CN106348308A - 高熔点金属粉、固体推进剂及其用硼粉制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开的高熔点金属粉制备工艺，通过空心钨阴极中心的负压区送粉，将非球形的高熔点金属颗粒原料送进封闭的、超高温、高纯、高速的惰性气体包围等离子火焰中心，高熔点金属颗粒原料经熔化、球化和急冷凝固三过程瞬间制成为高纯度、高密度、高球化率的球形高熔点金属粉，含高熔点金属质量含量≥99.99％，相对密度≥99.98％，球形度≥0.98，球化率高≥99％。本发明还公开了固体推进剂及其用硼粉制备工艺。采用本发明可瞬间将每个非球形高熔点金属颗粒转变成高纯度、高密度、高球形度的金属颗粒，经本发明生产的球形高熔点金属粉、硼粉的质量及综合性能均处在世界领先的位置。

Description

高熔点金属粉、固体推进剂及其用硼粉制备工艺

技术领域

本发明涉及一种高熔点金属粉的三高工艺，特别是涉及一种固体火箭燃料推进剂用三高的球形硼粉工艺。

背景技术

硼是一种用途很广的化学原料，在冶金建材机械电器，化工，核工业，医药，农业等几乎所有重要部门都有重要用途，市场上有明确用途的产品已超过300多种。

单质硼有两种形态，一是晶态硼，另一是无定形硼，前者化学活性较差。单质硼的熔点很高，约2076℃，沸点更高，约3927℃，单质硼即可为还原剂，又可为氧化剂、溴化剂。例如在高温下，单质硼可与N₂、O₂、S、H₂气体直接反应。特别是单质硼粉可在空气中剧烈燃烧放热，生成B₂O₃和少量BN。特别是赤热的硼粉可与水蒸汽进行强烈的还原反应，获得氢气(H₂)。上述两种化学反应，对化学能源的研究者来说是十分重要的，特别是近年来各国军事工业中的有关专家早有专门论述，即在固体火箭燃料推进剂中，完全可以用单质球形硼粉取代球形铝粉。因为不仅硼粉燃烧速度更快，而且更安全，特别是燃烧的尾焰不会像球形铝粉燃烧后形成的白色不易消散的AL₂O₃尾焰，会对火箭或导弹带来不易隐蔽的不利影响。

随着研究工作的深入，发现不是任何硼粉都能用来取代球形铝粉，而是从技术上提出了越来越多的苛刻的条件，如用在固体火箭推进剂中的硼粉须满足如下条件：

1.每个颗粒须都是致密的，无空洞或空心。

2.颗粒的平均粒径为d＝20um，或粒度组成可控。

3.球形颗粒的球形度(K)≥0.98，K＝球短径/球长径。

4.球形硼粉的球化率η≥98％，η＝球形颗粒数/100个颗粒数。

5.无粘接，团聚颗粒。

这些条件都是从固体火箭推进剂燃烧的特殊规律总结而提出的，如果球形硼粉达不到上述指标，就不能在固体火箭推进剂中应用。

目前在固体火箭推进剂中采用的是球形铝粉，因其熔点较低很容易生产。球形铝粉制造方法一般都采用中频炉氩气保护熔化铝液，高纯氩气雾化制成。但是这种方法对制备高纯球形硼粉来说是不可能的，其难点有三：

1、硼的熔点过高，很难用常规的加热融化设备获得硼的高温熔液。

2、在熔点高温下由于单质硼的活性太强，几乎能与任何金属材料，如陶瓷材料、石墨等坩埚材料产生剧烈化学反应，故难以获得高纯度的高温单质硼熔液。

3、单质硼粉特别是晶态单质硼粉的颗粒硬度、强度和韧性都非常高，很难使用机械球磨、振动球磨、高能搅拌球磨、气流磨等手段将其进一步破碎或球化，而且这些方法必然会带来大量的外来夹杂。

近20年的文献检索可知，虽有采用气流磨方法制成球形硼粉，但从球形硼粉的性能来说，不会是属于高纯度、高致密度、高球化率的三高产品，故三高性能的球形硼粉的制备技术，一直是粉末冶金工作者及航空、航天领域多年来一直希望解决的难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种能制备高密度、高纯度、高球化率的高熔点金属粉制备工艺。

本发明还提供一种能制备高密度、高纯度、高球化率的固体推进剂制备工艺

本发明还提供一种能制备高密度、高纯度、高球化率的固体推进剂用硼粉制备工艺。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

高熔点金属粉制备工艺，通过以下步骤实现：通过空心钨阴极中心的负压区送粉，将非球形的高熔点金属颗粒原料送进封闭的、超高温、高纯、高速的惰性气体包围等离子火焰中心，高熔点金属颗粒原料经熔化、球化和急冷凝固三过程瞬间制成为高纯度、高密度、高球化率的球形高熔点金属粉，含高熔点金属质量含量≥99.99％，相对密度≥99.98％，球形度≥0.98，球化率高≥99％。

