敞開式水霧化噴嘴

仲偉聰，劉丹

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敞開式水霧化噴嘴

仲偉聰，劉丹

(西安航天源動力工程有限公司，西安 710100)

水霧化噴嘴是水霧化法生產(chǎn)金屬粉末的關(guān)鍵設(shè)備。對于常規(guī)噴嘴，增大霧化夾角及提高霧化壓力均可提高金屬粉末的細粉率，但也都會遇到堵嘴問題，從而導致霧化過程中斷。本研究分析了霧化過程中的堵嘴機理，設(shè)計了一種新型敞開式水霧化噴嘴，對其進行強度計算，并進行霧化試驗。結(jié)果表明，此新型敞開式霧化噴嘴可以有效避免水霧化金屬粉末過程中氣囊的形成，可從根本上解決以往生產(chǎn)中經(jīng)常出現(xiàn)的堵嘴問題。而對單個敞開式噴嘴而言，提高霧化夾角，增加孔數(shù)，以及提高霧化壓力，均可以顯著提高細粉率。

霧化；噴嘴；霧化夾角；強度；堵嘴

水霧化是制取金屬或合金粉末最常用的工藝技術(shù)。水能以單個的、多個的或環(huán)形的方式噴射。高壓水流直接噴射在金屬液流上，強制其粉碎并加速凝 固[1?2]。用水作為霧化介質(zhì)，具有霧化動力大，冷卻速率快，成分均勻，壓制成形性能好等優(yōu)點[3]，因此水霧化法生產(chǎn)金屬粉末已得到廣泛應(yīng)用，且已獲得許多成果。水霧化制取金屬粉末的過程受液流金屬的溫度、液體金屬的化學成分、水的壓力、霧化噴嘴等因素的影響[4]，其中水霧化噴嘴在水霧化法制取金屬粉末的過程中起到了關(guān)鍵的作用，噴嘴結(jié)構(gòu)直接影響制粉的效率及所制成粉末的質(zhì)量[5?6]。噴嘴的結(jié)構(gòu)形式有環(huán)縫式、單排環(huán)孔式、多排環(huán)孔式、扇形等[7?8]，環(huán)縫式噴嘴雖然細粉收得率較高，但對噴嘴的加工精度及金屬液流對中性要求很高；單排環(huán)孔式噴嘴加工簡單，操作簡便，但成粉率低[9]；多排環(huán)孔式噴嘴可以防止被擊碎的粉末在飛行過程中相互粘連，細粉率高，但加工難度大[10]。不論是哪種形式的噴嘴，研究的目的都是為了解決細粉率與堵嘴之間的矛盾。噴射角度大時，細粉率較高，但容易堵嘴，多次聚焦環(huán)孔式噴嘴可有效提高細粉率，但也不能從根本上解決堵嘴的問 題[11?12]。為了從根本上解決堵嘴的問題，本研究從水霧化金屬粉末的機理出發(fā)，設(shè)計出了全新的敞開式霧化噴嘴，并且在生產(chǎn)中取到了良好的效果。

1 敞開式噴嘴的設(shè)計

1.1 敞開式噴嘴系統(tǒng)

在使用水霧化法生產(chǎn)金屬粉末的過程中，當水壓升高到一定程度后，高壓水一離開噴嘴就有部分水破碎從而被霧化成小液滴，小液滴遇到高溫熔融的金屬液后迅速汽化，并在噴嘴下部高壓水錐內(nèi)端形成一個氣囊而造成噴濺[13?15]，當氣囊中的壓力不斷增加時，將導致反噴或?qū)㈧F化噴嘴焊死，使霧化操作失敗。同時，水在高壓下產(chǎn)生較大力度的反濺，反濺削弱金屬液柱底端，并不斷冷卻金屬溶液，甚至帶走部分金屬溶液，進而噴濺到噴嘴內(nèi)壁處，造成噴嘴內(nèi)環(huán)燒蝕，使得霧化操作不斷惡化，最終導致失敗[16?17]。因此，要解決堵嘴問題必須改變噴嘴形式，使得高壓霧化時形成的水汽可以順利從霧化通道中排出，防止氣囊的形成[18?19]。為此，我們設(shè)計了一種新型的敞開式噴嘴。 敞開式噴嘴的使用必須配合其工裝，其整個霧化系統(tǒng)如圖1及圖2所示。

