CN103033044B - 连续高温碳化炉及连续生产粗颗粒碳化物粉末的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种生产粗颗粒碳化物粉末的连续碳化炉及方法，该炉为隧道型、舟皿推进式，由炉头、低温脱氧区、高温碳化区、炉尾依序构成；低温脱氧区的炉管材质为耐热钢或陶瓷，利用电热元件加热，保温材料为无机非金属耐火材料，其温度单独控制，低于高温碳化区的工作温度，送入还原性气体H₂作为工作介质；高温碳化区的炉管内输入非氧化性气体作为保护气体。保护气体的流向依次为炉尾—高温碳化区—低温脱氧区—炉头；生产方法包括：配料、混合，装舟、送舟，低温脱氧，高温碳化，出炉，得到粗颗粒碳化物粉末；本发明既可以保证所生产的碳化物粉末的碳含量符合要求，也可以防止炉内的炉管、发热体、保温体等碳/石墨材料被损耗而缩短使用寿命。

Description

连续高温碳化炉及连续生产粗颗粒碳化物粉末的方法

技术领域

 本发明属于难熔金属及超硬材料技术领域，涉及一种粗颗粒碳化物粉末的连续碳化设备及相应的生产方法。

背景技术

碳化物粉末的生产方法一般是先将金属粉末与炭黑按一定的比例混合，然后将金属粉末和炭黑的混合物用石墨舟皿盛装后、放入碳化设备中，在一定温度下进行碳化处理。根据碳化设备不同，可将碳化物粉末的生产方法分为间歇式和连续式两种。间歇式生产采用的设备一般是立式中频碳化炉，装盛金属粉末和炭黑混合物的石墨舟皿分炉次装入炉中，一炉次的装料量较大，炉温可以达到2000℃以上，可以用于粗颗粒碳化物粉末的生产，但是炉内上下左右不同部位的温度相差较大，造成同一炉次生产的物料性能不一致，另外，需要升温和降温，能耗较大。连续式生产是将装料舟皿以一定的速度逐个从炉头的进料口推入炉管，进入炉管内的舟皿一个挨一个逐渐被推移到炉尾，最后从炉尾的出料口推出。从能源节约的角度来看，连续式生产比间歇式生产更节能。连续式生产的设备主要有传统的碳管碳化炉、连续钼丝碳化炉以及连续高温碳化炉等等。传统的碳管碳化炉是直热式加热，发热体就是过装料舟皿的炉管，炉温可以达到2200℃左右，可以用于粗颗粒碳化物粉末的生产，但其加热不能分区控制，其轴向温度中部高两端低，高温区短且不均匀，并且炉管寿命短，更换麻烦；连续钼丝碳化炉是隧道型、舟皿推进式结构，采用钼丝加热，炉管和耐火保温材料的材质为氧化铝，可分区控制加热，有较长且均匀的高温区，产品的性能均匀性较好，缺点是工作温度在1650℃以下，不适用于粗颗粒碳化物粉末的生产；连续高温碳化炉是近几年推出来的碳化设备，专利CN 201413033 Y公布了这种碳化炉的结构特征，其结构类似于连续钼丝碳化炉，也是一种隧道型、舟皿推进式结构，其主体由炉头、高温碳化区、炉尾等三部分构成。连续高温碳化炉的高温碳化区的炉管处于中央横穿保温体和炉壳，炉管两端伸出炉壳后分别与炉头、炉尾相接，发热体分布在炉管外面的保温体里面，可以分多个区独立控制加热。由于这种设备高温部位的所有材料(如发热体、炉管、主要保温材料)以及装料舟皿等等都是采用碳/石墨材料，因此工作温度高于连续钼丝碳化炉，可以达到2000℃以上，比较适合于生产性能均匀性较好的粗颗粒碳化物粉末。

