CN112452507A - 一种连续低温等离子体粉末处理和球磨生产装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种连续低温等离子体粉末处理和球磨生产装置及其方法。所述装置包括粉末循环输送管道***、球磨机、低温等离子体放电管道、真空出料***和可控制气氛***四个组成部分；本发明利用粉末循环输送***，将待处理粉末在可控的气压和流转速度下在管道中循环输送，在此过程中，一方面在粉末管道输送过程中引入球磨机，对物料粉末进行球磨细化或者合金化；另一方面在部分粉末输送管道中引入介质阻挡放电结构，对管道中的流转的球磨粉末进行等离子体放电处理。它是基于普通粉末循环输送技术基础上，实现管道中的近常压放电等离子体协同机械球磨共同处理粉末。本发明也可用于对常规金属、高分子或者氧化物粉末进行的表面循环改性处理。

Description

一种连续低温等离子体粉末处理和球磨生产装置及其方法

技术领域

本发明属于粉末材料加工与粉末冶金技术领域，涉及等离子气体粉末表面处理和球磨技术，具体涉及一种连续低温等离子体粉末处理和球磨生产装置。

背景技术

随着新材料和智能制造产业的快速发展，开发低成本、无污染、高性能的功能粉体制备技术，是电子信息、机械制造、生物医用、国防军事等领域的关键基础。低温等离子体一方面具有足够高能量的活性物质使反应物分子激发、电离或断键，另外一方面不会使被处理材料热解或烧蚀，在改性粉末材料表面上具有独特的应用价值。

等离子体是除了固态、气态、液态之外的物质的第四种状态，是由具有相等数量的正负电荷的原子、分子、离子以及自由基组成的。等离子体的激发主要是由足够的能量作用于气体分子时，分子发生了电离从而产生大量的正负带电粒子、电子和中性粒子以及自由基组成的表现出集体行为的一种准中性气体。相比于常规的物理和化学的合成方法，等离子体方法可以避免高温和漫长的反应时间，在不破坏材料纳米结构的同时，可以快速地在材料表面构筑缺陷、掺杂等，使材料表面的结构、成分、基团和浸润性等发生变化。其中，低温等离子体因为具有较高的电子温度、较低的气体温度以及高能的特性，在材料合成和表面改性中具有广泛的应用。介质阻挡放电是低温等离子体的一种常见方式,是在2个放电电极之间充满某种工作气体，并在其中加入绝缘介质，当向2电极间施加足够高的交流电压时，电极间的气体会被击穿而产生放电。同时，介质阻挡放电能够摆脱低气压放电等离子体所需真空***的束缚。

然而，当前低温等离子体在材料合成和表面处理的应用，其较为成熟的技术主要集中在高分子材料的表面处理和催化材料的表面构筑缺陷、掺杂等方面。例如低温等离子体中的活性粒子具有的能量一般都接近或超过碳-碳或其他含碳键的键能，因此等离子体完全有足够的能量引起聚合物内的各种化学键发生断裂或重新组合，很容易在高分子材料表面引入极性基团或活性点。但是低温等离子体在金属材料和陶瓷氧化物等材料的制备和改性方面鲜有应用。目前较为成熟的应用技术是CN 1718282 A和CN 2014108150933分别公开了一种等离子体辅助高能球磨方法和冷场等离子体放电辅助高能球磨粉体的应用方法及装置，上述两项专利主要介绍了在普通球磨机基础上如何改进和实现等离子体放电辅助球磨的功能和效果。该技术在应用的材料已涉及单质金属、硬质合金、储氢合金、石墨基电极材料、氧化物陶瓷、激光玻璃、电催化剂、红外隐身片状材料、含氯固废材料处理、3D打印粉末等，初步显示了低温等离子体辅助球磨技术的巨大价值。但是该技术面临的主要问题是，球磨罐作为等离子体的放电空间，受限于常规介质阻挡放电间距不宜过大，因此，球磨罐的容积很难突破10升以上。这主要因为球罐空间增加，电极棒与接地电极的球磨罐管壁的距离会增加，导致击穿离化气体的放电距离会增加，放电距离越大，放电难度越大；对于球磨罐容积大于10升以上，放电电压将超过40KV，电极棒的寿命在高电压工况下，寿命急剧衰减。因此，该问题限制了等离子体辅助球磨技术在规模化粉末制备产业的应用。

此外，CN 101239334 A和CN1011239336 A分别公开了一种等离子体辅助高能滚筒球磨装置和一种等离子体辅助搅拌球磨装置，它主要是在传统滚筒和搅拌球磨机上改装而成的，均无法解决放电距离对放电球磨罐空间的限制等问题。

