一种等离子体反应雾化制备高纯氮化铝球形粉末的方法
技术领域
本发明涉及生产球形陶瓷粉末领域。更具体的，本发明涉及借助等离子体反应雾化工艺制备氮化铝球形粉末的方法和设备。
背景技术
氮化铝（AlN）是新型人工合成陶瓷材料，优势包括且不限于硬度高、耐火性良好以及高温化学性能稳定，而氮化铝产品的制备需要用到氮化铝粉末。高质量的氮化铝粉末能够制作出致密性好并且表面光滑的氮化铝产品，可以更好的满足目前对于形状复杂且尺寸精度较高的氮化铝产品需求，故高质量氮化铝粉末制备工艺是近年的研究热点。利于氮化铝产品成型的高质量氮化铝粉末需要满足以下特征：1 .粉末纯度高；2.具有高的球化率；3.粉末表面质量好；4 .粒径小并且分布较窄。目前比较成熟的制备氮化铝粉末的方法有直接氮化法、碳热还原法和等离子体法。
关于直接氮化法，这是一种工业上常用的制备氮化铝粉末手段。直接氮化法以铝粉为原料，具体实施方法为在高温环境下（1000K至1400K）向铝粉直接通入氮气发生氮化反应，以此得到氮化铝粉末。直接氮化法原理简单，并且能够在一定时间内获得大量的氮化铝粉末，但是由于氮化反应伴随着强烈的放热现象，会使得生成的一部分氮化铝发生自烧结，粉末粒径分布和球化程度无法保证；并且氮化铝粉末会首先在铝粉表面生成，阻碍了表层以下铝粉的进一步反应，生产的连续性不佳。
关于碳化还原法，这是另一种工业制备氮化铝粉末的工艺手段，能够在制得粒径分布小的氮化铝粉末同时保证粉末不会因为受热而聚焦成一团。碳化还原法以氧化铝和碳粉为原料，具体实施方法为在高温环境下（1800K至2000K）向氧化铝和碳粉混合物中通入氮气发生还原氮化反应，生成氮化铝粉末和一氧化碳。碳化还原法能够比较高效的制得高质量得氮化铝粉末，但工艺中涉及到的还原氮化反应要求碳粉过量才能正常进行，而多余的碳粉需要在800K至900K的空气中进行二次除碳，这在浪费原料的同时增加了生产成本；并且碳化还原法不能保证氮化铝粉末的球形度和表面质量，氧化铝和碳粉的存在也影响了最终成品粉末中氮化铝的所占比例。
关于等离子体法，包括：等离子体熔融球化法和等离子体反应雾化法。等离子体熔融球化法的工艺目标不是制备氮化铝粉末，而是对已有的工业生产氮化铝粉末进行表面修饰，得到球化氮化铝粉末，具体实施方法为：在电弧或射频等离子体炬中输入氮化铝粉末，粉末在等离子体炬中的等离子体区域发生熔化，随后在离开等离子体区域的冷却室内发生凝固，由于表面张力影响和表面能趋于最小原理，粉末凝固后形状会趋于表面能最小的球形，最后获得球化率高、表面质量好的氮化铝粉末；等离子熔融球化法虽然能够获得高质量的氮化铝粉末，但本质是属于氮化铝粉末的表面修饰，没有考虑氮化铝粉末本身怎么获得。
等离子反应雾化法是在无氧环境下，以熔融铝液为原料，利用氮气等离子对铝液进行冲击雾化，利用等离子自身的高温性，使铝液在氮气等离子体中被冲碎的同时与氮气发生反应，最终获得氮化铝粉末。等离子体反应雾化法首先由美国的Paul D.Prichard提出（专利号US005939151A），但只是提出一个概念理论与简易结构，没有细化生产步骤，并且只有一束等离子体冲击熔融液，而不是产生多个等离子束对熔融液进行360度环绕均匀冲击雾化，最终生产出的氮化铝粉末纯度一般（最佳情况下小于75%），球化率也不好。
发明内容
