CN116847939A - 用于将材料进给到等离子体中的方法及设备 - Google Patents

Abstract

一种用于将材料原料提供到等离子体炬的等离子体中的设备包括具有输入端和输出端的材料进给装置。材料进给装置的输出端至少部分地围绕等离子体炬的输出端附近生成的等离子体的外围延伸。材料进给装置相对于等离子体炬的中心轴线成角度定向。

Description

用于将材料进给到等离子体中的方法及设备

相关申请的交叉引用

本申请请求享有于2020年9月25日提交的美国临时专利申请号63/083,204的优先权；其全部内容通过引用以其整体并入本文中。

技术领域

本技术总体上涉及用于将材料进给到等离子体中以用于由等离子体处理材料的装置、系统及方法。特别地，本技术涉及用于使多种材料进给技术能够增加生产量和增加等离子体-原料联接相互作用，同时还从等离子体处理中向材料提供多种特性的方法和设备。

背景技术

等离子体炬提供高温等离子体来用于多种目的。总的来说，存在包括感应等离子体炬和微波等离子体炬在内的若干类型的等离子体炬。其它类型的等离子体炬可包括直流(DC)等离子体，其中电弧在阴极与阳极之间。这些类型的等离子体炬提供了基本上不同的高温，其中微波等离子体达到约6000K，而其余达到约10000K。

这些高温等离子体可使能够处理暴露于等离子体或进给到等离子体中的多种材料。一种这样的类型的处理是采用特定大小和形状的一种或多种材料，并且通过将其暴露于等离子体或进给到等离子体中来将一种或多种材料变为不同的大小和/或形状。

例如，初始材料或原料材料通常设有特定形状或多种形状和特定大小或多种大小。一旦暴露于等离子体或进给到等离子体中，初始原料材料就可由高温等离子体处理或转化为在大小方面更小、在形状方面更相似，或两者。然而，该操作的一个目的在于将材料从不规则形状球化成球体。

发明内容

本文中提供了用于将材料原料提供到等离子体炬的等离子体中的装置和方法。根据本公开的一个方面，公开了一种用于将材料原料提供到等离子体炬的等离子体中的设备。该设备包括具有输入端和输出端的材料进给装置。输出端至少部分地围绕在等离子体炬的输出端处或在其附近生成的等离子体的外围延伸。材料进给装置相对于等离子体炬的中心轴线成角度定向。在一些实施例中，材料进给装置的输出端包括喷嘴，该喷嘴具有至少部分地围绕等离子体的外围延伸的外展(flared)横截面几何形状，以提供材料原料至少围绕等离子体的整个外围的较大部分的基本上均匀分散。在一些实施例中，喷嘴在围绕等离子体的外围的特定位置处提供材料原料围绕等离子体的外围的至少一半的基本上均匀分散。在一些实施例中，材料进给装置的输出端包括围绕等离子体的外围定位的数个喷嘴，并且喷嘴的数量和横截面几何形状选择成提供材料原料围绕等离子体的整个外围的较大部分的基本上均匀分散。在一些实施例中，材料进给装置设计成围绕等离子体的整个外围散布材料原料。在一些实施例中，材料进给装置相对于等离子体炬的中心轴线是可调整的，以使能够在沿等离子体长度的不同位置处进给材料原料。在一些实施例中，材料进给装置围绕等离子体外围的较大部分和沿等离子体长度的期望部分进给材料。在一些实施例中，材料进给装置相对于等离子体炬的中心轴线的角度可调整。在一些实施例中，材料进给装置是锥形斗，该锥形斗具有比输出端更宽的输入端。在一些实施例中，等离子体炬衬里在锥形斗的输入端与输出端两者之间形成间隙，等离子体炬与锥形斗的输入端之间的间隙大于等离子体炬衬里与锥形斗的输出端之间的间隙，使得材料可围绕等离子体的基本上整个外围进给到较大的间隙中，并且离开较小的间隙而进入到等离子体中。在一些实施例中，等离子体的一部分延伸到锥形斗的输出端和等离子体炬的相应端的范围外侧，并且材料直接从锥形斗的输出端处的较小间隙围绕等离子体的该部分的外围进给。在一些实施例中，设备还包括材料旋流装置，该材料旋流装置定位用于与锥形斗中的材料可操作地连通，以有助于在锥形斗内均匀分布材料。在一些实施例中，材料原料通过重力进给到等离子体中。在一些实施例中，材料以不会明显扰乱等离子体并且提供由等离子体对材料的均匀处理的特定速率和速度进给到等离子体中。

根据本公开的另一方面，公开了一种用于将材料原料均匀地提供到等离子体炬的等离子体中的设备。材料进给装置安装在等离子体炬内的等离子体附近。等离子体具有在操作期间随时间略微变化的三维形状，并且具有期望的且相对一致的长度、宽度、深度、形状和外围。材料进给装置与待进给到等离子体中的材料源可操作地连通，并且材料进给装置还能够将材料以可基于多种因素变化的期望分散模式转移到等离子体。材料进给装置设计和安装成尽管等离子体的位置和形状的可变性也使材料能够在沿等离子体长度的位置处并且至少围绕等离子体的整个外围的较大部分基本上均匀地分散到等离子体中，以利用等离子体的基本上所有能量，降低由将材料输入到等离子体中引起的等离子体本身的可变性，并且在材料与等离子体接合并且由等离子体处理时降低材料的浓度，以提供更有效且一致的材料处理以提高产量，同时避免附加的处理以满足精确的材料规格。