然而，等离子体与球磨机械力共建可以实现对被球磨粉末材料的多重有利制备因素。首先，高能电子所携带的电子温度极高，在球磨时对粉体的微区瞬时加热，而粉体离开等离子体时，温度又急剧下降，产生巨大的热应力，使粉末产生熔化、热爆等现象，同时产生“急热-急冷”的粉末细化机理；其次，等离子体的高活性粒子与被球磨粉体发生碰撞、吸附，使材料表面的活性提高，而球磨机械力引入的新鲜表面、大量缺陷进一步增强被球磨粉体的活性，使得扩散、相变和化学反应极易进行；最后，由于粉末被等离子加热的同时也被磨球撞击，变形在一定温度下进行。因此，如何将低温等离子体应用于工业级粉末材料的规模化制备或者改性应用，是十分有意义的。

EP1432964B1 2012专利介绍了大气压等离子体射流，采用了管道式单介质阻挡等离子体放电结构，即内径11毫米氧化铝管外包覆金属层作为高压电极，氧化铝管中央***外径8毫米的接地电极，因此，等离子体的放电间距是1.5毫米，放电空间很小限制其规模化应用。

等离子体发生器一般在在负压(真空)下，给反应气体环境施加高频电场，气体在高频电场的激励下电离，产生等离子体。这些离子的活性很高，其能量足以破坏几乎所有的化学键，在任何暴露的材料表面引起化学反应，从而使材料表面的结构、成分和基团发生变化，得到满足实际要求的表面。同时，等离子体反应速度快、处理效率高，而且改性仅发生在材料表面，对材料内部本体材料的性能没有影响，是理想的表面改性手段。等离子体表面改性已经广泛应用于薄膜状、块状和颗粒状等形状的材料中，而且不同形状的材料必须采用不同的等离子体处理方式，如薄膜状物料(包括薄膜、织物、无纺布、丝网等)，由于其可以成卷包装，因此可以采用卷对卷式批量处理；块状物料由于可以逐个摆放，因此适用于多层平板电极处理。而等离子体在处理粉末颗粒方面的应用较少，主要集中高分子材料的表面处理和催化材料的表面构筑缺陷、掺杂等方面。

如果将低温等离子体处理粉末材料的规模化应用扩展到金属粉末和氧化物陶瓷粉末等领域，必须解决以下几方面问题：(1)粉末等离子体处理过程中存在粉体堆积，微粒间的团聚，使得没有暴露在等离子体气氛中的微粒表面得不到处理，难以实现微粒全部处理，导致微粒处理不完全、不均匀，处理效果差；(2)实现可控制的等离子体的放电强度和能量。由于高分子材料的键能相对于金属和氧化物材料而言低很多，因此，常规的用于高分子材料处理的等离子体能量较低，不适用与金属材料和氧化物材料等；(3)一般介质阻挡等离子体放电或者射频等离子体放电空间均有限，因此，开发大面积的等离子体放电结构是解决等离子体规模化制备或者处理粉末的关键问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的上述不足，提供一种连续低温等离子体粉末处理和球磨生产装置及其方法。

本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

一种连续低温等离子体粉末处理和球磨生产装置，包括粉末循环输送管道***、球磨机、低温等离子体放电管道、真空出料***和可控制气氛***，所述粉末循环输送管道***通过管道与球磨机和低温等离子体放电管道顺次连接，所述低温等离子体放电管道与粉末循环输送管道***连接；所述可控制气氛***与粉末循环输送管道***连接。

进一步地，所述的粉末循环输送管道***包括投料仓、暂存仓、下料管道、负压风机和反吹***；所述投料仓与暂存仓连接，所述暂存仓的底部下料出口与真空出料***连接，所述暂存仓上设置有反吹***，所述反吹***通过管道与负压风机连接，所述负压风机通过管道与球磨机、低温等离子体放电管道和暂存仓顺次连接。

上述装置中，还包括第一气动蝶阀、旋转下料阀、第二气动蝶阀、调节闸阀、第三气动蝶阀和***；所述第一气动蝶阀设置于投料仓与暂存仓之间；所述暂存仓的出料口处设置有旋转下料阀；所述负压风机出口设置有***，所述***与球磨机之间的管道上设置有第三气动蝶阀、调节闸阀和第二气动蝶阀。