圖1 敞開式噴嘴系統(tǒng)示意圖

工作時，熔融金屬液通過石墨環(huán)形成的通道流下，被經(jīng)敞開式噴嘴噴出的水流霧化為金屬粉末，霧化過程中產(chǎn)生的水汽則通過噴嘴與工裝形成的8個通道溢出，以此來防止氣囊的形成，進而達到防止堵嘴的 目的。

1.2 敞開式噴嘴配件

在敞開式噴嘴系統(tǒng)中，除了花瓣式噴嘴(由噴嘴蓋及噴嘴組成)之外，其相關(guān)配件也缺一不可，主要配件及作用如下所述。

圖2 敞開式噴嘴系統(tǒng)剖面圖

1.2.1 坩堝板

坩堝板用于支撐坩堝，將坩堝與噴嘴隔離開來，有效隔離熱源，防止噴嘴過熱而粘連金屬液；另外，坩堝板還能防止花瓣式結(jié)構(gòu)溢出的水汽接觸高溫坩堝而導致炸裂。

1.2.2 石墨環(huán)

高溫金屬液通過石墨環(huán)形成的通道流下，即便由于坩堝的晃動或者高頻爐澆注位置的改變而導致高溫金屬液流濺到環(huán)形通道上，金屬液也不會粘連在石墨環(huán)上，這樣可以防止金屬液堵塞噴嘴的內(nèi)部通道。

1.2.3 擋圈

在敞開式噴嘴結(jié)構(gòu)中有兩個擋圈，擋圈1位于坩堝板與噴嘴之間，擋圈1的設(shè)置兩個原因：一是防止高溫金屬液接觸空氣而發(fā)生氧化，二是防止由花瓣形結(jié)構(gòu)溢出的水汽接觸高溫熔融金屬液而導致炸裂；擋圈2位于噴嘴與底座之間，擋圈2的主要作用是防止霧化后產(chǎn)生的金屬粉濺出噴嘴而產(chǎn)生不安全因素。

1.2.4 測壓管

測壓管的設(shè)置配合壓力傳感器使用，可以隨時監(jiān)測噴嘴中的壓力，防止壓力過高而發(fā)生危險。

2 敞開式噴嘴的強度計算

為進行噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計，采用CAE高級非線性有限元分析軟件Abaqus對噴嘴結(jié)構(gòu)進行強度校核計算，為結(jié)構(gòu)設(shè)計及方案選擇提供參考依據(jù)。

計算的主要內(nèi)容包括：1) 對噴嘴整體結(jié)構(gòu)進行強度計算；2) 對噴嘴整體結(jié)構(gòu)進行剛度計算。

按噴嘴的設(shè)計要求，噴嘴最大應(yīng)力值應(yīng)小于材料的許用應(yīng)力；噴嘴蓋與噴嘴之間的最大間隙應(yīng)小于0.48×10?3 m，而密封圈處的最大間隙應(yīng)小于0.25×10?3 m。

2.1 模型

噴嘴模型如圖3所示，計算區(qū)域結(jié)構(gòu)分為噴嘴蓋及噴嘴，噴嘴蓋由四個螺栓固定，噴嘴通過4個螺栓與噴嘴蓋固定。忽略管路及計算區(qū)域結(jié)構(gòu)中不存在應(yīng)力集中的倒角，建立四分之一周期對稱模型，如圖4所示。

