CN102211197A - 金属蒸发装置及用该装置制备超微细金属粉末的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种金属蒸发装置及用该装置制备超微细金属粉末的方法，该装置包括坩埚(1)、等离子体转移弧炬(2)、等离子体转移弧(3)、石墨(4)、外加电源和导线，它们之间构成电回路；所述的等离子体转移弧炬(2)中设有供气体进入的进气管(2.1)；所述的等离子体转移弧(3)置于等离子体转移弧炬(2)和坩埚(1)之间；所述的石墨(4)设于坩埚(1)的底部，所述的等离子体转移弧(3)的上方设有供金属原料加入的进料管(2.2)。该结构具有充分利用等离子体转移弧的能量、提高金属产量和金属蒸发效率，降低能耗，同时又能得到粒径较均一、无大颗粒金属残留的超微细金属粉的优点。

Description

金属蒸发装置及用该装置制备超微细金属粉末的方法
技术领域
本发明公开一种金属蒸发装置及用该装置制备超微细金属粉末的方法。
背景技术
在物理气相法制备金属粉末工艺中，为了得到粒径较均一、无大颗粒金属残留的超微细(粒径一般在10～1000nm)金属粉，一般采用较多的为等离子体转移弧金属蒸发装置来制备，如图1所示，该金属蒸发装置一般包括用于盛放金属块和融化后的金属液体的坩埚1’，等离子体转移弧炬2’，等离子体转移弧3’，石墨4’；所述的等离子体转移弧炬2’设于坩埚1’的正上方；所述的坩埚1’底部设有石墨4’，在等离子体转移弧炬2’和石墨4’外通有电源通过导线形成电回路；所述的等离子体转移弧炬2’内设有供气体进入的进气管2.1’，而金属原料则直接通过加料管1.1’进入坩埚内；在电源作用下，进入的气体被电离，在等离子体转移弧炬2’和坩埚1’之间产生等离子体转移弧3’；等离子体转移弧3’直接作用在金属液面上对坩埚1’内的金属液体加热、蒸发、汽化，从而完成对金属的蒸发得到金属蒸气，然后金属蒸气通过冷凝装置聚冷得到超微细金属粉末。
但是这种等离子体转移弧金属蒸发装置存在如下不足：由于受到等离子体转移弧与金属液面热量传递的限制，即等离子体转移弧与坩埚内的金属液面的接触面小，造成金属蒸发效率低，金属蒸气的产量低，能量的消耗大，而大部分等离子体转移弧的能量又得不到充分利用。
发明内容
本发明针对现有技术的上述不足，提供一种充分利用等离子体转移弧的能量、提高金属蒸气的产量和金属蒸发效率，降低能耗，同时又能得到粒径较均一、无大颗粒金属残留的超微细金属粉末的金属蒸发装置。
为了解决上述的技术问题，本发明的技术方案为：一种金属蒸发装置，一种用于制备超微细金属粉末的金属蒸发装置，包括用于盛放金属块和融化后的金属液体的坩埚、等离子体转移弧炬、等离子体转移弧、石墨、电源和导线；所述的等离子体转移弧炬中设有供气体进入的进气管；所述的等离子体转移弧炬产生的等离子体转移弧下端与坩埚中的金属液面相接；所述的石墨设于坩埚的底部；所述的等离子体转移弧炬、等离子体转移弧、坩埚、石墨、电源和导线之间构成电回路，所述的等离子体转移弧的上方设有供金属原料加入的进料管。
采用上述结构，由于金属原料通过设置于等离子体转移弧上方的进料管加入，加入的金属可以整个穿越通过等离子体转移弧，因此，等离子体转移弧的能量就可以得到充分的利用，而不仅仅局限于与坩埚接触的较小的那部分；而即使有部分在穿过等离子体转移弧而未能完全汽化的金属原料，仍可在坩埚中得到进一步的汽化。所以，本实用新型上述的装置充分利用了能源，提高金属蒸气的产量和金属蒸发效率，降低能耗，同时又能得到粒径较均一、无大颗粒金属残留的超微细金属粉的用于制备超微细金属粉末的金属蒸发装置。
