CN202072754U - 具有含氧气体制冷系统的钽金属表面钝化装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种钽金属表面钝化装置，该钝化装置包括热处理炉以及含氧气体制冷系统，所述含氧气体制冷系统使钝化用含氧气体冷却到0℃或以下，再通入热处理炉中使钽金属表面钝化。本实用新型钽金属表面钝化装置具有如下优点：安全可靠，生产效率高，不会发生钽粉激烈氧化，得到的钽金属氧、氢含量低，并且由此制备的阳极漏电流低，电性能好。

Description

具有含氧气体制冷系统的钽金属表面钝化装置

技术领域

本实用新型涉及一种钽金属表面钝化装置，具体地涉及一种包括含氧气体制冷系统的钽金属表面钝化装置。

背景技术

金属钽的最大用途是制造钽电解电容器。钽电解电容器的制造过程通常是用钽粉压制形成坯块，将坯块在真空炉里烧结成粒子间相互连接的多孔体，接着将上述多孔烧结体在合适的电解质里进行阳极氧化，使多孔体粒子表面形成均匀的互相连通的介电氧化膜，即形成阳极，再在氧化膜表面被覆阴极材料，然后包封并形成电容器阳极和阴极。

作为钽电解电容器的主要原料的电容器级钽粉的杂质含量，特别是氧含量对漏电流的影响很大，低漏电流要求钽粉低氧含量。

作为电解电容器用的钽粉，通常都要进行热处理，一方面对钽粉进行提纯，另一方面是使微细钽粒子凝聚成多孔的颗粒，改善钽粉的物理特性，如钽粉的流动性，从而改进用其制造的电解电容器的性能，如电容器的容量、漏电流和等效串联电阻(ESR)。

钽粉脱氧热处理通常是在钽粉中混入适量还原剂碱土金属或稀土金属或其氢化物，在真空或惰性气愤里在700℃～1100℃进行热处理，使钽粉得到凝聚并脱除氧。

由于钽金属是一种与氧亲和力很大的金属，钽与氧化合形成五氧化二钽，是放热反应，钽粉的表面有一层氧化膜，可以防止钽的继续氧化。这种被氧化膜覆盖的钽粒子一当被加热到约300℃以上的温度，氧化钽膜开裂而被破坏，部分氧溶入钽基体，部分氧逸散、富集。而当加热后的钽粉在被冷却后与含氧介质接触时又要从表面开始氧化，吸收新的氧，使氧含量增加，甚至引起钽粉自燃，因此人们开发了钽粉可控氧化的钝化技术。所述的钽粉钝化是当钽粉的氧化膜被破坏后又与含氧介质接触时，人为地控制氧的供给速度，从而在受控情况下控制钽粉的氧化速度和温度，使钽粉表面形成钝化氧化膜，避免激烈氧化。所以比表面积较高的钽粉(比表面积大于0.1m²/g)在热处理后要进行钝化处理。

本说明书所述的钽金属表面钝化包括钽粉表面钝化和由钽粉压制形成的多孔体的表面钝化。

随着电子元器件的小型化的发展，要求使用具有更大比表面积的更加微细的钽粉，对于高比表面积的钽粉，由于在单位体积范围里的钽粉在钝化时产生的热量更多，钝化时钽粉温度上升得更高，在钽粉热处理后的钝化过程中，经常发现温度突然上升很多，这归因于钽粉开始激烈氧化，从而必须马上停止充气钝化；停止一段时间，当温度降低后继续缓慢充气钝化；钝化完后出炉发现，钽粉表面有白色氧化钽斑块，即使没有白色氧化钽的钽粉的氧含量也很高。钝化时控制不好，还会出现钽粉着火，造成巨大损失。所以，钽粉的钝化成为开发高比表面积钽粉的难点和关键技术。

包括US6927967B2、US6432161B1、US6238456B1、CN1919508A、CN101404213A、US6992881B2、US7485256B2和CN1899728A在内的现有技术披露了钽粉的钝化，是把室温下的含氧气体通入到装有经过热处理并被冷却到室温或更高温度的的钽粉的真空炉内使钽粉钝化，但是没有对钽粉的热处理钝化采取特别的措施而获得有益效果，这样，钝化时间长，容易引起钽粉激烈氧化。公开号为CN 101348891A的中国专利公开了一种钽粉受控钝化镁处理降氧方法，其中使用纯氧进行钝化处理，该方法存在的问题是不适合对高比表面积钽粉进行热处理钝化，而且钝化时间长，生产率低下。

由于现有技术存在的上述问题，希望提供一种用于对钽金属进行表面钝化的装置，该装置在钽金属表面的钝化过程中应当避免出现激烈氧化。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种钽金属表面钝化的装置，该装置适合于对钽金属进行钝化处理并且能够避免在钝化过程期间出现激烈氧化。

通过下面的技术方案，本实用新型实现了上述目的。

本实用新型提供一种钽金属钝化装置，该钝化装置包括热处理炉，所述热处理炉包括：炉膛、组成所述炉膛的带水冷夹套的外壳、和所述炉膛相通的真空压力计、钝化用的含氧气体入口、氩气进入所述炉膛的入口、位于热处理炉上部的氩气出口、抽空管道、设置于所述炉膛里的保温屏、设置在所述的保温屏里面的加热器、测量温度的热电偶、和用于容纳待处理钽金属的热处理坩埚；