但是在正常工作状态下，装满粉末物料的舟皿由连续高温碳化炉炉头的进料口进入炉管并被逐渐推送到高温碳化区的过程中，舟皿中粉末物料从外面环境所带入（包括粉末颗粒表面吸附以及粉末颗粒之间的空隙中滞留）的 O₂以及H₂O、CO₂等气体分子逐渐被炉管内的保护性气体介质置换并释放出来，在高温下容易与碳/石墨发生下述反应：

C+O₂=CO₂                      （1）

C+CO₂=2CO                     （2）

C+H₂O=CO+H₂                    （3）

碳/石墨反应后生成CO而快速消耗，所消耗的这些碳/石墨有的来自于粉末中所配入的碳，有的来自于炉内的炉管、发热体、保温体等碳/石墨材料，其结果一方面是影响碳化物粉末的含碳量，另一方面是导致炉内的炉管、发热体、保温体等碳/石墨材料的使用寿命大大缩短，有时甚至1~2个月左右就要修炉，更换损耗的碳/石墨材料，设备维护成本增加，而频繁地修炉也影响生产。

发明内容

本发明针对现有连续高温碳化生产方法的不足，提出一种生产粗颗粒碳化物粉末的连续碳化炉的结构设计及相应的生产方法，既可以保证所生产的碳化物粉末的碳含量符合要求，也可以防止炉内的炉管、发热体、保温体等碳/石墨材料被损耗而缩短使用寿命。

本发明的连续高温碳化炉，为隧道型、舟皿推进式，主要由炉头、高温碳化区、炉尾依序构成，其特征在于：所述炉头、高温碳化区之间设置一个低温脱氧区；低温脱氧区的炉管分别通过第一法兰和第二法兰与炉头的炉管和高温碳化区的炉管连接；低温脱氧区的工作温度600℃~800℃。

低温脱氧区的炉管材质为耐热钢或陶瓷，利用电热元件加热，保温材料为无机非金属耐火材料。

作为改进，低温脱氧区的温度单独控制，其工作温度低于高温碳化区的工作温度，其温度单独控制便于工艺控制；低温脱氧区的炉管内送入还原性气体H₂作为工作介质，该气体入口位于低温脱氧区和高温碳化区之间。

高温碳化区的炉管内输入非氧化性气体作为保护气体。保护气体的流向依次为炉尾——高温碳化区——低温脱氧区——炉头。

利用本发明的连续高温碳化炉连续生产粗颗粒碳化物粉末的方法，依次包括：

(A)            配料、混合：将质量百分比为6.13%的炭黑与余量粗晶金属钨粉末混合均匀；

(B)            装舟、送舟：将混合粉末物料用石墨舟皿装盛，送入连续高温碳化炉的炉头的进料口，并按一定进舟速度推入炉管；

(C)低温脱氧：装载粉末物料的石墨舟皿被逐渐推送经过连续高温碳化炉的低温脱氧区，粉末物料从外面环境所带入的气体逐渐被炉管内的工作气体置换并释放出来，其中的O₂在低温脱氧区与还原性气体H₂反应生成H₂O并随同炉内气体从尾气出口排出；

(D)     高温碳化：装载粉末物料的石墨舟皿继续推进，在连续高温碳化炉的高温碳化区的炉管内、非氧化性气体保护下完成高温碳化；

(E) 出炉：装载粉末物料的石墨舟皿继续推进，从炉尾的出口推出，得到粗颗粒碳化物粉末。

低温脱氧区的温度升至600℃，从还原性气体入口送入2m³/h的还原性气体H₂；低温脱氧区的温度最高为800℃。

高温碳化区的温度升至2400℃，从保护性气体入口送入0.5m³/h的非氧化性气体Ar或N₂或H₂；高温碳化区的最高温度为2500℃。

所述进舟速度最好为每隔10分钟进1个料舟。

由于在连续高温碳化炉的高温碳化区前面设置一个低温脱氧区，盛装金属粉末和炭黑混合物的石墨舟皿经过低温脱氧区之后再进入高温碳化区，这样石墨舟皿中的粉末物料从外面环境所带入的气体（包括可消耗碳/石墨的O₂、H₂O、CO₂）逐渐被炉内的工作气体置换并释放出来，其中的O₂在低温脱氧区与还原性气体如H₂反应生成H₂O，所有这些气体随同炉内的工作气体介质一起流向炉头的尾气出口而排出炉外，防止O₂、H₂O、CO₂等进入高温碳化区，既可以保证所生产的碳化物粉末的碳含量符合要求，也可以防止炉内的炉管、发热体、保温体等碳/石墨材料被损耗而缩短使用寿命，延长了碳化炉的修炉周期。

