一種旋流式鈦及鈦合金熔液超細(xì)霧化噴嘴的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種噴嘴，具體涉及一種金屬粉末霧化噴嘴。
【背景技術(shù)】
[0002] 常用的超細(xì)金屬粉末的制備方法有機(jī)械法（如球磨法和氣流磨粉碎法）、物理法 (如離子旋轉(zhuǎn)電極法和氣體霧化法）以及物理一化學(xué)法，而氣體霧化法則又分為傳統(tǒng)霧化 技術(shù)（主要包括超聲霧化技術(shù)、緊耦合霧化技術(shù)和高壓氣體霧化技術(shù)）和新型霧化技術(shù) (主要有層流霧化技術(shù)、超聲緊耦合霧化技術(shù)和熱氣體霧化技術(shù)，目前多處于研宄階段）。 其中，機(jī)械法只適合脆性金屬及合金的破碎制粉，而物理一化學(xué)法難以應(yīng)用于大規(guī)模工業(yè) 生產(chǎn)，所以目前研宄多集中在氣體霧化法。
[0003] 具有代表性的噴嘴結(jié)構(gòu)主要有三大類：超聲霧化技術(shù)；緊親合（close-coupled) 霧化技術(shù)和高壓氣體霧化技術(shù)：
[0004] 超聲霧化技術(shù)由拉伐爾噴嘴和哈特曼振動(dòng)管組合在一起，在產(chǎn)生2~2. 5馬赫數(shù) 超聲速氣流的同時(shí)，產(chǎn)生80-lOOkHz的脈沖頻率；該技術(shù)只能在金屬液流直徑小于5mm的情 況下才具有較好效果，因此適用于鋁等低熔點(diǎn)金屬粉末的生產(chǎn)。
[0005] 緊耦合霧化技術(shù)的主要思想是增加氣體動(dòng)能至金屬液流的傳輸效率，改進(jìn)限制式 噴嘴的機(jī)構(gòu)，使氣流自出口至液流的距離最短，因此目前已成為大多霧化設(shè)備的首選；然而 在緊耦合霧化技術(shù)中，包含許多物理和化學(xué)過(guò)程，存在著氣體的動(dòng)能和液體的熱能等傳輸 過(guò)程，情況十分復(fù)雜，氣流與液流的作用機(jī)理至今沒(méi)有完全研宄清楚，同時(shí)，需要精確控制 才能避免霧化過(guò)程的堵嘴等不穩(wěn)定現(xiàn)象。
[0006] 高壓氣體霧化技術(shù)將緊耦合噴嘴的環(huán)縫出口改為20~24個(gè)單一噴孔，通過(guò)提高 氣壓（最高可達(dá)到17MPa)和改變導(dǎo)液管出口處的形狀設(shè)計(jì)，克服緊耦合噴嘴中存在的氣流 激波（這是緊耦合噴嘴中產(chǎn)生上述不穩(wěn)定現(xiàn)象的原因），使氣流呈超聲速層流狀態(tài)，并在導(dǎo) 液管出口處形成有效的負(fù)壓；高壓氣體霧化技術(shù)不足的地方一是細(xì)粉末的出產(chǎn)率低（小于 20% )，二是氣體消耗量大，生產(chǎn)成本高。
[0007] 為此，由上世紀(jì)90年代至今，國(guó)外對(duì)霧化技術(shù)的研宄在以下三方面取得了新的進(jìn) 展：
[0008] 層流霧化技術(shù)對(duì)噴嘴進(jìn)行重大改進(jìn)，提出了層流超聲霧化的概念，使氣流在噴嘴 中呈層流狀態(tài)，同時(shí)金屬液流也呈層流狀態(tài)，氣流不再以某一角度沖擊液態(tài)金屬流，而是平 行于液態(tài)金屬流，在這里液態(tài)金屬流依靠氣流在液流表面產(chǎn)生的剪切力和擠壓而變形，液 流直徑不斷減小，發(fā)生層流纖維化，這一過(guò)程在一個(gè)穩(wěn)定的氣流和金屬流場(chǎng)中進(jìn)行。但該霧 化技術(shù)控制難度大，霧化過(guò)程不穩(wěn)定，且產(chǎn)量?。ń饘儋|(zhì)量流率小于lkg/min)，不利于工業(yè) 化生產(chǎn)。
[0009] 超聲緊耦合霧化技術(shù)對(duì)緊耦合環(huán)縫式噴嘴進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，一是使氣流的出口速度 超過(guò)聲速，從而在較小的霧化壓力下獲得高速氣流，二是增加金屬液流的體積流率。目前仍 處于實(shí)驗(yàn)室階段。
[0010] 熱氣體霧化技術(shù)是用提高霧化介質(zhì)溫度的方法來(lái)增加其動(dòng)能，進(jìn)而提高霧化效率 和節(jié)省通氣量。但熱氣體霧化技術(shù)由于受到氣體加熱系統(tǒng)和噴嘴的限制，對(duì)其霧化機(jī)理、噴 嘴的設(shè)計(jì)、粉末性能、組織結(jié)構(gòu)以及氣體消耗量還很少有研宄報(bào)告。