根据本公开的另一方面，公开了一种在等离子体炬内处理材料的方法。该方法包括：a)提供等离子体炬，该等离子体炬具有在其中建立的等离子体，等离子体具有在操作期间随时间略微变化的相对一致但动态的三维形状，并且具有期望的且相对一致的长度、宽度、深度、形状和外围。该方法还包括：b)提供待进给到等离子体中并且由等离子体处理的材料源。该方法还包括：c)在等离子体的期望位置附近提供材料进给装置，该材料进给装置与待进给到等离子体中的材料源可操作地连通。该方法还包括：d)使用材料进给装置将材料以可基于多种因素变化的分散模式转移到等离子体，材料进给装置设计和安装成使材料能够在沿等离子体长度的位置处并且至少围绕等离子体的基本上整个外围基本上均匀分散到等离子体中。在一些实施例中，该方法还包括：e)监测等离子体的输出，以确定是否由等离子体提供了期望的材料处理；f)如果未实现期望的材料处理，则调整材料到等离子体的分散模式；以及g)按需要重复操作d)-f)，直到实现期望的材料处理。在一些实施例中，调整材料到等离子体的分散模式包括调整以下中的至少一者：材料进给速率、材料速度和材料进给装置相对于等离子体的位置。在一些实施例中，材料进给速率和材料速度选择成在与等离子体炬可操作地连通的材料进给装置内提供材料的平稳流动，并且防止材料在材料进给装置内的任何聚集。在一些实施例中，等离子体为内部温度是外部温度至少若干倍高的微波等离子体，并且由此提供到等离子体的功率仅需要足以使外部温度能够提供期望的材料处理，使得可进入等离子体的内部的任何材料仍按期望处理，以提供期望的产量，同时节省功率并且因此降低成本。

附图说明

通过结合附图的以下详细描述，可更全面地理解本发明。

图1是根据本公开的一个实施例的锥形材料进给装置和等离子体炬衬里的侧视图。

图2是根据本公开的一个实施例的图1的锥形材料进给装置和等离子体炬衬里的透视图。

图3是根据本公开的一个实施例的图1的锥形材料进给装置的另一个透视图。

图4是根据本公开的一个实施例的具有锥形材料进给装置的示例性微波等离子体炬的横截面视图。

图5是根据本公开的一个实施例的经由锥形材料进给装置进入等离子体羽流的以开尔文(K)为单位的模拟粒子温度的图表。

图6是根据本公开的一个实施例的经由锥形材料进给装置进入等离子体羽流的模拟粒子速度的图表。

图7A是根据本公开的一个实施例的外展材料进给装置的平面视图。

图7B是根据本公开的一个实施例的图7A的外展材料进给装置的侧视图。

图7C是根据本公开的一个实施例的面向图7A的外展材料进给装置的外展端部的前视图。

图8是根据本公开的一个实施例的具有两个外展材料进给装置的示例性微波等离子体炬的横截面视图。

图9A-9B示出了根据本公开的一个实施例的经由一对外展材料进给装置进入等离子体羽流的模拟粒子速度和温度的图表。

图10是示出根据本公开的一个实施例的使用等离子体炬处理材料的方法的流程图。

具体实施方式

现在将描述某些示例性实施例以提供对本文中公开的装置和方法的结构、功能、制造和使用的原理的总体理解。在附图中示出了这些实施例的一个或多个实例。本领域中的技术人员将理解，本文中具体描述并且在附图中示出的装置和方法是非限制性示例性实施例，并且本发明的范围仅由权利要求限定。结合一个示例性实施例示出或描述的特征可与其它实施例的特征组合。这样的修改和变型旨在包括在本技术的范围内。

总的来说，本技术的方面针对与用于等离子体处理的材料进给装置相关的装置、系统和方法。在一些实施例中，可使用等离子体炬处理各种材料。例如，材料粒子可引入到等离子体中，并且暴露于等离子体内存在的极高温度。这些温度可处理材料粒子，并且取决于期望的处理将它们转化为不同大小或形状的粒子。在各种实施例中，等离子体可为微波生成的等离子体或感应生成的等离子体。

本文中公开的实施例可提供以下优点中的一个或多个。在一些实施例中，分布材料进给装置可将材料以可基于多种因素变化的期望分散模式粒子转移到等离子体。本文中所述的材料进给装置可使材料粒子能够在沿等离子体长度的特定位置处并且围绕等离子体外围的较大部分以基本上均匀分散模式进入到等离子体中。在一些情况下，尽管等离子体的形状和位置的可变性，但可围绕等离子体的整个外围实现均匀分布。这允许系统利用等离子体的基本上全部能量，并且降低由将材料输入到等离子体中引起的等离子体本身的可变性。与该进给系统同轴攻击等离子体羽流保持了操作的整体对称性，并且羽流扰动围绕羽流均匀分布。

