是因为通常金属能与空气中某些成分发生化学反应，组分改变。
[0058]上述方法适用于原材料为金属丝的生产，采用金属丝既容易控制进料的质量，也容易控制进料的速度。具体地，金属丝的一端匀速通过电磁场区域才可以持续不断地形成金属液滴，即以固定的速度形成金属液滴，该金属液滴再持续不断地滴入气雾化区域，在高压高速惰性气体的作用下雾化为金属粉末。其中，调整进料速度(即金属丝的进料速度)，使其适应电磁场区域的磁场强度，即可获得稳定持续的金属液流，从而获得可控的生产效率，满足工业化生产需求。
[0059]上述方法可以通过多种装置实现，例如以下实施例2和3。
[0060]实施例2
[0061]一种基于可控磁悬浮熔炼技术的金属粉末制备装置，如图1所示，包括:
[0062]真空腔体10，真空腔体10设有抽气口 2和金属丝出口 6，抽气口 2连接真空抽气装置；
[0063]设置在真空腔体10内的一对滚轮3，两个滚轮3的轴向平行，两个滚轮3的旋转方向相反，且两个滚轮3的旋转面之间的缝隙与金属丝I的直径相匹配；两个滚轮3的旋转面之间的缝隙与金属丝出口相通；
[0064]两端均开口的石英玻璃管4，石英玻璃管4的一端与金属丝出口连接，另一端依次连接气雾化喷嘴8、粉末收集器11 ；
[0065]石英玻璃管4外缠绕有用于恪融金属丝和悬浮金属液滴的线圈5。
[0066]上述装置与上文所述的金属粉末制备方法的技术原理相同，均可用于制备高熔点、活泼性金属粉末，例如可制备熔点为1000-2500°C的金属，尤其适用于制备钛及钛合金粉末。具体工作原理为:
[0067]启动真空抽气装置，将真空腔体10、石英玻璃管4和粉末收集器11组成的密闭空间抽成高真空状态(具体真空度可根据金属种类及纯度要求适当调整)；在真空腔体10内，将金属丝I的一端穿过两个滚轮3之间的缝隙，随着两个滚轮3的旋转，金属丝I被带动穿过金属丝出口 6进入石英玻璃管4内；由于石英玻璃管4外缠绕有线圈5，因此在内部形成一个电磁场区域，金属丝I最先进入该区域的一端升温熔化并形成一定体积和质量的悬浮金属熔包7，在持续进料并熔化的过程中，金属熔包7不断长大，直到其底部所承受的重力大于该位置的表面张力时，金属液体向下滴落，控制进料速率和滴落速率一致，则形成稳定持续的金属液流12。这种金属液流12可以是滴流，也可以是连续注流，当金属液滴通过气雾化喷嘴8时，在气流焦点位置附近被高压高速惰性气体冲击打散，迅速弥散并冷却成为微细金属粉末9，粉末落入粉末收集器11中。上述整个过程全部为非接触状态，并且可以产生稳定持续的金属液流12。
[0068]其中，可以为滚轮3增加过载保护，提高装置安全性。
[0069]需要说明的是，上述装置中的石英玻璃管4也可用其它材质替代，只要满足以下条件:不导电，耐高温，不易与金属发生化学反应。
[0070]实施例3
[0071]一种基于可控磁悬浮熔炼技术的金属粉末制备装置，如图2和3所示，包括:
[0072]真空腔体10，真空腔体10设有抽气口 2和金属丝出口 6，抽气口 2连接真空抽气装置；
[0073]真空腔体10内设有辊轴、进丝导套15、出丝导套16和一对滚轮3，两个滚轮3的轴向平行，两个滚轮3的旋转方向相反，且两个滚轮3的旋转面之间的缝隙与金属丝I的直径相匹配；进丝导套15、出丝导套16和石英玻璃管4的轴线共线；金属丝I缠绕于辊轴上，缠绕于辊轴上的金属丝I在两个滚轮3的带动下，依次穿过进丝导套15、两个滚轮3之间的缝隙、出丝导套16和金属丝出口 6 ；
[0074]两端均开口的石英玻璃管4，石英玻璃管4的一端与金属丝出口连接，另一端依次连接气雾化喷嘴8、粉末收集器11 ；
[0075]石英玻璃管4外缠绕有线圈5 ;线圈5沿石英玻璃管4的长度方向依次分为:预热线圈501、平衡加热线圈502和悬浮控制线圈503 ;预热线圈501用于对金属丝I初步加热；平衡加热线圈502用于对金属丝I进一步加热，使熔融的金属悬浮；悬浮控制线圈503用于提供一个V字形的漏斗磁场约束空间。
[0076]另外，粉末收集器11的底部设有阀门13。石英玻璃管4内、真空腔体10内和粉末收集器11内均设有温度传感器、压力传感器。真空腔体10和粉末收集器11均设有观察窗
□ O
[0077]与实施例2相比，本实施例还具有以下技术效果:
[0078](I)进料更加自动化、精准化，主要体现在以下几点:
[0079]通过辊轴缠绕金属丝1，可进一步提高金属丝I的张紧力，控制辊轴的旋转速度，使其与滚轮3的旋转速度一致，可以实现整个进料过程自动化；还可以避免断丝故障；
