CN104016316A - 一种氮化铝粉连续制备方法及其设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氮化铝粉的制备方法及设备，特别是一种氮化铝粉连续制备方法及其设备，该方法的工艺步骤为：原料的混合、碳热还原、反应后物料的收集。生产氮化铝粉的连续生产设备，包括转底式环形石墨电阻炉和加热装置，在转底式环形石墨电阻炉的环形封闭炉体内安装有料舟，其特征在于转底式环形石墨电阻炉的环形封闭炉体分为还原氮化区和除碳区，在还原氮化区和除碳区之间的环形封闭炉体上安装有料仓和吸入式集料器，在还原氮化区和除碳区的环形封闭炉体上安装有氮气进口和空气进口。本发明的技术方案采用环形、分区连续生产工艺及设备，可有效降低生产成本和时间，生产出的氮化铝粉产品的质量可有效保证。

Description

一种氮化铝粉连续制备方法及其设备

所属技术领域

本发明涉及一种氮化铝粉的制备方法及设备，特别是一种氮化铝粉连续制备方法及其设备。

背景技术

氮化铝陶瓷（AIN陶瓷）由于高热导、低热膨胀系数以及高强度、高耐蚀性、绝缘、低电容率等优良的综合性能，已成为电子元件理想的封装和基板材料，应用前景十分广阔。氮化铝陶瓷的其它应用还包括制作切割刀具、微波基片、混合电源开关基片、加热槽、激光偶极子、加热散头、聚合物和玻璃的添加剂等。此外，氮化铝陶瓷具有优越的抗熔融金属侵蚀能力，是熔铸纯铁、铝和铝合金的理想坩埚材料。高纯高密的氮化铝陶瓷可以是透明的，在光电技术领域有广泛的应用。

但是，要制备出综合性能优良的AlN陶瓷，关键之一就是要合成出高纯度、细粒度、粒度分布窄、性能稳定的AlN陶瓷粉末。作为原料，氮化铝粉末的纯度、粒度、氧含量及其他杂质含量对氮化铝陶瓷的烧结、成形工艺，以及导热率和其他性能有重要的影响。

AlN陶瓷粉体的合成方法很多，目前采用最多的主要与有：铝粉直接氮化法、碳热还原法、化学气相沉积法、溶胶一凝胶法、自蔓延高温合成法和等离子化学合成法。其中用于工业生产的主要有直接氮化法、碳热还原法和气相反应法。每种氮化铝的制备方法都有自身的优点和缺点，相比较而言，碳热还原法由于产品纯度高，成形与烧结性能好，工艺简单，便于控制等优点而占有优势。目前，国际市场上70％以上的A1N陶瓷粉采用此法生产。碳热还原法具有原料来源广、价格低、工艺过程简单，合成粉末在纯度、粒度以及稳定性等方面占较大优势的优点，但是碳热还原法的反应温度高，反应时间长，在整个制备过程中，原料成本低于30%，而能耗（含气耗）成本要高于70%，此外，大多数碳热还原化法由于装料的不连续性，存在生产周期长、能耗大、效率低、工艺繁琐、成本高等缺点。

发明内容

本发明的目的是解决现有碳热还原法生产氮化铝粉末的缺陷，提供一种连续加料、连续反应的一种氮化铝粉连续制备方法及其设备。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种氮化铝粉连续制备方法，该方法的工艺步骤为：

1）原料的混合：将氧化铝与炭黑按质量比2:0.8—1.2进行配比，装入干式球磨机中混合磨料12—20小时后，筛选后备用；

2) 碳热还原：将上述筛选好的原料加入转底式环形石墨电阻炉的料仓中；在开始给料舟加料前，给转底式环形石墨电阻炉的还原氮化区进行送电升温，当还原氮化区的温度升至1300℃以上时，安装在转底式环形石墨电阻炉的料舟开始移动，炉底的旋转速度为0.001-0.01 r/min，当料舟到达料仓上的给料装置后，对料舟进行加料，同时打开氮气阀向还原氮化区通入氮气，并给转底式环形石墨电阻炉的除碳区送电加热，当第一个料舟进入除碳区时，除碳区的温度应达600℃以上，并打开空气阀向除碳区通入空气；

