УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ПОРОШКА МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ
DEVICE FOR OBTAINING POWDER OF METALS AND ALLOYS

Область техники
Изобретение относится к области порошковой металлургии, а именно к технологиям и устройствам получения металлических порошков методом газодинамического распыления расплавов не тугоплавких металлов и сплавов.
Уровень техники
Алюминиевые порошковые материалы остаются довольно популярным продуктом, применяющимся в строительстве и лакокрасочной промышленности, при этом за последние годы наметилась положительная тенденция по расширению применения алюминиевых порошков в аддитивных технологиях. Каждый продукт требует использования определенной достаточно узкой фракции порошка, поэтому сужение распределения частиц пульверизата является актуальной и важной задачей. Ключевым звеном в процессе газовой атомизации является форсунка, которая распыляет металлический расплав потоком инертного газа или газовой смеси.
Известна форсунка для распыления расплава сжатым газом (патент RU № 2093310, опубл. 20.10.1997 г.), имеющая сопло, выполненное в виде двух усеченных конусов, соприкасающихся вершинами, с размерами выходного конуса сопла, находящимися в следующей зависимости: d:D:l=1:(2-5):(2-10), где d диаметр узкой части сопла; D диаметр выходной части сопла; l длина выходной расширяющейся части сопла. Форсунка позволяет проводить распыление алюминиевого расплава сжатым газом с ограниченным распределением порошка по фракции, в частности с количеством порошка фракции менее 180 мкм на уровне 93-95%.
Недостатком изобретения является недостаточная эффективность диспергирования, и как следствие – невысокое содержание фракции в диапазоне 20 - 63 мкм.
Известно устройство для получения металлического порошка распылением расплава (патент RU № 2111834, опубл. 27.05.1998 г.), содержащее корпус, камеру, сердечник, завихритель с прямолинейными пазами, эжекторную трубку, уплотняемую набивкой, отличающееся тем, что в передней части корпуса оно снабжено вставным сопловым кольцом, имеющим кольцевую проточку, образующую кольцевую камеру, и сопла, при этом оси сопл и поверхности пазов завихрителя выполнены в плоскостях, параллельных оси устройства, и смещены относительно нее в одну по ходу сторону: сопла - на их радиус, а пазы - на радиус эжекторной трубки, штуцер для подвода сжатого газа в кольцевую камеру имеет сплюснутый конец, привариваемый к корпусу.
Недостатком известного устройства является: радиальный подвод газа в камеру высокого давления, что служит неравномерному распределению газа между пазами завихрителя; большее количество составляющих деталей устройства; необходимость подвода газа по двум линиям с разными давлениями.
Наиболее близким аналогом предлагаемого изобретения, принятый за прототип является форсунка для получения порошков распылением расплавленных металлов (патент RU № 2321475, опубл. 20.11.2007 г.), содержащая корпус с кольцевой щелью для подачи нагретого газа под давлением, ниппель с центральным каналом для подачи расплава и защитный чехол, которые снабжены сочленяющимися между собой рассекателями-дестабилизаторами в виде щелевидных пазов для образования плоских струй нагретого сжатого газа и возмущенного двухфазного потока, - газометаллической смеси - на выходе центрального канала ниппеля форсунки, при этом задние стенки щелевидных пазов выполнены в виде скосов с углом наклона к продольной оси форсунки, равным 30-45°.
Недостатками данной конструкции являются: нестабильность плотности газового потока за счет возмущений на рассекателях, что приводит к нестабильному процессу диспергирования потока струи в целом, а также - снижение эжекции на срезе ниппеля, и, как следствие - снижение производительности форсунки по металлу.
Осуществление изобретения
Задачей изобретения является создание устройства нового типа, в котором при помощи конструкции завихрителя часть кинетической энергии газового потока в сопловой камере завихрителя преобразуется в механические колебания газовой среды звукового и ультразвукового диапазона, которые в факеле распыления интенсифицируют процесс диспергирования расплава, вызывая упругие колебания в объеме отдельных капель жидкого металла, приводящие к их интенсивному дроблению, и как следствие – увеличение выхода годного по мелкой и средней фракции.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение выхода порошка с дисперсностью по d50 в интервале 5 – 60 мкм, за счет воздействия акустических колебаний, генерируемых в сопловой камере завихрителя, на факел распыла, и снижение расхода энергоносителя – распыливающего сжатого газа, в силу увеличения диспергирующей способности форсунки.
