一种实验室用熔体干法粒化装置的制作方法

本发明涉及一种研究金属颗粒制备的实验设备技术领域，具体涉及一种实验室用熔体干法粒化装置。

背景技术：

旋转粒化技术在化工、粉末冶金、制药、食品和农业等方面应用广泛。英国pickering等人在英国钢铁公司(bsc)率先将其引入到高炉熔渣的干法粒化过程，旋转粒化工艺因其生产效率高、粒度可控等优点倍受青睐，随后国内外很多学者对这种技术展开了大量研究。干法旋转粒化工艺不仅可以用于冶金熔渣的粒化，如高炉渣、转炉渣和电炉渣等，还可以用于金属熔体的粒化，如铁水、铁合金等。

1941年日本学者棚泽等和1950年荷兰学者hinze等人利用水溶液和有机溶液等进行了离心雾化液滴破碎的机理实验，实验结果表明，采用旋转盘离心雾化时，液体粒化的分裂形态如图所示。熔滴的形成主要有三种不同的机理：液滴状分裂(ddf,dropletdirectformation)、纤维状分裂(lf,linearformation)和膜状分裂(ff,filmforamation)。但是高温熔体粒化的分裂机理，还有待实验验证。

熔体粒化颗粒的特性(粒径尺寸、粒径分布和球形度等)除了熔体自身性质影响之外，主要由粒化器参数、熔体温度、熔体流量和转速等因素控制。其中，熔体的温度是决定粒化颗粒性质的一个关键因素。实验室进行熔体粒化实验时，通常需要采用感应炉先将冶金熔渣或金属(合金)快速熔化，然后注入底部带孔的容器中，进行粒化实验。这一过程金属熔体会产生不同程度的温降，难以得到准确的温度与粒化颗粒性质之间的关系。

技术实现要素：

针对现有技术存在的上述问题，本发明的目的是提供一种可以得到温度与粒化颗粒性质之间的关系的实验室用熔体干法粒化装置。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种实验室用熔体干法粒化装置，包括感应炉、旋转粒化系统、空气冷却系统、金属颗粒收集结构和气体收集系统；

感应炉：包括感应线圈、石墨坩埚和塞子；

所述石墨坩埚的底部具有用于熔体下流的孔，所述塞子与所述孔滑动配合；

所述感应线圈通过支架固定，并布设成环状结构，用于给石墨坩埚加热，所述石墨坩埚设置在感应线圈形成的环状结构中，石墨坩埚与感应线圈同轴设置；

旋转粒化系统：包括雾化室、转盘、法兰、连接轴和驱动电机；

所述雾化室具有熔融金属注入口、金属颗粒出口和空气出口，所述熔融金属注入口设置在雾化室的顶部，金属颗粒出口设置在雾化室的底部；

所述转盘和法兰位于雾化室内部，转盘固定在法兰的上方，转盘与熔融金属注入口相对设置；

所述连接轴设置在法兰的下方，且其顶部与法兰固定连接；

所述驱动电机与连接轴连接，驱动连接轴沿其中心轴转动；

所述感应炉设置在雾化室的上方，雾化室的顶部且围绕熔融金属注入口设有一圈耐火砖，所述感应线圈和石墨坩埚设置在耐火砖上；

所述石墨坩埚底部的孔与熔融金属注入口同轴设置；

空气冷却系统：包括空气压缩机、气瓶、多个空气喷嘴和空气喷嘴安装结构；

所述空气压缩机的气体出口通过管道与气瓶的气体入口连通，气瓶的压缩气体出口通过气管与空气喷嘴的气体入口连通；

所述空气喷嘴安装结构包括安装架和布风板；

所述安装架设置在法兰的外周；

所述布风板固定在安装架的顶部，所述布风板为环形结构，且具有多个空气喷嘴安装孔，所述多个空气喷嘴安装孔沿布风板周向布设，且多个空气喷嘴安装孔的圆心所在圆位于转盘顶部边缘外侧；