其特征在于所述钝化装置还包括钝化用含氧气体制冷系统，所述含氧气体制冷系统包括：制冷机、热交换室、与热交换室一端相连的含氧气体入口、和与热交换室另一端相连的含氧气体出口；其中在进行钝化处理期间，含氧气体从含氧气体入口进入热交换室并与所述热交换室里的介质管道发生热交换而被制冷到0℃或以下、优选-40℃～0℃的温度，被制冷的含氧气体从热交换室的另一侧的含氧气体出口出来，经过保温连接管道从热处理炉上部进入热处理炉，从而用于对待钝化的钽金属进行钝化处理。

本实用新型的有益效果如下：利用本实用新型的钽金属表面钝化装置进行钽金属表面钝化，安全可靠，生产效率高，不会发生钽金属的激烈氧化；得到的钽金属氧含量低，并且由如此制得的钽金属阳极漏电流低，电性能好。

附图说明

图1是本实用新型的带有含氧气体制冷系统的钽金属表面钝化装置示意图；其中：

10.炉膛

11.带水冷夹套的炉壳

11-1.冷却水入口，

11-2冷却水出口

20.热处理炉含氧气体入口

30.保温屏

40.热处理炉氩气入口

41.抽空管道

50.加热器

60.热电偶

70.钽金属

80.坩埚

90A.含氧气体冷却系统

90.制冷机

91.热交换室

92.待冷却含氧气体入口

93.氩气入口

94.制冷介质管

95.冷却含氧气体出口

96.保温连接管

97.温度计

98.压力计

99.流水口。

具体实施方式

下面结合附图本实用新型做进一步说明。

图1是本实用新型的具有含氧气体制冷系统的钽金属表面钝化装置的示意图。如图1所示，所述的钽金属表面钝化装置主要包括热处理炉和含氧气体冷却系统90A，其中所述热处理炉包括：炉膛10、组成所述炉膛10的具有冷却水入口11-1和冷却水出口11-2的带水冷夹套的炉壳11、和所述炉膛10相通的真空压力计12、钝化用的含氧气体入口20、氩气入口40、抽空管道41、设置于炉膛里的保温屏30、设置在所述的保温屏30里面的加热器50、测量温度的热电偶60、热处理坩埚80、装入所述坩埚80里的待处理的钽金属70；所述含氧气体制冷系统90A主要包括：制冷机90、热交换室91、进入所述热交换室91的待冷却含氧气体进气口92、氩气进气口93、和所述热交换室91相通的压力计98、所述热交换室91里与所述制冷机93相连的制冷介质管94、设置于所述热交换室91另一端的出口95、冷却含氧气体出口95、连接所述冷却含氧气体出口95和热处理炉含氧气体入口20的保温管96、设置在所述冷却含氧气体出口95旁边的温度计97、及置于所述热交换室91底部的流水口99。

在钽金属热处理后，钽金属降温到适当温度，如降到30℃或以下；然后通入经所述含氧气体制冷系统冷却过的温度为0℃以下的含氧气体，使钽粉在受控条件下钝化。

每当完成一批钽粉的钝化，用热风把热交换室里各部件吹干，融化的水从所述流水口99流出。含氧气体经过制冷，温度达到0℃，优选达到-10℃以下，更优选达到-10℃～-40℃。