附图说明

图1是本发明的连续高温碳化炉的剖面结构示意图；

图2是图1中低温脱氧区2的横剖面结构示意图（顺时针旋转90°）；

图3是利用本发明的连续高温碳化炉连续生产粗颗粒碳化物粉末的流程图。

其中：1——炉头，2——低温脱氧区，21——低温脱氧区的炉管，22——低温脱氧区的保温材料，23——电热元件，3——高温碳化区，31——高温碳化区石墨炉管，4——炉尾，5——石墨舟皿，6——尾气出口，7——低温脱氧区还原性气体入口，8——保护性气体入口，9——第一法兰，10——第二法兰，11——第三法兰。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明的粗颗粒碳化钨粉生产用连续高温碳化炉，及粗颗粒碳化物粉末的连续式生产方法作进一步的说明。

如图1和图2所示，本发明的粗颗粒碳化钨粉生产用连续高温碳化炉为隧道型、舟皿推进式，主要由炉头1、低温脱氧区2、高温碳化区3、炉尾4依序构成，低温脱氧区2位于炉头1、高温碳化区3之间。低温脱氧区的炉管21分别通过第一法兰9和第二法兰10与炉头1的炉管和高温碳化区的炉管31连接。

低温脱氧区2的炉管21材质为耐热钢或陶瓷，利用电热元件23加热，保温材料22为无机非金属耐火材料。低温脱氧区2的温度单独控制，工作温度低于高温碳化区3的工作温度，其温度单独控制便于工艺控制，其炉管21内送入还原性气体如H₂作为工作介质，该气体入口7位于低温脱氧区2和高温碳化区3之间。

高温碳化区3的炉管内输入非氧化性气体如Ar、N₂或H₂作为保护气体，保护气体的流向依次为炉尾4——高温碳化区3——低温脱氧区2——炉头1。

利用本发明的连续高温碳化炉连续生产粗颗粒碳化物粉末的方法，依次包括：配料、混合：将质量百分比为6.13%的炭黑与余量粗晶金属钨粉末混合均匀；装舟、送舟：将混合粉末物料用石墨舟皿装盛，送入连续高温碳化炉的炉头1的进料口，并按一定进舟速度推入炉管，进舟速度最好为每隔10分钟进1个料舟；低温脱氧：装载粉末物料的石墨舟皿被逐渐推送经过连续高温碳化炉的低温脱氧区2，粉末物料从外面环境所带入的气体逐渐被炉管内的工作气体置换并释放出来，其中的O₂在低温脱氧区2与还原性气体如H₂反应生成H₂O并随同炉内气体从尾气出口6排出；高温碳化：装载粉末物料的石墨舟皿继续推进，在连续高温碳化炉的高温碳化区3的炉管31内、非氧化性气体保护下完成高温碳化；出炉：装载粉末物料的石墨舟皿继续推进，从炉尾的出口推出，得到粗颗粒碳化物粉末。

