专利名称：高温回转真空炉及在真空下加热固体颗粒材料的方法
背景技术：
本发明涉及一种回转真空炉及在高温和高真空度条件下处理固体颗粒材料的方法。
有时，固体颗粒材料必须在真空、高温下处理以提供希望的产品。例如，在生产用于电容器的钽粉末时，加工粉末的一个或者多个步骤是在真空炉中进行热处理。这种处理可以用来分离出残余杂质并提供可流动的粉末。现有的加工系统包括将装有钽粉末的大量盘架放入真空炉中并加热整个盘架组件。在相对较短的热处理之后，在这种分批处理中，整个盘架组件冷却并且少量空气进入直到在粉末颗粒表面上形成一层氧化钽为止，以阻止随后粉末在暴露于空气中时自燃。这种处理费时、消耗能量并且需要昂贵的设备。另外，这种处理的固定炉底几何形状导致靠近炉底外侧的材料比在炉底中部或者盘架上的材料加热得早和热。传热也很慢。另外，由于在炉底外部的材料加热的程度比在炉底内部的材料大，故会产生不均匀的烧结。彼此具有不同物理性质的炉料的不同部分可以导致非均匀的产品。如果内部材料没有充分烧结，那么形成的产品是脆性的而且该材料的很大部分在随后的产品处理中变成粉屑。这些粉屑或尘粒必须回收用于再加工。
本发明的一个目的是提供一种用于在高温、真空下采用可提供热处理均匀的产品的回转炉来处理固体颗粒材料的装置。
本发明的另一个目的是提供一种用于在高温、真空下采用可提供热处理均匀的产品的回转炉来连续高温处理固体颗粒材料(例如钽粉末)的方法。
发明概述回转真空炉具有回转耐火金属圆柱容器，其包括冷入口区、热中间区和冷出口区。排气管通过圆柱容器的端壁延伸经过冷出口区进入热中间区。在圆柱容器中邻近冷入口区的热中间区有第一组内辐射防护屏，在邻近冷出口区的热中间区有第二组内辐射防护屏。
第一真空罩封闭了输入槽，输入槽引导固体颗粒材料在真空下进入圆柱容器的冷入口区，而第二真空罩封闭了排出槽，排出槽用于也在真空下从圆柱罩排出已处理的材料。固体颗粒材料通过利用连接到容器壁内表面的螺纹齿移动通过耐火金属圆柱容器或者通过倾斜容器使之因重力流出。
圆柱容器的热中间区通过电阻加热带间接加热，该电阻加热带沿着热中间区设置并彼此间隔并，而外防辐射屏沿着热中间区围绕加热带和圆柱容器。使用加热带、防辐射屏以及第一和第二组内防辐射屏，使热量集中在圆柱容器的热中间区并且将冷入口区、冷出口区和相关的机械装置(诸如驱动装置和支撑装置)与热中间区的高温屏蔽开。
将固体颗粒材料加热到高温的方法包括提供具有冷入口区、热中间区和冷出口区的回转耐火金属圆柱容器，在邻近冷入口区的热中间区有第一组内防辐射屏，在邻近冷出口区的热中间区有第二组防辐射屏。固体颗粒材料在真空下从冷入口区移动通过回转耐火金属圆柱容器，在热中间区加热到温度1000°-1700℃之间，并随后从回转耐火金属圆柱容器的冷出口区排出。
附图的简要说明通过结合下列对实施例和附图的说明将对本发明有更好的理解，其中
图1是本发明回转真空炉的回转耐火金属圆柱容器的纵向剖视图；图2是本发明回转真空炉的另一个实施例的纵向剖视图；图3是图2沿剖线Ⅲ-Ⅲ剖开的视图；图4是图2沿剖线Ⅳ-Ⅳ剖开的视图；和图5是图1回转真空炉的示意图，说明了用于在真空下输入并排出材料的系统。
发明的详细说明本发明的回转真空炉能够使固体颗粒材料加热达到高温，用于在高真空度的条件下热处理或者烧结。
