專利名稱：常壓下制備細粉－超細粉的方法及其專用設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及物質的細粉和超細粉生產方法及其專用設備。
以(物理)蒸發-冷凝為基礎的超細粉生產方法主要可分為電阻加熱法、等離子加熱法、感應加熱法以及激光加熱法等。它們的共同特點是操作壓力在幾十kpa以下的低壓狀態，在惰性氣體中，加熱蒸發金屬或合金，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，產生超細粒子，雖然蒸發一冷凝法一般可以有效地克服前述幾種方法所產生的缺陷，但由于它們的能量效率低、產出低、生產率低，以及對粉末特性如粒度、粒徑分布、形狀及結晶度的初步控制等困難，時至今日也未成功地大規模生產高熔點金屬、合金、陶瓷或化合物等物質的超細粉末。另外，蒸發-冷凝法一般用于生產平均粒度小于100nm的粉末，在市場需求100-1000nm大粒度粉末的今天，成為不能成功進行工業規模生產的限制因素。
在以往的蒸發-冷凝法中，大部分的設備都將蒸發與冷凝的過程集中在同一容器中進行，即在等離子弧中將原料蒸發，而在反應器內同時通入冷卻氣體，使蒸氣與冷卻氣直接接觸并迅速冷凝，生成超細粉。即使有獨立的冷卻管，蒸氣也會在反應器出口處迅速被冷卻，而生成超細粉。這樣生產的細粉粒度往往小于100nm，而且粉末的特性也較難控制。同時，在以往的設備中，為了降低高熔點物質的蒸發溫度，往往都采用抽真空的方法，這雖然可降低蒸發溫度，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公開了一個生產金屬超細粉末的方法，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，或者通過紅外輻射將氫溶解在金屬中。當溶解的氫從熔融的金屬中釋放出來，超細金屬粉末便產生。使用這種方法，由于使用冷內壁反應器和水冷卻的銅鑄模用于支持被加工物質，因此生產率和產出都很低下，其最大的生產率是大約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。
青島化工學院申請的“高熔點納米金屬催化劑的制備方法”(申請號941150755)，該發明以一種高熔點金屬為原料，在超高真空度條件下經氣體引發電弧，再通入氫氣使金屬熔化并有原子蒸發，收集得到高熔點金屬納米超微粒子。該方法只能得到100mm以下的超細粉。
吉林大學超硬材料國家重點實驗室研究成功了一種制備納米金屬微粉的優化生產工藝(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冷凝產生超細粉。該設備可連續、穩定運轉，但也只能得到100nm以下的金屬細粉，產量為150克/小時。
華中科技大學材料科學與工程學院及深圳尊業納米材料有限公司，用激光復合制備法生產金屬及金屬氧化物超細粉，該法只可生產50nm以下的超細粉，但產量可達到班產公斤級。
常壓下制備細粉-超細粉的方法，包括以下步驟1)在等離子體蒸發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送蒸氣到冷卻管，在冷卻管里蒸氣冷凝，形成細粉-超細粉。
在上述方法中，在等離子體蒸發器中將原料汽化或分解的過程是，原料物質和非消耗電極之間產生電弧，形成等離子體，得到原料物質的蒸氣；操作壓力在0.5-1.5kg/cm2。
形成的細粉-超細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質上延長、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、逐漸冷卻并出現晶核，可在實質上控制粒子生長的結晶化，直接冷卻段用于直接冷卻蒸氣，并使蒸氣全部形成粉粒。冷卻管內管直徑和冷卻管的長度，可以根據生產的粉末特性，運載氣體流速，所需粒度等各種不同的生產要求而變化。
用本發明的方法制備細粉-超細粉的原料物質可以是金屬、合金、陶瓷或合成物。
實現上述常壓下制備細粉-超細粉的設備，包括等離子蒸發器及粉末收集器，所述等離子蒸發器及粉末收集器之間設有至少一個分為間接冷卻和直接冷卻兩部分的冷卻管。
該專用設備還包括一送料器，它的送料口開設于所述等離子蒸發器內。
所述等離子蒸發器包括噴槍、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，噴槍之下，坩堝之上；所述保溫材料環繞遮蓋于等離子室及坩堝的外側。
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。
專用設備中，所述蒸發器與功率整流器相連，電源與控制面板相連；設備中還設有循環冷卻氣的鼓風機。
為提高產量，首先要提高能量效率。等離子加熱系統的一個顯著不足之處是能量消耗非常大，提高加熱系統的能量使用效率，使之成為具有商業價值的可行方法是解決問題的關鍵，這意味著蒸發器中的溫度必須盡可能高，以防止蒸發器內的原料蒸氣在蒸發器內壁或等離子槍壁或原料的支撐物(通常是坩堝)表面發生冷凝。在以往的使用轉移弧等離子加熱的蒸發器中，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器中的溫度，減少了能量效率，為了減少蒸發器的熱量損失，本發明從兩個方面進行了改進一是改用非冷卻坩堝，當然這種坩堝的材料保證在生產溫度下，不被融化或被分解，同時坩堝的材料也不與蒸發物質發生任何化學反應；二是在蒸發器內填充可以耐高溫的，導熱系數很小的保溫材料。這樣就可大大減少蒸發器的熱量損失，使得通過等離子加熱系統加入的能量大部分被用于蒸發原料，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。為此本發明將設備改進成為蒸發與冷凝相互獨立的兩部分，原料在蒸發器中蒸發，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，使蒸發過程在常壓下進行，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，用本發明的方法及設備生產細粉-超細粉，可以對生產細粉的平均粒度，大小分布和結晶度等特性進行實質控制，細粉的粒度可以達到100-1000nm，并且產量顯著提高，可達2公斤/小時，同時生產過程中不會出現傳統濕法冶金術及噴霧高溫分解方法出現的環境問題。
