CN103736435B - 一种利用交流等离子体球化粉体的设备及*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用交流等离子体球化粉体的设备，包括放电室、电感线圈和与所述放电室的底部连通的热交换室；所述放电室包括顶盖、伸入所述放电室内的粉体进料管以及绕有所述电感线圈的圆柱形放电室侧壁；所述热交换室包括热交换室侧壁和位于所述热交换室底部的球形粉出口；在所述放电室内设有工作气体进气管，在所述放电室侧壁上设有保护气体进气管，所述顶盖、放电室侧壁以及热交换室侧壁内均设有冷却腔；本发明还公开了一种包括上述设备的粉体球化***；本发明利用由电感线圈产生的交流等离子体对形状不规则的粉体进行球化，改变了现有技术中利用电极放电产生等离子体球化粉体的方式，避免了由于电极蒸发而造成产品污染。

Description

一种利用交流等离子体球化粉体的设备及***

技术领域

本发明属于粉体球化领域，具体涉及一种利用交流等离子体球化氧粉体的设备及***。

背景技术

金属基复合材料基本上可以分为连续纤维增强、非连续体增强和叠层复合三类。其中，颗粒增强金属基复合材料不仅具有纤维和晶须增强材料的优良性能,而且具有制备工艺相对简单、材料各向同性好、耐磨性高等优点,是金属基复合材料研究领域的重要分支。Al₂O₃作为常用的颗粒增强体，广泛地用于耐火材料、精密陶瓷、航空航天等许多高新科技领域，是一种高附加值的多品种氧化铝。实验表明，球形Al₂O₃颗粒增强Al基材料比角形粉体表现出更强的塑形，同时由于减小了界面，颗粒和基体能够更好的结合。

工业应用中根据等离子体激发原理可分为直流等离子体和交流等离体。直流等离子体是依靠两电极间的放电而获得，交流等离子体由高频感应线圈产生。目前等离子体的应用已覆盖了很广阔的应用领域，比如：超细微粉末的合成、等离子体化学气相沉积、制备光导纤维以及粉末球化。例如，加拿大PyroGenesis公司已于1998年底将等离子体喷雾用于工业化规模生产球形钛粉，该公司使用的是直流非转弧等离子喷嘴，三个喷嘴对着同一个顶点，形成一个等离子区域，但该方法生产率较低，同时由于电极蒸发容易造成产品污染。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种利用交流等离子体球化粉体的设备及***，以解决现有技术中利用在直流等离子体时，由于电极蒸发容易造成产品污染的问题。所述交流等离子体，是由高频感应线圈感应放电产生的高温等离子体，电子温度和重粒子（原子和离子等）温度均在10⁴数量级，由电子、离子、光子和中性粒子组成，具有能量密度高、加热强度大、等离子弧的体积大等优点。

本发明所提供的利用交流等离子体球化粉体的设备采用以下技术方案：

一种利用交流等离子体球化粉体的设备，包括放电室、电感线圈和热交换室；

所述放电室包括顶盖、粉体进料管以及绕有所述电感线圈的圆柱形放电室侧壁；所述顶盖封闭所述放电室的上端，所述粉体进料管穿过所述顶盖伸入所述放电室内，并且与所述放电室同轴地设置；

所述热交换室包括热交换室侧壁和位于所述热交换室底部的球形粉出口，所述热交换室的顶部与所述放电室的底部连通，并且与所述放电室同轴设置；

在所述放电室内设有至少两根工作气体进气管，所述工作气体进气管的工作气体出口对准所述粉体进料管的粉体出口的正下方，并且绕所述放电室的中心轴线均匀布置在同一水平面内；

在所述放电室侧壁的上端设有两根能使保护气体沿所述放电室侧壁的切向进入所述放电室的保护气体进气管，所述保护气体进气管的保护气体出口沿所述放电室侧壁的周向均匀布置在所述放电室侧壁上；

所述顶盖内设有顶盖冷却腔，所述放电室侧壁内设有绕其周向的环形放电室冷却腔，所述热交换室侧壁内设有绕其周向的环形热交换室冷却腔。

根据本发明的设备，优选地，所述工作气体进气管穿过所述顶盖伸入所述放电室内，并且所述工作气体进气管的工作气体出口方向与所述顶盖所夹锐角为25°～40°，进一步优选为30°～35°。所述工作气体进气管的工作气体出口与所述放电室的中心轴线之间的距离为所述放电室侧壁内径的1/4～1/8，进一步优选为所述放电室侧壁内径的1/4～1/6。

