一种非晶合金粉末制备装置与方法与流程

本发明涉及雾化制粉，尤其是涉及一种非晶合金粉末制备装置与方法。

背景技术：

1、fe基非晶合金具有较低矫顽力、较高饱和磁感应强度和良好的高频软磁性能，可用于磁粉芯、模压电感和嵌入式功率电感。非晶组织的形成要求雾化后金属液滴在到达结晶温度区间之前迅速散热。常规气雾化主要依靠高速惰性气体破碎和冷却熔体，粉末球形度较好，但对于粒径较大、飞行轨迹接近雾化轴线或热容量较高的液滴，气相换热能力可能不足，容易出现局部冷却速率不够、非晶程度不均匀或局部晶化。

2、为提高冷却速度，现有技术提出在雾化区下方设置旋转冷却液层，使液滴进入冷却液后快速凝固。例如cn109382521a公开了一种金属粉末制造装置，包括熔融金属供给部、气体雾化部、筒体以及沿筒体内周面形成的冷却液层。该装置通过使雾化液滴与筒体内壁的冷却液层接触，实现液滴的快速冷却。

3、然而，现有旋转冷却液装置通常仅依靠沿筒体内周面流动的单一液层进行冷却。在实际冷却过程中，靠近筒壁运动的液滴易与液层接触，从而获得充分冷却；而沿雾化轴线或中心区域运动的液滴，由于距离筒壁较远，在较长的飞行距离内难以与冷却液层充分接触，导致该部分液滴的冷却速率不足，容易引起局部晶化现象，影响非晶合金粉末的成品质量。

4、因此，如何提高不同飞行轨迹液滴与冷却液接触的概率，减小中心区域液滴的冷却盲区，是本领域亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述不足，本发明的目的在于提供了一种非晶合金粉末制备装置与方法，本发明提供的非晶合金粉末制备装置通过第一旋转冷却液层和底部旋转倒锥形冷却液幕形成空间互补的冷却区域，提高不同飞行轨迹液滴与冷却液接触的概率，减小中心区域液滴的冷却盲区，从而有效抑制了合金液滴的晶化现象，同时降低了合金粉末的矫顽力。

2、为了实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种非晶合金粉末制备装置，所述非晶合金粉末制备装置从上到下依次包括：

4、熔融金属供给单元：用于供给熔融金属；

5、惰性气体雾化单元：用于采用雾化气体将所述熔融金属破碎成液滴；

6、双旋流冷却单元：用于将所述惰性气体雾化单元破碎后的合金粉末中间体冷却形成非晶合金粉末；所述双旋流冷却单元包括倒锥形内筒、套设于所述倒锥形内筒外侧的倒锥形外筒、所述倒锥形内筒与所述倒锥形外筒之间的环形夹层流道、用于使第一冷却液形成第一旋转冷却液层的第一进液组件、底部环形喷液缝和用于使第二冷却液进入所述底部环形喷液缝的第二进液组件，其中，所述第一旋转冷却液层贴附于所述倒锥形内筒的内壁，所述底部环形喷液缝设置在所述环形夹层流道的底部，所述底部环形喷液缝用于将所述第二冷却液喷出形成底部旋转倒锥形冷却液幕，所述底部旋转倒锥形冷却液幕在垂直于所述倒锥形内筒轴线的横截面上的投影至少覆盖所述合金粉末中间体的部分中心区域，所述底部环形喷液缝的出口方向被设置为：使所述第二冷却液沿倾斜向下的方向喷出，并同时具有周向速度分量、朝向所述倒锥形内筒轴线的径向速度分量以及向下的轴向速度分量；

7、沉降收集单元，用于沉降并接收所述非晶合金粉末。

8、进一步的，所述非晶合金粉末包括fesib系非晶合金粉末，按照质量百分比，所述非晶合金粉末的组分包括： si：1-14％、b：1-5％、c：≤4％， 余量为fe和不可避免的杂质；

9、和/或，所述熔融金属供给单元包括收容所述熔融金属的耐热性容器，在所述耐热性容器的外周配置有加热用线圈，在所述耐热性容器的底部形成有喷出口；

10、和/或，所述惰性气体雾化单元包括气雾化器，所述气雾化器配置有气体喷射口，所述气体喷射口的出气通道中心线朝向所述熔融金属供给单元的轴线向下倾斜，并与所述熔融金属供给单元的轴线的向下延伸方向形成10°～45°的夹角；

11、和/或，所述倒锥形内筒的内径从上到下逐渐减小，所述倒锥形外筒的内径从上到下逐渐减小；

12、和/或，所述倒锥形内筒与所述倒锥形外筒同轴设置；

13、和/或，所述倒锥形内筒与所述倒锥形外筒的半锥角相同。

14、进一步的，所述双旋流冷却单元还包括雾化冷却腔，所述雾化冷却腔由所述倒锥形内筒的内侧壁面围合形成；所述雾化冷却腔的上部与所述惰性气体雾化单元相连通，所述雾化冷却腔的下部通向所述沉降收集单元；所述雾化冷却腔内部，筒壁处形成贴壁流动的所述第一旋转冷却液层，腔体中心区域的底部被所述底部旋转倒锥形冷却液幕覆盖；

