一种用于氮化硅粉体合成的预热及保温冷却系统技术方案

本实用新型专利技术涉及氮化硅制备领域，公开了一种用于氮化硅粉体合成的预热及保温冷却系统，包括微波等离子预热器和保温冷却器。微波等离子预热器包括氮气管道、第一喷射器、微波等离子火炬、第二喷射器、预热器壳体和盘管；第一喷射器与第二喷射器连接；微波等离子火炬设于第二喷射器内；第二喷射器与盘管连接。保温冷却器包括外壳、冷却盘管和氮气冷却内壳、冷却氮气管道和氮气制冷器；外壳分为保温段和冷却段；氮气冷却内壳设于保温段下区，冷却氮气管道与氮气冷却内壳连通；冷却盘管分别设于保温段上区、氮气冷却内壳和冷却段内。本实用新型专利技术的预热及保温冷却系统能耗低、使用寿命长，且制得的氮化硅粉体不易团聚，无需后续研磨粉碎。

【技术实现步骤摘要】
一种用于氮化硅粉体合成的预热及保温冷却系统
本技术涉及氮化硅制备领域，尤其涉及一种用于氮化硅粉体合成的预热及保温冷却系统。
技术介绍
氮化硅是一种重要的结构陶瓷材料。它是一种超硬物质，本身具有润滑性，并且耐磨损，为原子晶体；高温时抗氧化。而且它还能抵抗冷热冲击，在空气中加热到1000℃以上，急剧冷却再急剧加热，也不会碎裂。正是由于氮化硅陶瓷具有如此优异的特性，人们常常利用它来制造轴承、气轮机叶片、机械密封环、永久性模具等机械构件。目前，国内氮化硅粉体生产主要由以下两种方法：1、钟罩炉电热或微波加热氮气渗透法步骤：硅粉→坩埚→通入氮气预热（约8小时1000度）→加热反应合成（约20小时1200-1300度）→保温（约10小时1000度）→冷却（约8小时80度以下）→出料（块状，共约50小时）→粉碎研磨→分级来回3-5次。这种生产工艺从投料到出粉要80小时以上，只适于小规模生产。2、卧式粉带电热或微波加热自蔓延氮气渗透法步骤：硅粉→长条平台→通氮气预热（约8小时1000度）→粉带一端高温触发反应，利用反应放热加温自蔓延反应合成（时间根据粉带长短约5-10小时1200-1300度）→保温（约5小时1000度）→冷却（约5小时80度以下）出料（块状，约30小时）→粉碎研磨→分级来回2-3次。这种生产工艺从投料到出粉要50小时以上，投资较大。包括上述方法在内的现有技术存在的技术问题有：针对预热装置：1、现有的预热装置温度高，需高温水冷却，增加了能耗。2、现有的预热装置如交直流电弧等离子火炬只有约200小时的使用寿命，不但耗材大而且影响生产。3、预热过程中，因为硅粉的大小不同，内外温度不均匀。2、现有的预热装置容易受热膨胀，膨胀后会产生密封问题。针对保温、冷却装置：1、现有的保温、冷却装置耗能大，成本较高，无法充分利用物料资源以及热能。2、在保温冷却过程中，氮化硅粉体容易团聚，需要后续研磨粉碎。但氮化硅是超硬物质，粉碎研磨是最大难题。为此，有必要开发出一种氮化硅粉体生产的新技术以解决上述技术问题。
技术实现思路
为了解决上述技术问题，本技术提供了一种用于氮化硅粉体合成的预热及保温冷却系统。本技术的预热及保温冷却系统能耗低、使用寿命长，且制得的氮化硅粉体不易团聚，无需后续研磨粉碎。本技术的具体技术方案为：一种用于氮化硅粉体合成的预热及保温冷却系统，包括微波等离子预热器和保温冷却器。所述微波等离子预热器包括氮气管道、第一喷射器、微波等离子火炬、第二喷射器、预热器壳体和盘管；所述第一喷射器上设有硅粉添加口，所述氮气管道的出料端延伸进入第一喷射器内，第一喷射器的出料端与第二喷射器连接；所述微波等离子火炬设于第二喷射器内；所述盘管设于预热器壳体内，且第二喷射器的出料端与盘管的进料端连接，盘管的出料端延伸出预热器壳体外并与用于合成氮化硅的悬浮反应器连接。