TWI798989B - 電漿弧霧化法製備超細粉末的裝置 - Google Patents

Abstract

本發明公開了一種電漿弧霧化法製備超細粉末的裝置，包括霧化罐，霧化罐的頂部設置有熔融保溫爐，熔融保溫爐的底部設置有導液管，導液管將熔融保溫爐內的熔融液體以液柱的形式導入霧化罐；霧化罐的側壁上設置有電漿霧化噴槍系統以及冷卻氣入口，電漿霧化噴槍系統的端部形成有電漿弧，冷卻氣入口用於冷卻擊碎的液滴並形成粉末。本發明具有填補粉末製備中對於粒徑1-20 μm粉末工業化生產的空白，拓展粉末製備領域中對原材料的選擇以實現金屬與非金屬超細粉末的製備的效果。

Description

電漿弧霧化法製備超細粉末的裝置

本發明涉及粉末製備技術領域，更具體地涉及一種電漿弧霧化法製備超細粉末的裝置。

粉末作為一種重要的工業原料，可廣泛應用於汽車、國防、電子、冶金、航空航天等領域。隨著粉末製備工藝的不斷改進以及粉末加工燒結等工藝的不斷優化，高性能粉末的製備成為一種迫切需求。

目前，對於大顆粒粉末製備，工業上普遍應用霧化法，該方法具有生產效率高、設備簡單等優點。在眾多霧化方法中，水霧化和氣霧化法的應用最為廣泛，即利用高壓氣體或高壓液體以高流速撞擊於熔融金屬液流上，迅速地將熔融金屬霧化成粉末。霧化法發展至今已經有約一百年曆史，通過不斷優化噴嘴結構、提高霧化介質流速和壓力、提高冷凝速度等手段，霧化法在技術上已經發展得非常成熟，其製備的粉末粒徑允許分佈在20-300 μm，但存在粒徑分佈較寬，小粒徑粉末佔比極低的缺陷。

而對於奈米粉末的製備，工業上普遍應用的是氣相法，即利用一定能量使得固體氣化，再通過化學反應或物理變化等過程使其最終成為奈米粉末。通過該種方法製備的奈米粉末，其粒徑分佈在10-100 nm之間。

由此可見，目前的粉末製備技術所製得的粉末在粒徑分佈上存在一個空白，很難獲得1-20 μm的超細粉末。根據粉末成型原理，在粉末壓製成型之前，需要將不同粒度的粉末顆粒進行混合，尤其是需要調整粉末中顆粒的尺寸比例，將小顆粒填充至大顆粒的間隙中來提高粉末的視密度(apparent density)，以利於粉末後續的壓制、燒結等工藝。根據粉末自由填充的基本理論，如果顆粒尺寸比為7:1，則充分混合後的粉末具有較高的視密度。因此粒徑在1-20 μm的粉末製備顯得非常重要，若其可以大規模工業生產並應用至材料領域，將大幅度提升材料機械性能、電特性等各方面性能。

在現有技術中，為了獲得超細粉末，首先將原料製成極細的絲或大粒徑的顆粒，再利用電漿弧的高溫特性直接將絲或顆粒氣化，進一步冷卻獲得粉末。

另外，公告號為CN209288280U的中國專利中公開了一種高熔點金屬霧化製粉方法，在熔融原料後利用加熱保溫裝置為熔融液體進行加熱保溫。

但是上述的兩種方式雖然均利用了電漿弧的高溫作用，且高溫蒸發獲得的粉末粒徑保持在奈米級別，同樣未達到滿足工業化製備1-20 μm粉末的需求。而且，上述第一種方法僅適用於延展性較好的、可拉成絲的且沸點較低的金屬或合金，原料種類有限。上述第二種方法具有生產製造成本高的問題，導致現有的技術難以達到工業化製備的要求，有待改進。

針對現有技術存在的不足，本發明的目的在於提供一種電漿弧霧化法製備超細粉末的裝置，該電漿弧霧化法製備超細粉末的裝置具有工業化生產並獲得粒徑1-20 μm超細粉末的效果。

為實現上述目的，本發明提供如下技術方案：

一種電漿弧霧化法製備超細粉末的裝置，包括霧化罐，所述霧化罐的頂部設置有熔融保溫爐，所述熔融保溫爐的底部設置有導液管，所述導液管將所述熔融保溫爐內的熔融液體以液柱的形式導入所述霧化罐，並在導入霧化罐內時形成液滴；所述霧化罐的側壁上設置有電漿霧化噴槍系統以及位於所述電漿霧化噴槍系統下端的冷卻氣入口，所述電漿霧化噴槍系統的端部形成有朝向所述液滴並用於將所述液柱加熱擊碎的電漿弧，所述冷卻氣入口用於冷卻擊碎的液滴並形成粉末。

