使用离散射流高压气体雾化系统的雾化器性能分析

《Advanced Powder Technology》：Analysis of atomizer performance using a discrete jet high pressure gas atomization system

　　

质量中位粉末直径d₅₀作为离散射流型高压气体雾化系统的雾化条件的函数被测量。在3.0至5.0 MPa之间使用了五种不同的气体压力，并且对于每种压力，通过独立改变熔体喷出的强制压力和熔体输送喷嘴的孔径，研究了四种不同的熔体流量。研究发现与常规Lubanska模型的拟合较差。然而，研究表明，d₅₀与熔体流量和超音速气流中所含功率之比具有良好的相关性，正如Strauss & Miller [Adv. Powder Metall. Particulate Mater. 11, 2001, 2.17]首次提出的，前提是他们的关系被修改为包括低熔体流量时的最小粒径。研究人员推测这可能是由于在如此低的熔体流量下熔体喷嘴的不完全润湿。研究人员还注意到，雾化系统将高压气体中储存的势能转换为超音速气流中所含动能的效率随着压力增加而下降，这对当前增加雾化压力的趋势提出了质疑。

1. 引言

高压气体雾化（High Pressure Gas Atomization, HPGA）是生产细球形金属粉末的首选工艺，其市场因增材制造技术的快速发展而迅速扩张。传统环形缝隙式雾化器（annular slit design）虽广泛应用，但存在气体消耗大、喷嘴对准困难等不足。离散射流系统（discrete jet system）将熔体管与气体系统完全分离，减少了安装不确定性，且出口面积较小，可在较高入口压力下维持合理气体消耗，从而被认为有助于获得更细粉末。然而，现有半经验模型如Lubanska关系（Lubanska correlation）在预测粉末粒度分布（Particle Size Distribution, PSD）时精度有限，且工业界不断提高雾化压力的趋势也缺乏效率论证。本研究采用研究级离散射流雾化器，以Raney-Ni（Ni-50 wt% Al）合金为雾化材料，系统考察质量中位径d₅₀与多种经验/理论模型的相关性，并评估高压操作的能量效率。论文发表于《Advanced Powder Technology》。

2. 实验方法

研究人员使用具有18个收敛-扩张（de Laval）喷嘴的离散射流雾化器，熔体由加压中间包（顶部压力40或45 kPa）送入熔体喷嘴（孔径2.0或2.5 mm）。气体压力在3.0至5.0 MPa间以0.5 MPa步进变化，共20组条件，另加一次重复实验。利用筛分法获得PSD，计算d₅₀。气体出口速度和马赫数基于理想膨胀假设，通过de Laval喷嘴方程计算。随后将d₅₀分别与Lubanska模型及Strauss & Miller能量比模型进行拟合，并计算气体从势能转化为超音速射流动能的热力学效率。

3. 结果

熔体流量随气体压力增加而降低，因背压增高。例如，在2.5 mm孔径、40 kPa顶部压力下，气体-金属比（Gas-to-Metal Ratio, GMR）从3.0 MPa时的1.5 kg/kg升至5.0 MPa时的约27。在5.0 MPa下，大孔径喷嘴的流量略有回升，与先前背压测量一致。低流量时出现冻结现象：2.0 mm孔径在45 kPa顶部压力、4.5 MPa时中途冻结，5.0 MPa时无粉末；3.0 MPa时流量过高导致不稳定和飞溅。有效PSD数据共16组，重复实验d₅₀差异小于5%。

Lubanska模型拟合结果较差，决定系数R²=0.51，计算得到的Lubanska常数约140，高于文献典型值。若改用恒定长度尺度（5.0 mm）代入，R²降至0.26，说明采用熔体喷嘴孔径作为特征长度更合适。改变指数n对拟合优度影响不大。

将d₅₀对熔体流量与超音速气体功率之比（M_m/Psub