圖3 簡化前模型

2.2 材料

噴嘴材料為1Cr18Ni9Ti，其屬性如表1所列。

圖4 簡化后模型

表1 材料屬性

2.3 邊界條件及載荷

約束條件——噴嘴蓋及噴嘴的接觸面之間定義為接觸，同樣將螺栓與噴嘴蓋及噴嘴的表面定義為接觸。噴嘴蓋螺栓固定區(qū)域定義為固支約束。

載荷條件——噴嘴蓋及噴嘴之間的空腔內(nèi)施加1.2×107Pa的均布壓力載荷，忽略螺栓預(yù)緊力。

2.4 計算結(jié)果

2.4.1 噴嘴強度計算結(jié)果

噴嘴蓋應(yīng)力計算結(jié)果如圖5所示，在螺栓固定附近倒角處應(yīng)力為1.33×108Pa，壓力作用表面處應(yīng)力約為0.9×108Pa。噴嘴的應(yīng)力計算結(jié)果如圖6所示，內(nèi)腔壓力作用底面倒角處，最大應(yīng)力值約為1.33×108Pa。

圖5 噴嘴蓋等效應(yīng)力圖(Pa)

圖6 噴嘴等效應(yīng)力圖(Pa)

圖7 整體豎直方向變形圖(m)

2.4.2 噴嘴剛度計算結(jié)果

結(jié)構(gòu)豎直方向變形結(jié)果如圖7所示，噴嘴蓋最大豎直方向變形為0.198×10?3 m，方向向上。噴嘴豎直方向變形為0.112×10?3 m，方向向下。噴嘴蓋與噴嘴之間最大間隙為0.28×10?3 m，外徑密封圈處同樣存在0.18×10?3 m的間隙。

由以上計算結(jié)果可見，噴嘴系統(tǒng)強度能夠滿足服役強度要求，其剛度計算結(jié)果的變形量也滿足密封 要求。

3 試驗條件及結(jié)果

3.1 試驗系統(tǒng)及工裝

試驗系統(tǒng)如圖8所示，主要由中頻感應(yīng)爐、漏包、霧化噴嘴、高壓水泵等組成。將金屬原料加入中頻感應(yīng)爐中加熱熔化后，注入漏包中，高壓水泵輸出的高壓水經(jīng)此新型敞開式噴嘴噴出，將金屬熔融液流霧化成金屬粉末，流入收集桶中[20]。

圖8 試驗系統(tǒng)示意圖

3.2 試驗件

試驗采用4種不同規(guī)格的噴嘴，如表2所列：

對以上4種規(guī)格的噴嘴分別進行了霧化壓力為6，8及10 MPa三種工況的試驗。

表2 噴嘴型號

3.3 試驗結(jié)果及分析

分別用表2中4種不同規(guī)格的噴嘴在不同壓力工況條件下制取一爐約50 kg的金屬粉末，試驗過程中，各種規(guī)格噴嘴均未發(fā)生堵塞現(xiàn)場，漏包上也沒有粘連金屬熔融液，對制取的金屬粉末進行取樣統(tǒng)計，結(jié)果如表3所列：

表3 不同規(guī)格敞開式噴嘴在不同工況下的霧化效果比較

圖9所示為該4種不同規(guī)格的噴嘴在不同工況下的霧化效果圖。從圖9可以看出，對于同一個噴嘴，隨霧化壓力提高，細粉率顯著提高；而對于相同霧化夾角的噴嘴(夾角為36°)，32個孔(1號)的霧化效果要明顯高于24個孔(2號)；對于相同孔數(shù)的噴嘴(2號、3號、4號)，隨霧化夾角增大，在相同霧化壓力下，其細粉率有明顯提高。而在整個試驗中，各種敞開式霧化噴嘴均未發(fā)生堵塞現(xiàn)象，在10 MPa水壓下，小于50mm的細粉率最高達47%。

圖9 不同規(guī)格敞開式噴嘴在不同工況下的霧化效果圖

4 結(jié)論

1) 新型的敞開式霧化噴嘴，可以有效解決水霧化金屬粉末生產(chǎn)過程中出現(xiàn)的堵嘴問題，使得霧化過程可以連續(xù)進行。

2) 對于相同霧化夾角及孔數(shù)的敞開式霧化噴嘴，其細粉率隨霧化壓力升高而顯著提高；霧化夾角相同，增加孔數(shù)可提高其霧化效果；孔數(shù)相同，增大霧化夾角可提高霧化效果。

[1] 陳文革, 王發(fā)展. 粉末冶金工藝及材料[M]. 北京:冶金工業(yè)出版社, 2011, 42?47. CHEN Wenge, WANG Fazhan. Process and Material of Powder Metallurgy[M]. Beijing: Metallurgical Industry Press, 2011, 42?47.