本文中所述的材料进给装置还可在材料与等离子体接合并且由等离子体处理时降低材料的浓度(即进入等离子体羽流的圆周的每单位体积的粒子数量)，以提供更有效且一致的材料处理。该浓度涉及粉末如何由锥体均匀分散。在一些实施例中，进给气体用于驱动锥体的平面上的粉末。这样的实施例可增加产量并且降低成本，同时避免附加的处理以满足精确的材料规格。

此外，本文中公开的技术提供了一种递归方法，该方法监测等离子体炬的输出并且调整进入等离子体的材料粒子的分散模式，以便实现期望的处理结果。

在一些实施例中，为了最大化等离子体中原料的处理，原料应该良好分散以便降低局部材料浓度。如果局部材料浓度太高，则一些材料可能针对特定等离子体条件处理不足。

当局部原料浓度(以g/cm³为单位)(即等离子体内的粒子数量)太高时，材料处理受到不利影响。在此情况下，材料的高浓度减少可用能量并且使过程饱和。改进处理的一种方式是增加粒子分散，或降低局部原料浓度，使得存在足够的能量用于成功处理。本文中公开的喷射方案是通过将粒子围绕等离子体的外围分散来降低等离子体内的局部材料粒子浓度的技术。

在一些实施例中，不同类型的材料在不同温度下处理。因此，期望控制材料沿等离子体的长度进入等离子体的位置。在本公开的一些实施例中，材料进给装置相对于等离子体炬的位置可调整，使得如果期望，则材料可在沿等离子体长度的不同位置处并且成不同角度引入到等离子体中。

在一些实施例中，材料原料粒子可具有各种形态，诸如有角粉末、有角碎片、不规则粉末、海绵粉末、球形粒子或粉末等。材料可在引入到等离子体中之前通过诸如磨削、铣削、清洁、洗涤、干燥、筛分等过程处理以满足大小、气体含量、纯度污染和化学成分的某些标准。例如，清洁可包括去除有机污染物、陶瓷污染物或金属污染物。

根据一些实施例，材料进给装置可包括锥形斗或锥形材料进给器，其围绕等离子体的圆周的全部或大部分引入粒子，从而利用全部等离子体潜力并且使局部原料浓度最小化。在一些实施例中，锥形斗还可用作气室(plenum)或缓冲区，使得可在材料输入端处喷射原料材料的全部余量，因此减轻对任何上游材料歧管的需要。在这样的实施例中，可消除提供具有平衡流的多个分立材料喷射器的设计挑战。

根据一些实施例，材料进给装置可包括外展喷射器或喷嘴，其围绕等离子体的外围的较大部分分布材料粒子。与锥形材料进给器相比，外展喷射器可侧向散布原料以降低进入等离子体的粒子的材料浓度，同时将原料保持在操作热窗口内(否则，诸如球化水平的处理效率降低)。

图1是根据本公开的一个实施例的围绕等离子体炬衬里101设置的锥形材料进给装置103的侧视图。在该实施例中，锥形材料进给装置103或喷射器设计为围绕柱形等离子体炬衬里101的锥体。图1中的箭头示出了气体从炬的第一端通过等离子体炬衬里101流到形成等离子体羽流的炬的第二端的方向。在该实施例中，锥形材料进给装置103的内表面从材料输入端107向内向材料输出端105成角度，使得其相对于柱形等离子体炬衬里101的中心轴线成角度θ定位。

在一些实施例中，锥形材料进给装置103与柱形等离子体炬衬里101之间的角度θ可为约45°。在其它实施例中，角度θ可在约40°与50°之间、约35°与55°之间、约30°与60°之间、约25°与65°之间、约20°与70°之间、约15°与75°之间，约10°与80°之间，或约5°与85°之间。在一些实施例中，材料进给装置与等离子体炬之间的倾斜角度可基于材料粒子的期望进入角度而变化。

图2是根据本公开的一个实施例的图1的锥形材料进给装置103的透视图。如该实施例中所示，锥形材料进给装置103围绕柱形等离子体炬衬里101定位，并且存在柱形等离子体炬衬里101的外侧与锥体在最窄端(图1中所示的材料输出端105)处的内径之间限定的特定间隙109。该间隙109允许材料原料成特定角度流出锥形材料进给装置103，并且流到在等离子体炬的出口处形成的等离子体中。在一些实施例中，间隙109可取决于材料以及其它因素而变化。

图3是根据本公开的一个实施例的图1的锥形材料进给装置103的另一个透视图。在该视图中，锥形材料进给装置略微偏离竖轴，以便进一步示出锥形材料进给装置103与等离子体炬衬里101之间的示例性空间关系。通过使用用于材料进给装置的锥形设计，材料可围绕等离子体火焰的整个圆周喷射或引入到等离子体中，从而利用全部能源并且使材料浓度最小化。在一些实施例中，锥形材料进给装置103还可作为材料分布缓冲器。换言之，材料可喷射或进给到锥形材料进给装置103与柱形等离子体炬衬里101之间的容积中，并且通过涡旋作用分布，从而避免对任何上游歧管的需要。在一些实施例中，材料旋流装置可包括气流发生器，其可定位用于与进给装置的锥形部分中的材料可操作地连通。在一些实施例中，该设计可利用重力将材料粒子引入到等离子体中，从而降低喷射速度并且可能增加粒子在等离子体内的停留时间，并且因此增加处理时间。

