VIGA气雾化制备镍基合金粉末雾化过程的数值模拟

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真空感应熔炼气雾化制粉技术(VIGA)是目前在工业生产中应用最为广泛的制备金属(合金)粉末的方法,VIGA所制备的金属粉末具有纯度高、球形度好、含氧量低等优点。然而常规的实验手段很难对气雾化整个熔体破碎过程进行表征,也很难再现冲击破碎的复杂物理过程。数值模拟可以实现对气体轨迹、金属熔体的破碎等过程的可视化重现。本文采用ANSYS Fluent 19.0软件计算流体力学CFD方法,数值模拟真空感应熔炼气雾化(VIGA)制备镍基合金粉末雾化过程,研究雾化空间内的气体流场和金属熔体的雾化过程,以及不同喷嘴结构和雾化工艺参数对金属熔体雾化过程和雾化粉末粒径及其分布的影响。研究发现:(1)雾化气流经喷嘴喷射形成超音速气流,最高流速可达575 m/s;回流区呈倒锥形。一次雾化过程是在“脉动雾化”模式下完成的,高温熔体破碎形态呈“撑伞状”和“倒喷泉状”。初始液滴在湍流层发生二次雾化,破碎液滴在滞点处交汇后迅速冷却凝固成粉末颗粒。(2)随着导流管伸出长度的增加,回流区逐渐减小,回流区内气体速度最大值逐渐减小,抽吸压力减小。随着导流管伸出长度的减小,粉末的平均粒径和D50逐渐减小,D50从90.26 μm减小到78.04、58.40 μm。随着导流管伸出长度的减小,细粉收得率逐渐提高。随着导流管直径的增加,流入回流区内的金属熔体明显增多。随导流管直径的减小,粉末的平均粒径和D50逐渐减小,D50分别为93.81、73.32、60.45、58.40μm,且粉末粒径分布范围逐渐变窄,细粉收得率逐渐提高。随喷射夹角的增大,回流区逐渐减小,抽吸压力逐渐减小。随喷射夹角的减小,粉末平均粒径逐渐减小,D50逐渐减小,分别为69.83、68.99、58.40 μm,细粉收得率逐渐提高。(3)随雾化气压的增大,回流区逐渐变长,回流区内气流速度最大值先增大后减小,抽吸压力先增大后减小,滞止压强逐渐增大。随雾化气压的增大,二次雾化数值模拟统计所得合金粉末平均粒径逐渐减小,D50逐渐减小,从81.10 μm减小到69.80、64.77、52.30、41.80 μm。随雾化气压的增大,细粉收得率逐渐提高。(4)VIGA制备镍基合金粉末的流动轨迹与模拟结果基本吻合。气雾化粉末粒径分布模拟结果与实验结果的D50分别为61.89和69.25 μm,细粉(≤53 μm)收得率分别为35.48%和36.82%,模拟结果比实验结果比较吻合。
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