基于此，有必要在现有反应雾化的思路下，提出一种等离子体反应雾化制备高纯氮化铝球形粉末的方法，对氮化铝粉末的反应雾化制备步骤进行细化，并且在制备时能保证氮气等离子体束对熔融铝液进行360度环绕均匀的冲击，还需要能够控制氮化铝液滴的凝固时间，从而在实现氮化铝生产原料易得、氮化铝粉末生产稳定并且高效的同时，保证氮化铝粉末的纯度、球化率与表面质量。
一种等离子体反应雾化制备高纯氮化铝球形粉末的方法包括以下方案：
1） 前期准备
检查装置总体气密性，确认完毕后向反应雾化室中以不低于10L/min的流速通入惰性气体以挤出雾化室中的空气，持续30s后，启动热源装置与冷却装置；
2） 产生环状氮气等离子体束
启动等离子体炬，使氮气通过运输通道以低于40L/min的流量通入等离子体炬中产生氮气等离子体，所述氮气等离子体进入反应雾化喷嘴后形成360度环状等离子体束，所述360度环状等离子体束在反应雾化室中形成雾化焦点；
3） 熔融
将铝原料送入热源，充分熔融为足量的铝液，并准备输送至反应雾化室；
4） 反应雾化
开启铝液运输通道，确认步骤3）所得铝液能够以稳定液柱的形式垂直下落到步骤2）所形成雾化焦点处，同时将通入等离子体炬的氮气流量调整为40-60L/min，保证氮气等离子进入步骤2）提及的反应雾化喷嘴后形成360度环状超音速等离子体束，通过反应雾化的手段将铝液冲击雾化并生成氮化铝液滴；
5） 氮化铝球化粉末形成与收集
步骤4）所得氮化铝在离开反应雾化室到通过冷却装置并最终到达收集装置入口这一整体过程中，逐渐冷凝球化为氮化铝粉末，所述氮化铝粉末通过过滤网落入收集装置中，完成氮化铝球形粉末的收集;
6） 排气
步骤1）2）4）中所产生的气体在完成反应雾化以及输送粉末至收集装置的流程后，通过过滤网由排气孔排出进行集中处理；
7） 氮化铝粉末制备工作结束
当步骤3）所述铝固体原料用尽、粉末产量达到预期、氮气量不足等一个或多个原因下需要停止氮化铝的反应雾化制备时，依次关闭步骤1）中热源装置、步骤2）中等离子体炬、步骤2）中氮气运输通道和步骤1）中冷却装置，结束反应雾化制备工作。
进一步的，步骤1）中所述惰性气体可以是氮气、氩气、氦气中其中一种，所述热源装置的熔融方式是电加热法（如：电阻加热、电弧放电加热、感应加热等）、真空感应熔炼中的至少一种。
进一步的，步骤2）中所述运输通道为带有控制阀门的管道，所述运输通道用于连接氮气等离子体气体源和等离子体炬，所述等离子炬可以为电弧等离子体炬和射频等离子体炬的其中之一，所述等离子体炬内部有水冷管道，接触等离子体的壁面为耐高温材料（如碳化硼，石英等），所述氮气等离子体气体源在等离子体炬中被加热激发为等离子体态，并从等离子体炬出口喷出，出口温度不小于3000K，氮气等离子体喷出后通过反应雾化喷嘴的入射口进入反应雾化喷嘴。
进一步的，步骤2）中所述反应雾化喷嘴用于接受等离子体炬喷射的氮气等离子体并喷射出360度环状氮气等离子体束，所述反应雾化喷嘴材料为耐高温材料（如：钨及其合金，石墨、碳化硼等）或是有耐高温涂层的普通材料；所述反应雾化喷嘴装配后中心轴线方向为竖直方向，入射口数量不小于4，出口形式为数量不小于4的射流喷嘴或360度全覆盖的环缝喷嘴，入射口与出口均匀分布在360度圆周上；所述360度环状氮气等离子体束在步骤2）中所述反应雾化喷嘴中心轴线位置形成雾化焦点。
