稀土硅铁制粉工艺研究

D0I:10.13374/i.issn1001053x.1991.03.022 第13卷第8期 北京科技大学学报 Vol.13 No.3 1991年5月 Journal of University of Science and Technology Beijing May 1991 稀土硅铁制粉工艺研究 贾大庸·刘述临* 摘要：对液体稀土硅铁的粘度和表面张力进行了测定和分析；：还对稀士硅铁的各种雾 化工艺进行了实验研究，找出一种新的制粉工艺，采用氩吹一空冷”联合泼程，制得了适 合喷射治金需要的粒度范围在0,2mm~2,0mm、流动性能良好的稀土硅铁粉术。同时还对 稀土硅铁制粉过程应用高速掇影技术进行了分析，对雾化制粉的机理进行研究。 关健司：稀土硅铁，雾化粉剂，高返抵影 Research of Making Powder of RE-Si Ferroalloy Jia Dayong'Liu Shulin' ABSTRACT:For making powder alloy,the viscosity and surface tension of liquid alloy are analysed and determined.Different atomization processes are put into operation in laboratory scale.A complex process of argon atomiza- tion and air cooling showes to be suitable for that purpose.The product of rare earth alloy powder is with a sizes of 0.2mm~2.0mm and good fluidity. For analysing the mechanism of atomizing process,a high speed photographic technology is used. KEY WORDS:rare earth alloy,atomization process for making powder,high- speed photography 目前我国稀土硅铁在国内外的基本销售形式都是块状，由于喷射治金技术的发展，人们 要求以粒状或粉状合金供货，然而，目前我国仍然使用炉前铸成大块，再人工初碎，球磨机 1990-11一03收稿 ·治金系(Department of Metallurgy) 222

第 卷第 期 年 月 北 京 科 技 大 学 学 报 五 。 ， 稀土硅铁制粉工艺研究 贾大庸 ‘ 刘述 临 ‘ 摘 要 对液体稀土硅铁的粘度和表面张力进行了洲定和分析 ， 还对稀土硅 铁的 各 种雾 化工艺进行 了实脸研究 ， 找 出一种新的制粉工艺 ， 采用 吮 氢吹 一空冷 ” 联合流程 ， 制得 了适 合喷射冶 金需要的粒 度范围在 。 。 。 、 优动性能 良好的稀土硅铁粉末 。 同时还 对 稀土硅铁制粉过程应用高速掇影技术进 行 了分析 ， 对雾化制粉的机理进行研究 。 关健词 稀土硅铁 ， 雾化粉剂 ， 高违摄影 一 ‘ 少 夕 ‘ ， · 往 · 。 。 · ， 五 。 ， ， 五 目前我国稀土 硅 铁在国内外的基本销售形式都是块状 ， 由于喷射冶金技 术的发展 ， 人们 要求 以粒状或粉状合金供货 ， 然而 ， 目前我 国仍然使用 护前铸成大块 ， 再人 工初碎 ， 球磨机 一 一 收稿 冶金系 DOI ：10．13374／j ．issn1001－053x．1991．03．022

