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CN110834090A - 一种金属粉末整形细化及净化装置和方法 - Google Patents

一种金属粉末整形细化及净化装置和方法 Download PDF

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CN110834090A CN201911279327.6A CN201911279327A CN110834090A CN 110834090 A CN110834090 A CN 110834090A CN 201911279327 A CN201911279327 A CN 201911279327A CN 110834090 A CN110834090 A CN 110834090A
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宋美慧
张晓臣
张玉婷
安德烈·萨莫欣
张伟君
张煜
李艳春
李岩
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Abstract

一种金属粉末整形细化及净化装置及方法，它涉及粉末整形细化及净化设备和方法。它是要解决现有的金属粉末制法球形度低、纯度差的技术问题。本装置包括等离子体发生器、送粉机、金属粉末净化室器、收集器、换热器、尾气循环过滤器、气体氧氮净化器、r气体压缩机、气体存储装置、抽真空装置和粉末自动刮除器；等离子体发生器和送粉器安装在净化室器顶端；净化室器下部出气管依次经过换热器、循环过滤器、氧氮净化器和压缩机与气体存储装置连接。方法：整个系统抽真空后充入氩气，再开启等离子体发生器产生等离子体炬，送入金属粉末处理，氩气净化后循环。处理后粉末球形度≥90％，含氧量≤980ppm，杂质去除率≥90％，用于粉末冶金领域。

Description

一种金属粉末整形细化及净化装置和方法
技术领域
本发明涉及粉末整形细化及净化设备和方法，属于粉末冶金工业技术领域。
背景技术
金属粉末是指尺寸小于1mm的金属颗粒群，包括单一金属粉末、合金粉末以及具有金属性质的某些难熔化合物粉末，是粉末冶金的主要原材料。金属粉末的制备方法主要有机械研磨破碎法、雾化法等。
机械粉碎法主要是通过压碎、击碎和磨削等作用将固态金属碎化成粉末。该方法效率低，能耗大，粉末颗粒出现不规则尖角，降低了粉末流动性、松装密度和振实密度等；同时由于与不同材质的研磨介质接触，会引入杂质元素，影响粉末的纯度及后续所制备金属构件的综合性能。
雾化法是指将大块固体金属通过高温加热变成，熔融金属并通过冷却介质液态金属雾化成细小液滴，在冷却介质中凝固成粉末。主要有气体雾化法和液体雾化法两种。也有利用旋转盘粉碎和熔体自身(自耗电极和坩埚)旋转的离心雾化法，以及其他雾化方法如溶氢真空雾化、超声波雾化等。气雾化粉末一般近球形，水雾化可制得不规则形状。但此方法所用的设备昂贵，能耗高，同时产品中易产生或混入杂质，影响粉末的纯度及后续所制备金属构件的综合性能。
发明内容
本发明是要解决现有的金属粉末的制备方法球形度低、纯度差的技术问题，而提供一种金属粉末整形细化及净化装置和方法。
本发明的金属粉末整形细化及净化装置包括等离子体发生器1、送粉机2、金属粉末净化室器3、第一金属粉末收集器4、第一换热器5、尾气循环过滤器6、第二金属粉末收集器7、气体氧氮净化器8、第二换热器9、气体压缩机10、气体存储装置11、抽真空装置12和粉末自动刮除器13；
其中金属粉末净化室器3顶端安装有等离子体发生器1和送粉机2，底部安装有第一金属粉末收集器4；金属粉末净化室器3内部安装粉末自动刮除器13；
尾气循环过滤器6的底部安装有第二金属粉末收集器7；尾气循环过滤器6内设置阻燃过滤袋，用于过滤粉尘；
气体氧氮净化器8的内部设置吸收层，吸收层由下至上由铜粉层、碱石棉层、高氯酸镁层和碱石棉层组成，用于去除水蒸气和氧气；
