CN102378461B - 一种环形均匀气流供粉装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种环形均匀气流供粉装置，属于直流电弧等离子体制备纳米材料技术领域，包括等离子体发生器、原料喷射环、淬冷室、收集室、反向淬冷喷射管和冷却水管；等离子体发生器上设有冷却水入口和冷却水出口，等离子体发生器嵌在原料喷射环的环形栅栏框凹口上，原料喷射环包括外环、切向入口、环形栅栏框和供粉混合腔，外环上均匀设置有切向入口，外环的中心具有中空的环形栅栏框；原料喷射环与淬冷室固定连接；收集室包括收集室上端和收集室下端。本发明的环形栅栏框将原料颗粒注入高温等离子体射流，使原料的分布更加均匀，熔化蒸发更加充分，从而得到质量更高的纳米粉材料。
Description
技术领域：
本发明属于直流电弧等离子体制备纳米材料技术领域，具体涉及一种环形均匀气流供粉装置。
背景技术：
热等离子体纳米材料制备方法得到了广泛的应用，这是因为通过气体放电所产生的电弧等离子体及其射流，气体温度高达几千度、甚至上万度，几乎能够熔融所有物质，而且可以比较方便地控制气体放电的环境氛围（如在无氧条件下放电等）。另外，采用热等离子体方法，不仅能够制备单质纳米材料，而且能够制备合金型纳米材料。热等离子体制备单质纳米材料具有所需设备简单、操作方便、产率高、适用范围广等特点，目前已成功用于制备单质金属纳米粉末、氮化物、氧化物、碳化物粉末等；但用其进行合金型纳米颗粒的制备，需要考虑合金材料的成分控制方法等问题。
采用热等离子体进行纳米颗粒的合成，既可以在气体放电区内进行，也可以在气体放电后形成的高温等离子体射流区内进行。直流电弧等离子体法是一种在惰性气氛或反应性气氛下通过电弧放电使气体电离产生高温等离子体，从而等离子体增强的气氛中发生物理或化学变化产生气相沉积的材料制备方法。采用直流电弧等离子体法进行纳米材料的合成，往往在等离子体反应器内通入所需的各种气体（如H2、H2-Ar、H2-H2O、H2-H2O-Ar、N2、NH3、C2H4等），即可在气体放电后形成金属或各类化合物的纳米材料。
在热等离子体合成纳米材料粉的工艺中，传统的做法是采用单一载气管路注入颗粒状的原料，从反应器前部侧向喷入高温区。由于反应器通道中流速高，停留时间短，而颗粒蒸发需要比较长的时间或较长的反应器通道，原料颗粒在这种等离子体反应器中不容易完全蒸发。
发明内容：
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种环形均匀气流供粉装置，以助于原料的熔融并改善纳米颗粒合成的环境，提高纳米颗粒的质量。
本发明提出的一种环形均匀气流供粉装置，包括等离子体发生器、淬冷气体输送管、原料喷射环、淬冷室、收集室和冷却水管。
等离子体发生器嵌在原料喷射环的环形栅栏框的中空凹口内，原料喷射环通过螺栓与淬冷室连接。
原料喷射环包括外环、切向入口、环形栅栏框和供粉混合腔，原料喷射环的外环为圆环形结构，外环上均匀设置有切向入口，外环的中心具有中空的环形栅栏框，供粉混合腔为环形栅栏框的栅栏与原料喷射环外环的内壁之间的空腔，使入射材料粉末在各个方向均匀分布。
收集室包括收集室上端和收集室下端，收集室上端的顶部通过螺纹与淬冷室联接，底部开口；收集室下端圆盘的中间设有淬冷气体输送管，与等离子体发生器对向共轴布置，淬冷气体通过淬冷气体输送管送管进入淬冷室；淬冷室和收集室上端外壁设有冷却水管道。
本发明的优点在于：
1）本发明的环形供粉装置是通过4个切向进气口进入供粉混合腔，然后供粉经过环形的栅栏加速进入等离子体射流，这样能够保证各个方向均匀供粉。。
2）本发明提出一种环形均匀气流供粉装置，其淬冷气体输送管的冷气入口管出口与等离子体发生器的出口之间的距离可以调节，因等离子体发生器的功率大小而定，通常该距离为20~60cm，以调整滞止面的位置位于淬冷室的中间位置为佳，延长原料颗粒在等离子体中的停留时间。
3）本发明提出一种环形均匀气流供粉装置，淬冷气体输送管的冷气和等离子体射流流量均可以调节从而达到调整反应气体局部温度及浓度的作用。
4）本发明提出一种环形均匀气流供粉装置，其环形栅栏框将原料颗粒注入高温等离子体射流，使原料的分布更加均匀，熔化蒸发更加充分，从而得到质量更高的纳米粉材料。
附图说明：
图1：本发明提出的一种环形均匀气流供粉装置结构示意图；
图2：本发明提出的一种环形均匀气流供粉装置中原料喷射环的截面图。
图中：
1-等离子体发生器 2-原料喷射环 3-淬冷室
4-收集室 5-淬冷气体输送管 6-冷却水管
101-冷却水入口 102-冷却水出口 301-外环
302-切向入口 303-环形栅栏框 304-供粉混合腔
401-收集室上端 402-收集室下端
403-环形挡板
具体实施方式：
下面将结合附图对本发明进行详细说明。
本发明提出的一种环形均匀气流供粉装置，如图1所示，包括等离子体发生器1、淬冷气体输送管5、原料喷射环2、淬冷室3、收集室4和冷却水管6。