通過採用上述技術方案，熔融保溫爐中被熔融的液體通過導液管進入霧化罐中時，在導液管內形成液柱，並在離開導液管進入霧化罐內時形成液滴，在電漿霧化噴槍系統產生的電漿弧的作用下被擊碎成超細液滴後，由冷卻氣冷卻並形成粒徑小於20 μm的超細粉末。通過電漿弧的超音速和高溫特性，在顯著提高霧化介質溫度的同時，增加其動能，從而實現提高霧化效率、降低粉末平均粒徑以及縮小粉末粒徑分佈的效果。該電漿弧霧化法製備超細粉末的裝置具有填補粉末製備中對於粒徑1-20 μm粉末工業化生產的空白，拓展粉末製備領域中對於原材料選擇以及實現金屬與非金屬超細粉末的製備的效果。

本發明進一步設置為：所述霧化罐的下端設置有位於底部的收粉筒以及位於所述收粉筒上端且用於收集粒徑低於20 μm的粉末的布袋收集器。

通過採用上述技術方案，收粉筒將粒徑較大並經重力下降後的顆粒粉末回收，而粒徑較小且粒徑低於20 μm的粉末通過布袋收集器回收，達到進一步提升超細粉末製備效率與精度的目的。

本發明進一步設置為：所述冷卻氣入口為冷卻氣循環入口，所述布袋收集器與所述冷卻氣循環入口連通，且所述霧化罐與所述布袋收集器之間設置有冷卻氣循環出口；所述布袋收集器與所述冷卻氣循環入口之間設置有高壓氣循環系統。

通過採用上述技術方案，高壓氣循環系統驅動冷卻氣在霧化罐中循環使用，在進一步降低工業生產成本的同時，通過冷卻氣將粒徑低於20 μm的粉末從霧化罐內帶出，並經布袋收集器收集，有效提升粉末的收集效率。

本發明進一步設置為：所述冷卻氣循環入口設置有兩個，兩個所述冷卻氣循環入口呈左右對稱且均與所述高壓氣循環系統連接。

通過採用上述技術方案，顯著提升經過擊碎的液滴在冷卻作用下成為粉末的效率，並使得獲得的粉末具備規則的形狀。

本發明進一步設置為：所述導液管的外側設置有保溫材料；所述導液管的直徑為1-20 mm，所述保溫材料的厚度為10-200 mm。

通過採用上述技術方案，穩定控制液柱的溫度和直徑，達到提升粉末製備效果的目的。

本發明進一步設置為：所述電漿霧化噴槍系統設置有至少兩個，且呈等弧度周向分佈於所述霧化罐周圍。

通過採用上述技術方案，多個電漿霧化噴槍系統相互協同對進入霧化罐內的液滴進行進一步的加熱擊碎，實現顯著提升粉末製備效果的目的。

本發明進一步設置為：所述電漿霧化噴槍系統設置有2-8個，且所述電漿霧化噴槍系統與所述霧化罐側壁之間的夾角為30-90°。

通過採用上述技術方案，使得多個電漿霧化噴槍系統相互協同，並對進入霧化罐內的液滴進行進一步的有效地加熱擊碎，實現顯著提升粉末製備效果的目的。

本發明進一步設置為：所述電漿霧化噴槍系統埠至所述導液管底部的距離為1 mm以上；所述電漿霧化噴槍系統採用氮氣、氫氣、氬氣、氦氣或水蒸氣作為工作氣體，且所述電漿霧化噴槍系統的功率為5-100 kW。

