一種利用交流等離子體球化粉體的設(shè)備及系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種利用交流等離子體球化粉體的設(shè)備及系統(tǒng)，包括放電室、電感線圈和與所述放電室的底部連通的熱交換室；所述放電室包括頂蓋、伸入所述放電室內(nèi)的粉體進料管以及繞有所述電感線圈的圓柱形放電室側(cè)壁；所述熱交換室包括熱交換室側(cè)壁和位于所述熱交換室底部的球形粉出口；在所述放電室內(nèi)設(shè)有工作氣體進氣管，在所述放電室側(cè)壁上設(shè)有保護氣體進氣管，所述頂蓋、放電室側(cè)壁以及熱交換室側(cè)壁內(nèi)均設(shè)有冷卻腔；本實用新型還公開了一種包括上述設(shè)備的粉體球化系統(tǒng)；本實用新型利用由電感線圈產(chǎn)生的交流等離子體對形狀不規(guī)則的粉體進行球化，改變了現(xiàn)有技術(shù)中利用電極放電產(chǎn)生等離子體球化粉體的方式，避免了由于電極蒸發(fā)而造成產(chǎn)品污染。
【專利說明】一種利用交流等離子體球化粉體的設(shè)備及系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型屬于粉體球化領(lǐng)域，具體涉及一種利用交流等離子體球化氧粉體的設(shè)備及系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]金屬基復(fù)合材料基本上可以分為連續(xù)纖維增強、非連續(xù)體增強和疊層復(fù)合三類。其中，顆粒增強金屬基復(fù)合材料不僅具有纖維和晶須增強材料的優(yōu)良性能，而且具有制備工藝相對簡單、材料各向同性好、耐磨性高等優(yōu)點，是金屬基復(fù)合材料研究領(lǐng)域的重要分支。Al2O3作為常用的顆粒增強體，廣泛地用于耐火材料、精密陶瓷、航空航天等許多高新科技領(lǐng)域，是一種高附加值的多品種氧化鋁。實驗表明，球形Al2O3顆粒增強Al基材料比角形粉體表現(xiàn)出更強的塑形，同時由于減小了界面，顆粒和基體能夠更好的結(jié)合。
[0003]工業(yè)應(yīng)用中根據(jù)等離子體激發(fā)原理可分為直流等離子體和交流等離體。直流等離子體是依靠兩電極間的放電而獲得，交流等離子體由高頻感應(yīng)線圈產(chǎn)生。目前等離子體的應(yīng)用已覆蓋了很廣闊的應(yīng)用領(lǐng)域，比如:超細微粉末的合成、等離子體化學(xué)氣相沉積、制備光導(dǎo)纖維以及粉末球化。例如,加拿大PyroGenesis公司已于1998年底將等離子體噴霧用于工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)球形鈦粉，該公司使用的是直流非轉(zhuǎn)弧等離子噴嘴，三個噴嘴對著同一個頂點，形成一個等離子區(qū)域，但該方法生產(chǎn)率較低，同時由于電極蒸發(fā)容易造成產(chǎn)品污染。
實用新型內(nèi)容
[0004]針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型的目的在于提供一種利用交流等離子體球化粉體的設(shè)備及系統(tǒng)，以解決現(xiàn)有技術(shù)中利用在直流等離子體時，由于電極蒸發(fā)容易造成產(chǎn)品污染的問題。所述交流等離子體，是由高頻感應(yīng)線圈感應(yīng)放電產(chǎn)生的高溫等離子體，電子溫度和重粒子(原子和離子等)溫度均在IO4數(shù)量級，由電子、離子、光子和中性粒子組成，具有能量密度高、加熱強度大、等離子弧的體積大等優(yōu)點。
