惰性气体保护等离子体制备金属粉末的装置

摘要

本发明涉及冶金技术领域，具体涉及惰性气体保护等离子体制备金属粉末的装置。其技术方案是：等离子发生器连接反应控制室，反应控制室上方连通加料喷射器、下方连通冷却收集室，所述的加料喷射器、反应控制室、冷却收集室分别与惰性气体储气瓶连接；所述的冷却收集室上还设有气体逸出管。本发明可以制备熔点300-15000℃的各种金属单质、合金晶体、非晶体颗粒和粉末，不再受目标金属的熔点、活性、所需纯度、氧化变质的影响，并且规模可控，可实现实验室和大规模工业化生产，而且本发明装置能耗低，工艺简单，气室内的惰性气体和离心轴冷却液可重复利用无污染。

权利要求

1.一种惰性气体保护等离子体制备金属粉末的装置，其特征在于，包括等离子体发生器、反应控制室、加料喷射器、冷却收集室和惰性气体储气瓶；其中等离子体发生器连接反应控制室，反应控制室上方连通加料喷射器、下方连通冷却收集室，所述的加料喷射器、反应控制室、冷却收集室分别通过出气管、阀门与惰性气体储气瓶连接；所述的冷却收集室上设有气体逸出管，其出口通过过滤器、气泵、阀门分别与惰性气体储气瓶和加料喷射器连接；所述冷却收集室内部设有离心轴、壁上设有夹套，所述的离心轴和夹套分别与冷却循环系统连接；所述的离心轴转速可调，所述的阀门均为气动电磁阀；

所述装置使用时，在高压惰性气体的保护下，利用等离子体发生器产生高温等离子体，在充满惰性气体的气室内熔融需要制备粉末的金属，形成高温高速金属液滴流，喷射到可控旋转并且有冷却系统的所述离心轴上，达到撞击、分散和急速冷却的效果，形成纯净的金属颗粒或粉末，粉末的粒度大小和类型通过控制等离子体发生器的温度及离心轴的转速实现。

说明书

惰性气体保护等离子体制备金属粉末的装置

技术领域

[0001] 本发明涉及冶金技术领域，具体涉及惰性气体保护等离子体制备金属粉末的装置。

背景技术

[0002] 目前制备纯度高、粒度均一的金属粉末主要有离心雾化法和机械雾化法两种，具体如下：

[0003] 1.离心雾化法

[0004] 离心雾化法是把熔融金属液从坩埚或浇包浇注到旋转的圆盘或杯中，或者直接熔化旋转金属棒料的一端，在旋转离心力的作用下金属液被破碎成小液滴，随后凝固成金属粉末。

[0005] 1.1旋转电极雾化法(REP)

[0006] 消耗电极圆形原料棒沿其长轴方向高速旋转，末端伸入雾化室，被钨电极的电弧熔化。由于旋转，熔融金属液流在切线方向上发散成小液滴，此工艺的工艺参数不易控制，因此所生产的粉末粒度分布难以符合预定要求。

[0007] 1.2快凝固速度法(RSR)

[0008] 快凝固速度法也称作旋转盘雾化法，其工艺原理为：熔融金属液用底注式坩埚浇注到旋转的凹形圆盘雾化器中，圆盘转速达到35000转/分钟，在离心力作用下，金属熔液沿切线方向喷射出来形成微滴，受到高速氦气流的强制对流冷却，液滴快速凝固成粉末。所得粉末为球形，快凝固速度法容易引起的问题有坩埚漏嘴的侵蚀和旋转圆盘的变形，尤其是在生产高温或活性合金粉末时问题更加突出。

[0009] 1.3旋转带孔杯法(RPC)

[0010] 旋转带孔杯法是把熔融金属液浇注到快速旋转的钢杯中，在钢杯的杯壁上钻有许多小孔，在离心力作用下，金属液从小孔中挤出，在空气中飞行冷却，形成针状粉末颗粒，粉末颗粒由于尺寸相对较大，飞行速度低，因此冷却速度较小，旋转带孔杯法仅应用于低熔点金属，如铝、铅、锌等。

[0011] 1.4熔液提取法

[0012] 熔液提取法是金属或合金在电加热槽中熔化后，通过提升装置使液面与上部的旋转轮轮缘稳定接触，轮缘上有许多缺口，粘附于轮缘的熔液停留一定时间后被离心力甩出，冷却凝固成条状、丝状或纤维状粉末。此工艺不存在喷嘴堵塞的问题，而且也可用于生产活性金属粉末，此类方法缺点是必须事先把原料加热到熔融状态，费时费力，能源消耗和污染巨大，或者制备的金属粉末不够规则和保持纯净，均不利于规模化和高活性金属粉末生产。

[0013] 2．机械雾化法

[0014] 机械雾化法是用纯粹机械方法把金属液破碎成小液滴，然后快速凝固成金属粉末。

[0015] 2.1双辊雾化法

[0016] 双辊雾化法是用高频加热使坩埚内的合金熔化，待达到预定温度后通入氩气，在氩气压力下，熔融合金液经漏嘴喷射到高速反向旋转的双辊辊缝中，熔液通过辊缝时形成平板液流，随后雾化成液滴，进入快冷熔池凝固成粉末，而用于雾化制粉尚处于试验研究阶段。

