[实用新型]一种多级冷却制备金属粉末的等离子体雾化装置

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种多级冷却制备金属粉末的等离子体雾化装置，涉及新材料领域。

背景技术

3D打印、电子元件等领域对金属粉末的要求较高，不仅需具备良好的可塑性外，还必须满足杂质少、粉末粒径小、粒径分布窄、球形度高、流动性好等要求。等离子体雾化法制备金属粉末是利用高温等离子体使金属原材料在高温下瞬间熔融蒸发形成金属蒸气，而后经冷却、结晶形成金属核，而后生长形成细小的金属颗粒。金属蒸气/液滴在气相中凝结，制得的金属粉末结晶度高、杂质少。

等离子体雾化装置皆设有较长的冷却区段。目前，金属液滴/蒸气的冷却常通过与载气进行单一的直接接触式冷却或间接接触式冷却来实现，如加拿大Pyrogenesis公司专利(WO 2016/191854 A1)。直接接触式冷却由于气相环境温度低、金属液滴/蒸气经载气稀释后浓度降低等因素，而不利于形成均一的、稳定的金属核，且产量较低；而间接接触式冷却虽然可以避免上述问题，但由于间接接触式冷却装置近内壁面和近中心区域载气的流速、温度、金属液滴/蒸气的浓度的不均一性，导致金属液滴/蒸气冷凝成核沉降的时间不一致，而在获得粒径分布较窄的金属粉末方面存在较大的局限性。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是：针对背景技术中提及的现有等离子体雾化装置存在的技术不足。

本实用新型的设计思想是，为解决上述问题，提出了一种多级冷却制备金属粉末的等离子体雾化装置；该装置核心在于利用等离子体炬与金属之间产生的等离子体使金属熔融蒸发产生金属蒸气；载气通入反应器后携带金属蒸气进入冷却区段后形成金属粉末；冷却区段分为间接冷却区段和直接冷却区段；金属蒸气先经间接冷却区段成核，后经直接冷却区段结晶生长；间接冷却区段装置内壁设置呈一定形状分布且有助于金属液滴/蒸气与载气充分混合的导流混合件，有利于制备得到纯度高且粒径分布均一的金属粉末。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

一种多级冷却制备金属粉末的等离子体雾化装置，包括实现等离子体金属熔融蒸发的反应器，在反应器的壳壁上设置与反应器内腔相连通的用于金属原料投加的竖直投料口和至少一个的用于插入等离子体火炬的入口通道；在反应器的壳壁上设置冷却区通道，冷却区通道分为间接冷却区段和直接冷却区段，且间接冷却区段位于靠近反应器一端，直接冷却区段位于远离反应器另一端；在冷却区通道周围的反应器的壳壁上设置至少一条用于通入载气的载气供气口；

在间接冷却区段的内管壁上沿轴向设置用于使得金属蒸气与载气混合均匀的导流混合件，导流混合件设置在金属蒸气凝结成核沉降区域的上游；

在间接冷却区段的外管周围设置冷却介质对冷却管内的载气和金属蒸汽进行非接触式辐射传热降温。

本实用新型的等离子体雾化装置，获得粒径分布窄且产能高的金属粉末。

本实用新型的等离子体雾化装置，冷却区段包括间接冷却区段和直接冷却区段。间接冷却区段的冷却是依靠冷却管外围冷却介质与冷却管内载气和金属蒸气的非接触式辐射传热来实现的；直接接触式冷却是依赖冷却介质与金属核/金属粉末的直接接触冷却来实现的。间接冷却区段，冷却介质位于冷却管外围，冷却介质不与金属蒸气直接接触；直接冷却区段，冷却介质与金属核(及金属蒸气)直接接触。载气将金属蒸气由反应器载带至间接冷却区段被间接冷却，金属蒸气成核沉降；而后金属蒸气与金属核进入直接冷却区段与冷却介质直接接触进行冷却。间接冷却区段装置内壁设置导流混合件，有助于金属液滴/蒸气与载气充分混合；导流混合件设置于间接冷却区段金属蒸气成核区域上游；导流混合件设有一定尺寸、数量的台阶并按一定方式在轴向进行排布。

对本实用新型技术方案的改进，入口通道倾斜设置。

对上述技术方案的进一步改进，入口通道关于反应器的中轴线对称设置。入口通道的设置能保证金属原料的充分熔融蒸发。

对本实用新型技术方案的改进，导流混合件为楔形台阶块，导流混合件沿着间接冷却区段的内管的轴向呈螺旋线分布在间接冷却区段的内管壁上。

对本实用新型技术方案的改进，导流混合件的长度尺寸为1-100mm。

对本实用新型技术方案的改进，间接冷却区段包括至少两段的不同内径区段。

对本实用新型技术方案的改进，由载气供气口通入的载气气氛为氮气、氩气或其他惰性气体气氛。

对本实用新型技术方案的改进，间接冷却区段的外管周围设置冷却介质为冷水、温水、乙醇、载气。