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多頭等離子非轉移弧聚合制取高純金屬粉體的裝置及方法.pdf

摘要
申請專利號:

CN201510967413.1

申請日:

2015.12.19

公開號:

CN105458277A

公開日:

2016.04.06

當前法律狀態:

駁回

有效性:

無權

法律詳情: 發明專利申請公布后的駁回IPC(主分類):B22F 9/12申請公布日:20160406|||實質審查的生效IPC(主分類):B22F 9/12申請日:20151219|||公開
IPC分類號: B22F9/12; B22F9/14; B82Y40/00(2011.01)I 主分類號: B22F9/12
申請人: 江永斌
發明人: 江永斌
地址: 318000浙江省臺州市椒江區開元路198號
優先權:
專利代理機構: 臺州藍天知識產權代理有限公司33229 代理人: 苑新民
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法律狀態
申請(專利)號:

CN201510967413.1

授權公告號:

||||||

法律狀態公告日:

2018.12.14|||2016.06.01|||2016.04.06

法律狀態類型:

發明專利申請公布后的駁回|||實質審查的生效|||公開

摘要

本發明涉及多頭等離子非轉移弧聚合制取高純金屬粉體的裝置及方法,所述裝置是:蒸發爐的爐蓋上設進料管及兩個以上的等離子非轉移弧槍,出料管與收集器、氣固分離器、抽風機、熱交換器、蒸發爐依次連通,連通的管路上設有真空泵,伸出爐蓋外側的進料管連接流量控制閥后與儲料桶的內腔連通,與冷卻管的內腔連通的管路或部件上安裝有真空泵,所述方法是:用真空泵將蒸發爐內腔抽真空后注入10—90KPa的惰性氣體,啟動等離子非轉移弧槍及其他設備后,從進料管加料、從收集器收料,優點是:本發明制取的金屬粉末的純度高、均勻性好、合金比準確,有利于后期各種電子漿料、焊接膠體材料的制作。