[0005]本實用新型所提供的利用交流等離子體球化粉體的設(shè)備采用以下技術(shù)方案:
[0006]一種利用交流等離子體球化粉體的設(shè)備，包括放電室、電感線圈和熱交換室；
[0007]所述放電室包括頂蓋、粉體進料管以及繞有所述電感線圈的圓柱形放電室側(cè)壁；所述頂蓋封閉所述放電室的上端，所述粉體進料管穿過所述頂蓋伸入所述放電室內(nèi)，并且與所述放電室同軸地設(shè)置；
[0008]所述熱交換室包括熱交換室側(cè)壁和位于所述熱交換室底部的球形粉出口，所述熱交換室的頂部與所述放電室的底部連通，并且與所述放電室同軸設(shè)置；
[0009]在所述放電室內(nèi)設(shè)有至少兩根工作氣體進氣管，所述工作氣體進氣管的工作氣體出口對準所述粉體進料管的粉體出口的正下方，并且繞所述放電室的中心軸線均勻布置在同一水平面內(nèi)；
[0010]在所述放電室側(cè)壁的上端設(shè)有兩根能使保護氣體沿所述放電室側(cè)壁的切向進入所述放電室的保護氣體進氣管，所述保護氣體進氣管的保護氣體出口沿所述放電室側(cè)壁的周向均勻布置在所述放電室側(cè)壁上；
[0011 ] 所述頂蓋內(nèi)設(shè)有頂蓋冷卻腔，所述放電室側(cè)壁內(nèi)設(shè)有繞其周向的環(huán)形放電室冷卻腔，所述熱交換室側(cè)壁內(nèi)設(shè)有繞其周向的環(huán)形熱交換室冷卻腔。
[0012]根據(jù)本實用新型的設(shè)備，優(yōu)選地，所述工作氣體進氣管穿過所述頂蓋伸入所述放電室內(nèi)，并且所述工作氣體進氣管的工作氣體出口方向與所述頂蓋所夾銳角為25°?40°，進一步優(yōu)選為30°?35°。所述工作氣體進氣管的工作氣體出口與所述放電室的中心軸線之間的距離為所述放電室側(cè)壁內(nèi)徑的1/4?1/8，進一步優(yōu)選為所述放電室側(cè)壁內(nèi)徑的1/4?1/6。
[0013]根據(jù)本實用新型的設(shè)備，優(yōu)選地，所述粉體進料管的粉體出口與所述電感線圈的上端、工作氣體出口以及保護氣出口平齊；進一步優(yōu)選地，所述粉體進料管的粉體出口呈喇口Λ形。
[0014]根據(jù)本實用新型的設(shè)備，優(yōu)選地，所述熱交換室冷卻腔包括多個沿所述熱交換室的軸線方向依次布置的獨立冷卻腔；所述頂蓋冷卻腔與所述放電室冷卻腔通過外置管道連通。
[0015]根據(jù)本實用新型的設(shè)備，優(yōu)選地，所述熱交換室的內(nèi)徑為所述放電室內(nèi)徑的
1.1?1.6倍，進一步優(yōu)選為所述放電室內(nèi)徑的1.2?1.5倍。
[0016]本實用新型還提供了一種粉體球化系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括本實用新型所提供的設(shè)備以及依次連接的旋風(fēng)分離器、氣體過濾器和引風(fēng)機，所述旋風(fēng)分離器的進料口通過管線與所述設(shè)備的球形粉出口連接。
[0017]與技術(shù)相比，本實用新型具有以下優(yōu)點:
[0018]I)利用由感應(yīng)線圈產(chǎn)生的交流等離子體對形狀不規(guī)則的粉體進行球化，改變了現(xiàn)有技術(shù)中利用電極放電產(chǎn)生等離子體球化粉體的方式，避免了由于電極蒸發(fā)而造成產(chǎn)品污染；
[0019]2)本實用新型的采用單根粉體進料管與所述放電室同軸進料，有效避免了現(xiàn)有技術(shù)中采用多根粉體進料管進料本身可能存在的粉體進料不均的問題；