图4是根据本公开的一个实施例的具有锥形材料进给装置403的示例性微波等离子体炬衬里401的横截面视图。在该实施例中，利用了微波等离子体炬402，并且微波辐射可通过波导405引入到等离子体炬402中。如上文参照图2所论述的那样，进给材料可进给到等离子体室407中，并且放置成与锥形材料进给装置403与微波等离子体炬衬里401之间的间隙之间的微波生成的等离子体接触。在该示例性实施例中，收集室或容器409可定位在等离子体室407的输出处，以便在它们通过了微波生成的等离子体之后收集经处理的粒子。在一些实施例中，微波生成的等离子体可使用微波等离子体炬生成，如美国专利号10,477,665和/或美国专利号8,748,785中所述，两个专利中的每一个通过引用以其整体并入本文。

在一些实施例中，微波等离子体具有是其外部温度若干倍高的内部温度，并且提供到等离子体的功率仅需要足以使外部温度能够提供期望的材料处理，使得可进入等离子体内部的任何材料仍按期望处理。这可提供期望的产量，同时节省功率并且因此降低成本。在一些实施例中，感应生成的等离子体在等离子体的外侧上具有较高的温度，这可引起独特的问题。因此，微波生成的等离子体的使用可确保完全处理，从而增加产量。

在一些实施例中，材料旋流装置411可定位成与锥形材料进给装置403内的材料可操作地连通。在一些实施例中，材料旋流装置411可包括气流发生器，其可定位成生成气流以防止锥形材料进给装置403内的粒子结块，并且确保一致的粒子进给速率。然而，应当理解，(多个)材料旋流装置411的数量、类型和定位可变化。

在一些实施例中，锥形材料进给装置403可安装到等离子体室407，或安装到等离子体炬壳体。在一些实施例中，锥形材料进给装置403的端部或最窄部分可与等离子体炬衬里401的输出端或第二端重合或齐平。在一些实施例中，锥形材料进给装置403相对于等离子体炬衬里401的位置可竖直调整，以便在沿等离子体羽流404长度的适当或期望的位置处将材料粒子引入到等离子体羽流404中。材料粒子可在锥形材料进给装置403的较大端处进入，并且通过涡旋作用(可能由材料旋流装置411辅助)围绕等离子体炬衬里401的圆周分布。在一些实施例中，载气流和重力的组合可推动材料粒子通过锥形材料进给装置403与等离子体炬衬里401之间的底部间隙并且进入到等离子体羽流404中。在一些实施例中，锥形材料进给装置403与等离子体炬衬里401之间的间隙的大小、材料粒子的大小、材料粒子的体积和/或锥形材料进给装置403的倾斜角度可能影响进入等离子体的粒子的速度和粒子浓度。在该示例性实施例中，等离子体炬衬里401包括可至少部分地围绕等离子体炬402的一部分的柱形套筒。这可防止原料材料接触等离子体炬402的热壁，在该处其可涂敷柱体。等离子体炬衬里401可具有基本上平行于等离子体炬402的锥形壁，以便将材料容纳在等离子体炬衬里401和锥形材料进给装置403内。尽管该实施例示出了用于相对于等离子体炬衬里401定位锥形材料进给装置403的示例性技术，但是应当理解，可使用各种安装结构或技术以便将进给装置相对于等离子体炬和等离子体定位在期望位置处。

在一些实施例中，诸如功率密度、进给速率和等离子体内的停留时间的各种工艺参数可取决于材料粒子的物理特性，诸如熔点和热导率，以及其它参数。其它这样的参数的实例可包括粒子大小分布、材料浓度等。

图5是根据本公开的一个实施例的经由锥形材料进给装置进入等离子体羽流的模拟粒子温度的图表。如在该实施例中可见，材料粒子可围绕等离子体的整个外围引入，以便将粒子围绕整个等离子体羽流均匀地分布。这导致更一致的温度轮廓，其中区域501中的粒子对应于区域501'中的温度读数，并且区域503中的粒子对应于区域503'中的温度读数。在该具体实施例中，除了一些离群粒子外，粒子中的绝大多数都进入等离子体，并且暴露于约1.75e+03K与约1.85e+03K之间的高度均匀的温度轮廓。应当认识到，包括功率密度、粒子进给速率、粒子停留时间、锥形材料进给装置相对于等离子体炬的定位、锥形材料进给装置的倾斜角度等在内的工艺参数的变化可导致等离子体内的不同温度轮廓。

在一些实施例中，粒子的温度轮廓可为基本上均匀的，使得进入等离子体的超过95％的粒子暴露于相同的温度范围。在其它实施例中，超过99％的粒子、超过97％的粒子、超过90％的粒子、超过85％的粒子、超过80％的粒子、超过75％的粒子、超过70％的粒子、超过65％的粒子、超过60％的粒子、超过55％的粒子或超过60％的粒子可在等离子体内暴露于基本上相同的温度范围。

