基于CFD的EIGA导流管伸出长度的优化研究

doi:10.12068/j.issn.1005-3026.2024.09.005

摘要/Abstract

摘要：

采用CFD（computational fluid dynamics）数值模拟的方法，对电极感应熔炼气雾化（electrode induction melting gas atomization， EIGA）导流管不同伸出长度进行模拟计算，分析了导流管伸出长度对流场结构和粉末粒径的影响规律.结果表明，导流管伸出长度为0 mm时，回流区内的速度最大值为335 m/s，气体出口处的膨胀波簇明显变大，会出现反喷现象.随着导流管伸出长度的增加（1~4 mm），回流区的长度逐渐增加，且所制备的合金粉末的平均粒径先减小后增大.导流管伸出长度为2和3 mm时，抽吸压力最大，利于液滴二次破碎.导流管伸出长度为2 mm时，粉末粒径分布均表现为单峰的正态分布形态，粉末的中位粒径d₅₀为84 μm，粒径分布最均匀，粒径范围最窄.

关键词: 电极感应熔炼气雾化（EIGA）, 导流管, 流场结构, 回流区, 粒径分布

Abstract:

A computational fluid dynamics （CFD） approach was developed to simulate the EIGA （electrode induction melting gas atomization） with different protrusion lengths of delivery tube. The effect of the protrusion length of delivery tube on the flow field structure and powder particle size was analyzed. The results show that when the protrusion length is 0 mm， the maximum velocity in the recirculation zone is 335 m/s， and the expansion wave cluster at the gas outlet increased significantly， resulting in backflow phenomenon. With the increase of the protrusion length （1~4 mm）， the length of the recirculation zone gradually increases， and the average particle size of the alloy powder prepared first decreases and then increases. The maximum suction pressure is achieved at 2 and 3 mm of protrusion length of delivery tube， which is beneficial to the secondary fragmentation of liquid droplets. When the protrusion length is 2 mm， the particle size distribution of the powders shows a normal distribution， and the median diameter （d₅₀） of the powders is 84 μm， which is the most uniform particle size distribution and the narrowest particle size range.

Key words: electrode induction melting gas atomization （EIGA）, delivery tube, flow field structure, recirculation zone, particle size distribution

中图分类号:

TB 126

郭快快, 李建中, 刘常升. 基于CFD的EIGA导流管伸出长度的优化研究[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(9): 1252-1257.

Kuai-kuai GUO, Jian-zhong LI, Chang-sheng LIU. Optimization Study on Protrusion Length of Delivery Tube in EIGA Based on CFD[J]. Journal of Northeastern University(Natural Science), 2024, 45(9): 1252-1257.

图/表 9

图1 雾化器结构示意图

Fig.1 Structure diagram of atomizer

图2 数值模拟计算域和边界条件

Fig.2 Numerical simulation computational domain and boundary conditions

表1 钛合金（TC4）和氩气物理参数

Table 1 Physical properties of titanium alloy （TC4） and argon

物质	密度	黏度	表面张力	比热容	热导率
物质	kg·m^-3	kg·s·m^-2	N·m^-1	J·(kg·K)^-1	W·(m·K)^-1
钛合金	4 500	2.0×10^{- 5}	1.588	812	25.8
氩气	ideal?gas	2.125×10^{- 5}	—	520.64	0.015 8

图3 导流管不同伸出长度时回流区速度云图（a）—0 mm；（b）—1 mm；（c）—2 mm；（d）—3 mm；（e）—4 mm；（f）—5 mm.

Fig.3 Velocity contours of recirculation zone with different protrusion lengths of delivery tube

图4 导流管不同伸出长度条件下沿计算中心的轴向速度

Fig.4 Axial velocities along the center of the computational domain with different protrusion lengths of delivery tube

图5 导流管不同伸出长度下沿计算中心轴线上压力变化曲线（a）—导流管伸出长度0 mm的静压；（b）—导流管伸出长度1~5 mm的静压.

Fig.5 Axial pressures along the center of the computational domain with different protrusion lengths of delivery tube

图6 EIGA过程中出现的反喷现象（a）—二次雾化模拟实验中出现的液滴反向流入导流管；（b）—实际EIGA生产中出现的反喷现象.

Fig.6 Back flow phenomenon in the process of EIGA

图7 导流管不同伸出长度条件下制备粉末的粒径分布（a）—0 mm；（b）—1 mm；（c）—2 mm；（d）—3 mm；（e）—4 mm；（f）—5 mm.

Fig.7 Particle size distributions of powders prepared under different protrusion lengths of delivery tube

图8 导流管不同伸出长度条件下制备粉末的累积粒径分布

Fig.8 Cumulative particle size distribution of powders prepared under different protrusion lengths of delivery tube