權利要求書

1.多頭等離子非轉移弧聚合制取高純金屬粉體的裝置,包括由爐壁與爐
蓋連接成的蒸發爐,其特征在于:所述爐蓋上設置有進料管,進料管外側的爐
蓋外表面上布設有兩個以上的等離子非轉移弧槍,進料管的出料口和等離子非
轉移弧槍的噴頭均伸入蒸發爐內腔內,出料管的一端與蒸發爐內腔連通、另
一端與帶有排料管的收集器的進料口連通,收集器的出氣口上安裝有氣固分
離器,氣固分離器的出氣口通過冷卻管依次連接抽風機、熱交換器后與蒸發
爐內腔循環連通,伸出爐蓋外側的進料管連接流量控制閥后與儲料桶的內腔連
通,與冷卻管的內腔連通的管路或部件上安裝有真空泵。
2.根據權利要求1所述的多頭等離子非轉移弧聚合制取高純金屬粉體的
裝置,其特征在于:所述等離子非轉移弧槍有2—10支,每支等離子非轉移弧
槍的軸線與蒸發爐的軸線夾角為5—40度,所有的等離子非轉移弧槍的軸線
與進料管的軸線相交于一點,等離子非轉移弧槍由等離子電弧柜提供電源。
3.根據權利要求1所述的多頭等離子非轉移弧聚合制取高純金屬粉體的
裝置,其特征在于:所述進料管的內徑為0.5—10mm。
4.根據權利要求1所述的多頭等離子非轉移弧聚合制取高純金屬粉體的
裝置,其特征在于:所述的出料管由外到內依次設置有冷卻水套層、保溫材料
層、耐高溫材料層,所述的耐高溫材料是氧化鋯或石墨或耐高溫合成材料或
耐高溫石英材料。
5.根據權利要求1所述的多頭等離子非轉移弧聚合制取高純金屬粉體的
裝置,其特征在于:所述的爐壁和爐蓋均為雙層不銹鋼水套結構,爐壁和爐蓋
上設置有與雙層不銹鋼水套連通的進出水接頭,爐蓋或爐壁上設置有觀察蒸發
爐內部情況的視鏡。
6.根據權利要求1所述的多頭等離子非轉移弧聚合制取高純金屬粉體的
裝置,其特征在于:所述的噴頭伸入蒸發爐內腔的并在伸入蒸發爐內腔的噴頭
的外表面包覆有耐高溫材料制成的護套,所述的護套是用氧化鋯或石墨或耐高
溫合成材料或耐高溫石英材料制造的。
7.根據權利要求1—6所述的多頭等離子非轉移弧聚合制取高純金屬粉體
的裝置,其特征在于:所述收集器的具體結構是:收集器外殼帶有冷卻水套,
冷卻水套的外層安裝有進水口和出水口,收集器內腔內設置的橫向的隔板將
收集器內腔分割成上腔和下腔,下腔內間隔排列有氣固分離過濾管,氣固分離
過濾管的下端封閉、上端連接的連接管穿過隔板后開口于上腔,上腔內的每個
連接管上均設置有氣體反吹用的電磁控制閥,電磁控制閥與隔板之間的連接管
上通過三叉管連接有與高壓儲氣罐連通的供氣管,所述的出料管與收集器的下
腔連通,所述收集器的出氣口設置在收集器的上腔上,所述的氣體反吹用的電
磁控制閥由控制器控制。
8.根據權利要求7所述的多頭等離子非轉移弧聚合制取高純金屬粉體的
裝置,其特征在于:所述冷卻管上連通有分別與出料管和收集器的下腔連通的
冷卻用支氣管。
9.根據權利要求7所述的多頭等離子非轉移弧聚合制取高純金屬粉體的
裝置,其特征在于:所述氣固分離過濾管的外徑為8—85mm,氣固分離過濾管的
壁厚均為1—5mm,所述氣固分離過濾管有8—80根,下腔內氣固分離過濾管的
長度為20—3000mm,相鄰兩氣固分離過濾管外壁之間的距離為1—500mm,最外
邊的氣固分離過濾管外壁與收集器內壁之間的距離為1—500mm。
10.如權利要求7所述的多頭等離子非轉移弧聚合制取高純金屬粉體的裝
置制取高純金屬粉體的方法,其特征在于:包括如下步驟:
(1)啟動真空泵,將蒸發爐內腔、收集器內腔以及循環連通的出料管內
腔、冷卻管內腔抽真空后,注入惰性氣體,惰性氣體的壓力為10—90KPa;
(2)將單一固體金屬或金屬合金粉碎研磨成1—300um的金屬粉末,將
該金屬粉末投入儲料桶內;
(3)啟動等離子電弧柜使等離子非轉移弧槍工作,開啟蒸發爐、收集器
上的循環冷卻水裝置,啟動收集器、氣固分離器、抽風機、熱交換器、蒸發
爐組成的冷氣循環系統,以控制蒸發爐內腔、出料管內腔、冷卻管內腔、收
集器內腔的溫度;
(4)通過進料管上流量控制閥將儲料桶內儲存的金屬粉末或合金粉末定
量且連續地從進料管的軸線方向送入蒸發爐內腔與等離子非轉移弧槍噴射的
弧光相交瞬間氣化成氣態金屬;
(5)啟動真空泵及抽風機,氣態金屬經過出料管進入收集器的下腔,經
過氣固分離過濾管的過濾,氣體有一路與真空泵連通保持收集器內腔的真空
度、另一路經氣固分離器、抽風機、熱交換器后回蒸發爐內腔,部分氣體經
支氣管進入出料管和收集器的下腔參與冷卻降溫,經過氣固分離過濾管過濾后
的超細金屬粉末由收集器下腔的排料管定期排出;
(6)由控制器控制的電磁控制閥將高壓儲氣罐內儲存的高壓氣體通過三叉
管供氣管定期送入氣固分離過濾管的中心孔內反吹,將封堵在氣固分離過濾管
微孔上以及收集器內腔側壁上的超細金屬粉末吹下經排料管定期排出。
11.根據權利要求10所述的多頭等離子非轉移弧聚合制取高純金屬粉體
的方法,其特征在于:所述的納米金屬為納米級的硅、銀、錫、銅、鋁、鉛、
鉻、錳之一,所述的納米金屬合金為納米級的錫銅銀合金或銅鎳合金或銅錳合
金,所述的惰性氣體為氮氣或氬氣之一,惰性氣體的壓力為60—70KPa。

