一种超细高纯球形镁粉末制备装置和方法

1.本发明涉及金属粉末制备技术领域，具体涉及一种超细高纯球形镁粉末制备装置和方法。


背景技术：

2.金属镁粉具有密度低、还原性强、生物相容性好等优异性能，同时具有易燃易爆、燃烧时能产生炫目的白光，并释放大量的热等特点，因此，被广泛的应用于冶金还原、生物医疗、能源化工、航空航天、军事工业等领域。在炼钢业及有色金属铸造等传统工业领域，镁粉常被用作脱硫剂、脱氧剂、还原剂等，对于镁粉的粒径和颗粒形貌等性能指标要求不高，为了避免由较差品质镁粉导致的杂质引入问题，从而进一步提高被还原金属的品质，则需要从源头提高金属镁粉的纯度。在航空、航天、航海、军工等高端特殊领域内，高品质镁粉具有难以替代的重要战略地位。为了更好的满足镁粉在水冲压发动机、诱饵剂、点火药、固体火箭推进剂等方面的应用，就需要研发新的制粉技术，以获得粒径小且分布窄的超细镁粉。一般要求镁粉的粒径需小于45μm，且越细越好，并且对于镁粉的颗粒形貌、活性镁含量等也具特殊要求。在生物医疗领域，镁粉被用作粉床熔融成形(powder bed fusion,pbf)技术的粉末原料，而该技术对于粉末材料的要求很高，如较窄的粒径分布区间、颗粒纯净度高、致密度高、球形度高、无气孔夹杂等缺陷、具有良好的流动性和可塑性等，其中较小的粒径分布范围可提高粉末的利用率。
3.目前，国内外制备镁粉的技术方法主要有切削法、高能球磨法、雾化法、氢等离子体直流电弧法等，现有制备技术难以满足冶金还原、生物医疗、能源化工、航空航天、军事工业等领域对于高品质镁粉的需求。
4.切削法是采用切割、铣削、涡流等物理方式对大块镁锭进行机械切削，所获的镁粉为不规则形状，粒径大、分布范围宽，在制备过程中也极易引入杂质。
5.高能球磨法是在惰性气氛保护下，将少量的毫米级镁粉和钢制磨球置于球磨机中进行长时间的研磨，采用此方法可以通过延长研磨时间以获得粒径比较细的镁粉，但是，由于金属镁具有良好的延展性，大部分镁颗粒粘附在磨球和容器壁上，导致制粉效率低下。如文献一(fahimpour v,sadrnezhaad s k.magnesium nanopowder for hydrogen absorption and ammonium perchlorate decomposition[j].materials letters,2012,85:128
–
131.)报道，为了避免大部分镁颗粒粘附在磨球和容器壁上的现象，他们会在球磨过程中添加适量的nacl颗粒(406μm)，以229μm的mg颗粒作为原料，进行长达50h的球磨时间，最终获得了平均粒径为17nm的mg颗粒。所获得球磨样品为nacl、mg颗粒的混合物，采用饱和koh溶液也不能完全去除残留的nacl，甚至会导致氧化镁、氢氧化镁的产生。
[0006]
雾化法制备镁粉是目前已实现商业应用的先进的制粉技术，但是雾化法所制备的镁粉粒径分布范围比较宽，为25-830μm，要想获得粒径小且分布窄的镁粉产品，需要增加逐级筛分处理工艺。
[0007]
氢等离子体直流电弧法制粉是在真空条件下，向蒸发室内通入混有h2或n2的氩气
混合气体，通过直流电弧熔化并蒸发金属原料，主要通过充气压力和电功率控制金属蒸气的冷凝。该方法可以制备亚微米级、甚至纳米级镁粉，但所制备的镁粉多以六边形片状为主，球形率很低，颗粒之间也存在比较明显的团聚和连接现象，并且难以实现工业化批量生产。如文献二(liu t,zhang y,li x.preparations and characteristics of ti hydride and mg ultrafine particles by hydrogen plasma
–
metal reaction[j].scripta materialia,2003,48(4):397
–
402.)报道，刘等人在0.1mpa、100l/min的混合气流(50％ar+50％h2)中制备出镁超细颗粒，粒径分布范围为100—2000nm，平均粒径为905nm，颗粒形貌存在球形和六边形片状，其所制备的镁超细颗粒存在比较严重的团聚、连接现象。