制粉的机械制粉方法。这对原料和初级产品的浪费极大，污染严重，更无法参加国际上以 粒、粉供货的市场竞争。因此研制和掌握新的制粉技术是适应喷射治金和大量外销的必要条 件。从而为我国稀土资源利用的标准化、系列化、商品化提供技术方案和生产工艺。在文献 〔1~3]中都证明了用粉末喷射制取球墨钱铁等合金材料将得到好的经济技术效果。 1稀土硅铁的粘度与表面张力测定 稀土硅铁的粘度与表面张力对制粉与粒化有非常重要的作用。粘度决定着液体金属能否 在制粉过程中顺利流动并被流体打散。表面张力决定着产品能否成为完好的球形。 用坩埚扭摆法测定金属粘度见图1所示。 测试结果表明，在达到一定的过热度后， 粘度值不是很大。在1300℃下，其粘度并不比 常规钢水或铁水为高，总是在6×10-sPas左三 右。 测定表面张力实际上是在真空下测量液滴 各部分的曲率半径。也可借这机会观察稀土硅 铁氧化的情况。 1100 120013Uu100 1500 在测定中发现，即使在真空条件下液滴表 TC2pcr:fc.r气 面也会生成一层熔点很高的膜，使测定无法进 图1粘度4与温度(T)的变化关系 行。为了防止这种氧化，又在充氩的条件下测 Fig.1 Relation of viscosity values with 定，但同样会在液滴表面生成一层高熔点膜， temperature changes 而无法测定其表面张力。 这一现象说明了稀土硅铁在液态下极易氧化（稀土氧化物的熔点极高，故总有一层硬 膜)，因而在常规工艺条件下不能产生出光亮的金属粉末，以后的制粉试验中也发现产品的 球形度也比其他金属要低。 2稀土硅铁的制粉实验 为了寻找稀土硅铁合理的制粉方法，先后进行了高压水淬试验、机械离心转盘制粉、高 压气体喷射制粉试验，最后完成了“氩吹一空冷”联合流程的制粉工艺试验。 2,1稀土硅铁的水淬试验 将稀土硅铁流股用机械方法或水流股喷射方法击散再淬入水池中，过程是安全的，但不 能解决的问题是产生空心球。把金属流股打散后淬入煤油中，空心情况有所改善。由4m高 度使液流自由落下淬入水池中，由于没有打散流股，未能充分冷却，水淬后仍产生空心球。 2,2稀土硅铁用高压气体喷射制粉试验 稀土硅铁用喷射的办法制粉没有特别的困难，用环形喷嘴和左右两支枪喷嘴雾化，效果 都较好，试验结果表明平均粒径都在(0.1~2.0)mm之间，流股完全能被击碎，在产品中部 223

制粉的机械制粉方法 。 这 对 原料和初级产品 的浪费极大 ， 污染严重 ， 更无法 参加 国 际 上 以 粒 、 粉供货的市场竞争 。 因此研制和掌握新的制粉技 术是适应喷射冶 金 和大 量外销的必要条 件 。 从而为 我国稀土 资源利用 的标准化 、 系 列化 、 商品化提供技 术方案和生 产工 艺 。 在文献 〔 〕 中都证 明 了用粉末喷射制取球 墨铸铁等合 金材料将得到好的 经济技 术效果 。 稀土 硅铁的粘度 与表面张力测定 稀土 硅 铁的 粘度与 表面 张力 对 制粉与粒化 有非常重要的作用 。 粘度决定着液体金属 能否 在制粉过程 中顺 利 流动 并被流 体打散 。 表面 张 力决 定着产品 能否 成 为完好的球形 。 用琳祸扭摆法测定金属粘度见 图 所示 。 测试结果表 明 ， 在达到 一 定的 过热 度后 ， 粘度值不 是很大 。 在 ℃ 一 下 ， 其粘度并不 比 常规钢水 或铁水 为高 ， 总是在 一 “ 左 右 。 