)粉體的旋轉式動態(tài)連續(xù)制備方法和旋轉式動態(tài)連續(xù)燒結裝置的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明屬于碳氮化物粉體制備技術領域，特別涉及（Ml, M2) (CxN1J粉體的動態(tài)連 續(xù)制備方法和動態(tài)連續(xù)燒結裝置。
【背景技術】
[0002] 碳氮化物粉體主要用于制備金屬陶瓷，由碳氮化物粉體制備的金屬陶瓷具有良好 的紅硬性、抗月牙洼磨損性能、該類金屬陶瓷的熔點高、硬度高、耐磨性好、耐腐性強，并且 制造成本低廉，具有廣闊的應用前景，是世界主要工業(yè)國家都十分重視的陶瓷材料。這類金 屬陶瓷的性能在很大程度上取決于碳氮化物粉體的性質，包括粉體的粒度及粒度分布，純 度，碳化完全程度，游離碳含量，氧含量等。因此，高效地制備高質量的碳氮化物粉體對金屬 陶瓷的性能具有重要的意義。
[0003] 目前，主要采用基于碳熱還原的靜態(tài)法制備碳氮化物粉體，即采用石墨碳管爐或 真空燒結爐制備碳氮化物粉體，將堆放有原料粉體的石墨舟或托盤放置在石墨碳管爐或 真空燒結爐中并在靜止狀態(tài)進行煅燒、還原和碳化，一批碳氮化物粉體制備完成并出爐后， 再放入另一批原料粉體進行煅燒、還原和碳化。該方法存在以下不足：（1)合成過程中原 料受熱的溫度場存在不均勻性，因而同一時間不同位置的原料處于不同的反應階段，獲得 單一相組成的產(chǎn)物所需時間長，且產(chǎn)物的成分和粒度分布區(qū)間較大、產(chǎn)物粘結嚴重；（2)在 氣-固反應階段，物料堆放導致下層的原料粉末難以與還原性氣氛接觸，阻礙還原碳化及 氮化進程，并且會造成產(chǎn)物的成分和粒度不均勻，這將嚴重影響產(chǎn)物的物理和化學性能；
[3] 該方法無法連續(xù)化生產(chǎn)且生產(chǎn)周期長，導致產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的成本過高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術的不足，提供（Ml，M2) (CxNh)粉體的旋轉式動態(tài) 連續(xù)制備方法和和旋轉式動態(tài)連續(xù)燒結裝置，以獲得單相的高品質的（Ml，M2) (CxN1J粉 體，并實現(xiàn)連續(xù)化批量生產(chǎn)。
[0005] 本發(fā)明提供的（Ml，M2) (CxN1J粉體的旋轉式動態(tài)連續(xù)制備方法，所述化學式 (M1，M2) (CxN1J 中，Ml 為 Ti、V、Cr 中的一種，M2 為 Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Hf、Ta、W、MnJI] 系稀土元素中的至少一種，Ml的質量占 Ml和M2質量之和的60%~90%，，且Ml和M2不 為同一元素，X為0. 1~0. 9,工藝步驟如下：
[0006] (1)配料
[0007] 制備（Ml，M2) (CxN1J粉體的原料為Ml與0的化合物粉體、M2與0的化合物粉體 和還原劑，Ml與0的化合物粉體的質量占原料總質量的26. 5~68. 9%，M2與0的化合物 粉體的質量占原料總質量的6. 7~55. 5%，還原劑的質量占原料總質量的15. 5~29. 5%;
