一种钨制品的制备装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种钨制品的制备装置及方法，特别涉及超高纯度、超高致密度的高端钨制品工业化绿色制造装置及工艺，属于难熔金属特种加工技术领域。本发明专利技术的装置通过电解制气装置、氟化装置、化学气相沉积装置和尾气处理装置构成封闭循环，沉积反应产生的氟化氢用于电解制备原料气体，通过化学沉积反应将钨粉转变成为高纯、致密的钨制品，整个过程几乎无原料损失，且无毒副产品产生，实现零排放；本发明专利技术的方法中，氟化和沉积过程采用多级反应器，既能提高原料的利用率又能提高生产效率，适合工业化生产，采用多级氟化工艺氟气的利用率可达99.99％；采用多级沉积装置串联的方式生产钨制品，六氟化钨的综合利用率可达99.5％。

【技术实现步骤摘要】
一种钨制品的制备装置及方法
本专利技术涉及一种钨制品的制备装置及方法，特别涉及超高纯度、超高致密度的高端钨制品工业化绿色制造装置及工艺，属于难熔金属特种加工

技术介绍
以超高纯度、超高致密度为特点的高端钨制品在电子工业、航空航天等领域具有特殊重要的用途。钨的熔点高达3400℃以上，并且硬度高、脆性大，采用普通铸锻加工难以成型。因此，钨制品通常采用粉末冶金方法进行生产。目前粉末冶金技术虽可以生产纯度较高的钨制品，然而受工艺特点所限，粉末冶金钨制品往往存在显微孔隙导致致密度下降而影响产品使用性能。同时，粉末冶金法生产薄壁、异形钨制品困难较大。为提高钨制品纯度和致密度，采用粉末冶金工艺生产钨制品需要以高纯钨粉为原料并附加多道后处理工序，从而导致生产成本和资源消耗增加。专利CN1962935A报道了一种高纯致密异型钨制品的制备方法；专利CN104213096A报道了一种含钨涂层坩埚的制备方法，均采用化学气相沉积法以六氟化钨和氢气反应获得金属钨制品或涂层。上述专利中六氟化钨利用率较低导致该方法生产钨制品成本高昂，不适合工业化生产。与粉末冶金法相比CVD法更适合生产高端钨制品，但目前的CVD工艺原料气体不能循环利用而且无法做到尾气资源化利用，按照六氟化钨计算的原料利用率通常较低(30％左右)。同时，未充分反应的尾气具有一定的毒性，后续处理成本较高。
技术实现思路
本专利技术的目的是为了克服现有技术的不足，提出一种钨制品的制备装置及方法，利用该装置和方法制备钨制品时生产效率高、资源消耗少、实现了零排放。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的。一种钨制品的制备装置，该装置包括电解制气装置、氟化装置、化学气相沉积装置和尾气处理装置；所述的电解制气装置用于电解制气过程，包括电源、阴极、阳极和电解液以及吸收塔，阴极为钢制电解槽，阳极为石墨，电解液为氟氢化钾(KHF2)和氟化氢(HF)的熔体，吸收塔为装有氟化钠(NaF)或氟化钾(KF)颗粒的不锈钢容器；该装置用于制备氟气和氢气并进行气体的纯化处理，该装置获得的氟气用于氟化过程，氢气用于化学气相沉积过程；所述的氟化装置用于氟化过程，为一个镍合金反应器，或者由多个镍合金反应器串联构成，镍合金反应器内部设置装有钨粉的托盘，镍合金反应器外部设置电阻加热套；氟化装置还包括一个六氟化钨纯化的镍合金冷凝器；该装置用于制备六氟化钨并进行六氟化钨的纯化处理，该装置获得的六氟化钨用于化学气相沉积过程。