气体存储装置11的出气口分别与等离子体发生器1、送粉机2连接；金属粉末净化室器3的下部的出气管依次经过第一换热器5、尾气循环过滤器6、气体氧氮净化器8、第二换热器9、气体压缩机10，与气体存储装置11进气口连接；
抽真空装置12分别与金属粉末净化室器3、尾气循环过滤器6和气体氧氮净化器8联通。
更进一步地，所述送粉机2为双通道活塞式给料器或者盘式给料器；需要整形细化及净化处理的金属粉末能够实现连续不间断通过给料器进入金属粉末净化室器3；
更进一步地，金属粉末净化室器3的壳体外壁设有夹套，夹套底部设置进水口3-1；上部设置出水口3-2；夹套为冷却循环水路，冷却水由底部进水口3-1流入，由顶部出水口3-2流出。
更进一步地，尾气循环过滤器6的壳体外壁设有夹套，夹套底部设置进水口，上部设置出水口；夹套为冷却循环水路，冷却水由底部流入，由顶部流出。
更进一步地，气体氧氮净化器8的壳体外壁设有夹套，夹套底部设置进水口；上部设置出水口；夹套为冷却循环水路，冷却水由底部流入，由顶部流出。
更进一步地，气体存储装置11内的气体为高纯氩气。
更进一步地，粉末自动刮除器13由环形刮刀13-1、驱动装置13-2和垂直杆13-3，环形刮刀13-1固定在垂直杆13-3底部，垂直杆13-3的上部与驱动装置13-2连接；驱动装置13-2带动垂直杆13-3上、下移动，从而使环形刮刀13-1刮去沉积在净化室内壁上的粉末。
更进一步地，本发明的金属粉末整形细化及净化装置还包括检测及自动控制仪14，它显示设备工作状态下的功率、电流、电压、真空度、气体流量、气体压力、气体氧含量及露点、冷却循环水温度和/或流量；具有实时在线监测及调整设备工作参数的功能。
更进一步地，金属粉末净化室器3上还设置观察窗15；观察窗15处设置气管并与气体存储装置11连接，气管通气体是为了吹掉沉积在观察窗15上的粉末，利于观察。
更进一步地，金属粉末净化室器3的下部还设有进气管与气体存储装置11连接；用于直接将气体存储装置11内的气体直接输入到金属粉末净化室器3、尾气循环过滤器6 和气体氧氮净化器8中使整个系统充满气体，也可以进行气体循环，通过气体氧氮净化器 8净化进行，提高气体存储装置11内气体的纯度。
更进一步地，等离子体发生器1为直流电弧等离子体发生器。
更进一步地，第一金属粉末收集器4和第二金属粉末收集器7均带有密封阀，能够确保它们与设备分离时仍保持密封。
更进一步地，金属粉末净化室器3内还设置有曝气头，曝气头与气体存储装置11连接；曝气头的上表面为弧形，上表面设置出气孔，通过出气孔向金属粉末净化室器3内吹气体，可以降低金属粉末的下降的速度并提高液态金属的冷却速度，从而提高球形度；上表面为弧形也防止积粉。
利用上述的装置进行金属粉末整形细化及净化的方法，按以下步骤进行：
一、向送粉机2中装入待处理的金属粉末；
二、启动抽真空装置12，将金属粉末净化室器3、尾气循环过滤器6和气体氧氮净化器8的真空度抽到1×10-3Pa以上，关闭抽真空装置12；
三、通过气体存储装置11向金属粉末净化室器3、尾气循环过滤器6和气体氧氮净化器8的内部充入高纯氩气使压力达到0.2Pa～0.5Pa；开启等离子体发生器1，调整等离子体发生器1的电压为90～120V、电流为150～300A；调整通入等离子体发生器1内部的氩气流速为1.5～2.0L/h，产生等离子体炬；
四、开启送粉机2，调整通入送粉器3的氩气流量使得送粉器3的送粉速度达到 0.5～1kg/h，将金属粉末送入金属粉末净化室器3中；金属粉末经等离子体发生器1产生的高温等离子体炬处理后，落入第一金属粉末收集器4中；同时用于产生等离子体炬的氩气以及用于输送原料粉末的氩气经金属粉末净化室器3底部的出气口经第一换热器5进入尾气循环过滤器6中，经过滤下来的金属粉末落入第二金属粉末收集器7中收集，氩气再进入气体氧氮净化器8去除杂质，再经第二换热器9冷却、经气体压缩机10压缩后，返回至气体存储装置11中；第一金属粉末收集器4中的球形粉末为产品。
更进一步地，步骤一中的金属粉末的粒径为75～100μm。
更进一步地，步骤一中的金属粉末为铁粉、不锈钢粉、有色金属粉末或特种金属粉末；
