專利名稱：常壓下制備細(xì)粉－超細(xì)粉的方法及其專用設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及物質(zhì)的細(xì)粉和超細(xì)粉生產(chǎn)方法及其專用設(shè)備。
以(物理)蒸發(fā)-冷凝為基礎(chǔ)的超細(xì)粉生產(chǎn)方法主要可分為電阻加熱法、等離子加熱法、感應(yīng)加熱法以及激光加熱法等。它們的共同特點(diǎn)是操作壓力在幾十kpa以下的低壓狀態(tài)，在惰性氣體中，加熱蒸發(fā)金屬或合金，蒸氣原子在與惰性氣體分子的不斷碰撞中迅速損失能量而冷卻，產(chǎn)生超細(xì)粒子，雖然蒸發(fā)一冷凝法一般可以有效地克服前述幾種方法所產(chǎn)生的缺陷，但由于它們的能量效率低、產(chǎn)出低、生產(chǎn)率低，以及對粉末特性如粒度、粒徑分布、形狀及結(jié)晶度的初步控制等困難，時至今日也未成功地大規(guī)模生產(chǎn)高熔點(diǎn)金屬、合金、陶瓷或化合物等物質(zhì)的超細(xì)粉末。另外，蒸發(fā)-冷凝法一般用于生產(chǎn)平均粒度小于100nm的粉末，在市場需求100-1000nm大粒度粉末的今天，成為不能成功進(jìn)行工業(yè)規(guī)模生產(chǎn)的限制因素。
在以往的蒸發(fā)-冷凝法中，大部分的設(shè)備都將蒸發(fā)與冷凝的過程集中在同一容器中進(jìn)行，即在等離子弧中將原料蒸發(fā)，而在反應(yīng)器內(nèi)同時通入冷卻氣體，使蒸氣與冷卻氣直接接觸并迅速冷凝，生成超細(xì)粉。即使有獨(dú)立的冷卻管，蒸氣也會在反應(yīng)器出口處迅速被冷卻，而生成超細(xì)粉。這樣生產(chǎn)的細(xì)粉粒度往往小于100nm，而且粉末的特性也較難控制。同時，在以往的設(shè)備中，為了降低高熔點(diǎn)物質(zhì)的蒸發(fā)溫度，往往都采用抽真空的方法，這雖然可降低蒸發(fā)溫度，但也大大減少了粒子生長的停留時間。
美國專利號第4,376,740公開了一個生產(chǎn)金屬超細(xì)粉末的方法，包括通過一個電弧或等離子放電，使熔融的金屬或合金與氫反應(yīng)，或者通過紅外輻射將氫溶解在金屬中。當(dāng)溶解的氫從熔融的金屬中釋放出來，超細(xì)金屬粉末便產(chǎn)生。使用這種方法，由于使用冷內(nèi)壁反應(yīng)器和水冷卻的銅鑄模用于支持被加工物質(zhì)，因此生產(chǎn)率和產(chǎn)出都很低下，其最大的生產(chǎn)率是大約24g/小時。此外，該方法沒有提及或建議對粉末特性如粒度、粒徑分布的控制手段。
青島化工學(xué)院申請的“高熔點(diǎn)納米金屬催化劑的制備方法”(申請?zhí)?41150755)，該發(fā)明以一種高熔點(diǎn)金屬為原料，在超高真空度條件下經(jīng)氣體引發(fā)電弧，再通入氫氣使金屬熔化并有原子蒸發(fā)，收集得到高熔點(diǎn)金屬納米超微粒子。該方法只能得到100mm以下的超細(xì)粉。
吉林大學(xué)超硬材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室研究成功了一種制備納米金屬微粉的優(yōu)化生產(chǎn)工藝(1996年10月)，該方法以直流等離子為加熱源，在真空條件下使金屬蒸發(fā)冷凝產(chǎn)生超細(xì)粉。該設(shè)備可連續(xù)、穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)，但也只能得到100nm以下的金屬細(xì)粉，產(chǎn)量為150克/小時。