现参考附图，图1说明了本发明回转真空炉1的一个实施例，其包括具有内壁3和外壁4的回转圆柱容器2，耐火金属圆柱容器2具有冷入口区5、热中间区6和冷出口区7。用于充入固体颗粒材料的装置8(诸如输入槽9)位于圆柱容器2的冷入口区5，其将材料输入进连接到圆柱容器2的混合加料管10，混合加料管10与冷入口区5连通，输入槽9及混合加料管10封闭在第一真空罩11中。混合加料管10包括在圆柱容器2上的倾斜壁12，倾斜壁作为阻止固体颗粒材料从混合加料管10跑出而不是朝向圆柱容器2的冷入口区5移动的屏障，倾斜壁12接收并封闭输入槽9的排出端13。输入槽9还在上端具有向外扩张的部分14以接收固体颗粒材料。圆柱容器2的冷出口区7具有端壁15，排气管16经过端壁15，并且排出槽17与圆柱容器2在冷出口区7连通，排出槽17在冷出口区7中具有开放的接收端18和排出端19，接收端18用于接收来自容器的固体材料，排出端19用于排出来自容器的固体材料。排出槽17的排出端19封闭在第二真空罩20中。
排气管16通过圆柱容器2的端壁15延伸，接收来自圆柱容器2的气体，并将该气体输送到排气管21，而排气管21连接到真空管道22，而真空管道接下来连接到真空泵23上。排气管16优选与圆柱容器2的轴a同轴，延伸通过冷出口区7，并且具有位于圆柱容器2的热中间区6中的开口端24。
第一组内防辐射屏25位于邻近圆柱容器2的冷入口区5的热中间区6中，从而减少热量从热中间区6流动到圆柱容器2的冷入口区5。第一组内防辐射屏25固定到内壁3上，(诸如通过朝向内壁延伸的幅条27(图2))并且(诸如在28处)焊接到内壁3上。
第二组内防辐射屏29位于邻近圆柱容器2的冷出口区7的热中间区6，从而减少热量从中间区6向冷出口区7的流动。第二组内防辐射屏29诸如通过焊接点32固定到排气管16的外壁。第二组内防辐射屏29将冷出口区7与圆柱容器2的热中间区6的高温屏蔽开。可以在冷入口区5、热中间区6和冷出口区7中设置一组短螺纹齿33(诸如通过焊接点34固定到内壁3)，移动固体材料通过耐火金属容器。
圆柱容器2的热中间区6采用间接热源加热，诸如采用环绕圆柱容器2的外壁4并间隔开的的电阻加热带35。加热带35沿着热中间区6的长度延伸，并且从由电源(未示出)通过电线36输入的电流获取能量。为了将热量从电加热器35集中并导向圆柱容器2的外壁4，使至少一个防辐射屏37和最好一组防辐射屏37a-37f围绕电加热带35和圆柱容器2的热中间区6同心设置并间隔开来，并且环绕并封闭电加热带35和圆柱容器2的热中间区6。防辐射屏37a-37f封闭在屏蔽罩38中。
圆柱容器2的冷入口区5可以具有一组固定到(诸如由焊接点34)内壁3的短入口螺纹齿33，其从内壁3伸出并起到将固体颗粒材料从混合加料管10移到热中间区的作用，而多个向内引导的混合凸缘39可以设在混合加料管10的内壁40，来混合输入到其中的固体颗粒材料并将该材料加入到短入口区螺纹齿33中。
由于圆柱容器2的热中间区6、加热带35和防辐射屏37均包含在屏蔽罩38中，并且第一组内防辐射屏25和第二组内防辐射屏29保持热中间区的热量，水冷却卷筒部41可以用于环绕冷入口区5和冷出口区7的外壁4，该卷筒部可以由较便宜的铁合金制成而不是如圆柱容器2所需的耐火金属。圆柱容器2可以诸如使用电机42来转动，电机具有与圆柱容器2所带的环形齿圈45啮合的齿轮44的轴43，齿轮44在第一真空罩11中，并且轴43经过固定在罩壁中的密封件46。
圆柱容器2的端壁15和排气管16的外壁47均封闭在第三真空罩48中，排出槽19经过第三真空罩48的下壁49进入第二真空罩20。排气管16优选具有多个(诸如通过沿着水平轴a彼此偏移并间隔开的焊接点52)连接到内壁51上的阻挡件50，从而为气体流过其中提供一条曲折的路径。