所述惰性气体采用氩气。

采用空心钨阴极氩弧等离子火焰喷枪。

所述惰性气体的纯度≥99.99质量％。

所述超高温>6000℃。

非球形的所述高熔点金属颗粒原料选自硼粉、钨粉、钼粉、钽粉、铌粉或钛粉。

所述高熔点金属颗粒原料：高熔点金属含量≥99.98质量％，平均粒径≤20um。

固体推进剂制备工艺，通过以下步骤实现：

制备硼粉：通过空心钨阴极中心的负压区送粉，将非球形的硼颗粒原料送进封闭的、超高温、高纯、高速的惰性气体包围等离子火焰中心，硼颗粒原料经熔化、球化和急冷凝固三过程瞬间制成为高纯度、高密度、高球化率的球形硼粉，硼含量≥99.99质量％，相对密度≥99.98％，球形度≥0.98，球化率高≥99％；

制备固体推进剂：将所述球形硼粉采用现有工艺制备成固体推进剂。

固体推进剂用硼粉制备工艺，通过以下步骤实现：通过空心钨阴极中心的负压区送粉，将非球形的硼颗粒原料送进封闭的、超高温、高纯、高速的惰性气体包围等离子火焰中心，硼颗粒原料经熔化、球化和急冷凝固三过程瞬间制成为高纯度、高密度、高球化率的球形硼粉，硼含量≥99.99质量％，相对密度≥99.98％，球形度≥0.98，球化率高≥99％。

采用上述方案后，本发明具有以下有益效果：

1、在设备功能配置上满足了。经预真空排气，氩弧工作，气和真空罐内压力调控后即可保证氩弧连续工作的稳定性，进而使设备的总体工艺性能达到了；设备一旦点火后即可形成一端连续送入非球形硼粉，另一端可连续生产出球形硼粉的连续化，工业化，规模化生产。

2、利用空心钨阴极氩弧等离子火焰喷枪的特有功能，即通过空心钨阴极中心的负压区连续送粉，将非球形的高熔点金属颗粒原料送入到一个封闭的惰性气体包围的超高温等离子火焰中心，在极短时间内每个颗粒都经过快速熔化、球化、急冷凝固三过程，瞬间即可变成三高球形高熔点金属粉，高密度、高纯度、高球化率。

3、本发明生产的球形硼粉具有三个高指标特征，即纯度高，含硼质量≥99.99％，密度高，相对密度≥99.98％，球形度高，K≥0.98，球化率高，η≥99％。

4、本发明生产的球形硼粉无空心颗粒，无粘接颗粒，无夹杂颗粒，表面活性强。而且球形硼粉表面光滑，粒度组成可控可调。

5、本发明设计和使用的高真空高温硼粉球化设备是在不使用坩埚的情况下，温度≥6000℃，将硼粉颗粒悬浮在超高温高纯氩气火焰中心处，快速熔化的，故能保证100％的硼粉颗粒均匀受热熔化，而且避免了高温活性极强的硼液滴与周围物质的有害化学反应，故生产的球形硼粉化学纯度比机械球化法高很多。

6、本发明采用的空心钨阴极氩弧等离子火焰喷枪，其性能稳定，操作简单，生产效率高，生产成本低，适合于大规模连续化工业化生产。

7、不但可生产球形硼粉，同时可生产其他能被高温火焰快速熔化的各种粉末。如球形钨、钼、钽、铌、钛等粉末。9、本发明提供的设备在不增加任何其他设备的情况下只要改变原料即可生产出符合要求的球形硼粉。如用非球形钨粉、钼粉、钛粉、钽粉、铌粉可生产球形钨、钼、钛、钽、铌粉。

8、在此设备中同时可用来进行液相转变或固相的喷雾热转换生产过程，如用NiSO₄，CoSO₄，MnSO₄，LiSO₄的水溶液混合液，穿过高温火焰，可获得锂电池阳极氧化物纳米材料等。

附图说明

图1为本发明中采用的空心钨阴极超高温氩弧等离子火焰喷枪的结构示意图。

图中：

图1是本发明的新型结构的直流氩弧等离子粉喷枪示意图，

其中：1-1-1上盖螺母；1-1-2固紧螺母A(两件)；1-1-3水冷管；1-1-4阴极引电接线板；1-1-5固紧螺母B；1-1-6端面冷却室；1-1-7阴极水冷导管；1-1-8空心钨阴极；2-1-1固紧螺栓；2-1-20形密封圈A；2-1-3水套上法兰；2-1-4进出水管；2-1-5枪体水套外筒；2-1-6枪体水套内筒；2-1-7枪体水套下法兰；2-1-80形密封圈B；2-1-9氩气进气管；3-1-1阳极引电接线套；3-1-2阳极基座；3-1-3进水管、3-1-6出水管；3-1-4水冷铜阳极；3-1-5火焰内液滴喷射锥；4-1-1绝缘板；4-1-2绝缘隔离圈；4-1-30形密封圈C；4-1-40形密封圈D；5-1-1送粉器外管；5-1-2空心螺旋弹簧；5-1-3粉末料仓；5-1-4粉料拔钗；5-1-5辅助气调控阀；5-1-6调速电机。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