華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院及深圳尊業(yè)納米材料有限公司，用激光復(fù)合制備法生產(chǎn)金屬及金屬氧化物超細(xì)粉，該法只可生產(chǎn)50nm以下的超細(xì)粉，但產(chǎn)量可達(dá)到班產(chǎn)公斤級。
常壓下制備細(xì)粉-超細(xì)粉的方法，包括以下步驟1)在等離子體蒸發(fā)器中將原料汽化或分解，形成該原料的蒸氣；2)向等離子體蒸發(fā)器中注入溫度大于800℃的稀釋氣體；3)通過等離子體氣體和稀釋氣體運(yùn)送蒸氣到冷卻管，在冷卻管里蒸氣冷凝，形成細(xì)粉-超細(xì)粉。
在上述方法中，在等離子體蒸發(fā)器中將原料汽化或分解的過程是，原料物質(zhì)和非消耗電極之間產(chǎn)生電弧，形成等離子體，得到原料物質(zhì)的蒸氣；操作壓力在0.5-1.5kg/cm2。
形成的細(xì)粉-超細(xì)粉在收集器中收集并過濾。
在所述冷凝過程中使用的冷卻管是兩個實(shí)質(zhì)上延長、夾角為90度的并列管體；每個管體分為間接冷卻和直接冷卻兩部分。原料蒸氣在冷卻管里冷凝形成粉末，在間接冷卻段，使蒸氣保持溫度、逐漸冷卻并出現(xiàn)晶核，可在實(shí)質(zhì)上控制粒子生長的結(jié)晶化，直接冷卻段用于直接冷卻蒸氣，并使蒸氣全部形成粉粒。冷卻管內(nèi)管直徑和冷卻管的長度，可以根據(jù)生產(chǎn)的粉末特性，運(yùn)載氣體流速，所需粒度等各種不同的生產(chǎn)要求而變化。
用本發(fā)明的方法制備細(xì)粉-超細(xì)粉的原料物質(zhì)可以是金屬、合金、陶瓷或合成物。
實(shí)現(xiàn)上述常壓下制備細(xì)粉-超細(xì)粉的設(shè)備，包括等離子蒸發(fā)器及粉末收集器，所述等離子蒸發(fā)器及粉末收集器之間設(shè)有至少一個分為間接冷卻和直接冷卻兩部分的冷卻管。
該專用設(shè)備還包括一送料器，它的送料口開設(shè)于所述等離子蒸發(fā)器內(nèi)。
所述等離子蒸發(fā)器包括噴槍、等離子室、電弧、坩堝及保溫材料；所述電弧位于所述等離子室內(nèi)，噴槍之下，坩堝之上；所述保溫材料環(huán)繞遮蓋于等離子室及坩堝的外側(cè)。
所述坩堝為非冷卻坩堝，由石墨、碳化物、氧化物、氮化物、硼化物或難熔金屬制成。其中碳化物可以是碳化鉭、碳化硅、碳化鈦等；氧化物可以是氧化鎂、氧化鋁、氧化鋯等；氮化物可以是氮化鉭、氮化鈦、氮化鋯、氮化硼等；硼化物可以是硼化鈦、硼化鎢、硼化鋯等；難熔金屬可以是鎢、鉭、鉬、鈮等。
專用設(shè)備中，所述蒸發(fā)器與功率整流器相連，電源與控制面板相連；設(shè)備中還設(shè)有循環(huán)冷卻氣的鼓風(fēng)機(jī)。
為提高產(chǎn)量，首先要提高能量效率。等離子加熱系統(tǒng)的一個顯著不足之處是能量消耗非常大，提高加熱系統(tǒng)的能量使用效率，使之成為具有商業(yè)價值的可行方法是解決問題的關(guān)鍵，這意味著蒸發(fā)器中的溫度必須盡可能高，以防止蒸發(fā)器內(nèi)的原料蒸氣在蒸發(fā)器內(nèi)壁或等離子槍壁或原料的支撐物(通常是坩堝)表面發(fā)生冷凝。在以往的使用轉(zhuǎn)移弧等離子加熱的蒸發(fā)器中，為了延長各部件的使用壽命，許多部件通常被水冷卻。很明顯，這種冷卻大大降低了蒸發(fā)器中的溫度，減少了能量效率，為了減少蒸發(fā)器的熱量損失，本發(fā)明從兩個方面進(jìn)行了改進(jìn)一是改用非冷卻坩堝，當(dāng)然這種坩堝的材料保證在生產(chǎn)溫度下，不被融化或被分解，同時坩堝的材料也不與蒸發(fā)物質(zhì)發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)；二是在蒸發(fā)器內(nèi)填充可以耐高溫的，導(dǎo)熱系數(shù)很小的保溫材料。這樣就可大大減少蒸發(fā)器的熱量損失，使得通過等離子加熱系統(tǒng)加入的能量大部分被用于蒸發(fā)原料，提高了能量效率。