[0008] 或制備（Ml，M2) (CxN1J粉體的原料為Ml粉體、M2與0的化合物粉體和還原劑，Ml 粉體的質量占原料總質量的20. 5~81. 7%，M2與0的化合物粉體的質量占原料總質量的 13. O~63. 2%，還原劑的質量占原料總質量的5. 2~26% ;
[0009] (2)混料與干燥
[0010] 將步驟（1)計量好的原料放入球磨機中，加入研磨球體和濕磨介質進行濕磨，使 原料混合均勻，濕磨介質的加入量以浸沒所述原料和研磨球體為限，然后過篩分離出研磨 球體得混合漿料，將所得混合漿料干燥得制備（Ml，M2) (CxN1J粉體的混合粉料；
[0011] ⑶燒結
[0012] 燒結使用旋轉式動態(tài)連續(xù)燒結裝置，在開放體系下燒結或封閉體系下燒結，操作 如下：
[0013] 在開放體系下燒結：在爐管處于出料口低于進料口的傾斜狀態(tài)以0. 1~3L/min的 氣體流速向爐管內(nèi)充入氮氣或氮氣與氬氣的混合氣體，然后使爐管旋轉并加熱爐管，當爐 管內(nèi)的溫度達到反應溫度時，將步驟（2)所得混合粉料連續(xù)送入爐管中，混合粉料進入爐 管后以螺旋運動的形式通過爐管加熱區(qū)完成反應形成反應產(chǎn)物，反應產(chǎn)物落入收集室，冷 卻后即得（Ml，M2) (CxN1J粉體；制備（Ti, M2) (CxN1J粉體時，反應溫度為1500~2000°C ; 制備（Cr, M2) (CxN1J粉體或（V，M2) (CxN1J粉體時，反應溫度為1000~1550°C ;
[0014] 在封閉體系下燒結：在爐管處于出料口低于進料口的傾斜狀態(tài)通過抽真空使爐管 內(nèi)的壓力為IX KT1~IX KT2Pa,然后向爐管內(nèi)通入氮氣或氮氣與氬氣的混合氣體至爐管 內(nèi)的壓力為常壓并使爐管為與大氣隔離的封閉體系，繼后使爐管旋轉并加熱爐管，當爐管 內(nèi)的溫度達到反應溫度時，將步驟（2)得到的混合粉料連續(xù)送入爐管中，混合粉料進入爐 管后以螺旋運動的形式通過爐管加熱區(qū)完成反應形成反應產(chǎn)物，反應產(chǎn)物落入收集室，冷 卻后即得（Ml，M2) (CxN1J粉體；制備（Ti, M2) (CxN1J粉體時，反應溫度為1400~2000°C ; 制備（Cr, M2) (CxN1J粉體或（V，M2) (CxN1J粉體時，反應溫度為1000~1450°C。
[0015] 上述方法中，爐管的長度LI為1. 5~6m，爐管的旋轉速度為0. 5~50r/min。
[0016] 上述方法中，爐管的傾斜角度為0.5°~45°。
[0017] 上述方法中，向爐管充入氮氣與氬氣的混合氣體時，氮氣的體積為氮氣與氬氣體 積之和的30 %~90%。
[0018] 上述方法中，Ml與0的化合物粉體為TiO2粉體、Cr 203粉體、V 203粉體、V 205粉體 中的一種，M2與0的化合物粉體為TiO2粉體、Cr 203粉體、V 203粉體、V 205粉體、Ta 205粉體、 Nb2O5粉體、WO 3粉體、MoO 3粉體、MnO 2粉體、ZrO 2粉體、HfO 2粉體、鑭系氧化物粉體中的至少 一種；鑭系氧化物粉體為〇〇02粉體或者La2O3粉體。
[0019] 上述方法中，所述還原劑為石墨粉、炭黑粉、活性炭粉中的至少一種。
[0020] 上述方法的步驟（2)中，濕磨時研磨球體與原料的質量比為（4~10) :1，濕磨介 質為乙醇、丙酮、或者乙醇與水的混合物，或者丙酮與水的混合物，濕磨介質的加入量優(yōu)選 為每Ikg粉料中加入1~3L。
