雾化法制取的金属粉末广泛应用于粉末冶金及快速凝固领域,是新材料制备的重要手段之一<1 >。雾化器结构对雾化效果具有重要影响。但是由于气体雾化过程和两相流理论仍不完善,对雾化 器的结构设计尚不能进行精确的理论计算,没有现成的标准可循,通常都是通过大量的实验从多种 设计方案中优选出最佳方案<2,3>。金属雾化制粉通常采用开放式雾化器,开放式雾化器是指 金属液流流出漏包口自由降落一定距离后才有气流接触。要想获得更细的粉粒,常常要增大喷射顶 角和喷射压力。然而这样往往会造成雾化器堵塞现象。在喷射角度和喷射压力一定的情况下,如何 选择中心孔直径d以保证雾化的顺利进行,是进行雾化器设计的关键因素之一。本文对44°开放 式环孔雾化器中心线上的不同点进行了压力测量和分析,并对开放式环孔雾化器的堵塞机制进行了 实验研究和初步分析。1 实验方法雾化器结构示意图如图1所示。当气体喷射角度不同时在相同 的气体压力下所获得的最大气流速度及衰减情况明显不同。经过大量实验研究发现,喷射气流角度 为44°时获得了最大的气流速度。这与MoriSA的研究结果相一致<4>。为了提高金属液 流的破碎效果,提高冷却速率,本文选择这种角度雾化器进行研究,实验材料选用45#钢。实验 中选择雾化器中心孔直径分别为11、16、21、26mm。采用如图2所示开口U形水压力计测定中心线上的压力分布。从雾化器顶部开始每隔10mm测定一个点,稳定后记录下U形水压力计的读数。雾化压力为15MPa,在雾化室内充上0 03～0 06Pa的氩气,采用氩气雾化,雾化压力由减压阀控制,尾排第13卷 第4期2003年8月 粉末冶金工业POWDERMETALLURGYINDUSTRY Vol.13No.4Aug.2003图1 雾化器的结构示意 图图2 测量装置示意图的开关由电磁阀控制。2 结果与分析表1为雾化器中心线上不同点的压 力状态与中心孔直径的关系。从表1中可以看出,随着中心孔表1 雾化器中心线上不同点的压力 状态与中心孔直径的关系位置压力状态/Pa11mm16mm21mm26mm1+200-1 60-80-502+500-180-100-503+600+240+160+120直径 的增大,相同雾化压力下,三个测量点的压力状态发生明显的变化,中心孔直径为11mm时,三 个测量点均为正压,极易发生堵塞现象,中心孔直径为16mm时,1、2两点均为负压,堵塞现 象明显减少,随着中心孔直径的增大,三个测量点的负压值进一步提高,金属流率将明显提高。由 于气体流率一定,使得随着d的增大,雾化效果随之变差,雾化的颗粒也随之增大。本文在随后进 行的45#钢实际雾化实验中也验证了上述观点。 中心孔直径的大小直接影响雾化颗粒的尺寸 分布、雾化效果。熔体的雾化过程是靠气体的撞击和剥离作用而实现的。由于环孔射流是锥形的, 所以在环孔射流中心线与中心孔中心线的交点处上下一小段区域内都可以使金属液有效的雾化,这 段区域称为有效雾化区。在有效雾化区上部气体分子的碰撞、散射和卷动而造成气体的紊乱流动, 此区域称为紊流区。气体射流在撞击点处要分解成两个分量,一个是垂直分量,一个是水平分量。 垂直分量是保证雾化顺利进行的必要条件,水平分量是对称的,两股水平气流的撞击作用将液流破 碎<5>。同时当气流撞击到液流上时有一部分气流发生折射,这部分气流起到剥离作用,将液流 进行二次雾化。有人对喷嘴处气流与合金液的作用过程采用高速摄影方法进行研究,喷嘴处合金液 粉碎过程的示意图如图3所示<6>。由漏包流出的金属液在高速气流的作用下图3 合金液的粉 碎过程示意图<6>首先形成倒漏斗形液膜,进而一次变成碎片、短棒,最后球化成圆球。液流受 到水平液流的挤压作用使液流向雾化器下口方向移动以及环孔气体射流的相互散射作用和气流的卷 吸作用,使得被挤压的液流向雾化器下口方向移动的趋势增强。同时由于射流产生的负压吸动效应 ,造成雾化器上面的气体通过雾化器的中心孔进行自然补气。气体通过中心孔时受到挤压作用,同 时金属液流也会受到挤压作用。当金属液流离开雾化器中心孔时,由于挤压作用突然减小气体要向 外部膨胀,而金属液流所受到的压力也会减少以及在气体的卷吸作用下会要向外部膨胀,形成膨胀 区。