[2] 陳振華. 現(xiàn)代粉末冶金技術(shù)[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2007, 105?106. CHEN Zhenhua. Modern Powder Metallurgy Technology[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2007, 105?106.

[3] 冷丹, 曾克里, 王志勇, 等. 高壓水霧化法制備MIM不銹鋼粉末工藝研究[J]. 粉末冶金工業(yè), 2015, 4(25): 8?11. LENG Dan, ZENG Keli, WANG Zhiyong, et al. Technology research of MIM stainless steel powder preparation use high pressure water atomization method[J]. Powder Metallurgy Industry, 2015, 4(25): 8?11.

[4] 劉宏英. 超細金屬粉制備新工藝研究[J]. 湖南冶金, 2003, 9(31): 19?21. LIU Hongying. New technology research of the preparation of ultrafine metallic powder[J]. Hunan Metallurgy, 2003, 9(31): 19?21.

[5] 劉福平. 環(huán)孔霧化噴嘴設(shè)計參數(shù)的研究[J]. 粉末冶金工業(yè), 2011, 21(1): 40?44. LIU Fuping. Research of design parameters of annular spray nozzle[J]. Powder Metallurgy Industry, 2011, 21(1): 40?44.

[6] 梁榮, 黨新安, 趙小娟, 等. 微細金屬粉末霧化噴嘴的設(shè)計進展[J]. 有色金屬, 2008. 02: 36?40. LIANG Rong, DANG Xin’an, ZHAO Xiaoming, et al. The design progress of fine metal powder spray nozzle [J]. Nonferrous Metals, 2008, 2: 36?40.

[7] 傅文玲, 劉鵬. 煙氣脫硫用碳化硅噴嘴的國產(chǎn)化探討[J]. 電力設(shè)備, 2007, 8(2): 50?52. FU Wenling, LIU Peng. The localization of silicon carbide nozzle which used for Flue gas desulfurization [J]. Electrical Equipment, 2007, 8(2): 50?52.

[8] 沈英俊. 若干霧化參數(shù)的理論簡析[J]. 粉末冶金技術(shù), 1995, 13(1): 21?25. SHEN Yingjun, et al. Theory analysis of some atomization parameters[J]. Powder Metallurgy Technology, 1995, 13(1): 21?25.

[9] 趙麥群, 王迪功. 新型環(huán)孔霧化噴嘴[J]. 粉末冶金技術(shù), 1996. 11(14): 272?274. ZHAO Maiqun, WANG Digong. A new annular spray nozzle[J]. Powder Metallurgy Technology, 1996, 11(14): 272?274.

[10] 胡春蓮, 侯尚林. 霧化噴嘴結(jié)構(gòu)對噴焊合金粉末性能的影響[J]. 材料保護, 2002, 12(35): 53?54. HU Chunlian, HOU Shanglin. The influence on spray welding alloy powder from Spray nozzle structure[J]. Materials Protection, 2002, 12(35): 53?54.

[11] 孫劍飛. 高溫合金霧化熔滴的熱傳輸與凝固行為[J]. 粉末冶金技術(shù), 2000, 18(2): 92?97. SUN Jianfei. The Heat transfer and solidification of High temperature alloy atomized droplet[J]. Powder Metallurgy Technology, 2000, 18(2): 92?97.

[12] 陳振華. 金屬粉末的霧化問題[J]. 粉末冶金技術(shù), 1998, 16(4): 282?289. CHEN Zhenhua. The atomization of metal powder[J]. Powder Metallurgy Technology, 1998, 16(4): 282?289.