进一步的，步骤3）中所述反应雾化室为铝液接受360度环状氮气等离子体束冲击雾化的区域。
进一步的，步骤3）中所述熔融铝液的原材料为铝的粉末、丝、棒或熔体流，在熔融过程进行时关闭步骤1）中所述热源装置与步骤3）中所述反应雾化室之间的通道。
进一步的，步骤4）中所述铝液运输管道负责将熔融铝液竖直向下送入步骤2）所述雾化焦点，管道材料为耐高温材料（如：钨及其合金，石墨、碳化硼等）或是有耐高温涂层的普通材料。
进一步的，步骤4）中所述360度环状超音速等离子体束在冲击铝液时的温度为1500K至2000K。
进一步的，步骤4）中所述反应雾化基本原理是：氮气等离子对铝液进行360度环绕均匀冲击，使得铝液被均匀冲击雾化，破碎为粒径分布小的液滴；铝液雾化破碎同时，铝液滴与氮气在1500K至1800K的温度范围内发生反应生成氮化铝。在整个过程中，氮化铝的生成与雾化同时进行。
进一步的，步骤5）中所述冷却装置入口与反应雾化室相连，出口与粉末收集装置相连，所述冷却装置的冷却方式可以为水冷、油冷、风冷，所述冷却装置可以将温度调整为400K至600K，在防止氮化铝液滴过快冷却形成不规则表面的同时，也避免了氮化铝液滴在熔融状态时相互碰撞变为团聚状。
进一步的，步骤5）中所述粉末收集装置用于收集通过步骤5）中所述冷却装置后的氮化铝球形粉末，包括过滤网、排气口和收集容器，所述过滤网在所述冷却装置与所述粉末收集装置连接处，用于过滤尺寸较大的粉末或熔融块，所述排气口用于向外部环境排放高温气体，所述收集容器用于收集过滤后的氮化铝球形粉末。
进一步的，步骤6）中所述集中处理包括且不限于燃烧、通入反应池，经过处理后的气体将会进行收集并循环利用，降低成本。
进一步的，步骤7）中所述关闭步骤全部完成后，仍需要等待1分钟以上，保证制备装置整体温度下降后，再将步骤5）中所述粉末收集装置中的氮化铝球形粉末进行统一收取。
本发明的创新点：
（1）本发明提出了一种等离子体反应雾化制备高纯氮化铝球形粉末的方法，包括具体实施步骤、反应雾化制备过程中的氮气流速、等离子体束温度、等离子体束速度等一系列指标，以及反应雾化制备装置中热源、反应雾化喷嘴、等离子体炬、冷却装置、收集装置等部分的形式与结构，创造并细化出一套利用反应雾化原理制备高纯氮化铝球形粉末的高效生产方案；
（2）本发明提出利用360度环状等离子体进行超音速喷射雾化的思想，包括提出多出口式和环缝出口式喷嘴的结构思路，首先，等离子自身的高温特性，保证了铝液在冲击雾化过程中不会提前冷凝，可以更好的控制液滴的形状；其次，360度环绕均匀喷射雾化的方式，可以保证铝液表面被充分冲击雾化，避免了常规单束、3束等离子体雾化中冲击雾化不均的问题，最终保证液滴的粒径分布较小；最后，超音速等离子体能够更有效的将铝液冲击破碎，避免了铝液下落到雾化焦点时因为液柱直径过大或者下落速度过快而只能冲击破碎铝液表面的问题，在保证了铝液能够与氮气进行充分反应，提高最终氮化铝粉末纯度的同时，也把出现大颗粒粉末或粉末团的概率降到最低；
（3）本发明利用可以调节自身工作参数的冷却装置，对经过反应雾化生成的氮化铝液滴进行冷凝速率和下落方向控制，保证氮化铝液滴能够充分利用自身表面张力进行球化凝固，同时也确保液滴之间不会相互撞击形成团聚颗粒，最大限度的提高氮化铝粉末的球形度与表面质量。
附图说明