在一些实施例中，材料粒子在等离子体内暴露的温度范围可在约1.75e+03K与约1.85e+03K之间、约1.70e+03K与约1.90e+之间03K、约1.65e+03K与约1.95e+03K之间。在一些实施例中，材料粒子所暴露的温度可高达4000K，并且所提供的示例性范围可取决于特定系统以及所处理的材料。

图6是根据本公开的一个实施例的经由锥形材料进给装置进入等离子体羽流的模拟粒子速度的图表。该图像示出了粒子速度的侧视图，其中粒子围绕等离子体的整个圆周引入。在该实施例中，区域601中的粒子对应于区域601'中的粒子速度，而区域603中的粒子对应于区域603'中的速度。在该实施例中，粒子中的绝大多数都暴露于等离子体羽流，并且具有在约4.00e+00m/s与约4.50e+00m/s之间的基本上均匀的速度。在一些实施例中，粒子可具有约3.75e+00m/s与约4.4e+00m/s之间，或约3.50e+00m/s与约5.00e+00m/s之间的基本上均匀的速度。

如上所述，粒子速度直接影响在等离子体内的粒子停留时间，并且因此影响处理时间。对于不同的材料粒子，可能期望不同的处理时间，并且可调整各种参数以便实现期望的粒子速度和停留时间。在一些实施例中，粒子速度可能不仅仅影响粒子停留时间，因为粒子可能取决于其速度而吹过等离子体或弹离等离子体。在一些实施例中，可选择最佳参数以确保原料最佳地与羽流接合，使得原料在其穿透羽流之后保持与羽流基本上共线，以实现从羽流到粒子的最大热传递，以实现最大处理。

在一些实施例中，粒子速度可为基本上均匀的，使得进入等离子体的超过95％的粒子具有相同的粒子速度范围。在其它实施例中，超过99％的粒子、超过97％的粒子、超过90％的粒子、超过85％的粒子、超过80％的粒子、超过75％的粒子、超过70％的粒子、超过65％的粒子、超过60％的粒子、超过55％的粒子或超过60％的粒子可具有相同的粒子速度范围。

图7A是根据本公开的一个实施例的外展材料进给装置707的平面视图。粒子流可从标记为A的一端通过外展材料进给装置707而到标记为B的一端。在该实施例中，外展材料进给装置707具有总长度701、喷嘴部分703和外展端部705。应当认识到，外展端部705与喷嘴部分703的起始处之间的渐缩几何形状可取决于制造商和外展材料进给装置707所用于的具体实施方式。代替围绕等离子体的整个圆周的连续锥形材料喷射，在该实施例中，外展端部705定位在等离子体炬的输出端或第二端附近，并且加宽以便侧向围绕等离子体的外围或圆周更均匀地分布粒子。在图8的论述中更详细地描述了外展材料进给装置707相对于等离子体炬的定位。这种外展几何形状将粒子散布在更大的等离子体区域上并且围绕更大比例的等离子体外围，并且导致在原料浓度方面的降低和在均匀处理方面的增加，只要外展使原料保持在用于优化处理的热操作区域中。在一些实施例中，喷嘴宽度可变化，并且喷嘴可为凹形的或具有一些其它形状。在一些实施例中，可使用许多喷嘴。喷嘴可围绕等离子体炬衬里的端部的圆周远离彼此成180度、90度或三角形构造放置。

图7B是根据本公开的一个实施例的图7A的外展材料进给装置707的侧视图。在该侧视图中，可看出，与材料进给装置的其余部分相比，外展端部705除了侧向外展或伸长之外还竖直缩短。在该特定实施例中，竖直缩短和侧向外展的几何形状的组合有助于更均匀地分布从外展端部705离开的材料粒子，以便围绕等离子体的外围分布粒子。在一些实施例中，特别是对于较重的材料，这种横截面减小可赋予粒子附加的期望速度。

在一些实施例中，外展材料进给装置的总长度701可为大约18英寸(大约45.7cm)，而喷嘴部分703可具有约4.25英寸(大约10.8cm)的长度，并且外展端部705可具有约3.25英寸(大约8.3cm)的长度。在其它实施例中，几何形状可取决于特定应用、所使用的材料粒子的大小、等离子体炬和/或等离子体羽流的大小等而不同。例如，外展端部705可具有约在1-4cm之间、1-5cm之间，或甚至更长的长度。

图7C是根据本公开的一个实施例的面向图7A的外展材料进给装置的外展端部705的前视图。在该特定实施例中，可看到外展端部705的侧向伸长或外展几何形状，以及外展端部705的缩短的竖直几何形状。在一些实施例中，外展端部705可具有外展侧向几何形状，其基本上匹配等离子体羽流或等离子体炬的直径的全部或一部分。在其它实施例中，外展端部705的横截面几何形状的侧向长度可为等离子体炬或等离子体羽流的直径的约50％、55％、60％、65％、70％、75％、80％、85％、90％、95％或100％。应当理解，外展端部705和喷嘴部分703的几何形状或形状可取决于数个因素而变化。