Технический результат достигается за счет того, устройство  для получения порошка  металла и/или сплава, содержащее  корпус со штуцером  для подачи сжатого газа из камеры высокого давления, ниппель с выполненным в нем центральным каналом для подачи расплава металла и/или сплава в зону распыления, защитный чехол ниппеля, сопловое кольцо и гайку, согласно заявляемому изобретению, дополнительно содержит завихритель с выполненными в нем сквозными пазами прямоугольного профиля, соединенный с сопловым кольцом посредством гайки, при этом  сопловое кольцо содержит сопла поддува,  а  пазы завихрителя выполнены под углом 45 – 75 градусов к его центральной оси.
Заявленный диапазон угла наклона является оптимальным для достижения технического результата. Менее 45 градусов наклона снижает фактор генерации акустических колебаний, а более 75 градусов наклона нецелесообразно, т.к. в сопловой камере завихрителя увеличивается аэродинамическое сопротивление. И то, и другое приводит к снижению диспергирующей способности устройства.
Способствуют достижению технического результата следующие признаки заявляемого устройства:
Пазы завихрителя расположены тангенциально по отношению к центральной оси устройства, и выполнены в количестве от 6 до 14, размещены на равном расстоянии друг от друга, при этом ширина паза составляет 0,6 – 2,5 мм. Пазы шириной менее 0,6 мм не эффективны с точки зрения аэродинамики, т.к. создают избыточное сопротивление и не обеспечивают необходимый поток сжатого газа для генерации акустических колебаний в сопловой камере завихрителя. Пазы шириной более 2,5 мм создают избыточный расход газа, что тоже не эффективно.
Прямоугольный профиль пазов завихрителя может быть выполнен в виде постоянного или переменного сечения по длине паза, например, по типу «сопло Лаваля» (фиг. 3).
Сопла поддува выполнены под углом 40 – 60 градусов к центральной оси устройства.  Сопловое кольцо содержит от 2 до 4 сопла поддува.
Струи газа, проходя через тангенциально направленные пазы завихрителя, в сопловой камере завихрителя образуют общий сильно завихренный (турбулентный) поток. Завихрения создают в самом потоке интенсивные упругие механические колебания звуковых и ультразвуковых частот. В то же время поток сжатого газа, выходя вокруг конца эжекторной трубки (ниппеля с чехлом) с закручиванием, создает область значительного разрежения, которое, в свою очередь, создаёт ток расплава по каналу ниппеля. Одновременно, центробежные силы вращения потока газа в области сопловой камеры завихрителя, вокруг выходного отверстия ниппеля, создают воронку в канале подачи металла, прижимая расплав к внутренней стенке канала до состояния пленки. Пленку расплава срывает с кромки ниппеля поток газа в состоянии турбулентности, а интенсивные акустические колебания потока дополняют диспергирование капель расплава. Получаемый таким образом поток тонкодисперсных капель расплава вместе с потоком газа образуют факел распыла.
Использование дополнительного элемента в виде завихрителя за счет варьирования количества и размера каналов позволяет обеспечить направленное ускоренное вращательное, сильно завихрённое и турбулентное движение потока сжатого газа на выходе из сопловой камеры форсунки, а вихревые явления в потоке рождают акустические колебания, дополняющие диспергирование расплава. Это позволяет повысить эффективность процесса распыления за счет снижения расхода газа, а также повысить эффективность диспергирования расплава.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1 изображен схематичный разрез устройства.
На фиг. 2 изображен вид завихрителя с прямолинейными пазами, со стороны пазов.
На фиг. 3 изображен вид завихрителя с пазами переменного сечения по длине паза
(по типу «сопло Лаваля»), со стороны пазов.