实施例一

本发明可采用申请号为201610248203.1，名称为一种直流氩弧等离子粉喷枪及制备方法的发明专利。采用这种空心钨阴极超高温氩弧等离子火焰喷枪，温度＞6000℃，它可以在不使用坩埚的情况下，将非球形硼粉颗粒连续不断的穿过高温火焰迅速熔化以获得熔液态的硼液滴，使硼能在高温下熔化，而且确保单质硼熔化液滴的高纯度。与此同时，还能从喷枪中心连续送粉。

一种直流氩弧等离子火焰粉喷枪，由水冷式空心钨阴极系统、枪体、组合阳极、火焰喷枪的绝缘部分、火焰喷枪的空心螺旋送粉器五部分组成，同时采用了水冷式空心钨阴极外表面环状电弧加热方法和穿过氩弧心部的轴向即火焰内轴向送粉机构两项新技术，在设计中将阴-阳极靠近的曲面间隙采用拉瓦尔管形射流通道设计，在轴向送粉机构设计中利用了电弧的负压区和送粉机构的出料口最佳位置配合，使用本发明的粉喷枪，不仅提高了工作的稳定性和涂层质量稳定性，而且扩大了粉喷枪的技术应用领域。

水冷式空心钨阴极系统由上盖螺母、固紧螺母A、水冷管、阴极引电接线板、固紧螺母B、端面冷却室、阴极水冷导管、空心钨阴极构成。

其中阴极水冷导管是内部的水冷夹层和端面冷却室有水路相通，阴极水冷导管下部有内螺纹孔与空心钨阴极螺纹紧固，阴极水冷导管的心部沿轴线设有通孔与空心钨阴极的心部通孔贯通，此通孔是送粉器的工作空间；

上盖螺母用来固定送粉器的下导管；固紧螺母A用来联接并固紧阴极引电接线板；对称位置的两件水冷管与端面冷却室和阴极水冷导管相连；阴极引电接线板用以引入500～700A大电流直流电并作负极；固紧螺母B用来压紧端面冷却室上部的进出水管与绝缘板之间的漏气间隙；端面冷却室，用来降低阴极枪体工作室及绝缘板的工作温度。

枪体由固紧螺栓、O形密封圈A、水套上法兰、进出水管、枪体水套外筒、枪体水套内筒、枪体水套下法兰、O形密封圈B、氩气进气管构成.固紧螺栓是将枪体固定在绝缘板上，并通过压紧枪体密封O形圈A以保证工作氩气不外漏；O形密封圈B作用同上；固紧螺栓、水套上法兰、进出水管、枪体水套外筒、枪体水套内筒、枪体水套下法兰经组合焊接，形成完整的枪体水冷套；其功能主要是降低枪体内阴极，阳极以及各密封圈，绝缘板的温度以保证枪体能连续长时间工作。

组合阳极由阳极引电接线套、阳极基座、水冷进水管、水冷铜阳极、火焰内液滴喷射锥出水管、水冷出水管构成；阳极引电接线套为纯铜材料制的，用来联接并固定阳极外接线板，与阳极基座焊接或热压装联接；水冷进水管和出水管与水冷铜阳极通过焊接或管螺纹连接组成水冷喷嘴；阳极基座心部的水冷铜阳极上部设计有一段细牙管螺纹套筒，用来与枪体下法兰的螺纹联接固定，在管螺纹套筒的下段留有一定高度的直筒段，用来与枪体的O形密封圈形成径向可滑动式密封。

火焰喷枪的绝缘部分由绝缘板、绝缘隔离圈、O形密封圈C、O形密封圈D构成；绝缘板为聚碳酸脂或尼龙或聚四氟乙烯材质，用以将阴-阳极绝缘；O形密封圈C在阴极M30下段和进水管之间，O形密封圈D在出水管和绝缘板之间；O形密封圈C和O形密封圈D是为了保征阴极M30下段和进出水管1-1-3与绝缘板之间的间隙不漏气。

空心螺旋送粉器由送粉器外管、空心螺旋弹簧、粉末料仓、粉料拔钗、辅助气调控阀、调速电机构成；送粉器外管材质为不锈钢或塑料软管，空心螺旋弹簧是送粉的推进器，形状像一个被拉长的弹簧，内部为空心，整根弹簧十分柔软，可在任何弯曲状的管内自由旋转。明的新型结构的直流氩弧等离子粉喷枪示意图，其中钨阴极结构由棒状实体改为空心管状。送粉机构由火焰外送粉改为穿过氩弧心部(即钨阴极心部)的轴向送粉机构，这两处改进最大，也是本发明的创新之处。分述如下：