等离子体发生器1上设有冷却水入口101和冷却水出口102，冷却水通过等离子体发生器1的冷却水入口101进入，从冷却水出口102流出，冷却水流过等离子体发生器1，确保了其温度在一定范围内。等离子体发生器1嵌在原料喷射环2的环形栅栏框303的中空凹口内。原料喷射环2通过螺栓与淬冷室3连接。
如图2所示，原料喷射环2包括外环301、切向入口302、环形栅栏框303和供粉混合腔304。原料喷射环2的外环301为圆环形结构，外环301上均匀设置有2～4个切向入口302，切向入口302与法向成45度夹角。原料通过切向入口302进入淬冷室3，切向入口302的作用是使得原材料具有切向速度，相对于径向入口302，可以更好的保证供粉混合腔304内的原材料均匀分布。在外环301的中心具有中空的环形栅栏框303，其中环形栅栏框303的中空的内径为圆环宽度的1/3～2/3。环形栅栏框303是由四周具有多个向外辐射状均匀间隙分布的16个以上矩形栅栏组成的，每个矩形栅栏的径向长度约为圆环宽度的1/3，矩形栅栏的宽度为环形栅栏框303的内径的1/30，同时原材料在环形栅栏框303的矩形栅栏的空隙流动的过程中会因通道截面的收缩而加速，这有利于原材料射入等离子体射流的中心，从而改善制备效果，供粉混合腔304为环形栅栏框303的矩形栅栏与原料喷射环2的外环301的内壁之间的空腔，作用是使入射材料粉末有足够的时间在各个方向均匀分布。
收集室4包括收集室上端401和收集室下端402，收集室上端401的顶部通过螺纹与淬冷室3联接，底部开口；收集室下端402为带环形挡板403的圆盘，环形挡板403的半径比收集室上端401的半径小1-5毫米，高度约为收集室上端401内壁高度的60%-80%，从而使环形挡板403与收集室上端401的内壁之间有一定的空隙，便于工作气体排出、避免制备的纳米粉流到收集室4外面。所述的收集室下端402能够卸下。收集室下端402圆盘的中间设有淬冷气体输送管5，与等离子体发生器1对向共轴布置，淬冷气体通过淬冷气体输送管5进入淬冷室3。
淬冷气体输送管5出口与等离子体发生器1的出口之间的距离可以调节，以调整滞止面的位置，延长原料颗粒在等离子体中的停留时间。所述的淬冷气体输送管5的淬冷气体与等离子体发生器1的等离子体射流流量根据需要进行调节。
在淬冷室3中，原料与等离子体射流发生融化、蒸发，夹带原料的等离子体射流与淬冷气体接触形成滞止面，在滞止面上蒸汽冷凝成核、继而长大，得到超细的纳米粉，纳米粉落入下方收集室下端402的环形挡板403内。
淬冷室3和收集室上端401外壁设有冷却水管6，通过水冷保证收集室4和淬冷室3温度不至于过高。
操作过程：
将等离子体发生器1的冷却水入口101，淬冷室3、收集室4外的冷却水管6通入冷却水，然后打开等离子体发生器1并通过淬冷气体输送管5通入淬冷气体，流量稳定后打开等离子体发生器1，待正常工作后，将原料通过原料喷射环2注入射流，即开始纳米颗粒的制备。
Claims (6)
1.一种环形均匀气流供粉装置，其特征在于：包括等离子体发生器、淬冷气体输送管、原料喷射环、淬冷室、收集室和冷却水管；
等离子体发生器嵌在原料喷射环的环形栅栏框的中空凹口内，原料喷射环通过螺栓与淬冷室连接；
原料喷射环包括外环、切向入口、环形栅栏框和供粉混合腔，原料喷射环的外环为圆环形结构，外环上均匀设置有切向入口，外环的中心具有中空的环形栅栏框，供粉混合腔为环形栅栏框的栅栏与原料喷射环外环的内壁之间的空腔，使入射材料粉末在各个方向均匀分布；所述的环形栅栏框的中空的内径为圆环宽度的1/3～2/3，环形栅栏框由四周具有多个向外辐射状均匀间隙分布的16个以上矩形栅栏组成，每个矩形栅栏的径向长度为圆环宽度的1/3，矩形栅栏的宽度为环形栅栏框的内径的1/30；
收集室包括收集室上端和收集室下端，所述收集室上端的顶部通过螺纹与淬冷室联接，收集室上端的底部开口；收集室下端圆盘的中间设有淬冷气体输送管，与等离子体发生器对向共轴布置，淬冷气体通过淬冷气体输送管进入淬冷室；淬冷室和收集室上端外壁设有冷却水管道；所述的收集室下端为带环形挡板的圆盘，环形挡板的半径比收集室上端的半径小1-5毫米，高度约为收集室上端内壁高度的60%-80%。
2.根据权利要求1所述的一种环形均匀气流供粉装置，其特征在于：所述的等离子体发生器上设有冷却水入口和冷却水出口，冷却水通过等离子体发生器的冷却水入口进入，从冷却水出口流出。
3.根据权利要求1所述的一种环形均匀气流供粉装置，其特征在于：所述的切向入口的个数为2-4个，入口方向与法向成45度夹角。
4.根据权利要求1所述的一种环形均匀气流供粉装置，其特征在于：所述的淬冷气体输送管出口与等离子体发生器的出口之间的距离可以调节，以调整滞止面的位置，延长原料颗粒在等离子体中的停留时间。
5.根据权利要求1所述的一种环形均匀气流供粉装置，其特征在于：所述的淬冷气体输送管的淬冷气体与等离子体发生器的等离子体射流流量根据需要进行调节。
6.根据权利要求1所述的一种环形均匀气流供粉装置，其特征在于：所述的收集室下端能够卸下。
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