CN106495159A - 连续式自蔓延反应合成装置及其合成方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续式自蔓延反应合成装置，包括控制装置以及依次连接的进料装置、反应炉和灰渣贮存冷却装置，其中，进料装置包括驱动装置、与驱动装置的输出轴固定连接的螺杆以及与反应炉连通且套设于螺杆外的机筒，机筒上设有用于进料的料斗；反应炉包括炉体外壳、碳化硅炉管以及用于加热碳化硅炉管的加热装置；灰渣贮存冷却装置包括与反应炉连通的筒体、安装于筒体内的灰渣搅拌器以及与灰渣搅拌器连接的搅拌电机，该筒体上设有用于通入氩气的进气口、用于排出废气的出气口以及灰渣出料口；驱动装置、加热装置和搅拌电机均与控制装置电连接。本发明提出的连续式自蔓延反应合成装置，可批量连续制备碳化硼超细粉末。

Description

连续式自蔓延反应合成装置及其合成方法

技术领域

本发明涉及自蔓延反应技术领域，尤其涉及一种连续式自蔓延反应合成装置及其合成方法。

背景技术

自蔓延高温合成是指利用原料本身的反应热能来制备材料。传统的自蔓延高温合成法是一种经外部能量诱发局部化学反应，形成燃烧波，使化学反应持续蔓延到整个反应体系，最后达到合成目的材料的合成方法。SHS（Self-propagating-High-temperatureSynthesis，自蔓延高温合成技术）反应过程中，反应体系在一个非常狭窄燃烧区域内快速升温，整个过程近似绝热反应。SHS有很多优点，如工艺相对简单、过程时间短、效率高、合成产物污染少、纯度高、原始粉末粒度较细以及成本低廉等，其成本只有普通方法成本的30%~45%。

目前，自蔓延反应高温合成装置有许多种，例如专利CN2703594Y公开的自蔓延高温合成新材料的装置，其在合成反应釜内设有螺旋推杆。这种新型的合成反应釜中可对粉末原料进行预压，实现合成反应釜中预压和自燃烧的结合。它与采用独立的粉末压坯装置和燃烧合成装置相比结构更简单，同时避免压坯在移置过程中的损坏。但类似这种自蔓延反应器，都是批次式反应模式，不能连续进行反应。另外，这种合成装置对自蔓延反应温度难以控制，产物经常因为温度过高以及停留时间过长，而出现晶粒粗大甚至于烧结现象，因此很难得到纳米级和超细级多晶粉。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种连续式自蔓延反应合成装置及其合成方法，旨在批量连续制备碳化硼超细粉末。

为实现上述目的，本发明提供一种连续式自蔓延反应合成装置，包括控制装置以及依次连接的进料装置、反应炉和灰渣贮存冷却装置，其中，

所述进料装置包括驱动装置、与所述驱动装置的输出轴固定连接的螺杆以及与所述反应炉连通且套设于螺杆外的机筒，所述机筒上设有用于进料的料斗；

所述反应炉包括炉体外壳、碳化硅炉管以及用于加热所述碳化硅炉管的加热装置；

所述灰渣贮存冷却装置包括与所述反应炉连通的筒体、安装于所述筒体内的灰渣搅拌器以及与灰渣搅拌器连接的搅拌电机，该筒体上设有用于通入氩气的进气口、用于排出废气的出气口以及灰渣出料口；

