CN1422510A - 双等离子体喷管装置 - Google Patents

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Abstract

一种双等离子体喷管装置，包括支承于壳体内的两个等离子体喷管组件(10、20)。各喷管有第一和第二间隔开的电极。等离子体气体引入在两个电极之间的处理区。屏蔽气体引入成围绕该等离子体。供给管(112)用于向处理器供给供料。

Description

双等离子体喷管装置
技术领域
本发明涉及双等离子体喷管装置。
背景技术
在双等离子体喷管装置中，两个喷管带有极性相反的电荷，即一个有阳极电极，另一个有阴极电极。在该装置中，由各个电极产生的电弧在远离这两喷管的耦合区域内耦合在一起。等离子体气体经过各个喷管，并电离而形成等离子体，该等离子体集中在耦合区域，远离喷管的干涉。要进行加热/熔化的材料可以引入该耦合区域，在该耦合区域中，等离子体中的热能将传递给该材料。双等离子体处理可以在敞开式或封闭式处理区中进行。
双等离子体装置通常用于熔炉用途中，并已经是某些已有专利申请的主题，例如EP0398699和US5256855。
双电弧方法的能量效率很高，因为当两电弧之间的耦合电阻在远离两喷管处增加时，能量增加，但是喷管损失仍保持恒定。该方法的还一优点是能够很容易地达到和保持相对较高的温度。这是由于两个原因，即两个喷管的能量进行组合以及上面所述的高效率。
不过，该方法也有缺点。当该等离子体喷管彼此接近和/或装在较小的空间内时，电弧有不稳定的趋势，尤其是在较高电压时。当电弧自己择优地进入较低电阻通路时，将发生旁路电弧(side-arcing)。
在当前的双喷管装置中的旁路电弧问题导致开发了敞开式处理单元，其中，等离子体喷管远远间隔开，同时消除近处的低电阻通路，如US5104432中所述。在该单元中，在使用时，处理气体沿各个方向自由膨胀。不过，该装置并不适用于所有处理用途，尤其是当需要对处理气体的膨胀进行控制时，例如生产超细粉末。
在目前的、具有封闭式处理区的系统中，喷管的喷嘴伸入腔室内，这样，具有低电阻的腔室壁将远离等离子体电弧的附近。该笨拙的结构防止了旁路电弧，并促进了电弧的耦合。不过，伸入的喷嘴提供了熔融金属可能沉积的表面。这不仅导致材料的浪费，而且缩短了该喷管的使用寿命。
发明内容
本发明提供了双等离子体喷管组件，该双等离子体喷管组件包括：
(a)至少两个具有相反极性的双等离子体喷管组件，该组件支承于壳体内，所述组件彼此间隔开，并各包括：
(i)第一电极，
(ii)第二电极，该第二电极与第一电极间隔开足够距离或适于与第一电极间隔开足够距离，以便在处理区中获得在该第一和第二电极之间的等离子体电弧；
(b)用于将等离子体气体引入在第一和第二电极之间的处理区中的装置；
(c)用于引入屏蔽气体以围绕该等离子体气体的装置；
(d)用于将供料供给到处理区中的装置；以及
(e)用于在处理区中产生等离子体电弧的装置。
该屏蔽气体封闭了等离子体气体，并防止产生旁路电弧和增加等离子体密度。因此，本发明提供了一种这样的组件，其中，该喷管能防止旁路电弧，从而有利于小型喷管的设计，在该小型喷管中，离低电阻通路的距离很小。采用屏蔽气体也将不需要使喷管的喷嘴超过壳体伸出。
屏蔽气体可以在沿电极的不同位置处提供，尤其是在柱形喷管中沿电极的长度方向产生电弧的位置处。不过，优选是，各喷管有用于排出等离子体气体的远端，供给屏蔽气体的装置向各电极远端的下游处提供屏蔽气体。因此，活性气体例如氧气可以添加到等离子体中，同时不会降低电极的性能。通过能在电极的下游添加活性气体，可以增加等离子体喷管的实际用途。