為了得到大粒度的粒子，可以通過控制蒸氣的冷凝作用，冷卻氣的速率和溫度及蒸氣速率，使粒子成核與生長有足夠的停留時間。為此本發(fā)明將設(shè)備改進(jìn)成為蒸發(fā)與冷凝相互獨(dú)立的兩部分，原料在蒸發(fā)器中蒸發(fā)，蒸氣由惰性(載)氣動送至冷凝管中，通過控制冷卻氣的加入量與加入位置，使得蒸氣有足夠的停留時間來完成粒子成核與生長的過程，同時在保證坩堝與保溫材料容許溫度的條件下，使蒸發(fā)過程在常壓下進(jìn)行，這些都可延長停留時間，以便更好地控制粒子的形成與生長過程，用本發(fā)明的方法及設(shè)備生產(chǎn)細(xì)粉-超細(xì)粉，可以對生產(chǎn)細(xì)粉的平均粒度，大小分布和結(jié)晶度等特性進(jìn)行實(shí)質(zhì)控制，細(xì)粉的粒度可以達(dá)到100-1000nm，并且產(chǎn)量顯著提高，可達(dá)2公斤/小時，同時生產(chǎn)過程中不會出現(xiàn)傳統(tǒng)濕法冶金術(shù)及噴霧高溫分解方法出現(xiàn)的環(huán)境問題。
本發(fā)明的電極間撞擊弧，在噴槍中是不可消耗電極，作為另一電極的物質(zhì)，可以以正接極性排列被蒸發(fā)或分解。正極性排列，被蒸發(fā)或分解物作為正電極，不可消耗電極作為負(fù)極，被蒸發(fā)或分解的物質(zhì)因此處于液態(tài)。適用于此法的物質(zhì)可以是純金屬、合金、陶瓷、合成物等。可生產(chǎn)的金屬粉末包括銀粉、金粉，鎘粉、鈷粉、銅粉、鐵粉、鎳粉、鈀粉、鉑粉、銠粉、釕粉、鉭粉、鈦粉、鎢粉、鋯粉等。陶瓷粉末包括氧化鋁粉、氧化鈦粉、碳化硅粉、碳化鉭粉、氮化硅粉、氮化硼粉等。合成物或涂層的粉末包括碳化硅/硅，氧化鎳/鎳，氧化亞銅/銅等。
在連續(xù)方式中，被蒸發(fā)或分解的物質(zhì)被連續(xù)或半連續(xù)加到坩堝中，坩堝及被蒸發(fā)物在生產(chǎn)條件下可能導(dǎo)電或不導(dǎo)電。一般地，當(dāng)被蒸發(fā)物和坩堝導(dǎo)電時，就不需要一個輔助電極連接。如果被蒸發(fā)物不導(dǎo)電及導(dǎo)電坩堝不適用，則要使用沒有非導(dǎo)電坩堝，并附加一個輔助電極連接。作為供給的物質(zhì)，可以是固體顆粒，金屬絲，棒或液體等任何形式。
下面結(jié)合附圖
對本發(fā)明的實(shí)施例做進(jìn)一步說明。
如圖2所示，等離子蒸發(fā)器12包括一等離子室17和電弧18，電弧在噴槍20和石墨坩堝24中的物質(zhì)22之間撞擊。當(dāng)物質(zhì)22被蒸發(fā)或分解，原料被連續(xù)或半連續(xù)地通過一個管26加到坩堝中。被加熱的稀釋氣體，可選氬、氦、氫、氮、氨、甲烷或它們的混合物，通過管28加入等離子室17，將蒸氣通過出口30從等離子室17運(yùn)送到冷卻管14，在冷卻管14內(nèi)發(fā)生粉末冷凝。離開冷卻管14的粉末產(chǎn)品可以在任一適當(dāng)?shù)墓?氣分離器中獲得，例如經(jīng)過顆粒過濾管分離得到產(chǎn)品。