所述驱动装置、加热装置和搅拌电机均与所述控制装置电连接。

优选地，所述连续式自蔓延反应合成装置还包括用于冷却所述筒体的冷却设备以及用于支撑筒体的第一支架。

优选地，所述冷却设备为安装于所述筒体内的水流通道以及与所述水流通道连通的进水口和出水口，该进水口和出水口上分别安装有进水接头和出水接头。

优选地，所述驱动装置包括依次连接的电机、减速机以及变频器。

优选地，所述加热装置包括位于碳化硅炉管中部的电炉丝以及容纳于碳化硅炉管内的热电偶。

优选地，所述筒体上还设有用于观察灰渣进入筒体过程以及灰渣积累情况的视孔。

优选地，所述连续式自蔓延反应合成装置还包括位于所述碳化硅炉管与机筒之间的过渡套。

优选地，所述连续式自蔓延反应合成装置还包括用于支撑所述进料装置和反应炉的第二支架，所述控制装置安装于所述第二支架上。

优选地，所述灰渣出料口上安装有用于控制其开合的密封锁扣装置。

本发明进一步提出一种基于上述连续式自蔓延反应合成装置的合成方法，包括以下步骤：

将原料混合均匀后，接通控制装置的电源；

调整螺杆的进料速度后，将混合后的原料从料斗顶部匀速加入，利用螺杆转动将原料推送至反应炉中进行反应；

原料在反应炉中反应生成粉末的碳化硼后随着反应气流进入筒体中，将反应炉内的气体抽出并经尾气处理装置后排到室外，控制搅拌电机的搅拌频率，打开冷却设备；

将得到的反应产物经过35%盐酸酸洗，浸泡24小时后放入60℃真空干燥箱干燥，干燥12-24小时得到碳化硼超细粉末。

本发明提出的连续式自蔓延反应合成装置，具有以下有益效果：

（1）通过进料装置、反应炉、灰渣贮存冷却装置以及控制装置构成一个功能完备的合成系统，可用于批量连续制备碳化硼超细粉末，单机产量较大，合成效率高，实现了工业化生产；

（2）本装置操作简单方便，工作效率高，生产出的产品纯度高；

（3）由于是连续生产，因此避免了因产物的温度过高停留时间过长而导致晶粒粗大甚至于烧结的现象。

附图说明

图1为本发明连续式自蔓延反应合成装置优选实施例的结构示意图。

图中，1-驱动装置，2-料斗，3-螺杆，4-机筒，5-过渡套，6-反应炉，7-搅拌电机，8-进气管接头，9-灰渣搅拌器，10-视孔，11-密封锁扣装置。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提出一种连续式自蔓延反应合成装置。

参照图1，图1为本发明连续式自蔓延反应合成装置优选实施例的结构示意图。

本优选实施例中，一种连续式自蔓延反应合成装置，包括控制装置以及依次连接的进料装置、反应炉6和灰渣贮存冷却装置，其中，

进料装置包括驱动装置1、与驱动装置1的输出轴固定连接的螺杆3以及与反应炉6连通且套设于螺杆3外的机筒4，机筒4上设有用于进料的料斗2；

反应炉6包括炉体外壳、碳化硅炉管以及用于加热碳化硅炉管的加热装置；

灰渣贮存冷却装置包括与反应炉6连通的筒体、安装于筒体内的灰渣搅拌器9以及与灰渣搅拌器9连接的搅拌电机7，该筒体上设有用于通入氩气的进气口、用于排出废气的出气口以及灰渣出料口；

驱动装置1、加热装置和搅拌电机7均与控制装置电连接。

具体地，控制装置包括进料装置控制仪、筒体搅拌控制仪和电加热仪，进料装置控制仪与驱动装置1电连接，筒体搅拌控制仪与搅拌电机7电连接，电加热仪与加热装置电连接。灰渣搅拌器9包括搅拌轴以及搅拌叶片。炉体外壳的外径为350~400mm，长约600mm，为不锈钢外壳。碳化硅炉管的外径为80mm，内径为40mm，长为600mm，且两端开口，侧壁无细孔。炉体外壳的两端连接着法兰和垫片。灰渣出料口与地面的距离为500mm左右。反应炉6为管式反应炉。本装置采用管式反应炉，利用管式反应炉热能集中的优点可大大节约能耗，从而促进了碳化硼的产率。另外，通过进气口向筒体通入一定量的氩气，避免了反应产物与空气中氮和氧发生反应。通过设置出气口将装置中的废气如水蒸气和二氧化碳及时排出，一方面避免气压过大影响反应进行，另一方面有利于推动反应正向进行。

进一步地，本连续式自蔓延反应合成装置还包括用于冷却筒体的冷却设备以及用于支撑筒体的第一支架。本实施例中，冷却设备为水冷设备，具体地，冷却设备为安装于筒体内的水流通道以及与水流通道连通的进水口和出水口，该进水口和出水口上分别安装有进水管接头和出水管接头。通过冷却设备来控制灰渣卸出时温度不高于300℃。搅拌电机7为220V/0.55kw，速比为43:1，转速在0~50转/min可调。筒体的外径为350mm（大致与反应炉6的炉体外壳直径相似），高600mm，为不锈钢材质。另外，在出气口和进气口上分别安装有出气管接头和进气管接头8，进气管接头8直径为30mm且配有球阀，出气管接头为直径10mm的塔头，并配有针型阀。进水管接头和出水管接头均为外径20mm宝塔形软管接头。筒体上设有筒体盖，筒体盖采用法兰和耐热石棉纤维布垫片与筒体连接。