根据本发明的设备，优选地，所述粉体进料管的粉体出口与所述电感线圈的上端、工作气体出口以及保护气出口平齐；进一步优选地，所述粉体进料管的粉体出口呈喇叭形。

根据本发明的设备，优选地，所述热交换室冷却腔包括多个沿所述热交换室的轴线方向依次布置的独立冷却腔；所述顶盖冷却腔与所述放电室冷却腔通过外置管道连通。

根据本发明的设备，优选地，所述热交换室的内径为所述放电室内径的1.1～1.6倍，进一步优选为所述放电室内径的1.2～1.5倍。

本发明还提供了一种粉体球化***，所述***包括本发明所提供的设备以及依次连接的旋风分离器、气体过滤器和引风机，所述旋风分离器的进料口通过管线与所述设备的球形粉出口连接。

与技术相比，本发明具有以下优点：

1）利用由感应线圈产生的交流等离子体对形状不规则的粉体进行球化，改变了现有技术中利用电极放电产生等离子体球化粉体的方式，避免了由于电极蒸发而造成产品污染；

2）本发明的采用单根粉体进料管与所述放电室同轴进料，有效避免了现有技术中采用多根粉体进料管进料本身可能存在的粉体进料不均的问题；

3）本发明通过在热交换室侧壁内设置多个独立的热交换室冷却腔，有利于控制所述热交换室内壁的温度，在所述热交换室内形成合理的温度梯度，以提高粉体的球化率及球化质量；

4）本发明操作简单灵活，热利用率高，具有良好的温度环境—可控的温度场即等离子体边缘温度，易于工业实施。

附图说明

图1是本发明所提供的设备的一种实施方式的主视剖面图；

图2是图1的侧视剖面图。

图3是图1中放电室在A-A处的剖视图；

图4是本发明所提供的粉体球化***的示意图；

图5是实施例1中粉体球化前的SEM图；

图6是实施例1中粉体球化后的SEM图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明，但需要注意的是，本发明并不仅限于附图所示的实施方式。

如图1、2和3所示，本发明提供的利用交流等离子体球化粉体的设备，包括放电室1、电感线圈2和热交换室3。

所述放电室1包括顶盖11、粉体进料管12以及呈圆柱形的放电室侧壁13；所述顶盖11封闭所述放电室1的上端，在如图1所示的实施例中，所述顶盖1通过法兰与所述放电室侧壁13的上端固定连接。当然，本领域技术人员容易想到所述顶盖11还可以通过其它方式封闭所述放电室1的上端。所述顶盖11内设有顶盖冷却腔16，所述顶盖冷却腔16设有顶盖冷却介质入口24和顶盖冷却介质出口22，冷却介质（比如气体或液体）可以通过所述顶盖冷却介质入口24和顶盖冷却介质出口22而流入、流出所述顶盖冷却腔16，防止所述顶盖11温度过高。

所述粉体进料管12穿过所述顶盖11并与所述放电室1同轴地伸入所述放电室1内，以送入待球化的角形粉体（比如颗粒物通过超微粉碎机粉碎后得到的粉体，具有不规则形状）。在一种实施方式中，所述角形粉体通过惰性气体（比如氩气）输送进入所述放电室1，或者通过其它不会与该粉体在高温下反应的气体，上述气力输送方式为本领域所熟知，这里不再赘述。优选地，所述粉体进料管12的粉体出口25呈喇叭形，沿所述放电室1的中心轴线b（即所述放电室侧壁13所成圆柱形的内径）向下设置，有利于粉体在所述放电室1内的均匀分布。

在所述放电室1内设有两根工作气体进气管14，所述工作气体进气管14的工作气体出口（图中未标出）对准所述粉体出口25的正下方，并且绕所述放电室的中心轴线b均匀布置在同一水平面内。这样，进入所述放电室1的工作气体可以很好地相互碰撞并对粉体进行分散，并且通过调节所述工作气体的流速或流量还可以有效控制粉体在放电室1内的等离子体区域中的停留时间。在其它实施例中，所述工作气体进气管14还可以是三根、四根或更多，例如当所述工作气体进气管14的数量为三根时，其工作气体出口之间的距离相等，并且其工作气体出口与所述粉体出口25之间的距离相等；当所述工作气体进气管14为其它数量时，本领域技术人员参照以上描述后同样容易理解其具体布置方式。优选地，所述工作气体进气管14的工作气体出口与所述放电室的中心轴线b之间的距离为所述放电室侧壁13内径的1/4～1/8，进一步优选为所述放电室侧壁13内径的1/4～1/6，以促进粉体的分散。