进一步地，所述的低温等离子体放电管道包括进料口、出料口、外介质阻挡层、内介质阻挡层、外高压电极、内地电极、冷却液、管道放电间隙和脉冲高压电源；所述内介质阻挡层形成管道壁面，其中管道内部设置有内地电极，所述内地电极为中空，内部设置有冷却液，所述内地电极的外壁面设置有外介质阻挡层；所述内介质阻挡层外部设置有外高压电极，所述外高压电极与内地电极之间连接有脉冲高压电源。

进一步地，所述的可控制气氛***包括工作气瓶、调压阀、压力传感器、气动蝶阀和除尘器；所述工作气瓶分别与反吹***和负压风机的出口管路连接，所述除尘器设置于工作气瓶与反吹***之间的管路上，所述工作气瓶与负压风机的出口之间的管理上设置有调压阀、压力传感器和气动蝶阀。

所述装置的使用方法，包括如下步骤：所述的粉末循环输送***通过可控的气压和流转速度对待处理物料粉末进行循环输送，在此过程中，一方面在部分粉末输送管道中引入介质阻挡放电结构，形成低温等离子体放电管道，实现对管道中的流转物料粉末进行等离子体放电处理，另一方面在粉末管道输送过程中引入球磨机，同时对等离子体放电处理的粉末进行球磨细化或者合金化；整个过程中通过可控制气氛***对粉末流转速度、气压、放电气氛进行调控，处理完成之后的物料粉末进入真空出料***进行回收打包；

所述的粉末循环输送管道***采用负压条件运行；

所述的球磨机采用振动球磨或滚筒球磨；

所述的低温等离子体放电管道是利用粉末输送管道搭建双介质阻挡放电低温等离子体装置，并搭配脉冲高压电源；

所述的可控制气氛***与粉末循环输送管道***连接，提供粉末处理和输送过程所需要的保护或者反应气氛，所述气氛包括氩气、氮气、氨气、氢气或氧气，上述气氛通过低温等离子体放电管道中可以离化放电，实现等离子体对被加工粉体表面改性效果。

上述方法中，单次循环物料粉末的流转输送距离为6米到20米，循环管道内径为35毫米到60毫米，物料粉末和气体的质量比为5:1到12:1，流转气体和放电气体压力为-0.3bar到-0.1bar，物料粉末和气体的流转速度为10m/s到15m/s。

上述方法中，所述粉末循环输送管道***中，粉料下料进入投料仓，一次投料10L到50L，自动通过投料仓下料口进入工作气体保护状态下的暂存仓，气体在反吹***中实现固气分离，剩余固体物料粉末通过旋转下料阀、下料管道进入物料循环***，分别经过球磨机进行机械球磨，并在特定的气体悬浮力作用下由下而上经过低温等离子体放电管道进行表面处理，此后再次进入暂存仓和反吹***进行固气分离，物料粉末循环处理后进入真空出料***进行打包；在反吹***中实现分离的气体分别经由负压风机、***、气动蝶阀、调节闸阀、气动蝶阀后，将压力的气体送入到物料循环***，为物料粉末的输送提供动力；下料管道内径为100毫米到180毫米，其他循环管道内径为35毫米到60毫米。

上述方法中，所述的低温等离子体放电管道中，整个低温等离子体放电管道长2米到5米，外介质阻挡层和内介质阻挡层采用石英玻璃或者高纯度氧化锆陶瓷材料，内介质阻挡层外壁和外介质阻挡层内壁之间的距离，即管道放电间隙单边距离选择5毫米到15毫米；电源的脉冲电压峰峰值20KV-40KV，电源的放电频率值10-40KHz，冷却液主要实现对电极材料的冷却和保护，实现电极***温度控制在150℃以下。

上述方法中，所述的可控制气氛***中，通过调节工作气瓶压力，实现对整个管道***的抽真空、置换所需气体以及物料粉末流转速度的调控，同时气瓶通过设定特点气体压力和流量实现对除尘器中反吹***的工作。

由于本发明利用粉末循环输送管道与双介质阻挡放电等离子体相结合，通过采用双介质阻挡的管道放电结构完成了对的等离子体在管道内的强度可控技术，实现了大面积、均匀性和高能量的非平衡等离子体和下游机械球磨的稳定协同作用，使得该技术具有以下优势：

首先，双介质阻挡放电等离子体能够在近常压和常压下发生，满足粉末循环输送管道中的运行气氛的气压要求；本申请中流转气体和放电气体压力选择为-0.3bar到-0.1bar的范围，当气压压力低于-0.3bar，时候，虽然放电强度较高，但是粉末流转动力不足，粉末在循环管道中的分布不够均匀，同时，负压风机的功率将急剧上升，发热量急剧增加；当气体压力大于-0.1bar时，虽然粉末流转动力足、粉末在循环管道内的分布均匀、负压风机功率低等，但是低温等离子体放电管道中的等离子体放电强度不足，还会出现大量的丝状放电或者火花放电等，对电极寿命构成危害。