具体地，本实施例中，驱动装置1包括依次连接的电机、减速机以及变频器。驱动装置1为380V/2.2kw，料斗2为不锈钢料斗，容量约5L左右，料斗2的上口高度应适合正常人加料和观察，进料速度在0~200g/min可调。螺杆3的外径为50mm，底径为40mm，长度为500mm，材质为38CrMOAl。

通过设置减速机和变频器，从而实现对原料的进料速度进行控制。通过螺杆来控制进料速度，从而控制整个自蔓延反应体系热效应，进而控制自蔓延反应的温度，以抑制产物晶粒生长，使本连续式自蔓延反应合成装置可合成细小均匀的纳米及超细级多晶粉。

具体地，加热装置包括位于碳化硅炉管中部的电炉丝以及容纳于碳化硅炉管内的热电偶。电加热仪为220V/2kw，电炉丝形成的加热带长度为500mm。热电偶为K型热电偶，工作温度为50~1000℃可调，电加热仪使用AI-719/719P型控制盒。

反应炉6的220V-2kW电源线和K型热电偶都接入AI-719/719P型控制盒的背面。控制盒还引入220V的总电源线，控制盒自带总电源开关。控制盒的尺寸为：高145mm、宽325mm、长257mm（不计接线板）。控制盒的控制分为三个阶段，起始从室温开始加热到750℃升温时间为60分钟，在750℃保温720分钟，自蔓延反应结束后降温阶段（从750℃降至室温）。

进一步地，筒体上还设有用于观察灰渣进入筒体过程以及灰渣积累情况的视孔10。视孔10垂直于进料线，直径为30mm，并配备密封石英片。

进一步地，本连续式自蔓延反应合成装置还包括位于碳化硅炉管与机筒4之间的过渡套5。过渡套5一端的内径为50mm，过渡套5另一端的内径为40mm（以过渡到碳化硅炉管，碳化硅炉管内径为40mm）。过渡套5的法兰直径为120mm，通过六个M12螺丝连接位于其两端的碳化硅炉管和机筒，过渡套5两端的垫片为石棉纤维布垫片。本实施例中，通过设置过渡套5实现将碳化硅炉管与机筒4连接。

进一步地，本连续式自蔓延反应合成装置还包括用于支撑进料装置和反应炉6的第二支架，控制装置安装于第二支架上。第二支架上设有用于显示进料状态的进料器显示仪、用于显示灰渣搅拌状态的灰渣显示仪以及用于显示反应炉6加热状态的反应炉显示仪，从而便于用户了解当前各装置的工作状态。

进一步地，灰渣出料口上安装有用于控制其开合的密封锁扣装置11。可以打开密封锁扣装置11进行间歇式卸料，也可以添加安装自动卸料机械，灰渣出料口的直径为50mm。

本连续式自蔓延反应合成装置的使用过程如下。

1、将原料B₂O₃，C₁₂H₂₂0₁₁，Mg（质量分别为1055g，398g，796g，均为300目）在混料机中混合均匀装袋。连接好进气口接头、出气口接头、进水接头以及出水接头。

2、接通电源，检查设备运行良好后，打开电加热仪设定升温、保温和降温的时间和温度。待温度升高到750℃时，打开进料装置控制仪，将螺杆3的转动频率调整到12Hz，利用减速机和变频器将进料量控制在100g/min。此时，将原料从料斗2的顶部匀速加入，边加入边观察加料情况，利用螺杆3转动将原料推送至反应炉6中进行反应。

3、由于稀释法自蔓延反应是一个瞬时的过程，前面加入的原料在反应炉6中反应时，反应生成超细粉末的碳化硼会随着反应气流进入筒体中。打开排气阀将反应后炉内的气体经尾气处理装置后排到室外。此时，将灰渣搅拌器9搅拌频率调整到18Hz，并打开循环水阀门接通冷却水对筒体进行冷却。通过灰渣搅拌器9搅拌，一方面防止细微粉末的团聚从而保证了粉末粒度的尺寸，另一方面能加快粉末的散热。在此过程中，可以通过视孔10了解设备内的反应情况，从而及时调整进料速度和质量。

4、当反应产物进入筒体后，反应产物沉积到一定量时可以通过灰渣出料口将其自然卸出，使得筒体能不断贮存超细碳化硼粉末，从而实现了碳化硼超细粉末的连续化制备生产，利于产业化。

5、将得到的反应产物（包括碳化硼超细粉末和杂质）经过35%盐酸酸洗，浸泡24小时后放入60℃真空干燥箱干燥，干燥12-24小时即可得到碳化硼超细粉末。

经过测试，经上述过程生成的超细粉末碳化硼经XRD（X-ray diffraction，X射线衍射）测试基本不含其它杂质，B₄C峰明显且一一对应，产物较为纯净，产物颗粒尺寸大概在88nm左右。