3）当第一个料舟到达吸入式集料器的吸料口处，由吸入式集料器将料舟中反应后的物料吸入集料箱中，即为成品氮化铝粉。

上述筛选是将干式球磨机中磨好的物料进行筛选，使物料的粒度在3-15μm；在混合磨料的过程中加入氮化铝晶种，同时保持混合磨料的气氛为氮气保护下进行。

上述料舟中料的厚度在4—5㎜。

在上述氧化铝和炭黑组成的原料中加入总重量0—3.5%的氧化钇或氧化钙或其任意比例的混合物，氧化钇,和氧化钙的D50为0.9-1.7μm，重量百分比含量为99.9%以上。

上述氧化铝为球形γ-Al₂O₃，球形γ-Al₂O₃的粒度小于0.8μm，或比表面积大于等于10.7m²/g，炭黑的粒度小于15μm，或比表面积大于等于10m²/g，上述物料的重量百分比含量均为99.9%以上。

上述还原氮化反应区的工作温度为1600-1800℃，除炭区的工作温度为600-650℃，上述成品氮化铝粉的粒度分布在0.4-10μm。

生产氮化铝粉的连续生产设备，包括转底式环形石墨电阻炉和加热装置，在转底式环形石墨电阻炉的环形封闭炉体内的环形轨道上安装有料舟，料舟通过动力装置带动在环形轨道上移动，其特征在于转底式环形石墨电阻炉的环形封闭炉体分为还原氮化区和除碳区，在还原氮化区和除碳区之间的环形封闭炉体上安装有料仓和吸入式集料器，料仓的出料口上安装有振动或螺旋给料装置，振动或螺旋给料装置和吸入式集料器与环形封闭炉体气密相连，振动或螺旋给料装置的出料口与料舟相对应，在还原氮化区和除碳区的环形封闭炉体上安装有氮气进口和空气进口。

在上述振动或螺旋给料装置的出料口前端设有刮料板。

在上述环形封闭炉体内设有垂直挡板。

在上述环形封闭炉体中的还原氮化区的圆弧夹角大于等于180°，除碳区的圆弧夹角小于等于90°，且还原氮化区与除碳区相邻。

本发明的技术方案具有以下优点：一是在现有直线推板窑的基础上进行了改进，将直线推板窑改为环形封闭炉体，首先环形封闭炉体具有占地面积小，其次料舟一次安装后就可连续使用，且无需将料舟与物料一同取出，延长了料舟的寿命；二是将环形封闭炉体设计为还原氮化区和除碳区，根据反应需要在不同区域设计了不同的工作温度和反应气氛，使反应温度由现在的1800℃以上，降低为1600-1800℃，高温反应时间可缩短2小时以上。在整个制备过程中，能耗（含气耗）成本要小于55%；三、由于采用碳热还原法制备氮化铝粉末时，铝源和碳源的选择对氮化铝粉产品的质量影响非常大，本发明首先采用干式球磨机进行磨料，并通过筛选保证物料的粒度在3-15μm；其次选择球形γ-Al₂O₃作为铝源的上，同时对炭黑的粒度也进行了限定，这样从原料上进行了严格的限定，保证了成品氮化铝粉的粒度分布均匀；四、采用振动或螺旋给料装置，同时采用刮料板对料舟内的物料厚度进行限制，保证了料舟内物料的均匀和厚度的一致性，有利于反应的进行。