更进一步地，有色金属粉末为铜粉、铅粉、锌粉、锰粉、铬粉、钛粉、铝粉、镁粉、钨粉或钼粉；
更进一步地，特种金属粉末为高温合金粉或硬质合金粉。
本发明的装置利用等离子体炬对金属粉末进行整形细化，消除表面不规则尖角，使粒径分布更加均匀，进而提高粉末的流动性，同时在对粉末进行整形细化的同时，该设备还能降低金属粉末含氧量及其他非金属夹杂，提高纯度。经发明的装置处理的金属粉末与原始粉末相比，粉末表面不规则尖角消失，球形度可达到90％以上；同时粉末含氧量可降低到980ppm以下，杂质去除率到达90％以上。
本发明的装置和方法可用于处理金属粉末，工序简单、效率高。
附图说明
图1是本发明的装置的结构示意图；
图2是金属粉末净化室器3及其中的粉末自动刮除器13的结构示意图；
图中，1为等离子体发生器，2为送粉机，3为金属粉末净化室器，4为第一金属粉末收集器4，5为第一换热器，6为尾气循环过滤器，7为第二金属粉末收集器，8为气体氧氮净化器，9为第二换热器，10为气体压缩机，11为气体存储装置，12为抽真空装置， 13为粉末自动刮除器，14为检测及自动控制仪，15为观察窗；
粉末自动刮除器13中13-1为环形刮刀，13-2为驱动装置，13-3为垂直杆13-3。
具体实施方式
用下面的实施例验证本发明的有益效果：
实施例1：本实施例的金属粉末整形细化及净化装置由直流电弧等离子体发生器1、送粉机2、金属粉末净化室器3、第一金属粉末收集器4、第一换热器5、尾气循环过滤器 6、第二金属粉末收集器7、气体氧氮净化器8、第二换热器9、气体压缩机10、气体存储装置11、抽真空装置12、粉末自动刮除器13和检测及自动控制仪14组成；其中金属粉末净化室器3顶端安装有直流电弧等离子体发生器1和送粉机2，底部安装有第一金属粉末收集器4；金属粉末净化室器3内部安装气体曝气头13和粉末自动刮除器13；尾气循环过滤器6的底部安装有第二金属粉末收集器7；尾气循环过滤器6内设置阻燃过滤袋，用于过滤粉尘；气体氧氮净化器8的内部设置有吸收层，吸收层由下至上由铜粉层、碱石棉层、高氯酸镁层和碱石棉层组成，用于去除水蒸气和氧气；气体存储装置11的出气口分别与等离子体发生器1、送粉机2连接；金属粉末净化室器3的下部的出气管依次经过第一换热器5、尾气循环过滤器6、气体氧氮净化器8、第二换热器9和气体压缩机10与气体存储装置11进气口连接；抽真空装置12分别与金属粉末净化室器3、尾气循环过滤器6和气体氧氮净化器8联通；所述送粉机2为双通道活塞式给料器；金属粉末净化室器 3的壳体外壁设有夹套；夹套为冷却循环水路，冷却水由底部进水口3-1流入，由顶部出水口3-2流出；尾气循环过滤器6的壳体外壁设有夹套；夹套为冷却循环水路，冷却水由底部流入，由顶部流出；气体氧氮净化器8的壳体外壁设有夹套；夹套为冷却循环水路，冷却水由底部流入，由顶部流出；气体存储装置11内的气体为质量百分纯度为99.999％的高纯氩气；粉末自动刮除器13由环形刮刀13-1、驱动装置13-2和垂直杆13-3，环形刮刀13-1固定在垂直杆13-3底部，垂直杆13-3的上部与驱动装置13-2连接；驱动装置13-2 带动垂直杆13-3上、下移动，从而使环形刮刀13-1刮去沉积在净化室内壁上的粉末；金属粉末净化室器3的壁上还设置了观察窗15；观察窗15处设置气管并与气体存储装置11 连接，气管通气体是为了吹掉沉积在观察窗15上的粉末，利于观察；检测及自动控制仪 14显示设备工作状态下的功率、电流、电压、真空度、气体流量、气体压力、气体氧含量及露点、冷却循环水温度和流量；具有实时在线监测及调整设备工作参数的功能；第一金属粉末收集器4和第二金属粉末收集器7均带有密封阀，能够确保它们与设备分离时仍保持密封。
利用本实施例1的装置处理钛合金粉末的方法，按以下步骤进行：
一、向送粉机2中装入1kg平均粒径为75μm且形状不规则的钛合金TA1粉末；
二、启动抽真空装置12，将金属粉末净化室器3、尾气循环过滤器6和气体氧氮净化器8的真空度抽到1×10-3Pa，关闭抽真空装置12；