[0020]3)本實用新型通過在熱交換室側(cè)壁內(nèi)設(shè)置多個獨立的熱交換室冷卻腔，有利于控制所述熱交換室內(nèi)壁的溫度，在所述熱交換室內(nèi)形成合理的溫度梯度，以提高粉體的球化率及球化質(zhì)量；
[0021]4)本實用新型操作簡單靈活，熱利用率高，具有良好的溫度環(huán)境一可控的溫度場即等離子體邊緣溫度，易于工業(yè)實施。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1是本實用新型所提供的設(shè)備的一種實施方式的主視剖面圖；
[0023]圖2是圖1的側(cè)視剖面圖。
[0024]圖3是圖1中放電室在A-A處的剖視圖；
[0025]圖4是本實用新型所提供的粉體球化系統(tǒng)的示意圖；
[0026]圖5是實施例1中粉體球化前的SEM圖；
[0027]圖6是實施例1中粉體球化后的SEM圖?！揪唧w實施方式】
[0028]以下結(jié)合附圖對本實用新型進行詳細說明，但需要注意的是，本實用新型并不僅限于附圖所示的實施方式。
[0029]如圖1、2和3所示，本實用新型提供的利用交流等離子體球化粉體的設(shè)備，包括放電室1、電感線圈2和熱交換室3。
[0030]所述放電室I包括頂蓋11、粉體進料管12以及呈圓柱形的放電室側(cè)壁13 ;所述頂蓋11封閉所述放電室I的上端，在如圖1所示的實施例中，所述頂蓋I通過法蘭與所述放電室側(cè)壁13的上端固定連接。當(dāng)然，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易想到所述頂蓋11還可以通過其它方式封閉所述放電室I的上端。所述頂蓋11內(nèi)設(shè)有頂蓋冷卻腔16，所述頂蓋冷卻腔16設(shè)有頂蓋冷卻介質(zhì)入口 24和頂蓋冷卻介質(zhì)出口 22，冷卻介質(zhì)(比如氣體或液體)可以通過所述頂蓋冷卻介質(zhì)入口 24和頂蓋冷卻介質(zhì)出口 22而流入、流出所述頂蓋冷卻腔16，防止所述頂蓋11溫度過高。
[0031]所述粉體進料管12穿過所述頂蓋11并與所述放電室I同軸地伸入所述放電室I內(nèi)，以送入待球化的角形粉體(比如顆粒物通過超微粉碎機粉碎后得到的粉體，具有不規(guī)則形狀)。在一種實施方式中，所述角形粉體通過惰性氣體(比如氬氣)輸送進入所述放電室1，或者通過其它不會與該粉體在高溫下反應(yīng)的氣體，上述氣力輸送方式為本領(lǐng)域所熟知，這里不再贅述。優(yōu)選地，所述粉體進料管12的粉體出口 25呈喇叭形，沿所述放電室I的中心軸線b (即所述放電室側(cè)壁13所成圓柱形的內(nèi)徑)向下設(shè)置，有利于粉體在所述放電室I內(nèi)的均勻分布。
[0032]在所述放電室I內(nèi)設(shè)有兩根工作氣體進氣管14，所述工作氣體進氣管14的工作氣體出口(圖中未標(biāo)出)對準所述粉體出口 25的正下方，并且繞所述放電室的中心軸線b均勻布置在同一水平面內(nèi)。這樣，進入所述放電室I的工作氣體可以很好地相互碰撞并對粉體進行分散，并且通過調(diào)節(jié)所述工作氣體的流速或流量還可以有效控制粉體在放電室I內(nèi)的等離子體區(qū)域中的停留時間。在其它實施例中，所述工作氣體進氣管14還可以是三根、四根或更多，例如當(dāng)所述工作氣體進氣管14的數(shù)量為三根時，其工作氣體出口之間的距離相等，并且其工作氣體出口與所述粉體出口 25之間的距離相等；當(dāng)所述工作氣體進氣管14為其它數(shù)量時，本領(lǐng)域技術(shù)人員參照以上描述后同樣容易理解其具體布置方式。優(yōu)選地，所述工作氣體進氣管14的工作氣體出口與所述放電室的中心軸線b之間的距離為所述放電室側(cè)壁13內(nèi)徑的1/4?1/8，進一步優(yōu)選為所述放電室側(cè)壁13內(nèi)徑的1/4?1/6，以促進粉體的分散。