为了保持圆柱容器2的内部i在真空下，同时处理其中的颗粒材料，下述内容均是本领域中的技术人员所公知的真空源(真空泵23)通过真空管路22、排出管21、排气管16、圆柱容器2的内部i、第二真空罩20和第一真空罩11抽真空，在需要的地方设置密封件和轴承以将泄漏保持在可接受的范围内。如图5所示，为了帮助保持系统中的真空，并且特别是保持圆柱容器2的内部i的真空设置了一组密封的输入给料器和密封的排出给料器。如示意性说明的，为给圆柱容器2加料，将要处理的固体颗粒材料通过输入管路53输入通过密封的入口阀54到容纳在第一输入罩56内的初始输入槽55，第一输入罩56具有与第二密封阀58相配合的输入器57。从第二密封阀58输入到在第一粗面真空输入罩60中的第二输入槽59，该粗面真空罩60通过管路61连接到真空源(诸如泵62)，并具有与第三密封阀64相配合的输入器63。从第三密封阀64输入到在中间输入罩66中的中间转移输入槽65，中间输入罩66具有一个与第四密封阀68相配合的中间输入器67。从第四密封阀68输入到在罩70中的进一步输入槽69中，罩70通过管路71连接到真空源(诸如泵72)，并具有与密封阀74相配合的输入器73，而密封阀74与第一罩11相配合，从而将其中固体颗粒材料通过外扩张部分14输入输入槽9并然后输入圆柱容器2的冷入口区5。为了将已处理的固体材料从圆柱容器2排出，将已处理的材料由回转圆柱容器2输入排放槽17的开口端18进入第二真空罩20，并且通过第一密封排出阀75进入罩77中的中间排出槽76，罩77具有与第二密封排出阀79相配合的中间排出输入器78。从第二密封排出阀79输入到在粗面排出罩81中的第二排出槽80，粗面排出罩81具有用于通过降压阀83降低粗面排出罩81中真空的排出管路82，并具有与最终排出密封阀85相配合的排出输入器84，以将材料排出系统。
本发明回转炉1的操作如下所述。随着电机42发动，圆柱容器2通过与环形齿圈45啮合的齿轮44被转动，真空泵启动后，包括真空管路22、排气管21、罩50的内部、排气管16、排出槽17、第二排出罩20的内部、圆柱容器2的内部I、混合加料管10以及第一真空罩8的内部的系统处于特殊处理所需要的真空中。启动电加热带35加热圆柱容器2的热中间区6达到所需的温度，防辐射屏31保持该热量。在该阶段，将要处理的固体颗粒材料放在进一步输入槽69中，密封阀68和74关闭，罩70内部通过真空泵72而受到与圆柱容器2中的真空相差不大的真空。在打开密封阀74时，固体颗粒材料由输入器73通过向外扩张的部分14输入到输入槽9中，并由于重力经过输入槽9到混合加料管10中。在连接到圆柱容器2上并随其旋转的混合加料管10中，固体颗粒材料通过接触内壁40上的凸缘39并被其翻滚而混合，而倾斜壁12阻止材料脱离并促使材料进入圆柱容器2的冷入口区5。冷入口区5中的固体颗粒材料由短入口螺纹齿33移到并通过热中间区6，同时将材料加热到所需的温度。然后由短中间螺纹齿33朝向排出槽17的开口的接收端18转移热材料，随后将热材料通过排出槽17输入到罩20而从系统中排出。在操作回转炉的过程中，第一组内防辐射屏25将冷入口区5与热中间区6的高温屏蔽开，而第二组内防辐射屏29将冷出口区7与该高温屏蔽开。
本方法在热处理固体颗粒材料中采用了上述的耐火金属圆柱容器2。固体颗粒材料在真空下被加入到回转耐火金属圆柱容器2的冷入口区5(该圆柱容器具有冷入口区5、热中间区6和冷出口区7)，在邻近冷入口区5的热中间区6有第一组内防辐射屏25，以及在邻近冷出口区7的热中间区6中有第二组内防辐射屏29。固体颗粒材料在真空下并在热中间区6加热到大约1000°到1700℃之间的温度通过回转耐火金属圆柱容器2移动，并随后从冷出口区7排出。