Устройство содержит следующие конструктивные элементы:
1 – корпус;
2 – ниппель;
3 – защитный чехол ниппеля;
4 – канал штуцера;
5 – сопловое кольцо;
6 – гайка;
7 – завихритель;
8 – камера высокого давления для подачи сжатого газа;
9 – центральный канал ниппеля;
10 – сопла поддува;
11 – пазы завихрителя.
Корпус (1) со штуцером, канал которого (4) сообщается с камерой высокого давления (8) и расположен тангенциально по отношению к камере высокого давления, ниппель (2) с центральным каналом (9), по которому протекает расплав, защитный чехол (3), сопряженный с ниппелем (2), сопловое кольцо (5), завихритель (7) и гайку (6), необходимую для создания требуемого прижима завихрителя и сопловой камеры, а также для герметичности соединений конструкции.
Необходимо отметить, что представленный рисунок носит иллюстративный характер и указывает схематично расположение основных элементов устройства (форсунки). Реализация изобретения возможна и с другими размерами и соотношениями размеров отдельных элементов.
Расплав металла или сплава поступает в центральный канал (9)  ниппеля (2) через входное отверстие, герметично соединенное с торцом металлопровода и протекает через него под действием разряжения, создаваемого потоком газа на выходном конце ниппеля, сжатый газ через присоединенный патрубок (не является частью форсунки) поступает в камеру высокого давления (9), размещенную внутри корпуса устройства (1), проходит  через пазы (11)  завихрителя  (7) и выходит в камеру соплового кольца (5) по касательной к  ниппелю (2). Закрученный поток газа создает область разряжения на выходном торце ниппеля (2), за счет чего происходит эжекция расплава жидкого металла, который затем диспергируется потоком сжатого газа и акустическими колебаниями среды, и кристаллизуется в процессе полета, образуя сферические (или близкие по форме к сферическим) частицы порошка. В сопловом кольце (5) расположены сопла поддува факела распыления (10), выполненные под углом 40-60 градусов к центральной оси устройства, в количестве от 2-х до 4-х, с прямолинейными каналами цилиндрической формы или переменного сечения. Оси сопел поддува смещены относительно центральной оси устройства на величину радиуса сопла. Каналы сопел поддува сообщаются с камерой высокого давления устройства. Струи сжатого газа из сопел поддува оказывают дополнительное диспергирующее воздействие на факел распыла порошка металла и/или сплава.
На фиг. 2 изображен один из вариантов завихрителя (7), в котором видны пазы (11), направленные под углом 45 – 75 градусов к центральной оси устройства (форсунки). В различных вариантах исполнения завихрителя, прямоугольный профиль пазов может быть постоянного или переменного сечения, по типу «сопла Лаваля» (фиг. 3), для увеличения скорости газового потока и повышения эффективности диспергирования получаемых из металлов и/или сплавов порошков.
Варианты устройств (форсунок) по предлагаемому изобретению были изготовлена из нержавеющей стали типа AISI 316L, ниппель был выполнен из керамического материала или графита. Испытания проводились на алюминиевом сплаве АК7ч. Температура расплава металла перед распылением была 720 °С, в качестве распыляющего газа использовалась азотно-кислородная смесь без подогрева.
Параметры процесса распыления и результаты определения грансостава с использованием метода лазерной дифракции на приборе ANALYSETTE 22 NANOTEC представлено в таблице 1.
Тип завихрителя
Давление газа на входе, бар
Произво-дительность кг/ч
d50, мкм
span
Предлагаемое изобретение
Пазы постоянного сечения
12
350
12,6
1,39
Предлагаемое изобретение
Пазы переменного сечения
11
347
11,9
1,36
Прототип
-
19
355
12,3
1,86
Характеристика dX соответствует процентному содержанию весовой доли частиц заданного размера менее X% от общего содержания.
Характеристика span определяется по формуле: Span= (d90-d10)/d50. Как видно из сравнения, заявляемое устройство позволяет снизить давление газа на 25%, снижая при этом показатель span, что приводит к повышению выхода годного металлических порошков и эффективность производства.