在一个优选实施例中，各等离子体喷管包括壳体，该壳体围绕电极，以便在该壳体和电极之间确定有屏蔽气体供给管道，其中，该壳体的端头朝着喷管的远端向内倾斜，以便引导环绕等离子体气体的屏蔽气体流。
本发明的双等离子体喷管组件可以用于有腔室的电弧反应器，以便进行等离子体蒸发处理，从而生成超细(即低于微米的或纳米尺寸的)粉末，例如铝粉。该反应器也可以用于球化处理。
该腔室通常为细长或管状形状，同时在它的壁部分中有多个孔，双等离子体喷管组件安装在各个孔上。该孔可以沿所述管状部分和/或环绕所述管状部分，从而使双等离子体喷管组件沿所述管状部分和/或环绕所述管状部分。优选是，该孔基本为规则间隔。
第一和/或第二电极的、用于排出等离子体气体的远端通常由金属材料形成，但是也可以由石墨形成。
优选是，等离子体电弧反应器还包括用于冷却和冷凝已经在处理区中蒸发的材料的冷却装置。该冷却装置包括冷却气体源或冷却环。
等离子体电弧反应器通常还包括收集区，用于收集已处理的供料。该已处理的供料通常为粉末、液体或气体形式。
该收集区可以在冷却区域的下游，以便收集冷凝的蒸发材料的粉末。该收集区可以包括滤布，该滤布将使粉末微粒与气流分离。优选是，该滤布安装在接地的笼(cage)上，以便防止静电荷的积累。然后，可以从该滤布上收集粉末，优选是在受控大气区域中。优选是，这时在惰性气体中将所生成的粉末产品密封在压力高于大气压的容器内。
等离子体电弧反应器还可以包括将处理后的供料传送给收集区的装置。这样的装置可以由通过腔室的流体流提供，该流体例如惰性气体，其中，在使用时，处理后的供料夹在流体流中，从而传送给收集区。
用于在第一和第二电极之间的空间内产生等离子体电弧的装置通常包括DC或AC电源。
本发明的装置可以在等离子体反应器内不使用任何水冷元件的情况下工作，并能够在不停止该反应器的情况下补充供料。
用于将供料供给处理区中的装置可以通过提供有材料供给管而实现，该材料供给管与腔室和/或双喷管组件成一体。该材料可以是颗粒物质，例如金属，或者可以是气体，例如空气、氧气或氢气，或者可以是蒸汽，以增大该喷管组件工作的功率。
优选是，用于排出等离子体气体的第一和第二电极的远端并不伸出到腔室内。
本发明的小尺寸的紧凑型双喷管装置使得多个单元可以安装在产品传送管上。这通常能够很容易地成比例放大超过10倍，以便提供批量生产的单元，同时没有成比例放大的误差。
本发明还提供了一种通过供料生产粉末的方法，该方法包括：
(A)提供如本文所述的等离子体电弧反应器；
(B)将等离子体气体引入在第一和第二电极之间的处理区；
(C)在第一和第二电极之间的处理区内产生等离子体电弧；
(D)将供料供给等离子体电弧中，从而使该供料蒸发；
(E)冷却该蒸发的材料，以便冷凝成粉末；以及
(F)收集该粉末。
该供料通常包括金属例如铝或者金属合金，或者由金属或金属合金构成。不过，也可以采用液体和/或气体供料。在供料为固体时，该材料可以是能够供给到在电极之间的空间内的任意合适形状，即能够供给到处理区中的任意合适形状。例如，该材料可以为丝状、纤维状和/或颗粒状。
等离子体气体通常包括惰性气体，或者由该惰性气体构成，该惰性气体例如氦气和/或氩气。
优选是，等离子体气体注入第一和第二电极之间的空间内，即处理区内。
至少蒸发材料的某些冷却可以利用惰性气体流来实现，例如利用氩气和/或氦气。或者也可选择，惰性气体的使用可以与活性气体流的使用相组合。使用活性气体可能生成氧化物或氮化物粉末。例如，利用空气冷却蒸发材料可能导致生成氧化物粉末，例如氧化铝粉。同样，采用包括例如氨的活性气体可能导致生成氮化物粉末，例如氮化铝粉末。冷却气体可以通过水冷调节室而重新循环。