其次，双介质阻挡放电由于介质层抑制了微放电的无限增强，使得介质阻挡放电不会转化成火花放电或弧光放电，确保等离子体不是对材料破坏力强的热等离子体，也可以避免对电极材料的烧损；

其三，利用粉末输送管道搭建双介质阻挡放电低温等离子体装置，整个低温等离子体放电管道长度为2米到5米，使得粉末输送管道既有输送物料粉末的作用，又具有作为放电等离子体发生器的作用，这些方案即实现了长距离、大面积均匀稳定的辉光放电，既对于等离子体的能量密度利用率较高又避免了局部高强电场击穿，实现了物料粉末的等离子体规模化制备和表面处理技术。

其四，双介质阻挡放电可以在介质层表面均匀铺开，整个过程中，粉末在循环管道中均匀悬浮流动，在经过低温等离子体放电管道过程中，所有粉末颗粒完全浸润与等离子体中，实现了粉末微粒的全部处理；

其五，这种高能量的非平衡等离子体和机械球磨的稳定协同作用，具有明显降低反应活化能、细化晶粒、极大提高粉末活性和改善颗粒分布均匀性及增强体与基体之间界面的结合，促进固固态、气固态离子扩散，诱发低温反应，从而提高了材料的各方面的性能，是一种基于理论原创出的节能、高效的材料制备技术；

其六，在气路***设计方面，本申请通过气路***实现了对粉末输送管道室内气氛的成分、压力和粉末流通等参数的标准化，与粉末材料的理化特性共同实现了对气体放电强度的可控制技术；

最后，该装置具有“一机两用”的功能，即在球磨机运行过程中，通过低温等离子体放电管道对球磨粉末进行等离子体处理，构建机械球磨和等离子体多场耦合效应制备粉末材料；另一方面，当机械球磨停止运行是，整个装置仅仅依靠低温等离子体放电管道对物料粉末进行单纯等离子体表面改性功能。

附图说明

图1是本发明一种连续低温等离子体粉末处理和球磨生产装置结构示意图；

图2是本发明粉末循环输送管道***和可控制气氛***的结构示意图；

图3是本发明低温等离子体放电管道结构示意图；

图4为实施例1中经过低温等离子体处理和球磨后Fe粉末形貌；

图5a为实施例3经过低温等离子体处理和球磨后的WO3-20wt％C复合粉末颗粒形貌SEM结果；

图5b为实施例3经过低温等离子体处理和球磨后的WO3-20wt％C复合粉末DSC结果图；

图6为经过低温等离子体处理和球磨后的WO3-20wt％C复合粉末在1150℃的真空烧结炉中保温1小时后合成WC的SEM结果图；

图中包括：粉末循环输送管道***1、球磨机2、低温等离子体放电管道3、真空出料***4、可控制气氛***5、投料仓11、第一气动蝶阀12、暂存仓13、旋转下料阀14、下料管道15、第二气动蝶阀16、调节闸阀17、第三气动蝶阀18、***19、负压风机110、反吹***111、进料口31、出料口32、外介质阻挡层33、内介质阻挡层34、外高压电极35、内地电极36、冷却液37、管道放电间隙38、脉冲高压电源39、工作气瓶51、调压阀52、压力传感器53、第四气动蝶阀54、除尘器55。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的具体实施进行详细说明，但本发明的实施和保护不限于此。