通過採用上述技術方案，實現有效獲得粒徑1-20 μm超細粉末的效果。

本發明進一步設置為：所述霧化罐的直徑與高度比為1:1至1:8。

通過採用上述技術方案，使得該電漿弧霧化法製備超細粉末的裝置具有工業化生產並獲得粒徑1-20 μm超細粉末的效果。

本發明進一步設置為：所述液柱的溫度高於原材料熔點100-1500℃，且所述高壓氣循環系統中的冷卻氣為氮氣、氬氣或氦氣。

通過採用上述技術方案，使得該電漿弧霧化法製備超細粉末的裝置具有工業化生產並獲得粒徑1-20 μm超細粉末的效果。

綜上所述，本發明具有以下有益效果：通過熔融保溫爐對原材料進行熔融保溫，且控制溫度為原材料熔點以上100至1500℃，在導液管將熔融保溫爐內的熔融液體導入霧化罐內後，電漿霧化噴槍系統與冷卻氣循環入口相互配合，獲得粒徑1-20 μm的超細粉末。在收粉筒收集較大粒徑的粉末的同時，超細粉末在冷卻氣的作用下通過冷卻氣循環出口進入布袋收集器內，實現顯著提升粉末製備效率的目的，使得該電漿弧霧化法製備超細粉末的裝置具有工業化生產並獲得粒徑1-20 μm的超細粉末的效果。

為使本發明的技術方案和優點更加清楚，以下將結合附圖對本發明做進一步詳細說明。

需要說明的是，在本申請中所指出的電漿霧化噴槍系統2，由產生電漿弧7所需的電漿弧發生器、供水系統、供電系統和供氣系統組成，以達到提供霧化所需的電漿弧7的目的。在本申請中，為了通過電漿弧7獲得所需粒徑的粉末8，需要有效控制電漿弧7對熔融液體的加熱擊碎效果，同時結合對熔融液體的形態控制以及溫度控制，實現有效獲取與回收粉末8的目的。

實施例一

如圖1所示，電漿弧霧化法製備超細粉末的裝置包括霧化罐9。霧化罐9的直徑與高度比為1:2。霧化罐9用於直接獲得所需粒徑的粉末8，以達到工業化生產粒徑1-20 μm的粉末的目的。

需要提及的是，在霧化罐9的頂部設置有熔融保溫爐1，金屬或非金屬材料在熔融保溫爐1內呈熔融狀態，且經過保溫後的熔融液體溫度高於原材料熔點100℃以上。為了節約能源並達到有效獲取所需粒徑的粉末8的目的，控制熔融液體溫度高於原材料熔點120℃、200℃、300℃至1500℃均可。在熔融保溫爐1的底部設置有導液管3。導液管3將熔融保溫爐1內的熔融液體以液柱4的形式導入霧化罐9，相應的，液柱4的溫度高於原材料熔點100-1500℃，以實現有效的工業化生產粒徑1-20 μm的粉末8的目的。在導液管3的外側設置有保溫材料。導液管3的直徑為1 mm，保溫材料的厚度為20 mm，以實現穩定控制液柱4的溫度以及提升粉末製備效果的目的。

在液柱4經導液管3導入霧化罐9時，脫離導液管3的液柱4形成液滴，呈第一分散形態。

在霧化罐9的側壁上設置有電漿霧化噴槍系統2以及位於電漿霧化噴槍系統2下端的冷卻氣入口。電漿霧化噴槍系統2至導液管3底部的距離為1 mm。在電漿霧化噴槍系統2的端部形成有朝向液滴，用於將液滴加熱擊碎的電漿弧7，使得經過電漿弧7加熱擊碎的液滴形成第二分散形態。

在第二分散形態的液滴受重力影響下落時，經冷卻氣入口處的冷卻氣冷卻，將擊碎呈第二分散形態的液滴瞬間冷卻並形成所需的粉末8。

如圖1所示，霧化罐9內設置有霧化隔層5，等離子霧化噴槍系統2與導液管3均安裝在霧化隔層5上方。在該裝置使用過程中，熔融保溫爐1中被熔融的液體通過導液管3進入霧化罐9時，在導液管3內形成液柱4，並在離開導液管3進入霧化罐9內時形成液滴，在電漿霧化噴槍系統2產生的電漿弧7的作用下被擊碎成超細液滴後，由冷卻氣冷卻並形成粒徑小於20 μm的超細粉末。通過電漿弧7的超音速和高溫特性，在顯著提高霧化介質溫度的同時，增加其動能，從而實現提高霧化效率、降低粉末8的平均粒徑以及縮小粉末8的粒徑分佈的效果，使得該電漿弧霧化法製備超細粉末的裝置具有填補粉末製備中對於粒徑1-20 μm粉末工業化生產的空白，拓展粉末製備領域中對於原材料的選擇以實現金屬與非金屬超細粉末的製備的效果。