粉末表面可以利用钝化气体流来氧化。当材料是活性金属例如铝，或者是铝基时，这样特别有利。钝化气体可以包括含氧的气体。
应当知道，处理条件例如材料和气体的供给速度、温度和压力等需要与将进行处理的特定材料以及在最终粉末中所希望的颗粒大小相适应。
通常优选是在蒸发固体供料之前预热反应器。该反应器可以预热至温度至少2000℃，通常为大约2200℃。预热可以利用等离子体电弧来实现。
固体供料供给到第一电极中的槽道内的速度将影响产品产量和粉末大小。
对于铝供料，本发明的方法可用于生产具有基于铝金属和氧化铝的混合物的粉末材料。这是因为在处理过程中，在低温氧化条件下向材料添加有氧气。
附图说明
下面将参考附图(以近似比例画出)详细介绍本发明的特定实施例，在附图中：
图1是阴极喷管组件的横剖图；
图2是阳极喷管组件的横剖图；
图3表示了包括图1和2中的阳极和阴极喷管组件的便携式双喷管组件，该便携式双喷管组件安装在封闭式处理室上。
图4表示了安装在壳体中的、图3的便携式双喷管组件；
图5是图3的组件在用于生产超细粉末时的示意图；
图6A是图4的组件的示意图，它设置成在有阳极目标的情况下以转移电弧与电弧耦合的模式工作。
图6B是图4的组件的示意图，它设置成在有阳极目标的情况下以转移电弧模式工作。
图7A是图4的组件的示意图，它设置成在有阴极目标的情况下以转移电弧与电弧耦合的模式工作。
图7B是图4的组件的示意图，它设置成在有阴极目标的情况下以转移电弧模式工作。
具体实施方式
图1和2分别是装配好了的阴极10和阳极20喷管组件的剖视图。它们为模块式结构，各包括电极模块1或2、喷嘴模块3、屏蔽模块4以及电极引导模块5。
电极模块1、2基本上在喷管10、20的内部。电极引导模块5和喷嘴模块3在沿电极模块1、2的长度方向的位置处环绕电极模块1、2，并轴向间隔开。至少电极模块1、2的远端(即等离子体从该喷管中排出的一端)由喷嘴模块3环绕。电极模块1或2的近端装于电极引导模块5中。该喷嘴模块3装于屏蔽模块4中。
各个模块之间的密封以及模块的元件之间的密封都由“O”形环提供。例如，“O”形环提供了喷嘴模块3和屏蔽模块4以及电极引导模块5之间的密封。在说明书的全部附图中，“O”形环表示成在腔室内的小实心圆。
各喷管10、20有孔51和44，分别用作处理气体和屏蔽气体的入口。处理气体的入口靠近喷管10、20的近端。处理气体进入在电极1或2和喷嘴3之间的通道53，并向喷管10、20的远端运动。在该特殊实施例中，在喷管10、20的远端提供屏蔽气体。这使得屏蔽气体远离电极，这在采用可能降低电极模块1、2性能的屏蔽气体时尤其有利，该屏蔽气体例如氧气。不过，在其它实施例中，该屏蔽气体也可以在靠近喷管10、20的近端处进入。
屏蔽模块4装在喷管10、20的远端。该屏蔽模块4包括喷嘴引导器41、屏蔽气体引导器42、电绝缘体43、腔室壁111和座46。“O”形环用于密封该腔室壁111和喷嘴引导器41。也可选择，还可以将冷却剂流体送入腔室壁111内。
电绝缘体43位于腔室壁111上，这样，在喷管的远端处没有将使得电弧不稳定的低电阻通路。该电绝缘体43通常由氮化硼或氮化硅制成。
屏蔽气体引导器42位于电绝缘体43上，并提供了用于喷嘴模块3的远端的支承件，还允许屏蔽气体从喷管的远端流出。它通常由PTFE制成。
喷嘴引导器41由电绝缘材料例如PTFE制成，并用于将喷嘴模块3定位在屏蔽模块4内。该喷嘴引导器41还包括通道44，屏蔽气体通过该通道44供给腔室47。屏蔽气体通过位于屏蔽气体引导器42中的通道45而离开该腔室47。这些通道45沿着与电绝缘体43的接触边缘。
