CN113122828B - 一种粉体专用多搅拌轴真空气相沉积炉 - Google Patents

一种粉体专用多搅拌轴真空气相沉积炉 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种粉体专用多搅拌轴真空气相沉积炉，所述真空气相沉积炉包括加热炉体、冷却炉体、称重传感器、真空通道、上电极、进料管、测温部件；所述加热炉体内设置有高速搅拌轴及低速搅拌轴。所述上电极和高速搅拌轴分别与射频电源的两个输出电极相连或/和直流电源的两个输出电极相连。各部分受控的气压、气氛、电场、磁场、加热方式组合使用实现对粉体材料的真空气相沉积工艺。

Description

一种粉体专用多搅拌轴真空气相沉积炉
技术领域
本发明涉及粉体热处理技术领域，更具体地，涉及一种粉体专用多搅拌轴真空气相沉积炉。
背景技术
现有技术对制品材料实施表面气相沉积较为成熟，但粉体材料表面气相沉积技术有待提高，随着科学技术的不断进步，一些高端粉体材料需要在基体颗粒表面均匀、牢固的沉积或包覆一层纳米材料。
现有粉体气相沉积技术一般采用转炉或沸腾炉。但转炉由于气体与粉体不能充分接触，导致效率较低；沸腾炉由于真空度低难以满足产品品质需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对现有技术不足和缺陷，提供一种能够提供多种气相沉积环境，表面沉积均匀、沉积材料与基体材料粘结牢固的粉体专用的多搅拌轴真空气相沉积炉。
本发明为解决所述技术问题所提供的技术方案为：
一种粉体专用多搅拌轴真空气相沉积炉，包括加热炉体、冷却炉体（8），所述加热炉体包括炉身（1）和炉盖(2)；所述炉身（1）为一容器,炉身内为炉膛，内设低速搅拌轴（101）和高速搅拌轴（1011），炉身外设有驱动装置（107）、（108）用于分别驱动低速搅拌轴（101）、高速搅拌轴（1011）；炉身（1）设有加热元件（1010）和保温层；所述低速搅拌轴（101）、高速搅拌轴（1011）上设有搅拌机构；
所述炉盖（2）设置在炉身（1）上方，炉盖上设有保温层；炉盖（2）上至少设有一个真空管道（3），真空管道（3）底部设有进气口，进气口伸入炉膛内，真空管道（3）连接抽真空装置（305）；
所述炉身内设有上电极（5），所述上电极设在高速搅拌轴（1011）上方，所述上电极（5）底部设有上电极板（501），上电极板（501）上设有至少一个布气孔，所述布气孔连接进气管（502）和进气接头进气接头（503），工作气体通过进气接头（503）、进气管（502）和上电极板（501）上的布气孔进入炉膛；
所述上电极（5）和高速搅拌轴（1011）分别与射频电源（14）的两个输出电极相连或/和直流电源（15）的两个输出电极相连，高速搅拌轴（1011）构成与上电极（5）对应的下电极。
进一步地，所述上电极（5）设置在炉盖(2)或炉身（1）上，所述上电极与炉盖(2)或炉身（1）之间绝缘，上电极通过电阻与炉身电连接。
进一步地，所述高速搅拌轴（1011）与炉身绝缘连接。
进一步地，炉盖（2）上至少设有一个法兰窗口（201），每个法兰窗口（201）上设有带通孔的绝缘盖板（11），上电极（5）穿过绝缘盖板（11）的通孔，并固定在绝缘盖板（11）上，所述绝缘盖板（11）内测设有绝缘型保温层（4）。
进一步地，上电极(5）的数量大于或等于法兰窗口的数量，即可多个上电极（5）共用一个法兰窗口（201）。
进一步地，所述炉盖（2）为可通循环冷却水的夹层不锈钢结构。
进一步地，所述加热炉体的炉盖（2）上还设有用于检测物料水平高度的粉体物料平面检测装置（13）。