图8是根据本公开的一个实施例的具有两个外展材料进给装置803的示例性微波等离子体炬801的横截面视图。在该实施例中，利用了微波等离子体炬801，并且微波辐射可通过波导805带到等离子体炬801中。如上文参照图7A-7C所论述的那样，可使用外展材料进给装置的外展端部将进给材料进给到等离子体室807中并且放置成与微波生成的等离子体接触。在该示例性实施例中，收集室或容器809可定位在等离子体室807的输出处，以便在它们通过了微波生成的等离子体之后收集经处理的粒子。尽管该实例示出了具有特定形状的两个外展材料进给装置803，但是进给装置的喷嘴的数量和形状可变化。

在一些实施例中，外展材料进给装置803可安装到等离子体室807或等离子体炬壳体。在一些实施例中，外展材料进给装置803的外展端部可与等离子体炬801的输出端或第二端重合或齐平。在一些实施例中，外展材料进给装置803相对于等离子体炬801的位置可竖直调整，以便在沿等离子体长度的适当或期望位置处将材料粒子引入到等离子体中。所使用的外展材料进给装置803的数量，以及它们围绕等离子体炬801的外围的位置和它们的横截面几何形状也可定制，以便将两个或更多个分布的粒子流引入到等离子体中。在一些实施例中，如果足够数量的外展材料进给装置803在围绕等离子体的适当位置处使用并且使用有适当的喷嘴几何形状，则材料粒子可围绕等离子体的基本上整个外围引入。在该示例性实施例中，如参照图7B所述，由于图8示出了外展材料进给装置803的侧视图，故进给装置的外展端部示为从侧面看更窄。如果从上方看，则材料进给装置的外展端部将伸长，以跨越等离子体炬的外围的全部或一部分。

在一些实施例中，载气流和重力的组合可推动材料粒子通过外展材料进给装置803的外展端部并且进入到等离子体中。在一些实施例中，外展材料进给装置803与等离子体炬801之间的间隙大小、材料粒子的大小、材料粒子的体积和/或外展材料进给装置803的倾斜角度可能影响进入等离子体的粒子的速度和粒子浓度。

在一些实施例中，诸如功率密度、进给速率和等离子体内的停留时间的各种工艺参数可取决于材料粒子的物理特性，诸如熔点、粒子大小和热导率。

图9A-9B示出了根据本公开的一个实施例的经由一对外展材料进给装置903进入等离子体羽流的模拟粒子速度和温度的图表。

图9A中的示例性实施例示出了显示粒子速度的模拟的侧视图，其中两股粒子流经由一对外展材料进给装置903引入到等离子体中。在该实施例中，两个外展材料进给装置中的每一个都提供围绕位于等离子体炬901的口部下游的等离子体的外围约一半的粒子分散。粒子中的大多数在它们离开一对外展材料进给装置903并且暴露于等离子体羽流时具有基本上均匀的速度。在该特定实施例中，离开一对外展材料进给装置903的粒子具有在约4.00e+00m/s至约1.00e+01m/s范围内的速度大小。在其它实施例中，离开一对外展材料进给装置903的粒子可具有在约5.00e+00m/s至约1.00e+01m/s、约5.00e+00m/s至约1.00e+01m/s、约6.00e+00m/s至约1.00e+01m/s、约7.00e+00m/s至约1.00e+01m/s、约8.00e+00m/s至约1.00e+01m/s，或约9.00e+00m/s至约1.00e+01m/s范围内的速度大小。如上所述，粒子速度直接影响在等离子体内的粒子停留时间，并且因此影响处理时间。与通过单个非外展或非分布式喷嘴引入到等离子体中的粒子相比，该实施例提供了基本上更均匀的速度，并且因此提供了更均匀的处理时间。对于不同的材料粒子，可能期望不同的处理时间，并且可调整各种参数以便实现期望的粒子速度和停留时间。

在一些实施例中，粒子速度可为基本上均匀的，使得进入等离子体的超过95％的粒子具有相同的粒子速度范围。在其它实施例中，超过99％的粒子、超过97％的粒子、超过90％的粒子、超过85％的粒子、超过80％的粒子、超过75％的粒子、超过70％的粒子、超过65％的粒子、超过60％的粒子、超过55％的粒子或超过60％的粒子可具有相同的粒子速度范围。

图9B中的示例性实施例示出了显示粒子温度的模拟的侧视图，其中两股粒子流经由一对外展材料进给装置903引入到等离子体中。如图9A中所示的实施例中，两个外展材料进给装置中的每一个都提供围绕位于等离子体炬901的口部下游的等离子体的外围约一半的粒子分散。粒子中的大多数在它们离开一对外展材料进给装置903并且暴露于等离子体羽流时具有基本上均匀的温度轮廓。在该特定实施例中，离开一对外展材料进给装置903并且进入等离子体的粒子具有在约1.40e+03K至约2.00e+03K范围内的温度。在其它实施例中，从一对外展材料进给装置903进入等离子体的粒子可具有在约1.50e+03K至约2.00e+03K、约1.60e+03K至约2.00e+03K、约1.70e+03K至约2.00e+03K、约1.80e+03K至约2.00e+03K，或约1.90e+03K至约2.00e+03K范围内的速度大小。与通过单个非外展或非分布式喷嘴引入到等离子体中的粒子相比，该实施例提供了基本上更均匀的温度轮廓，并且因此提供了更均匀的处理。对于不同的材料粒子，可能期望不同的处理时间，并且可调整各种参数以便实现期望的粒子速度和停留时间。