尽管图中所示为屏蔽气体利用屏蔽气体模块4的专门结构(图8)来传送给喷管10、20，但是传送也可以通过其它方式进行。例如，屏蔽气体可以通过环绕处理气体通道51的通道而在靠近喷管近端的位置处传送。该屏蔽气体还可以传送给位于喷管的远端处和偏离该远端处的环形环。
电极引导模块5通常有用作处理气体入口的通道或孔51。喷嘴模块3的近端内侧优选是形成倒角，以便引导处理气体从通道51流入喷嘴模块3并环绕电极。
电极引导模块5必须在周向上准确对齐成使得电极引导器冷却回路和喷管冷却回路(下面将介绍)对齐。
喷嘴模块3和电极模块1和2有用于冷却流体流通的冷却槽道。该冷却回路合并成单个回路，其中，冷却流体通过单个喷管进口孔8进入该喷管，并通过单个喷管出口孔9离开该喷管。冷却流体通过进口孔8进入，并通过电极模块1、2流向喷嘴模块3，然后通过喷嘴出口孔9离开喷管。离开喷嘴出口孔9的流体传送给换热器，以便提供重新流向进口孔8的冷却流体。
再详细看通过模块的冷却流体流，从喷管进口孔8进入的流体将引向电极进口孔81。冷却流体在靠近电极的近端处进入电极，并沿中心通道运动到远端，在该远端处，冷却流体沿周围的外部通道(或多个通道)往回流动，并从电极出口孔91流出。该流体在进口孔82处进入喷嘴，并沿内部通道流向喷嘴的远端。然后，它沿周围的通道往回从喷嘴孔92引向出口。该流体引向喷管出口孔9。
在冷却回路中可以采用任何能够作为有效冷却剂的流体。当采用水时，优选是该水为除去离子的水，以便提供高电阻的电流通路。
在敞开式和封闭式处理区腔室中，喷管10和20都可以用于双等离子体喷管组件。封闭式处理区双等离子体喷管组件100的结构如图9所示。
该组件100设置成提供有喷管10、20，该喷管10、20易于安装在正确的工作位置。例如，电极1、2的远端之间的偏离以及它们之间的角度由该组件的部件的尺寸确定。
喷管和组件的模块设置成紧工差，以便使模块之间很好地配合。这将限制一个模块在另一个模块中的径向运动。为了能够很容易地装配和重新装配，相应的模块将相互滑入，并通过例如锁定销而锁定。在模块中采用锁定销还将保证各个模块在喷管组件内正确定位，即，使得周向对齐。
封闭式处理区的双喷管组件100包括阴极和阳极喷管组件10和20以及供给管112。通常，两喷管彼此成直角。部件布置成能提供封闭式处理区110，电弧的耦合将在该封闭式处理区110内发生。供给管112用于将粉末、液态或气体供料供给该处理区110内。屏蔽模块4的壁111通常确定了包含该封闭式处理区110的腔室。
壁111提供了发散(divergent)的处理区110，在该处理区110中，低电阻的壁表面保持远离电弧，从而防止旁路电弧。此外，发散的设计特征允许在等离子体耦合之后的气体膨胀，从而不会积累堵塞压力。
壁111确定了一锥形腔室，该腔室可以包括弯曲的或平的壁。该壁111的周边可以与腔室壁113连接，以便能安装组件100(图4)。在该结构中，显然有一个孔114，这样，处理区110不会完全封闭。通常，圆形孔114的直径可以为15cm。
封闭式处理区110可以制成为包括供给管112以及腔室壁111和113的单独模块。
组件100可以安装在包括(选择性)内部冷却壁115的柱体内，该内部冷却壁115由外部耐火材料衬垫116围绕(图4)。优选是，该衬垫116为耐热材料。壁111自身也可以包括冷却槽道。
下面介绍喷管10、20的操作，屏蔽气体用于围绕由电极产生的电弧。该屏蔽气体可以是氦气、氮气或空气。能提供高电阻通路以防止电弧穿过屏蔽的任何气体都很合适。优选是，该气体将相对较冷。屏蔽气体的高电阻通路使得电弧集中在相对狭窄的带宽内。喷嘴模块的锥形远端有助于提供引导成围绕电弧的气体屏蔽。
屏蔽气体还起到封闭等离子体和防止熔融供料朝着供给管112或腔室壁111回流的作用。因此提高处理效率。
