Форсунка для автомайзера с антисателлитной системой

Полезная модель относится к области порошковой металлургии, в частности к устройствам для производства порошков методом распыления жидкого металла (расплава) газом (атомизации).
В порошковой металлургии применяются установки для получения порошка методом распыления расплава газом (атомайзеры). Такие установки обладают различными конструктивными особенностями, однако все они имеют определенные идентичные элементы конструкции, в частности, в них всегда используется форсунка для подачи газа в область атомизации. Конструкции форсунок могут отличаться, однако они всегда делятся на два типа, в зависимости от воздействия потока газа на струю расплава: со свободнопадающей струей расплава и с ограниченной струей расплава. В первом случае форсунка создает поток газа, сходящийся в определенной точке конвергенции и разбивающий струю расплава на капли. Во-втором случае поток газа не разбивает напрямую, а обтекает струю расплава, создавая в ней возмущения и, тем самым, разбивая ее на капли. Скорость потока газа может достигать 2 Маха. Наиболее эффективными и получившими широкое распространение являются форсунки второго типа.
Процесс распыления газом при использовании форсунок второго типа может быть описан следующим образом. Расплав попадает в область атомизации из центрального отверстия в форсунке. Область атомизации расплава состоит из трех зон. Первая зона рециркуляции, где под действием струи газа происходит частичная его рециркуляция перед попаданием его во вторую зону. Вторая зона - зона первичного разбиения расплава, где струя разбивается за счет обтекания потоком газа, выходящего из форсунки, причем газ может выходить как из изолированных друг от друга сопел, так и из кольцевого канала. В третьей зоне - зоне вторичного разбиения расплава происходит дополнительное вторичное разбиение капель расплава. При этом капли расплава отлетают после разбиения, образуя конус распыления, ограниченный внешним сдерживающим слоем, то есть внешним потоком газа. При разбиении струи расплава по краям области атомизации образуются завихрения, частично сдерживаемые внешним слоем. Завихрения забрасывают мелкий порошок обратно в область атомизации, где он налипает на образовывающиеся там более крупные частицы порошка, повышая количество сателлитов в массе порошка.
Известна конструкция форсунки, описанная в патенте US 4880162, опуб. 14.11.1989 В05В 7/06. Конструкция форсунки заключается в следующем. Корпус цилиндрической формы содержит внутри приспособления для того, чтобы тангенциально направить газ, поступающий извне, в полость во внутренней стенке цилиндра с тангенциальными газовыми каналами, оборудованными специальными приспособлениями для регулировки полного объемного расхода газа через сопло. Направляющая поток вставка и направляющая поток пластина расположены на внутренней стороне цилиндрического корпуса, размещены рядом с полостью и скомбинированы с ней, при этом направляющая поток вставка может располагаться по-разному относительно направляющей поток пластины для контроля ширины зоны распыления. Угол схождения (конвергенции) газа на выходе из сопла к струе расплавленного металла, проходящего через центральное отверстие, можно варьировать изменением формы, направляющей поток вставки и/или направляющей поток пластины. Отличительные особенности форсунки заключаются в том, что конструкция позволяет варьировать угол конвергенции газа к струе расплавленного металла и полный объемный расход газа через сопло, контролируя его при этом с высокой точностью.
Основным недостатком данной форсунки является сложность конструкции изделия, при которой затруднительно обеспечить высокий выход годного порошка необходимой фракции, и отсутствие обеспечения контроля дополнительных завихрений, появляющихся в процессе разбиения струи расплава, которые забрасывают мелкие частицы порошка в область атомизации, что приводит к образованию сателлитов и снижает выход годного порошка.
Из уровня техники известна конструкция устройства для атомизации, представленная в патенте ЕР 0440706, опуб. 02.08.1995, В05В 7/08; В05В 7/16; B22D 23/00; B22F 3/115; B22F 9/08. Основным элементом устройства является ротор, осуществляющий подачу газа в зону атомизации, причем особенность данной подачи заключается в возможности варьирования потока газа относительно потока расплава, реализованным за счет изменения позиции ротора. Для обеспечения контроля формы результирующего потока в модификации представленного устройства предлагается дополнительная установка второго ротора в конструкцию.
Из уровня техники известна конструкция установки для атомизации, представленная в патенте US 6667246 В2, опуб. 10.08.2004, B22F9/08. Основная отличительная особенность установки заключается в наличии первичных сопел для диспергирования потока расплава и вторичных сопел для контроля формы потока при диспергировании.
Недостатками обеих конструкций является сложность их исполнения и контроля их функционирования, что ведет к нестабильности процесса атомизации.
Наиболее близким аналогом заявленной полезной модели является форсунка, включающая корпус с отверстиями для подачи газа, кольцевую полость завихрения газа, расположенную в корпусе, вставку, образующую круговой канал подачи газа в область атомизации. Расплав металла подается через центральное отверстие в форсунке и попадает через него в область атомизации. Газ доставляется в область атомизации под высоким давлением в виде струи. Газ для атомизации направляется по направлению к нижнему концу трубки, отклоняется от нее и затем вступает в контакт со стекающим потоком газа (US 4619597, опуб. 28.10.1986, В05В 7/06).
Основной недостаток данной форсунки - отсутствие преграды для дополнительных завихрений, появляющихся в процессе разбиения струи расплава, которые забрасывают мелкие частицы порошка в область атомизации, что приводит к образованию дефектных частиц порошка и снижает выход годного.