[13] 麻洪秋. 急冷水霧化工藝對金屬粉末性能的影響[J]. 粉末冶金技術(shù), 2002, 20(6): 346?349. MA Hongqiu. The influence on metal powder performance from cold water atomization process[J]. Powder Metallurgy Technology, 2002, 20(6): 346?349.

[14] 姚增權(quán), 馬進. 簡式旋流噴嘴的設(shè)計[J]. 電力環(huán)境保護, 2002, 18(3): 1?5. YAO Zengquan, MA Jin. The design of simple swirl nozzle[J]. Electric Power Environmental Protection, 2002, 18(3): 1?5.

[15] 鐘秦. 燃煤煙氣脫硫脫硝技術(shù)及工程實例[M]. 北京: 化學工業(yè)出版社, 2002, 1518?1522. ZHONG Qin. Technology and Engineering Examples of Coal-Fired Flue Gas Desulfurization and Denitration[M]. Beijing: Chemical Industry Press, 2002, 1518?1522.

[16] 李川, 王時龍, 鐘增勝, 等. 漸開線霧化螺旋噴嘴的噴射型面幾何模型[J]. 農(nóng)業(yè)機械學報, 2007, 38(6): 75?78. LI Chuan, WANG Shilong, ZHONG Zengsheng, et al. The geometric model of the injection profile of involute atomization spiral nozzle[J]. Transactions of the Chinese Society of Agricultural Machinery, 2007, 38(6): 75?78.

[17] 陳平, 劉福平. 霧化制粉用噴嘴的改進[J]. 金屬材料與冶金工程, 2009(4): 46?49. CHEN Ping, LIU Fuping. The improvement of atomized powder nozzle[J]. Metal Materials and Metallurgy Engineering, 2009(4): 46?49.

[18] 李兆東, 王世和, 王小明, 等. 濕法煙氣脫硫旋流噴嘴噴霧角試驗研究[J]. 華東電力, 2005, 33(10): 12?14. LI Zhaodong, WANG Shihe, WANG Xiaoming, et al. Experimental study on the spray angle of wet flue gas desulfurization swirl nozzle[J]. East China Electric Power, 2005, 33(10): 12?14.

[19] 劉乃玲, 張旭. 螺旋型噴嘴液滴分布特性及液滴直徑經(jīng)驗公式的擬合[J]. 實驗流體力學, 2006, 20(3): 8?12. LIU Nailing, ZHANG Xu. The fitting of droplet distribution characteristics and droplet diameter empirical formula of spiral nozzle[J]. Journal of Experiments in Fluid Mechanics, 2006, 20(3): 8?12.

[20] 于朝清, 徐永紅, 章應(yīng), 等. 金屬霧化制粉技術(shù)現(xiàn)狀[J]. 電工材料, 2010(2): 9?17. YU Zhaoqing, XU Yonghong, ZHANG Ying, et al. The status quo of metal atomization powder technology[J]. Electrical Engineering Materials, 2010(2): 9?17.

(編輯 高海燕)

Open type water atomizing nozzle

ZHONG Weicong, LIU Dan

(Xi’an Aerospace Yuan Dongli Engineering Co., Ltd, Xi’an 710100, China)

Water atomization nozzle is the key equipment that influences the production of metal powder by water atomization method. The fine powder ratio prepared by using conventional nozzle can be improved by increasing the atomization angle and the atomization pressure, but the problem of nozzle clogging occurs frequently, which leads to the suspension of atomization process. In the present work, the mechanism of nozzle clogging was analyzed, based on which a new open-type water spray nozzle was proposed. The strength calculation and atomization test were carried out for the newly proposed open-type water spray nozzle. The results show that this new open-type nozzle can effectively prevent the formation of air bag in the process of metal powder production, thus fundamentally solving the problem of nozzle clogging. The fine powder ratio for a single open-type nozzle can also be improved by increasing the atomization angle, the number of holes and the atomization pressure.

atomization; nozzle; atomization angle; strength; nozzle clogging

TF123.112

A

1673?0224(2016)04?652?06

2016?01?04；

2016?04?26

劉丹，工程師，碩士。電話：029-85207144； E-mail:liudan06711@126.com