在一个优选实施方式中，所述工作气体进气管14穿过所述顶盖11伸入所述放电室1内，并且所述工作气体进气管14的工作气体出口方向与所述顶盖11所夹锐角为25°～40°，进一步优选为30°～35°，以进一步优化粉体的分散效果与停留时间。

所述放电室侧壁13内设有绕其周向的环形放电室冷却腔18，所述放电室冷却腔18设有放电室冷却介质入口21和放电室冷却介质出口23，冷却介质（比如气体或液体）可以通过所述放电室冷却介质入口21和放电室冷却介质出口23而流入、流出所述放电室冷却腔18，防止所述放电室侧壁13温度过高。在一个实施例中，所述放电室冷却介质出口23通过外置管道连接至所述顶盖冷却介质入口24，以使所述放电室冷却腔18与所述顶盖冷却腔16连通。

在所述放电室侧壁13的上端设有两根能使保护气体沿所述放电室侧壁13的切向进入所述放电室1的保护气体进气管15，所述保护气体进气管15的保护气体出口17沿所述放电室侧壁13的周向均匀布置在所述放电室侧壁13上（即两个保护气体出口17之间的连线与所述放电室的中心轴线b垂直相交），通入的保护气体可以沿放电室1内壁形成螺旋式的保护气帘，避免粉体碰撞放电室1内壁而造成产品污染。容易理解的是，所述保护气体同样不应与放电室1内其它物质发生反应，比如当球化氧化铝粉体时，从成本、化学性质考虑，可以选择空气作为保护气体。另外，对应于不同流量或流速的工作气体，所述保护气体的流量或流速也应该做相应的调整，以保证工作气体不扩散到放电室1内壁。在其它实施例中，所述保护气体进气管15还可以是三根、四根或更多，例如当所述保护气体进气管15的数量为三根时，其保护气体出口17之间的距离相等，并且位于所述放电室侧壁13的同一水平截面上；当所述保护气体进气管15为其它数量时，本领域技术人员参照以上描述后同样容易理解其具体布置方式。优选地，在所述放电室侧壁13上还设有透明观察孔19（参见图4），以观察所述放电室1内的等离子体放电情况。

所述电感线圈2缠绕在所述放电室侧壁13外，用于在所述放电室1内产生交流等离子体，并使进入所述放电室1内的粉体在高温下加热熔融。优选地，所述粉体进料管12的粉体出口25与所述电感线圈2的上端、工作气体出口以及所述保护气体出口17平齐。

所述热交换室3包括热交换室侧壁31和位于所述热交换室3底部的球形粉出口32，所述热交换室3的顶部与所述放电室1的底部连通并且与所述放电室1同轴设置，在如图1所示的实施例中，所述热交换室3的顶部通过法兰与所述放电室1的底部固定连接。所述热交换室侧壁31内设有绕其周向的环形热交换室冷却腔33，所述热交换室冷却腔33设有热交换室冷却介质入口34和热交换室冷却介质出口35，冷却介质（比如气体或液体）可以通过所述热交换室冷却介质入口34和热交换室冷却介质出口35而流入、流出所述热交换室冷却腔33，以控制所述热交换室侧壁31温度。经等离子体加热熔融的粉体下落进入所述热交换室3进行降温以球化，然后由所述球形粉出口32送出。优选地，所述热交换室3的内径（即所述热交换室侧壁31所成圆柱形的内径）为所述放电室1内径（即所述放电室侧壁13所成圆柱形的内径）的1.1～1.6倍，进一步优选为所述放电室1内径的1.2～1.5倍，从而使所述放电室1内的物质在进入热交换室3时可以产生“节流膨胀效应”，更有利于物质的分散降温。

在一个优选实施方式中，所述热交换室冷却腔33包括多个沿所述热交换室3的轴线方向依次布置的独立冷却腔，这些独立冷却腔可以分别引入相同或不同的冷却介质，使所述热交换室3内壁的温度更加灵活可控，在所述热交换室3内形成合理的温度梯度，以提高粉体的球化率及球化质量。