第①部分：水冷式空心钨阴极系统，其零部件及功能如下：

图1中：1-1-1为上盖螺母；1-1-2为固紧螺母A(两件)；1-1-3为水冷管；1-1-4为阴极引电接线板；1-1-5为固紧螺母B；1-1-6为端面冷却室；1-1-7为阴极水冷导管；1-1-8为空心钨阴极。

其中1-1-7阴极水冷导管是一个结构复杂的零件，其内部的水冷夹层和端面冷却室1-1-6有水路相通。阴极水冷导管1-1-7的材料是用3％(质量)(纳米级)W-Cu合金制成，其下部有内螺纹孔与空心钨阴极1-1-8螺纹紧固。阴极水冷导管1-1-7的心部(沿轴线)设有Φ4mm直径(长120mm)的通孔与空心钨阴极1-1-8的心部(沿轴线)Φ4mm(长60mm)通孔贯通，此通孔是送粉器的工作空间。这种结构设计在喷枪工作时，通过空心钨阴极1-1-8下方头部的外表面与水冷铜阳极3-1-4锥形口的内表面起弧，使工作Ar(氩)气穿过环状电弧区以获得氩弧等离子火焰，而金属粉末是从火焰心部穿过，不会干扰火焰的稳定性。

其中各部件的作用如下：

1-1-1上盖螺母，用来固定送粉器的下导管5-1-1；1-1-2固紧螺母A(两件)，用来联接并固紧阴极引电接线板1-1-4；1-1-3水冷管(对称位置两件)，用来向端面冷却室1-1-6和阴极水冷导管1-1-7供循环水；1-1-4阴极引电接线板，用以引入大电流(500～700A)直流电并作负极；1-1-5固紧螺母B用来压紧端面冷却室1-1-6上部的进出水管与绝缘板4-1-1之间(见4-1-3O型密封圈位置)的漏气间隙；1-1-6端面冷却室，用来降低阴极枪体工作室及绝缘板4-1-4的工作温度以保证喷枪能长时间工作。

1-1-7阴极水冷导管，其作用有三：1.降低空心钨阴极及枪体工作室温度。2.给空心钨阴极1-1-8输送大电流。3.其心部的管状通道即为送粉通道，兼有送粉及粉末降温作用。

1-1-8空心钨阴极，作用有三：1.通过空心钨阴极外表面与铜阳极环状放电(起弧、稳弧)使工作氩气穿过电弧后产生超高温(5000～6000℃)等离子体火焰。2.通过空心钨阴极1-1-8头部外形曲面与水冷铜阳极3-1-4锥形口内表面间隙的空间造型应形成拉瓦尔管形射流通道，从而使氩气流在压力一定的情况下，尽量提高喷射速度(达到1.2马赫)。3.空心钨阴极1-1-8沿轴线巾心处设有中心送粉通道与上部阴极水冷导管1-1-7贯通，并保证出粉口的位置处在火焰中心的负压送粉区。这样除能保证粉末不会反喷(反向运动)，又可保证粉末因靠近火焰而不会过早烧结。

第②部分：为枪体，其零件及功能如下：

2-1-1为固紧螺栓，其作用是将枪体固定在绝缘板4-1-1上，并通过压紧枪体密封O形圈A2-1-2以保证工作氩气不外漏；2-1-2为O形密封圈A(作用上述)；2-1-3为水套上法兰；2-1-4(两件)为进出水管；2-1-5为枪体水套外筒；2-1-6为枪体水套内筒；2-1-7为枪体水套下法兰。由上述六件，经组合焊接，可形成完整的枪体水冷套。其功能主要是降低枪体内阴极，阳极以及各密封圈，绝缘板的温度以保证枪体能连续长时间工作。特别应指出的是，下法兰2-1-7上，除在其外径上设计有细牙管螺纹与阳极基座3-1-2联接外，在其下端仍设计有(43.5mm)密封槽孔，并与O形密封圈2-1-8B配合以保证工作气体不外漏，同时还可保证，阴-阳极间的放电间隙可调；2-1-8为O形密封圈B(功能已上述)；2-1-9为氩气进气管，氩气进气管与2-1-5枪体水套外筒及2-1-6枪体水套内筒焊接密封联接，向电弧区提供稳定的气流，气体经过电弧区电离之后形成等离子气体由3-1-4水冷铜阳极喷嘴射出。

第③部分：为组合阳极，其零部件及功能如下：

3-1-1为纯铜材料制的阳极引电接线套，用来联接并固定阳极外接线板，与阳极基座3-1-2焊接(或热压装)联接，以保证大电流顺利通过交接面；3-1-2为阳极基座，主要用来输送强大的阳极电流给其心部的水冷铜阳极3-1-4，在其上部设计有一段细牙管螺纹套筒，用来与枪体下法兰2-1-7的螺纹联接固定，在管螺纹套筒的下段留有一定高度的直筒段，用来与枪体的O形密封圈B2-1-8形成径向可滑动式密封，这样又可保证在调整阴-阳极间隙时不会因枪体下法兰2-1-7与阳极基座3-1-2上下移动而漏气。