因为喷嘴的远端不再伸入到封闭式处理区内，因此能防止熔融供料沉积在喷嘴上。这样，能延长喷嘴的工作寿命，提高材料处理效率。
组件的特别靠近电弧的任何区域都由电绝缘材料制成或涂覆有电绝缘材料，例如，屏蔽气体引导器42和电绝缘体43。
本发明可以用于多种实际用途，例如制造纳米粉、粉末的球化处理或者有机废料的处理。下面将给出一些其它的实例。
1.气体加热器/蒸汽发生器
由于模块的特性，本发明可以用电气体加热器代替现有的气体化石燃料炉。将水引入两喷管之间可以产生蒸汽，该蒸汽可以用于加热已有的窑(kiln)和煅烧炉(incinerator)。气体可以引入电弧之间，以便提供高效的气体加热器。
2.热解/气体加热和重整
将液体和/或气体和/或固体引入耦合区域，能够进行热处理。
3.反应物质处理
当在高温下不能与任何反应器的壁接触时，要分解成化学反应物质的材料可以在该单元中进行处理。
这时，水冷的处理区腔室的壁111将有能够产生蒸发的炉表面。这产生了阻挡活性气体碰撞的保护屏。
4.超细粉末的生产
图5中表示了可以用于产生超细粉末(通常，单元尺寸小于200纳米)的组件。小尺寸的单元能够很容易地附着在骤冷环130上，该骤冷环130靠近气态的高温等离子体的耦合区域。细小的粉末在膨胀区域131内的区域132中产生。气体骤冷速度越高，所生成的微粒的最终单元尺寸越小。
如本文所述的多个双喷嘴组件可以安装在处理室上。
可以认为，由该方法生产的纳米粉将有更细小的粉末，因为可以将骤冷装置130安装在靠近电弧与电弧耦合区域的位置处。这将使用于产生粉末/液体供料微粒的时间减至最小。
应当知道，供给混合的材料可以生成纳米的合金材料。
将细小粉末、气体或液体引入电弧之间将使它们蒸发，且该蒸汽可以再进行骤冷和/或反应，以便产生纳米尺寸的粉末。
5.耦合或转移电弧模式
模块式组件也可以设置成在有阳极(图6)和阴极(图7)目标的情况下以转移电弧模式进行操作。上述喷管适于以转移电弧与电弧耦合的模式(图6A和7A)和以转移电弧模式(图6B和7B)进行操作。
6.球化处理
对于氩等离子体，通常在电弧与电弧耦合区域处的等离子体气体温度可以达到10000K。引入有棱角的颗粒将导致形成球化处理。
7.热变性/蚀刻/表面变性
电弧之间的耦合区域可以用于使供给气体热变性，该供给气体例如甲烷、乙烷或UF6。
等离子体热流(plume)也可以用于进行表面变性，例如通过离子碰撞、熔融，或者在化学上改变该表面，例如渗氮。
8.ICP分解
本发明的组件也可以用于ICP分解和作为高能UV光源。
上述实施例可以进行各种变化。例如，两个喷管的冷却水系统可以组合，或者双装置的一个或两个喷管有气体屏蔽。此外，该气体屏蔽也可以用于没有上述模块式结构的喷管。
对于不同用途，喷管组件的顶锥角可以不同。在某些情况下，可能希望装在柱体上，而不是锥体上。
这里所述的多个双喷管组件可以安装在腔室上。

Claims (27)

1.一种双等离子体喷管组件，包括：
(a)至少两个具有相反极性的双等离子体喷管组件，该组件支承于壳体内，所述组件彼此间隔开，并各包括：
(i)第一电极，
(ii)第二电极，该第二电极与第一电极间隔开足够距离或适于与第一电极间隔开足够距离，以便在处理区中获得在该第一和第二电极之间的等离子体电弧；
(b)用于将等离子体气体引入在第一和第二电极之间的处理区中的装置；
(c)用于引入屏蔽气体以围绕该等离子体气体的装置；
(d)用于将供料供给到处理区中的装置；以及
(e)用于在处理区中产生等离子体电弧的装置。
2.根据权利要求1所述的双等离子体喷管组件，其特征是：各喷管有用于排出等离子体气体的远端，供给屏蔽气体的装置向各电极远端的下游处提供屏蔽气体。