Технической задачей заявленной полезной модели является создание форсунки атомайзера с антисателлитной системой, снижающей количество сателлитов в массе порошка за счет формирования вторичного вихря в области атомизации вокруг основного потока газа.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в формировании конфигурации потоков газа после предлагаемой форсунки атомайзера таким образом, что вторичный вихрь создает барьер, непроницаемый для мелких частиц порошка за счет чего снижается количество сателлитов в массе порошка и, тем самым, обеспечивается повышение выхода годного продукта.
Форсунка атомайзера включает корпус с отверстиями для подачи газа, кольцевой коллектор, расположенный в указанном корпусе, вставку, образующую круговой канал подачи газа в область атомизации. Поставленный технический результат достигается тем, что в нижней части корпуса выполнен кольцевой канал с толщиной от 0,1 до 0,3 мм с завихрителями представляющими собой ребра шириной от 0,8 до 1 мм, расположенные под углом от 18° до 20° к центральной оси форсунки.
В варианте выполнения вставка, образующая круговой канал подачи газа в область атомизации, расположена внутри корпуса соосно.
Предпочтительно один край внутренней стороны корпуса выходит в кольцевой коллектор. Завихрители могут быть расположены радиально симметрично отверстиям для подачи газа.
Заявленная полезная модель поясняется чертежами:
фиг. 1 - вид сбоку форсунки, в разрезе (вид А-А);
фиг. 2 - вид сверху форсунки, в разрезе (вид Б-Б);
фиг. 3 - схема процесса атомизации (конфигурации потоков газа), с применением заявленной форсунки.
Предлагаемая форсунка для атомайзера, включает корпус 1 форсунки с отверстиями 2 для подачи газа, расположенные по кругу. Газ через отверстия 2 попадает в кольцевой коллектор 3 завихрения газа. В нижней части 4 корпуса расположено отверстие 5, из которого вытекает поток расплава. Диаметр отверстия 5 предпочтительно составляет от 6 до 14 мм. Внутренняя сторона 6 корпуса 1 имеет форму усеченного конуса, одним краем плавно выходящего в кольцевой коллектор 3. Другим краем внутренняя сторона 6 выходит в отверстие 5. Вставка 7, направляющая поток газа, помещается внутрь указанного корпуса 1 соосно, формируя круговой канал 8 подачи газа в область атомизации. Круговой канал 8 формируется внутренней частью 9 вставки 7, исполненной в форме усеченного конуса, имеющей отклонение от внутренней стороны 6 указанного корпуса 1, составляющее 2-3°. В нижней части 4 корпуса 1 расположен кольцевой канал 10 с завихрителями 11. Количество завихрителей может составлять от 12 до 16. Кольцевой канал 10 одним концом выходит в кольцевой коллектор 3, а другим - в область атомизации через внутреннюю сторону нижней части 4 корпуса 1, выполненную в форме усеченного конуса. Кольцевой канал 10 имеет переменную толщину от 0,1 до 0,3 мм по потоку газа. Завихрители 11 представляют собой ребра шириной от 0,8 до 1 мм, расположенные под углом (поз.12 на фиг. 1) от 18° до 20° к центральной оси форсунки. Геометрия кольцевого канала 10 с завихрителями 11 позволяет регулировать скорость истечения газа из него, обеспечивая создание дополнительных потоков газа, образующих вторичный вихрь вокруг основной области атомизации. Определенная часть газа уходит из кольцевого коллектора 3 в кольцевой канал 10, снижая давление газа в кольцевом коллекторе 3 и, тем самым, снижая скорость газа на выходе из кругового канала 8.
Принцип действия заявленной форсунки заключается в следующем. Расплав подается через центральное отверстие в форсунке и попадает через него в область атомизации. Газ поступает в коллектор 3 завихрения газа через отверстия 2 для подачи газа, благодаря геометрии устройства происходит его распределение в этой круговой полости, причем встречные потоки, образующиеся после соударения потоков газа со стенкой кольцевого коллектора 3, из соседних ответстий 2 приводят к завихрению потоков газа. Затем по круговому каналу 8 газ попадает в область атомизации, при этом угол конвергенции составляет 45-65°. Часть газа попадает в кольцевой канал 10, и, благодаря завихрителям 11, формирует вторичный вихрь в области атомизации вокруг основного потока газа. Этот вихрь создает барьер, непроницаемый для мелких частиц порошка. Таким образом, нивелируется заброс мелких частиц в область атомизации расплава и, тем самым, снижается количество сателлитов и повышается выход годного порошка.
В качестве примера реализации и достижения технического результата на фиг. 3 приведен результат проведения численного эксперимента предлагаемой конструкции форсунки для атомайзера для организации потоков газа. Численные эксперименты были проведены для указанных выше переменной толщины кольцевого канала 10, интервала ширины ребер завихрителей 11 и интервала их угла к центральной оси форсунки. Результаты численных экспериментов в указанных интервалах величин особенностей конструкции предлагаемого атомайзера визуально подобны. Анализ результатов экспериментов показал, что процесс атомизации с предлагаемой конструкцией форсунки, показанный на фиг. 3, где отображены область атомизации расплава и вторичный вихрь, нивелирующий попадание в нее мелких частиц порошка для достижения технического результата.
Предлагаемая форсунка может быть изготовлена с применением аддитивных технологий, а именно, синтезом на подложке (селективным лазерным сплавлением).