专利名称：利用再循环雾化气体生产雾化粉末的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用再循环气体如氦气，从熔融物流如熔融金属流生产雾化粉末的方法及装置。
US 5390533公开了一种对容器进行加压的方法和系统，用于整体测试含氦的气体，并且纯化该含氦气体以重新利用。用于纯化该含氦气流的方法包括干燥该气流；在膜分离器阶段将干燥后的气流分离成富含氦的渗透产品流和少氦的残液流；在膜汽提器阶段回收残液流中的氦，从而生产出吹扫物流；利用该吹扫物流从干燥器吹扫水。
US 4845334公开了一种用于调节并再循环用于等离子体加热炉的惰性气体的方法和系统。该方法包括的步骤有接收来自等离子体加热炉的气体，并将该气体冷却到所要求的温度。基本上除去该气体中的所有灰尘，然后利用油浸式螺杆压缩机将该气体压缩到所要求的压力。从气体中除去任何由压缩机引入的油，并且设置一个警报以给出高油位信号。基本上除去该气体中的所有水蒸汽，并且过滤该气体，除去所有残余的灰尘和小颗粒。监测该气体中水蒸汽和氧的含量。然后使该气体再循环回到等离子体加热炉中。
US 5377491公开了一种用于从至少一个光纤换热器中回收高纯度冷却剂气体的系统及方法，其特征在于利用压力、与流量调节或控制器件相结合的杂质和/或流率监测或变送元件，控制进出换热器的冷却剂气体的流量，以限制空气或其它气体渗透进入换热器的至少一个光纤通道中。也可以在光纤通道的至少一端使用密封元件，以进一步减少空气或其它气体渗入该通道内。由换热器出口得到的高纯度冷却剂气体被输送到换热器的入口。任选地，在输送到换热器入口之前，由换热器出口得到的冷却剂气体可以被冷却、过滤和/或纯化。
US 5158625公开了一种通过在与被处理制品接触的循环气体介质中使物体硬化而对物体进行热处理的方法，硬化气体通过换热器冷却其中用氦气作为硬化气体，并在保持压力的条件下，储存在缓冲容器中，其中在硬化操作结束时，在最后阶段利用泵达到一级真空，从处理装置中排出氦负荷，并利用与机械过滤器相连的压缩机使抽吸出的氦达到纯化压力，并将纯化压力下的氦送入纯化器中，在其中除去杂质，然后如果需要的话，在缓冲容器中将其重新压缩之后进行输送。
本发明一个目的是提供一种成本有效的、用于雾化加热炉的氦回收系统，以生产雾化粉末。
本发明的另一目的是提供一种带有氦回收系统的雾化加热炉，该系统脱除雾化加热炉排放的用后氦气中的污染物如O2、N2、H2O、CO、CO2、金属及金属盐。
(b)从用后雾化气体中除去颗粒；(c)将至少部分无颗粒的雾化气体加入纯化单元，除去所选定的杂质；以及(d)将纯化后的雾化气体重新循环回到雾化加热炉中。
雾化气体通常为惰性或基本上惰性的气体，如氩、氦或氮。某些雾化加热炉系统使用水或惰性气体的混合物。但特殊的粉末化金属的制造者不能使用水作为雾化气体，优选应该使用氦，这是由于它的惰性、好的导热性及高的声速。氦的声速大约比氩高三倍。如上文所述，更高的速度会形成更小、更圆的颗粒。来自雾化加热炉的用后氦气可能含有一种或多种污染物如氧、氮、水、一氧化碳、二氧化碳、氢、金属和/或金属盐。本发明的主题涉及一种循环雾化气体的系统，该系统将从来自雾化加热炉的用后雾化气体中除去一种或多种污染物。一个雾化加热炉通常由几个部件组成，如真空或感应炉，其中一批金属首先在一个耐火材料槽中被熔化，然后在一个雾化塔或雾化室中被雾化。然后熔融金属流过耐火材料槽，向下经过一个小喷嘴，在其中被气体雾化。随着在室内向下流，金属液滴被冷却。在某些情况下，在底部使用一个液化气浴，以提供进一步的冷却。使用氦可以允许简单得多或更灵活的设计。例如，对于任意特定的炉，雾化所花的时间可能只占一天的一小部分如少于一小时或两小时。如果气体成本大大降低的话，则可以改变该炉的设计，以达到连续熔化和雾化。所形成的炉可以大大减小，但却有更高的生产能力。
