CN103611942B - 高压熔炼雾化氮淬装置及其生产钐铁氮合金粉末的方法 - Google Patents

Abstract

一种高压熔炼雾化氮淬装置及其生产钐铁氮合金粉末的方法，该装置包括高压控制系统，母合金熔炼系统和雾化氮淬系统，高压控制系统主要由高压炉体、压力控制装置、抽真空装置组成，母合金熔炼系统主要由坩埚、红外测温装置、感应加热装置组成；用高压熔炼雾化氮淬装置生产钐铁氮合金粉末的方法，包括高压熔炼、雾化成滴、高压氮淬、粉末收集步骤。本发明的装置结构简单科学，所生产的粉末氮含量高，粉末凝固质量好，熔炼雾化和氮淬在同一容器内完成，快速方便。

Description

高压熔炼雾化氮淬装置及其生产钐铁氮合金粉末的方法

技术领域

本发明属于高压粉末冶金的应用领域，具体地说是一种在高压条件下高压熔炼雾化氮淬装置及制造钐铁氮合金粉末的方法，特别适用于制造钐铁氮永磁材料所需的钐铁氮合金粉末。

背景技术

稀土永磁材料已有三代产品，当前，稀土类永磁体绝大部分为NdFeB，而SmFeN系材料的性能已证明超过了NdFeB系材料。钐铁氮是一种性能优异的永磁材料，1990年，爱尔兰的J. M. D. Coey等在实验中发现R₂Fe₁₇化合物在300℃以上通过气-固相反应，不可逆地吸收大量N₂形成新的一族金属间化合物R₂Fe₁₇Nx。SmFeN系化合物自问世以来，因其具有居里温度、磁晶各向异性场高，热稳定性、抗氧化性和耐腐蚀性能好，磁性能与NdFeB系稀土永磁相当等优点，而成为下一代稀土永磁材料最具有实力的竞争者。

但钐铁氮材料在生产工艺方面，尤其是氮化工艺方面，仍存在较多问题。目前按照制粉过程的不同，Sm₂Fe₁₇Nx磁体的制备方法大致可以分为四种：熔体快淬法、机械合金化、HDDR法和还原扩散法。

Katter等人利用熔体快淬法(Rapidly Quenched，RQ)首先熔炼SmFe母合金,然后快速冷却制备SmFe薄带，破碎与球磨成粉体后进行氮化处理，制备出Sm₂Fe₁₇Nx化合物粉末。大松泽亮等人采用超急冷法，首先采用急冷辊（辊面速15~45m/s）制出SmFe合金薄带，然后粉碎成粒度小于300μm的粉末，在Ar气中处理，处理温度为993~1053K，时间10min，最后在723K进行氮化处理。研究表明，用快淬法制备的SmFeN化合物粉末的磁性能对结构十分敏感，快淬合金薄带的晶体结构除与其成分有关外，还与快淬速度、晶化温度等密切相关。快淬法制备的Sm₂Fe₁₇Nx化合物在粉末固体下渗氮处理，其氮化程度一般不均一。

机械合金化法(Machanical Alloying，MA)+两步热处理是制作微晶永磁粉末的有效方法。L. Schultz等用高能球磨机将金属Sm和Fe球磨(机械合金化)，形成纳米级的母体材料，然后进行真空退火，母合金晶化为Sm₂Fe₁₇相，最后在氮气气氛中进行氮化处理，将氮原子引入晶格间隙，形成Sm₂Fe₁₇Nx磁粉。机械合金化法不需要大型的设备，是一种简单的磁粉制造方法，但由于长时间的球磨，机械合金化法极易造成粉末氧化，从而降低磁粉的磁性能，再加上周期长、能耗大等缺点，限制其在生产中的推广应用。