进一步地，所述进气接头（503）上连接干路气体流量计（504），所述干路气体流量计（504）进气端设有至少两个支路气体流量计。
进一步地，所述真空管道（3）内设有至少一个阻止粉体物料通过的可拆卸的、可上下调节的用于炉内气体通过的粉尘过滤器（301），粉尘过滤器（301）通过连杆（304）固定在真空管道（3）上方的固定板上；所述真空管道（3）中的粉尘过滤器（301）的形状包括平面状或球面状或桶状。
进一步地，所述真空管道（3）可上下移动，即底部进气口可设置在粉体物料平面（12）下方，也可向上移动到粉体物料平面（12）的上方；工作时进气口须在粉体物料平面下方，插入粉体物料中。
进一步地，所述炉身外部设有支撑架（10）；炉体上还设有称重传感器（9）；所述称重传感器（9）布置于加热炉体炉身（1）与其炉体支撑架（10）之间，或布置于地面上对加热炉体和炉体支撑架（10）予以支撑。
进一步地，所述炉身（1）和其保温层之间设有冷却风道。
进一步地，所述炉身外侧的加热元件为电阻加热、感应加热或燃料加热。
进一步地，炉身上设有测温部件（7），所述测温部件为热电偶或光学测温探头。
进一步地，还包括冷却炉体（8），所述冷却炉体（8）通过出料管（104）与加热炉体连接；所述冷却炉体（8）的炉盖（804）上设有排气管（807），炉体内设有搅拌轴（801），冷却炉体（8）通过底部出料管（810）卸料。
进一步地，所述冷却炉体（8）的炉壳为夹层结构，夹层内循环冷却水。
进一步地，所述多个真空管道（3）可连接同一真空装置，也可以连接多个真空装置；所述真空管道（3）与上设有真空计（303）、（202）。
本发明通过所述低速搅拌轴（101）、高速搅拌轴（1011）旋转，使粉体物料流动形成大小两个循环回路；大循环回路是，粉体物料沿着高速搅拌轴（1011）的旋转切线方向抛向该搅拌轴的斜上方，经过上电极板（501）和高速搅拌轴（1011）之间的气相沉积区域，下落到高速搅拌轴（1011）下方的低速搅拌轴（101）的搅拌区域，通过搅拌轴（101）的搅拌混合后，再次输送到高速搅拌轴（1011）上方，周而复始，实现粉体物料的大循环流动；小循环回路是，粉体物料在低速搅拌轴（101）的搅拌区域中的循环流动；大循环回路为气相沉积工作回路，小循环回路为粉体物料均匀混合回路。所述真空通道（3）及其真空装置（305）控制炉内气压；所述各支路气体流量计（505）、（506）通过上电极（5）上方的进气接头（503）、进气管（502）、上电极板（501）上的布气孔向炉内通入工作气体或保护气体以控制炉内气氛状态；所述电阻加热元件为炉体供热；所述射频装置、直流装置借助真空、温度作用将含有效成分气体电离或热分解，所述各部分受控的气压、气氛、电场、磁场、加热方式组合使用实现对粉体材料的真空气相沉积工艺。
本发明的有益效果在于：
（1）本发明所提供的粉体专用的多搅拌轴真空气相沉积炉在靠近粉体物料平面处设置多个高速搅拌轴，可不断将粉体物料扬起，同时设有射频电源装置，直流电源的负极连接高速搅拌轴，可使高速搅拌轴充当负电极板的作用，工作气体进入炉内后，在射频或\和直流电场，以及温度和真空的作用快速电离和热解，气体中的有效成分以离子形式与带负电位的快速运动的粉体充分和均匀接触，并牢固粘结。在沉积过程中，有助于反应快速、彻底完成。
（2）本发明采用高速搅拌轴代替下电极，一边搅拌使粉料充分沸腾，一边与上电极互相作用，上电极与高速搅拌轴之间的粉体更加充分电离、反应。
（3）本发明所提供的粉体专用的多搅拌轴真空气相沉积炉的加热炉体与冷却炉体均设置有相应水冷、风冷结构，可快速便捷地冷却加热完成的粉体。
（4）本发明所提供的粉体专用的多搅拌轴真空气相沉积炉的加热炉体设置有测温部件、粉体物料平面检测装置、称重传感器，可根据数据的反馈得知炉内的工作状况，从而便于进行接下来的操作。
