双等离子体喷管装置制造方法及图纸

一种双等离子体喷管装置，包括支承于壳体内的两个等离子体喷管组件（１０、２０）。各喷管有第一和第二间隔开的电极。等离子体气体引入在两个电极之间的处理区。屏蔽气体引入成围绕该等离子体。供给管（１１２）用于向处理器供给供料。（*该技术在2021年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及双等离子体喷管装置。双等离子体装置通常用于熔炉用途中，并已经是某些已有专利申请的主题，例如EP0398699和US5256855。双电弧方法的能量效率很高，因为当两电弧之间的耦合电阻在远离两喷管处增加时，能量增加，但是喷管损失仍保持恒定。该方法的还一优点是能够很容易地达到和保持相对较高的温度。这是由于两个原因，即两个喷管的能量进行组合以及上面所述的高效率。不过，该方法也有缺点。当该等离子体喷管彼此接近和/或装在较小的空间内时，电弧有不稳定的趋势，尤其是在较高电压时。当电弧自己择优地进入较低电阻通路时，将发生旁路电弧(side-arcing)。在当前的双喷管装置中的旁路电弧问题导致开发了敞开式处理单元，其中，等离子体喷管远远间隔开，同时消除近处的低电阻通路，如US5104432中所述。在该单元中，在使用时，处理气体沿各个方向自由膨胀。不过，该装置并不适用于所有处理用途，尤其是当需要对处理气体的膨胀进行控制时，例如生产超细粉末。在目前的、具有封闭式处理区的系统中，喷管的喷嘴伸入腔室内，这样，具有低电阻的腔室壁将远离等离子体电弧的附近。该笨拙的结构防止了旁路电弧，并促进了电弧的耦合。不过，伸入的喷嘴提供了熔融金属可能沉积的表面。这不仅导致材料的浪费，而且缩短了该喷管的使用寿命。该屏蔽气体封闭了等离子体气体，并防止产生旁路电弧和增加等离子体密度。因此，本专利技术提供了一种这样的组件，其中，该喷管能防止旁路电弧，从而有利于小型喷管的设计，在该小型喷管中，离低电阻通路的距离很小。采用屏蔽气体也将不需要使喷管的喷嘴超过壳体伸出。屏蔽气体可以在沿电极的不同位置处提供，尤其是在柱形喷管中沿电极的长度方向产生电弧的位置处。不过，优选是，各喷管有用于排出等离子体气体的远端，供给屏蔽气体的装置向各电极远端的下游处提供屏蔽气体。因此，活性气体例如氧气可以添加到等离子体中，同时不会降低电极的性能。通过能在电极的下游添加活性气体，可以增加等离子体喷管的实际用途。在一个优选实施例中，各等离子体喷管包括壳体，该壳体围绕电极，以便在该壳体和电极之间确定有屏蔽气体供给管道，其中，该壳体的端头朝着喷管的远端向内倾斜，以便引导环绕等离子体气体的屏蔽气体流。本专利技术的双等离子体喷管组件可以用于有腔室的电弧反应器，以便进行等离子体蒸发处理，从而生成超细(即低于微米的或纳米尺寸的)粉末，例如铝粉。该反应器也可以用于球化处理。该腔室通常为细长或管状形状，同时在它的壁部分中有多个孔，双等离子体喷管组件安装在各个孔上。该孔可以沿所述管状部分和/或环绕所述管状部分，从而使双等离子体喷管组件沿所述管状部分和/或环绕所述管状部分。优选是，该孔基本为规则间隔。第一和/或第二电极的、用于排出等离子体气体的远端通常由金属材料形成，但是也可以由石墨形成。优选是，等离子体电弧反应器还包括用于冷却和冷凝已经在处理区中蒸发的材料的冷却装置。该冷却装置包括冷却气体源或冷却环。等离子体电弧反应器通常还包括收集区，用于收集已处理的供料。该已处理的供料通常为粉末、液体或气体形式。该收集区可以在冷却区域的下游，以便收集冷凝的蒸发材料的粉末。该收集区可以包括滤布，该滤布将使粉末微粒与气流分离。优选是，该滤布安装在接地的笼(cage)上，以便防止静电荷的积累。然后，可以从该滤布上收集粉末，优选是在受控大气区域中。优选是，这时在惰性气体中将所生成的粉末产品密封在压力高于大气压的容器内。等离子体电弧反应器还可以包括将处理后的供料传送给收集区的装置。这样的装置可以由通过腔室的流体流提供，该流体例如惰性气体，其中，在使用时，处理后的供料夹在流体流中，从而传送给收集区。用于在第一和第二电极之间的空间内产生等离子体电弧的装置通常包括DC或AC电源。本专利技术的装置可以在等离子体反应器内不使用任何水冷元件的情况下工作，并能够在不停止该反应器的情况下补充供料。