3.根据权利要求2所述的双等离子体喷管组件，其特征是：各喷管包括壳体，该壳体围绕电极，以便在该壳体和电极之间确定有屏蔽气体供给管道，其中，该壳体的端头朝着喷管的远端向内逐渐减小，以便引导环绕等离子体气体的屏蔽气体流。
4.根据前述任意一个权利要求所述的组件，还包括：收集区，用于收集成粉末形状的、处理后的供料。
5.根据权利要求4所述的组件，还包括：将处理后的供料传送给收集区的装置。
6.根据权利要求5所述的组件，其特征是：将处理后的供料传送给收集区的装置包括能够提供通过腔室的流体流的装置，其中，在使用时，处理后的供料夹在流体流中，从而传送给收集区。
7.根据前述任意一个权利要求所述的组件，其特征是：用于排出等离子体气体的第一和第二电极的远端并不超过壳体伸出。
8.根据前述任意一个权利要求所述的组件，其特征是：用于排出等离子体气体的第一和/或第二电极的远端由石墨形成。
9.根据前述任意一个权利要求所述的组件，还包括：用于冷却和冷凝已经在处理区中蒸发的材料的冷却装置。
10.根据权利要求9所述的组件，其特征是：该冷却装置包括冷却空气源或冷却环。
11.根据前述任意一个权利要求所述的组件，其特征是：用于在第一和第二电极之间的处理区中产生等离子体电弧的装置包括DC或AC电源。
12.一种等离子体电弧反应器，包括反应腔室和如前述任意一个权利要求所述的双等离子体喷管组件的组合。
13.根据权利要求12所述的反应器，其特征是：该腔室为细长形，同时在它的壁部分中有多个孔；如前述任意一个权利要求所述的双等离子体喷管组件安装在各个孔上。
14.根据权利要求13所述的反应器，其特征是：该腔室有管状部分，同时在该管状部分的壁部分中有多个孔，双等离子体喷管组件安装在各个孔上。
15.根据权利要求14所述的反应器，其特征是：所述孔沿所述管状部分和/或环绕所述管状部分。
16.根据权利要求13至15中任意一个所述的反应器，其特征是：所述孔基本为规则间隔。
17.一种通过供料生产粉末的方法，该方法包括：
(A)提供如权利要求12至16中任意一个所述的等离子体电弧反应器；
(B)将等离子体气体引入在第一和第二电极之间的处理区；
(C)在第一和第二电极之间的处理区内产生等离子体电弧；
(D)将供料供给等离子体电弧中，从而使该供料蒸发；
(E)冷却该蒸发的材料，以便冷凝成粉末；以及
(F)收集该粉末。
18.根据权利要求17所述的方法，其特征是：该供料包括金属或合金，或者由金属或合金构成。
19.根据权利要求18所述的方法，其特征是：该供料是铝或铝合金。
20.根据权利要求17至19中任意一个所述的方法，其特征是：该供料为丝状、纤维状和/或颗粒状。
21.根据权利要求17至20中任意一个所述的方法，其特征是：等离子体气体包括惰性气体，或者由惰性气体构成。
22.根据权利要求21所述的方法，其特征是：该惰性气体包括氦气和/或氩气，或者由氦气和/或氩气构成。
23.根据权利要求17至22中任意一个所述的方法，其特征是：至少蒸发材料的某些冷却利用惰性气体流来实现。
24.根据权利要求17至23中任意一个所述的方法，其特征是：至少蒸发材料的某些冷却利用活性气体流来实现。
25.根据权利要求17至23中任意一个所述的方法，其特征是：粉末表面利用钝化气体流来氧化。
26.根据权利要求25所述的方法，其特征是：该钝化气体包括含氧的气体。
27.根据权利要求17至41中任意一个所述的方法，其特征是：该粉末包括颗粒，基本所有颗粒的直径都小于200nm，优选是小于50nm。
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