金属颗粒收集结构：包括第一金属颗粒收集器；

所述第一金属颗粒收集器用于收集从雾化室底部排出的金属颗粒；

气体收集系统：包括热空气的收集器和第二金属颗粒收集器；

所述收集器的气体入口通过管道与雾化室上的空气出口连通；

所述第二金属颗粒收集器与连接，用于收集除尘产生的金属颗粒。

作为优化，所述感应炉还包括引流管；

所述引流管的顶部与石墨坩埚底部可拆卸连接，且引流管与石墨坩埚底部的孔同轴设置。

作为优化，所述石墨坩埚的底部具有中空的延伸管，所述延伸管与石墨坩埚底部的孔同轴设置；

所述延伸管与引流管的顶部螺纹连接。

作为优化，还包括感应炉控制柜；

所述感应炉控制柜通过控制感应线圈中的电流，实现对石墨坩埚加热温度的控制。

作为优化，还包括高速摄像机；

所述雾化室的顶部具有用于安装高速摄像机的观察孔，所述高速摄像机的镜头朝向雾化室的底部。

作为优化，所述气体收集系统还包括温度检测仪；

所述温度检测仪设置在收集器的气体入口与雾化室上的空气出口之间的管道上，用于检测收集的气体温度。

作为优化，所述金属颗粒出口为环形结构，且沿雾化室底壁周向设置。

作为优化，所述第一金属颗粒收集器为环形结构，设置在雾化室的外侧，且位于雾化室的底部，第一金属颗粒收集器上端的开口与雾化室底部的金属颗粒出口相对。

作为优化，所述转盘为顶部直径大于底部直径喇叭状结构。

作为优化，所述旋转粒化系统还包括变频器，所述变频器与驱动电机连接，用于控制驱动电机的转速。

相对于现有技术，本发明具有如下优点：

1.本装置可以用来研究熔体流量、熔体温度、粒化器参数和转速大小与粒化颗粒性质之间的关系。

2.粒化过程，利用高速摄像机经观察孔拍摄熔体粒化照片，进而可以分析高温熔体的粒化机制。

3.冷却空气换热后经温度检测仪测温，得到热空气温度，进而可以计算余热回收效率。

4.在旋转粒化系统上方加感应炉，通过感应炉控制柜，可以准确控制粒化时熔体的温度。

5.跟金属先在感应炉中熔化，然后注入底部有孔容器进行粒化相比，使用本装置操作简便、安全、高效，且占地面积小。

6.石墨坩埚消耗快，通过延伸管与引流管的顶部螺纹连接，便于安装、更换石墨坩埚。

7.引流管可以大大降低气流对从坩埚底部流下来的熔体的影响，保证粒化效果。

附图说明

图1为实验室用熔体干法粒化装置的结构图。

图2为石墨坩埚的结构图。

图3为法兰的布风板的示意图。

图4为现有技术中转盘旋转粒化的分裂机理图，(a)、(b)和(c)分别三种不同状态下的分裂机理图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细说明。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“竖直”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

一种实验室用熔体干法粒化装置，包括感应炉、旋转粒化系统、空气冷却系统、金属颗粒收集结构和气体收集系统。

感应炉：包括感应线圈11、石墨坩埚2和塞子1；

所述石墨坩埚2的底部具有用于熔体下流的孔，所述塞子1与所述孔滑动配合；

所述感应线圈11通过支架固定，并布设成环状结构，用于给石墨坩埚2加热，所述石墨坩埚2设置在感应线圈11形成的环状结构中，石墨坩埚2与感应线圈11同轴设置；

为了便于安装和更换石墨坩埚，感应炉还包括引流管21；所述引流管21的顶部与石墨坩埚2底部可拆卸连接，且引流管21与石墨坩埚2底部的孔同轴设置。

具体地，石墨坩埚2的底部具有中空的延伸管2-1，所述延伸管2-1与石墨坩埚2底部的孔同轴设置；

所述延伸管2-1与引流管21的顶部螺纹连接。

为了能准确控制粒化时熔体的温度，还包括感应炉控制柜23；

所述感应炉控制柜23通过控制感应线圈11中的电流，实现对石墨坩埚2加热温度的控制。

本发明中的感应炉采用的是中频感应炉，中频感应炉是指使用电流频率在150-8000hz范围电源供电的感应电炉，使用最多的频率为150-2500hz，进行感应加热，熔炼保温。感应炉主要用于熔炼碳钢，合金钢，特种钢，也可用于铜，铝等有色金属的熔炼和提温。感应炉具有以下优点：

(1)由于中频感应加热的原理为电磁感应，其热量在工件内自身产生，因此升温速率快，一般20分钟即可升温至1600℃，耗电少，生产效率高。

(2)感应加热其热量在工件内自身产生所以加热均匀，芯表温差极小。应用温控系统可实现对温度的精确控制。

(3)实验室用中频感应炉还具有设备体积小，占地面积小等优点。

通常情况下，中频感应炉跟粒化装置单独分开的。实验室进行熔体粒化实验，先将金属、合金或者炉渣在中频感应炉进行熔化、保温，然后将熔体转移到粒化炉上方的中间包中，随后进行粒化实验。这种试验方法的缺点在于，熔体在转移过程中存在热量损失，而且中间包一般为室温25℃，也会跟熔体发生热交换，因此进行粒化实验时熔体的真实温度是未知的。

(1)本发明利用底部带孔的石墨坩埚取代中间包，在其周围布置感应线圈，可以对坩埚内的熔体进行加热熔融，保温。这样做的优点在于：可以通过感应炉的控制装置对感应炉内熔体温度精确控温，保证实验的准确性；

(2)熔体无需转移，且没有中间包，不会因热量损失而造成实验误差；

(3)感应线圈布置在石墨坩埚周围，无需单独的感应炉，节省设备成本，占地面积小。

旋转粒化系统：包括雾化室9、转盘4、法兰5、连接轴7、驱动电机12和和变频器13。

雾化室9具有熔融金属注入口、金属颗粒出口和空气出口，所述熔融金属注入口设置在雾化室9的顶部，金属颗粒出口设置在雾化室9的底部；

为了方便注入熔融金属和控制熔融金属的注入速度和流量，还可以包括设置在雾化室9顶壁外侧的熔融金属注入结构；

作为优化，为了观察熔体粒化的过程，可以在雾化室9的顶部设置观察孔24，为了能更好的记录溶体粒化过程，还可以在所述观察孔24上安装高速摄像机24，高速摄像机24的镜头朝向雾化室9的底部，用于拍摄溶体粒化的过程。

