真空霧化制粉爐

1. 真空霧化制粉爐的原理：

真空氣霧化工作原理是在真空狀態(tài)或氣體保護(hù)條件下熔煉金屬和金屬合金，金屬液體經(jīng)過保溫坩堝、導(dǎo)流嘴向下流出，通過噴嘴由高壓氣流將金屬液體霧化破碎成大量細(xì)小的液滴。細(xì)小的液滴在飛行中凝固成球形和亞球形顆粒，再經(jīng)篩選分離達(dá)到制備各種粒度的金屬粉末。

金屬粉末技術(shù)是各種行業(yè)中當(dāng)今應(yīng)用比較多的生產(chǎn)方法。 

利用粉末冶金術(shù)制造的合金類型用途廣泛，例如用于電子工業(yè)的焊接和銅焊合金、用于航空器的鎳、鈷和含鐵高溫合金、儲(chǔ)氫合金和磁性合金以及用于濺射靶材生產(chǎn)的活性合金，例如鈦。 

用于生產(chǎn)金屬粉末的工藝步驟為活性金屬和合金的熔煉、霧化和凝固。金屬粉末生產(chǎn)方法，例如氧化物還原和水霧化，受特種粉末質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的約束，例如粒子幾何尺寸、粒子形態(tài)和化學(xué)純度。 

惰性氣霧化結(jié)合了真空熔煉，因此是用于生產(chǎn)高等級(jí)粉末的領(lǐng)先制粉工藝，滿足特定的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。

2. 金屬粉末應(yīng)用：

2.1 鎳基高溫合金，用于航空工業(yè)和電力工程；

2.2 焊料和釬焊材料；

2.3 耐磨損涂層；

2.4 用于部件的MIM粉末；

2.5 用于電子行業(yè)的濺射靶材生產(chǎn)；

2.6 MCRALY抗氧化涂層。

3. 特點(diǎn)：

3.1 液滴在下降的過程中，快速凝固，克服了偏析現(xiàn)象，組織均勻。

3.2 采用陶瓷或石墨坩堝中頻感應(yīng)加熱熔煉合金材料，通過精煉及純凈導(dǎo)流技術(shù)有效提純。

3.3 采用超音速緊耦合和限制式氣霧化噴嘴技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多種合金材料微細(xì)粉體的制備。 

3.4 采用二級(jí)旋風(fēng)分級(jí)收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高細(xì)粉收得率，減少或杜絕微細(xì)粉塵排放。

4. 真空霧化制粉爐的組成：

    真空霧化制粉系統(tǒng)（VIGA）的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)包括一個(gè)真空感應(yīng)熔煉（VIM）爐，合金在爐中熔化、精煉和脫氣。精煉熔化金屬通過一個(gè)預(yù)熱中間包倒入噴氣管系統(tǒng)，在此處，熔體流被高壓惰性氣體流的動(dòng)力所分散。所制造的金屬粉末彌漫在霧化塔中進(jìn)行凝固，而霧化塔就直接位于霧化噴嘴的下面。粉末氣體混合物通過輸送管輸送至旋風(fēng)分離器中，在此處粗大粉末和精細(xì)粉末與霧化氣體進(jìn)行分離。金屬粉末將收集至直接位于旋風(fēng)分離器下面的密封容器中。

范圍從實(shí)驗(yàn)室等級(jí)（1-8升坩堝容量）、中間生產(chǎn)等級(jí)（10-50升坩堝容量）到大型霧化系統(tǒng)（300升坩堝容量）。

用于金屬粉末生產(chǎn)的不同熔煉裝置的基本布局

真空霧化制粉爐

此頁圖片顯示了大型惰性氣霧化系統(tǒng)。該霧化系統(tǒng)的熔煉坩堝的最大生產(chǎn)容量為2噸。霧化塔通過一個(gè)雙坩堝門裝置與熔煉室相連。每個(gè)真空感應(yīng)熔煉爐都配有一扇爐門。該設(shè)計(jì)可迅速更換坩堝。當(dāng)一個(gè)坩堝在生產(chǎn)運(yùn)行時(shí)，第二個(gè)坩堝則進(jìn)行清洗和換爐襯，處于備用位置。這就最大限度地減少了熔爐更換操作所造成的停工時(shí)間。另外，雙門設(shè)計(jì)增強(qiáng)了生產(chǎn)的靈活性，因?yàn)椴煌娜蹱t尺寸可適用于同一設(shè)備。熔煉室裝配有一個(gè)批量加料器，兩個(gè)溫度測(cè)量裝置和一個(gè)備用的中間包系統(tǒng)。 

每個(gè)澆注中間包都具有氣體噴嘴裝置，安裝于中間包推車上。中間包推車可移動(dòng)至旁側(cè)位置進(jìn)行裝卸，無需進(jìn)行系統(tǒng)排放，也不會(huì)破壞周圍環(huán)境。一旦發(fā)生出口堵塞，備用中間包裝置將具有很高的靈活性。在這種情況下，第二個(gè)處于備用位置的預(yù)熱中間包澆口系統(tǒng)將被移至霧化位置繼續(xù)進(jìn)行生產(chǎn)。