[0033]在一個優(yōu)選實施方式中，所述工作氣體進氣管14穿過所述頂蓋11伸入所述放電室I內(nèi)，并且所述工作氣體進氣管14的工作氣體出口方向與所述頂蓋11所夾銳角為25。?40°，進一步優(yōu)選為30°?35°，以進一步優(yōu)化粉體的分散效果與停留時間。
[0034]所述放電室側(cè)壁13內(nèi)設(shè)有繞其周向的環(huán)形放電室冷卻腔18，所述放電室冷卻腔18設(shè)有放電室冷卻介質(zhì)入口 21和放電室冷卻介質(zhì)出口 23，冷卻介質(zhì)(比如氣體或液體)可以通過所述放電室冷卻介質(zhì)入口 21和放電室冷卻介質(zhì)出口 23而流入、流出所述放電室冷卻腔18，防止所述放電室側(cè)壁13溫度過高。在一個實施例中，所述放電室冷卻介質(zhì)出口 23通過外置管道連接至所述頂蓋冷卻介質(zhì)入口 24，以使所述放電室冷卻腔18與所述頂蓋冷卻腔16連通。
[0035]在所述放電室側(cè)壁13的上端設(shè)有兩根能使保護氣體沿所述放電室側(cè)壁13的切向進入所述放電室I的保護氣體進氣管15，所述保護氣體進氣管15的保護氣體出口 17沿所述放電室側(cè)壁13的周向均勻布置在所述放電室側(cè)壁13上(即兩個保護氣體出口 17之間的連線與所述放電室的中心軸線b垂直相交)，通入的保護氣體可以沿放電室I內(nèi)壁形成螺旋式的保護氣簾，避免粉體碰撞放電室I內(nèi)壁而造成產(chǎn)品污染。容易理解的是，所述保護氣體同樣不應(yīng)與放電室I內(nèi)其它物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)，比如當(dāng)球化氧化鋁粉體時，從成本、化學(xué)性質(zhì)考慮，可以選擇空氣作為保護氣體。另外，對應(yīng)于不同流量或流速的工作氣體，所述保護氣體的流量或流速也應(yīng)該做相應(yīng)的調(diào)整，以保證工作氣體不擴散到放電室I內(nèi)壁。在其它實施例中，所述保護氣體進氣管15還可以是三根、四根或更多，例如當(dāng)所述保護氣體進氣管15的數(shù)量為三根時，其保護氣體出口 17之間的距離相等，并且位于所述放電室側(cè)壁13的同一水平截面上；當(dāng)所述保護氣體進氣管15為其它數(shù)量時，本領(lǐng)域技術(shù)人員參照以上描述后同樣容易理解其具體布置方式。優(yōu)選地，在所述放電室側(cè)壁13上還設(shè)有透明觀察孔19(參見圖4)，以觀察所述放電室I內(nèi)的等離子體放電情況。
[0036]所述電感線圈2纏繞在所述放電室側(cè)壁13外，用于在所述放電室I內(nèi)產(chǎn)生交流等離子體，并使進入所述放電室I內(nèi)的粉體在高溫下加熱熔融。優(yōu)選地，所述粉體進料管12的粉體出口 25與所述電感線圈2的上端、工作氣體出口以及所述保護氣體出口 17平齊。