為了進一步提升超細粉末製備效率與精度，在霧化罐9的下端設置有位於底部的收粉筒10，以及位於收粉筒10上端且用於收集粒徑低於20 μm的粉末8的布袋收集器12。收粉筒10用於將粒徑較大並經重力下降後的顆粒粉末回收，而粒徑較小且粒徑低於20 μm的粉末8通過布袋收集器12回收，使得獲得的粉末8中，粒徑較大的粉末通過收粉筒10收集，粒徑較小的粉末通過布袋收集器12收集，具有分離難度低以及適於工業化生產的效果。

如圖1所示，冷卻氣入口為冷卻氣循環入口6，布袋收集器12與冷卻氣循環入口6連通，且霧化罐9與布袋收集器12之間設置有冷卻氣循環出口11。在布袋收集器12與冷卻氣循環入口6之間設置有高壓氣循環系統13。高壓氣循環系統13驅動冷卻氣在霧化罐9中循環使用，在進一步降低工業生產成本的同時，通過冷卻氣將粒徑低於20 μm的粉末8從霧化罐9內帶出，並經布袋收集器12收集，進而有效提升粉末的收集效率。

需要說明的是，冷卻氣循環入口6設置有兩個，且兩個冷卻氣循環入口6呈左右對稱並均與高壓氣循環系統13連接，進而實現顯著提升經過擊碎的液滴在冷卻作用下成為粉末的效率的效果，並使得獲得的粉末8具備規則的形狀。

為了實現顯著提升粉末製備效果的目的，電漿霧化噴槍系統2設置有至少兩個且呈等弧度周向分佈於霧化罐9的周圍。因此，多個電漿霧化噴槍系統2相互協同，對進入霧化罐9內的液滴進行進一步的加熱擊碎，進而在冷卻氣冷卻形成粉末時，獲得所需的粒徑為1-20 μm的粉末。電漿霧化噴槍系統2與霧化罐9側壁之間的夾角可為30-90°，在本實施例中為30°。電漿霧化噴槍系統2設置有2個，2個電漿霧化噴槍系統2相互協同，並對進入霧化罐9內的液滴進行進一步的有效地加熱擊碎作業。

需要說明的是，在電漿霧化噴槍系統2中採用氮氣、氫氣、氬氣、氦氣或水蒸氣作為工作氣體。在本實施例中，工作氣體為氮氣，電漿霧化噴槍系統2的功率為5 kW。高壓氣循環系統13中的冷卻氣為氮氣、氬氣或氦氣。在本實施例中，冷卻氣為氮氣，以使得該電漿弧霧化法製備超細粉末的裝置具有工業化生產並獲得粒徑1-20 μm的超細粉末的效果。

實施例二

實施例二與實施例一的不同在於，實施例二中的電漿霧化噴槍系統2設置有5個，且電漿霧化噴槍系統2與霧化罐9側壁之間的夾角為60°。

實施例三

實施例三與實施例一的不同在於，實施例三中的電漿霧化噴槍系統2設置有8個，且電漿霧化噴槍系統2與霧化罐9側壁之間的夾角為90°。

實施例四

實施例四與實施例一的不同在於，實施例四中的電漿霧化噴槍系統2採用氬氣作為工作氣體，且電漿霧化噴槍系統2的功率為50 kW。

實施例五

實施例五與實施例一的不同在於，實施例五中的電漿霧化噴槍系統2採用氦氣作為工作氣體，且電漿霧化噴槍系統2的功率為100 kW。

實施例六

實施例六與實施例一的不同在於，實施例六中的電漿霧化噴槍系統2至所述導液管3底部的距離為10 mm。

實施例七

實施例七與實施例一的不同在於，實施例七中的電漿霧化噴槍系統2至所述導液管3底部的距離為20 mm。

實施例八

實施例八與實施例一的不同在於，實施例八中的霧化罐9的直徑與高度比為1:5。

實施例九

實施例九與實施例一的不同在於，實施例九中的霧化罐9的直徑與高度比為1:8。

實施例十

實施例十與實施例一的不同在於，實施例十中的導液管3的直徑為10 mm，保溫材料的厚度為100 mm。

實施例十一

實施例十一與實施例一的不同在於，實施例十一中的導液管3的直徑為20 mm，保溫材料的厚度為150 mm。

綜上，本公開通過熔融保溫爐1對原材料進行熔融保溫，且控制溫度為原材料熔點以上100至1500℃，在導液管3將熔融保溫爐1內的熔融液體導入霧化罐9內後，電漿霧化噴槍系統2與冷卻氣循環入口6相互配合，獲得粒徑1-20 μm的超細粉末。在收粉筒10收集較大粒徑的粉末8的同時，超細粉末在冷卻氣的作用下通過冷卻氣循環出口11進入布袋收集器12內，實現顯著提升粉末8製備效率的目的，使得該電漿弧霧化法製備超細粉末的裝置具有工業化生產並獲得粒徑1-20 μm的超細粉末8的效果。