测 定表面张力实际上是在真空下侧 量液滴 各部分的 曲率半径 。 也 可借这机会观察稀土硅 铁 氧化的 情况 。 在测定 中发 现 ， 即使 在真空条件下 液滴 表 面也会生 成一层熔点很 高的膜 ， 使测定无法进 行 。 为了防止这种氧化 ， 又在充氢 的 条 件下 测 定 ， 但同样会在液滴表面生成一层 高熔点膜 ， 、 才 一 一 一 了 阅 厂 ·三︹﹃汾公 、之力。功 目 金 生飞飞 是二 二 、 公 ’ 厂 图 粘度井 与温 度 的变化关 系 而 无法测定其表面 张力 。 这一现象说 明了稀土硅铁 在液态下极 易氧化 稀土氧化物 的熔点极高 ， 故总 有 一 层 硬 膜 ， 因而在常规工艺条件下不 能产生 出光 亮的金属粉末 ， 以后 的制粉试验 中也 发现 产品 的 球形度也 比其他金属 要低 。 稀土 硅铁的制粉实验 为 了寻找稀土硅 铁合理 的制粉方法 ， 先后进行了 高压水 淬试验 、 机械离心转盘制粉 、 高 压气体喷射制粉试 验 ， 最后完成了 “ 氢吹一空冷 ” 联合流程 的制粉工艺试 验 。 。 稀 土硅铁的水淬试验 将稀土硅铁流股用机械方法 或水流股喷射方法 击散再淬入水池 中 ， 过程是安全的 ， 但不 能解决的问题是 产生空心球 。 把金属 流股打散后 淬人煤油中 ， 空心情况有所改善 。 由 爪 高 度使 液流 自由落下 淬入水池 中 ， 由于 没 有打散流股 ， 未 能充 分冷却 ， 水淬后 仍产生 空心球 。 。 稀 土硅铁用高压 气体喷射制粉试验 稀土 硅铁用喷射的办法制粉 没 有特别 的 困难 ， 用 环形喷嘴 和左右 两支枪 喷嘴雾化 ， 效果 都较好 ， 试 验结果 表 明平均粒径都在 。 一 。 之 间 ， 流股完全能被击碎 ， 在产品 中部

分颗粒间有粘结现象，这主要是实验室的雾化罐高度不够，只要增加高度，充分冷却，粘结 是可以避免的。 产品没有中空现象，但必须指出的问题是用空气雾化时有较严重的表面氧化问题，而用 氩喷射时表面氧化膜则被控制在可以接受的范围。 2.3氩吹一空冷联合流程新工艺 (1)主要试验设备ap800mm×4500mm的制粉塔如图2。b三种不同结构的雾化喷 嘴。c四种不同孔径的中间漏包。 Exhausting Alloy (2)雾化塔的设计在试验中曾先后设计 了大小三个雾化装置和一套高压水喷射系统， 一个机械离心制粉设备，并分别进行了试验， 800 结果表明，以氩吹一空冷的方法制粉最为合 理。于是制作了一个4500mm×800mm的雾 化塔，用高频感应炉熔化稀土硅铁，每次可雾 化2kg合金粉，雾化塔上部用瓶装氩气为雾化 气源，下部用氩气和压缩空气为冷却气源，底板 -Blastinig 分别设计了普通底盘和带气孔的流化床底盘。 图2制粉实验装置示意图 漏包采用石墨包，浇注前要进行预热，漏 Fig.2 Device for marking powder experiment 包孔为10、中12、中8三种规格，以供调试。 (3)雾化喷嘴的种类设计的喷嘴有三种形式，各喷嘴的结构参数见表1。 表1各种喷嘴的结构参数 Table 1 Strctural parameters of spray nozzles 编号 喷嘴类型 环缝宽度，四m 喷射角 金属流股行程，m四 备注 环缝斜直式 0.6、0.8、1.0 45° 60 流量可调 环缝切入式 0.6、0.9、1.0 60° 65 流量可调 喷枪式 0.8 75 45 流量可调 (4)实验根据影响粒化工艺的各种因素，对压力、温度、喷嘴环缝、漏包孔径四种主 要因素采用正交实验方法（见表2），共进行了18炉的制粉与粒化实验。 