HDDR法即氢化-歧化-脱氢-再化合工艺(Hydrogenation- Disproportionation- Desorption- Recombination，HDDR法)，它是利用吸氢导致Sm₂Fe₁₇合金歧化，再经过脱氢产生再化合过程使母相合金晶粒细化，最后对细化的粉末经过氮化处理，从而提高Sm₂Fe₁₇Nx的磁性能。日本TDK公司将SmFe母合金经较少阶段的粉碎工序，用毫米级(非μm级)粗粉先于250℃下吸H₂，然后在0.1MPa N₂气中进行氮化处理，升温至500℃放出H₂。HDDR工艺由于具有设备简单，均匀性好，含氧量低，但是由于该过程涉及的反应众多，生产过程复杂。

还原扩散法(Reduction and Diffusion，R/D)采用Sm₂O₃、Fe和金属Ca粉末作为原料，在热处理过程中，通过Ca脱氧还原出金属Sm，由于Sm的活性高随即同Fe发生扩散化合反应形成Sm₂Fe₁₇相，然后氮化制备出Sm₂Fe₁₇Nx磁粉，该工艺用Sm的氧化物作为原料降低了生产成本。但是采用该方法制备过程中，Ca的氢氧化物通过水洗除去，一方面容易引起Sm₂Fe₁₇Nx合金的氧化腐蚀，另一方面含Ca杂质难以清除干净，这些都恶化了Sm₂Fe₁₇Nx的合金产品性能，所以至今并没有推广开来。

如上所述，至今无论哪种方法，其氮化处理均是在制成SmFe合金粉之后。Sm₂Fe₁₇合金的氮化处理，是一种化学热处理方法，即将Sm₂Fe₁₇合金放在含N的化学介质（通常为N₂或NH₃）中，使其与介质相互作用，吸收其中的N原子，并通过加热使N原子由表面向内部扩散的过程。简单地说，就是氮气（或氨气）的分解-吸收过程。氮只能以氮原子的形式才可被Sm₂Fe₁₇化合物吸收，并扩散到其内部。

总之，现有钐铁氮永磁材料工艺流程较长且复杂，反应速度慢，设备复杂，生产成本较高，使得钐铁氮永磁材料的冶炼与生产发展受到限制。固体渗氮法制备SmFeN合金粉末，时常出现SmFe合金氮化不均匀彻底，造成合金粉末磁性能不稳定。如何能够在液态母合金的基础上快速氮化，同时又得到合适粒度的合金粉末，是目前各种方法共同面临的问题。

发明内容

本发明针对现有技术的诸多不足，一是提供一种结构紧凑、制造成本低的高压熔炼雾化氮淬装置，二是提供一种用高压熔炼雾化氮淬装置生产钐铁氮合金粉末的方法，该方法实现了钐铁氮合金粉末快速雾化和氮淬，有效控制钐铁氮合金粉末中氮含量和氮分布，实现快速低成本的生产钐铁氮合金粉末。

实现上述目的采用以下技术方案：

一种高压熔炼雾化氮淬装置，该装置包括高压控制系统，母合金熔炼系统和雾化氮淬系统，所述的高压控制系统主要由高压炉体、压力控制装置、抽真空装置组成，高压炉体的外壳上安装有压力控制装置，高压炉体分位上下两个室，上部为高压熔炼室，下部为雾化氮淬室，中间用隔板隔断；抽真空装置由管路组成，管路分别与高压熔炼室、雾化氮淬室相通；

母合金熔炼系统主要由坩埚、红外测温装置、感应加热装置组成；坩埚固定于高压熔炼室内，感应加热装置位于坩埚外部，红外测温装置安装在高压炉体的炉盖上；

雾化氮淬系统主要由气体喷射装置、雾化粉末收集装置组成，气体喷射装置主体为气体喷腔，置于雾化氮淬室内，雾粉收集装置位于雾化氮淬室下方，其底部设有泄粉口。

进一步，所述高压控制系统的压力控制装置由高压调节阀、安全阀组成。

进一步，所述的高压控制系统的高压熔炼室炉壳外装有控制熔炼室内氮气的充入和放出的熔炼室高压调节阀和保障熔炼室压力超标时自动泄压的熔炼室安全阀。

进一步，所述高压控制系统的雾化氮淬室炉壳外装有控制雾化室内氮气充入和放出的雾化室高压调节阀和保障雾化室压力超标时自动泄压的雾化室安全阀。

进一步，所述母合金熔炼系统的坩埚上部为圆柱形，下部为倒圆锥形，锥形尖端装有导流管，坩埚内设有塞棒，坩埚外部缠绕有构成母合金熔炼系统的感应加热装置的中频感应水冷线圈。