所述的化学气相沉积装置用于化学气相沉积过程，为一个不锈钢反应器，或者由多个不锈钢反应器串联构成，不锈钢反应器内部装有紫铜基体，紫铜基体外部设置电阻加热器，电阻加热器可以实现分区控温，不锈钢反应器的进气端分布有多个可以开闭的进气口，不锈钢反应器的排气端分布有多个可以开闭的排气口；该装置用于生产钨制品，该装置中残余的六氟化钨和产生的氟化氢进入到尾气处理装置中；所述的尾气处理装置用于尾气处理过程，由六氟化钨的回收装置和氟化氢的回收装置两部分构成；六氟化钨的回收装置为不锈钢反应器，反应器内部装有钨丝，反应器外部设置电阻加热套；氟化氢的回收装置为不锈钢冷凝器，冷凝器采用0～3℃的低温水进行冷却；该装置用于进行六氟化钨和氟化氢的回收；该装置回收的钨用作氟化过程的原料，回收的氟化氢用作电解制气过程的原料。一种钨制品的制备方法，该方法包括电解制气、氟化、气相沉积、尾气处理四个处理过程；该方法的步骤包括：(1)电解制气：采用电解氟氢化钾(KHF2)和氟化氢(HF)熔体的方式制备氟气(F2)和氢气(H2)，具体方法为：采用石墨作为阳极，钢制电解槽作为阴极，在温度70～110℃，电压10～12V的条件下进行电解反应；获得的氟气用于步骤(2)的氟化过程以制取六氟化钨，氢气用于步骤(3)的化学气相沉积过程以还原六氟化钨，该过程中发生的化学反应为：KHF2→KF+HF2HF→H2+F2为纯化气体，将电解产生的氟气和氢气通过氟化钠(NaF)或氟化钾(KF)颗粒填充的吸收塔，以去除气体中残余的氟化氢；吸收塔温度控制在100～130℃；此过程发生的化学反应为：NaF+HF→NaHF2或KF+HF→KHF2待氟化钠或者氟化钾消耗完后通过加热的方式进行再生得到氟化氢，得到的氟化氢又可以作为电解制气的原料，加热温度控制在300～360℃；此过程发生的化学反应为：NaHF2→NaF+HF或KHF2→KF+HF(2)氟化：将步骤(1)电解制气制备的氟气通入装有金属钨(W)粉的氟化装置中，在加热的条件下使氟气与钨进行反应制备六氟化钨，反应温度控制在300～360℃；所述的氟化装置为一个镍合金反应器，氟气和钨经过一个镍合金反应器认为发生一次氟化反应；所述的氟化装置为还可以为两个以上的镍合金反应器串联而成；氟气和钨经过两个镍合金反应器时，认为发生了两次氟化反应；该过程发生的化学反应为：W+3F2→WF6制备的六氟化钨经纯化处理后用于化学气相沉积过程；(3)化学气相沉积：将步骤(1)电解制气制备的氢气和步骤(2)氟化制备的六氟化钨通入反应装置中进行化学反应，得到致密、高纯的钨制品。氢气和六氟化钨的摩尔比为3:1～3；反应温度为500～700℃；反应压力为101.3～111.4kPa；该过程发生的化学反应为：WF6+3H2→W+6HF所述的反应装置为一个不锈钢反应器，氢气和六氟化钨经过一个不锈钢反应器认为发生一次化学气相沉积反应；所述的反应装置还可以为两个以上的不锈钢反应器串联而成；即当氢气和六氟化钨经过两个不锈钢反应器时，认为发生了两次化学气相沉积反应；根据生产的产品不同可以连接1-4个甚至更多的反应器；经过多次化学气相沉积反应后以六氟化钨计算原料的利用率可以达到80％～99％；(4)尾气处理：尾气处理过程包括残余六氟化钨的回收利用和氟化氢(HF)的回收；残余的六氟化钨通过回收设备在高温下继续被氢气还原成为钨，反应温度控制在700～900℃之间；氟化氢气体通过泠凝器冷凝的方式进行回收，冷凝器循环水温度控制在0～3℃之间；所述的回收设备为装有钨丝的不锈钢容器；该过程发生的化学反应为：WF6+3H2→W+6HF该过程中回收的钨可以作为步骤(2)氟化过程的原料；冷凝回收的氟化氢可以作为步骤(1)中电解制气的原料，即可以通入到步骤(1)中的钢制电解槽中，用于电解制气进行氟氢化钾的再生，化学反应为：KF+HF→KHF2。