如图1～图3所示，一种连续低温等离子体粉末处理和球磨生产装置，包括粉末循环输送管道***1、球磨机2、低温等离子体放电管道3、真空出料***4和可控制气氛***5，所述粉末循环输送管道***1通过管道与球磨机2和低温等离子体放电管道3顺次连接，所述低温等离子体放电管道3与粉末循环输送管道***1连接；所述可控制气氛***5与粉末循环输送管道***1连接。所述的粉末循环输送管道***1是由投料仓11、暂存仓13、下料管道15、负压风机110和反吹***111组成；所述投料仓11与暂存仓13连接，所述暂存仓13的底部出口与真空出料***4连接，所述暂存仓13上设置有反吹***111，所述反吹***111通过管道与负压风机110连接，所述负压风机110通过管道与球磨机2、低温等离子体放电管道3和暂存仓13顺次连接。还包括第一气动蝶阀12、旋转下料阀14、第二气动蝶阀16、调节闸阀17、第三气动蝶阀18和***19；所述第一气动蝶阀12设置于投料仓11与暂存仓13之间；所述暂存仓13的出料口处设置有旋转下料阀14；所述负压风机110出口设置有***19，所述***19与球磨机2之间的管道上设置有第三气动蝶阀18、调节闸阀17和第二气动蝶阀16。所述的低温等离子体放电管道3包括进料口31、出料口32、外介质阻挡层33、内介质阻挡层34、外高压电极35、内地电极36、冷却液37、管道放电间隙38和脉冲高压电源39；所述内介质阻挡层34形成管道壁面，其中管道内部设置有内地电极36，所述内地电极36为中空，内部设置有冷却液37，所述内地电极36的外壁面设置有外介质阻挡层33；所述内介质阻挡层34外部设置有外高压电极35，所述外高压电极35与内地电极36之间连接有脉冲高压电源39。所述的可控制气氛***5包括工作气瓶51、调压阀52、压力传感器53、气动蝶阀54和除尘器55；所述工作气瓶51分别与反吹***111和负压风机110的出口管路连接，所述除尘器55设置于工作气瓶51与反吹***111之间的管路上，所述工作气瓶51与负压风机110的出口之间的管理上设置有调压阀52、压力传感器53和气动蝶阀54。

首先，利用粉末循环输送管道***，将物料粉末下料进入投料仓，一次投料10L以上，自动通过投料仓下料口进入氩气保护状态下的暂存仓并实现固气分离后；采用负压输送使物料粉末在***管道内特定气氛中循环输送，并经过球磨机进行机械球磨，在特定的气体推力下由下而上经过低温等离子体放电管道进行表面处理；循环处理一定时间后进入真空出料***打包。整个过程中，粉末在循环管道中均匀悬浮流动，在经过低温等离子体放电管道过程中，所有粉末颗粒完全浸润与等离子体中，实现了粉末微粒的全部处理。其次，本发明采用的双介质阻挡结构，可以有效避免弧光放电对电极介质层的破坏和击穿，提供放电稳定性，对于等离子体的能量密度利用率较高。同时，电源的脉冲电压峰峰值20KV-40KV，电源的放电频率值10-40KHz，即可以保证较高的放电能量，又可以避免电极发热量过高等问题。最后，本发明采用的低温等离子体放电管道中，整个低温等离子体放电管道长2米到5米，外介质阻挡层和内介质阻挡层采用石英玻璃或者高纯度氧化锆陶瓷材料，内介质阻挡层外壁和外介质阻挡层内壁之间的距离，即管道放电间隙单边距离选择5毫米到15毫米。利用流动粉末的管道放电技术，实现了长距离、大面积的等离子体处理粉末的放电结构，是解决等离子体规模化制备或者处理粉末的关键。

实施例1

步骤1、先启动可控制气氛***，对整个管道和球磨腔进行抽真空到1Pa以下，然后置换成氩气；其次，启动振动球磨机和启动粉末循环输送管道***，最后启动低温等离子体放电管道及其冷却***。

步骤2、将15公斤超细Fe粉末物料一次性下料进入投料仓，自动通过投料仓下料口进入氩气保护状态下的暂存仓，气体在反吹***中实现固气分离，剩余固体物料粉末通过旋转下料阀、下料管道进入物料循环***；其中，粉末循环管道内径选择35毫米，物料粉末和气体的质量比为5:1，流转气体和放电气体压力为-0.3bar；

步骤3、上述待处理超细Fe粉末分别经过振动球磨机进行机械球磨，并在特定的气体悬浮力作用下由下而上经过低温等离子体放电管道进行表面处理，此后再次进入暂存仓和反吹***进行固气分离，物料粉末循环处理一定时间后进入真空出料***进行打包；其中，振动球磨机采用1400rpm，重力加速度10g，振幅峰峰值15mm，球料比100:1；低温等离子体放电管道放电电压峰峰值29kV，放电电流150mA，放电频率15KHz；下料管道内径为100毫米。

结果显示，超细铁粉末和气体的流转速度可以到达10m/s到13m/s可调，粉末在管道内均匀分散流动；工作连续工作8小时后，低温等离子体放电管道中的，放电辉光保持漫散射状态，电极温度不超过150℃；负压风机温度接近80℃，单次循环物料粉末的流转输送距离为6米。所制备的Fe粉末呈30微米左右的片状结构，如图4所示，表明负压氩气等离子体协调球磨可以有效制备出片状结构的Fe粉，这主要归因于负压氩气等离子体的高放电强度提高了“电-热”耦合效应，其等离子体的热效应使球磨粉末局部温度高于Fe的再结晶温度，在球磨的过程中发生热加工，削弱了加工硬化效应；而其电致塑性效应则在一定程度上也提高了粉末的塑性，使得粉末由薄块状进一步延展成更薄的片状，随后在磨球的强机械力作用下断裂细化为细小片状。