使用氦循环系统相对于氩循环系统具有经济上的优越性，这是由于氩与其它污染物的分离要比氦与相同污染物的分离难得多。氩循环系统最可能具有一个用于纯化的低温塔。与氦循环系统相比，低温塔及支持设备的使用是资金投入更大的。但雾化的应用可以使用带有膜、变温吸收剂(TSA)、变压吸附(PSA)和/或氧化铜技术的氩循环。纯化技术的选择取决于雾化器废气杂质及雾化器入口气体的特性。
通常熔融物料为金属如铁、钢、铜、镍、铝、镁、铅、锡、钛、钴、钒、钽及它们的合金或也可以用于生产非金属粉末，如利用氧化物和/或陶瓷材料作为熔融物流。
本发明还涉及一种利用以氦为基础的再循环气体的用于雾化粉末生产的装置，该装置包括至少一个雾化加热炉，该炉具有至少一个适于接收气体和熔融物料的入口和至少一个适于排放用后气体和粉末的出口；与至少一个雾化加热炉相连的颗粒去除单元，适于从用后气体中除去颗粒；一个在一端与颗粒去除单元相连、另一端与至少一个雾化加热炉的入口相连的纯化单元，该单元可操作以使以氦为基础的气体可以被循环回到雾化炉，用于连续生产雾化粉末。
发明的详细说明参照
图1，图示的氦回收系统给出了处理2500 lbs/hr熔融金属的金属雾化加热炉所需要的优选的预期流路及设备。图1给出的金属雾化加热炉20在大约1100psia的压力下，利用流率为4000SCFM的氦制备细粉。带有少量杂质和颗粒的氦气(通常＜2PPM杂质及＜1.5mg/m3)在低压下(通常为14.7-19.7psia)经管道22离开雾化加热炉，并通过阀23。不纯的氦气在换热器24中被冷却，并含有在布袋集尘室或旋风分离器25中可除去的颗粒。出口气体被冷却后，被输送到旋风分离器25，从而除去颗粒。旋风分离器25的尺寸确定应使平均粒度为大约10μm至大约200μm之间的颗粒能够从旋风分离器的底部除去。在一个典型的旋风分离器中，带有颗粒的排放气体沿切向进入旋风室，清洁气体经旋风分离器25顶部的中心开口离开。颗粒凭借自身的惯性，继续朝分离器壁外侧移动，从而沿分离器壁进入旋风分离器的底部。
然后无颗粒的气体进入低压接收器27(压力在大约14至大约20psia之间，优选在大约15至大约17psia之间)。低压接收器允许系统流量发生变化，但对回收系统或金属雾化加热炉具有很小的影响。有杂质的氦气经管道41进入压缩机29的吸入端，以增大氦回收系统的操作压力(通常为大约300至大约1600psia)。对于该实施例中所给出的回收系统，所需要的压力和流量通常为1250psia和4000SCFM。
压缩机的排出物流过管道30进入管道31和32。对于该实施例中所讨论的粉末化金属的应用来说，离开该炉的氦气中的杂质量较小(＜2PPM)。管道31通过大约总流量的10％或400SCFM经低温纯化单元33进行纯化。该低温纯化单元33含有处于液氮温度下的分子筛。该低温纯化单元33有效除去氢和氖以外的全部含量在PPM甚至PPB量级的气态杂质。纯氦经管道34离开低温纯化单元，重新加入到管道32内的主要气体流中。经管道30的流量由阀35控制。减小通过阀35的流量将增大通过管道31的流量。如果氧吸附不重要的话，则低温纯化单元33可以在液氧温度下操作，而如果需要除去一氧化碳或氢的二硫化物(hydrgen disulfide)的话，则可在达到200°K时操作。其它杂质如二氧化碳和水在室温下即可有效除去。
纯化后的高压氦32进入高压接收器36(压力在大约50psia到大约1600psia之间，优选在大约100psia到大约300psia之间)，然后经管道38进入金属雾化加热炉。高压接收器36将使由于流过氦回收系统的流量变化所引起的压力变化最小。
当加热炉由于除去粉末化金属或维修及因系统内泄漏而被打开时，在金属雾化及纯化单元33的再生过程中会产生氦的消耗。随着低压接收器27内的压力降到设定值以下，补充的氦经管道40由氦储罐39进入。低压接收器通常的设定值可以为大约15psia。随着回收系统内氦量的下降，压缩机29的吸入端将在低压接收器27中引起压降。