3-1-3和3-1-6为水冷进出水管，它与水冷铜阳极3-1-4通过焊接(或管螺纹连接)组成水冷喷嘴。其作用有三：1.是空心钨阴极放电产生超高温电弧以提供热源，将Ar气加热形成高温等离子气体；2.是将水冷铜阳极(特别是引弧区)工作时产生的大量热用水带走迅速冷却降温，以保证水冷铜阳极能连续起弧，稳定电弧持续工作；3.使阴-阳极之间靠近的曲面间隙即水冷铜阳极3-1-4锥形口内表面与空心钨阴极1-1-8头部外形曲面之间形成拉瓦尔(见空气动力学)管形射流通道，以提高氩气等离子体的喷射速度达到1.2马赫，同时造成空心钨阴极1-1-8中心通道(送粉通道)内的负压值，以利于送粉。

此处优选地说明：这种采用空心钨阴极外环起弧，中心送粉的设计思想是本发明的创新之处，是在充分研究了高温、高速的火焰气流特征后提出的，是研究者首次发现了阴-阳极之间靠近的曲面间隙。即空心钨阴极1-1-8头部外表面见图1与水冷铜阳板3-1-4锥形口内表面间的曲面间隙形成拉瓦尔管形射流曲面配合关系时，将会使空心钨阴极的中心孔道内可产生0.2～0.45kg/cm²的负压值，而且负压值的大小受中心孔出口位置H严重影响，本设计中H＝11～13mm。另发现在空心钨阴极内孔送粉或送气时，不会影响阴-阳极间的电弧的(电流-电压)稳定性，这一现象为进一步解决火焰内送粉的设计思想提供了便利条件。

第④部分：火焰喷枪的绝缘部分，其功能如下：

4-1-1为聚碳酸脂或尼龙或聚四氟乙烯材质的绝缘板，用以将阴-阳极绝缘；4-1-2为云母材质制成的绝缘隔离圈，作用同上；4-1-3为O形密封圈C；4-1-4为O形密封圈D，是为了保证阴极M30下段和进出水管1-1-3与绝缘板之间的间隙不漏气。

第⑤部分：火焰喷枪的空心螺旋送粉器，其零部件及功能如下：

5-1-1为送粉器外管，其材质可为不锈钢或塑料软管；5-1-2为空心螺旋弹簧，也就是送粉的推进器，其形状像一个被拉长的弹簧，内部为空心，整根弹簧十分柔软，可在任何弯曲状的管内自由旋转。本发明研究发现，将此空心弹簧放入到一个空管内(在空管内装有金属粉时)，当空心弹簧在空管内旋转时，由于弹簧的正螺旋推进作用，可将螺旋间的粉末向前推进，而且推进速度(dW)可按下式(1)计算：

dW＝·D²·h·d·v…(1)

dW-送粉速度(g/min)

K-系数(粉末粘滞系数)(可测定)

D-空管内径(cm)

h-弹簧丝之间的距离(cm)

d-粉末松装比重g/cm³)

v-弹簧转速(r/min)

当K＝1，D＝0.4cm，h＝0.3cm，d＝2.6g/cm3

v＝50r/min

dW＝0.7854×(0.4)2×0.3×2.6×50

＝4.9g/min

当v＝500r/min

dW＝49g/min

实施例二

一.如图1所示，直流氩弧等离子粉喷枪在这里也可称之为空心钨阴极超高温氩弧等离子火焰喷枪，下面以非球形的硼粉原料为例，具体说明其生产工艺。

1、送粉系统的功能主要是解决连续不断的将非球形硼粉送入粉喷枪的作用，具体工艺参数及相关设备如下：

系统由下列部件组成：

1-1.调速电源0-220V，500W；1-2.交直流两用调速电机，送粉用；1-3.料仓内拨钗；1-4.原料硼粉料仓；1-5.补助供气阀门；1-6.空心螺旋送粉器。

以上各部件的作用在先有专利中各有论述。

2.直流氩弧等离子粉喷枪系统(见图1)：其功能主要是使非球形硼粉穿过高温火焰迅速熔化成高纯度的硼液滴向下喷射成雾状，本系统组成如下：

2-1.直流电源0-70V，0-600A；2-2.(2-3)阳极(阴极)电流输送导线；2-4.喷枪水冷进出水阀；2-5.喷枪固定法兰盘；2-6.氩气调控阀门；2-7.空心钨阴极；2-8.水冷铜阳极；2-9.高温熔融雾状硼颗粒；2-10.氩气瓶。本系统各部件的作用及设计参数在先有专利中已有论述。