图1为本发明实施例1中等离子体反应雾化制备高纯氮化铝球形粉末装置的结构示意简图；
图2为本发明实施例2中反应雾化装置中的反应雾化喷嘴结构示意图；
图3为本发明实施例3中反应雾化装置中的反应雾化喷嘴另一种结构示意图；
图4为本发明实施例4中冷却装置的一种冷却方式具体结构示意简图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明的一种等离子体反应雾化制备高纯氮化铝球形粉末的方法作进一步的详细说明。
实施例1
本实施例为等离子体反应雾化制备高纯氮化铝球形粉末装置的一种具体结构，由图1所示，熔融铝液1通过铝液运输通道11进入反应雾化室13；氮气气体源12通过运输管道2向等离子炬4输送氮气，等离子体炬4通过法兰3与反应雾化室13连接，生成的氮气等离子体在反应雾化喷嘴14的流道中实现超音速，并在环缝出口6被喷射出，形成360度环状的超音速氮气等离子体束5；熔融铝液1在反应雾化室13中被冲击雾化为铝液滴6，同时铝液滴7与氮气等离子体发生反应生成氮化铝15；氮化铝15离开反应雾化室13后落入冷却装置8，靠冷却装置8中的水冷管16控制温度进而控制氮化铝液滴15的球化冷凝速度；冷凝后的氮化铝球形粉末通过粗过滤网17落入收集装置18中，而废气通过细过滤网10由排气孔9被排出进行集中处理。
实施例2
本实施例为实施例1中反应雾化喷嘴14的一种具体结构。由图2的喷嘴非透明剖视图（左）和透明剖视图（右）所示，其中氮气等离子通过入射口19进入超音速流道20，所述超音速流道20为压缩-扩张型结构，所述氮气等离子在超音速流道20里加速到超音速并分散为360度全覆盖的等离子体束，最后从环缝出口6喷射到反应雾化喷嘴的中心孔中形成雾化焦点。
实施例3
本实施例是实施例1中反应雾化喷嘴的另一种具体结构示意图，其结构类似于实施例2，区别在于：
该结构为多出口式反应雾化喷嘴，多出口式的反应雾化喷嘴的冲击雾化效果会比环缝出口式的差，但流场比环缝式喷嘴更稳定。如图3-a，3-b与3-c所示，该具体结构共有4个入射口和8个出口，其中图3-a为所述反应雾化喷嘴结构外观轴测图与透视图，图3-b为所述反应雾化喷嘴结构俯视兼透视图，图3-c为所述反应雾化喷嘴结构正视兼透视图。所述反应雾化喷嘴结构通过4个面上共16个螺栓孔2与反应雾化室相固定，所述反应雾化喷嘴结构通过连接口24接受等离子体炬喷射出的氮气等离子，所述氮气等离子由连接口24进入环形通道27，并通过超音速流道28朝着雾化中心孔26的雾化焦点29喷射，达到对熔融铝液进行360度环绕均匀冲击雾化的目的。
实施例4
本实施例为一种等离子体反应雾化制备氮化铝球形粉末的又一种装置，其结构类似于实施例1，区别在于：
如图4所示，冷却区的冷却装置在冷却氮化铝15时采用风冷方式，其中气体压缩机30将氩气等惰性气体33喷入风冷装置31中，所述氩气等惰性气体33在所述风冷装置31中通过尘埃过滤网32并被分为斜向下和竖直向下两个主要方向，所述尘埃过滤网32用于阻挡氩气等惰性气体中可能混杂的灰尘，防止氮化铝液滴受到污染；斜向下的冷却气流可以分散氮化铝液滴，防止液滴互相聚和形成液块，同时斜向下的冷却气流可以对液滴的运动方向起一个向下的引导作用；竖直向下的冷却气流可以防止氮化铝液滴撞击到耐热壁面34上发生变形，所述耐热壁面为耐高温材料或是有高温涂层的普通材料。