[0011] 以上噴嘴的設(shè)計(jì)具有一個(gè)共同點(diǎn)，就是噴嘴出流方向和噴嘴出口環(huán)形平面呈直角 并指向環(huán)的中心，從而在噴嘴下方較短距離內(nèi)互撞，引起氣流的強(qiáng)烈剪切，從而使環(huán)形中心 流出的金屬液面撕裂，終至霧化，同時(shí)出流由于強(qiáng)烈互撞，也形成了強(qiáng)湍流，不利于流動(dòng)的 控制和霧化顆粒的均勻分布。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 發(fā)明目的：本發(fā)明的目的在于為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種氣流穩(wěn)定均勻、 霧化冷卻效果好的旋流式鈦及鈦合金熔液超細(xì)霧化噴嘴。
[0013] 技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種旋流式鈦及鈦合金熔液超細(xì)霧化噴嘴，包括噴嘴外 套和鈦液導(dǎo)流管，所述鈦液導(dǎo)流管沿軸線貫穿有鈦液通道，所述噴嘴外套固定在所述鈦液 導(dǎo)流管的一端使鈦液導(dǎo)流管外壁和噴嘴外套內(nèi)壁之間形成設(shè)有高壓氣源入口的高壓氣源 室，所述鈦液導(dǎo)流管的另一端與所述鈦液導(dǎo)流管之間形成拉伐爾噴管，在所述拉伐爾噴管 的擴(kuò)張段內(nèi)安裝一組連接所述噴嘴外套的內(nèi)壁和所述鈦液導(dǎo)流管的外壁的導(dǎo)流片，所述導(dǎo) 流片相互間隔的排列在噴嘴外套和鈦液導(dǎo)流管之間形成通道使噴管出口處超音速流呈旋 流狀態(tài)。
[0014] 進(jìn)一步，所有所述導(dǎo)流片同向的從上至下從豎直方向（0° )緩慢改變角度逐漸 延伸至與水平方向呈40~50° ;帶有導(dǎo)流片噴嘴的流場(chǎng)數(shù)值模擬結(jié)果表明，如果旋轉(zhuǎn)角 太小（〈40° )，則旋流分量太小，對(duì)流場(chǎng)的穩(wěn)定效果不明顯；另一方面，如果旋轉(zhuǎn)角太大 (>50° )，由于旋轉(zhuǎn)角在噴嘴內(nèi)是漸變的，并使氣流不致分離，則噴嘴內(nèi)的導(dǎo)流片會(huì)加長(zhǎng)，噴 嘴尺寸也必須增大，從而使噴嘴的制造成本大大提高。導(dǎo)流片變化的角度不可太大，一般控 制在每垂直向下延伸Imm導(dǎo)流片角度改變5°左右。
[0015] 進(jìn)一步，所述導(dǎo)流片的厚度為0. 5~1.0 mm ;導(dǎo)流片的厚度一方面必須滿足強(qiáng)度要 求，使得超音速氣流通過(guò)時(shí)不致引起變形和顫振，從而造成氣流的不穩(wěn)定，另一方面不能太 厚，以免造成噴'嘴的堵塞。
[0016] 所述噴嘴外套的內(nèi)壁包括兩個(gè)坡面：入口面和出口面，所述入口面從高壓氣源室 延伸出來(lái)且漸收，所述入口面和出口面的銜接點(diǎn)為喉道，所述出口面從所述喉道延伸并漸 闊，所述鈦液導(dǎo)流管的外壁漸收；所述鈦液導(dǎo)流管漸收面、所述噴嘴外套入口面和所述噴嘴 外套出口面分別與重垂線的夾角依次減小；保證高壓氣體流進(jìn)入拉伐爾噴管可在喉道被加 速至音速，在拉伐爾噴管的出口被加速至超音速，氣體流實(shí)現(xiàn)無(wú)激波膨脹，因此在拉伐爾噴 管出口處產(chǎn)生背壓，在與拉伐爾噴管出口靠近的鈦液導(dǎo)流管唇口處產(chǎn)生一定的負(fù)壓，由于 鈦液通道內(nèi)的壓力與出口負(fù)壓的壓力差，引導(dǎo)鈦液從鈦液通道內(nèi)流出。
[0017] 進(jìn)一步，所述喉道的截面面積和拉伐爾噴管的出口面積之比為1. 53(除去導(dǎo)流片 所占面積），使氣體流的在拉伐爾噴管出口的馬赫數(shù)為2. 0,實(shí)現(xiàn)2倍音速，氣體流的壓力和 拉伐爾噴管出口背壓之比為8. 31，保證鈦及鈦合金液從鈦液通道中流出時(shí)在超音速氣流的 剪切作用下，破碎成圓球形液滴，隨之迅速冷卻，形成圓球形細(xì)小粉末。
[0018] 進(jìn)一步，所述導(dǎo)流片的上端距離拉伐爾噴管的喉道3~4mm，這是因?yàn)楦邏簹鍤庠?拉伐爾噴管的喉道處剛好達(dá)到音速，仍然不穩(wěn)定，在喉道之后的擴(kuò)張段內(nèi)需要一定距離進(jìn) 一步加速成超音速，導(dǎo)流片對(duì)氣體的阻塞要足夠?。煌瑫r(shí)，所述導(dǎo)流片的下端距離拉伐爾噴 管的出口 2~3_，此預(yù)留空間使得高速氣流得以匯合，避免在流動(dòng)方向產(chǎn)生不必要的剪切 力