三、通过气体存储装置11向金属粉末净化室器3、尾气循环过滤器6和气体氧氮净化器8的内部充入高纯氩气使压力达到0.2Pa；开启等离子体发生器1，调整等离子体发生器1的电压为90V、电流为150A；调整通入等离子体发生器1内部的氩气流速为1.5L/h，产生等离子体炬；
四、开启送粉机2，调整通入送粉机2的氩气流量为0.6L/h使得送粉机2的送粉速度达到0.5kg/h，将TA1粉末送入金属粉末净化室器3中；TA1粉末在等离子体发生器1 产生的高温等离子体炬中加热熔化，表面不规则尖角消失，由于表面张力而形成球状熔融液滴，并在重力作用下不断下降冷却，到达金属粉末净化室器3底部，形成球形粉末落入第一金属粉末收集器4中；同时用于产生等离子体炬的氩气以及用于输送原料粉末的氩气经金属粉末净化室器3底部的出气口经第一换热器5进入尾气循环过滤器6中，经过滤下来的细小的金属粉末落入第二金属粉末收集器7中收集，氩气再进入气体氧氮净化器8 去除杂质气体，再经第二换热器9冷却，经气体压缩机10压缩，返回至气体存储装置11 中；第一金属粉末收集器4中的球形TA1粉末为产品。
本实施例的TA1粉末产品与原始粉末相比，粉末表面不规则尖角消失，球形度达到90％；平均粒径为30μm，细化率达到50％；同时TA1粉末含氧量由原始粉末的10000ppm 降低到980ppm，杂质去除率达到90％。
实施例2：本实施例的金属粉末整形细化及净化装置与实施例1不同的是金属粉末净化室器3内还设置有曝气头，曝气头与气体存储装置11连接；曝气头为的上表面为弧形，上表面设置出气孔，通过出气孔向金属粉末净化室器3内吹氩气。其它与实施例1相同。
利用本实施例2的装置处理钛合金粉末的方法，按以下步骤进行：
一、向送粉机2中装入1kg平均粒径为75μm且形状不规则的钛合金TA1粉末；
二、启动抽真空装置12，将金属粉末净化室器3、尾气循环过滤器6和气体氧氮净化器8的真空度抽到9×10-4Pa，关闭抽真空装置12；
三、通过气体存储装置11向金属粉末净化室器3、尾气循环过滤器6和气体氧氮净化器8的内部充入高纯氩气使压力达到0.3Pa；开启等离子体发生器1，调整等离子体发生器1的电压为110V、电流为200A；调整通入等离子体发生器1内部的氩气流速为1.5L/h，产生等离子体炬；
四、开启送粉机2，调整通入送粉机2的氩气流量为0.6L/h使得送粉机2的送粉速度达到0.5kg/h，将TA1粉末送入金属粉末净化室器3中，同时通过曝气头向金属粉末净化室器3内通入氩气；TA1粉末在等离子体发生器1产生的高温等离子体炬中加热熔化，表面不规则尖角消失，由于表面张力而形成球状熔融液滴，并在重力作用下不断下降冷却，到达金属粉末净化室器3底部，形成球形粉末落入第一金属粉末收集器4中；用于产生等离子体炬的氩气以及用于输送原料粉末的氩气经金属粉末净化室器3底部的出气口经第一换热器5进入尾气循环过滤器6中，经过滤下来的细小的金属粉末落入第二金属粉末收集器7中收集，氩气再进入气体氧氮净化器8去除杂质气体，再经第二换热器9冷却，经气体压缩机10压缩，返回至气体存储装置11中；第一金属粉末收集器4中的球形TA1 粉末为产品。
本实施例的曝气头，从曝气头的出气孔向金属粉末净化室器3内吹入的氩气，可以提高液态金属的冷却速度，减小熔融液滴下降过程中的变形，从而提高球形度；上表面为弧形也防止积粉。本实施例的TA1粉末产品与原始粉末相比，粉末表面不规则尖角消失，球形度达到95％；平均粒径为30μm，细化率达到52％；同时TA1粉末含氧量由原始粉末的10000ppm降低到965ppm，杂质去除率达到93％。

Claims (10)

1.一种金属粉末整形细化及净化装置，其特征在于该装置包括等离子体发生器(1)、送粉机(2)、金属粉末净化室器(3)、第一金属粉末收集器(4)、第一换热器(5)、尾气循环过滤器(6)、第二金属粉末收集器(7)、气体氧氮净化器(8)、第二换热器(9)、气体压缩机(10)、气体存储装置(11)、抽真空装置(12)、粉末自动刮除器(13)；