[0017] 2.2振动电极雾化法

[0018] 振动电极雾化法是在真空或惰性气体保护室中，一端自由的原料棒电极不断向另一固定的水冷电极移动，原料棒的自由端由电弧熔化，熔化的金属液由于电极的振动产生液滴，原料棒电极的振动由一共振器产生。由于液滴飞行速度慢，可以获得球形粉末，但冷却速度很小。这种雾化方法可以用来生产高纯度或者高活性金属粉末，但没有得到广泛应用，也不具备进行工业大规模生产的潜力。

[0019] 2.3Duwez枪法

[0020] 较少的合金料(常小于500mg)在坩埚中感应熔化，由2-3Mpa或更高的高压气体作用，振动管中的振动膜片破坏，产生振击波，使熔融金属液破碎雾化成液滴，液滴的速度可达几百米/秒，在与静止基体撞击后，冷却成很薄的片状粉末，片状粉末厚度不均匀，Duwez枪法工艺可获得很高的冷却速度。此法可应用于许多金属和合金系统，但仅限于实验室研究，不利于进行大规模生产。

[0021] 2.4锤砧法

[0022] 锤砧法是把金属料放置在砧座的水平面上，用电弧、等离子束或电子束进行熔化后，将重锤直接砸在砧座上，从而获得圆形片状粉末，。与锤砧法原理相似的还有活塞砧座工艺和双活塞工艺，它们分别是在运动的活塞和砧座之间，及两个相向运动的活塞之间挤压金属液滴，从而获得片状粉末。用于实验室制取薄片状粉末试样，也适用于各种金属和合金粉末，但是不可用来生产高纯度或者高活性金属粉末。

发明内容

[0023] 本发明主要是针对现有技术中存在费时费力、能源消耗和污染巨大、制备的金属粉末不够规则和保持纯净、并且不能用于高熔点金属和高活性金属粉末生产等不足，提供一种可适用于贵重金属、合金，活性金属和需要保持高纯度的金属粉末的制备设备。

[0024] 其技术方案是：包括等离子体发生器、反应控制室、加料喷射器、冷却收集室和惰性气体储气瓶；其中等离子体发生器连接反应控制室，反应控制室上方连通加料喷射器、下方连通冷却收集室，所述的加料喷射器、反应控制室、冷却收集室分别通过出气管、阀门与惰性气体储气瓶连接；所述的冷却收集室上设有气体逸出管，其出口通过过滤器、气泵、阀门分别与惰性气体储气瓶和加料喷射器连接；所述冷却收集室内部设有离心轴、壁上设有夹套，所述的离心轴和夹套分别与冷却循环系统连接。

[0025] 所述的离心轴转速可调，所述的阀门均为气动电磁阀。

[0026] 本发明是在高压惰性气体（氩、氪、氙、氦等）的保护下，利用等离子发生器产生加产生高温等离子体，在充满惰性气体的气室内熔融需要制备粉末的金属，形成高温高速金属液滴流，喷射到一个可控旋转并且有冷却系统的离心轴上，达到撞击、分散和急速冷却的效果，形成纯净的金属颗粒或粉末，粉末的粒度大小和类型可以通过控制等离子发生器的温度及离心轴的转速实现。

[0027] 本发明可以制备熔点300-15000℃的各种金属单质、合金晶体、非晶体颗粒和粉末，不再受目标金属的熔点、活性、所需纯度、氧化变质的影响，并且规模可控，可实现实验室和大规模工业化生产，而且本发明装置能耗低，工艺简单，气室内的惰性气体和离心轴冷却液可重复利用无污染。

附图说明

[0028] 图1是本发明的结构示意图。

具体实施方式

[0029] 下面结合具体实施例对本发明进一步进行说明。

[0030] 参照图1，等离子体发生器2连接反应控制室3，反应控制室3上方连通加料喷射器5、下方连通冷却收集室4，所述的加料喷射器5、反应控制室3、冷却收集室4分别通过出气管8及电磁阀门12-2、12-4、12-5与惰性气体储气瓶6连接；冷却收集室4上设有气体逸出管9，其出口通过过滤器13、气动电磁阀12-6、12-1、12-2及气泵11分别与惰性气体储气瓶6和加料喷射器5连接；冷却收集室4内部设有转速可调的离心轴10、壁上设有夹套，离心轴10和夹套分别通过气动电磁阀12-7、12-8、12-9、12-10与冷却水循环系统7连接。

[0031] 使用时，接通电源1，启动等离子体发生器2，打开气动电磁阀12-4、12-5，调节反应控制室3和冷却收集室4内的气体压力，使反应控制室内产生高温等离子体；同时打开气动电磁阀12-7、12-8、12-9、12-10，接通冷却收集室4内的冷却循环系统，即降低离心轴10和夹套的温度，冷却收集器4空间内的温度也随之降低；此时打开气动电磁阀12-2，调节惰性气体压力大于反应控制室3中的压力，将喷射器内的金属料高速喷射进入反应控制室3，并在其中熔融，形成高温高速金属液滴流，然后喷射到高速旋转离心轴10上，进行一次分散和冷却，经离心轴10撞击及分散的金属液滴，在冷却收集室4内运行至与冷却收集室4内壁接触， 进行二次分散和冷却，从而形成纯净的金属颗粒或粉末沉积在冷却收集室4的底部，粉末的粒度大小和类型可以通过控制等离子发生器的温度及离心轴的转速实现。工作结束后打开气体逸出管9上的气动电磁阀12-6，惰性气体通过过滤器13过滤、气泵11加压后通过气动电磁阀12-3回收惰性气体至储气瓶6，一部分气体加压后可直接通过气动电磁阀12-1引入加料喷射器5，用于下次加料操作。当冷却收集室4泄压后既可以收集金属粉末。