为了分析稀土硅铁的氧化程度，分别采用了氩气和氯气为雾化介质，空气和氩气为冷却 介质的不同试验方案。结果表明采用氩吹一空冷的工艺流程从产品质量和经济效益都是较理 想的方法。 表2实验方案 Table 2 The experimental scheme 漏包直径d,mm 环缝宽，mm 喷嘴压力，MPa 培化温度T,℃ 12 0.6 4.9×10-1 1600 2 1.0 0.8 3.9×10-1 1570 3 1.0 2.9×10-1 1540 224

分颖粒 间有 粘结现象 ， 这 主要是实验室 的雾化罐高度不够 ， 只要增 加高度 ， 充分冷却 ， 粘结 是可以避免 的 。 产品 没有 中空现象 ， 但必须指 出的 问题是用 空气霎化 时有较严重的表面 氧化问题 ， 而 用 氢喷射时表面氧化膜则被控制在可 以接受的范围 。 。 氛吹一空 冷联合流程 新工艺 主要试 验设备 价 欠 。 。 的制粉塔如 图 。 三种不 同结构的 雾化喷 嘴 。 四种不 同孔径的 中间漏包 。 雾化塔的设计 在试验 中曾先后设计 了大小三个雾化装置和一套高压水喷射系统 ， 一个机械离心制粉设备 ， 并分别进行 了试 验 ， 结果表 明 ， 以氢 吹一空冷的 方法制 粉 最 为 合 理 。 于是制作 了一 个 功 的雾 化塔 ， 用高频感应炉熔化稀土硅 铁 ， 每次可雾 化 合 金粉 ， 雾化塔上部用瓶装 氢气为雾化 气源 ， 下部用氢气和压缩空气 为冷却气源 ， 底板 分别设计 了普通底盘和带气孔 的流化床底盘 。 漏包采 用石墨包 ， 浇注前要进行预热 ， 漏 包孔 为 价 、 叻 、 功 三种规格 ， 以 供调试 。 雾化喷嘴的种类 设计 的喷嘴有三种形式 ， 图 制粉 实验 装置示意 图 口 各喷嘴的结构参数见表 。 表 各种喷嘴 的结 构参数 金属流股 行程 ， 功 备注 流量可调 流量 可 调 流量可 调 角 口︷们 喘一 编 号 喷嘴 类型 环缝宽 变 ， ︸ 环缝斜直 式 环 缝切人 式 喷 枪 式 。 、 。 、 。 、 。 、 ， 实验 根据影响粒化工艺的各种因素 ， 对压力 、 温度 、 喷嘴环缝 、 漏 包孔径四种主 要 因素采用 正 交实验方法 见表 ， 共进行了 炉 的 制粉与粒化实验 。 为 了分析稀土硅 铁的氧化程度 ， 分别采用 了氖气和氮气为雾化介 质 ， 空气和氢气为冷却 介质的不 同试验 方案 。 结果表 明采 用氢吹一 空冷的工 艺流程从 产品 质量和经济效益都是较理 想 的方法 。 表 实 验 方 案 水 平 漏 包直径 ， 环缝宽 ， 喷嘴压 力 ， 熔化 温度 ， ℃ 。 。 一 。 一 一 摊八曰九一︸ … 上︸

(5)产品规格及评价得到的正式产品规格如下： 平均粒度粒度范围稀土元素氧化度 空隙度氧化膜厚度颗粒流动性 0,5mm0,22,0mm <5% <5% 1~44m 良 ①粒度作为喷吹治金使用的粒度要求可分为两级，即(0,1~0.4)mm(115~24目) 和(0.4~2.5)mm(24~1目)，其他大于和小于该粒度的可做包线使用，喷吹制得产品的利 用率估计达95%以上，其粉末产品可达85%。 以1*喷嘴为例：在熔化温度1570℃、环缝0.8mm、漏包孔径中10mm时不同压力下获得 粒度分布范围如图3所示： 50 调节喷吹压力和环缝等因素，可以使雾化迟 ●4.9x10-2MPa 颗粒直径控制在极为狭窄的范围内。