15、所述第一进液组件包括第一进液口，所述第一进液口设置于所述倒锥形内筒的上部侧壁上并与所述雾化冷却腔直接连通；所述第一进液口的数量为多个，均匀设置于所述倒锥形内筒的上部侧壁上；所述第一进液口用于喷出所述第一冷却液并使所述第一冷却液沿所述倒锥形内筒的内壁旋转向下流动，形成所述第一旋转冷却液层，所述第一进液口的出液方向均沿所述倒锥形内筒内周面的切向或相对于切向具有5~30°的夹角；和/或，所述环形夹层流道的下端与所述底部环形喷液缝连通，所述底部环形喷液缝围绕所述倒锥形内筒轴线连续设置，或者由多个沿周向均匀间隔设置的弧形喷液缝构成；

16、和/或，所述第二进液组件包括第二进液口，所述第二进液口设置于所述倒锥形外筒的上部侧壁上并与所述环形夹层流道直接连通，所述第二进液口用于使所述第二冷却液进入所述环形夹层流道；所述第二进液口用于喷出所述第二冷却液并使所述第二冷却液沿所述倒锥形外筒的内壁旋转向下流动，进入所述底部环形喷液缝；所述第二进液口的数量为多个，均匀设置于所述倒锥形外筒的上部侧壁上；所述第二进液口的出液方向均沿所述倒锥形外筒内周面的切向或相对于切向具有5~30°的夹角；

17、和/或，所述底部旋转倒锥形冷却液幕在垂直于所述倒锥形内筒轴线的横截面上的投影覆盖所述合金粉末中间体的中心区域。

18、进一步的，所述倒锥形外筒的下端设置有朝向所述倒锥形内筒径向向内延伸的喷液缝形成段，所述喷液缝形成段的内壁面与所述倒锥形内筒下端的外壁面相对布置，所述喷液缝形成段的内壁面与所述倒锥形内筒下端的外壁面之间的环形间隙构成所述底部环形喷液缝。

19、进一步的，所述喷液缝形成段的内壁面为导向面，所述导向面同时满足：沿轴向向所述倒锥形内筒下端倾斜、沿径向向所述倒锥形内筒轴线收敛。

20、进一步的，所述导向面与所述倒锥形内筒下端的外壁面同轴布置，且所述导向面的半锥角大于所述倒锥形内筒下端的外壁面的半锥角，使所述导向面与所述倒锥形内筒下端的外壁面之间的环形间隙从上到下逐渐减小。

21、进一步的，所述底部环形喷液缝的出口中心方向与所述倒锥形内筒中心轴线之间的轴向收敛角为 30～60°；

22、和/或，所述底部环形喷液缝的出口中心方向与所述倒锥形内筒中心轴线之间的轴向收敛角大于所述倒锥形外筒侧壁与所述倒锥形内筒中心轴线之间的半锥角，以使所述第二冷却液喷出后偏离所述环形夹层流道的壁面流向，获得更大的径向向内速度分量，向所述雾化冷却腔的腔体中心区域收敛延伸；

23、和/或，所述环形夹层流道内设置螺旋导流筋或斜向导流叶片；

24、和/或，所述环形夹层流道的底部设置有隔离壁，所述隔离壁用于分隔所述环形夹层流道与所述底部环形喷液缝，使所述底部环形喷液缝与所述环形夹层流道互不连通，所述双旋流冷却单元还包括与所述环形夹层流道连通并用于使第三冷却液进入所述环形夹层流道的第三进液组件和用于将所述第三冷却液从所述非晶合金粉末制备装置中排出的排液口，所述底部环形喷液缝采用可拆卸或缝宽可调结构，所述第二进液组件包括第二进液口，所述第二进液口设置于所述底部环形喷液缝的上部侧壁上并与所述底部环形喷液缝直接连通，所述第二进液口用于使所述第二冷却液进入所述底部环形喷液缝；所述第二进液口用于喷出所述第二冷却液并使所述第二冷却液沿所述底部环形喷液缝的内壁旋转向下流动，所述第二进液口的数量为多个，均匀设置于所述底部环形喷液缝的上部侧壁上；所述第二进液口的出液方向均沿所述底部环形喷液缝内周面的切向或相对于切向具有5~30°的夹角；