[0037]所述熱交換室3包括熱交換室側(cè)壁31和位于所述熱交換室3底部的球形粉出口32，所述熱交換室3的頂部與所述放電室I的底部連通并且與所述放電室I同軸設(shè)置，在如圖1所示的實施例中，所述熱交換室3的頂部通過法蘭與所述放電室I的底部固定連接。所述熱交換室側(cè)壁31內(nèi)設(shè)有繞其周向的環(huán)形熱交換室冷卻腔33，所述熱交換室冷卻腔33設(shè)有熱交換室冷卻介質(zhì)入口 34和熱交換室冷卻介質(zhì)出口 35，冷卻介質(zhì)(比如氣體或液體)可以通過所述熱交換室冷卻介質(zhì)入口 34和熱交換室冷卻介質(zhì)出口 35而流入、流出所述熱交換室冷卻腔33，以控制所述熱交換室側(cè)壁31溫度。經(jīng)等離子體加熱熔融的粉體下落進入所述熱交換室3進行降溫以球化，然后由所述球形粉出口 32送出。優(yōu)選地，所述熱交換室3的內(nèi)徑(即所述熱交換室側(cè)壁31所成圓柱形的內(nèi)徑)為所述放電室I內(nèi)徑(即所述放電室側(cè)壁13所成圓柱形的內(nèi)徑)的1.1?1.6倍，進一步優(yōu)選為所述放電室I內(nèi)徑的1.2?1.5倍，從而使所述放電室I內(nèi)的物質(zhì)在進入熱交換室3時可以產(chǎn)生“節(jié)流膨脹效應(yīng)”，更有利于物質(zhì)的分散降溫。
[0038]在一個優(yōu)選實施方式中，所述熱交換室冷卻腔33包括多個沿所述熱交換室3的軸線方向依次布置的獨立冷卻腔，這些獨立冷卻腔可以分別引入相同或不同的冷卻介質(zhì)，使所述熱交換室3內(nèi)壁的溫度更加靈活可控，在所述熱交換室3內(nèi)形成合理的溫度梯度，以提高粉體的球化率及球化質(zhì)量。
[0039]在一種實施方式中，本實用新型所提供的利用交流等離子體球化粉體的設(shè)備被用于粉體球化系統(tǒng)中，如圖4所示，所述粉體球化系統(tǒng)還包括依次連接的旋風(fēng)分離器4、氣體過濾器5和引風(fēng)機6，所述旋風(fēng)分離器4的進料口與所述球形粉出口 32通過管線連接。
[0040]如圖4所述的粉體球化系統(tǒng)在運行時，首先向頂蓋冷卻介質(zhì)入口 24、放電室冷卻介質(zhì)入口 21和熱交換室冷卻介質(zhì)入口 34通入冷卻介質(zhì)，向保護氣體進氣管15中通入空氣作為保護氣體，向工作氣體進氣管14中通入氬氣作為工作氣體；接通高頻電源為所述電感線圈2供電，通過所述透明觀察孔19觀察放電情況，直到獲得穩(wěn)定的等離子體；角形粉體通過粉體進料管12送入等離子體區(qū)域加熱熔融之后進入熱交換室3，通過控制熱交換室側(cè)壁31溫度使熔融粉體降溫球化，最后在引風(fēng)機6作用下，球化粉體與氣體一起進入旋風(fēng)分離器4，球化粉體與氣體分離后被收集，分離出的氣體進一步通過氣體過濾器5過濾，最后排出。
[0041]實施例
[0042]球化粉體的設(shè)備如圖1-3所示，其中，放電室側(cè)壁13高50cm，其內(nèi)徑為30cm;熱交換室側(cè)壁31高70cm，其內(nèi)徑為50cm。待球化原料為神華準能資源開發(fā)有限公司氧化鋁中試廠生產(chǎn)的氧化鋁，經(jīng)過研磨粉碎，中位粒徑為25 μ m (其SEM圖片見圖5)。通入氬氣作為工作氣體，流量為1.3m3/h，通入空氣作為邊氣，流量為4.5m3/h,開啟高頻電源，振蕩頻率為
4.0MHz，等離子體功率為40kW，幾分鐘后獲得穩(wěn)定的等離子體，通過送粉系統(tǒng)將角形氧化鋁粉末通入放電室I，加料速度為10g/min,利用高頻等離子體進行加熱熔融,調(diào)節(jié)熱交換室冷卻介質(zhì)的溫度和流量，控制所述熱交換室側(cè)壁31為300°C，在旋風(fēng)分離器4底部收集球化后的氧化鋁粉末(其SEM圖片見圖6)，球化率達90%以上。
【權(quán)利要求】