3.真空及真空测量系统(见图1)：此系统主要作用是防止硼的高温液滴和固相颗粒在高温时的氧化，溴化问题。此系统组成部件如下：

3-1.真空泵系统

3-1-1.旋片式机械泵；3-1-2.罗茨泵；3-1-3.真空球阀；3-1-4.扩散泵电磁阀；3-1-5.扩散泵；3-1-6.扩散泵加热炉。

3-2.真空测量系统

3-2-1.真空测量规管；3-2-2.真空度测量仪。

3-3.真空罐及收粉罐

3-3-1.真空罐大盖；3-3-2.真空罐侧壁水冷进出阀；3-3-3.真空罐斜锥；3-3-4.真空球阀；3-3-5.水冷收粉罐。

应说明的是，在设计真空罐高度时须留有足够高度，此处为1.8m，否则会影响球形硼粉液滴的自动收缩和冷却。另外大罐直径也不能过小，此处为1.5m，以免颗粒会粘接。

4.废气排气系统：主要功能是为了解决大罐内的氩气压力平衡问题，以免影响氩弧的工作稳定性，具体是通过管道球阀4-和低压真空 表4-6，将罐内压力维持到-0.01MPa。

废气排气系统的组成部件如下：

4-1.离心泵；4-2.布袋除尘器；4-3.旋风除尘器；4-4.管道球阀；4-5.排气管道；4-6.低压真空表。

5.摄录像监视系统：其作用是监视和记录生产情况。

二.设备操作过程及主要部件在操作程序中的使用顺序:

1.预真空操作：

(1)关阀：设备开启时，首先将管道球阀4-4(关闭)。辅助送气阀(1-5)(关)，扩散泵电磁阀(3-1-4)(关)，氩气供气阀门(2-6)(关)；

(2)给水开启，所有水冷进出水阀门即喷枪水冷进出水阀门2-4，真空罐侧壁水冷进出水阀门(3-3-2)；

(3)开机械泵开启→旋片式机械泵(3-3-1)开→罗茨泵(3-1-2)开，真空球阀(3-3-1)开；真空测量系统(3-2-1)(3-2-2)全部开启；

(4)当机械泵(3-1-1)罗茨泵(3-1-2)同时抽气约30分钟后，真空大罐内的空气基本被抽完，此时真空大罐内真空度可由真空测量系统(3-2-1)(3-2-2)测出。当真空度达到1x10-1Pa时，在(3-1-1)(3-1-2)不停机的情况下开扩散泵，加热炉(3-1-0)开启。加热30分钟后，将扩散泵电磁阀(3-1-4)开启，约10-15分钟后，真空大罐内的真空度(用真空测量系统测量)可达到1x10-2-1x10-3Pa。以上预真空操作完成。

2.喷枪点火顺序

(1)关闭真空系统：在喷枪点火前需要将下列所有真空系统部件关闭。即关闭机械泵(3-1-1)，罗茨泵(3-1-2)，真空球阀(3-1-3)，扩散泵电磁阀(3-1-4)，扩散泵加热炉(3-1-6)，真空测量系统(3-2-1) (3-2-2)。

(2)喷枪点火：打开直流电源柜(2-1)，并通过导线2-2，2-3向喷枪的阳极-阴极送电，调控电压电流65V，600A，同时开启氩气调控阀门(2-6)向喷枪内供应并调控工作氩气流量，完成喷枪点火工序。

(3)与此同时，打开废气排气系统，(即开启离心泵4-1，并用管道球阀4-4调控排气量)。(4)开启送粉系统将硼粉料仓1-4加满(注：在预真空工序前)。先开启调速电源(1-1)，使调速电机达到送粉量要求的转速，完成稳定送粉。

(5)开启摄录监视系统，即完成正常的高温球化喷粉过程。

3.正常喷粉及收粉工序

当非球形硼粉颗粒穿过6000℃高温氩弧等离子火焰后，每个硼粉颗粒迅速被熔化成小液滴。然后再向下飞行的过程中依靠液滴的表面张力迅速收缩成光滑的球形液滴。然后球形硼液滴迅速冷却凝固成光滑致密额球形硼颗粒，并最终落入大罐底部的水冷收粉罐3-3-5中。继续水冷当收粉罐装满后(约1-1.5小时)可以在喷枪不停止的情况下倒出球形硼粉后立即将水冷收粉罐再装回原处，以保证制备球形硼粉的过程正常进行。以上为高温球化设备的组成及操作过程全貌。