[0021] 上述方法的步驟（2)中，將混合漿料干燥的操作是指將混合漿料在50~100°C干 燥2~12小時。
[0022] 本發(fā)明還提供了一種用于上述方法的旋轉式動態(tài)連續(xù)燒結裝置，包括儲料室、螺 旋送料機、爐管、爐管驅動機構、加熱爐、收集室、支撐架、螺紋式升降器和托架，所述螺旋送 料機的出料端設置有進氣閥，所述儲料室頂部設置有密封蓋，下部設置有出料控制閥，底部 的出料口與螺旋送料機連接，所述加熱爐設置有加熱器件和熱電偶，所述收集室設置有出 氣閥和配有密封蓋的取料口，收集室的入口設置有進料控制閥；
[0023] 所述爐管插裝在加熱爐的爐膛內(nèi)，爐管的進料端通過動密封軸承與螺旋進料機的 出口連接，爐管的出料端通過動密封軸承與收集室連接，所述爐管驅動機構由電機和鏈傳 動副組成，鏈傳動副的主動鏈輪安裝在電機的動力輸出軸上，從動鏈輪安裝在爐管上，鏈條 套裝在主動鏈輪和從動鏈輪上，所述支撐架由支撐板和與支撐板一端鉸接的支架構成，收 集室和爐管驅動機構中的電機固定在支撐板上，螺旋進料機、加熱爐和動密封軸承分別通 過固定在支撐板上的托架支撐，所述螺紋式升降器安裝在儲料室一側的支撐板之下并與支 撐板底部連接。
[0024] 上述旋轉式動態(tài)連續(xù)燒結裝置中，所述爐管的長度Ll為1. 5~6m，加熱爐加熱區(qū) 的長度L2為1~5m。上述方法中，所述爐管加熱區(qū)即為該旋轉式動態(tài)連續(xù)燒結裝置的加熱 爐加熱區(qū)。
[0025] 上述旋轉式動態(tài)連續(xù)燒結裝置中，爐管內(nèi)壁設置有攪拌片，所述攪拌片為2~4 片，沿爐管周向均勻分布。
[0026] 上述旋轉式動態(tài)連續(xù)燒結裝置，加熱爐設置有加熱器件為電阻式加熱器件、感應 式加熱器件、微波加熱器件、紅外加熱器件、石墨碳管爐加熱器件中的一種。
[0027] 與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下有益效果：
[0028] 1、本發(fā)明提供了一種制備（Ml, M2) (CxN1J粉體的新方法，由于該方法在爐管處 于旋轉狀的態(tài)下進行加熱制備（M1，M2) (CxN1J粉體，在制備過程中，混合粉料以螺旋運動 的形式通過爐管加熱區(qū)并且在該過程中完成反應形成反應產(chǎn)物，爐管的旋轉有利于混合粉 料在反應過程中受熱均勻并與爐管內(nèi)的氣氛充分接觸，因此，本發(fā)明所述方法不但能縮短 制備單相產(chǎn)物的時間，而且能提高產(chǎn)物的成分和粒度分布的均勻性，從而有效提高制備的 (Ml，M2) (CxN1J粉體的品質。
[0029] 2、由于本發(fā)明所述方法在爐管處于旋轉并且出料口低于進料口的傾斜狀態(tài)下制 備（Ml，M2) (CxN1J粉體，在爐管的旋轉過程中，混合粉料一邊發(fā)生化學反應形成反應產(chǎn) 物，一邊連續(xù)地由進料端向出料端運動，加入反應原料和收集反應產(chǎn)物的操作均不會中斷 (Ml，M2) (CxN1J粉體的制備過程，因此，本發(fā)明所述方法實現(xiàn)了（Ml，M2) (CxN1J粉體的連續(xù) 生產(chǎn)，連續(xù)生產(chǎn)不但能降低生產(chǎn)成本，而且能提高生產(chǎn)效率。