25、和/或，所述双旋流冷却单元还包括与所述环形夹层流道连通并用于使第三冷却液进入所述环形夹层流道的第三进液组件，所述环形夹层流道的出口设置有三通分流结构，所述三通分流结构中的一路用于将部分所述第三冷却液排出，另一路用于将剩余部分所述第三冷却液与所述第二冷却液混合，以使混合后的溶液进入所述底部环形喷液缝，并经所述底部环形喷液缝喷出形成所述底部旋转倒锥形冷却液幕，所述底部环形喷液缝采用可拆卸或缝宽可调结构，所述第二进液组件包括第二进液口，所述第二进液口设置于所述底部环形喷液缝的上部侧壁上并与所述底部环形喷液缝直接连通，所述第二进液口用于使所述第二冷却液进入所述底部环形喷液缝；所述第二进液口用于喷出所述第二冷却液并使所述第二冷却液沿所述底部环形喷液缝的内壁旋转向下流动，所述第二进液口的数量为多个，均匀设置于所述底部环形喷液缝的上部侧壁上；所述第二进液口的出液方向均沿所述底部环形喷液缝内周面的切向或相对于切向具有5~30°的夹角；

26、和/或，所述第一进液组件、所述第二进液组件和所述第三进液组件各自独立的还包括泵、流量调节阀、压力传感器和流量计中的至少一种；

27、和/或，第一冷却液入口、第二冷却液入口、第二冷却液出口、第三冷却液出口中的至少一处位置设置有温度传感器；所述温度传感器用于实时采集冷却液的温度数据，监测温度变化情况，辅助判断冷却系统的换热状态；

28、和/或，所述沉降收集单元包括沉降桶和收集罐；

29、和/或，所述雾化冷却腔和/或所述沉降收集单元设置有气体排放通道、压力监测组件和超压泄放结构。

30、第二方面，本发明提供了一种非晶合金粉末的制备方法，所述非晶合金粉末的制备方法是使用如第一方面所述的非晶合金粉末制备装置进行的。

31、进一步的，所述非晶合金粉末的制备方法包括以下步骤：

32、s1、启动所述第一进液组件和所述第二进液组件，使所述第一冷却液沿所述倒锥形内筒内周面形成所述第一旋转冷却液层，所述第二冷却液经所述底部环形喷液缝喷出形成所述底部旋转倒锥形冷却液幕；

33、s2、将合金原料熔化，得到所述熔融金属；

34、s3、采用雾化气体将所述熔融金属破碎，形成沿不同轨迹向下运动的金属液滴，得到所述合金粉末中间体；

35、s4、所述合金粉末中间体进入所述双旋流冷却单元进行冷却；

36、s5、冷却后的合金粉末随冷却液进入所述沉降收集单元，经固液分离、干燥后获得所述非晶合金粉末。

37、进一步的，在步骤s1中，所述第二冷却液先进入所述环形夹层流道，之后再全部经所述底部环形喷液缝喷出形成所述底部旋转倒锥形冷却液幕；

38、和/或，在步骤s1中，启动所述第三进液组件，使所述第三冷却液进入所述环形夹层流道，在吸收倒锥形内筒壁热量后通过所述排液口或所述三通分流结构将至少一部分所述第三冷却液从非晶合金粉末制备装置中排出；

39、和/或，在步骤s1中，至少一部分所述第三冷却液与所述第二冷却液混合后经所述底部环形喷液缝喷出形成所述底部旋转倒锥形冷却液幕；

40、和/或，在步骤s3中，所述熔融金属2向下流入所述惰性气体雾化单元；

41、和/或，在步骤s4中，所述合金粉末中间体的外围轨迹液滴进入所述第一旋转冷却液层，在所述第一旋转冷却液层内进一步分散、冷却并凝固，同时，所述第二冷却液或所述第三冷却液在所述环形夹层流道中吸收所述倒锥形内筒壁热量，所述合金粉末中间体的中心轨迹液滴向下进入所述底部旋转倒锥形冷却液幕，快速凝固。

42、与现有技术相比，本发明的有益效果至少包括以下一项：

43、（1）本发明提供的非晶合金粉末制备装置通过第一旋转冷却液层和底部旋转倒锥形冷却液幕形成空间互补的冷却区域，提高不同飞行轨迹液滴与冷却液接触的概率，减小中心区域液滴的冷却盲区，从而有效抑制了合金液滴的晶化现象，同时降低了合金粉末的矫顽力。

44、（2）本发明提供的非晶合金粉末制备装置可以使得第二冷却液先在环形夹层流道中冷却倒锥形筒壁，再由底部环形喷液缝形成倒锥形冷却液幕，在一个流路中实现筒壁间接冷却和中心粉流直接冷却。

45、（3）本发明提供的非晶合金粉末制备装置可以将外围粉流和中心粉流的冷却作用分配给

46、不同冷却流路，可分别调节两股冷却液的流量、压力、温度和旋转强度，避免单纯提高单一液层流量造成的液面波动。

47、（4）本发明提供的非晶合金粉末制备装置中环形夹层流道内的冷却液可以实现倒锥形筒壁的冷却，有利于降低连续生产时的局部热积累，使第一旋转冷却液层的温度和状态更加稳定。

48、（5）底部环形喷液缝采用周向连续或多段均布结构，可在周向上形成相对均匀的底部旋

49、转倒锥形冷却液幕，降低中心区域液滴因冷却时间差异产生的组织波动。