說明書

多頭等離子非轉移弧聚合制取高純金屬粉體的裝置及方法

技術領域

本發明屬于金屬粉體制取裝置技術領域,特指一種多頭等離子非轉移弧聚
合制取高純微納級或合金微納級金屬粉體的裝置及方法。

背景技術

中國專利CN102211197B公開了一種《金屬蒸發裝置及用該裝置制備超微
細金屬粉末的方法》,該裝置包括坩堝(1)、等離子體轉移弧炬(2)、等離子體
轉移弧(3)、石墨(4)、外加電源和導線,他們之間構成電回路;所述的等離子
體轉移弧炬(2)中設有供氣體進入的進氣管(2.1);所述的等離子體轉移弧(3)置
于等離子體轉移弧炬(2)和坩堝(1)之間;所述的石墨(4)設于坩堝(1)的底部,
所述的等離子體轉移弧(3)的上方設有供金屬原料加入的進料管(2.2),其不足
之處在于:一是等離子體轉移弧弧(3)需要配套使用石墨(4)以及坩堝(1),使得
設備使用的原材料多,生產成本高;二是蒸發爐內設置耐高溫的坩堝和對坩堝
進行保溫的保溫材料,在高溫近沸點的熔融液態將金屬材料蒸發成金屬氣體
時,蒸發爐內腔在負壓常態下極容易將坩堝內的雜質和坩堝自身物質元素及
保溫材料中的雜質元素污染摻雜到高純金屬蒸發氣體中,造成高純金屬或高
純合金金屬嚴重的二次污染,無法達到生產高純金屬或高純合金金屬粉體材
料的目的,嚴重影響所產高純金屬或高純合金金屬微納粉體材料的質量,造
成高端電子產品、新能源行業、航天航空行業對高純金屬或高純合金金屬微
納粉體材料的需求及應用;三是合金材料在坩堝內高溫近沸點溫度狀態下進行
蒸發,引起合金材料各不相同的沸點溫度,其沸點溫度差別很大,在高溫熔融
狀態下,造成坩堝內的低沸點溫度的金屬材料大量提前蒸發,高沸點溫度金屬
材料緩慢蒸發(如①錫銀合金:錫的沸點溫度是2602℃,銀沸點溫度是2162℃;
②銅鋅合金:銅的沸點溫度是2562℃,鋅的沸點溫度是907℃),造成所需配
比的合金材料根本無法同步按比例均勻蒸發,無法達到要求比例的合金粉體材
料。

發明內容

本發明的目的是提供一種多頭等離子非轉移弧聚合制取高純金屬粉體的裝
置及方法。

本發明的目的是這樣實現的:

多頭等離子非轉移弧聚合制取高純金屬粉體的裝置,包括由爐壁與爐蓋連
接成的蒸發爐,所述爐蓋上設置有進料管,進料管外側的爐蓋外表面上布設有
兩個以上的等離子非轉移弧槍,進料管的出料口和等離子非轉移弧槍的噴頭均
伸入蒸發爐內腔內,出料管的一端與蒸發爐內腔連通、另一端與帶有排料管
的收集器的進料口連通,收集器的出氣口上安裝有氣固分離器,氣固分離器
的出氣口通過冷卻管依次連接抽風機、熱交換器后與蒸發爐內腔循環連通,
伸出爐蓋外側的進料管連接流量控制閥后與儲料桶的內腔連通,與冷卻管的內
腔連通的管路或部件上安裝有真空泵。

上述等離子非轉移弧槍有2—10支,每支等離子非轉移弧槍的軸線與蒸發
爐的軸線夾角為5—40度,所有的等離子非轉移弧槍的軸線與進料管的軸線
相交于一點,等離子非轉移弧槍由等離子電弧柜提供電源。

