粉末雾化 是一种利用熔融金属生产细粉的机械工艺。它将熔融金属流分解成细小的液滴，然后凝固成粉末颗粒。雾化可生产出具有可控粒度分布的球形金属粉末。本概述探讨了粉末雾化设备的主要方面。
粉末雾化设备类型
用于工业粉末生产的雾化设备主要有几种类型：
| 设备 | 说明 |
|---|---|
| 气体雾化 | 通过高压惰性气体喷射雾化的熔融金属流 |
| 水雾化 | 熔融金属流被高压水柱冲散 |
| 离心雾化 | 熔融金属从旋转圆盘的边缘浇注或驶出 |
| 超声波雾化 | 对熔流进行高频振动 |
| 等离子雾化 | 等离子弧将金属熔化并雾化成细小的液滴 |
气体雾化和水雾化是最常见的工业方法。离心雾化、超声波雾化和等离子雾化的应用更为专业。选择取决于雾化材料、所需粉末规格、生产率和成本等因素。
雾化工艺特点
采用不同方法的粉末雾化过程的主要特点：
| 特征 | 典型范围 |
|---|---|
| 气体压力 | 2-8 兆帕 |
| 水压 | 10-150 兆帕 |
| 气体流速 | 0.5-3 立方米/分钟/平方毫米 |
| 圆盘直径 | 100-1000 毫米 |
| 盘速 | 10000-50000 转/分钟 |
| 频率 | 20-60 千赫 |
| 等离子动力 | 30-80 千瓦 |
更高的气体和水压可产生更细的粉末颗粒。更快的圆盘速度和更高的频率也能产生更细的粉末。这些范围反映了钢、铝、铜合金等常见金属的工业实践。
粉末粒度控制
粒度分布是雾化粉末的一个关键质量指标。控制粉末粒度的主要因素有
- 雾化流体压力--压力越高，颗粒越细
- 雾化流体流速--流速越高，颗粒越细
- 熔融金属流速 - 金属流速越低，粉末越细
- 雾化喷嘴设计--喷嘴几何形状影响液滴大小
- 圆盘/喷嘴相对速度 - 相对运动速度越快，液滴越小
- 材料特性--粘度、表面张力影响碎裂
通过对这些参数的精心控制，可以生产出具有目标粒度分布的粉末。例如，D50 为 10-100 微米的气体雾化钢粉。
雾化金属粉末的应用
雾化粉末可用于许多行业和应用：
| 行业 | 应用 |
|---|---|
| 粉末冶金 | 压机和烧结机部件、MIM 原料 |
| 金属增材制造 | 粘合剂喷射印刷，DED 原料 |
| 热喷涂涂层 | 线弧、等离子、火焰喷涂涂层 |
| 焊接 | 药芯焊丝 |
| 钎焊 | 钎焊膏和预型件 |
| 电子产品 | 导电浆料和墨水 |
| 汽车 | 摩擦材料、粉末锻造 |
球形雾化粉末具有优异的流动性和混合性，适用于多种粉末加工方法。严格控制粉末粒度分布可优化性能。
粉末雾化系统设计
设计雾化系统的关键因素包括
- 金属运送 - 台车、浇注桶、感应导轨或旋转电极
- 雾化器 - 喷嘴设计、喷嘴数量、喷嘴位置
- 雾化介质 - 气体控制歧管、水泵和管道
- 粉末收集 - 旋风分离器、袋式除尘器、洗涤器
- 系统控制 - 压力、温度和流量传感器及控制回路
其他需要考虑的因素包括密封、安全联锁、粉末处理和储存。可根据客户要求设计系统，以生产大多数金属合金。
雾化设备规格
工业气体和水雾化系统的典型规格：
| 参数 | 典型范围 |
|---|---|
| 生产能力 | 10-5000 公斤/小时 |
| 雾化气体压力 | 2-8 兆帕 |
| 雾化气流 | 0.5-3 牛米3/毫米2 |
| 水压 | 10-150 兆帕 |
| 喷嘴尺寸 | 内径 2-8 毫米 |
| 喷嘴类型 | 直孔，聚散式 |
| 旋风效率 | >95%，10 μm 时 |
| 袋式除尘器效率 | 1 μm 时 >99.9% |
容量、压力和喷嘴细节取决于合金、所需粒度和生产率。系统根据具体应用进行定制设计。
安装和操作
安装和操作粉末雾化设备的重要注意事项：
- 动态设备的适当地基和支撑
- 隔振，以尽量减少对结构的影响
- 煤气、水和电气系统的坚固联锁装置
- 过程变量监测和控制仪表
- 控制工作区的过喷和粉尘
- 烟尘抽排设备的操作
- 熔融金属处理和喷射安全规程
- 校准和维护气体/水系统
- 关闭和清理程序，以防止积聚
初创企业应遵循精心制定的程序。员工培训对于安全操作和维护系统至关重要。
维护要求
需要进行日常维护，以优化正常运行时间和粉末质量：
- 检查雾化喷嘴 - 更换磨损或损坏的喷嘴
- 检查离心雾化器的旋片 - 重铺或更换
- 清洁粉末收集旋风分离器和袋式除尘器
- 校准压力、流量和温度传感器
- 检查紧急停止阀和联锁装置的运行情况
- 监控雾化气体的纯度 - 湿气会导致氧化