所述保温冷却器包括外壳、冷却盘管和氮气冷却内壳、冷却氮气管道和氮气制冷器；所述外壳内设有隔板将其内腔分隔为上下的保温段和冷却段；所述保温段又分为上下两区，所述氮气冷却内壳设于外壳内的保温段下区，所述冷却氮气管道与氮气冷却内壳连通，冷却氮气管道上设有所述氮气制冷器，冷却氮气内壳还与微波等离子预热器的氮气管道连通；所述冷却盘管由上至下分为三段且分别设于保温段上区、氮气冷却内壳和冷却段内，冷却盘管的上端与用于合成氮化硅的悬浮反应器的出料口连接，冷却盘管的下端的出料端延伸出外壳外部；外壳的底部和顶部分别设有进水口和出水口，所述隔板上设有上下通水口。本技术微波等离子预热器的工作原理为：经保温冷却器出来的氮气经第一喷射器将硅粉带入第二喷射器，第二喷射器内的微波等离子火焰氮等离子体将第二喷射器中的氮气，硅粉喷进盘管，从盘管通入悬浮反应器的喷管。微波等离子火炬的优点：1、热功率高，节能。2、其温度较低，与其他等离子火炬相比，无需高温水冷却，因此能耗仅为其他等离子火炬的50%以下。3、不需更换阴阳极的耗材。微波的主耗材是磁控管，其寿命在6000小时以上，而一般交直流电弧等离子火炬约200小时就需更换电极，不但耗材大而且影响生产。4、微波等离子火炬的氮气作为保护气体，等离子体是氮等离子体。将等离子火焰、气体和粉末从第二喷射器喷入盘管中，火焰和气体中和后温度降低至设定温度，火焰中的氮等离子体变回氮气，这时的氮气非常活跃，比其他加热方式的气体活跃10倍以上。盘管的优点如下：1、预热时间长，因为硅粉的大小不同，内外温度不均匀，其他相同体积的容器内腔解决不了。2、解决膨胀问题：盘管具有弹性，盘管材料膨胀后向盘管空间伸缩，同时解决了密封问题。3、管内壁与氮气结合形成一层金属陶瓷膜（金属表面氮化），氮化后的金属表面光滑、硬度好、耐磨、耐高温，增加了使用寿命。本技术保温冷却器的原理为：氮化硅粉体和氮气从悬浮反应器进入冷却盘管的温度约1100-1150℃，该温度下的氮化硅粉体容易团聚，因此需要降温保温，保温段的温度为700-750℃，温度相差400-500℃。保温段上区的冷却盘管经水冷却后进入下区，这时下区冷却盘管的温度约900℃（不宜急冷，急冷会导致氮化硅分子形貌不佳，且使得物料中还未完全反应的硅粉和氮气无法合成氮化硅，因此需要分阶段降温）；下区冷却水带走部分热量，由于昼夜冬夏气温不同，循环冷却水的温度不同，不能稳定保持保温温度，再增加制冷过的氮气来调节保温温度。最后氮化硅粉体进入冷却段进一步冷却后出料。经保温冷却器出来的热氮气又送回微波等离子预热器中进行预热，充分利用了余热和氮气资源，节能环保。作为优选，所述第一喷射器的出料口朝向微波等离子火炬。作为优选，所述第一喷射器内的压力小于第二喷射器内的压力。如此能够形成负压，使得物料源源不断地从第一喷射器输送至第二喷射器内。作为优选，所述微波等离子火炬为陶瓷材质。作为优选，所述预热器外壳与盘管之间填充有保温介质。作为优选，所述盘管的出料端上设有测温点。对于盘管出料端的测温点，通过测温点控制微波等离子火炬的功率，控制喷射器氮气流量以及控制硅粉的流量。作为优选，位于氮气冷却内壳中的冷却盘管上设有测温点。对于冷却盘管上的测温点，可控制循环冷却水的流量和制冷氮气的温度。作为优选，所述盘管、预热器壳体的内腔和冷却盘管为耐高温合金材质。作为优选，所述外壳和氮气冷却内壳为铝合金材质。作为优选，所述冷却氮气管道和微波等离子预热器的氮气管道分别与氮气冷却内壳的顶部、底部连通，且冷却氮气管道和氮气管道位于氮气冷却内壳的对立侧。将冷却氮气管道和氮气管道分别设于顶部、底部以及对立侧，使得氮气能够交换得到氮化硅粉体的热量，并将温度较高的氮气供向微波等离子预热器。