用于将供料供给处理区中的装置可以通过提供有材料供给管而实现，该材料供给管与腔室和/或双喷管组件成一体。该材料可以是颗粒物质，例如金属，或者可以是气体，例如空气、氧气或氢气，或者可以是蒸汽，以增大该喷管组件工作的功率。优选是，用于排出等离子体气体的第一和第二电极的远端并不伸出到腔室内。本专利技术的小尺寸的紧凑型双喷管装置使得多个单元可以安装在产品传送管上。这通常能够很容易地成比例放大超过10倍，以便提供批量生产的单元，同时没有成比例放大的误差。本专利技术还提供了一种通过供料生产粉末的方法，该方法包括(A)提供如本文所述的等离子体电弧反应器；(B)将等离子体气体引入在第一和第二电极之间的处理区；(C)在第一和第二电极之间的处理区内产生等离子体电弧；(D)将供料供给等离子体电弧中，从而使该供料蒸发；(E)冷却该蒸发的材料，以便冷凝成粉末；以及(F)收集该粉末。该供料通常包括金属例如铝或者金属合金，或者由金属或金属合金构成。不过，也可以采用液体和/或气体供料。在供料为固体时，该材料可以是能够供给到在电极之间的空间内的任意合适形状，即能够供给到处理区中的任意合适形状。例如，该材料可以为丝状、纤维状和/或颗粒状。等离子体气体通常包括惰性气体，或者由该惰性气体构成，该惰性气体例如氦气和/或氩气。优选是，等离子体气体注入第一和第二电极之间的空间内，即处理区内。至少蒸发材料的某些冷却可以利用惰性气体流来实现，例如利用氩气和/或氦气。或者也可选择，惰性气体的使用可以与活性气体流的使用相组合。使用活性气体可能生成氧化物或氮化物粉末。例如，利用空气冷却蒸发材料可能导致生成氧化物粉末，例如氧化铝粉。同样，采用包括例如氨的活性气体可能导致生成氮化物粉末，例如氮化铝粉末。冷却气体可以通过水冷调节室而重新循环。粉末表面可以利用钝化气体流来氧化。当材料是活性金属例如铝，或者是铝基时，这样特别有利。钝化气体可以包括含氧的气体。应当知道，处理条件例如材料和气体的供给速度、温度和压力等需要与将进行处理的特定材料以及在最终粉末中所希望的颗粒大小相适应。通常优选是在蒸发固体供料之前预热反应器。该反应器可以预热至温度至少2000℃，通常为大约2200℃。预热可以利用等离子体电弧来实现。固体供料供给到第一电极中的槽道内的速度将影响产品产量和粉末大小。对于铝供料，本专利技术的方法可用于生产具有基于铝金属和氧化铝的混合物的粉末材料。这是因为在处理过程中，在低温氧化条件下向材料添加有氧气。图4表示了安装在壳体中的、图3的便携式双喷管组件；图5是图3的组件在用于生产超细粉末时的示意图；图6A是图4的组件的示意图，它设置成在有阳极目标的情况下以转移电弧与电弧耦合的模式工作。图6B是图4的组件的示意图，它设置成在有阳极目标的情况下以转移电弧模式工作。图7A是图4的组件的示意图，它设置成在有阴极目标的情况下以转移电弧与电弧耦合的模式工作。图7B是图4的组件的示意图，它设置成在有阴极目标的情况下以转移电弧模式工作。电极模块1、2基本上在喷管10、20的内部。电极引导模块5和喷嘴模块3在沿电极模块1、2的长度方向的位置处环绕电极模块1、2，并轴向间隔开。至少电极模块1、2的远端(即等离子体从该喷管中排出的一端)由喷嘴模块3环绕。电极模块1或2的近端装于电极引导模块5中。该喷嘴模块3装于屏蔽模块4中。各本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双等离子体喷管组件，包括： （ａ）至少两个具有相反极性的双等离子体喷管组件，该组件支承于壳体内，所述组件彼此间隔开，并各包括： （ｉ）第一电极， （ｉｉ）第二电极，该第二电极与第一电极间隔开足够距离或适于与第一电极间隔开足够距离，以便在处理区中获得在该第一和第二电极之间的等离子体电弧； （ｂ）用于将等离子体气体引入在第一和第二电极之间的处理区中的装置； （ｃ）用于引入屏蔽气体以围绕该等离子体气体的装置； （ｄ）用于将供料供给到处理区中的装置；以及 （ｅ）用于在处理区中产生等离子体电弧的装置。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：蒂莫西保罗约翰逊，大卫爱德华迪根，克里斯托弗大卫查普曼，约翰肯尼思威廉斯，
申请(专利权)人：特乔尼科斯有限公司，
类型：发明
国别省市：GB[英国]