本發(fā)明屬于等離子體應(yīng)用，具體涉及一種組合式直流電弧等離子體制粉的裝置及方法。

背景技術(shù)：

1、隨著增材制造、粉末冶金、表面噴涂等技術(shù)廣泛應(yīng)用，對(duì)球形粉末的需求與日俱增，也對(duì)其性能有了更高的要求，如成分、粒度、球形度、含氧量、松裝密度等。目前，常用的粉體制備技術(shù)有水霧化、氣霧化、電極感應(yīng)霧化和等離子霧化等，其中氣霧化任占據(jù)主導(dǎo)地位，約為市場(chǎng)份額的70～80%，但氣體消耗量巨大，粉體球形度差，容易產(chǎn)生空心粉和衛(wèi)星粉，水霧化不適合對(duì)氧含量有要求的粉體，電極感應(yīng)霧化規(guī)模難以放大，不適合工業(yè)化生產(chǎn)，等離子霧化雖然能制得高球形度和高松裝密度的粉體，但粒度較大，因此，亟需一種能夠解決上述問(wèn)題的粉體制備方法來(lái)滿足日益增長(zhǎng)的市場(chǎng)需求。

2、粉體的球化是兩個(gè)過(guò)程，即粉體的相變和破碎，固相的粉體顆粒受熱變?yōu)槿廴趹B(tài)液相，此過(guò)程也可能伴隨熱分解反應(yīng)，然后在氣流沖擊下破碎為小液滴顆粒，冷卻過(guò)程受表面張力作用凝固變成圓球形。因材料的特性差異這兩個(gè)轉(zhuǎn)變過(guò)程中的溫度和時(shí)間條件各異。目前增材制造領(lǐng)域常用的粉末粒度范圍為15～53um（細(xì)粉）、53～150um（粗粉），為提高細(xì)粉收得率，國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)對(duì)此開(kāi)展了大量的研究工作。

3、中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院的專(zhuān)利cn?114192090a公布了一種基于直流等離子體炬制備氧化鋯的裝置，該裝置采用三棒狀陰極和一環(huán)形陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，利用旋氣約束使電弧旋轉(zhuǎn)，似然能獲得較大的熱區(qū)，但形成的等離子射流速度較低，對(duì)熔融粉體顆粒的沖擊和破碎作用有限，無(wú)法獲得小粒度的粉體顆粒，而且粉體原料穿越等離子電弧區(qū)域，影響等離子電弧的穩(wěn)定性。

4、浙江巴頓焊接技術(shù)有限公司的專(zhuān)利cn?115740471a公開(kāi)了一種超聲輔助等離子-電弧復(fù)合霧化制粉設(shè)備與制粉方法，該裝置利用電弧電源在兩個(gè)送絲起弧裝置送給的金屬絲之間起弧，熔化金屬絲并分解成液滴，送絲裝置的噴嘴上施加超聲振動(dòng)，將液體震碎，再利用等離子射流對(duì)金屬液滴進(jìn)一步細(xì)化，經(jīng)冷卻后獲得金屬粉末。該方法雖然有助于提高細(xì)粉收得率，但很難在兩根自耗金屬絲間維持穩(wěn)定的電弧放電，液體顆粒大小、粉體粒徑均勻性都難以保證。

5、核工業(yè)西南物理研究院申請(qǐng)的專(zhuān)利cn?116352096a公布了一種制備難熔金屬球形粉末的等離子體霧化及球化裝置，該裝置利用圓周方向布置的多個(gè)等離子體炬產(chǎn)生的等離子射流作為熱源對(duì)導(dǎo)向管進(jìn)入的絲材進(jìn)行霧化和球化處理。該裝置工藝流程簡(jiǎn)單、可控性好，但也只對(duì)絲材完成了一次熔融和破碎的過(guò)程，球化率不夠高。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為克服現(xiàn)有技術(shù)運(yùn)行不穩(wěn)定，均勻性差，細(xì)粉收得率低等不足，本發(fā)明提供一種組合式直流電弧等離子體制粉的裝置及方法，通過(guò)超音速等離子噴槍對(duì)下行過(guò)程中經(jīng)等離子體炬射流熔融的原料進(jìn)行二次加熱和破碎，實(shí)現(xiàn)超細(xì)球形粉末的制備。