进一步，所述的气体喷腔的炉壳外装有控制气体喷腔内氮气的充入和放出的喷腔高压调节阀，喷腔的喷嘴为环缝拉瓦尔管式，置于雾化氮淬室内。

一种用权利要求1所述装置生产钐铁氮合金粉末的方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

a、高压熔炼：将合金原料称量配置后放入坩埚内，盖好高压炉体炉盖；打开抽真空装置，将炉体内抽至真空状态，然后关闭抽真空装置阀门；打开熔炼室高压调节阀，通入氮气，使熔炼室为高压氮气氛；同时将感应加热装置通电，升温熔化合金，同时开启雾化氮淬室的高压调节阀，通入氮气，调节上下室压差；调节塞棒高度，使氮气从坩埚底部进入，控制底吹氮气的流量，按要求进行高压底吹熔炼；

b、雾化成滴：母合金熔炼合格后，打开喷腔高压调节阀，通入氮气，从气体喷嘴处喷出高压气体射流；调节上下室压差，使合金液由导流管下流，在出口处与高压气体射流相遇，在气流的冲击下，熔融液态合金被撕碎成微小液滴；

c、高压氮淬：雾化的液滴在周围高压高速流动的氮气作用下，粉末冷却并完成渗氮，使钐铁氮合金的成分均匀化；

d、粉末收集：合金粉末在雾化室下落汇集于下部雾粉收集装置的卸料口处，合金液全部雾化氮淬后，打开阀门收集粉末。

进一步，高压熔炼时，在0.2MPa~1.5MPa高压条件下底吹氮气熔炼，由塞棒控制底吹流量。

进一步，雾化成滴时，通过调节喷嘴尺寸结构和气体压力参数（2.0MPa~12.0MPa），控制雾化的液滴尺寸和有效渗氮量。

进一步，高压氮淬时，通过控制氮淬冷却速度，控制粉末的颗粒尺寸、有效渗氮量及晶体结构和凝固组织。

与现有技术相比，本发明的显著效果在于：

1）粉末氮含量高。高压提供了优越的热力学条件，高压雾化条件使钐铁氮合金中氮含量达到较高水平；

2）粉末凝固质量好。生产的钐铁氮合金粉末氮分布均匀，高压条件下凝固钐铁氮合金中的氮不易逸出；

3）熔炼雾化和氮淬在同一容器内完成，快速方便。使用新型熔炼雾化氮淬装置，既可通过感应加热进行熔炼增氮，又可通过高压雾化同时氮淬制出粉末，装置调节方便、快捷，有利于钐铁氮合金粉末高效生产。

因此，本发明不仅可在高压雾化氮淬条件下生产钐铁氮合金粉末，并且粉末中氮含量高且均匀，粉末质量好。

附图说明

图1为高压熔炼雾化氮淬装置的结构示意图。

图中，熔炼室安全阀1，塞棒2，红外测温仪3，熔炼室压力表4，熔炼室高压调节阀5，坩埚6，合金液7，隔板8，喷腔高压调节阀9，雾化室高压调节阀10，泄粉口11，雾化粉末12，导流管13，喷嘴14，雾化室高压调节阀15，雾化室压力表16，气体喷腔17，抽真空装置18，感应加热系统19，熔炼室顶盖20。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明做进一步的描述。