上述進料管的內徑為0.5—10mm。

上述的出料管由外到內依次設置有冷卻水套層、保溫材料層、耐高溫材料
層,所述的耐高溫材料是氧化鋯或石墨或耐高溫合成材料或耐高溫石英材料。

上述的爐壁和爐蓋均為雙層不銹鋼水套結構,爐壁和爐蓋上設置有與雙層
不銹鋼水套連通的進出水接頭,爐蓋或爐壁上設置有觀察蒸發爐內部情況的視
鏡。

上述的噴頭伸入蒸發爐內腔的并在伸入蒸發爐內腔的噴頭的外表面包覆
有耐高溫材料制成的護套,所述的護套是用氧化鋯或石墨或耐高溫合成材料或
耐高溫石英材料制造的。

上述收集器的具體結構是:收集器外殼帶有冷卻水套,冷卻水套的外層安
裝有進水口和出水口,收集器內腔內設置的橫向的隔板將收集器內腔分割成
上腔和下腔,下腔內間隔排列有氣固分離過濾管,氣固分離過濾管的下端封閉、
上端連接的連接管穿過隔板后開口于上腔,上腔內的每個連接管上均設置有氣
體反吹用的電磁控制閥,電磁控制閥與隔板之間的連接管上通過三叉管連接有
與高壓儲氣罐連通的供氣管,所述的出料管與收集器的下腔連通,所述收集器
的出氣口設置在收集器的上腔上,所述的氣體反吹用的電磁控制閥由控制器控
制。

上述冷卻管上連通有分別與出料管和收集器的下腔連通的冷卻用支氣管。

上述氣固分離過濾管的外徑為8—85mm,氣固分離過濾管的壁厚均為1—
5mm,所述氣固分離過濾管有8—80根,下腔內氣固分離過濾管的長度為20—
3000mm,相鄰兩氣固分離過濾管外壁之間的距離為1—500mm,最外邊的氣固分
離過濾管外壁與收集器內壁之間的距離為1—500mm。

上述的多頭等離子非轉移弧聚合制取高純金屬粉體的裝置制取高純金屬
粉體的方法,包括如下步驟:

(1)啟動真空泵,將蒸發爐內腔、收集器內腔以及循環連通的出料管內
腔、冷卻管內腔抽真空后,注入10—90KPa的惰性氣體;

(2)將單一固體金屬或金屬合金粉碎研磨成1—300um的金屬粉末,將
該金屬粉末投入儲料桶內;

(3)啟動等離子電弧柜使等離子非轉移弧槍工作,開啟蒸發爐、收集器
上的循環冷卻水裝置,啟動收集器、氣固分離器、抽風機、熱交換器、蒸發
爐組成的冷氣循環系統,以控制蒸發爐內腔、出料管內腔、冷卻管內腔、收
集器內腔的溫度;

(4)通過進料管上的閥門及流量控制閥將儲料桶內儲存的金屬粉末定量
且連續地從進料管的軸線方向送入蒸發爐內腔與等離子非轉移弧槍噴射的弧
光相交瞬間氣化成氣態金屬;

(5)待蒸發爐內的氣態金屬達到一定的濃度或氣化一定時間后,啟動真
空泵及抽風機,氣態金屬經過出料管進入收集器的下腔,經過氣固分離過濾管
的過濾,氣體有一路與真空泵連通保持收集器內腔的真空度、另一路經氣固分
離器、抽風機、熱交換器、氣體凈化過濾器后回蒸發爐內腔,部分氣體經支
氣管進入出料管和收集器的下腔參與冷卻降溫,經過氣固分離過濾管過濾后的
超細金屬粉末由收集器下腔的排料管定期排出;

(6)由控制器控制的電磁控制閥將高壓儲氣罐內儲存的高壓氣體通過三叉
管供氣管定期送入氣固分離過濾管的中心孔內反吹,將封堵在氣固分離過濾管
微孔上以及收集器內腔側壁上的超細金屬粉末吹下經排料管定期排出。

上述的納米金屬為納米級的硅、銀、錫、銅、鋁、鉛、鉻、錳之一,所述
的納米金屬合金為納米級的錫銅銀合金或銅鎳合金或銅錳合金等納米金屬合
金,所述的惰性氣體為氮氣或氬氣之一,惰性氣體的注入量最好為60—70KPa。