1.一種利用交流等離子體球化粉體的設(shè)備，包括放電室、電感線圈和熱交換室； 所述放電室包括頂蓋、粉體進料管以及繞有所述電感線圈的圓柱形放電室側(cè)壁；所述頂蓋封閉所述放電室的上端，所述粉體進料管穿過所述頂蓋伸入所述放電室內(nèi)，并且與所述放電室同軸地設(shè)置； 所述熱交換室包括熱交換室側(cè)壁和位于所述熱交換室底部的球形粉出口，所述熱交換室的頂部與所述放電室的底部連通，并且與所述放電室同軸設(shè)置； 在所述放電室內(nèi)設(shè)有至少兩根工作氣體進氣管，所述工作氣體進氣管的工作氣體出口對準所述粉體進料管的粉體出口的正下方，并且繞所述放電室的中心軸線均勻布置在同一水平面內(nèi)； 在所述放電室側(cè)壁的上端設(shè)有兩根能使保護氣體沿所述放電室側(cè)壁的切向進入所述放電室的保護氣體進氣管，所述保護氣體進氣管的保護氣體出口沿所述放電室側(cè)壁的周向均勻布置在所述放電室側(cè)壁上； 所述頂蓋內(nèi)設(shè)有頂蓋冷卻腔，所述放電室側(cè)壁內(nèi)設(shè)有繞其周向的環(huán)形放電室冷卻腔，所述熱交換室側(cè)壁內(nèi)設(shè)有繞其周向的環(huán)形熱交換室冷卻腔。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述工作氣體進氣管穿過所述頂蓋伸入所述放電室內(nèi)，并且所述工作氣體進氣管的工作氣體出口方向與所述頂蓋所夾銳角為25。?40°。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的設(shè)備，其特征在于，所述工作氣體進氣管的工作氣體出口與所述放電室的中心軸線之間的距離為所述放電室側(cè)壁內(nèi)徑的1/4?1/8。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述粉體進料管的粉體出口與所述電感線圈的上端、工作氣體出口以及保護氣出口平齊。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的設(shè)備，其特征在于，所述粉體進料管的粉體出口呈喇叭形。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述熱交換室冷卻腔包括多個沿所述熱交換室的軸線方向依次布置的獨立冷卻腔。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的設(shè)備，其特征在于，所述頂蓋冷卻腔與所述放電室冷卻腔通過外置管道連通。
8.根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的設(shè)備，其特征在于，所述熱交換室的內(nèi)徑為所述放電室內(nèi)徑的1.1?1.6倍。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的設(shè)備，其特征在于，所述放電室側(cè)壁上設(shè)有透明觀察孔。
10.一種粉體球化系統(tǒng)，包括根據(jù)權(quán)利要求1-7中任一項所述的設(shè)備以及依次連接的旋風(fēng)分離器、氣體過濾器和引風(fēng)機，所述旋風(fēng)分離器的進料口通過管線與所述設(shè)備的球形粉出口連接。
【文檔編號】B01J2/00GK203678372SQ201320879136
【公開日】2014年7月2日 申請日期:2013年12月27日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月27日
【發(fā)明者】郭昭華, 高進, 王永旺, 楊磊, 王瑞, 池君洲, 董宏 申請人:中國神華能源股份有限公司, 神華準能資源綜合開發(fā)有限公司