实施例2

步骤1、先启动可控制气氛***，对整个管道和球磨腔进行抽真空到1Pa以下，然后置换成氩气；其次，启动粉末循环输送管道***，最后启动低温等离子体放电管道及其冷却***。

步骤2、将15公斤超细Fe粉末物料一次性下料进入投料仓，自动通过投料仓下料口进入氩气保护状态下的暂存仓，气体在反吹***中实现固气分离，剩余固体物料粉末通过旋转下料阀、下料管道进入物料循环***；其中，粉末循环管道内径选择60毫米，物料粉末和气体的质量比为12:1，流转气体和放电气体压力为-0.1bar；

步骤3、上述待处理超细Fe粉末分别经过振动球磨机内腔，并在特定的气体悬浮力作用下由下而上经过低温等离子体放电管道进行表面处理，此后再次进入暂存仓和反吹***进行固气分离，物料粉末循环处理一定时间后进入真空出料***进行打包；其中，振动球磨机采用空载，转数为0rpm；低温等离子体放电管道放电电压峰峰值29kV，放电电流150mA，放电频率15KHz；下料管道内径为180毫米。

结果显示，超细铁粉末和气体的流转速度可以到达10m/s到15m/s可调，粉末在管道内均匀分散流动；工作连续工作8小时后，低温等离子体放电管道中的，放电辉光中出现部分丝状放电，电极温度不超过150℃；负压风机温度低于70℃，单次循环物料粉末的流转输送距离为20米。

上述处理仅仅对超细Fe粉末表面进行改性，放电等离子体改性后的超细Fe粉末作为的金刚石磨块的主要胎体金属，可以显著改善金刚石对胎体的湿润状况，提高了金刚石与胎体的结合强度，还有利于改善胎体Fe粉末的固相烧结。

实施例3

步骤1、先启动可控制气氛***，对整个管道和球磨腔进行抽真空到1Pa以下，然后置换成氩气；其次，启动振动球磨机和启动粉末循环输送管道***，最后启动低温等离子体放电管道及其冷却***。

步骤2、将8公斤WO3和石墨按照20％质量百分比的配碳量进行混合，将上述混合粉末物在振动球磨机中预球磨1小时，然后再一次性下料进入投料仓，自动通过投料仓下料口进入氩气保护状态下的暂存仓，气体在反吹***中实现固气分离，剩余固体物料粉末通过旋转下料阀、下料管道进入物料循环***；其中，粉末循环管道内径选择50毫米，物料粉末和气体的质量比为10:1，流转气体和放电气体压力为-0.2bar；

步骤3、上述待处理WO3和石墨混合粉末分别经过振动球磨机进行机械球磨，并在特定的气体悬浮力作用下由下而上经过低温等离子体放电管道进行表面处理，此后再次进入暂存仓和反吹***进行固气分离，物料粉末循环处理一定时间后进入真空出料***进行打包；其中，振动球磨机采用1400rpm，重力加速度10g，振幅峰峰值15mm，球料比100:1；低温等离子体放电管道放电电压峰峰值29kV，放电电流150mA，放电频率15KHz；下料管道内径为150毫米。

结果显示，WO3-C混合粉末和气体的流转速度可以到达10m/s到15m/s可调，粉末在管道内均匀分散流动；工作连续工作8小时后，低温等离子体放电管道中的，放电辉光保持漫散射状态，电极温度不超过150℃；负压风机温度接近70℃，单次循环物料粉末的流转输送距离为10米。

采用SEM和DSC对上述经过低温等离子体处理和球磨后的WO3-20wt％C复合粉末进行测试发现，100-200nm的WO3均匀弥撒的被石墨包覆，形成了良好的界面结合，如图5a所示；DSC测试结果显示WO3和C原位还原反应的温度从普通球磨后的1000℃以上降低到900℃，如图5b所示。WO3和C原位还原反应的温度显著影响着合成的WC的颗粒大小，因为WO3与C的原位反应温度越高且保温时间越长，则越容易引起WC长大。所以要想制备出纳米级WC粉末，降低原位还原反应的温度至关重要。

