錦州和力真空冶金工業(yè)有限公司
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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小的液滴。細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)量標準的約束,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)高等級粉末的領(lǐng)先制粉工藝,滿足特定的質(zhì)量標準。
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:
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),可實現(xiàn)多種合金材料微細粉體的制備。
3.4 采用二級旋風(fēng)分級收集系統(tǒng)設(shè)計,提高細粉收得率,減少或杜絕微細粉塵排放。
4. 真空霧化制粉爐的組成:
真空霧化制粉系統(tǒng)(VIGA)的標準設(shè)計包括一個真空感應(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力所分散。所制造的金屬粉末彌漫在霧化塔中進行凝固,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粉末與霧化氣體進行分離。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。
范圍從實驗室等級(1-8升坩堝容量)、中間生產(chǎn)等級(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。霧化塔通過一個雙坩堝門裝置與熔煉室相連。每個真空感應(yīng)熔煉爐都配有一扇爐門。該設(shè)計可迅速更換坩堝。當(dāng)一個坩堝在生產(chǎn)運行時,第二個坩堝則進行清洗和換爐襯,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間。另外,雙門設(shè)計增強了生產(chǎn)的靈活性,因為不同的熔爐尺寸可適用于同一設(shè)備。熔煉室裝配有一個批量加料器,兩個溫度測量裝置和一個備用的中間包系統(tǒng)。
每個澆注中間包都具有氣體噴嘴裝置,安裝于中間包推車上。中間包推車可移動至旁側(cè)位置進行裝卸,無需進行系統(tǒng)排放,也不會破壞周圍環(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)進行生產(chǎn)。
1. 大型霧化裝置設(shè)計示意圖,具有雙門熔爐室,
2. 雙門 坩堝VIGA霧化裝置 每個真空感應(yīng)熔爐的額定批處理容量為2000公斤。3. 氣體回收系統(tǒng)對惰性氣體進行回收再次使用。
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“標準”設(shè)計包括一個陶瓷熔煉坩堝,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行接觸,在熔化金屬中會夾雜陶瓷材料,從而對高強度PM部件的材料性能產(chǎn)生了負面影響?;钚越饘俜勰?,比如鈦合金,就不能使用此方法生產(chǎn),因為活性熔化金屬和陶瓷襯里之間會產(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,在熔煉過程中對熔化金屬進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環(huán)形感應(yīng)線圈中進行電極熔化。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)坩堝里進行熔煉,坩堝配有一個底部澆注系統(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。電極向下伸入冶金精煉熔渣中。因為電極頭是在與熔渣的接觸點進行熔化,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液體熔池。熔池被一個銅制水冷坩堝裝入。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力惰性氣體流進行分散。
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。
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。只要移動這個收集器,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微觀結(jié)構(gòu)。噴射口的移動和收集器的形狀設(shè)計取決于霧化器的設(shè)計,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裝置將氣體“驅(qū)趕”至一個密閉氣體循環(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級壓縮機裝置對“無塵”氣體進行再增壓。壓縮機必須氣密性好,防止循環(huán)的惰性氣體造成污染。在壓縮機后面,有一個氣體緩沖瓶,用于最大限度地減少霧化過程中產(chǎn)生的壓力波動。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)測氧氣、氫氣和氮氣的含量。
對于大型霧化系統(tǒng),該種類型的氣體回收可在高至50bar壓力條件下經(jīng)濟運行。
位于大型霧化系統(tǒng)(包括粉末運送和分離)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行蒸發(fā)從而對氬進行液化的原理。在這種情況下,配有脈動緩沖器的2級壓縮機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)的實踐操作經(jīng)驗表明,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級壓縮機系統(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:
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),可實現(xiàn)多種合金材料微細粉體的制備。
4.采用二級旋風(fēng)分級收集系統(tǒng)設(shè)計,提高細粉收得率,減少或杜絕微細粉塵排放。