附图说明
图1为本发明所提供的粉体专用的多搅拌轴真空气相沉积炉主视图；
图2为冷却炉体为水平搅拌轴的多搅拌轴真空气相沉积炉侧视图。
具体实施方式
下面结合附图以及实施例对本发明作进一步说明。其中，附图仅用于示例性说明，表示的仅是示意图，而非实物图，不能理解为对本专利的限制；为了更好地说明本发明的实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；对本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
实施例1
如图1所示，一种粉体专用多搅拌轴真空气相沉积炉，包括加热炉体、冷却炉体8，称重传感器9，以及设置在加热炉体的炉盖11上的真空通道、排气通道4、上电极5、进料管6、测温部件7，包括炉身1与炉盖11。加热炉体通过出料管104与冷却炉体8连接。
如图1所示，所述炉身1是一容器，本实施例是由U型槽和两个端板焊接而成的槽状容器。如图2所示，所述加热炉体内设有低速搅拌轴101、高速搅拌轴1011，均贯穿U型槽两端的端板，并与端板外侧的驱动装置107、108连接。端板内侧设有隔板105和隔板106，端板外壁和隔板之间设有保温层，隔板105和隔板106之间的空间为容纳粉体物料的工作区域。所述低速搅拌轴101由三段轴串联而成，中间段轴上设有上设有梨刀或刮板或螺带，其作用为是使粉体物料均匀混合；粉体物料工作区域的最上端定义为粉体物料平面12，即粉体物料到达的最高平面；粉体物料平面12的下方、低速搅拌轴101的上方，设有至少一个高速搅拌轴1011，高速搅拌轴1011与炉身1之间通过绝缘件连接；所述高速搅拌轴1011既是使粉体物料沸腾的部件，又是下电极，所述高速搅拌轴1011上设有带状搅拌齿，其作用是使粉体物料沸腾。与粉体物料接触的U型槽壁外侧的壳体内布置有加热元件1010，加热元件为电阻丝。加热元件的外侧设置保温层。
加热炉体外侧设有支撑架10，称重传感器9布置于加热炉体炉身1与其炉体支撑架10之间，对加热炉体予以支撑；或称重传感器9布置于地面上，对加热炉体和炉体支撑架10予以支撑。通过称重传感器9的称重，可以控制物料的干燥程度和反应程度。物料干燥时，通过观察重量的变化，判断水份是否干燥完毕；物料反应时，通过重量变化，判断与物料反应的气体的重量，进而判断物料表面粘结元素的多少。
所述炉盖2设置在炉身1上方，炉盖2上至少设有一个真空管道3，真空管道3底部设置有进气口，在粉体物料平面12的下方并插入粉体物料中；炉盖2上至少设有一个法兰窗口201，至少设有一个上电极5，每个法兰窗口201上设有带通孔的绝缘盖板11；上电极5穿过绝缘盖板11的通孔，并固定在绝缘盖板11上；每个绝缘盖板11下方设有绝缘型保温层4，上电极5的数量可大于或等于法兰窗口的数量，即可多个上电极5公用一个法兰窗口201。所述炉盖2为可通循环冷却水的夹层不锈钢结构，内侧设有轻质材料保温层。
上电极5底部设有上电极板501，上电极板501上设有至少一个布气通孔，上电极5顶部设有进气接头503；工作气体通过进气接头503、进气管502、上电极板501上的布气孔进入炉膛；所述进气接头503与干路阀门507、气体流量计504串联连接；所述干路气体流量计504进气端设有至少两个支路气体流量计。高速搅拌轴则为与上电极对应的下电极。