综上所述，本发明的技术方案采用环形、分区连续生产工艺及设备，可有效降低生产成本和时间，生产出的氮化铝粉产品的质量可有效保证。

附图说明

附图1为本发明设备的结构示意图；

附图2为本发明设备的A-A剖视图；

附图3为本发明设备中环形封闭炉体的局部展开示意图。

具体实施方式

实施例1：

如图1、2、3所示的生产氮化铝粉的连续生产设备，在转底式环形石墨电阻炉的环形封闭炉体1的炉底10上内安装有加热装置和环形轨道9，在环形轨道上安装有料舟2，料舟通过动力装置8带动在环形轨道上移动。在转底式环形石墨电阻炉的环形封闭炉体中分为还原氮化区Ⅰ和除碳区Ⅱ，还原氮化区的圆弧夹角大于等于180°，除碳区的圆弧夹角小于等于90°，在还原氮化区和除碳区之间的环形封闭炉体上安装有料仓4和吸入式集料器5，料仓的出料口上安装有振动或螺旋给料装置，振动或螺旋给料装置和吸入式集料器与环形封闭炉体气密相连，振动或螺旋给料装置的出料口与料舟相对应，在振动或螺旋给料装置的出料口前端设有刮料板，在还原氮化区和除碳区的环形封闭炉体上安装有氮气进口7和空气进口6，为保证还原氮化区和除碳区内的氮气和空气均匀充满整个反应区，在环形封闭炉体内设有垂直挡板11。

利用上述生产氮化铝粉的连续生产设备制备氮化铝粉的方法，该方法的工艺步骤为：

1）原料的混合：将球形γ氧化铝与炭黑按质量比2:1进行配比，装入干式球磨机中混合磨料12小时后，筛选出粒度小于15μm的物料备用；其中，混合磨料中的球形γ-Al₂O₃的粒度小于0.8μm，或比表面积大于等于10.7m²/g，炭黑的粒度小于15μm，或比表面积大于等于10m²/g，氧化铝和炭黑的纯度为99.9%。

2) 碳热还原：将上述筛选好的原料加入转底式环形石墨电阻炉的料仓中；在开始给料舟加料前，给转底式环形石墨电阻炉的还原氮化区进行送电升温，当还原氮化区的温度升至1300℃以上时，启动动力装置使安装在转底式环形石墨电阻炉内的料舟开始移动，炉底的旋转速度为0.0018r/min，也就是10小时左右就可使料舟完成一个生产周期。当第一个料舟到达安装在料仓出料口上的振动给料装置的出料口时，给第一个料舟中加料，并打开氮气阀通过氮气进口7向还原氮化区通入氮气。在振动给料装置的加料口前方，也就是料舟移动的方向，设有刮料板，根据工艺要求确定刮料板的高低，也就是料舟中原料的厚度，本实施例中料舟中原料的厚度在4㎜。料舟在还原氮化区内移动时，还原氮化区的工作温度控制在1600℃+5℃。

当第一个料舟进入除碳区时，保证除碳区的温度达600℃以上，同时当第一个料舟进入除碳区时，打开空气阀向除碳区通入空气；

3）当第一个料舟到达吸入式集料器的吸料口处，由吸入式集料器将料舟中反应后的物料吸入集料箱中，冷却后即为成品氮化铝粉。吸入式集料器采用现有的负压将料舟中的反应后的物料吸入集料器集中存放。

实施例2：

在实施例1的基础上，向混合磨料中加入氮化铝晶种，晶种的加入量为氧化铝和炭黑组成的原料总重量的1%左右，同时保持混合磨料的气氛为氮气保护下进行，其中氧化铝和炭黑的纯度为99.9%以上，其余技术参数不变。

实施例3：

根据用户对氮化铝粉的要求，在原料的混合步骤中加入氧化钇，氧化钇的加入量为氧化铝和炭黑组成的原料总重量的3.5%，加入氧化钇的纯度为99.9%，其余技术参数不变。

实施例4：

在实施例2的基础上，根据用户对氮化铝粉的要求，在原料的混合步骤中加入氧化钙，氧化钙的加入量为氧化铝和炭黑组成的原料总重量的1.5%，加入氧化铝的纯度为99.9%，其余技术参数不变。

实施例4：

在实施例1的基础上，根据用户对氮化铝粉的要求，在原料的混合步骤中加入氧化钇和氧化钙的混合物，其中氧化钇和氧化钙的加入量分别为氧化铝和炭黑组成的原料总重量的1.5%。

实施例5—8：

在实施例1的基础上，改变如下技术参数。

在上述实施例中，整个生产过程是连续进行的，料舟是均布在环形轨道上。第一个料舟是指首次生产过程中，第一个加料和进入还原氮化区和除碳区的料舟。

通过上述工艺生产出的成品氮化铝粉的粒度分布在0.4-9μm范围，其中各物质的质量含量为N：32%-34%、O₂＜0.9%、Fe＜10ppm、Si＜40ppm、Ca＜150ppm、C＜200ppm。