本發明相比現有技術突出且有益的技術效果是:

1、本發明的蒸發爐內不設置耐高溫的坩堝和對坩堝進行好保溫的保溫材
料,避免了高溫金屬材料在高溫近沸點的熔融液態蒸發金屬氣體時,蒸發爐
內腔在負壓常態下將坩堝內的雜質、坩堝自身物質元素及保溫材料中的雜質
元素污染摻雜到高純金屬蒸發氣體中,避免了現有技術中的上述雜質造成的
金屬粉末的二次污染,生產的單一金屬或合金金屬粉末的純度高。

2、本發明的蒸發爐的等離子非轉移弧槍的軸線與蒸發爐的軸線相交于一
點,1—300um的金屬粉末原料從進料管定量緩慢加料進入蒸發爐的內腔后,
在所述的相交點經過高溫瞬間蒸發成氣態金屬,經收集器制造出30—1200nm
的超細金屬粉末,特別是對于兩種以上的金屬合金而言,加工出的超細金屬
粉末的均勻性好、所需配比的均勻度高、合金比準確,有利于后期各種電子
漿料、焊接膠體材料的制作及應用。

3、本發明適用于高端電子產品、新能源行業、航天航空行業對納米級高
純金屬或納米級高純合金金屬粉體材料的需求及應用。

附圖說明

圖1是本發明的結構原理示意圖。

圖2是圖1中收集器的局部放大示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖以具體實施例對本發明作進一步描述,參見圖1—圖2:

多頭等離子非轉移弧聚合制取高純金屬粉體的裝置,包括由爐壁11與爐
蓋23連接成的蒸發爐12,所述爐蓋23上設置有進料管20,進料管20外側的
爐蓋23外表面上布設有兩個以上的等離子非轉移弧槍17,進料管20的出料口
和等離子非轉移弧槍17的噴頭22均伸入蒸發爐內腔41內,出料管24的一
端與蒸發爐內腔41連通、另一端與帶有排料管28的收集器50的進料口51
連通,收集器50的出氣口上安裝有氣固分離器30,氣固分離器30的出氣口
通過冷卻管32依次連接抽風機31、熱交換器35后與蒸發爐12內腔循環連通,
伸出爐蓋23外側的進料管20連接流量控制閥19后與儲料桶18的內腔連通,
與冷卻管的內腔連通的管路或部件上安裝有真空泵29,所述的部件是收集器
50或蒸發爐12等,目的是對收集器50或蒸發爐12的內腔抽真空以達到負壓
循環的目的。

上述等離子非轉移弧槍17有2—10支,每支等離子非轉移弧槍17的軸線
與蒸發爐12的軸線夾角為5—40度,所有的等離子非轉移弧槍17的軸線14
與進料管20的軸線13相交于一點B,等離子非轉移弧槍17由等離子電弧柜
15提供電源。

上述進料管20的內徑為0.5—10mm。

上述進料管20上的流量控制閥19的上側間隔設置有兩個以上的閥門34,
兩個閥門34交替開關,經流量控制閥19控制流量,可用于不停機進料,所述
的出料管24由外到內依次設置有冷卻水套層、保溫材料層、耐高溫材料層,
所述的耐高溫材料是氧化鋯或石墨或耐高溫合成材料或耐高溫石英材料。

上述的爐壁11和爐蓋23均為雙層不銹鋼水套結構,爐壁11和爐蓋23上
設置有與雙層不銹鋼水套連通的進出水接頭10、40,爐蓋23或爐壁上設置有觀
察蒸發爐12內部情況的視鏡16。

