氣體霧化技術制備金屬粉末分析

田景明

（鞍鋼實業微細鋁粉有限公司遼寧鞍山114000）

摘要：氣體霧化技術制備金屬粉末是此次研究的中心，首先對氣體霧化粉末制備方法進行了介紹，了解不同氣體霧化技術的應用優勢與不足;其次分析了氣體霧化噴嘴，作為氣體霧化處理關鍵設備，噴嘴的選擇與應用直接關系到金屬粉末霧化處理效果;最后對氣體霧化技術操作詳細介紹，了解處理細節的同時，梳理其中的影響條件，在此基礎上，打造優化金屬粉末處理過程，放大氣體霧化技術應用作用的目的。

關鍵詞：氣體霧化技術;金屬粉末;金屬液流;霧化噴嘴

氣體霧化技術制備金屬粉末的研究，主要基于科學技術發展與氣體霧化技術創新。金屬粉末在實際應用中具有突出優勢，借助霧化處理，將球形度、氧含量與粉末粒度等優勢凸顯出來，同時還能夠降低生產成本。當前氣體霧化技術在金屬粉末制備中的應用越來越成熟，逐漸應用到各種工業生產中，為粉末霧化的升級提供了助力。氣體霧化技術其主要以高速氣流作用及時粉碎金屬流的原理，獲得金屬粉末。技術關鍵在于氣體的控制與金屬液流的調整，充分放大氣流動能，隨后通過有效控制將其過渡到粉末表面能，最終得到理想的制作成品，期間會應用到噴嘴關鍵控制部件，金屬粉末霧化的效率與實際性能都受到噴嘴結構影響。我國對氣體霧化技術的研究相對比較少，通過近年不斷提高重視，特別是科學技術升級背景下，得到越來越多的支持。基于此，加大對氣體霧化技術制備金屬粉末的研究粒度成為必然趨勢。

1 氣體霧化粉末制備方法介紹

氣體霧化技術制備金屬粉末，已經成為工業生產研究的熱點內容，尤其是金屬粉末的制備，氣體霧化技術已經成為主要方法，目前在常見的氣體霧化技術的范圍內，制備方法受到設備加熱元件差異的影響，主要包括以下幾種類型。

（1）VIGA法，即真空感應熔煉惰性氣體霧化法。該方法的應用涉及坩堝的影響，加上硬件設備不到位，因此加熱溫度最大值為1500～1600℃之間。氣體霧化處理中，導流嘴同樣產生干擾，合金熔體會出現一些雜質，降低金屬粉體制備的最終純凈度。

（2）PICA法，即等離子熔煉感應氣體霧化法。該方法對傳統霧化法為技術進行了升級，首先是加熱源的優化，其次是將陶瓷坩堝調整為水冷銅坩堝。冷水銅坩堝的首次應用是制備球形鈦粉中，借助等離子熱源，打破傳統加熱源穩定性差的限制，科學調整高溫金屬，繼而創造更理想的霧化條件。隨后經過不斷應用探索，水冷銅坩堝開始涉獵金屬液流，利用母體金屬層的設置，對金屬液流有效隔絕，如此一來，純凈度得到有效提高。

（3）PA法，即等離子火炬霧化法。該方法以較直接的方式應用，調整好速率后，將金屬絲材逐步融化，同步收集金屬液，按照霧化標準調整其他，隨后完成霧化處理。等離子火炬物化法應用中具有純度高的優勢，還可以保證球形度，并且降低了金屬粉末的含氧量。當然實際應用中，原料絲為霧化處理主要原料，在原料方面增加了處理成本，對金屬粉體類別要求高，這方面在實際應用中還需進一步改善。

（4）EIGA法，即無坩堝電極感應熔化氣體物化法。首先電極選擇預制合金棒，隨后搭配霧化所需的感應熔煉線圈，結合霧化要求對垂直送料參數嚴格控制，及時熔化棒料電極，迅速完成霧化處理。該技術的首次應用在德國，為解決母合金霧化雜質問題，放棄陶瓷坩堝的使用，選擇無坩堝電極感應熔化的方式，及時規避雜質問題，純凈度得到顯著提高。此方法應用不足體現在以下幾方面：一是合金預制棒材方面，成本明顯高于合金錠料;二是霧化所應用的棒材合金均勻性方面，會影響到金屬粉體的化學成分;三是棒材熔化速度方面，控制難度比較大，一旦控制不到位，就會出現液流斷流的情況，不僅會阻塞導流管，還會影響金屬粉體性能。