Claims (10)

1. 一种氮化铝粉连续制备方法，该方法的工艺步骤为：

1）原料的混合：将氧化铝与炭黑按质量比2:0.8—1.2进行配比，装入干式球磨机中混合磨料12—20小时后，筛选后备用；

2) 碳热还原：将上述筛选好的原料加入转底式环形石墨电阻炉的料仓中；在开始给料舟加料前，给转底式环形石墨电阻炉的还原氮化区进行送电升温，当还原氮化区的温度升至1300℃以上时，安装在转底式环形石墨电阻炉的料舟开始移动，炉底的旋转速度为0.001-0.01 r/min，当料舟到达料仓上的给料装置后，对料舟进行加料，同时打开氮气阀向还原氮化区通入氮气，并给转底式环形石墨电阻炉的除碳区送电加热，当第一个料舟进入除碳区时，除碳区的温度应达600℃以上，并打开空气阀向除碳区通入空气；

3）当第一个料舟到达吸入式集料器的吸料口处，由吸入式集料器将料舟中反应后的物料吸入集料箱中，即为成品氮化铝粉。

2. 根据权利要求1所述的一种氮化铝粉连续制备方法，其特征在于上述筛选是将干式球磨机中磨好的物料进行筛选，使物料的粒度在3-15μm；在混合磨料的过程中加入氮化铝晶种，同时保持混合磨料的气氛为氮气保护下进行。

3. 根据权利要求2所述的一种氮化铝粉连续制备方法，其特征在于上述料舟中料的厚度在4—5㎜。

4. 根据权利要求3所述的一种氮化铝粉连续制备方法，其特征在于在上述氧化铝和炭黑组成的原料中加入总重量0—3.5%的氧化钇或氧化钙或其任意比例的混合物，氧化钇,和氧化钙的D50为0.9-1.7μm，重量百分比含量为99.9%以上。

5. 根据权利要求4所述的一种氮化铝粉连续制备方法，其特征在于上述氧化铝为球形γ-Al₂O₃，球形γ-Al₂O₃的粒度小于0.8μm，或比表面积大于等于10.7m²/g，炭黑的粒度小于15μm，或比表面积大于等于10m²/g，上述物料的重量百分比含量均为99.9%以上。

6. 根据权利要求5所述的一种氮化铝粉连续制备方法，其特征在于上述还原氮化反应区的工作温度为1600-1800℃，除炭区的工作温度为600-650℃，上述成品氮化铝粉的粒度分布在0.4-10μm。

7. 生产氮化铝粉的连续生产设备，包括转底式环形石墨电阻炉和加热装置，在转底式环形石墨电阻炉的环形封闭炉体内的环形轨道上安装有料舟，料舟通过动力装置带动在环形轨道上移动，其特征在于转底式环形石墨电阻炉的环形封闭炉体（1）分为还原氮化区（Ⅰ）和除碳区（Ⅱ），在还原氮化区和除碳区之间的环形封闭炉体上安装有料仓（4）和吸入式集料器（5），料仓的出料口上安装有振动或螺旋给料装置，振动或螺旋给料装置和吸入式集料器与环形封闭炉体气密相连，振动或螺旋给料装置的出料口与料舟（2）相对应，在还原氮化区和除碳区的环形封闭炉体上安装有氮气进口（7）和空气进口（6）。

8. 根据权利要求7所述的生产氮化铝粉的连续生产设备，其特征在于在上述振动或螺旋给料装置的出料口前端设有刮料板。

9. 根据权利要求8所述的生产氮化铝粉的连续生产设备，其特征在于在上述环形封闭炉体（1）内设有垂直挡板（11）。

10. 根据权利要求9所述的生产氮化铝粉的连续生产设备，其特征在于在上述环形封闭炉体（1）中的还原氮化区的圆弧夹角大于等于180°，除碳区的圆弧夹角小于等于90°，且还原氮化区与除碳区相邻。