本发明公开了一种高压熔炼雾化氮淬装置以及用该装置生产钐铁氮合金粉末的方法，高压熔炼雾化氮淬装置的结构见图1，由高压控制系统、母合金熔炼系统、雾化氮淬系统组成。高压系统由高压炉体，高压炉体外壳由钢板围焊而成，高压炉体分上下两个室，上部为高压熔炼室，下部为雾化氮淬室，中间由隔板8隔断，隔板为钢质。高压炉体外壳上装配有熔炼室压力表4和雾化室压力表16，可实现炉内压力表征。在熔炼室炉壳外装有熔炼室高压调节阀5，其作用是控制熔炼室内氮气的充入和放出。熔炼室炉壳上装有安全阀1，其作用是保障熔炼室压力超标时自动泄压。在雾化室炉壳外装有雾化室高压调节阀10，其作用是可控制雾化室内氮气的充入和放出，并且在雾化室炉壳外装有雾化室安全阀15，可保障雾化室压力超标时自动泄压。气体喷腔17的炉壳外装有喷腔高压调节阀9，可控制气体喷腔内氮气的充入和放出。抽真空装置18可在实验前将上下两个室抽至真空状态。

母合金熔炼系统的坩埚6固定于熔炼室内，上部为圆柱形，下部为倒圆锥形，锥形尖端装有导流管13，可熔炼盛装高温母合金液，坩埚6内设有塞棒2，通过可调高度的机械装置安装在炉盖上，可控制熔炼时底吹气体的流入量和雾化时导流管液体的流出量。红外测温装置3安装在高压炉体的炉盖20上，可测量熔炼室内母合金的温度。感应加热装置19采用中频感应水冷线圈缠绕于坩埚6外部，由炉外的电气系统控制母合金的升温熔炼。

雾化氮淬系统的气体喷射装置主体为高压气体喷腔17，置于雾化氮淬室内，可盛装喷射用高压氮气，喷嘴14为环缝拉瓦尔管式，可产生超音速射流，焦点聚集于流出的合金液柱轴心，可破碎合金液产生雾化液滴。雾粉收集装置位于雾化氮淬室下方，其底部设有泄粉口11。

具体实施例：

实施例1

适用于生产钐铁氮合金粉末的高压熔炼雾化氮淬装置：本实施例的高压熔炼雾化氮淬装置的主炉体上部高压熔炼室高400mm，内径300mm，壁厚10mm；下部雾化氮淬室高500mm，内径300mm，壁厚10mm，底部倒锥部分高150mm。炉体外壳上配有压力表，最大量程为6MPa。母合金熔炼系统的坩埚6固定于熔炼室内，上部为圆柱形，直径100mm，高60mm，下部为倒圆锥形，直径100mm，高40mm；锥形尖端装有导流管13，内径5mm，壁厚8mm，外套保温棉；坩埚6内设有塞棒2，长150mm，直径10mm，材质为锆碳质，头部与导流孔紧密配合，通过可调高度的机械装置安装在炉盖上。红外测温仪3安装在炉盖上，最高温度可测2000℃。感应加热装置19，采用中频感应水冷线圈缠绕于坩埚6外部，坩埚6外衬为MgO质捣打料，由炉外的电气系统控制母合金的升温熔炼，最大功率50kW。雾化氮淬系统的气体喷射装置主体为气体喷腔17，喷嘴14为环缝拉瓦尔管式，焦点聚集于流出的合金液柱。气体喷腔炉壳外装有高压调节阀，最高压力12.0MPa，可控制气体喷腔内氮气的射流速度。雾粉收集装置位于雾化氮淬室下方，其底部设有泄粉口11。

生产钐铁氮合金粉末的方法：

 a、高压熔炼：将合金原料称量配置后放入坩埚6内，盖好炉盖。打开抽真空装置18，将炉体内抽至真空度达到0.1Pa，然后关闭抽真空装置18的阀门。打开熔炼室高压调节阀5，通入氮气，使熔炼室压力达到0.5MPa。同时将感应加热装置19的感应线圈通电，升温至1560℃，熔化合金，同时开启雾化室高压调节阀16，通入氮气至下室压力为0.55MPa。调节塞棒2高度，使氮气从坩埚6底部进入，控制底吹氮气的流量，进行高压底吹熔炼。

b、雾化成滴：母合金熔炼合格后，打开喷腔高压调节阀9，通入氮气，从气体喷嘴14处喷出高压气体射流，可通过调节气体喷嘴14的尺寸结构和气体压力等参数，控制雾化的液滴尺寸和有效渗氮量。调节上下室压差，调节上室压力至7.0MPa，使合金液由导流管13下流，在出口处与高压气体射流相遇，在气流的冲击下，熔融液态合金被撕碎成微小液滴。