在一种实施方式中，本发明所提供的利用交流等离子体球化粉体的设备被用于粉体球化***中，如图4所示，所述粉体球化***还包括依次连接的旋风分离器4、气体过滤器5和引风机6，所述旋风分离器4的进料口与所述球形粉出口32通过管线连接。

如图4所述的粉体球化***在运行时，首先向顶盖冷却介质入口24、放电室冷却介质入口21和热交换室冷却介质入口34通入冷却介质，向保护气体进气管15中通入空气作为保护气体，向工作气体进气管14中通入氩气作为工作气体；接通高频电源为所述电感线圈2供电，通过所述透明观察孔19观察放电情况，直到获得稳定的等离子体；角形粉体通过粉体进料管12送入等离子体区域加热熔融之后进入热交换室3，通过控制热交换室侧壁31温度使熔融粉体降温球化，最后在引风机6作用下，球化粉体与气体一起进入旋风分离器4，球化粉体与气体分离后被收集，分离出的气体进一步通过气体过滤器5过滤，最后排出。

实施例

球化粉体的设备如图1-3所示，其中，放电室侧壁13高50cm，其内径为30cm；热交换室侧壁31高70cm，其内径为50cm。待球化原料为神华准能资源开发有限公司氧化铝中试厂生产的氧化铝，经过研磨粉碎，中位粒径为25μm（其SEM图片见图5）。通入氩气作为工作气体，流量为1.3m³/h,通入空气作为边气，流量为4.5m³/h,开启高频电源，振荡频率为4.0MHz，等离子体功率为40kW，几分钟后获得稳定的等离子体，通过送粉***将角形氧化铝粉末通入放电室1，加料速度为10g/min，利用高频等离子体进行加热熔融，调节热交换室冷却介质的温度和流量，控制所述热交换室侧壁31为300℃，在旋风分离器4底部收集球化后的氧化铝粉末（其SEM图片见图6），球化率达90%以上。

Claims (7)

1.一种利用交流等离子体球化粉体的设备，包括放电室、电感线圈和热交换室；

所述放电室包括顶盖、粉体进料管以及绕有所述电感线圈的圆柱形放电室侧壁；所述顶盖封闭所述放电室的上端，所述粉体进料管穿过所述顶盖伸入所述放电室内，并且与所述放电室同轴地设置；

所述热交换室包括热交换室侧壁和位于所述热交换室底部的球形粉出口，所述热交换室的顶部与所述放电室的底部连通，并且与所述放电室同轴设置；

在所述放电室内设有至少两根工作气体进气管，所述工作气体进气管的工作气体出口对准所述粉体进料管的粉体出口的正下方，并且绕所述放电室的中心轴线均匀布置在同一水平面内；

在所述放电室侧壁的上端设有两根能使保护气体沿所述放电室侧壁的切向进入所述放电室的保护气体进气管，所述保护气体进气管的保护气体出口沿所述放电室侧壁的周向均匀布置在所述放电室侧壁上；

所述顶盖内设有顶盖冷却腔，所述放电室侧壁内设有绕其周向的环形放电室冷却腔，所述热交换室侧壁内设有绕其周向的环形热交换室冷却腔；

所述工作气体进气管穿过所述顶盖伸入所述放电室内，并且所述工作气体进气管的工作气体出口方向与所述顶盖所夹锐角为25°～40°；

所述粉体进料管的粉体出口与所述电感线圈的上端、工作气体出口以及保护气出口平齐；

所述热交换室的内径为所述放电室内径的1.2～1.5倍。

2.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述工作气体进气管的工作气体出口与所述放电室的中心轴线之间的距离为所述放电室侧壁内径的1/4～1/8。

3.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述粉体进料管的粉体出口呈喇叭形。

4.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述热交换室冷却腔包括多个沿所述热交换室的轴线方向依次布置的独立冷却腔。

5.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述顶盖冷却腔与所述放电室冷却腔通过外置管道连通。

6.根据权利要求1所述的设备，其特征在于，所述放电室侧壁上设有透明观察孔。

7.一种粉体球化***，包括根据权利要求1-6中任一项所述的设备以及依次连接的旋风分离器、气体过滤器和引风机，所述旋风分离器的进料口通过管线与所述设备的球形粉出口连接。