2、本發(fā)明采取的技術(shù)方案為：一種組合式直流電弧等離子體制粉的裝置及方法，包括等離子體炬，等離子電源，進(jìn)粉段，霧化反應(yīng)器從上到下依次連接，其特征在于：霧化反應(yīng)器的上部為錐形，沿錐形面法向設(shè)置有若干個(gè)超音速等離子噴槍?zhuān)羲俚入x子噴槍產(chǎn)生高溫高速的等離子射流對(duì)從進(jìn)粉段進(jìn)入等離子體炬射流熔融的粉體進(jìn)行二次加熱和破碎，制備超細(xì)球形粉末材料。

3、如上所述的陰極絕緣座上設(shè)置有工作氣體進(jìn)氣口和旋轉(zhuǎn)氣道。

4、如上所述的等離子體炬工作電壓為20-200v，工作電流50-800a。

5、如上所述的等離子體炬的工作氣體為氬氣、氮?dú)?、氦氣、氫氣中的一種或任意組合，氣體流量為2-10m3/h。

6、如上所述的進(jìn)粉段中心孔為錐形，夾角為α，-30°≤α≤30°；沿圓周方向設(shè)置有若干個(gè)進(jìn)粉口，進(jìn)粉口的進(jìn)口端與等離子體炬陽(yáng)極電極的距離為a，0≤a≤50mm，與水平面的夾角為β，-10°≤β≤10°。

7、如上所述的待處理原料通過(guò)載氣經(jīng)進(jìn)粉口進(jìn)入進(jìn)粉段中心孔與等離子體炬產(chǎn)生的等離子射流混合，載氣與等離子體炬工作氣體相同或其中之一，氣體流量為1-5m3/h。

8、如上所述的待處理原料為金屬或非金屬顆粒，輸送量20-500g/min。

9、如上所述的霧化反應(yīng)器采用夾套水冷結(jié)構(gòu)，上部為錐形，在錐形的圓周設(shè)置有若干個(gè)超音速等離子噴槍安裝孔，安裝孔的軸線與錐面的法向方向一致，且與等離子體炬射流軸線的夾角為θ，5°≤θ≤90，優(yōu)選10°≤θ≤45°，超音速等離子噴槍出口中心與進(jìn)粉口中心平面的距離為b，10mm≤b≤150mm，10mm≤b×tanθ≤100mm。

10、如上所述的超音速等離子噴槍與噴槍電源連接，超音速等離子噴槍的工作電壓為10-100v，工作電流為50-500a。

11、如上所述的超音速等離子噴槍是產(chǎn)生超音速的等離子焰流的裝置，其工作氣體與等離子體炬的工作氣體相同或是等離子體炬工作氣體的其中任一一種，氣體流量為2-6m3/h。

12、有益效果

13、本發(fā)明的有益效果為：如上所述的的裝置及方法設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，等離子體炬、超音速等離子噴槍、進(jìn)粉系統(tǒng)相互獨(dú)立，可控性好，通過(guò)對(duì)一次熔融顆粒液滴的二次破碎，實(shí)現(xiàn)小粒徑且分布均勻和高球形度粉末的制備。