与现有技术对比，本技术的有益效果是：一、本技术首创采用微波氮等离子火炬：1、热功率高，节能。2、其温度较低，无需高温水冷却，能耗低。3、使用寿命长，在6000小时以上。4、微波等离子火炬的氮气作为保护气体，等离子体是氮等离子体。将等离子火焰、气体和粉末从第二喷射器喷入盘管中，火焰和气体中和后温度降低至设定温度，火焰中的氮等离子体变回氮气，这时的氮气非常活跃，比其他加热方式的气体活跃10倍以上。二、本技术采用的盘管的优点如下：1、预热时间长。2、能够受热解决膨胀导致的密封问题。3、管内本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于氮化硅粉体合成的预热及保温冷却系统，其特征在于：包括微波等离子预热器和保温冷却器；所述微波等离子预热器包括氮气管道（100）、第一喷射器（101）、微波等离子火炬（102）、第二喷射器（103）、预热器壳体（104）和盘管（105）；所述第一喷射器上设有硅粉添加口（106），所述氮气管道的出料端延伸进入第一喷射器内，第一喷射器的出料端与第二喷射器连接；所述微波等离子火炬设于第二喷射器内；所述盘管设于预热器壳体内，且第二喷射器的出料端与盘管的进料端连接，盘管的出料端延伸出预热器壳体外并与用于合成氮化硅的悬浮反应器连接；所述保温冷却器包括外壳（200）、冷却盘管（201）和氮气冷却内壳（202）、冷却氮气管道（203）和氮气制冷器（204）；所述外壳内设有隔板（205）将其内腔分隔为上下的保温段（206）和冷却段（207）；所述保温段又分为上下两区，所述氮气冷却内壳设于外壳内的保温段下区，所述冷却氮气管道与氮气冷却内壳连通，冷却氮气管道上设有所述氮气制冷器，冷却氮气内壳还与微波等离子预热器的氮气管道连通；所述冷却盘管由上至下分为三段且分别设于保温段上区、氮气冷却内壳和冷却段内，冷却盘管的上端与用于合成氮化硅的悬浮反应器的出料口连接，冷却盘管的下端的出料端延伸出外壳外部；外壳的底部和顶部分别设有进水口（208）和出水口（209），所述隔板上设有上下通水口（210）。...

【技术特征摘要】
1.一种用于氮化硅粉体合成的预热及保温冷却系统，其特征在于：包括微波等离子预热器和保温冷却器；所述微波等离子预热器包括氮气管道（100）、第一喷射器（101）、微波等离子火炬（102）、第二喷射器（103）、预热器壳体（104）和盘管（105）；所述第一喷射器上设有硅粉添加口（106），所述氮气管道的出料端延伸进入第一喷射器内，第一喷射器的出料端与第二喷射器连接；所述微波等离子火炬设于第二喷射器内；所述盘管设于预热器壳体内，且第二喷射器的出料端与盘管的进料端连接，盘管的出料端延伸出预热器壳体外并与用于合成氮化硅的悬浮反应器连接；所述保温冷却器包括外壳（200）、冷却盘管（201）和氮气冷却内壳（202）、冷却氮气管道（203）和氮气制冷器（204）；所述外壳内设有隔板（205）将其内腔分隔为上下的保温段（206）和冷却段（207）；所述保温段又分为上下两区，所述氮气冷却内壳设于外壳内的保温段下区，所述冷却氮气管道与氮气冷却内壳连通，冷却氮气管道上设有所述氮气制冷器，冷却氮气内壳还与微波等离子预热器的氮气管道连通；所述冷却盘管由上至下分为三段且分别设于保温段上区、氮气冷却内壳和冷却段内，冷却盘管的上端与用于合成氮化硅的悬浮反应器的出料口连接，冷却盘管的下端的出料端延伸出外壳外部；外壳的底部和顶部分别设有进水口（208）和出水口（209），所述隔板上设有上下通水口（210...

【专利技术属性】
技术研发人员：任小平，
申请(专利权)人：浙江东瓷新材料有限公司，
类型：新型
国别省市：浙江,33