有益效果(1)本专利技术的装置通过电解制气装置、氟化装置、化学气相沉积装置和尾气处理装置构成封闭循环，沉积反应产生的氟化氢用于电解制备原料气体，通过化学沉积反应将钨粉转变成为高纯、致密的钨制品，整个过程几乎无原料损失，且无毒副产品产生，实现零排放；(2)本专利技术的方法中，氟化和沉积过程采用多级反应器，既能提高原料的利用率又能提高生产效率，适合工业化生产，采用多级氟化工艺氟气的利用率可达99.99％；采用多级沉积装置串联的方式生产钨制品，六氟化钨的综合利用率可达99.5％；(3)本专利技术的方法采用气源纯化技术提高原料纯度以获得超高纯度钨制品；(4)本专利技术的化学气相沉积装置设有可以分区控温的加热器以调整装置内的温度场分布；设有可以开闭的进气口和排气口以调整装置内的气流状态；通过调整化学气相沉积装置内的气流状态和温度场分布可以控制基体不同部位的沉本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种钨制品的制备装置，其特征在于：该装置包括电解制气装置、氟化装置、化学气相沉积装置和尾气处理装置；所述的电解制气装置用于电解制气过程，该装置用于制备氟气和氢气，该装置获得的氟气用于氟化过程，氢气用于化学气相沉积过程；所述的氟化装置用于氟化过程，该装置用于制备六氟化钨，该装置获得的六氟化钨用于化学气相沉积过程；所述的化学气相沉积装置用于化学气相沉积过程，该装置用于生产钨制品，该装置中残余的六氟化钨和产生的氟化氢进入到尾气处理装置中；所述的尾气处理装置用于尾气处理过程，该装置用于进行六氟化钨和氟化氢的回收；该装置回收的钨用作氟化过程的原料，回收的氟化氢用作电解制气过程的原料。

【技术特征摘要】
1.一种钨制品的制备装置，其特征在于：该装置包括电解制气装置、氟化装置、化学气相沉积装置和尾气处理装置；所述的电解制气装置用于电解制气过程，该装置用于制备氟气和氢气，该装置获得的氟气用于氟化过程，氢气用于化学气相沉积过程；所述的氟化装置用于氟化过程，该装置用于制备六氟化钨，该装置获得的六氟化钨用于化学气相沉积过程；所述的化学气相沉积装置用于化学气相沉积过程，该装置用于生产钨制品，该装置中残余的六氟化钨和产生的氟化氢进入到尾气处理装置中；所述的尾气处理装置用于尾气处理过程，该装置用于进行六氟化钨和氟化氢的回收；该装置回收的钨用作氟化过程的原料，回收的氟化氢用作电解制气过程的原料。2.根据权利要求1所述的一种钨制品的制备装置，其特征在于：所述的电解制气装置包括电源、阴极、阳极和电解液以及吸收塔，阴极为钢制电解槽，阳极为石墨，电解液为氟氢化钾和氟化氢的熔体，吸收塔为装有氟化钠或氟化钾颗粒的不锈钢容器。3.根据权利要求1所述的一种钨制品的制备装置，其特征在于：所述的氟化装置包括一个镍合金反应器和一个六氟化钨纯化的镍合金冷凝器，镍合金反应器内部设置装有钨粉的托盘，镍合金反应器外部设置电阻加热套。4.根据权利要求1所述的一种钨制品的制备装置，其特征在于：所述的氟化装置包括多个串联的镍合金反应器和一个六氟化钨纯化的镍合金冷凝器，镍合金反应器内部设置装有钨粉的托盘，镍合金反应器外部设置电阻加热套。5.根据权利要求1所述的一种钨制品的制备装置，其特征在于：所述的化学气相沉积装置为一个不锈钢反应器，不锈钢反应器内部装有紫铜基体，紫铜基体外部设置电阻加热器，电阻加热器能够实现分区控温，不锈钢反应器的进气端分布有多个能够开闭的进气口，不锈钢反应器的排气端分布有多个能够开闭的排气口。6.根据权利要求1所述的一种钨制品的制备装置，其特征在于：所述的化学气相沉积装置为由多个串联构的不锈钢反应器，不锈钢反应器内部装有紫铜基体，紫铜基体外部设置电阻加热器，电阻加热器能够实现分区...

【专利技术属性】
技术研发人员：郝玉朋，谭成文，于晓东，王占卫，彭立培，孟祥军，李翔宇，王少波，
申请(专利权)人：北京理工大学，中船重工邯郸派瑞特种气体有限公司，
类型：发明
国别省市：北京,11