c、高压氮淬：雾化的液滴在周围高压高速流动的氮气作用下，可通过控制氮淬冷却速度，控制粉末的颗粒尺寸、有效渗氮量及晶体结构和凝固组织，实现粉末可控速度冷却并完成渗氮，SmFeN合金粉末氮含量达到1.0%以上，尺寸为30μm~200μm。雾化的液滴在周围高压高速流动的氮气作用下，粉末冷却并完成渗氮，使钐铁氮合金的成分均匀化；

d、粉末收集：合金粉末在雾化室下落汇集于下部卸料口处，合金液全部雾化氮淬后，打开阀门收集雾化粉末12。

实施例2

适用于生产钐铁氮合金粉末的高压熔炼雾化氮淬装置：本实施例的高压熔炼雾化氮淬装置的主炉体上部高压熔炼室高800mm，内径600mm，壁厚10mm；下部雾化氮淬室高1000mm，内径600mm，壁厚10mm，底部倒锥部分高300mm。炉体外壳上配有压力表，最大量程为6MPa。母合金熔炼系统的坩埚6固定于熔炼室内，上部为圆柱形，直径200mm，高120mm，下部为倒圆锥形，直径200mm，高80mm；锥形尖端装有导流管13，内径5mm，壁厚8mm，外套保温棉；坩埚6内设有塞棒2，长300mm，直径15mm，材质为锆碳质，头部与导流孔紧密配合，通过可调高度的机械装置安装在炉盖上。红外测温仪3安装在炉盖上，最高温度可测2000℃。感应加热装置19采用中频感应水冷线圈缠绕于坩埚6外部，坩埚6外衬为MgO质捣打料，由炉外的电气系统控制母合金的升温熔炼，最大功率80kW。雾化氮淬系统的气体喷射装置主体为气体喷腔17，喷嘴14为环缝拉瓦尔管式，焦点聚集于流出的合金液柱。气体喷腔炉壳外装有喷腔高压调节阀9，最高压力12.0MPa，可控制气体喷腔17内氮气的射流速度。

生产钐铁氮合金粉末的方法：将合金原料称量配置后放入坩埚6内，盖好炉盖。打开抽真空装置18，将炉子抽至真空度达到0.1Pa，然后关闭真空装置阀门。打开熔炼室高压调节阀，通入氮气，使熔炼室压力达到1.0MPa。同时将感应加热装置19的感应线圈通电，升温至1600℃，熔化合金，同时开启雾化室高压调节阀10，通入氮气至下室压力为1.05MPa。调节塞棒2高度，使氮气从坩埚6底部进入，控制底吹氮气的流量，进行高压底吹熔炼。母合金熔炼合格后，打开喷腔高压调节阀10，通入氮气，从气体喷嘴14处喷出高压气体射流。可通过调节气体喷嘴14的尺寸结构和气体压力等参数，控制雾化的液滴尺寸和有效渗氮量。调节上室压力至9.0MPa，使合金液由导流管13下流，在出口处与高压气体射流相遇，在气流的冲击下，熔融液态合金被撕碎成微小液滴。雾化的液滴在周围高压高速流动的氮气作用下，可通过控制氮淬冷却速度，控制粉末的颗粒尺寸、有效渗氮量及晶体结构和凝固组织，实现粉末可控速度冷却并完成渗氮，SmFeN合金粉末氮含量达到1.0%以上，尺寸为30μm~200μm。合金粉末在雾化室下落汇集于下部泄粉口11处，合金液全部雾化氮淬后，打开阀门收集粉末。

上述实施例仅表达了本发明的一种实施方式，但并不能因此而理解为对本发明范围的限制。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种高压熔炼雾化氮淬装置，其特征在于，该装置包括高压控制系统，母合金熔炼系统和雾化氮淬系统，所述的高压控制系统主要由高压炉体、压力控制装置、抽真空装置组成，