如上图中 40 23,9×10-1il1Pa o2.9x10-I MPa 压力为4.9×10-1MPa时颗粒范围(0.5~2.0) 30 mm可占颗粒总量的85%以上。 20 ②颗粒的氧化在稀土硅铁基本性能测 定时已得出初步结论，即稀土硅铁熔化后粘度 并不高，但表面氧化不可避免，因此，第二步 1.252.503.755.006,25 的工作是探求用氩吹一空冷喷吹制成的粉末有 Diameters of particles/mm 多大比重被氧化了。结论是：在显微镜下观测 颗粒表面氧化层只有1~4m,所占比重是微 图$不同压力下获得的粒度分布曲线 Fig,3 The size distribution curves under 不足道的，而且稀土表面一旦氧化，氧化层并 different pressures 不向内部扩展。颗粒内部只有较少量的氧化物 夹杂，比空气制粉的情况要少得多（见图4）。镜下观察估算氧化膜与夹杂物占颗粒总量的 (2~4)%。通过酸洗检查，结论也大致相同。 (a)用空气雾化制粉的颗粒 (b)用氨气雾化制粉的颗粒 图4颗粒中夹杂物与孔洞的对比 Fig.4 Comparision of inclusions and holes in aifferent particles 3 稀土的氧化损失对稀土硅铁从原料、重熔、到粉末过程的不同阶段分别取样进行 了稀土含量的化学分析。分析结果表明稀土含量约有(2~3)%的降低，主要来自重熔过程， 这在正式工业生产中是不存在问题的（没有再熔化过程）。 ④颗粒比重分析初步观察时有空心现象，为了测定粉末产品的空心度，做了产品颗 粒的真假比重测定，粗略计算在六个试样中最大与最小比重差为0.13g/cm3其封闭空洞率 占只(1~3.5)%，即没有生成所谓的“空心球”问题，将不会影响产品质量和使用。 225

产品 规格及评 价 得到 的正 式产品规格如下 平 均 粒度 粒 度范 围 稀土元素 氧化度 空 隙度 氧 化膜厚度 颗粒 流动性 。 对 良 ① 粒 度 作 为喷吹冶 金使 用 的粒度要求 可分为两 级 ， 即 目 和 一 一 目 ， 其他 大于 和小于该粒度 的可做 包线使 用 ， 喷吹 制得 产品的利 用率估 计达 以上 ， 其粉 末 产品可达 。 以 “ 喷嘴 为例 在熔化温 度 ℃ 、 环 缝 、 漏 包孔径叻 时不 同压 力下获 得 妇一尸工山白侧洲。助浏口，﹄ 粒 度分布范 围如 图 所示 调 节喷吹 压 力和 环 缝等因素 ， 可 以使 雾化 颗粒直径 控制在极 为狭 窄的范 围 内 。 如上 图 中 压 力为 。 一 ‘ 时颗粒范 围 可 占颗粒 总 量的 以上 。 ② 颗粒 的氧化 在稀土 硅 铁基本性能侧 定 时 己得 出初步结论 ， 即稀土 硅铁熔化后 粘度 并不 高 ， 但表面氧化不 可避免 ， 因 此 ， 第 二步 的工作 是探求 用氢吹一 空冷喷吹 制成的粉末有 多大 比重被氧化了 。 结论是 在显微镜下观测 颗粒表面氧化层 只 有 一 声 ， 所 占比重是 微 不足道 的 ， 而且稀土表面 一旦 氧化 ， 氧化层并 不 向内部扩展 。 颗粒 内部只 有较少量 的氧化物 夹杂 ， 比空气制粉 的情况要少得多 见 图 。 写 。 通过酸洗检查 ， 结论也 大致相 同 。 沪、 一 减 一 、 。 兀 卜 门 声界 一 ， 卢 令尸 ， 一 飞 、 一 ’ 刃 一 、 、 、 匆 图 不 同压 力下获得 的粒度 分布曲线 王 镜下观 察估 算氧化膜与夹杂物 占颗粒 总量的 黔 产 翼 用 空气雾化制粉 的颗粒 〕用 氨 气雾化制粉的颗粒 图 颗粒 中夹 杂物 与 孔洞 的对 比 ③ 稀土 的氧化 损失 对稀土 硅 铁从原料 、 重熔 、 到粉末过程 的不 同阶段 分别取 样进行 了稀土含量的化学 分析 。 