在钝化过程中，还可以通过所述含氧气体冷却系统的氩气入口引入氩气，使氩气与含氧气体在热交换室混合，并通过控制氩气与含氧气体各自的流量来改变所得混合气体中的氧浓度。

下面结合实施例与比较例对本实用新型进行进一步描述。应当理解，这些描述只是为进一步说明本实用新型的特征和优点，而不是对本实用新型范围的限制。

实施例1

用比表面积为1.82m²/g，松装密度为0.51g/cm³，O含量为6200ppm的钠还原氟钽酸钾制备的钽粉原粉，掺入按钽粉重量计120ppm的磷，进行球化造粒，得到松装密度为1.02g/cm³的球形颗粒。将上述球化造粒钽粉倒入钽坩埚里，将钽坩埚装入如图1所示的钽粉热处理钝化装置中，在压力为1.33×10^-1Pa以下的真空中加热到1200℃保温30分钟，然后停止加热，使钽粉冷却后进行钝化。钝化过程是把炉内气氛抽空到约200Pa，启动含氧气体制冷系统系统90A，使空气和氩气分别按照下述条件从92和93进入91热交换室混合并与94发生热交换，然后从出口95出来通过保温管道96，从20入口进入炉膛10：第一次将氧浓度为约5Vol％的含氧气体冷却到-20℃～-40℃，分8个阶段将从200帕提高到0.1MPa：(200Pa～0.005MPa)/30分钟、(0.005MPa～0.01MPa)/30分钟、(0.01MPa～0.02MPa)/30分钟、(0.02MPa～0.03MPa)/30分钟、(0.03MPa～0.045MPa)/30分钟、(0.045MPa～0.06MPa)/30分钟、(0.06MPa～0.08MPa)/30分钟、(0.08MPa～0.1MPa)/30分钟共计4小时。第二次将氧浓度为约10Vol％的-20℃～-40℃含氧气体按照第一次充气程序4小时从200帕提高到0.1MPa.第三次用-20℃～-40℃空气，按照第一次相同的程序4小时将压力从200Pa充到0.1MPa；第四次用-20℃～-40℃空气分4阶段从200帕将含氧气体提高到0.1MPa：(200Pa～0.01MPa)/30分钟、(0.01MPa～0.03MPa)/30分钟、(0.03MPa～0.06MPa)/30分钟、(0.06MPa～0.10MPa)/30分钟。整个过程共计14小时，开始炉内温度缓慢上升到35℃，随后温度逐渐平稳，温度在32℃～35℃之间变化。出炉后将钽粉取出，没有激烈氧化现象。上述热处理后的钽粉经过80目筛子过筛，得到热处理钽粉S-1h分析钽粉的氧、氢含量，结果列于表1中。

比较例1

用和实施例1相同的钽粉，在相同的温度下进行热处理，停止加热后，在真空里降温到200℃，通氩气进行冷却，冷却12小时，温度降到32℃，开始进行钝化，钝化过程是把炉内氩气抽空到约200Pa，第一次分8个阶段将31℃空气充入热处理炉，使炉内压力从200Pa到0.1MPa：(200Pa～0.005MPa)/120分钟、(0.005MPa～0.01MPa)/60分钟、(0.01MPa～0.02MPa)/60分钟、(0.02MPa～0.03MPa)/60分钟、(0.03MPa～0.045MPa)/30分钟、(0.045MPa～0.06MPa)/30分钟、(0.06MPa～0.08MPa)/30分钟、(0.08MPa～0.1MPa)/30分钟共计7小时。其中在充气过程中温度突然上升6次，最高温度上升到60℃当发现温度突然上升，立即停止充气，等温度降低到约32℃再向炉内充气。第二次分8个阶段将31℃空气充入热处理炉，使炉内压力从200帕提高到0.1MPa：(200Pa～0.005MPa)/60分钟、(0.005MPa～0.01MPa)/60分钟、(0.01MPa～0.02MPa)/60分钟、(0.02MPa～0.03MPa)/60分钟、(0.03MPa～0.045MPa)/30分钟、(0.045MPa～0.06MPa)/30分钟、(0.06MPa～0.08MPa)/30分钟、(0.08MPa～0.1MPa)/30分钟共计6小时。其中发生1次温度突然上升到50℃。第三次和第二次相同方法将31℃空气进行钝化充气，共计6小时。第四次用31℃空气分4阶段从200帕提高到0.1MPa：(200Pa～0.01MPa)/30分钟、(0.01MPa～0.03MPa)/30分钟、(0.03MPa～0.06MPa)/30分钟、(0.06MPa～0.10MPa)/30分钟，共计2小时。4次共计钝化21小时。钝化后将钽粉取出，发热严重，显然发生了激烈氧化。上述热处理后的钽粉经过80目筛子过筛，得到E-1h钽粉，分析钽粉的氧、氢含量，结果列于表1中。

表1钽粉的氧、氢含量

钽粉序号	O	H
			S-1h	11200	60
E-1h	16500	180

通过实施例1与比较例1可以看出，本实用新型方法进行钽粉热处理，安全可靠，生产效率高，不会发生钽粉激烈氧化，得到的钽粉氧、氢含量低。

Claims (3)

1.一种钽金属表面钝化装置，其包括热处理炉，所述热处理炉包括：炉膛(10)、组成所述炉膛(10)的带水冷夹套的外壳(11)、和所述炉膛(10)相通的真空压力计(12)、钝化用的含氧气体入口(20)、氩气入口(40)、抽空管道(41)、设置于所述炉膛(10)里的保温屏(30)、设置在所述的保温屏(30)里面的加热器(50)、测量温度的热电偶(60)、置于加热器内的热处理坩埚(80)、装入所述坩埚(80)里的待处理的钽金属(70)；

其特征在于所述钝化装置还包括含氧气体制冷系统(90A)，所述制冷系统(90A)主要包括：

-待冷却含氧气体入口(92)，其用于接收用于对钽金属进行钝化处理的含氧气体；

-热交换室(91)，在该热交换室中通过热交换方式将所述含氧气体制冷；

-冷却含氧气体出口(95)，被冷却的含氧气体由此从热交换室出来并通过保温连接管道从热处理炉上部进入热处理炉用于对钽金属进行钝化。

2.权利要求1所述的的钽金属表面钝化装置，其特征在于所述含氧气体选自空气和氧气。

3.权利要求1所述的的钽金属表面钝化装置，其特征在于所述含氧气体冷却系统还包含氩气入口(93)，可由此引入氩气使其与含氧气体在热交换室中混合，并通过控制氩气与含氧气体各自的流量来改变所得混合气体中的氧浓度。

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