本发明的固体颗粒材料的热处理在真空条件下进行并且可以在低于大约0.001乇的真空度下和低至大约10-4乇或者更低的真空下进行，在热中间区6中的滞留时间大约为0.3到2.0小时之间。采用第一组防辐射屏25和第二组防辐射屏29时，热中间区6的温度在大约1000°-1700℃之间，优选在1400°-1600℃之间，冷入口区5和冷出口区7中的温度约为300℃或更低。
例如，当热处理钽粉末时，热中间区6中需要温度为1500℃量值，而且耐火金属圆柱容器2由耐火金属制成，诸如钼、钽、钨，或者诸如含有少量钽和锆的钼合金的耐火金属合金。在此所用的术语耐火金属用于表明一种在温度达到大约1700℃量值时能够持续足够长时间而无有害影响的一种金属。例如在处理钽时，圆柱容器可以由含有少量钽和锆的钼合金形成并带有钽的内衬和钽螺纹齿，钽内衬接触处理通过圆柱容器的热颗粒材料，钽螺纹齿焊接到圆柱容器壁的内衬上并且彼此跳焊(stitch-welded)，从而避免不同程度的膨胀问题。优选的实施例是“TEM”，其是钼合金，其中有大约0.5％重量的钽和0.08％重量的锆。加工钽粉末时，优选的内衬材料是钽。
根据本发明，其它粉末也可以在回转真空炉中加工。例如，其它阀(valve)金属粉末可以以与加工钽粉末相同的方式加工。根据本发明的方法，铌粉末也可以以与加工钽粉末相同的方法加工在回转真空炉中加工。
根据本发明，添加剂或者掺杂剂可以在本发明回转真空炉中处理材料之前、之中和/或之后添加到颗粒材料中。优选的是，用于控制颗粒材料烧结和/或聚结的掺杂剂在引进回转真空炉之前掺和进或者混合进材料中。取而代之的是，一种或者多种掺杂剂可以直接添加到回转炉中，与颗粒材料进入到回转炉的过程分开。如果将掺杂剂直接添加到回转炉中，用于掺杂剂的输入装置最好在与回转炉中相同的高真空条件下操作。例如，掺杂剂可以由重力输入系统直接添加到加热器中。
可以用于控制用回转真空炉处理的颗粒材料的烧结和/或聚结的掺杂剂包括磷、氮、碳、硅、硼和硫等等。这些掺杂剂和将这些掺杂剂引入颗粒材料中的方法在授予Chang的美国专利5448447中有所描述，其在此引用作为参考。对于钽、铌以及其它将要在本发明真空炉中烧结和聚结的阀金属粉末，磷是优选的掺杂剂。掺杂剂可以用各种方式施加，根据本发明的一些实施例，液体形式是优选的。如果磷用作掺杂剂，则最好以磷酸或者以NH4PF6粉末形式施加。
在烧结之前或者之后添加到颗粒材料中的掺杂剂的量优选足以控制颗粒材料的烧结和聚结，并且提供可流动的颗粒材料而对由经处理的材料制成的电容器的性能无有害影响。例如，优选所用磷添加剂的含量能达到在处理的材料中最终的磷含量为磷元素重量占处理材料总重量的大约百万分之50或者低于大约百万分之200(ppm)或者更多。磷和氮掺杂剂的其它量值在美国专利5448447中有所描述。
如果用氮作掺杂剂，则掺杂剂可以在本发明回转真空炉中颗粒材料处理之前、之中和/或之后添加。如果以氮气的形式提供，则优选气体相对于颗粒材料通过回转真空炉的流向逆流引入。优选的是，在烧结过程中，没有气体掺杂剂引入到回转真空炉中，从而保持了炉中的高真空条件。在烧结颗粒材料之后，可以在氧钝化的同时进行氮的添加。
在圆柱容器2中处理的颗粒材料的滞留时间可以根据需要通过螺距、高度和圆柱容器旋转速度调整。在一些例子中，如图1所示，如果圆柱容器位于从冷入口区5到冷出口区7向下的角度，并且材料在旋转中呈现其自然的细纹(rill)角度，则可以免于使用螺纹齿33，并且材料将通过圆柱容器移动相同细纹角度。