参考文献 15

1	Hohmann M， Pleier S.Production methods and applications for high‑quality metal powders and sprayformed products［J］.Acta Metallurgica Sinica，2005，18（1）：15-23.
2	Zhao B， Xia M， Wang J F，et al.Numerical simulation and experimental study on production of high‑speed steel powder by high‑frequency induction melting gas atomization［J］.Metallurgical Research & Technology，2022，119（5）：509.
3	苏才津，孙耀宁，董开基，等.导流管参数对真空紧耦合气雾化法制备Fe-Cr合金粉末的影响［J］.粉末冶金技术，2024，42（1）：68-74.
	Su Cai‑jin， Sun Yao‑ning， Dong Kai‑ji，et al.Effect of melt delivery nozzle parameters on Fe-Cr alloy powders prepared by vacuum close‑coupled gas atomization［J］.Powder Metallurgy Technology，2024，42（1）：68-74.
4	Ma Y， Bao J F， Hu Y，et al.The impact of vacuum atomization parameters on the particle size distribution and morphology［J］.Thermal Spray Technology，2014，6（1）：45.
5	Dawes J， Bowerman R， Trepleton R.Introduction to the additive manufacturing powder metallurgy supply chain［J］.Johnson Matthey Technology Review，2015，59（3）：243-256.
6	Wei M W， Chen S Y， Sun M，et al.Atomization simulation and preparation of 24CrNiMoY alloy steel powder using VIGA technology at high gas pressure［J］.Powder Technology，2020，367：724-739.
7	Beckers D， Ellendt N， Fritsching U，et al.Impact of process flow conditions on particle morphology in metal powder production via gas atomization［J］.Advanced Powder Technology，2020，31（1）：300-311.
8	Xia M， Wang P， Zhang X H，et al.Computational fluid dynamic investigation of the primary and secondary atomization of the free‑fall atomizer in electrode induction melting gas atomization process［J］.Acta Physica Sinica，2018，67（17）：170201.
9	Park J M， Na T W， Park H K，et al.Preparation and characterization of spherical niobium silicide‑based powder particles by electrode induction gas atomization［J］.Materials Letters，2019，243：5-8.
10	Zeoli N， Gu S.Computational simulation of metal droplet break‑up，cooling and solidification during gas atomization ［J］.Computational Materials Science，2008，43（2）：268-278.
11	Mi J， Figliola R S， Anderson I E.A numerical simulation of gas flow field effects on high pressure gas atomization due to operating pressure variation［J］.Materials Science and Engineering：A，1996，208（1）：20-29.
12	Ünal R.The influence of the pressure formation at the tip of the melt delivery tube on tin powder size and gas/melt ratio in gas atomization method［J］.Journal of Materials Processing Technology，2006，180（1/2/3）：291-295.
13	宗伟，罗浩，周晚珠，等.雾化气体压力及导流管伸长量对导流管顶端压力的影响［J］.材料研究与应用，2016，10（2）：111-115.
	Zong Wei， Luo Hao， Zhou Wan‑zhu，et al.Effect of atomization pressure and protrusion length on delivery tube tap pressure［J］.Materials Research and Application，2016，10（2）：111-115.
14	Wang J F， Xia M， Wu J L，et al.Ladle nozzle clogging in vacuum induction melting gas atomization：influence of the melt viscosity［J］.Metallurgical and Materials Transactions B，2022，53（4）：2386-2397.
15	赵新明，徐骏，朱学新，等.超音速气雾化中导液管突出长度对气体流场的影响［J］.中国有色金属学报，2009，19（5）：967-973.
	Zhao Xin‑ming， Xu Jun， Zhu Xue‑xin，et al.Effect of protrusion length of melt delivery tube on gas flow field for supersonic gas atomization［J］.The Chinese Journal of Nonferrous Metals，2009，19（5）：967-973.

[1]	许开立, 陈西萌, 刘博. 乌龙茶叶粉尘爆炸特性实验研究[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2024, 45(7): 1057-1064.
[2]	赵飞翔，迟世春. 基于离散元的碎片尺寸随机的颗粒破碎模拟方法[J]. 东北大学学报（自然科学版）, 2023, 44(3): 408-414.
[3]	郭快快，商硕，陈进，刘常升. 数值模拟雾化气压对GH4169合金粉末粒径的影响[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2020, 41(6): 807-811.
[4]	郭快快，陈进，刘常升，陈岁元. 数值模拟喷射夹角对VIGA制粉雾化过程的影响[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2020, 41(5): 729-735.
[5]	康月，刘超，张玉柱，姜茂发. 气淬法制备高炉渣玻璃微珠的性能[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2019, 40(2): 202-206.
[6]	郭快快，刘常升，董欢欢，陈岁元. 导管伸出长度对气雾化制备TC4粉末特性的影响[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2018, 39(6): 797-802.
[7]	刘中秋，李林敏，李宝宽. 连铸结晶器内气泡群粒径分布的实验研究[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2017, 38(1): 57-61.
[8]	杜翠凤，王远，卢俊杰，伍朝蓬. 吸湿型路面抑尘剂配方研制及工业试验[J]. 东北大学学报:自然科学版, 2015, 36(6): 876-881.
[9]	王晓冬;王维娜;. RH真空精炼循环流动流场结构的数值模拟[J]. 东北大学学报(自然科学版), 2009, 30(10): 1481-1484.
[10]	彭一川. 不同粒径分布下超声速气粉流的理论研究[J]. 东北大学学报:自然科学版, 1994, 15(5): 6--.
[11]	彭一川. 不同粒径分布下超声速气粉流的理论研究[J]. 东北大学学报:自然科学版, 1994, 15(5): 6--.
[12]	彭一川. 不同粉粒体积分率下超声速气粉流的理论研究[J]. 东北大学学报:自然科学版, 1994, 15(2): 6--.
[13]	彭一川;闻邦椿. 拉伐尔喷嘴中气粉流的数学模型[J]. 东北大学学报:自然科学版, 1994, 15(1): 5--.