[發明專利]一種多級冷卻制備金屬粉末的等離子體霧化裝置

在審

• 申請號: 201710305533.4
• 申請日: 2017-05-03
• 公開（公告）號: CN107030292A
• 公開（公告）日: 2017-08-11
• 發明（設計）人: 王艷雯;李要建;李軍;陳竹;嚴圣軍
• 申請（專利權）人: 江蘇天楹環保能源成套設備有限公司
• 主分類號: B22F9/14
• 分類號: B22F9/14
• 代理公司: 南京天翼專利代理有限責任公司32112
• 代理人: 王玉梅

技術領域

本發明涉及一種多級冷卻制備金屬粉末的等離子體霧化裝置，涉及新材料領域。

背景技術

3D打印、電子元件等領域對金屬粉末的要求較高，不僅需具備良好的可塑性外，還必須滿足雜質少、粉末粒徑小、粒徑分布窄、球形度高、流動性好等要求。等離子體霧化法制備金屬粉末是利用高溫等離子體使金屬原材料在高溫下瞬間熔融蒸發形成金屬蒸氣，而后經冷卻、結晶形成金屬核，而后生長形成細小的金屬顆粒。金屬蒸氣/液滴在氣相中凝結，制得的金屬粉末結晶度高、雜質少。

等離子體霧化裝置皆設有較長的冷卻區段。目前，金屬液滴/蒸氣的冷卻常通過與載氣進行單一的直接接觸式冷卻或間接接觸式冷卻來實現，如加拿大Pyrogenesis公司專利(WO 2016/191854 A1)。直接接觸式冷卻由于氣相環境溫度低、金屬液滴/蒸氣經載氣稀釋后濃度降低等因素，而不利于形成均一的、穩定的金屬核，且產量較低；而間接接觸式冷卻雖然可以避免上述問題，但由于間接接觸式冷卻裝置近內壁面和近中心區域載氣的流速、溫度、金屬液滴/蒸氣的濃度的不均一性，導致金屬液滴/蒸氣冷凝成核沉降的時間不一致，而在獲得粒徑分布較窄的金屬粉末方面存在較大的局限性。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是：針對背景技術中提及的現有等離子體霧化裝置存在的技術不足。

本發明的設計思想是，為解決上述問題，提出了一種多級冷卻制備金屬粉末的等離子體霧化裝置；該裝置核心在于利用等離子體炬與金屬之間產生的等離子體使金屬熔融蒸發產生金屬蒸氣；載氣通入反應器后攜帶金屬蒸氣進入冷卻區段后形成金屬粉末；冷卻區段分為間接冷卻區段和直接冷卻區段；金屬蒸氣先經間接冷卻區段成核，后經直接冷卻區段結晶生長；間接冷卻區段裝置內壁設置呈一定形狀分布且有助于金屬液滴/蒸氣與載氣充分混合的導流混合件，有利于制備得到純度高且粒徑分布均一的金屬粉末。

為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是：

一種多級冷卻制備金屬粉末的等離子體霧化裝置，包括實現等離子體金屬熔融蒸發的反應器，在反應器的殼壁上設置與反應器內腔相連通的用于金屬原料投加的豎直投料口和至少一個的用于插入等離子體火炬的入口通道；在反應器的殼壁上設置冷卻區通道，冷卻區通道分為間接冷卻區段和直接冷卻區段，且間接冷卻區段位于靠近反應器一端，直接冷卻區段位于遠離反應器另一端；在冷卻區通道周圍的反應器的殼壁上設置至少一條用于通入載氣的載氣供氣口；

在間接冷卻區段的內管壁上沿軸向設置用于使得金屬蒸氣與載氣混合均勻的導流混合件，導流混合件設置在金屬蒸氣凝結成核沉降區域的上游；

在間接冷卻區段的外管周圍設置冷卻介質對冷卻管內的載氣和金屬蒸汽進行非接觸式輻射傳熱降溫。

本發明的等離子體霧化裝置，獲得粒徑分布窄且產能高的金屬粉末。

本發明的等離子體霧化裝置，冷卻區段包括間接冷卻區段和直接冷卻區段。間接冷卻區段的冷卻是依靠冷卻管外圍冷卻介質與冷卻管內載氣和金屬蒸氣的非接觸式輻射傳熱來實現的；直接接觸式冷卻是依賴冷卻介質與金屬核/金屬粉末的直接接觸冷卻來實現的。間接冷卻區段，冷卻介質位于冷卻管外圍，冷卻介質不與金屬蒸氣直接接觸；直接冷卻區段，冷卻介質與金屬核(及金屬蒸氣)直接接觸。載氣將金屬蒸氣由反應器載帶至間接冷卻區段被間接冷卻，金屬蒸氣成核沉降；而后金屬蒸氣與金屬核進入直接冷卻區段與冷卻介質直接接觸進行冷卻。間接冷卻區段裝置內壁設置導流混合件，有助于金屬液滴/蒸氣與載氣充分混合；導流混合件設置于間接冷卻區段金屬蒸氣成核區域上游；導流混合件設有一定尺寸、數量的臺階并按一定方式在軸向進行排布。

對本發明技術方案的改進，入口通道傾斜設置。

對上述技術方案的進一步改進，入口通道關于反應器的中軸線對稱設置。入口通道的設置能保證金屬原料的充分熔融蒸發。

對本發明技術方案的改進，導流混合件為楔形臺階塊，導流混合件沿著間接冷卻區段的內管的軸向呈螺旋線分布在間接冷卻區段的內管壁上。

對本發明技術方案的改進，導流混合件的長度尺寸為1-100mm。

對本發明技術方案的改進，間接冷卻區段包括至少兩段的不同內徑區段。

對本發明技術方案的改進，由載氣供氣口通入的載氣氣氛為氮氣、氬氣或其他惰性氣體氣氛。

對本發明技術方案的改進，間接冷卻區段的外管周圍設置冷卻介質為冷水、溫水、乙醇、載氣。

對本發明技術方案的改進，金屬原料為鈦、鉑、金、銀、鈣、鈷、銅、鐵、鋁、鎳、鋯、鎂等導電金屬原料。