蒸發(fā)或分解原料22所需的能量，由保持在物質(zhì)22和非消耗電極33之間的電弧18供給，原料在坩堝24中部分或全部以液態(tài)存在，非消耗電極33在等離子槍20中。除等離子槍20中供給氣體外，至少有一種稀釋氣體連續(xù)或半連續(xù)注入到等離子室17中，這種氣體根據(jù)蒸氣離開等離子室的溫度被加熱至一合適溫度，或溫度至少不低于800℃以使蒸氣局部冷卻最小。
在等離子系統(tǒng)，一般使用正極排列，噴槍中非消耗電極作為陰極，原料物22作為陽極。
所選的電弧長度(弧長)為2至10cm，但根據(jù)所生產(chǎn)的物質(zhì)，操作者可以隨意變化弧長。等離子室17中的壓力應(yīng)保持在0.5-1.5kg/cm2，最可取的操作壓力在0.8-1.2atm。
如圖3、圖4所示，本發(fā)明的冷卻管14與蒸發(fā)器12相連接，是夾角為90度的并列管，可同時運(yùn)行或交替運(yùn)行。被汽化或分解的物質(zhì)，以蒸氣形式，與稀釋氣體和等離子氣體混合離開等離子室17，進(jìn)入冷卻管14的第一部分31。冷卻管第一部分31可以對冷卻間接控制，使所要產(chǎn)品成核，控制粒子生長和結(jié)晶度，該區(qū)的冷卻管由同心的雙管組成，內(nèi)管由可承受蒸氣高溫的耐溫材料制造，可選材質(zhì)與坩堝的材料相同，對傳熱的控制可通過改變絕熱層來實(shí)現(xiàn)，外管為不銹鋼等材料。冷卻管14的第二部分32用于直接冷卻蒸氣和在第一部分31通道中已經(jīng)形成的粉末顆粒。直接冷卻通過注入冷卻氣體完成，通過至少一個入口34直接加注到蒸氣和/或粉末顆粒上。用于直接冷卻蒸氣和粉末顆粒的氣體，包括氬、氮、氦、氨、甲烷、氧、空氣、一氧化碳、二氧化碳或它們的混合物。最后氣固混合物進(jìn)入氣固分離器中，該分離器由多孔燒結(jié)管組成，分離后氣體返回循環(huán)系統(tǒng)，固體為超細(xì)粉產(chǎn)品。
實(shí)驗(yàn)例1用不同的稀釋載氣量生產(chǎn)可控粒度的細(xì)銅粉末生產(chǎn)過程及方法如前所述，生產(chǎn)條件及產(chǎn)品規(guī)格如表1所示。表1

從表1的結(jié)果可以看出，用不同的稀釋載氣氣量可以控制平均粒度。
實(shí)驗(yàn)例2用不同的加熱功率生產(chǎn)可控粒度的細(xì)銅粉末生產(chǎn)過程及方法如前所述，生產(chǎn)條件及產(chǎn)品規(guī)格如表2所示。

從表2的結(jié)果可以看出，保持其它各種條件不變，僅改變加熱功率，可得到不同的平均粒度及產(chǎn)率。
權(quán)利要求
1.常壓下制備細(xì)粉-超細(xì)粉的方法，包括以下步驟1)在等離子體蒸發(fā)器中將原料汽化或分解，形成該原料的蒸氣；2)向等離子體蒸發(fā)器中注入溫度大于800℃的稀釋氣體；3)通過等離子體氣體和稀釋氣體運(yùn)送蒸氣到冷卻管，在冷卻管里蒸氣冷凝，形成細(xì)粉-超細(xì)粉。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的常壓下制備細(xì)粉-超細(xì)粉的方法，其特征在于在等離子體蒸發(fā)器中將原料汽化或分解的過程是，原料物質(zhì)和非消耗電極之間產(chǎn)生電弧，形成等離子體，得到原料物質(zhì)的蒸氣；操作壓力在0.5-1.5kg/cm2。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的常壓下制備細(xì)粉-超細(xì)粉的方法，其特征在于形成的細(xì)粉-超細(xì)粉在收集器中收集并過濾。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的常壓下制備細(xì)粉-超細(xì)粉的方法，其特征在于所述冷卻管是兩個實(shí)質(zhì)上延長、夾角為90度的并列管體；每個管體分為間接冷卻和直接冷卻兩部分。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的常壓下制備細(xì)粉-超細(xì)粉的方法，其特征在于所述原料物質(zhì)為金屬、合金、陶瓷或合成物。