1. 大型霧化裝置設(shè)計(jì)示意圖，具有雙門熔爐室，

2. 雙門 坩堝VIGA霧化裝置 每個(gè)真空感應(yīng)熔爐的額定批處理容量為2000公斤。3. 氣體回收系統(tǒng)對(duì)惰性氣體進(jìn)行回收再次使用。

無陶瓷金屬粉末生產(chǎn)

真空感應(yīng)熔煉惰性氣霧化系統(tǒng)的“標(biāo)準(zhǔn)”設(shè)計(jì)包括一個(gè)陶瓷熔煉坩堝，用于中間包的陶瓷材料和熔化金屬出口裝置。由于熔化金屬與陶瓷襯里及管口材料進(jìn)行接觸，在熔化金屬中會(huì)夾雜陶瓷材料，從而對(duì)高強(qiáng)度PM部件的材料性能產(chǎn)生了負(fù)面影響。活性金屬粉末，比如鈦合金，就不能使用此方法生產(chǎn)，因?yàn)榛钚匀刍饘俸吞沾梢r里之間會(huì)產(chǎn)生反應(yīng)。為了克服“陶瓷問題”，需要使用熔化金屬不與陶瓷襯里材料接觸的熔煉技術(shù)。另外，在熔煉過程中對(duì)熔化金屬進(jìn)行精煉也需采用此技術(shù)。需要使用無陶瓷生產(chǎn)工藝的典型材料為難熔和活性材料，例如Ti、TiAl、FeGd、FeTb、Zr和Cr。

EIGA

在EIGA（電極感應(yīng)熔煉氣體霧化）工藝中，為電極形式的預(yù)合金棒將在不使用熔煉坩堝的情況下進(jìn)行感應(yīng)熔化和霧化。通過將緩慢旋轉(zhuǎn)的金屬電極降低至一個(gè)環(huán)形感應(yīng)線圈中進(jìn)行電極熔化。電極熔滴落入氣體霧化噴嘴系統(tǒng)，利用惰性氣進(jìn)行霧化。EIGA工藝原本用于鈦之類的活性合金或難熔合金。也可用于許多其它材料。

                1. EIGA爐                            2. EIGA系統(tǒng)示意圖，PIGA系統(tǒng)示意圖

PIGA

對(duì)于無陶瓷金屬粉末的生產(chǎn)以及活性金屬和難熔金屬的霧化，可利用等離子流在水冷銅坩堝中進(jìn)行熔煉。PIGA表示等離子熔煉感應(yīng)引導(dǎo)氣體霧化。以上所示的PIGA的底部與一個(gè)感應(yīng)加熱排出噴嘴相連，噴嘴也是以銅為材料制造的。該無陶瓷排出噴嘴系統(tǒng)將熔化金屬液體流引入氣體霧化噴嘴，在此處利用惰性氣體進(jìn)行分散。

VIGA-CC

活性金屬，例如鈦合金或金屬間鈦鋁化合物等也可在冷壁銅感應(yīng)坩堝里進(jìn)行熔煉，坩堝配有一個(gè)底部澆注系統(tǒng)。冷坩堝的底部澆注開口與CIG系統(tǒng)相連。CIG表示冷壁感應(yīng)引導(dǎo)系統(tǒng)，為ALD的zhuanli產(chǎn)品。VIGA-CC表示基于冷壁坩堝熔煉技術(shù)的真空感應(yīng)熔煉氣體霧化。

ESR-CIG

用于飛機(jī)工業(yè)的高性能超耐熱合金一般通過“三倍熔化工藝”制造。在三倍熔化工藝中，材料精煉通過活性熔渣在ESR熔煉步驟中進(jìn)行處理。ESR重熔技術(shù)與無陶瓷熔化金屬引導(dǎo)系統(tǒng)（CIG）的結(jié)合代表了一種工藝技術(shù)，生產(chǎn)高清潔度和高化學(xué)均勻性的粉末材料。在ESR-CIG（電渣重熔冷壁感應(yīng)引導(dǎo)）工藝中，將要霧化的材料以電極的形式給進(jìn)。電極向下伸入冶金精煉熔渣中。因?yàn)殡姌O頭是在與熔渣的接觸點(diǎn)進(jìn)行熔化，所以形成精煉熔滴，這些熔滴向下穿過活性熔渣層。 

穿過活性熔渣的精煉熔滴在熔渣層下形成了一個(gè)液體熔池。熔池被一個(gè)銅制水冷坩堝裝入。精煉金屬液體通過冷壁感應(yīng)引導(dǎo)系統(tǒng)，然后被來自自由降落式氣體噴嘴的高動(dòng)力惰性氣體流進(jìn)行分散。