[0030] 3、本發(fā)明所述方法的操作簡便，并且所采用的旋轉式動態(tài)連續(xù)燒結裝置的結構簡 單，便于加工制作，因此本發(fā)明所述方法有利于實現(xiàn)（M1，M2) (CxN1J粉體的規(guī)?；a(chǎn)。
【附圖說明】
[0031] 圖1是本發(fā)明所述旋轉式動態(tài)連續(xù)燒結裝置的結構示意圖；
[0032] 圖2是圖1的A-A剖視圖（加熱器件為電阻式加熱器件）；
[0033] 圖3是圖1的A-A剖視圖（加熱器件為感應式加熱器件）；
[0034] 圖4是實施例2制備的（Ti, 10Ta，5Nb) (Ca9Nai)粉體的XRD圖譜；
[0035] 圖5是實施例2制備的（Ti, 10Ta，5Nb) (Ca9Nai)粉體的SEM圖片；
[0036] 圖6是實施例9制備的（Cr, IOMn) (Ca7Na3)粉體的XRD圖譜；
[0037] 圖7是實施例16制備的（V，20Cr，3Ce) (Ca7Na3)粉體的XRD圖譜；
[0038] 圖中，1一儲料室，2-螺旋送料機，3-爐管，4一加熱爐，5-收集室，6-螺紋式升 降器，7-托架，8-密封蓋，9一出料控制閥，10-動密封軸承，11 一電機，12-支撐板，13- 支架，14 一攪拌片，15-加熱器件，16-熱電偶，17-進料控制閥，18-出氣閥，19 一進氣閥， 20-冷卻介質入口，21-冷卻介質出口，22-鏈傳動副，Ll一爐管的長度，L2-加熱爐加熱 區(qū)的長度，Θ-支撐板的傾斜角度。
【具體實施方式】
[0039] 下面通過實施例來對本發(fā)明所述的（Ml，M2) (CxN1J粉體的旋轉式動態(tài)連續(xù)制備 方法與旋轉式動態(tài)連續(xù)燒結裝置做進一步說明?；瘜W式（Ml，M2) (CxN1J中，M2前面的數(shù)字 表示M2的質量占 Ml和M2質量之和的百分比，例如，（Ti, 10W) (Ca7Na3)中，W前面的數(shù)字10 表示W(wǎng)的質量占 Ti和W的質量之和的10%。
[0040] 下述各實施例中的原料粉體均可從市場購買。
[0041] 實施例1
[0042] 本實施例中，旋轉式動態(tài)連續(xù)燒結裝置的結構如圖1所示，圖2為圖1的A-A剖視 圖，所述旋轉式動態(tài)連續(xù)燒結裝置由儲料室1、螺旋送料機2、爐管3、爐管驅動機構、加熱爐 4、收集室5、支撐架、螺紋式升降器6和托架7組成；所述螺旋送料機2的出料端設置有進 氣閥19,所述儲料室1的頂部設置有密封蓋8,儲料室1的下部設置有出料控制閥9,儲料 室1底部的出料口與螺旋送料機1連接；所述加熱爐4設置有電阻式加熱器件15和熱電 偶16 ;所述收集室5設置有出氣閥18和配有密封蓋的取料口，收集室5的入口設置有進料 控制閥17,收集室5的室壁為夾層結構，外壁設置有與夾層相通的冷卻介質入口 20和冷卻 介質出口 21 ;所述爐管3的內(nèi)壁設置有4片攪拌片14,各攪拌片沿爐管周向均勻分布，爐管 3的長度Ll為I. 5m，加熱爐4加熱區(qū)的長度L2為Im ;所述爐管3插裝在加熱爐4的爐膛 內(nèi)，爐管的進料端通過動密封軸承10與螺旋送料機的出口連接，爐管的出料端通過動密封 軸承10與收集室5連接；所述爐管驅動機構由電機11和鏈傳動副22組成，鏈傳動副的主 動鏈輪安裝在電機11的動力輸出軸上，從動鏈輪安裝在爐管上，鏈條套裝在主動鏈輪和從 動鏈輪上，所