将上述粉末在1150℃真空烧结炉中保温1小时后，其合成WC的晶粒尺寸100-200nm，如图6所示。以WO3、C和Co为原料通过原位还原法制备超细晶WC-Co硬质合金具有价格低廉，工艺流程短等优势，有重要的工业应用价值。原位还原法制备超细晶WC-Co硬质合金的关键一步是合成只含单一物相的超细WC粉末，因为在球磨、反应和烧结的过程中粉末都可能会吸附氧而损耗碳，致使配碳量难以控制。因此，通过一种连续低温等离子体处理和球磨生产装置可以合成出高性能的超细WC粉末，为工业制备超细晶WC-Co硬质合金奠定基础。

实施例4

步骤1、先启动可控制气氛***，对整个管道和球磨腔进行抽真空到1Pa以下，然后置换成氩气；其次，启动粉末循环输送管道***，最后启动低温等离子体放电管道及其冷却***。

步骤2、将2公斤聚乙烯粉末物料一次性下料进入投料仓，自动通过投料仓下料口进入氩气保护状态下的暂存仓，气体在反吹***中实现固气分离，剩余固体物料粉末通过旋转下料阀、下料管道进入物料循环***；其中，粉末循环管道内径选择60毫米，物料粉末和气体的质量比为5:1，流转气体和放电气体压力为-0.3bar；

步骤3、上述待处理聚乙烯粉末分别经过振动球磨机内腔，并在特定的气体悬浮力作用下由下而上经过低温等离子体放电管道进行表面处理，此后再次进入暂存仓和反吹***进行固气分离，物料粉末循环处理一定时间后进入真空出料***进行打包；其中，振动球磨机采用空载，转数为0rpm；低温等离子体放电管道放电电压峰峰值20kV，放电电流100mA，放电频率11KHz；下料管道内径为180毫米。

结果显示，石墨粉末和气体的流转速度可以到达10m/s到15m/s可调，粉末在管道内均匀分散流动；工作连续工作8小时后，低温等离子体放电管道中的，放电辉光中出现部分丝状放电，电极温度不超过150℃；负压风机温度低于70℃，单次循环物料粉末的流转输送距离为10米。

上述处理仅仅对聚乙烯粉末表面进行改性，放电等离子体改性后的聚乙烯粉末在去离子水中的润湿性显著提高，未处理前的聚乙烯粉末基本全部悬浮在水面，等离子处理后的聚乙烯粉末大部分能够在去离子水中快速沉降。该实验工艺在石墨粉末表面处理过程中，也取得了相同的效果。

Claims (10)

1.一种连续低温等离子体粉末处理和球磨生产装置，其特征在于，包括粉末循环输送管道***(1)、球磨机(2)、低温等离子体放电管道(3)、真空出料***(4)和可控制气氛***(5)，所述粉末循环输送管道***(1)通过管道与球磨机(2)和低温等离子体放电管道(3)顺次连接，所述低温等离子体放电管道(3)与粉末循环输送管道***(1)连接；所述可控制气氛***(5)与粉末循环输送管道***(1)连接。

2.根据权利要求1所述连续低温等离子体粉末处理和球磨生产装置，其特征在于，所述的粉末循环输送管道***(1)包括投料仓(11)、暂存仓(13)、下料管道(15)、负压风机(110)和反吹***(111)；所述投料仓(11)与暂存仓(13)连接，所述暂存仓(13)的底部下料出口与真空出料***(4)连接，所述暂存仓(13)上设置有反吹***(111)，所述反吹***(111)通过管道与负压风机(110)连接，所述负压风机(110)通过管道与球磨机(2)、低温等离子体放电管道(3)和暂存仓(13)顺次连接。

3.根据权利要求2所述连续低温等离子体粉末处理和球磨生产装置，其特征在于，还包括第一气动蝶阀(12)、旋转下料阀(14)、第二气动蝶阀(16)、调节闸阀(17)、第三气动蝶阀(18)和***(19)；所述第一气动蝶阀(12)设置于投料仓(11)与暂存仓(13)之间；所述暂存仓(13)的出料口处设置有旋转下料阀(14)；所述负压风机(110)出口设置有***(19)，所述***(19)与球磨机(2)之间的管道上设置有第三气动蝶阀(18)、调节闸阀(17)和第二气动蝶阀(16)。