通过在大气压力下使固体颗粒材料通过输入管路53并通过打开的阀54输入到初始输入给料器或槽55中而向圆柱容器2进行输入。然后阀54关闭并且材料由输入器57通过打开的阀58转移到第二输入槽。在阀58和阀64处于关闭位置时，在罩59中通过启动真空泵62经管路61提供部分真空。当达到所需的部分真空时，阀64打开，输入器63将材料输入到中间转移输入槽65中。然后阀64关闭，阀68打开，材料在部分真空下由中间输入器67输入进一步输入槽69中。阀和真空泵72启动时，施加圆柱容器中所需的接近高真空度的真空，用输入器73将材料通过扩张部分14排入输入槽9中。在钽粉末热处理过程中，提供给耐火金属圆柱容器的真空为0.001乇或者更低。在将处理的材料从圆柱容器中排出时，进行相反的过程，来自圆柱容器中的已处理的固体通过排出槽排出进入到第二真空罩20。第二排出阀79关闭时，第一排出阀打开，材料输入到中间排出槽76。然后第一排出阀75关闭、第二排出阀79打开，材料由中间排出输入器78输入到第二排出槽80。最终排出阀85处于关闭位置，然后第二排出阀79关闭，通过管路82和降压阀83排出真空。可以将材料在大气压力下排入另一个旋转缸(未示出)中，在此实现冷却和钝化。随着真空的释放，以及少量空气注入，在材料上形成氧化涂层，然后最终排出阀可以打开并且将已处理的材料移出以备用。
权利要求
1．一种回转真空炉，具有回转耐火金属圆柱容器，其具有内壁和外壁、冷入口区、热中间区和冷出口区；用于在真空下将要加热的固体颗粒材料加入所述冷入口区的装置；用于在真空下将所述固体材料在加热后从所述冷出口区排出的装置；用于在从加料装置到排出装置的方向上移动固体颗粒的装置；在圆柱容器中邻近所述冷入口区的所述热中间区的第一组内防辐射屏，以及在邻近所述冷出口区的所述热中间区的第二组内防辐射屏；延伸进入所述冷出口区和至少部分延伸进入所述热中间区的排气管，用于排出气体和气化的材料；用于间接加热所述热中间区的装置；和沿着所述热中间区围绕耐火金属圆柱容器的防辐射屏。
2．如权利要求1所述的回转真空炉，其特征在于，所述第一组内防辐射屏转换成所述耐火金属圆柱容器的内壁。
3．如权利要求1所述的回转真空炉，其特征在于，所述第二组内防辐射屏连接到所述排气管的外表面。
4．如权利要求1所述的回转真空炉，其特征在于，用于在从加料装置到排出装置的方向上移动颗粒材料的所述装置包括一组连接到圆柱容器内壁的螺纹齿。
5．如权利要求1所述的回转真空炉，其特征在于，所述排气管延伸进入所述热中间区并且第二组螺纹齿从所述圆柱容器的内壁延伸到与所述排气管的外壁紧密相邻的位置。
6．如权利要求1所述的回转真空炉，其特征在于，用于加热所述热中间区的所述装置包括围绕所述圆柱容器的外壁并间隔开的电阻加热器。
7．如权利要求6所述的回转真空炉，其特征在于，所述防辐射屏是多个彼此间隔的防辐射屏，并且与所述电阻加热器间隔并围绕和封闭电阻加热器。
8．如权利要求1所述的回转真空炉，其特征在于，所述圆柱容器的内部通过真空泵维持在真空下，该真空泵通过罩与所述排气管相配合。
9．如权利要求1所述的回转真空炉，其特征在于，包括封闭了连接到所述圆柱容器的加料管的第一罩，第一罩将固体颗粒材料输入到所述圆柱容器的冷入口区。
10．如权利要求9所述的回转真空炉，其特征在于，包括在围绕输入槽的排出端的所述入口区处的所述加料管上的倾斜壁，以及在所述倾斜壁和所述冷入口区之间的所述加料管的内壁上的多个向内引导的混合凸缘。
11．如权利要求1所述的回转真空炉，其特征在于，用于在加热后从所述冷出口区排出所述固体材料的所述装置包括具有开口接收端以及排出端的排出槽，接收端在所述冷出口区中，排出端将所述固体材料排入排出罩中。