2 全方面分析氣體霧化噴嘴

氣體霧化技術應用中，噴嘴類型比較多。作為氣體霧化技術的基本載體，霧化噴嘴直接關系到霧化介質能量，目前所應用的氣體霧化噴嘴主要包括兩種，其一為自由降落類型，其二是限制式類型。

自由降落類型實際應用，不會約束漏包金屬液流的速度，特別是氣流交匯關鍵環節，金屬液流都能夠做到自由降落。氣體霧化處理期間，液流與氣流之間的交匯，液流至少達到90mm，由此可以看出，金屬液流不會受到氣流過大的沖擊，液流霧化破碎存在一些限制，主要為粉體粒度粗。限制式類型實際應用，導流管充分發揮其引流功能，順利輸送金屬液流，這樣就可以對金屬液流自降環節做出改善，還能夠將氣體能量有效轉化，調整液流破碎后的粉體粒度。當然是操作期間，因為霧化的主要點在于噴嘴出口位置，所以若不能及時處理，必然會出現噴嘴堵塞或者霧化反噴情況。噴嘴類型的不同，應用的氣體霧化形式也會出現變化。

2.1 緊耦合霧化法

緊耦合霧化法主要選擇限制性噴嘴類型，氣體霧化期間迅速調整壓力，待達到霧化臨界值，觀察霧化氣體速度變化，若不會隨著氣體壓力明顯變化，則表示霧化操作理想。限制性噴嘴類型結構在應用過程中也在不斷改進，從噴嘴出氣口為基點，適當調整液流間與其間距，隨后在氣體動能的帶動下，將霧化材料充分破碎。氣體動能的充分放大，需對傳輸效率適當調整，這樣就可以將熔體迅速霧化，并取得理想的熔滴效果。緊耦合霧化法應用參數標準為：熔體冷卻速度必須≥1×10K/s;粉末平均粒度必須達到≤50μm標準。

2.2 超聲霧化法

該方法對霧化噴嘴做出明顯改造，借助超聲波的方式，提高霧化破碎率。超聲波的產生需依靠振動管實現，并且超音速需達到2～2.5MPa，并且注意脈沖頻率的控制，必須達到80～100kHz，這樣冷凝速度才可以達到104～105K/s的條件，同時滿足霧化要求。

2.3 層流霧化法

層流霧化法改變了常見噴嘴形式，以特殊噴槍的方式進行了升級。霧化的主要原理是利用氣流的控制，將其打造成流狀態，這樣金屬液流就會受到氣體剪切力的全面作用，同時還可以實現充分的擠壓變形，進而呈現出層流纖維化，及時克服霧化期間氣流對其的干擾，將霧化氣體能量損失降到最低，如此既可以改善粉末粒度，又可以將霧化效率提高。

2.4 熱氣霧化法

熱氣霧化法的研究主要從氣體能量、霧化效率關系方面著手，霧化效率受到氣體能量的影響。氣體霧化處理中，氣體性能、氣流速度等是關鍵，必須保證氣體速度、動能為成比例關系，這樣才能更好地激發出霧化效能。氣流進出口速度的變化，需參考氣體動力學原理，緊密聯系噴嘴結構，同時還要對壓力類型與氣流速度比較，觀察氣體霧化處理期間的溫度變化。參考氣體溫度變化，從25℃升至500℃，氣體霧化處理中的氣流速度必然會出現變化，從原始速度翻倍，如此一來，霧化介質同樣會隨之溫度上升，從而氣體霧化的動能明顯增加。氣體霧化的動能增加，金屬液流破碎沖擊力加大，噴嘴的有效輔助下，得到理想的金屬粉末。熱氣霧化法在實際應用中，打破了傳統霧化處理中氣體性能及各方面因素的限制，借助溫度調整，迅速調整氣體霧化狀態，隨即為霧化處理提供更多動能。當然溫度是關鍵因素，霧化操作中必須做好溫度控制，否則必然會影響到最終的氣體霧化處理效果。