- 清洁进料管路和中间包，避免金属堆积
- 润滑并检查旋转驱动电机和轴承
根据运行时间和关键性制定维护计划和程序。
选择雾化设备供应商
选择雾化系统供应商的关键因素：
- 具有雾化特定合金的经验
- 设计完整系统的能力
- 一系列可用的喷嘴设计和雾化器配置
- 灵活满足产能和粒度需求
- 提供安装、培训和售后支持
- 在目标市场建立当地机构或合作伙伴关系
- 遵守适用的规范和标准
- 类似项目的参考资料和案例研究
- 定价和交付时间表
评估供应商的依据是技术专长，而不仅仅是设备成本。经验丰富的合作伙伴有助于确保成功。
雾化系统成本分析
雾化设备的资本成本较高，但能以具有竞争力的价格生产粉末：
| 系统 | 资本成本范围 | 粉末价格范围 |
|---|---|---|
| 气体雾化 | $500,000 – $5,000,000 | $5-50/kg |
| 水雾化 | $200,000 – $2,000,000 | $2-20/kg |
| 离心雾化 | $50,000 – $500,000 | $10-100/kg |
| 超声波雾化 | $100,000 – $1,000,000 | $50-500/kg |
| 等离子雾化 | $200,000 – $2,000,000 | $20-200/kg |
成本取决于生产能力、制造材料和控制措施。精细粉末的定价较高。要求高产量，以证明资本投资的合理性。
粉末雾化方法的优缺点
比较不同雾化技术的优势和局限性：
| 方法 | 优势 | 缺点 |
|---|---|---|
| 气体雾化 | 最窄的颗粒分布，惰性气氛 | 资本成本高，耗气量大 |
| 水雾化 | 设备成本低，颗粒尺寸小 | 可能氧化，需要干燥 |
| 离心雾化 | 设计简单，易于扩展 | 颗粒分布广泛，形状不规则 |
| 超声波雾化 | 无需润滑油，维护成本低 | 合金和生产率有限 |
| 等离子雾化 | 来自纯金属的极细颗粒 | 能耗高，粉末产量低 |
根据颗粒大小、气氛、成本、合金兼容性等优先因素选择方法。没有适用于所有情况的单一最佳方案。
粉末雾化技术的重要启示
- 从熔融合金中生产精细金属粉末的多种设备选项
- 最常见的是气体和水雾化；也有专门的技术
- 流体和金属流动动力学控制决定最终颗粒尺寸
- 优化颗粒分布的球形粉末可实现先进应用
- 需要大量资本投资，但粉末定价可以支持投资
- 与经验丰富的供应商合作对雾化项目的成功至关重要
精心的工艺开发和工程设计可生产出符合应用需求的粉末。
粉末雾化设备常见问题
问：哪些金属和合金可以雾化成粉末？
答：大多数标准钢材、铝合金、铜合金、镍超合金都可以雾化。钨和钽等难熔金属也可以雾化。限制因素与熔点、反应性和粘度有关。
问：典型的气体雾化压力和流量是多少？
答：空气或氮气和氩气等惰性气体的气体压力范围为 2-8 兆帕。流量范围为 0.5-3 Nm3/min/mm2 喷嘴开口面积，具体取决于压力和颗粒大小目标。
问：通过雾化可以将粒子变得多小？
答：气体雾化和水雾化可产生小至 5-10 微米的粉末。超声波或等离子体等专业技术可以产生亚微米级的颗粒。小尺寸的生产率要低得多。
问：粒度分布的一致性如何？
答：精心设计的雾化系统可使正常粒度分布的 CV 值达到 5-10%。可以实现更窄的分布，但需要大量的工艺开发和控制。
问：离心雾化工艺能生产多少粉末？
答：离心雾化器结构相对紧凑，成本较低。生产能力为 10-100 公斤/小时，适用于小批量特种合金。
问：雾化系统的资本成本由什么决定？
答：关键因素包括加工合金、粒度和分布目标、生产率、控制和结构材料。每小时 500 公斤的气体雾化系统成本约为 $1-2 百万美元。
问：粉末雾化需要采取哪些安全预防措施？
答：在处理热金属和雾化粉末时，适当的个人防护设备至关重要。防止过喷、适当通风、气体和粉尘监测设备以及紧急停止电路都有助于降低风险。
问：雾化设备需要哪些维护？
答：喷嘴、旋流板和收集旋流器会随着时间的推移而磨损，需要更换。软管、阀门、传感器和泵必须定期维修。正确的启动和关闭可防止积聚。对员工进行规程培训至关重要。
问：雾化后如何处理和储存粉末？
答：粉末应迅速从收集器转移到密封容器中，以限制暴露和氧化。湿度控制至关重要。带灭火和防爆通风装置的独立室温储藏室是标准配置。
问：雾化系统设计有哪些标准？
答：没有通用标准，但适用的压力容器规范和材料标准决定了设计选择。请咨询熟悉当地法规和要求的有经验的供应商。在安装新的危险系统时，请咨询法律法规委员会。