以上所述僅為本發明的優選實施例，本發明的保護範圍並不僅僅局限於上述實施例，但凡屬於本發明構想下的技術方案均屬於本發明的保護範圍。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理前提下的若干修改和潤飾，這些修改和潤飾也應視為本發明的保護範圍。

1:熔融保溫爐 2:電漿霧化噴槍系統 3:導液管 4:液柱 5:霧化隔層 6:冷卻氣循環入口 7:電漿弧 8:粉末 9:霧化罐 10:收粉筒 11:冷卻氣循環出口 12:布袋收集器 13:高壓氣循環系統

圖1是本公開的電漿弧霧化法製備超細粉末的裝置的實施例的結構示意圖。

無

1:熔融保溫爐

2:電漿霧化噴槍系統

3:導液管

4:液柱

5:霧化隔層

6:冷卻氣循環入口

7:電漿弧

8:粉末

9:霧化罐

10:收粉筒

11:冷卻氣循環出口

12:布袋收集器

13:高壓氣循環系統

Claims (9)

1. 一種電漿弧霧化法製備超細粉末的裝置，包含：一霧化罐，該霧化罐的頂部設置有一熔融保溫爐，該熔融保溫爐的底部設置有一導液管，該導液管將該熔融保溫爐內的熔融液體以液柱的形式導入該霧化罐，並在導入該霧化罐內時形成液滴；該霧化罐的側壁上設置有一電漿霧化噴槍系統以及位於該電漿霧化噴槍系統下端的冷卻氣入口，該電漿霧化噴槍系統的端部形成有朝向該液滴並用於將該液滴加熱擊碎的電漿弧，該冷卻氣入口用於冷卻擊碎的液滴並形成粉末，其中該霧化罐的下端設置有位於底部的一收粉筒以及位於該收粉筒上端且用於收集粒徑低於20μm的粉末的一布袋收集器，其中該冷卻氣入口為冷卻氣循環入口，該布袋收集器與該冷卻氣循環入口連通，且該霧化罐與該布袋收集器之間設置有一冷卻氣循環出口；該布袋收集器與該冷卻氣循環入口之間設置有一高壓氣循環系統。
2. 根據請求項1所述之電漿弧霧化法製備超細粉末的裝置，其中該冷卻氣循環入口設置有兩個，該兩冷卻氣循環入口呈左右對稱且均與該高壓氣循環系統連接。
3. 根據請求項1所述之電漿弧霧化法製備超細粉末的裝置，其中該導液管的外側設置有保溫材料；該導液管的直徑為1-20mm，該保溫材料的厚度為10-200mm。
4. 根據請求項1所述之電漿弧霧化法製備超細粉末的裝置，其中該電漿霧化噴槍系統設置有至少兩個，且呈等弧度周向分佈於該霧化罐周圍。
5. 根據請求項4所述之電漿弧霧化法製備超細粉末的裝置，其中該電漿霧化噴槍系統設置有2-8個，且該電漿霧化噴槍系統與該霧化罐側壁之間的夾角為30-90°。
6. 根據請求項5所述之電漿弧霧化法製備超細粉末的裝置，其中該電漿霧化噴槍系統埠至該導液管底部的距離為1mm以上；該電漿霧化噴槍系統採用氮氣、氫氣、氬氣、氦氣或水蒸氣作為工作氣體，且該電漿霧化噴槍系統的功率為5-100kW。
7. 根據請求項1所述之電漿弧霧化法製備超細粉末的裝置，其中該霧化罐的直徑與高度比為1：1至1：8。
8. 根據請求項3所述之電漿弧霧化法製備超細粉末的裝置，其中該液柱的溫度高於原材料熔點100-1500℃，且該高壓氣循環系統中的冷卻氣為氮氣、氬氣或氦氣。
9. 根據請求項1所述之電漿弧霧化法製備超細粉末的裝置，其中該霧化罐內有霧化隔層，該電漿霧化噴槍系統與該導液管均安裝在該霧化隔層上方。

Images