其中金属粉末净化室器(3)顶端安装有等离子体发生器(1)和送粉机(2)，底部安装有第一金属粉末收集器(4)；金属粉末净化室器(3)内部安装粉末自动刮除器(13)；
尾气循环过滤器(6)的底部安装有第二金属粉末收集器(7)；尾气循环过滤器(6)内设置阻燃过滤袋；
气体氧氮净化器(8)的内部设置吸收层，吸收层由下至上由铜粉层、碱石棉层、高氯酸镁层和碱石棉层组成；
气体存储装置(11)的出气口分别与等离子体发生器(1)、送粉机(2)连接；金属粉末净化室器(3)的下部的出气管依次经过第一换热器(5)、尾气循环过滤器(6)、气体氧氮净化器(8)、第二换热器(9)、气体压缩机(10)与气体存储装置(11)进气口连接；
抽真空装置(12)分别与金属粉末净化室器(3)、尾气循环过滤器(6)和气体氧氮净化器(8)联通。
2.根据权利要求1所述的一种金属粉末整形细化及净化装置，其特征在于所述送粉机(2)为双通道活塞式给料器或者盘式给料器。
3.根据权利要求1或2所述的一种金属粉末整形细化及净化装置，其特征在于金属粉末净化室器(3)的壳体外壁设有夹套；夹套底部设置进水口(3-1)；上部设置出水口(3-2)。
4.根据权利要求1或2所述的一种金属粉末整形细化及净化装置，其特征在于粉末自动刮除器(13)由环形刮刀(13-1)、驱动装置(13-2)和垂直杆(13-3)，环形刮刀(13-1)固定在垂直杆(13-3)底部，垂直杆(13-3)的上部与驱动装置(13-2)连接。
5.根据权利要求1或2所述的一种金属粉末整形细化及净化装置，其特征在于金属粉末净化室器(3)上还设置观察窗15；观察窗15处设置气管并与气体存储装置(11)连接。
6.根据权利要求1或2所述的一种金属粉末整形细化及净化装置，其特征在于金属粉末净化室器(3)的下部还设有进气管与气体存储装置(11)连接。
7.根据权利要求1或2所述的一种金属粉末整形细化及净化装置，其特征在于金属粉末净化室器(3)内还设置有曝气头，曝气头与气体存储装置(11)连接；曝气头为的上表面为弧形，上表面设置出气孔。
8.根据权利要求1或2所述的一种金属粉末整形细化及净化装置，其特征在于该装置还包括检测及自动控制仪(14)，它显示设备工作状态下的功率、电流、电压、真空度、气体流量、气体压力、气体氧含量及露点、冷却循环水温度和流量中的一种或几种参数。
9.利用权利要求1的装置进行金属粉末整形细化及净化的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
一、向送粉机(2)中装入待处理的金属粉末；
二、启动抽真空装置(12)，将金属粉末净化室器(3)、尾气循环过滤器(6)和气体氧氮净化器(8)的真空度抽到1×10-3Pa以上，关闭抽真空装置(12)；
三、通过气体存储装置(11)向金属粉末净化室器(3)、尾气循环过滤器(6)和气体氧氮净化器(8)的内部充入高纯氩气使压力达到0.2Pa～0.5Pa；开启等离子体发生器(1)，调整等离子体发生器(1)的电压为90～120V、电流为150～300A；调整通入等离子体发生器(1)内部的氩气流速为1.5～2.0L/h，产生等离子体炬；
四、开启送粉机(2)，调整通入送粉器3的氩气流量使得送粉器3的送粉速度达到0.5～1kg/h，将金属粉末送入金属粉末净化室器(3)中；金属粉末经等离子体发生器(1)产生的高温等离子体炬处理后，落入第一金属粉末收集器(4)中；同时用于产生等离子体炬的氩气以及用于输送原料粉末的氩气经金属粉末净化室器(3)底部的出气口经第一换热器(5)进入尾气循环过滤器(6)中，经过滤下来的金属粉末落入第二金属粉末收集器(7)中收集，氩气再进入气体氧氮净化器(8)去除杂质，再经第二换热器(9)冷却、经气体压缩机(10)压缩后，返回至气体存储装置(11)中；第一金属粉末收集器(4)中的球形粉末为产品。
10.根据权利要求9所述的利用权利要求1的装置进行金属粉末整形细化及净化的方法，其特征在于步骤一中的金属粉末为铁粉、不锈钢粉、有色金属粉末或特种金属粉末。
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