6.常壓下制備細(xì)粉-超細(xì)粉的設(shè)備，包括等離子蒸發(fā)器及粉末收集器，其特征在于所述等離子蒸發(fā)器及粉末收集器之間設(shè)有至少一個分為間接冷卻和直接冷卻兩部分的冷卻管。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的常壓下制備細(xì)粉-超細(xì)粉的設(shè)備，其特征在于一送料器，它的送料口開設(shè)于所述等離子蒸發(fā)器內(nèi)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的常壓下制備細(xì)粉-超細(xì)粉的設(shè)備，其特征在于所述等離子蒸發(fā)器包括噴槍、等離子室、電弧、坩堝及保溫材料；所述電弧位于所述等離子室內(nèi)，噴槍之下，坩堝之上；所述保溫材料環(huán)繞遮蓋于等離子室及坩堝的外側(cè)。
9.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的常壓下制備細(xì)粉-超細(xì)粉的設(shè)備，其特征在于所述坩堝為非冷卻坩堝。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的常壓下制備細(xì)粉-超細(xì)粉的設(shè)備，其特征在于所述坩堝由石墨、碳化物、氧化物、氮化物、硼化物或難熔金屬制成。
11.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的常壓下制備細(xì)粉-超細(xì)粉的設(shè)備，其特征在于所述冷卻管是兩個實(shí)質(zhì)上延長、夾角為90度的并列管體。
12.根據(jù)權(quán)利要求6或7所述的常壓下制備細(xì)粉-超細(xì)粉的設(shè)備，其特征在于所述蒸發(fā)器與功率整流器相連，電源與控制面板相連；設(shè)備中還設(shè)有循環(huán)冷卻氣的鼓風(fēng)機(jī)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種常壓下制備細(xì)粉—超細(xì)粉的方法及其專用設(shè)備。常壓下制備細(xì)粉—超細(xì)粉的方法，包括以下步驟1)在等離子體蒸發(fā)器中將原料汽化或分解，形成該原料的蒸氣；2)向等離子體蒸發(fā)器中注入溫度大于800℃的稀釋氣體；3)通過等離子體氣體和稀釋氣體運(yùn)送蒸氣到冷卻管，在冷卻管里蒸氣冷凝，形成細(xì)粉—超細(xì)粉。本發(fā)明的設(shè)備，包括等離子蒸發(fā)器及粉末收集器，其特征在于所述等離子蒸發(fā)器及粉末收集器之間設(shè)有至少一個分為間接冷卻和直接冷卻兩部分的冷卻管。利用本發(fā)明的方法及設(shè)備，可以達(dá)到2kg/h的產(chǎn)量。
文檔編號B22F9/02GK1406693SQ0113124
公開日2003年4月2日 申請日期2001年9月4日 優(yōu)先權(quán)日2001年9月4日
發(fā)明者葉彥 申請人:深圳華科納米技術(shù)開發(fā)有限公司