高压炉体的外壳上安装有压力控制装置，高压炉体分 为上下两个室，上部为高压熔炼室，下部为雾化氮淬室，中间用隔板隔断；抽真空装置由管路组成，管路分别与高压熔炼室、雾化氮淬室相通；

母合金熔炼系统主要由坩埚、红外测温装置、感应加热装置组成；坩埚固定于高压熔炼室内，感应加热装置位于坩埚外部，红外测温装置安装在高压炉体的炉盖上；

雾化氮淬系统主要由气体喷射装置、雾化粉末收集装置组成，气体喷射装置主体为气体喷腔，置于雾化氮淬室内，雾粉收集装置位于雾化氮淬室下方，其底部设有泄粉口;

所述高压控制系统的雾化氮淬室炉壳外装有控制雾化室内氮气充入和放出的雾化室高压调节阀和保障雾化室压力超标时自动泄压的雾化室安全阀。

2.根据权利要求1所述的高压熔炼雾化氮淬装置，其特征在于，所述高压控制系统的压力控制装置由高压调节阀、安全阀组成。

3.根据权利要求1所述的高压熔炼雾化氮淬装置，其特征在于，所述的高压控制系统的高压熔炼室炉壳外装有控制熔炼室内氮气的充入和放出的熔炼室高压调节阀和保障熔炼室压力超标时自动泄压的熔炼室安全阀。

4.根据权利要求1所述的高压熔炼雾化氮淬装置，其特征在于，所述母合金熔炼系统的坩埚上部为圆柱形，下部为倒圆锥形，锥形尖端装有导流管，坩埚内设有塞棒，坩埚外部缠绕有构成母合金熔炼系统的感应加热装置的中频感应水冷线圈。

5.根据权利要求1所述的高压熔炼雾化氮淬装置，其特征在于，所述的气体喷腔的炉壳外装有控制气体喷腔内氮气的充入和放出的喷腔高压调节阀，喷腔的喷嘴为环缝拉瓦尔管式，置于雾化氮淬室内。

6.一种用高压熔炼雾化氮淬装置生产钐铁氮合金粉末的方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

a、高压熔炼：将合金原料称量配置后放入坩埚内，盖好高压炉体炉盖；打开抽真空装置，将炉体内抽至真空状态，然后关闭抽真空装置阀门；打开熔炼室高压调节阀，通入氮气，使熔炼室为高压氮气氛；同时将感应加热装置通电，升温熔化合金，同时开启雾化氮淬室的高压调节阀，通入氮气，调节上下室压差；调节塞棒高度，使氮气从坩埚底部进入，控制底吹氮气的流量，按要求进行高压底吹熔炼；

b、雾化成滴：母合金熔炼合格后，打开喷腔高压调节阀，通入氮气，从气体喷嘴处喷出高压气体射流；调节上下室压差，使合金液由导流管下流，在出口处与高压气体射流相遇，在气流的冲击下，熔融液态合金被撕碎成微小液滴；

c、高压氮淬：雾化的液滴在周围高压高速流动的氮气作用下，粉末冷却并完成渗氮，使钐铁氮合金的成分均匀化；

d、粉末收集：合金粉末在雾化室下落汇集于下部雾粉收集装置的泄粉口处，合金液全部雾化氮淬后，打开阀门收集粉末。

7.根据权利要求6所述的用高压熔炼雾化氮淬装置生产钐铁氮合金粉末的方法，其特征在于，高压熔炼时，在0.2MPa~1.5MPa高压条件下底吹氮气熔炼，由塞棒控制底吹流量。

8.根据权利要求6所述用高压熔炼雾化氮淬装置生产钐铁氮合金粉末的方法，其特征在于，雾化成滴时，通过调节喷嘴尺寸结构和气体压力参数，控制雾化的液滴尺寸和有效渗氮量。

9.根据权利要求6所述的用高压熔炼雾化氮淬装置生产钐铁氮合金粉末的方法，其特征在于，高压氮淬时，通过控制氮淬冷却速度，控制粉末的颗粒尺寸、有效渗氮量及晶体结构和凝固组织。