3 氣體霧化技術制備金屬粉末的具體過程

氣體霧化技術制備金屬粉末，主要涉及到兩方面，其一是霧化過程，其二是霧化條件。

3.1 霧化過程

金屬粉末制備期間，氣體霧化技術的基本機理體現在幾方面，首先是金屬液滴處理環節，該環節的處理以自由落體為中心，借助擠壓的方式，改變金屬液流狀態;同時有效的氣體剪切，細化金屬液流，逐漸將其纖維化處理。其次是霧化區與液滴分離后，觀察液滴外壓變化，持續減小基礎上，對內外壓力不平衡條件充分利用，隨后實現液滴的自激破碎。金屬液流被氣流從雙向作用，到達氣壓紊流區后，液流開始出現變化，從而形成原始液滴區域。待氣壓加大，液滴進入到有效霧化環節，此環節之前，所有液滴均聚集在有效霧化區，最后為冷卻凝固區。噴嘴接觸到霧化氣體后，在出口位置同樣會出現氣壓紊流區，這時需要噴嘴適當“抽吸”，將金屬液流及時分散，從而產生纖維束。纖維束受到金屬表面張力的作用，加上雙重氣流的推進，開始同步分散，隨后轉變為小顆粒。高壓氣流將小顆粒全面擊碎，擊碎后的金屬粉末開始自由沉降，最終達到工業應用金屬粉末處理的要求。

3.2 霧化條件

霧化條件的整理，主要是保證霧化過程順利進行，提高金屬粉末霧化效果。第一是導流嘴，金屬粉末霧化中粉體粒度會受到導流嘴內控直徑的干擾而出現變化。此影響分析主要依據能量守恒定律展開，金屬粉末氣體霧化操作中，氣體動能是重要動力，霧化過程中動能會逐漸轉變為表面能，其中會應用到粉末平均粒徑公式，詳見式（1）。

（1）

計算公式中主要包括以下參數：粉體平均粒徑為;金屬熔體質量流量為;金屬熔體表面張力為;常數為;氣體質量流量為;金屬熔體密度為;霧化氣流速度為。結合公式內容進行梳理，其中金屬種類相同條件下霧化處理，還需要對溫度、霧化壓力進行調整，上述條件一致基礎上，金屬熔體表面張力、氣體質量流量、金屬熔體密度、霧化氣流速度并不會出現變化，繼而總結出金屬熔體質量流量與導流管孔徑之間為正比例變化關系，由此看出，若導流嘴孔徑過大，金屬粉末的粒徑必然會變大，熔體得不到充分破碎。導流嘴孔徑的變化，還會干擾到氣體霧化處理效率，導致金屬粉末霧化制備效率降低，甚至發生堵嘴或者其他現象，這方面必須注意。

其次是熔煉溫度影響條件，氣體霧化中，相同材質情況下，熔體粘度會明顯受到熔煉溫度的影響，影響詳見式（2）。

（2）

計算公式中涉及粘度系數參數（）、常熟（）、氣體常熟（）、絕對溫度（）、活化能（）。結合公式總結出，熔體粘度在熔煉溫度變化下，霧化能耗會出現變化，若溫度過高，必然會增加霧化能耗，這樣一來熔體表面張力會明顯變小，熔體粘度也會隨之減小。

最后是氣體霧化壓力影響條件，影響干擾需通過氣體動能公式研究，詳見式（3）。

（3）

公式中包括3個參數，即氣體動能（）、氣體質量流量（）、霧化氣流流速（）。根據計算公式可以總結出，氣體質量流量的變化，氣體動能會出現明顯波動，其中氣體霧化壓力是氣體動能的根本。霧化氣流流速若適當提高，氣體動能也會明顯增加。參考氣體霧化壓力、氣體動能及能量守恒定律可以看出，氣體動能與霧化氣流流速、氣體質量流速同樣為正比例變化關系。

4 結語

綜上所述，氣體霧化技術作為金屬粉末制備的關鍵技術，關系到金屬粉末的有效應用與制備性能。通過對氣體霧化技術介紹可以發現，其在金屬粉末制備中具有突出優勢，降低金屬粉末制備成本，優化金屬粉末制備性能，拓展了金屬粉末制備與應用的空間。氣體霧化技術的應用，涉及到噴嘴、氣流管等設備，必須從氣體霧化整體角度出發，在每個霧化環節都進行優化處理，保證霧化流程順利完成基礎上，金屬原料得到充分破碎，取得理想的金屬粉末成品。當然必須詳細了解氣體霧化處理的影響條件，科學規避金屬粉末霧化處理不理因素，由此達到提高金屬粉末氣體霧化制備水平的目的。

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