三、制备球形硼粉的工艺流程及说明

为了保证球形硼粉制备工艺和产品质量的稳定性，按以下工艺生产：

原料粉末检测→真空烘干→筛分粒度组成调控→高温球化→筛分粒度调控→检测→产品包装。

上述各工序说明如下：

1、原料粉末检测

由于非球形硼粉一般均采用镁或铝还原B₂O₃，先得到低纯度硼粉，然后分别用盐酸，氢氧化钠和氟化氢多次处理可得到纯度为99.6～99.9％的无定形细颗粒3～50um硼粉。这种硼粉即可作为原料硼粉。为了保证原料质量还需进行化学成分检测。重点要求含硼量须为≥99.8质量％。同时要进行粉末粒度及粒度组成检测，要求原始粒径为0～50um或250目，中位径≤20um。

2、真空烘干

原料非球形硼粉须经真空1x10^-2Pa，300～350℃，2小时处理。其目的是消除原始粉料中外来混入的油类或其他有机物夹杂。真空处理的粉末冷却到室温才能出炉，以避免硼粉氧化。

3、粒度筛分及粒度组成调控

为了控制球形硼粉的粒度和粒度组成，原料非球形硼粉先进行粒度分级，然后进行粒度组成调控。

非球形硼粉粒度分级处理是在大型工业用机械振动筛中进行。分级筛的网目数分别为250、320、400、500、620、800目。原料非球形硼粉经过分级处理后可获得下列六种粒度范围的粉末。即50～40um、40～30um、30～25um、25～20um、20～15um、＜15um，这些粉末可供非球形硼粉的粒度组成调控使用。

非球形硼粉的粒度组成调控标准按球形硼粉要求的粒度组成，或各种粒度与对应的质量百分数的数字系列指标而定。原则上是两者的粒度组成曲线基本相同，因为对每一个硼粉颗粒来说，经过高温熔化后，仅仅是将不规则的非球形颗粒熔化，收缩成标准的球形颗粒。也就是说，在高温熔化过程中每个颗粒都仅仅是进行了体积缩小过程，因此经过高温球化后的球形硼粉的粒度组成曲线必然与原料非球形硼粉基本相似。不同点只是相对应的最大和最小粒径均有差值(△d) 即为每个颗粒熔化前后的粒径差值，一般经高温球化后粒径变小。

当非球形硼粉的粒度组成曲线或数字系列与球形硼粉要求的曲线不同时，可根据具体情况，如某种力度范围的粉末多或少来决定增或减重。以此进行调整直到符合设定要求。

4、高温球化

将非球形原料硼粉加入到图1所示设备的粉料仓中，见图1，按照设备的操作程序开启设备，可连续不断地获得球形硼粉。

5、产品筛分及粒度组成调控

为了保证产品质量，首先对高温球化硼粉进行粒度组成测定，并根据测定结果进行粒度组成调配。最终要保证生产的球形硼粉达到用户要求的粒度组成或指标。

6、性能检测

检测目的为：(1)化学成分：硼含量≥99.9质量％，C＜0.02％，Si＜0.02％，S＜0.02％；(2)金相组织：a.颗粒内残留孔隙度％(体积)；b.空心颗粒数％(粒数)；c.颗粒内夹杂(有/无)；(3)球形度及球化率测定：要求在200倍10个视场下，以每个视场中颗粒随机统计(按表1)：

a、球形度K的定义式为

K＝D短/D长 (1)

式(1)中D短为最短直径，单位um；D长为最长直径，单位um。

b\球化率η的定义式为(2式)

η＝Z/100＝Z％ (2)

式(2)中Z为球形度为K值得到的颗粒数。

球化率η的定义的含义是，在每个视场中，球形度为K值或某一K值范围的颗粒数(Z)占100粒数的百分数(％)(粒数)。

由于每个视场中测得的球化率不尽相同，按规定要测10个视场再取平均值，故用户往往在合同中要求的指标为：球形度为某个K值或范围值时，10个视场的球化率平均值≥某一百分数，％

如合同中要求K≥0.98时的球化率η≥96％(粒数)，其含义是产品粉中，球形度K≥0.98的颗粒数须超过96％(粒数)才为合格。

7、产品包装

产品球形硼粉出厂时，须采用厚塑料袋真空包装，并注有危险、易燃品等相关标记。

实施例一

今按用户要求生产200kg球形硼粉。硼粉技术指标，主要有1、含硼量≥99.9％(质量)。2、产品球形度K≥0.98。球化率≥96％(粒数)。3、金相组织：无空心颗粒，无夹杂颗粒。

4、粒度组成为：

50～40um 5％

40～30um 18％

30～25um 48％

25～20um 11％

＜20um 18％

5、流动性无要求。

应按下列技术要求和工艺安排生产：

一、设备检查及预处理设备

制备球形硼粉时，若采用本发明设计制造的专用设备将会很容易完成合同要求。在设备开启前，需检查各系统完好状态，并要求各系统保证有正常的水电气供应，然后按设备操作规程开机点火，并通过监视器确认氩弧的稳定状态后即可进入高温球化的生产过程。

1、原料准备：称取非球形原料硼粉205kg，按照工艺流程1.2.3各工序要求严格处理：即首先进行1.原料粉末检测：硼含量≥99.8％(质量)；原始粒度≤50um，中位径≈20um。