作为优选，所述等离子体转移弧的上方设有供金属原料加入的进料管，该进料管的轴线与等离子体转移弧的轴线之间的夹角呈0～45度。采用该结构，可以保证原料更加充分、顺利的通过等离子体转移弧。
作为进一步优选，所述的进料管设于等离子体转移弧炬内即进料管与等离子体转移弧的轴线之间的夹角呈0度，采用该结构可以节省空间，且又能保证金属原料更加充分、顺利的通过等离子体转移弧。
作为进一步优选，所述的进料管设于等离子体转移弧炬内即进料管与等离子体转移弧的轴线之间的夹角呈45度，采用该结构可以达到均匀进料的效果。
作为优选，所述的进料管为两个，采用两个进料管进料，可以增加进料量，从而提高产量。
作为优选，所述的等离子体转移弧外圈设有直流线圈，采用该装置可以使得等离子体转移弧得到充分稳定。
本发明要解决的另一个技术问题是：提供一种利用上述金属蒸发装置制备超微细金属粉末的方法：
(1)预先在坩埚中放置金属块；气体从等离子体转移弧炬中的进气管进入、通过外加电源被等离子化，在坩埚和等离子体转移弧炬之间产生等离子体转移弧(即等离子体转移弧炬产生的等离子体转移弧下端与坩埚中的金属液面相接)；
(2)等到等离子体转移弧把坩埚内的金属块熔化成液体，在坩埚内形成金属液面时，开始进料即将平均粒径为10～300微米的金属粉(金属粉与金属块属于同一种金属)从进料管加入，金属粉通过等离子体转移弧被蒸发、汽化；从进气管进入的气体的流量为0.5～10m3/h，金属粉的进料量为0.5～10kg/h；所述等离子体转移弧的电流为100～1000A，等离子体转移弧长为80～250mm；
(3)调节金属粉的进料量和等离子体转移弧的电流来维持金属液面在一定的高度；调节直流线圈的电流来稳定等离子体转移弧，直流线圈的电流为1～10A；蒸发产生的金属蒸气进入下道工序：通过聚冷管道，将室温的惰性气体或氮气高速加入到金属蒸气中，使金属蒸气温度降到300℃以下，得到超微细金属粉末；然后超微细金属粉末和气体通过气固分离器，收集到超微细金属粉末，气体放空或冷却循环使用；或者蒸发产生的金属蒸气进入低温容器，使金属蒸气形成超微细金属粉，然后沉积在容器壁上，收集在容器壁沉积的超微细金属粉得到超微细金属粉，形成的超微细金属粉的平均粒子在10～1000nm。
本发明上述步骤(1)中的所述的金属块或步骤(2)中的金属粉为铜、镍、银、钴、铝、铁等中的一种。
本发明上述步骤(1)中的所述的气体为氩气、氮气、氢气、氨气中的一种或他们一种以上的混合气体；优选为氮气、氢气或氮氢混合气体。
本发明上述步骤(2)中的所述的金属粉，优选为平均粒径为45～100微米的金属粉；金属粉的进料量优选为1.5～4kg/h。
本发明上述步骤(2)中的所述的等离子体转移弧的电流优选为400～800A，等离子体转移弧的直径为6～12mm，弧长为100～150mm。
本发明上述步骤(2)中的所述气体流量优选为为2～5m3/h。
本发明步骤(3)中所述的直流线圈的电流优选为4～8A。
本发明步骤(3)中用室温的惰性气体或氮气高速加入到金属蒸气中，使金属蒸汽的温度优选降到150～200℃，得到超微细金属粉末。
本发明的上述制备方法，充分利用了等离子体转移弧的能量，使得金属原料得到充分的汽化，在制备同等重量产品的情况下，节省了能耗、提高了产品效率。而且本发明在制备超微细金属粉末的过程中，在等离子体转移弧的外圈加入直流线圈用以稳定转移弧，使得制备过程等离子体转移弧更加稳定。本发明的制备方法适合制备10～1000nm的金属粉末、更优选适合制备80～600nm的金属粉末，因此，制备的金属粉末具有粒径细而均一的优点。