上述的噴頭伸入蒸發爐內腔的并在伸入蒸發爐內腔的噴頭的外表面包覆
有耐高溫材料制成的護套,所述的護套是用氧化鋯或石墨或耐高溫合成材料或
耐高溫石英材料制造的。

上述收集器50的具體結構是:收集器50外殼帶有冷卻水套,冷卻水套的
外層安裝有進水口和出水口,收集器50內腔內設置的橫向的隔板44將收集
器50內腔分割成上腔43和下腔45,下腔45內間隔排列有氣固分離過濾管33,
氣固分離過濾管33的下端封閉、上端連接的連接管28穿過隔板44后開口于上
腔43,上腔43內的每個連接管28上均設置有氣體反吹用的電磁控制閥42,電
磁控制閥42與隔板44之間的連接管28上通過三叉管連接有與高壓儲氣罐26
連通的供氣管27,供氣管27上設置有供氣用的電磁控制閥42,所述的出料管
24與收集器50的下腔45連通,所述收集器50的出氣口設置在收集器50的
上腔43上,所述的氣體反吹用的電磁控制閥42和供氣用的電磁控制閥42由控
制器控制。

上述冷卻管32上連通有分別與出料管24和收集器50的下腔45連通的冷
卻用支氣管39。

上述氣固分離過濾管33的外徑L2為8—85mm,氣固分離過濾管33的壁厚
均為1—5mm,所述氣固分離過濾管33有8—80根,下腔45內氣固分離過濾管
33的長度L4為20—3000mm,相鄰兩氣固分離過濾管33外壁之間的距離L1為1
—500mm,最外邊的氣固分離過濾管33外壁與收集器50內壁之間的距離L3為1
—500mm。

用多頭等離子非轉移弧聚合制取高純金屬粉體的裝置制取高純金屬粉體
的方法,包括如下步驟:

(1)啟動真空泵,將蒸發爐內腔、收集器內腔以及循環連通的出料管內
腔、冷卻管內腔抽真空(真空度為0Pa或更小)后,注入惰性氣體,惰性氣體的
壓力為10—90KPa;

(2)將單一固體金屬或金屬合金粉碎研磨成1—300um(最佳為3—9um)
的金屬粉末,將該金屬粉末投入儲料桶18內;

(3)啟動等離子電弧柜使等離子非轉移弧槍工作,開啟蒸發爐、收集器
上的循環冷卻水裝置,啟動收集器、氣固分離器、抽風機、熱交換器、蒸發
爐組成的冷氣循環系統,以控制蒸發爐內腔、出料管內腔、冷卻管內腔、收
集器內腔的溫度;

(4)通過進料管20上的閥門34及流量控制閥19將儲料桶18內儲存的
金屬粉末定量且連續地從進料管20的軸線方向送入蒸發爐12內腔與等離子
非轉移弧槍17噴射的12000—18000℃的弧光相交瞬間氣化成氣態金屬;

(5)啟動真空泵29及抽風機31,氣態金屬經過出料管24進入收集器
50的下腔,經過氣固分離過濾管33管壁上的微孔過濾,氣體有一路與真空泵
29連通保持收集器50內腔的真空度、另一路經氣固分離器30、抽風機31、
熱交換器35后回蒸發爐12內腔,部分氣體經支氣管進入出料管24和收集器
50的下腔參與冷卻降溫,經過氣固分離過濾管33過濾后的超細金屬粉末由收
集器50下腔的排料管28定期排出;

(6)由控制器控制的電磁控制閥42將高壓儲氣罐26內儲存的高壓氣體通
過三叉管供氣管27定期送入氣固分離過濾管33的中心孔內反吹,將封堵在氣
固分離過濾管33微孔上以及收集器50內腔側壁上的超細金屬粉末吹下經排料
管28定期排出,排出的超細金屬粉末的平均直徑為10—1000nm。

排料管28上至少安裝有兩個閥門34,兩個閥門34交替開關,可以保持
不停機出料。

上述的納米金屬為納米級的硅、銀、錫、銅、鋁、鉛、鉻、錳之一,所述
的納米金屬合金為納米級的錫銅銀合金或銅鎳合金或銅錳合金等金屬合金,所
述的惰性氣體為氮氣或氬氣之一,惰性氣體的壓力為60—70KPa。

上述實施例僅為本發明的較佳實施例,并非依此限制本發明的保護
范圍,故:凡依本發明的結構、形狀、原理所做的等效變化,均應涵蓋
于本發明的保護范圍之內。

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多頭 等離子 轉移 聚合 制取 高純 金屬 裝置 方法
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