2、真空烘干：将原料粉放入真空炉中在300～350℃，1x10^-2Pa的真空度下烘干2小时，冷却到室温后出炉备用。3.粒度分级及粒度调控：先用分级筛，网目数分别为250、320、400、500、620、800目，将原料非球形硼粉按要求进行粒度组成调配。调配好粒度组成的混合粉再放入40升V型合批机中1小时合批处理，出料后可直接装入到喷枪的料仓(见图1.1-4)中进行高温球化。

二、高温球化

1、开启送粉系统，并使送分量达到设定要求dw(g/min)＝60g/min；

2、开启监视系统，监控氩弧工作的稳定情况，并随时调整喷枪的电压，电流参数。保证高温球化火焰稳定。

3、开启废气排气系统，即打开离心泵(见图1中4-1)和管道球阀(4-6)，并通过管道球阀和真空负压表4-6来调控真空罐内的平衡负压值。维持在-500Pa，以保证高温球化过程顺利进行。

4、打开收粉罐上部的真空球阀(见图1中3-3-4)。随时用手触摸水冷收粉罐(见图1中3-3-4)温度低于25℃在高温球化30分钟后，将真空球阀3-3-4关闭，然后将水冷收粉罐3-3-5取下，检查罐内的球化粉质量，随后开罐装好以便继续生产。直至完成全部的高温球化工作。

三、产品粉分级及粒度组成调控

高温球化后的粉末进行粒度组成测定，然后将结果与用户要求比较，确定出某种粒度范围的粉重应增减的数量，并进行增减处理，然后经40升V型合批机合批后成为产品粉转检测包装。

四、产品粉检测

球形硼粉出厂前需进行下列四项检测：

1、化学成分：硼含量≥99.9％(质量)。

2、产品球形度K≥0.98，球化率≥96％(粒数)。

3、金相组织：产品粉1g与5g环氧树脂粉，经混合热压样磨样x300倍下定量检查空心颗粒数及孔隙或含杂质颗粒数。

4、用筛分发或沉降发测定产品粉末的粒度组成数据，若有差别时应按要求进行调配，及V型合批机进行合批后才能出厂。

5、粉末流动性测定。

五、产品包装：基本包装应采用厚塑料袋真空包装，并注有明显易燃，危险，标记。

上述实施例和附图并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (9)

1.高熔点金属粉制备工艺，其特征在于，通过以下步骤实现：通过空心钨阴极中心的负压区送粉，将非球形的高熔点金属颗粒原料送进封闭的、超高温、高纯、高速的惰性气体包围等离子火焰中心，高熔点金属颗粒原料经熔化、球化和急冷凝固三过程瞬间制成为高纯度、高密度、高球化率的球形高熔点金属粉，含高熔点金属质量含量≥99.99％，相对密度≥99.98％，球形度≥0.98，球化率高≥99％。

2.如权利要求1所述的高熔点金属粉制备工艺，其特征在于，所述惰性气体采用氩气。

3.如权利要求1所述的高熔点金属粉制备工艺，其特征在于，采用空心钨阴极氩弧等离子火焰喷枪。

4.如权利要求1所述的高熔点金属粉制备工艺，其特征在于，所述惰性气体的纯度≥99.99质量％。

5.如权利要求1所述的高熔点金属粉制备工艺，其特征在于，所述超高温>6000℃。

6.如权利要求1所述的高熔点金属粉制备工艺，其特征在于，非球形的所述高熔点金属颗粒原料选自硼粉、钨粉、钼粉、钽粉、铌粉或钛粉。

7.如权利要求1所述的高熔点金属粉制备工艺，其特征在于，所述高熔点金属颗粒原料：高熔点金属含量≥99.98质量％，平均粒径≤20um。

8.固体推进剂制备工艺，其特征在于，通过以下步骤实现：

制备硼粉：通过空心钨阴极中心的负压区送粉，将非球形的硼颗粒原料送进封闭的、超高温、高纯、高速的惰性气体包围等离子火焰中心，硼颗粒原料经熔化、球化和急冷凝固三过程瞬间制成为高纯度、高密度、高球化率的球形硼粉，硼含量≥99.99质量％，相对密度≥99.98％，球形度≥0.98，球化率高≥99％；

制备固体推进剂：将所述球形硼粉采用现有工艺制备成固体推进剂。

9.固体推进剂用硼粉制备工艺，其特征在于，通过以下步骤实现：通过空心钨阴极中心的负压区送粉，将非球形的硼颗粒原料送进封闭的、超高温、高纯、高速的惰性气体包围等离子火焰中心，硼颗粒原料经熔化、球化和急冷凝固三过程瞬间制成为高纯度、高密度、高球化率的球形硼粉，硼含量≥99.99质量％，相对密度≥99.98％，球形度≥0.98，球化率高≥99％。