优先地，金属颗粒出口设计为环形结构，且沿雾化室9底壁周向设置。这种结构更有利于快速收集冷却后的金属颗粒。环形的金属颗粒出口靠近雾化室9的竖直侧壁，这主要是因为金属颗粒经过冷却后，会打击在雾化室9竖直侧壁的内侧，然后落下，将金属颗粒出口设置在靠近雾化室9的竖直侧壁能快速对金属颗粒进行收集。

所述转盘4和法兰5位于雾化室9内部，转盘4固定在法兰5的上方，转盘4与熔融金属注入口相对设置；优选地，转盘4为顶部直径大于底部直径喇叭状结构，方便位于转盘4内的熔融金属从转盘顶部开口飞出，通过转盘粒化金属液体得到的金属颗粒，颗粒均匀，球形度好，另外，通过转盘粒化金属液体制备金属颗粒，可以通过调节金属液体流量、转盘直径以及转速大小来控制颗粒的尺寸，满足生产需要。

该转盘4底部的外侧具有一圈裙边，裙边上具有多个安装孔。裙边和安装孔的设置主要是为了更好、更稳固地将转盘固定在法兰上，尽可能地防止转盘和法兰发生相对转动或移动。

所述连接轴7设置在法兰5的下方，且其顶部与法兰5固定连接；所述驱动电机12与连接轴7连接，驱动连接轴7沿其中心轴转动。

所述变频器13与驱动电机12连接，用于控制驱动电机12的转速。变频器13的设置主要是为了更加方便调节驱动电机12的转速，从而可以根据不同的金属特征，调整转盘的转速，增加了该装置的适用性。

空气冷却系统：包括空气压缩机20、气瓶15、多个空气喷嘴17和空气喷嘴安装结构；

所述空气压缩机20的气体出口通过管道与气瓶15的气体入口连通，气瓶15的压缩气体出口通过气管16与空气喷嘴17的气体入口连通；

所述空气喷嘴安装结构包括安装架8和布风板3；所述安装架8设置在法兰5的外周；所述布风板3固定在安装架8的顶部，所述布风板3为环形结构，且具有多个空气喷嘴安装孔3-1，所述多个空气喷嘴安装孔3-1沿布风板3周向布设，且多个空气喷嘴安装孔3-1的圆心所在圆位于转盘4顶部边缘外侧，通过喷出的压缩气体将从转盘4顶部飞溅出来的金属颗粒冷却。

为了避免空气喷嘴17喷出的气流过大，将粒化出来的颗粒吹到雾化室9的顶壁上，空气喷嘴17可以倾斜设置，空气喷嘴17与倾斜角可以根据实际情况确定。具体地，空气喷嘴17可以与转盘4侧壁平行，即空气喷嘴17与倾斜角与转盘4侧壁与倾斜角相等，从而从空气喷嘴17喷出的气流是斜向上的。实施时，可根据金属颗粒跟空气的换热效果，调整空气喷嘴的数量以及空气气流量。

金属颗粒从转盘边缘以非常高的速度飞离转盘，与空气流接触，改变飞行轨迹，使金属颗粒到达雾化室底部的飞行时间变长，金属颗粒换热充分，温度降到粘接温度以下，不会发生粘接现象；转盘粒化与冷却空气相结合，与直接高压气体制取金属颗粒工艺相比，所需空气无需高压，可以降低了生产成本；转盘粒化与冷却空气相结合，金属颗粒从转盘边缘以非常高的速度飞离转盘，并在极短的时间内与空气流接触，可以在一定程度上减小金属颗粒表面的氧化程度。

金属颗粒收集结构：包括第一金属颗粒收集器10；所述第一金属颗粒收集器10用于收集从雾化室9底部排出的金属颗粒，具体实施时，可以将第一金属颗粒收集器设置在雾化室9的外侧，且位于雾化室9的底部，该第一金属颗粒收集器10上端的开口与金属颗粒出口相对；第一金属颗粒收集器10为环形结构，其上端的开口与环形的金属颗粒出口相对，将下落的金属颗粒收集在其中。

实验室用熔体干法粒化装置还包括气体收集系统；

包括热空气的收集器19和第二金属颗粒收集器；

所述收集器19的气体入口通过管道与雾化室9上的空气出口连通；

所述第二金属颗粒收集器与连接，用于收集除尘产生的金属颗粒；

为了能得到所收集的热空气的温度，进而可以计算余热回收效率，实验室用熔体干法粒化装置还包括温度检测仪16；所述温度检测仪16设置在收集器19的气体入口与雾化室9上的空气出口之间的管道上，用于检测收集的气体温度。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。