真空管道3内设有至少一个阻止粉体物料通过的可拆卸的、可上下调节的用于炉内气体通过的粉尘过滤器301，粉尘过滤器301通过连杆304固定在真空管道3上方的固定板上；真空管道3与真空装置305相通。所述真空管道3中的粉尘过滤器301的形状包括平面状或球面状或桶状。多个真空管道3可连接同一真空装置；所述真空管道3与上分别设有真空计303和真空计202。所述真空管道3可上下移动，即底部进气口可设置在粉体物料平面12下方，也可向上移动到粉体物料平面12的上方，工作时需插入粉体物料下面，才能保证进入的工作气体与物料接触。本实施例采用波纹管实现真空管道3上下移动，也可以使用其他现有的技术实现上下移动功能。
所述上电极5和高速搅拌轴1011分别与（交流）射频电源14的两个输出电极相连；或上电极5和高速搅拌轴1011分别与直流电源15的两个输出电极相连；或上电极5和高速搅拌轴1011分别与（交流）射频电源14的两个输出电极和直流电源15的两个输出电极相连，即加热炉体同时与（交流）射频电源14和直流电源15相连。上下电极单独连接射频电源（交流）时，可以获得较高的频率，单独相连直流电源时，可以获得稳定的电离场，同时连接直流电源和射频电源，可以兼顾频率和电离场的稳定性，优选为两者同时并联连接。
所述冷却炉体8通过出料管104与加热炉体相连，冷却炉体8的炉盖804上设有排气管807，炉体内垂直设有搅拌轴801，冷却炉体8通过底部出料管810与炉外包装装置相通。所述冷却炉体8的炉壳为可通循环冷却水的夹层不锈钢结构。
真空管道3、进料管6、出料管104、出料管810上均设有至少一个真空阀门。
所述测温部件7为热电偶或光学测温探头。
炉内设有用于检测粉体物料平面的检测装置13，检测装置13为粉体水平传感器或液位传感器。
本发明的具体工作方式如下：
工艺要求，采用硅烷+氢气体系，在碳或石墨粉体颗粒表面沉积纳米硅。
真空管道3及其真空装置305运转至低真空状态，加热炉体的电阻加热元件对粉体进行加热干燥，干燥完毕后，调节真空装置到高真空状态，使炉内真空度达到工艺要求；打开射频电源和\或直流电源，此时高速搅拌轴1011带电，相当于射频电极连接的负电极板，与带正电的上电极板构成等离子所需的电场，由干路气体流量计504及其支路气体流量计按工艺要求顺序通入氢气和硅烷气体，此时炉膛上下电极之间处于等离子状态，由于真空管道底部进气口在粉体物料中，气体必须通过粉体物料才能进入真空通道，促使气体中的有效成分硅沉积至粉体物料颗粒表面，而排出炉外的气体只有氢气，同时高速搅拌轴1011运转，使粉体物料与工作气体充分、均匀接触。由于本反应炉将粉体充分搅拌，与气体接触充分、均匀，在电场作用下电离同样均匀，在称重传感器、流量计的精确度量下，可精确控制硅在碳（石墨）中的比例；氢气与硅烷同时注入，起到稀释硅烷气体的作用，根据沉积的多少，可以调节氢气和硅烷气体的配比关系。粉体物料热处理完成后流经冷却炉体8，进行冷却后送出炉外。
实施例2
本实施例与实施例1区别在于，加热元件为电磁加热，U型槽壳体外侧设置保温层，保温层外侧设置电磁感应加热装置。
实施例3
本实施例与实施例1区别在于，上电极设置在炉身上端，上电极板与高速搅拌轴上下对应设置，构成上下电极工作区域。
上述实施方式只是对本发明的进一步解释与说明，而并非对本发明的限定。对于本发明所属领域的普通技术人员，在上述发明构思的基础上所作出的任何修改，等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (14)

1.一种粉体专用多搅拌轴真空气相沉积炉，其特征在于，包括加热炉体，所述加热炉体包括炉身(1)和炉盖(2)；所述炉身(1)为一容器，内设低速搅拌轴(101)和高速搅拌轴(1011)，炉身外设有驱动装置(107)、(108)用于分别驱动低速搅拌轴(101)、高速搅拌轴(1011)；炉身(1)设有加热元件和保温层；
