[發(fā)明專利]鋁錠熔融霧化合成氮化鋁粉體的專用霧化合成爐

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202110317397.7
• 申請(qǐng)日: 2021-03-19
• 公開（公告）號(hào): CN112999983A
• 公開（公告）日: 2021-06-22
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 朱孟龍;尹克勝;尹弘毅;陳守鋒;李興軍;徐飛;李超;李富超
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 尹克勝
• 主分類號(hào): B01J6/00
• 分類號(hào): B01J6/00;C01B21/072
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

1.一種鋁錠熔融霧化合成氮化鋁粉體的專用霧化合成爐，其特征在于：鋁錠熔融霧化合成氮化鋁粉體專用霧化合成爐外形近似于橡子形，由承壓殼體、爐膛內(nèi)腔和保溫隔熱層三部分構(gòu)成，承壓殼體為霧化合成爐外殼，采用橢圓封頭和鍋爐鋼板制作，通過法蘭、墊片和緊固螺栓連接為一體；爐膛內(nèi)腔為霧化合成工藝反應(yīng)空間，上部封頭和圓柱形霧化合成室用能夠承受1500℃以上高溫的耐火材料砌筑，下部錐體換熱室用能夠承受1200℃以上高溫的耐火材料砌筑；在耐火材料砌筑爐膛與承壓外殼之間為隔熱保溫層，填充耐高溫泡沫磚砌體；在霧化合成爐上設(shè)置霧化器接口A、點(diǎn)火器接口B、觀察視鏡E、安全防爆孔G、高溫?zé)煔獬隹贑、循環(huán)氮?dú)膺M(jìn)口D、反應(yīng)產(chǎn)品出口F、測(cè)壓孔P、測(cè)溫孔T1、T2；霧化合成爐是這樣工作的：在做好各項(xiàng)準(zhǔn)備工作后，安裝在霧化合成爐接口A上的霧化器以壓縮氮?dú)鉃閯?dòng)力，以錐體扇面形狀向霧化合成爐圓柱形合成室噴入鋁液，形成能夠滿足鋁的氮化條件的鋁氮云霧；啟動(dòng)安裝在點(diǎn)火器接口B上的點(diǎn)火器，點(diǎn)燃鋁氮云霧，觸發(fā)2Al+N₂＝2AlN反應(yīng)，該反應(yīng)是強(qiáng)放熱反應(yīng)，隨反應(yīng)進(jìn)行，爐溫快速升高，當(dāng)霧化合成爐封頭上的測(cè)溫點(diǎn)T1測(cè)溫達(dá)到1000℃時(shí)，停止點(diǎn)火器工作，依靠反應(yīng)放熱維持反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，霧化鋁微粒屬高活性微粒，低溫霧化環(huán)境下易在微粒表面形成一層納米氮化鋁膜，阻止反應(yīng)的進(jìn)一步進(jìn)行，但高溫環(huán)境能夠破壞這層氮化鋁膜，維持反應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，其原因在于鋁氮化形成氮化鋁時(shí)伴隨著51.85％的質(zhì)量增加和28.5％的體積膨脹，鋁與氮化鋁的熱膨脹系數(shù)不匹配，Al＝25*10^-6/k AlN＝4.6*10^-6/k，在鋁氮化過程中，N₂由氣體變成固體，體積急劇收縮，形成顆粒周圍局部負(fù)壓狀態(tài)，周邊氮?dú)庋杆傺a(bǔ)充，對(duì)鋁液微粒產(chǎn)生劇烈擾動(dòng)，同時(shí)鋁液微粒迅速升溫，體積膨脹，造成包裹鋁液微粒的氮化鋁膜被破壞，暴露出內(nèi)部液面，維持反應(yīng)繼續(xù)進(jìn)行，由于反應(yīng)過程原料與產(chǎn)物體積、質(zhì)量的劇烈變化，鋁液微粒表面的氮化鋁膜不斷剝落，懸浮于反應(yīng)氣氛中，又由于反應(yīng)是在霧化狀態(tài)下進(jìn)行的，顆粒之間距離較大，難有顆粒接觸碰撞燒結(jié)成大顆粒的機(jī)會(huì)，使反應(yīng)生成的氮化鋁粒度遠(yuǎn)小于霧化鋁滴粒度，反應(yīng)生成的氮化鋁微粒在爐膛內(nèi)緩慢沉降，進(jìn)入下部圓錐形換熱室，與自換熱室下部循環(huán)氮?dú)膺M(jìn)口D輸入的循環(huán)氮?dú)鈸Q熱，逐漸冷卻到150℃以下，自霧化合成爐底部的反應(yīng)產(chǎn)品出口F排出霧化合成爐；循環(huán)氮?dú)庾該Q熱室下部進(jìn)口D切線進(jìn)入圓錐形換熱室，以旋流狀態(tài)向上運(yùn)動(dòng)，在與沉降的氮化鋁微粒換熱過程中溫度逐漸升高，并托舉沉降微粒，控制其沉降速度，維持微粒在爐內(nèi)滯留時(shí)間，確保Al微粒的完全氮化，錐形設(shè)計(jì)的換熱室，使循環(huán)氮?dú)庠趽Q熱進(jìn)程升溫、體積膨脹的情況下的勻速上升，循環(huán)氮?dú)膺M(jìn)入霧化反應(yīng)室參與反應(yīng)并調(diào)控反應(yīng)溫度；霧化合成爐整體工作狀態(tài)的觀察、調(diào)整與控制通過觀察視鏡E、安裝在封頭測(cè)壓孔P上的壓力表，安裝在封頭和圓錐形換熱室中部的測(cè)溫孔T1、T2的溫度測(cè)控儀器實(shí)現(xiàn)；2Al+N₂＝2AlN屬強(qiáng)放熱反應(yīng)，Al是基準(zhǔn)原料，N₂為控制變量，通過對(duì)N₂的控制可精確的控制霧化合成爐反應(yīng)工況(包括霧化合成爐反應(yīng)區(qū)溫度、壓力、固體微粒滯留時(shí)間等)；進(jìn)出霧化合成爐的N₂分為三部分，A為氮?dú)庵苽溲b置提供的新鮮氮?dú)猓瑝毫?.5～10MPa，溫度300～700℃，用于鋁液的霧化在霧化合成室形成鋁氮云霧，進(jìn)一步氮化合成氮化硅，B為由霧化合成爐換熱區(qū)下部補(bǔ)充的循環(huán)氮?dú)猓瑝毫?～500kPa，溫度30～100℃，用于與沉降氮化鋁微粒換熱、調(diào)節(jié)霧化反應(yīng)室爐溫、參與氮化合成反應(yīng)，C為離開霧化合成爐封頭的高溫氮?dú)猓瑝毫?～400kPa，溫度1000～1500℃；設(shè)以維持氮化反應(yīng)平衡的N₂量為模數(shù)M，則A＝1.5～2M，B＝2～10M，C＝A+B-M，產(chǎn)品氮化鋁的產(chǎn)量＝Al+M。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁錠熔融霧化合成氮化鋁粉體的專用霧化合成爐，其特征在于：霧化合成爐承壓殼體采用鍋爐鋼板制作，通過法蘭、墊片和緊固螺栓連接為一體；設(shè)計(jì)壓力0.3-1.0MPa、設(shè)計(jì)溫度100℃，按《GB/T150.1～～150.4--2011壓力容器》和《TSG21-2016固定式壓力容器安全技術(shù)監(jiān)察規(guī)程》加工制造與驗(yàn)收。