图10是示出根据本公开的一个实施例的使用等离子体炬处理材料的方法的流程图。在操作1001中，提供等离子体炬。在一些实施例中，等离子体炬设有在其中建立的等离子体，并且等离子体具有相对一致但动态的三维形状，该三维形状可在操作期间随时间略微变化。等离子体还可具有全部落在可接受的预定范围内的期望的且相对一致的长度、宽度、深度、形状和外围。在接下来的论述中，假设存在足够的微波功率(即最佳羽流)来处理材料原料。输送是由本文中所述的不同实施例正在解决的问题，以实现最佳等离子体羽流和原料联接来用于最佳处理。

在操作1003中，提供材料源以进给到等离子体中并且由等离子体处理。在一些实施例中，材料原料粒子可具有各种形态，诸如有角粉末、有角碎片、不规则粉末、海绵粉末等。如上所述，材料可在引入到等离子体中之前通过诸如磨削、铣削、清洁、洗涤、干燥、筛分等过程处理以满足大小、气体含量、纯度污染和化学成分的某些标准。

在操作1005中，提供材料进给装置。在一些实施例中，材料进给装置设计、形成和安装在等离子体的期望位置附近，并且材料进给装置可安装到等离子体室、壳体或系统的一些其它结构。材料进给装置与待进给到等离子体中的材料源可操作地连通，并且材料进给装置设计成将材料以可基于多种因素变化的期望分散模式转移到等离子体。在一些实施例中，材料进给装置设计和安装成尽管等离子体的位置和形状的可变性也使材料能够在沿等离子体长度的位置处并且围绕等离子体外围的至少一部分基本上均匀地分散到等离子体中。在这样的实施例中，材料粒子围绕等离子体的外围的均匀分散利用了等离子体的基本上全部能量，降低了由将材料输入到等离子体中引起的等离子体本身的可变性，并且在材料与等离子体接合并且由等离子体处理时降低了材料的浓度。这样的实施例可提供更有效且一致的材料处理以增加产量和降低成本，同时避免任何附加的处理以满足精确的材料规格。如上所述，作为与等离子体羽流连通的后续步骤，材料进给装置可包括例如锥形材料进给装置或一个或多个外展材料进给装置。

在操作1007中，使用材料进给装置将材料传送或转移到等离子体。在一些实施例中，材料进给装置控制或调整成以便以期望的分散模式将材料传送到等离子体，以使得材料能够在沿等离子体长度的特定位置处基本上均匀地分散到等离子体中。在一些实施例中，材料旋流装置可有助于将材料从材料进给装置传送到等离子体。这样的材料旋流装置可定位用于与进给装置中的材料可操作地连通，并且可有助于将材料围绕等离子体的外围均匀地分布。在一些实施例中，材料通过重力从材料进给装置进给到等离子体中。在一些实施例中，材料以不会明显扰乱等离子体并且提供由等离子体对材料的基本上均匀处理的特定速率和速度进给到等离子体中。

在一些实施例中，该方法可在操作1007处结束并且可收集材料。在备选实施例中，该方法可在操作1009处继续监测等离子体的输出，以确定是否由等离子体产生了期望的材料处理。如果在操作1011中确定实现了期望的处理，则该方法可结束。

如果没有实现期望的处理，则该方法可在操作1013处继续调整材料流到等离子体的分散模式。在一些实施例中，通过调整材料进给速率、材料速度或材料进给装置相对于等离子体的位置来调整分散模式。材料进给装置的位置可竖直调整，或材料进给装置与等离子体炬之间的角度也可调整，以便使材料能够进给到沿等离子体长度的不同位置中并且成不同接近角度进给。在一些实施例中，材料进给速率和材料速度选择成提供材料在材料进给装置内的平稳流动，并且防止材料在材料进给装置内的任何聚集。一旦在操作1013中调整了材料的分散模式，则该方法返回到操作1007并且重复直到实现期望的处理并且该方法结束。

在以上说明书中，参照其特定实施例描述了本发明。然而，在不脱离本发明更广泛的精神和范围的情况下，可对其进行各种修改和改变。因此，说明书和附图认作是示范性的而不是限制性的。

Claims (20)

1.一种用于将材料原料提供到等离子体炬的等离子体中的设备，其包括：

具有输入端和输出端的材料进给装置，所述输出端至少部分地围绕等离子体炬的输出端附近生成的等离子体的外围延伸，所述材料进给装置相对于所述等离子体炬的中心轴线成角度定向。

2.根据权利要求1所述的设备，其中，所述材料进给装置的输出端包括喷嘴，所述喷嘴具有至少部分地围绕所述等离子体的外围延伸的外展横截面几何形状，以提供所述材料原料至少围绕所述等离子体的整个外围的较大部分的基本上均匀分散。

3.根据权利要求2所述的设备，其中，所述喷嘴在围绕所述等离子体的外围的特定位置处提供所述材料原料围绕所述等离子体的外围的至少一半的基本上均匀分散。

4.根据权利要求1所述的设备，其中，所述材料进给装置的输出端包括围绕所述等离子体的外围定位的多个喷嘴，并且所述喷嘴的数量和横截面几何形状选择成提供所述材料原料围绕所述等离子体的整个外围的较大部分的基本上均匀分散。