金属雾化加热炉应定期打开与大气相通。在加热炉被打开后，利用真空泵43通过管道42将炉室抽空。在抽空之前，将阀44打开，将加热炉的入口(未画出)和阀23关闭。利用真空泵43将炉室抽空，从加热炉中除去大部分空气(～10毫乇)。抽空之后，将阀44关闭，然后向加热炉中反向充氦(管道未画出)达到操作压力(如15psia)。在加热炉反向充氦完成后，将加热炉的入口20和阀23打开。在熔化开始之前，某些金属雾化系统不使用真空泵43，而是经氦回收系统吹扫或除去加热炉中的污染物。
氦回收系统可以在加热炉未操作时操作。通过流经管道45和阀46到管道47，氦旁路通过加热炉。当氦的质量不符合要求，并且需要在一批金属开始处理之前进行纯化时，或者如果意想不到的杂质负荷进入了回收系统，需要在进入加热炉之前将其除去时，则氦回收系统进行旁路操作。如果金属雾化需要可变的氦的流率，则加热炉旁路也可用于调节通过管道38进入加热炉的流量。经管道50从除油单元49可以将来自泵的油除去，并且经管道48进料。优选操作方式在最佳操作方式下，系统会从雾化器20中除去气体，并且经管道22通过冷却管板式换热器24和除去颗粒的旋风分离器25。无颗粒的气体将通过管道47和管道45，而缓冲罐27是不需要的。压缩机29可以是油浸式螺杆压缩机，其后为阀门活塞式(valve-in-piston)压缩机，二者可以分别将压力增大到大约190psig和大约1200psig。压缩后的气流经除油过滤后，在管道30中基本上为无烃气体。管道31中的流动元件控制阀35的开口，致使管道30中10％的体积流量经管道31到达低温吸附单元33。低温吸附单元33基本上除去氦中的全部杂质。纯氦在管道34中与管道32中通过阀35的氦流混合。管道32中的气流含有污染物，其含量低于气体规格所要求的值。气体注入平衡罐36的流率与经管道38流出平衡罐36的气体流率大致相同。管道38输送气体到达雾化器，该雾化器要求气体在最小压力1150psig下。所有过量气体可以通过管道45，经阀46进入管道47。平衡罐36和管道45中的压力控制着阀46。如果平衡罐36的压力高于1150psig，并且管道41中的压力低于0psig，则阀46打开。如果平衡罐36的压力低于1150psig，则管道41中的压力将继续降到0psig以下，而氦将从氦储罐39流过位于氦歧管51中的调节器。当氦回收系统处于未操作状态时，低温吸附单元33每周再生一次。在吸附单元内部的分子筛床可以被加热到200°F，然后随着氦通过该床层，对氦进行干燥并除去杂质。然后利用液氮将低温吸附单元33冷却到操作温度，然后待运行。在经管道38进入雾化器20的流动开始之前，应将氦回收系统设为操作状态。在氦回收系统起动时，气体将流经管道45和阀46，进入管道47。阀35应该遵从如上文所述相同的控制逻辑。
在本发明主题的另一个实施方案中，再循环的气体包括两种或多种气体如氩、氮和氦的混合物。但以氩或氮为基础的回收系统可能需要一台低温分离塔，以除去杂质。对于其中加热炉的排放压力太低的雾化应用，可以将一个鼓风机设在管道22或管道47中，以满足压缩机的吸入要求及换热器24和颗粒去除装置25中所经受的压降。对于其中需要高纯度氦的应用，则可以将低温纯化单元33从管道31和34中除去，而设在管道30中。
根据加热炉中纯度要求及来自加热炉的污染物负荷，可以用变温吸附(TSA)、变压吸附(PSA)或膜技术代替低温纯化单元33。根据来自加热炉的颗粒的不同粒度、危险性及总体积，颗粒去除装置25可以针对每种应用而变化。对于颗粒去除装置25的其它选择可以包括筒式过滤器、涤气器和旋风分离器，但不局限于这些。根据应用，换热器24可以设在颗粒去除装置25之前或之后。
在加热炉被打开用于除去粉末或进行维修之前，可以利用真空泵43除去加热炉20中剩余的氦。真空泵的排放物应该是无油和无颗粒的。滤油装置49可用于从真空泵43的排放物中除去烃和颗粒。如果真空泵43的排放物具有高的温度，则该排放物应被导入管道22。如果真空泵排放物的温度接近于环境温度，则将其导入管道47。缓冲罐27应具有必须的体积，以捕集抽出的气体。在这种情况下，真空泵43可以在压缩设备29未操作时进行操作。如果雾化器20的抽空与氦回收系统的操作时同时进行，则可不要缓冲罐27，但平衡罐36需要有多余的体积。