附图说明
图1现有技术的等离子体转移弧金属蒸发装置结构示意图。
如图所示：1’、坩埚，1.1’、加料管，2’、等离子体转移弧炬，2.1’、进气管，3’、等离子体转移弧，4’、石墨。
图2本发明进料管设于等离子体转移弧炬内的等离子体转移弧金属蒸发装置结构示意图。
图3本发明进料管设于等离子体转移弧炬外的等离子体转移弧金属蒸发装置结构示意图。
如图所示：1、坩埚，2、等离子体转移弧炬，2.1、进气管，2.2、进料管，3、等离子体转移弧，4、石墨，5.直流线圈。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施对本发明作进一步的说明，但本发明不仅仅局限于以下实施例，在本发明保护范围内的任何修改，都认为落入本发明的保护范围内。
如图2所示，本发明的金属蒸发装置，包括用于盛放金属块和融化后的金属液体的坩埚1、等离子体转移弧炬2、等离子体转移弧3、石墨4、外加电源和导线；所述的等离子体转移弧炬2中设有供气体进入的进气管2.1；所述的等离子体转移弧3置于等离子体转移弧炬2和坩埚1之间；所述的石墨4设于坩埚1的底部；所述的坩埚1、等离子体转移弧炬2、等离子体转移弧3、石墨4、外加电源和导线之间构成电回路，所述的等离子体转移弧3的上方设有供金属原料加入的进料管2.2。采用上述结构，由于金属原料通过设置于等离子体转移弧上方的进料管加入，加入的金属可以整个穿越通过等离子体转移弧。因此，等离子体转移弧的能量就可以得到充分的利用，而不仅仅局限于与坩埚中的金属液面接触的较小的那部分；而且，即使有部分在穿过等离子体转移弧而未能完全汽化的金属原料，仍可在坩埚中得到进一步的汽化。所以，本发明上述的装置充分利用了能源，提高金属蒸气的产量和金属蒸发效率，降低能耗，同时又能得到粒径较均一、无大颗粒金属残留的超微细金属粉的用于制备超微细金属粉末的金属蒸发装置。
为了节省空间，且又能保证金属原料更加充分、顺利的通过等离子体转移弧，如图2所示，所述的进料管2.2设于等离子体转移弧炬2内。也可采用如图3所示的两个进料管2.2对称的设在等离子体转移弧3上方的两侧的结构。
为了在金属原料通过等离子体转移弧时更加稳定，所述的等离子体转移弧外设有直流线圈5(直流线圈的固定为行业常规技术实现)。
具体制备过程：
(1)预先在坩埚1中放置金属块，金属块的重量为25kg，金属块的成分与进料的金属粉成分相同，可选择铜、镍、银等金属；本实施例中采用镍；氩气从等离子体转移弧炬2的进气管2.1进入、通过外加电源被等离子化，在坩埚1和等离子体转移弧炬2之间产生等离子体转移弧3；
(2)等到等离子体转移弧3把坩埚1内的金属块熔化成液体，在坩埚内形成金属液面，开始进料即将平均粒径为300微米的金属镍粉从进料管加入，金属粉通过等离子体转移弧被蒸发、汽化；从进气管进入的氩气的流量为8m3/h，金属粉的进料量为8kg/h；所述等离子体转移弧的电流为100～1000A，转移弧长为80～250mm；等离子体转移弧2的电流为600A，等离子体转移弧的直径为10mm，弧长为120mm；
(3)调节金属粉的进料量和等离子体转移弧的电流来维持金属液面在一定的高度；调节直流线圈5的电流来稳定直流等离子体转移弧，直流线圈的电流为6A；蒸发产生的金属蒸气通过聚冷管道，用氮气高速加入到金属蒸气中，使金属蒸汽的温度降到160℃，得到超微细金属粉末；然后超微细金属粉末和气体通过气固分离器，收集到超微细金属粉末，气体放空或冷却循环使用。或者也可以采用将蒸发产生的金属蒸气进入到低温容器中，使金属蒸气冷凝形成超微细金属粉，然后沉积在容器壁上，收集在容器壁沉积的金属粉得到超微细金属镍粉，形成的超微细金属镍粉的平均粒子在500nm。