5.根据权利要求1所述的设备，其中，所述材料进给装置设计成围绕所述等离子体的整个外围散布所述材料原料。

6.根据权利要求1所述的设备，其中，所述材料进给装置相对于所述等离子体炬的中心轴线是能够调整的，以使能够在沿所述等离子体长度的不同位置处进给所述材料原料。

7.根据权利要求6所述的设备，其中，所述材料进给装置围绕所述等离子体外围的较大部分和沿所述等离子体长度的期望部分进给材料。

8.根据权利要求1所述的设备，其中，所述材料进给装置相对于所述等离子体炬的中心轴线的角度能够调整。

9.根据权利要求1所述的设备，其中，所述材料进给装置是锥形斗，所述锥形斗具有比输出端更宽的输入端，并且具有构造成围绕所述等离子体炬的至少一部分的等离子体炬衬里。

10.根据权利要求9所述的设备，其中，所述等离子体炬衬里在所述锥形斗的输入端与输出端两者之间形成间隙，所述等离子体炬衬里与所述锥形斗的输入端之间的所述间隙大于所述等离子体炬衬里与所述锥形斗的输出端之间的间隙，使得所述材料能够围绕所述等离子体的基本上整个外围进给到所述较大的间隙中，并且离开所述较小的间隙而进入到所述等离子体中。

11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述等离子体的第一部分延伸到所述锥形斗的输出端和所述等离子体炬的相应端的范围外侧，所述材料直接从所述锥形斗的输出端处的所述较小间隙围绕所述等离子体的第一部分的外围进给。

12.根据权利要求10所述的设备，其进一步包括：

材料旋流装置，所述材料旋流装置定位用于与所述锥形斗中的材料可操作地连通，以有助于在所述锥形斗内均匀分布材料。

13.根据权利要求1所述的设备，其中，所述材料原料通过重力进给到所述等离子体中。

14.根据权利要求1所述的设备，其中，所述材料以不会明显扰乱所述等离子体并且提供由所述等离子体对所述材料的均匀处理的特定速率和速度进给到所述等离子体中。

15.一种用于将材料原料均匀地提供到等离子体炬的等离子体中的设备，其包括：

安装在等离子体炬内的等离子体附近的材料进给装置，所述等离子体具有在操作期间随时间略微变化的三维形状，并且具有期望的且相对一致的长度、宽度、深度、形状和外围，所述材料进给装置与待进给到所述等离子体中的材料源可操作地连通，并且所述材料进给装置还能够将所述材料以能够基于多种因素变化的期望分散模式转移到所述等离子体，所述材料进给装置设计和安装成尽管所述等离子体的位置和形状的可变性也使所述材料能够在沿所述等离子体长度的位置处并且至少围绕所述等离子体的整个外围的较大部分基本上均匀地分散到所述等离子体中，以利用所述等离子体的基本上所有能量，降低由将材料输入到所述等离子体中引起的所述等离子体本身的可变性，并且在所述材料与所述等离子体接合并且由所述等离子体处理时降低所述材料的浓度，以提供更有效且一致的材料处理以提高产量，同时避免附加的处理以满足精确的材料规格。

16.一种在等离子体炬内处理材料的方法，其包括：

a)提供等离子体炬，所述等离子体炬具有在其中建立的等离子体，所述等离子体具有在操作期间随时间略微变化的相对一致但动态的三维形状，并且具有期望的且相对一致的长度、宽度、深度、形状和外围；

b)提供待进给到所述等离子体中并且由所述等离子体处理的材料源；

c)在所述等离子体的期望位置附近提供材料进给装置，所述材料进给装置与待进给到所述等离子体中的材料源可操作地连通；以及

d)使用所述材料进给装置将所述材料以能够基于多种因素变化的分散模式转移到所述等离子体，所述材料进给装置设计和安装成使所述材料能够在沿所述等离子体长度的位置处并且至少围绕所述等离子体的基本上整个外围基本上均匀分散到所述等离子体中。

17.根据权利要求16所述的方法，其进一步包括：

e)监测所述等离子体的输出，以确定是否由所述等离子体提供了期望的材料处理；

f)如果未实现所述期望的材料处理，则调整所述材料到所述等离子体的分散模式；以及

g)按需要重复操作d)-f)，直到实现所述期望的材料处理。

18.根据权利要求17所述的方法，其中，调整所述材料到所述等离子体的分散模式包括调整以下中的至少一者：材料进给速率、材料速度和所述材料进给装置相对于所述等离子体的位置。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述材料进给速率和所述材料速度选择成在与所述等离子体炬可操作地连通的材料进给装置内提供材料的平稳流动，并且防止材料在所述材料进给装置内的任何聚集。

20.根据权利要求17所述的方法，其中，所述等离子体为内部温度是外部温度至少若干倍高的微波等离子体，并且由此提供到所述等离子体的功率仅需要足以使所述外部温度能够提供期望的材料处理，使得能够进入所述等离子体的内部的任何材料仍按期望处理，以提供所述期望的产量，同时节省功率并且因此降低成本。