低温脱氧区2的温度升至600℃，从还原性气体入口7送入2m³/h的还原性气体如H₂；低温脱氧区2的温度最高为800℃。

高温碳化区3的温度升至2400℃，从气体入口8送入0.5m³/h的非氧化性气体如Ar或N₂或H₂；高温碳化区3的最高温度为2500℃。

由于在连续高温碳化炉的高温碳化区3前面设置一个低温脱氧区2，盛装金属粉末和炭黑混合物的石墨舟皿经过低温脱氧区2之后再进入高温碳化区3，这样石墨舟皿中的粉末物料从外面环境所带入的气体（包括可消耗碳/石墨的O₂、H₂O、CO₂）逐渐被炉内的工作气体置换并释放出来，其中的O₂在低温脱氧区2与还原性气体如H₂反应生成H₂O，所有这些气体随同炉内的工作气体介质一起流向炉头的尾气出口6而排出炉外，这样就可以防止O₂、H₂O、CO₂等进入高温碳化区3，既可以保证所生产的碳化物粉末的碳含量符合要求，即所生产的粗颗粒碳化钨粉末的总碳为6.13%，游离碳为0.01%；也可以防止炉内的炉管、发热体、保温体等碳/石墨材料被损耗而缩短使用寿命，延长了碳化炉的修炉周期，使得高温碳化区3的炉管、发热体、保温体等碳/石墨材料的使用寿命达到10个月以上。

Claims (6)

1.一种连续高温碳化炉，为隧道型、舟皿推进式，主要由炉头（1）、高温碳化区（3）、炉尾（4）依序构成，其特征在于：所述炉头（1）、高温碳化区（3）之间设置一个低温脱氧区（2）；低温脱氧区的炉管（21）分别通过第一法兰（9）和第二法兰（10）与炉头（1）的炉管和高温碳化区的炉管（31）连接；所述低温脱氧区(2)的炉管（21）材质为耐热钢或陶瓷，利用电热元件（23）加热，保温材料（22）为无机非金属耐火材料；低温脱氧区（2）的温度升至600℃，从还原性气体入口（7）送入2m³/h的还原性气体H₂；低温脱氧区（2）的温度最高为800℃。

2.根据权利要求1所述的连续高温碳化炉，其特征在于：所述低温脱氧区（2）的温度单独控制，其工作温度低于高温碳化区（3）的工作温度；低温脱氧区的炉管（21）内送入还原性气体作为工作介质，该还原性气体入口（7）位于低温脱氧区（2）和高温碳化区（3）之间。

3.根据权利要求1所述的连续高温碳化炉，其特征在于：所述高温碳化区（3）的炉管内输入非氧化性气体作为保护气体；所述连续高温碳化炉内保护气体的流向依次为炉尾(4)——高温碳化区(3)——低温脱氧区(2)——炉头(1)。

4.利用权利要求1-3之一所述的连续高温碳化炉的连续生产粗颗粒碳化物粉末的方法，依次包括：

(A) 配料、混合：将质量百分比为6.13%的炭黑与余量粗晶金属钨粉末混合均匀；

(B) 装舟、送舟：将混合粉末物料用石墨舟皿装盛，送入连续高温碳化炉的炉头（1）的进料口，并按一定进舟速度推入炉管；

(C) 低温脱氧：装载粉末物料的石墨舟皿被逐渐推送经过连续高温碳化炉的低温脱氧区（2），粉末物料从外面环境所带入的气体逐渐被炉管内的工作气体置换并释放出来，其中的O₂在低温脱氧区（2）与还原性气体H₂反应生成H₂O并随同炉内气体从尾气出口（6）排出；

(D) 高温碳化：装载粉末物料的石墨舟皿继续推进，在连续高温碳化炉的高温碳化区（3）的炉管（31）内、非氧化性气体保护下完成高温碳化；

(E) 出炉：装载粉末物料的石墨舟皿继续推进，从炉尾的出口推出，得到粗颗粒碳化物粉末。

5.如权利要求4所述的粗颗粒碳化物粉末的连续式生产方法，其特征是：高温碳化区的温度升至2400℃，从保护性气体入口（8）送入0.5m³/h的非氧化性气体Ar或N₂或H₂；高温碳化区的最高温度为2500℃。

6.如权利要求4所述的粗颗粒碳化物粉末的连续式生产方法，其特征是：所述进舟速度为每隔10分钟进1个料舟。