4.根据权利要求1所述连续低温等离子体粉末处理和球磨生产装置，其特征在于，所述的低温等离子体放电管道(3)包括进料口(31)、出料口(32)、外介质阻挡层(33)、内介质阻挡层(34)、外高压电极(35)、内地电极(36)、冷却液(37)、管道放电间隙(38)和脉冲高压电源(39)；所述内介质阻挡层(34)形成管道壁面，其中管道内部设置有内地电极(36)，所述内地电极(36)为中空，内部设置有冷却液(37)，所述内地电极(36)的外壁面设置有外介质阻挡层(33)；所述内介质阻挡层(34)外部设置有外高压电极(35)，所述外高压电极(35)与内地电极(36)之间连接有脉冲高压电源(39)。

5.根据权利要求1～4任一项所述连续低温等离子体粉末处理和球磨生产装置，其特征在于，所述可控制气氛***(5)包括工作气瓶(51)、调压阀(52)、压力传感器(53)、第四气动蝶阀(54)和除尘器(55)；所述工作气瓶(51)分别与反吹***(111)和负压风机(110)的出口管路连接，所述除尘器(55)设置于工作气瓶(51)与反吹***(111)之间的管路上，所述工作气瓶(51)与负压风机(110)的出口之间的管理上设置有调压阀(52)、压力传感器(53)和气动蝶阀(54)。

6.权利要求1～5任一项所述装置的使用方法，其特征在于，所述的粉末循环输送***(1)通过可控的气压和流转速度对待处理物料粉末进行循环输送，在此过程中，一方面在部分粉末输送管道中引入介质阻挡放电结构，形成低温等离子体放电管道(3)，实现对管道中的流转物料粉末进行等离子体放电处理，另一方面在粉末管道输送过程中引入球磨机(2)，同时对等离子体放电处理的粉末进行球磨细化或者合金化；整个过程中通过可控制气氛***(5)对粉末流转速度、气压、放电气氛进行调控，处理完成之后的物料粉末进入真空出料***(4)进行回收打包；

所述的粉末循环输送管道***(1)采用负压条件运行；

所述的球磨机(2)采用振动球磨或滚筒球磨；

所述的低温等离子体放电管道(3)是利用粉末输送管道搭建双介质阻挡放电低温等离子体装置，并搭配脉冲高压电源；

所述的可控制气氛***(5)与粉末循环输送管道***连接，提供粉末处理和输送过程所需要的保护或者反应气氛，该气氛通过低温等离子体放电管道中可以离化放电，实现等离子体对被加工粉体表面改性效果；所述气氛包括氩气、氮气、氨气、氢气或氧气。

7.根据权利要求6所述装置的使用方法，其特征在于，单次循环物料粉末的流转输送距离为6米到20米，循环管道内径为35毫米到60毫米，物料粉末和气体的质量比为5:1到12:1，流转气体和放电气体压力为-0.3bar到-0.1bar，物料粉末和气体的流转速度为10m/s到15m/s。

8.根据权利要求6所述装置的使用方法，其特征在于，所述粉末循环输送管道***(1)中，粉料下料进入投料仓(11)，一次投料10L到50L，自动通过投料仓下料口进入工作气体保护状态下的暂存仓(13)，气体在反吹***(111)中实现固气分离，剩余固体物料粉末通过旋转下料阀(14)、下料管道(15)进入物料循环***，分别经过球磨机(3)进行机械球磨，并在特定的气体悬浮力作用下由下而上经过低温等离子体放电管道(2)进行表面处理，此后再次进入暂存仓(13)和反吹***(111)进行固气分离，物料粉末循环处理后进入真空出料***(4)进行打包；在反吹***(111)中实现分离的气体分别经由负压风机(110)、***(19)、气动蝶阀(18)、调节闸阀(17)、气动蝶阀(16)后，将压力的气体送入到物料循环***，为物料粉末的输送提供动力；下料管道(15)内径为100毫米到180毫米，其他循环管道内径为35毫米到60毫米。

9.根据权利要求6所述的使用方法，其特征在于，所述的低温等离子体放电管道(3)中，整个低温等离子体放电管道长2米到5米，外介质阻挡层(33)和内介质阻挡层(34)采用石英玻璃或者高纯度氧化锆陶瓷材料，内介质阻挡层外壁和外介质阻挡层内壁之间的距离，即管道放电间隙(38)单边距离选择5毫米到15毫米；电源的脉冲电压峰峰值20KV-40KV，电源的放电频率值10-40KHz，冷却液(37)主要实现对电极材料的冷却和保护，实现电极***温度控制在150℃以下。

10.根据权利要求6～9任一项所述的使用方法，其特征在于，所述可控制气氛***(5)中，通过调节工作气瓶压力，实现对整个管道***的抽真空、置换所需气体以及物料粉末流转速度的调控，同时气瓶通过设定特点气体压力和流量实现对除尘器(56)中反吹***(111)的工作。

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