压缩机29可以分成两个压缩机。第一个压缩机使用一个不太昂贵的低压设计形式，如油浸螺杆式。然后将油浸螺杆式压缩机的排放物加入到比较昂贵的高压压缩机的吸入口。利用中间压力气体加入高压机的入口会大大缩小高压机器的尺寸。
表1公开了根据杂质种类及含量所定的纯化方法。第#1使用氧化铜吸气剂只除去氧。对于离开加热炉的只含有水杂质的气流，则在第2项下只需要干燥剂(TSA)来纯化氦。如果只有水和氧气存在，则在第3项下，氧化铜吸气剂和干燥剂可能是纯化氦的最经济的方法。第#4具有轻的来自雾化器的杂质负荷，只需要纯化总流量的10％。第#5、#6、#7和#8每个都增大了为维持氦的规定纯度所要纯化的总流量的百分数。随着流量增大，纯化单元从低温吸附改成PSA，因为PSA更经济。第#9使用膜从含有过量氮的蒸汽中除去氧和氮。第#10使用膜和TSA。加入TSA来除去水。第#11在主要物流中使用氧化铜吸气剂除氧。支流(slipstream)包括膜和TSA，以控制氮和水。在第#11中，由于需要高于10％的支流，以维持氦的规格，因此膜未被用作主要的除氧手段。不同的纯度规格可能是经济条件的结果。例如，粉末制造可以接受氮浓度的增大，而可供不太昂贵的氦回收系统之用。
表1纯化方法与雾化废气中的杂质
尽管已经参照实施例的具体实施方案描述了本发明，但应该意识到本发明将涵盖所附权利要求书范围内的所有改进及等效情况。
权利要求
1.一种利用再循环雾化气体生产雾化粉末的方法，该方法包括以下步骤(a)将旋转的雾化气流与熔融物流一起加入雾化加热炉中，使雾化气体与熔融物流接触，形成用后雾化气体和金属液滴，然后使所述液滴固化形成雾化粉末；(b)从用后雾化气体中除去所有颗粒；(c)将至少部分无颗粒的雾化气体加入纯化单元，除去所选定的杂质；以及(d)将纯化后的雾化气体重新循环回到至少一个雾化加热炉中。
2.权利要求1的方法，其中步骤(a)中的雾化气体选自氩、氦、氮、氢及它们的混合物。
3.权利要求1的方法，其中步骤(a)中的熔融物选自铁、钢、铜、镍、铝、镁、铅、锡、钛、钴、钒、钽及它们的合金。
4.权利要求1的方法，其中步骤(a)中的用后雾化气体含有至少一种选自氧、氮、水、二氧化碳、一氧化碳、金属及金属盐的杂质。
5.权利要求1的方法，其中步骤(c)中的纯化单元具有至少一个纯化系统，该纯化系统选自变温吸收剂、变压吸收剂、氧化铜吸气剂、低温吸附塔及膜。
6.一种利用再循环的雾化气体生产雾化粉末的装置，该装置包括至少一个雾化加热炉，该加热炉具有至少一个适于接收雾化气体和熔融物的入口和至少一个适于排放用后气体和粉末的出口；与所述的至少一个雾化加热炉相连的颗粒去除单元，该单元具有一个出口，适于除去所述的来自所述至少一个雾化加热炉的用后气体中的颗粒；一个在一端与颗粒去除单元相连、另一端与至少一个雾化加热炉的入口相连的纯化单元，该单元可操作，从而使雾化气体从纯化单元循环回到所述至少一个雾化加热炉中，以连续生产雾化粉末。
7.权利要求6的装置，其中颗粒单元选自筒式过滤器、涤气器和旋风分离器。
8.权利要求6的装置，其中纯化单元具有至少一个纯化系统，该纯化系统选自变温吸收剂、变压吸收剂、氧化铜吸气剂、低温吸附塔及膜。
9.权利要求6的装置，其中加热炉的入口具有气体分配装置，用于引导至少一部分入口气体进入纯化单元，从而旁路通过颗粒去除单元。
10.权利要求6的装置，其中低压装置连接在颗粒去除单元和纯化单元之间。
全文摘要
一种利用再循环雾化气体如氦生产雾化粉末如金属粉末的方法,以及用于生产该雾化粉末的装置。
文档编号B01D53/02GK1359774SQ01142578
公开日2002年7月24日 申请日期2001年12月3日 优先权日2000年12月4日
发明者S·E·杰恩斯, L·E·肖特克, J·J·沃尔克, R·B·达维斯 申请人:普莱克斯技术有限公司