                          1 . VIGA-CC系統(tǒng)示意圖                  ESR-CIG系統(tǒng)示意圖

噴射成形技術(shù)

除了作為傳統(tǒng)的粉末處理途徑以外，噴射成形在過去十年中變得越來越重要。這種獨(dú)特的工藝可用于直接制造半成品。與粉末HIP（熱等溫鍛壓制）技術(shù)相比，可以省去大量與壓制有關(guān)的工藝步驟，最大限度地減少氧氣吸收量，并且大幅降低污染風(fēng)險(xiǎn)。 

噴射成形技術(shù)的原理是，將熔化的金屬霧化成小滴，并且迅速將其凝固到收集器上。只要移動(dòng)這個(gè)收集器，就可以逐步形成半成品。由于霧化過程中的冷卻速度快，因此可以獲得沒有宏觀偏析的精細(xì)微觀結(jié)構(gòu)。噴射口的移動(dòng)和收集器的形狀設(shè)計(jì)取決于霧化器的設(shè)計(jì)，可生產(chǎn)段形、環(huán)形、管形和條形。 

產(chǎn)出的半成品要經(jīng)過第二次處理步驟，例如：熱處理、軋制、鍛造、擠壓或HIP。這個(gè)工藝可廣泛用于生產(chǎn)具有廣泛有途的坯段，如鋁合金、銅合金、特殊鋼和高溫高強(qiáng)合金應(yīng)用情況的段狀收集器。 

惰性氣體回收

在具有一定加料容器的霧化系統(tǒng)中，建議進(jìn)行惰性氣體回收，減少惰性氣體的總消耗量，從而使工藝系統(tǒng)更加經(jīng)濟(jì)節(jié)約。ALD提供兩套不同的工藝技術(shù)用于回收惰性氣體。 

采用“OSPREY”雙霧化器的噴射成形工藝

基于壓縮機(jī)技術(shù)的惰性氣體回收

再利用惰性氣體的一種方法是使用合適的壓縮機(jī)裝置將氣體“驅(qū)趕”至一個(gè)密閉氣體循環(huán)回路中。在經(jīng)過旋風(fēng)分離器和過濾系統(tǒng)之后，利用2級(jí)壓縮機(jī)裝置對(duì)“無塵”氣體進(jìn)行再增壓。壓縮機(jī)必須氣密性好，防止循環(huán)的惰性氣體造成污染。在壓縮機(jī)后面，有一個(gè)氣體緩沖瓶，用于最大限度地減少霧化過程中產(chǎn)生的壓力波動(dòng)。從而產(chǎn)生與霧化壓力和氣體流速有關(guān)的穩(wěn)定的霧化工藝條件。霧化氣體所允許的不純度水平設(shè)定得非常低，可在氣體循環(huán)回路的若干位置監(jiān)測(cè)氧氣、氫氣和氮?dú)獾暮俊?nbsp;

對(duì)于大型霧化系統(tǒng)，該種類型的氣體回收可在高至50bar壓力條件下經(jīng)濟(jì)運(yùn)行。 

位于大型霧化系統(tǒng)（包括粉末運(yùn)送和分離）的氣體回路系統(tǒng)中的粉末冷卻回路

氬的液化回收

為了獲得更高的供氣壓力，將不再按照以上所描述的回收概念，而是利用液體氮作為制冷劑進(jìn)行蒸發(fā)從而對(duì)氬進(jìn)行液化的原理。在這種情況下，配有脈動(dòng)緩沖器的2級(jí)壓縮機(jī)將替換為并流氬液化器和一套高壓液氬泵。

高壓液氬泵通過蒸發(fā)器將液氬送入高壓氣體接收器。根據(jù)此技術(shù)，供氣壓力可達(dá)約為100-200bar。 

以上所述的配有回收系統(tǒng)的大型霧化系統(tǒng)的實(shí)踐操作經(jīng)驗(yàn)表明，兩套回收系統(tǒng)的回收氣量在90–95%的范圍內(nèi)。 

1. 氬的液化回收系統(tǒng)，        2. 惰性氣體回收系統(tǒng)，配有2級(jí)壓縮機(jī)系統(tǒng)，配有高壓液氬泵和高壓氣體接收器的氬液化系統(tǒng)布置示意圖

特點(diǎn)：

1.液滴在下降的過程中，快速凝固，克服了偏析現(xiàn)象，組織均勻。

2.采用陶瓷或石墨坩堝中頻感應(yīng)加熱熔煉合金材料，通過精煉及純凈導(dǎo)流技術(shù)有效提純。

3.采用超音速緊耦合和限制式氣霧化噴嘴技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)多種合金材料微細(xì)粉體的制備。 

4.采用二級(jí)旋風(fēng)分級(jí)收集系統(tǒng)設(shè)計(jì)，提高細(xì)粉收得率，減少或杜絕微細(xì)粉塵排放。