本發明的電極間撞擊弧，在噴槍中是不可消耗電極，作為另一電極的物質，可以以正接極性排列被蒸發或分解。正極性排列，被蒸發或分解物作為正電極，不可消耗電極作為負極，被蒸發或分解的物質因此處于液態。適用于此法的物質可以是純金屬、合金、陶瓷、合成物等。可生產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。
在連續方式中，被蒸發或分解的物質被連續或半連續加到坩堝中，坩堝及被蒸發物在生產條件下可能導電或不導電。一般地，當被蒸發物和坩堝導電時，就不需要一個輔助電極連接。如果被蒸發物不導電及導電坩堝不適用，則要使用沒有非導電坩堝，并附加一個輔助電極連接。作為供給的物質，可以是固體顆粒，金屬絲，棒或液體等任何形式。
下面結合附圖
對本發明的實施例做進一步說明。
如圖2所示，等離子蒸發器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22之間撞擊。當物質22被蒸發或分解，原料被連續或半連續地通過一個管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運送到冷卻管14，在冷卻管14內發生粉末冷凝。離開冷卻管14的粉末產品可以在任一適當的固/氣分離器中獲得，例如經過顆粒過濾管分離得到產品。
蒸發或分解原料22所需的能量，由保持在物質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或半連續注入到等離子室17中，這種氣體根據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，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，但根據所生產的物質，操作者可以隨意變化弧長。等離子室17中的壓力應保持在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，本發明的冷卻管14與蒸發器12相連接，是夾角為90度的并列管，可同時運行或交替運行。被汽化或分解的物質，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，使所要產品成核，控制粒子生長和結晶度，該區的冷卻管由同心的雙管組成，內管由可承受蒸氣高溫的耐溫材料制造，可選材質與坩堝的材料相同，對傳熱的控制可通過改變絕熱層來實現，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。最后氣固混合物進入氣固分離器中，該分離器由多孔燒結管組成，分離后氣體返回循環系統，固體為超細粉產品。
實驗例1用不同的稀釋載氣量生產可控粒度的細銅粉末生產過程及方法如前所述，生產條件及產品規格如表1所示。表1
從表1的結果可以看出，用不同的稀釋載氣氣量可以控制平均粒度。
實驗例2用不同的加熱功率生產可控粒度的細銅粉末生產過程及方法如前所述，生產條件及產品規格如表2所示。
從表2的結果可以看出，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率。
權利要求
1.常壓下制備細粉-超細粉的方法，包括以下步驟1)在等離子體蒸發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送蒸氣到冷卻管，在冷卻管里蒸氣冷凝，形成細粉-超細粉。
2.根據權利要求1所述的常壓下制備細粉-超細粉的方法，其特征在于在等離子體蒸發器中將原料汽化或分解的過程是，原料物質和非消耗電極之間產生電弧，形成等離子體，得到原料物質的蒸氣；操作壓力在0.5-1.5kg/cm2。
3.根據權利要求1或2所述的常壓下制備細粉-超細粉的方法，其特征在于形成的細粉-超細粉在收集器中收集并過濾。
4.根據權利要求1或2所述的常壓下制備細粉-超細粉的方法，其特征在于所述冷卻管是兩個實質上延長、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.根據權利要求1或2所述的常壓下制備細粉-超細粉的方法，其特征在于所述原料物質為金屬、合金、陶瓷或合成物。
6.常壓下制備細粉-超細粉的設備，包括等離子蒸發器及粉末收集器，其特征在于所述等離子蒸發器及粉末收集器之間設有至少一個分為間接冷卻和直接冷卻兩部分的冷卻管。
7.根據權利要求6所述的常壓下制備細粉-超細粉的設備，其特征在于一送料器，它的送料口開設于所述等離子蒸發器內。
8.根據權利要求6或7所述的常壓下制備細粉-超細粉的設備，其特征在于所述等離子蒸發器包括噴槍、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，噴槍之下，坩堝之上；所述保溫材料環繞遮蓋于等離子室及坩堝的外側。
9.根據權利要求6或7所述的常壓下制備細粉-超細粉的設備，其特征在于所述坩堝為非冷卻坩堝。
10.根據權利要求9所述的常壓下制備細粉-超細粉的設備，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.根據權利要求6或7所述的常壓下制備細粉-超細粉的設備，其特征在于所述冷卻管是兩個實質上延長、夾角為90度的并列管體。
12.根據權利要求6或7所述的常壓下制備細粉-超細粉的設備，其特征在于所述蒸發器與功率整流器相連，電源與控制面板相連；設備中還設有循環冷卻氣的鼓風機。
全文摘要
本發明公開了一種常壓下制備細粉—超細粉的方法及其專用設備。常壓下制備細粉—超細粉的方法，包括以下步驟1)在等離子體蒸發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送蒸氣到冷卻管，在冷卻管里蒸氣冷凝，形成細粉—超細粉。本發明的設備，包括等離子蒸發器及粉末收集器，其特征在于所述等離子蒸發器及粉末收集器之間設有至少一個分為間接冷卻和直接冷卻兩部分的冷卻管。利用本發明的方法及設備，可以達到2kg/h的產量。
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 優先權日2001年9月4日
發明者葉彥 申請人:深圳華科納米技術開發有限公司