本实施例提出的连续式自蔓延反应合成装置，具有以下有益效果：

（1）通过进料装置、反应炉6、灰渣贮存冷却装置以及控制装置构成一个功能完备的合成系统，可用于批量连续制备碳化硼超细粉末，单机产量较大，合成效率高，实现了工业化生产；

（2）本装置操作简单方便，工作效率高，生产出的产品纯度高；

（3）由于是连续生产，因此避免了因产物的温度过高停留时间过长而导致晶粒粗大甚至于烧结的现象。

本发明进一步提出一种连续式自蔓延反应合成装置的合成方法。

本优选实施例中，一种基于上述连续式自蔓延反应合成装置的合成方法，包括以下步骤：

将原料混合均匀后，接通控制装置的电源；

调整螺杆的进料速度后，将混合后的原料从料斗顶部匀速加入，利用螺杆转动将原料推送至反应炉中进行反应；

原料在反应炉中反应生成粉末的碳化硼后随着反应气流进入筒体中，将反应炉内的气体抽出并经尾气处理装置后排到室外，控制搅拌电机的搅拌频率，打开冷却设备；

将得到的反应产物经过35%盐酸酸洗，浸泡24小时后放入60℃真空干燥箱干燥，干燥12-24小时得到碳化硼超细粉末。

通过35%的盐酸浸泡和清洗可将反应产物中的杂质进行去除，因此，本发明提出的合成方法得到的碳化硼粉末纯度高。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种连续式自蔓延反应合成装置，其特征在于，包括控制装置以及依次连接的进料装置、反应炉和灰渣贮存冷却装置，其中，

所述进料装置包括驱动装置、与所述驱动装置的输出轴固定连接的螺杆以及与所述反应炉连通且套设于螺杆外的机筒，所述机筒上设有用于进料的料斗；

所述反应炉包括炉体外壳、碳化硅炉管以及用于加热所述碳化硅炉管的加热装置；

所述灰渣贮存冷却装置包括与所述反应炉连通的筒体、安装于所述筒体内的灰渣搅拌器以及与灰渣搅拌器连接的搅拌电机，该筒体上设有用于通入氩气的进气口、用于排出废气的出气口以及灰渣出料口；

所述驱动装置、加热装置和搅拌电机均与所述控制装置电连接。

2.如权利要求1所述的连续式自蔓延反应合成装置，其特征在于，还包括用于冷却所述筒体的冷却设备以及用于支撑筒体的第一支架。

3.如权利要求2所述的连续式自蔓延反应合成装置，其特征在于，所述冷却设备为安装于所述筒体内的水流通道以及与所述水流通道连通的进水口和出水口，该进水口和出水口上分别安装有进水接头和出水接头。

4.如权利要求1所述的连续式自蔓延反应合成装置，其特征在于，所述驱动装置包括依次连接的电机、减速机以及变频器。

5.如权利要求1所述的连续式自蔓延反应合成装置，其特征在于，所述加热装置包括位于碳化硅炉管中部的电炉丝以及容纳于碳化硅炉管内的热电偶。

6.如权利要求1所述的连续式自蔓延反应合成装置，其特征在于，所述筒体上还设有用于观察灰渣进入筒体过程以及灰渣积累情况的视孔。

7.如权利要求1所述的连续式自蔓延反应合成装置，其特征在于，还包括位于所述碳化硅炉管与机筒之间的过渡套。

8.如权利要求1所述的连续式自蔓延反应合成装置，其特征在于，还包括用于支撑所述进料装置和反应炉的第二支架，所述控制装置安装于所述第二支架上。

9.如权利要求1至8中任意一项所述的连续式自蔓延反应合成装置，其特征在于，所述灰渣出料口上安装有用于控制其开合的密封锁扣装置。

10.一种基于权利要求1至9中任意一项的连续式自蔓延反应合成装置的合成方法，其特征在于，包括以下步骤：

将原料混合均匀后，接通控制装置的电源；

调整螺杆的进料速度后，将混合后的原料从料斗顶部匀速加入，利用螺杆转动将原料推送至反应炉中进行反应；

原料在反应炉中反应生成粉末的碳化硼后随着反应气流进入筒体中，将反应炉内的气体抽出并经尾气处理装置后排到室外，控制搅拌电机的搅拌频率，打开冷却设备；

将得到的反应产物经过35%盐酸酸洗，浸泡24小时后放入60℃真空干燥箱干燥，干燥12-24小时得到碳化硼超细粉末。