技術(shù)特征：

1.一種組合式直流電弧等離子體制粉的裝置，包括等離子體炬、等離子電源、進(jìn)粉段、霧化反應(yīng)器從上到下依次連接，其特征在于：霧化反應(yīng)器的上部設(shè)置有若干個(gè)超音速等離子噴槍?zhuān)入x子體炬置于進(jìn)粉段上方。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種組合式直流電弧等離子體制粉的裝置，其特征在于陰極絕緣座上設(shè)置有工作氣體進(jìn)氣口和旋轉(zhuǎn)氣道。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種組合式直流電弧等離子體制粉的裝置，其特征在于進(jìn)粉段中心孔為錐形，夾角為α，-30°≤α≤30°；沿圓周方向設(shè)置有若干個(gè)進(jìn)粉口，進(jìn)粉口的進(jìn)口端與等離子體炬陽(yáng)極電極的距離為a，0≤a≤50mm，與水平面的夾角為β，-10°≤β≤10°。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種組合式直流電弧等離子體制粉的裝置，其特征在于霧化反應(yīng)器采用夾套水冷結(jié)構(gòu)，上部為錐形，錐形面沿法向設(shè)置有若干個(gè)超音速等離子噴槍安裝孔，安裝孔的軸線與錐面的法向方向一致，且與等離子體炬射流軸線的夾角為θ，5°≤θ≤90，優(yōu)選10°≤θ≤45°，超音速等離子噴槍出口中心與進(jìn)粉口中心平面的距離為b，10mm≤b≤150mm，10mm≤b×tanθ≤100mm。

5.一種使用權(quán)利要求1-4任一所述裝置的制粉方法，其特征在于待處理原料通過(guò)載氣經(jīng)進(jìn)粉口進(jìn)入進(jìn)粉段中心孔與等離子體炬產(chǎn)生的等離子射流混合，然后超音速等離子噴槍產(chǎn)生高溫高速的等離子射流對(duì)從進(jìn)粉段進(jìn)入等離子炬射流熔融的粉體進(jìn)行二次破碎，制備超細(xì)球形粉末材料。

6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種組合式直流電弧等離子體制粉的方法，其特征在于等離子體炬的工作氣體為氬氣、氮?dú)?、氦氣、氫氣中的一種或任意組合，氣體流量為2-10m3/h。

7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種組合式直流電弧等離子體制粉的裝置及方法，其特征在于待處理原料用的載氣與等離子體炬工作氣體相同或其中之一，載氣流量為1-5m3/h。

8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種組合式直流電弧等離子體制粉的裝置及方法，其特征在于等離子體炬工作電壓為20-200v，工作電流50-800a。

9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種組合式直流電弧等離子體制粉的裝置及方法，其特征在于超音速等離子噴槍與噴槍電源連接，超音速等離子噴槍的工作電壓為10-100v，工作電流為50-500a。

10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種組合式直流電弧等離子體制粉的方法，其特征在于超音速等離子噴槍的工作氣體與等離子體炬的工作氣體相同或其中之一，氣體流量為2-6m3/h。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明涉及一種組合式直流電弧等離子體制粉的裝置及方法，屬于等離子體應(yīng)用技術(shù)領(lǐng)域，包括依次安裝的等離子體炬、等離子體電源、進(jìn)粉段、霧化反應(yīng)器，霧化反應(yīng)器的上部呈錐形，沿錐形面法向設(shè)置有若干個(gè)超音速等離子噴槍?zhuān)羲俚入x子噴槍產(chǎn)生高溫高速的等離子射流對(duì)從進(jìn)粉段進(jìn)入等離子體炬熔融的粉體顆粒進(jìn)行二次加熱和破碎，制備超細(xì)球形粉末材料。本發(fā)明設(shè)備結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，等離子體炬、超音速等離子噴槍、進(jìn)粉系統(tǒng)相互獨(dú)立，可控性好，實(shí)現(xiàn)了小粒徑且分布均勻和高球形度粉末的制備。

技術(shù)研發(fā)人員：慕龍,黃崢嶸,熊新陽(yáng),劉軍,愷峰,李自兵
受保護(hù)的技術(shù)使用者：新疆至臻化工工程研究中心有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6