Claims (10)

1.一种金属蒸发装置，包括用于盛放金属块和融化后的金属液体的坩埚(1)、等离子体转移弧炬(2)、等离子体转移弧(3)、石墨(4)、电源和导线；所述的等离子体转移弧炬(2)中设有供气体进入的进气管(2.1)；所述的等离子体转移弧炬(2)产生的等离子体转移弧(3)下端与坩埚(1)中的金属液面相接；所述的石墨(4)设于坩埚(1)的底部；所述的等离子体转移弧炬(2)、等离子体转移弧(3)、坩埚(1)、石墨(4)、电源和导线之间构成电回路，其特征在于：所述的等离子体转移弧(3)的上方设有供金属原料加入的进料管(2.2)。
2.根据权利要求1所述的金属蒸发装置，其特征在于：所述的进料管(2.2)的轴线与等离子体转移弧(3)的轴线之间的夹角呈0～45度。
3.根据权利要求2所述的金属蒸发装置，其特征在于：所述的进料管(2.2)的轴线与等离子体转移弧(3)的轴线之间的夹角呈0度。
4.根据权利要求2所述的金属蒸发装置，其特征在于：所述的进料管(2.2)的轴线与等离子体转移弧(3)的轴线之间的夹角呈45度。
5.根据权利要求4所述的金属蒸发装置，其特征在于：所述的进料管(2.2)为两个。
6.根据权利要求2所述的金属蒸发装置，其特征在于：所述的等离子体转移弧(3)外设有直流线圈(5)。
7.一种利用权利要求6所述的金属蒸发装置制备超微细金属粉末的方法，其特征在于：制备步骤如下：
(1)预先在坩埚中放置金属块；气体从等离子体转移弧炬中的进气管进入、通过电源被等离子化，在坩埚和等离子体转移弧炬之间产生等离子体转移弧；
(2)等到等离子体转移弧把坩埚内的金属块熔化成液体，开始进料即将平均粒径为10～300微米的金属粉从进料管加入，金属粉通过等离子体转移弧被蒸发、汽化；从进气管进入的气体的流量为0.5～10m3/h，金属粉的进料量为0.5～10kg/h；所述等离子体转移弧的电流为100～1000A，等离子体转移弧长为80～250mm；
(3)调节金属粉的进料量和等离子体转移弧的电流来维持金属液面在一定的高度；调节直流线圈的电流来稳定等离子体转移弧，直流线圈的电流为1～10A；蒸发产生的金属蒸气进入下道工序：通过聚冷管道，将室温的惰性气体或氮气高速加入到金属蒸气中，使金属蒸气温度降到300℃以下，得到超微细金属粉末；然后超微细金属粉末和气体通过气固分离器，收集到超微细金属粉末，气体放空或冷却循环使用；或者蒸发产生的金属蒸气进入低温容器，使金属蒸气形成超微细金属粉，然后沉积在容器壁上，收集在容器壁沉积的超微细金属粉得到超微细金属粉，形成的超微细金属粉的平均粒子在10～1000nm。
8.根据权利要求5所述的制备超微细金属粉末的方法，其特征在于：步骤(1)中的所述的气体为氩气、氮气、氢气、氨气中的一种或他们一种以上的混合气体。
9.根据权利要求5所述的制备超微细金属粉末的方法，其特征在于：步骤(2)中的所述的金属粉的平均粒径为45～100微米；金属粉的进料量为1.5～4kg/h；等离子体转移弧的电流为400～800A，等离子体转移弧的直径为6～12mm，弧长为100～150mm；步骤(2)中的所述气体流量为2～5m3/h。
10.根据权利要求5所述的制备超微细金属粉末的方法，其特征在于：步骤(3)中所述的直流线圈的电流为4～8A；步骤(3)中用室温的惰性气体或氮气高速加入到金属蒸气中，使汽化的金属温度降到150～200℃。
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