[0080]通过进丝导套15和出丝导套16约束金属丝1，可以对金属丝I更精准定位，提高进料效率；
[0081]进丝导套15、出丝导套16和石英玻璃管4的轴线共线时，可以使金属丝I处于直线状态，张紧力提高，送料效率更高，单位时间内的熔化质量更加均一。应当注意地，进丝导套15、出丝导套16的内径通常与金属丝I的直径相匹配。
[0082]以上结构工作时，辊轴的电机采用变速驱动，滚轮3采用恒速驱动，工作会更稳定。
[0083](2)提升加热效率和悬浮效果:
[0084]通过预热线圈501和平衡加热线圈502两步加热提高加热效率；而悬浮控制线圈503能够提供一个V字形的漏斗磁场约束空间，提升悬浮效果。
[0085](3)出料更方便:
[0086]粉末收集器11的底部设有阀门13，方便将产品运出。另外，粉末收集器11还可以再设置一个密封头14，以提高密封效果。
[0087](4)实现实时监控:
[0088]通过真空腔体10和粉末收集器11上的观察窗口实现可视化；利用设置的温度传感器或压力传感器实时测量装置内的温度、压力等。
[0089]由此可见，实施例3提供的装置更容易实现质量控制。当然，在此基础上，也可进一步改进，以提高产品质量或生产效率。例如，增加冷却结构(水冷结构等)，用于冷却线圈、粉末收集器等；或者本领域其它常规的机械构件。
[0090]尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，在不背离本发明的精神和范围的情况下可以作出许多其它的更改和修改。因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些变化和修改。
【权利要求】
1.一种基于可控磁悬浮熔炼技术的金属粉末制备方法，其特征在于，用于将金属丝制备成金属粉末；其包括下列步骤: 使金属丝的一端勾速通过电磁场区域； 所述金属丝在所述电磁场区域内升温熔化，并以固定的速度持续不断地形成金属液滴； 所述金属液滴持续不断地滴入气雾化区域； 高压高速惰性气体在所述气雾化区域内将所述金属液滴冲击打散； 所述金属液滴被冲击打散后冷却，形成金属粉末； 上述所有步骤在真空条件下进行。
2.一种基于可控磁悬浮熔炼技术的金属粉末制备装置，其特征在于，包括: 真空腔体，所述真空腔体设有抽气口和金属丝出口，所述抽气口连接真空抽气装置；设置在所述真空腔体内的一对滚轮，两个所述滚轮的轴向平行，两个所述滚轮的旋转方向相反，且两个所述滚轮的旋转面之间的缝隙与金属丝的直径相匹配；两个所述滚轮的旋转面之间的缝隙与所述金属丝出口相通； 两端均开口的石英玻璃管，所述石英玻璃管的一端与所述金属丝出口连接，另一端依次连接气雾化喷嘴、粉末收集器； 所述石英玻璃管外缠绕有线圈。
3.根据权利要求2所述的基于可控磁悬浮熔炼技术的金属粉末制备装置，其特征在于，所述真空腔体内还设有进丝导套和出丝导套；金属丝在两个所述滚轮的带动下，依次穿过所述进丝导套、两个所述滚轮之间的缝隙、所述出丝导套和所述金属丝出口。
4.根据权利要求3所述的基于可控磁悬浮熔炼技术的金属粉末制备装置，其特征在于，所述进丝导套、所述出丝导套和所述石英玻璃管的轴线共线。
5.根据权利要求2所述的基于可控磁悬浮熔炼技术的金属粉末制备装置，其特征在于，所述真空腔体内还设有辊轴，金属丝缠绕于所述辊轴上。
6.根据权利要求2所述的基于可控磁悬浮熔炼技术的金属粉末制备装置，其特征在于，所述线圈沿所述石英玻璃管的长度方向依次分为:预热线圈、平衡加热线圈和悬浮控制线圈； 所述预热线圈用于对金属丝初步加热； 所述平衡加热线圈用于对金属丝进一步加热，使熔融的金属悬浮； 所述悬浮控制线圈用于提供一个V字形的漏斗磁场约束空间。
7.根据权利要求2所述的基于可控磁悬浮熔炼技术的金属粉末制备装置，其特征在于，所述粉末收集器的底部设有阀门。
8.根据权利要求2所述的基于可控磁悬浮熔炼技术的金属粉末制备装置，其特征在于，所述石英玻璃管内设有温度传感器。
9.根据权利要求2所述的基于可控磁悬浮熔炼技术的金属粉末制备装置，其特征在于，所述真空腔体和粉末收集器均设有观察窗口。
10.根据权利要求2所述的基于可控磁悬浮熔炼技术的金属粉末制备装置，其特征在于，所述真空腔体内和所述粉末收集器内均设有温度传感器、压力传感器。
【文档编号】B22F9/08GK104493189SQ201510012973
【公开日】2015年4月8日 申请日期:2015年1月9日 优先权日:2015年1月9日
【发明者】龚伟志, 赵午云, 孙伟, 孙静 申请人:中国久远高新技术装备公司