浅析PREP等离子旋转电极雾化制粉设备的工艺配方系统

摘 要 PREP等离子旋转电极雾化制粉设备的工艺配方系统是基于机械设备及电气部件等基础上研制开发的系统。该工艺系统由自动抽真空程序块、自动充放氩气程序、电主轴自动旋转程序块、融化电流自动计算程序块自动进给程序块及报警辅助功能等。通过工艺配方系统，使得PREP等离子旋转电极制粉设备更加智能化，操作更加便捷，能耗大幅降低，所制球形粉末的品质更好、球形粉末直径更小，创造经济效益明显[1]。

关键词 制粉设备;工艺配方;智能化

1 国内外发展现状

等离子旋转电极制粉法是以等离子束将高速旋转金属棒料前端熔化，然后依靠金属棒料高速旋转的离心力甩出熔融液滴，并雾化冷却为金属球形粉末[2]。

目前市面上的等离子旋转制粉设备是由一个直径约2～3米的雾化室组成，金属棒料通过动密封装入其中，旋转速度高达0～20000r/min，等离子枪产生等离子电流，使高速旋转的金属棒料端部熔化，在离心力的作用下薄层液态金属雾化成极小的液滴飞射出去，同时在氩气的保护下快速冷却[3]。

因为整个制粉过程状态较为复杂，高转速（几万转），大电流（几千安），金属棒料的融化过程较为复杂等因素，相关理论计算研究文献较少。因此，等离子旋转电极制粉设备的自动化水平仍然较低，操作上基本都是人为手动操作，融化电流等相关的主要因素的设定均是依据经验而行，缺乏理论支撑[4]。

2 主要内容

针对上述现有技术中的不足，通过大量的实验数据及反复验证，提供一种自动生产球形粉末的工艺配方系统。

基于PREP等离子旋转电极制粉设备的机械部件及工作原理，将金属金属棒料制备成球形粉末的过程中的相关要素，包含：真空环境、氩气含量、棒料转速、融化电流、棒料进给速度等，通过程序设计和开发，做成粉末制备过程中的工艺配方系统，以实现在制备球形金属粉末过程中，上述要素的自动最优配置，从而提升设备的智能化，减少能耗，大幅提升所制备的粉末品质[5]。

该自动生产金属合金球形粉末的工艺配方系统，由以下程序块组成，具体实施方式及内容如下：

（1）金属合金棒料融化电流的自动计算程序：根据制粉环境中氩气的含量及氩气的电阻率、电离率等物理特性，通过PLC程序的编写，程序自动计算出可以将金属金属棒料融化成球形粉末的最小电流，并将该电流自动配置到等离子电源中，以实现在制备球形粉末过程中的最佳热量匹配，避免能量浪费，提升球形粉末品质。

（2）自动抽真空程序：通过PLC程序编程，自动控制机械泵、罗茨泵、扩散泵及相关气缸元件的动作，以完成PREP等离子旋转电极制粉设备的自动抽真空作业，为自动充放氩气提供基础，为粉末生产制备创造环境[6]。

（3）金属合金棒料自动旋转计算程序：通过PLC程序编程，实现金属棒料转速的自动最佳匹配。PREP等离子旋转电极制粉设备所制粉末的粒径与棒料转速成正比，即棒料转速越高，所制粉末粒度越小。但是，由于机械结构的限制，棒料转速有最大值，因此，实际生产中，棒料转速不可超过该值。此外，在制粉过程中，设备震动大小、棒料转速的高低，均会随着金属棒料的变短而变化，因此，通过转速自动配置程序，将根据棒料的实际融化过程中相关因素的变化，实现转速的最佳配置，从而实现所制粉末的品质提升[7]。

（4）自动充放氩气程序：制备金属粉末过程中，氩气含量的多少直接决定是否可以引燃主弧、维弧，以及主弧引燃后，融化电流的大小。而氩气的电离率，电阻率等参数，并未有相关资料可供参考。基于多次实验计算的基础上，我们已计算出与PREP等离子旋转电极制粉设备相匹配的氩气电离率、电阻率。通过将上述参数，编入氩气自动充放程序中，可以实现较为重要的功能[8]。

（5）金属合金棒料自动进给计算程序：该程序块将自动识别，金属金属棒料的转速、融化电流、氩气压力等参数，始终确保金属棒料融化端面与等离子枪之间的距离保持相对恒定，以确保进给速度与转速、融化电流保持匹配，防止棒料过融或者融化不足等问题，从而保证所制粉末的品质[9]。

3 结束语

本论文中所述的相关技术与现有技术相比具有以下优点：①对等离子旋转电极制粉设备系统的自动化、智能化得到极大提升;②本论文中用到的相关计算公式，填补众多行业空白;③本论文极大地减少了等离子旋转电极制粉设备的能耗，提升了能量利用效率，提高了等离子旋转电极制粉设备的所制球形金属粉末的品质。

参考文献

[1] 张永昌.急冷微晶合金[J].自然杂志，1985，（6）：405-408.

[2] 张鸣远，景思睿，李国君.高等工程流体力学[M].西安：西安交通大学出版社，2006：92-94，154-156，229-232.

[3] Franzini，Joseph B.Fluid mechanics，with engineering applications [M].北京：清华大学出版社，2003：376.

[4] 丘继存.选矿学[M].北京：冶金工业出版社，2009：225-232.

[5] 丘玉圃.Fortran程序设计[M].北京：科学出版社，1979：211-215，176-177，200-206.

[6] 谭浩强，崔武子，田淑清.Fortran 程序设计（二级）教程[M].北京：清华大学出版社，2001：9-22，203-212.

[7] Frank M White.Fluid mechanics[M].北京：清华大学出版社，2003：29.

[8] 杨永强，刘洋，宋常輝.金属零件3D打印技术现状及研究进展[J].机电工程技术，2013，（4）：1-7.

[9] 崔庚彦，王哲，刘保军.浅谈金属粉末的制备方法[J].科技信息，2011，

（10）：185-185.

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