从图4中可以看出,当中心孔直径减小时,在相同的雾化条件下,中心孔轴线上的正压峰值增 大并且正压峰值位置会向着雾化器方向移动。金属液流在中心孔处所受到的挤压作用增强,从而导 致金属液流离开雾化器下端口时,金属液流的膨胀趋势也会增强,再加上气体射流的散射作用以及 由于中心孔直径的减少,造成环孔所在圆的直径变小而引起的紊流区向雾化器方向移动,一旦紊流 区移到膨胀区乃至雾化器中心孔处,没有充足的气体补流,就会在雾化器下端处形成正压。正压区 的向上移动作用会阻碍金属液流的向下流动而出现反喷,破坏了整个雾化流场,最终堵塞雾化器。 当中心孔直径增大时,中心孔轴线上的正压峰值减小并且正压峰值会向着雾化器的反方向移动。金 属液流在中心孔处所受到的挤压作用变小、膨胀趋势变小、紊流区向远离雾化器下孔端的方向移动 ,气体可以通过中心孔进行充分的补流,有利于雾化的顺利进行。但随着中心孔直径变大而导致射 流中心线与雾化器中心线的距离增大(环孔所在圆的直径相同)。这时雾化气体传递到液态金属上 的能量就会减少,导致气体向液态金属能量转换的效率就越低,雾化效率变低,雾化液滴的颗粒变 粗<7,8>。与表2所示的雾化实验结果相符。图4 中心线上的压力状态与中心孔直径和距离的关系表2 44°雾化器不同中心孔直径的45#钢雾化结果中心孔直径/mm雾化器α雾化压力/MPa材料<045mm颗粒比率/%堵塞程度开尾排不开尾排1144°1 545#2堵塞严重堵塞1644°1 545#60不堵塞严重堵塞2144°1 545#40不堵塞堵塞2644°1 545#36不堵塞轻微堵塞 从表2中可以看出,尾排的控制对雾化效果的好坏、雾化过程能否 顺利进行有直接影响。分析认为,雾化时环孔射流的散射作用使得下雾化室内的周围气体不能进行 充分的补流,只能靠雾化器上部的气体进行补流。随着雾化的进行,雾化室内的气体密度增大,压 力继续增大就会破坏两相流场。在正压区和紊流区出现气体的扰动作用增强,雾化器下孔端部的气 体不能很好地得到补流和混合作用,金属液就会被气流卷吸到雾化器底部,卷吸作用不断进行最终 堵塞雾化器。由以上分析可知,在喷射顶角、
雾化压力、中心孔直径等参数一定的情况下,雾化器 的堵塞是由于雾化室内气体分子不断堆积引起气体压力增高、在雾化器下端部气体扰动作用增强和 气体不能进行充分补流而导致的。通过实验研究发现,在打开控制雾化气体的针阀大约2s左右后 ,迅速打开尾排处的电磁阀,雾化过程能顺利进行(雾化前雾化室内要充满氩气,具有一定的正压 值)。电磁阀的打开,使雾化室内的气体向外部流动,通过调节控制雾化压力的针阀使进气量与出 气量达到动态平衡,在尾排气体的引流作用下能保证雾化过程持续、稳定的进行。3 结论(1) 对于开放式环孔雾化器,在其他雾化条件一定的情况下,中心孔直径过小会导致雾化器堵塞,中心 孔直径大会使雾化颗粒增大。选择合适的中心孔直径是获得良好雾化效果的关键因素之一。(2) 通过调节雾化压力,使进气量与出气量达到动态平衡,在气流的牵引作用下,形成稳定的气体流场 和液体流场,从而获得最佳雾化效果。(3)通过实验研究,初步认为雾化器的堵塞是由于环孔射 流造成的紊流区向雾化器下端部移动与膨胀区相重合,正压峰值增大并向雾化器底部靠近,正压区 峰值附近的金属液被气流卷吸到雾化器下部造成的。开放式雾化器的雾化特性研究@陈庆军$哈尔滨工业大学!黑龙江哈尔滨150001
@范洪波$哈尔滨工业大学!黑龙江哈尔滨150001
@孙剑飞$哈尔滨工业大学!黑龙江哈尔滨150001
@沈军$哈尔滨工业大学!黑龙江哈尔滨150001雾化器;;
工艺参数;;快速凝固讨论了在雾 化压力、雾化器喷射顶角一定的条件下,中心孔直径的大小、气流的牵引等雾化参数对喷粉过程的 影响。通过实验对开放式环孔雾化器在雾化过程中的堵塞现象进行了实验研究,解决了雾化器的堵 塞问题。<1> 沈军,等.雾化过程中的气体动力学特征
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<5> 赵麦群
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