12．如权利要求1所述的回转真空炉，其特征在于，包括多个密封互连的输入给料器，在固体颗粒材料加入到所述圆柱容器的输入槽之前，将要处理的固体颗粒材料供给输入给料器，并通过输入给料器，同时受到增高的真空度。
13．如权利要求1所述的回转真空炉，其特征在于，包括多个密封互连的排出给料器，在固体颗粒材料从中排出之前，从所述圆柱容器排出的材料通过排出给料器，同时经受降低的真空度。
14．如权利要求1所述的回转真空炉，其特征在于，圆柱容器的所述耐火金属为含有少量钽和锆的钼合金。
15．如权利要求14所述的回转真空炉，其特征在于，在所述圆柱容器的内壁上设置钽内衬，并且由钽构成的螺纹齿焊接到所述钽内衬上。
16．一种回转真空炉，具有回转耐火金属圆柱容器，其具有内壁和外壁、冷入口区、热中间区和冷出口区；用于在真空下将要加热的固体颗粒材料加入所述冷入口区的装置；用于在真空下将所述固体材料在加热后从所述冷出口区排出的装置；一组内防辐射屏，在邻近所述冷出口区的所述热中间区处连接到圆柱容器的内壁上；第二组内防辐射屏，位于圆柱容器中邻近所述冷出口区的所述热中间区；一组连接到圆柱容器的内壁上的螺纹齿，适于在从加料装置到所述排出装置的方向上移动固体颗粒材料；延伸进入所述冷出口区和至少部分进入所述热中间区的排气管，以排出其中的气体和气化的材料；电阻加热器沿着热中间区围绕所述圆柱容器的外壁并间隔开；和多个彼此间隔开的外防辐射屏，围绕且径向封闭所述电阻加热器并与其间隔开。
17．一种在真空下加热固体颗粒材料到温度1000°-1700℃的方法，包括制造具有下列部分的回转耐火金属圆柱容器内壁和外壁、冷入口区、热中间区和冷出口区、在邻近所述冷入口区的所述热中间区的第一组内防辐射屏以及在邻近所述冷出口区的所述热中间区的第二组内防辐射屏；在真空下移动固体颗粒物质通过所述回转耐火金属圆柱容器；在所述热中间区加热所述固体颗粒金属达到1000°-1700℃；并且从所述冷出口区排出所述加热的固体颗粒材料。
18．如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述真空是0.001乇或者更低。
19．如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述固体颗粒材料是钽粉末。
20．如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述真空是0.001乇或者更低。
21．如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述钽粉末在热中间区的滞留时间为大约0.3到2.0小时之间。
22．如权利要求19所述的方法，其特征在于，所述温度在1400°-1600℃之间。
全文摘要
用于在真空条件下热处理固体颗粒材料的回转真空炉(1)及方法,使用具有冷入口区(3)、热中间区(6)和冷出口区(7)的回转耐火金属圆柱容器(2)。第一组内防辐射屏(25)位于邻近冷入口区(5)的热中间区,第二组内防辐射屏(29)位于邻近冷出口区(7)的热中间区(6),以防止这两个区受到热中间区的高温。圆柱容器的热中间区的热量由电阻加热带(35)间接提供,电阻加热带(35)围绕容器并且外防辐射屏(37、38)围绕加热器设置以将热量引导到圆柱容器中。
文档编号F27D99/00GK1312903SQ99809421
公开日2001年9月12日 申请日期1999年6月21日 优先权日1998年6月22日
发明者阿伦·C·摩根 申请人:卡伯特公司