所述炉盖(2)设置在炉身(1)上方，炉盖上设有保温层；炉盖(2)上至少设有一个真空管道(3)，真空管道(3)底部设有进气口，进气口伸入炉身内，真空管道(3)连接抽真空装置(305)；
所述炉身内设有上电极(5)，所述上电极设在高速搅拌轴(1011)上方，所述上电极(5)底部设有上电极板(501)，上电极板(501)上设有至少一个布气孔，所述布气孔连接进气管(502)和进气接头(503)，工作气体通过进气接头(503)、进气管(502)和上电极板(501)上的布气孔进入炉身内；
所述上电极(5)和高速搅拌轴(1011)分别与射频电源(14)的两个输出电极相连或/和直流电源(15)的两个输出电极相连，高速搅拌轴(1011)构成与上电极(5)对应的下电极。
2.根据权利要求1所述的一种粉体专用多搅拌轴真空气相沉积炉，其特征在于，所述上电极(5)设置在炉盖(2)或炉身(1)上，所述上电极与炉盖(2)或炉身(1)之间绝缘。
3.根据权利要求1所述的一种粉体专用多搅拌轴真空气相沉积炉，其特征在于，炉盖(2)上至少设有一个法兰窗口(201)，每个法兰窗口(201)上设有带通孔的绝缘盖板(11)，上电极(5)穿过绝缘盖板(11)的通孔，并固定在绝缘盖板(11)上，所述绝缘盖板(11)内侧设有绝缘型保温层(4)。
4.根据权利要求3所述的一种粉体专用多搅拌轴真空气相沉积炉，其特征在于，上电极(5)的数量大于或等于法兰窗口(201)的数量。
5.根据权利要求1所述的一种粉体专用多搅拌轴真空气相沉积炉，其特征在于，所述高速搅拌轴(1011)与炉身(1)之间绝缘连接。
6.根据权利要求1所述的一种粉体专用多搅拌轴真空气相沉积炉，其特征在于，所述加热炉体的炉盖(2)上还设有用于检测物料水平高度的粉体物料平面检测装置(13)。
7.根据权利要求1所述的一种粉体专用多搅拌轴真空气相沉积炉，其特征在于，所述进气接头(503)上连接干路气体流量计(504)，所述干路气体流量计(504)进气端设有至少两个支路气体流量计。
8.根据权利要求1所述的一种粉体专用多搅拌轴真空气相沉积炉，其特征在于，所述真空管道(3)可上下移动。
9.根据权利要求8所述的一种粉体专用多搅拌轴真空气相沉积炉，其特征在于，所述真空管道(3)内设有至少一个阻止粉体物料通过的粉尘过滤器(301)，粉尘过滤器(301)通过连杆(304)固定在真空管道(3)上方的固定板上，所述粉尘过滤器(301)的形状为平面状、球面状或桶状。
10.根据权利要求1所述的一种粉体专用多搅拌轴真空气相沉积炉，其特征在于，所述炉身外部设有支撑架(10)；炉体上还设有称重传感器(9)；所述称重传感器(9)布置于加热炉体炉身(1)与其炉体支撑架(10)之间，或布置于地面上对加热炉体和炉体支撑架(10)予以支撑。
11.根据权利要求1所述的一种粉体专用多搅拌轴真空气相沉积炉，其特征在于，还包括冷却炉体(8)，所述冷却炉体(8)通过出料管(104)与加热炉体连接；所述冷却炉体(8)的炉盖(804)上设有排气管(807)，炉体内设有搅拌轴(801)，冷却炉体(8)底部设有用于卸料的出料管(810)。
12.根据权利要求11所述的一种粉体专用多搅拌轴真空气相沉积炉，其特征在于，所述冷却炉体(8)的炉壳为夹层结构，夹层内循环冷却水。
13.根据权利要求1所述的一种粉体专用多搅拌轴真空气相沉积炉，其特征在于，所述加热元件为电阻加热、感应加热或燃料加热。
14.根据权利要求1所述的一种粉体专用多搅拌轴真空气相沉积炉，其特征在于，炉身上设有测温部件(7)，所述测温部件为热电偶或光学测温探头。
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