分析结果表 明稀土含 量约 有 一 的降 低 ， 主要来 自重 熔过程 ， 这 在正式工业生 产 中是不 存在问题 的 没有再熔化过程 。 ④ 颗粒 比重 分析 初步观察 时有空心现象 ， 为 了测定粉末产品的空心度 ， 做 了产品颗 粒 的真假 比重 测 定 ， 粗略计算 在六 个试样 中最大 与最 小 比重差 为 “ 其封闭 空 洞 率 占只 写 ， 即没 有生 成所谓 的 “ 空心球 ” 问题 ， 将不 会影响 产品质 量和使 用

3稀土硅铁雾化制粉机理分析 为了深入了解液态合金被高压射流击碎的机理，使用高速掇影技术以每秒3000张的速度 拍摄了液流被击碎并雾化的全部过程，照片图象清析，明显看出击碎后粒度均匀分布，和液 体金属流股击碎前后在不同区域的变化过程（见图5）。 图5合金液滴击醉时的变化过程 Fig.5 The changing process of alloy droplets broken up 通过对照片的分析判断，可将雾化过程分解为5个区域进行描述5，所测数据曲线如 图6、7所示，为进一步改进雾化喷嘴和设备提供了可靠的理论数据。 800 600 1) 400 3) (4) 00- 5) (1) (2) (3) () /em 注：(1)负压素流区(2)液滴分化区(3)有效雾化区 (4)负压沟流区(5)充分冷凝区 图6雾化颗粒速度变化曲线 图7分区示意图 Fig.6 Curve of atomizing particle speed Fig.7 Schematic drawing of the zones 4结 论 (1)用氩吹一空冷制取稀土硅铁粉末的工艺是可行的，它可以用不太高的成本生产出合 乎喷射治金使用的原料。 (2)制粉过程中颗粒表面的氧化似不可避免，但本工艺能将氧化膜厚度控制在只有 1~44m的范围内，氧化损失极微，产品表面光洁，流动性良好。 (3)该工艺制得的粉未产品通过采用喷吹法和冲入法制球墨铸铁的对比试验，表明球化 226

稀土 硅铁雾化制粉机理分析 为了深人 了解 液态 合金 被 高压射流击碎 的机理 ， 使 用 高速摄影技 术 以每秒 张的速度 拍摄 了 液流被击碎并 雾化的全部过程 ， 照片 图象 清析 ， 明显看 出击碎后 粒 度均 匀 分布 ， 和 液 体金属 流股击碎前后 在不 同 区域 的变化过程 见 图 。 图 合 金液滴击 碎时的 变化过程 通过对照 片的分析 判 断 ， 可将 雾化过程 分解为 个 区域 进行描述 〔 〕 ， 所测数据 曲 线 如 图 、 所示 ， 为进 一步 改 进 雾化喷嘴和 设备 提供 了可靠 的理论数据 。 厂一一 一万一 一 一下 一粉甘戈从洲… 、 态 魂 马 ︺户曰 门曰八︺ 八曰 。三刃 注 负压 紊流区 液滴分化 区 有 效 雾化区 负压 涡流 区 充 分冷 凝区 图 雾化颗 粒 速 度变化 曲线 图 分区示意 图 组 结 论 用氢 吹一 空冷制取 稀土硅 铁粉末 的工艺是可行 的 ， 它 可 以用不 太 高的成本生 产出合 乎喷射冶金使 用 的原料 。 制 粉过程 中颗粒表面 的氧化似不 可避免 ， 但本工 艺能将氧化 膜 厚 度 控 制 在 只 有 声 的范 围内 ， 氧化 损失极微 ， 产品表面光 洁 ， 流动性 良好 。 该工艺制得 的 粉末产品通过采 用喷吹 法 和 冲入法 制球 墨铸 铁 的对 比试验 ， 表 明球 化