技术实现要素：

[0008]
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提出一种超细高纯球形镁粉末制备装置和方法，通过惰性气体传输的方式，实现镁粉的快速悬浮冷凝，所制备的镁粉具有粒径小、分布窄、球形率高、纯度高的特点；同时，本发明制备工艺简单、制备时间短、耗能少、成本低廉，可解决现有技术所生产镁粉末粒径分布不均匀、纯度低、球形率低、生产效率低的问题。
[0009]
为了达到上述目的，本发明的技术方案为：
[0010]
一种超细高纯球形镁粉末制备装置，包括与气瓶12连通的气体存储装置1，气体存储装置1与蒸发气化炉3的进口端相连通，蒸发气化炉3均温位置固定有舟形石墨坩埚5，舟形石墨坩埚5内放置镁锭原料4；蒸发气化炉3的出口端连通粒子冷凝器6的进口端，粒子冷凝器6的出口端连通粉料收集料斗8。
[0011]
气体存储装置1底部入口管道上依次设置有离心式循环风机11、气体冷却器10和气体过滤器9，气体过滤器9的输入端与旋风集尘器7顶部气体输出口相连通。
[0012]
气体存储装置1与蒸发气化炉3之间连通有气体质量流量计2。
[0013]
所述的蒸发气化炉3为横式管式炉，管的两端配置接头。
[0014]
所述的镁锭原料指所有形式的金属镁，包括但不局限于工业级镁锭、镁粉，以及回收利用的镁产品。
[0015]
所述的粒子冷凝器6为管状，其外部的冷却方式包括但不局限于水冷、氨冷、液氮冷却。
[0016]
基于上述制备装置的一种超细高纯球形镁粉末的制备方法，利用蒸发-冷凝原理，以工业用镁锭作为原料，在常压流动惰性气体环境中，将镁锭加热至蒸发状态，镁蒸气被流动高纯惰性气体裹挟至粒子冷凝器6区域进行悬浮冷凝，然后在旋风集尘器7下方的粉料收集料斗8中得到超细高纯球形镁粉末。
[0017]
所述的制备方法具体步骤如下：
[0018]
步骤一，将镁原料放置于舟形石墨坩埚5中，将舟形石墨坩埚5放置于蒸发气化炉3的均温区位置并固定；
[0019]
步骤二，将制备装置连接好后，持续通入惰性气体，以排除制粉装置内部的残留空气；
[0020]
步骤三，启动蒸发气化炉3的加热电源，设置预定蒸发加热温度为700～1300℃，调节惰性气体的流速为0.5～5000lpm，再保温；
[0021]
步骤四，打开粒子冷凝器6外部的冷却装置，使得粒子冷凝器6温度保持在400℃以
下；蒸发后的镁蒸气与惰性气体分子碰撞失去能量，镁蒸气在悬浮状态下进行形核长大形后成超细镁粉；
[0022]
步骤五，待制粉过程结束后，取出旋风集尘器7下方的粉料收集料斗8，将粉料收集料斗8放置于手套箱内进行保存，最终获得高纯超细球形镁粉，而旋风集尘器7中多余的高纯惰性气体继续进入气体过滤器9以去除残留的超细镁粉颗粒，随后经过气体冷却器10冷却，最后经过离心式循环风机11进入气体存储装置1，进行下次制粉循环过程中。
[0023]
所述的高纯惰性气体纯度为99.999％及以上，气体种类包括所有不与镁蒸气反应的气体，包括但不局限于氩气、氦气、氖气、氪气、氙气、氡气。
[0024]
所述的步骤三蒸发加热温度为1000～1300℃。
[0025]
所述的步骤三惰性气体的流速为10～500lpm。
[0026]
所述的步骤三保温时间取决于原材料的质量，按照200g镁锭原料所需保温时间不低于40min的标准来计。
[0027]
所述的步骤四粒子冷凝器6温度保持在200-400℃。
[0028]
本发明的有益效果：
[0029]
(1)、通过调节蒸发气化温度和惰性气体流量，对不同粒径的镁粉末进行可控制备；镁粉末的粒径明显小于采用雾化法所做制备的镁粉末粒径，且分布范围也更窄；蒸发气化的方式可以获得高纯度的镁粉末，也不会引入外来杂质。
[0030]
(2)、大幅缩短生产周期，可迅速大规模应用。
[0031]
(3)、采用该方法所制备的镁粉末，具备有粒径小(d
50
＜10μm)、粒径分布范围窄(span＜1.50)、纯度高(＞99.9％)、球形度高(≥95％)、比表面积大(＞300m2/kg)等特点。
[0032]
(4)设备简单，方法简便，成本更低。
附图说明
[0033]
图1是本发明的制备装置结构示意图，图中箭头指示气体流动方向。
[0034]
图2是本发明制得的超细高纯球形镁粉的形貌扫描电镜图像。
[0035]
图3是本发明制得的超细高纯球形镁粉的粒径分布曲线。
[0036]
图4是本发明制得的超细高纯球形镁粉的x射线能谱分析结果。
具体实施方式
[0037]
下面结合实施例对本发明作进一步的说明。
[0038]
参照图1，一种超细高纯球形镁粉末制备装置，包括与气瓶12连通的气体存储装置1，气体存储装置1经气体质量流量计2与蒸发气化炉3的进口(左)端相连通，蒸发气化炉3均温位置固定有舟形石墨坩埚5，舟形石墨坩埚5内放置镁锭原料4；蒸发气化炉3的出口端(右)端连通粒子冷凝器6的进口(左)端，粒子冷凝器6的出口端(右)端连通粉料收集料斗8。
[0039]
气体存储装置1底部入口管道上依次设置有离心式循环风机11、气体冷却器10和气体过滤器9，气体过滤器9的输入端与旋风集尘器7顶部气体输出口相连通。
[0040]
所述的蒸发气化炉3为横式管式炉，炉管材质为310s不锈钢，外径为25mm，壁厚为2mm，炉管的两端设计为kf25接头，以方便通过kf25卡箍进行连接；最高加热温度1200℃，功率3kw，采用pid控制器与可控硅输出进行控温，具有超温报警功能。
[0041]
舟形石墨坩埚5的长度为100mm，外径为20mm，壁厚为2mm，放入310s不锈钢蒸发气化炉3内部的均温区位置，配有定位装置以避免被通入的流动惰性气体吹离设定位置。
[0042]
所用工业级镁原料盛放于舟形石墨坩埚5中，所述的镁锭原料指所有形式的金属镁，包括但不局限于工业级镁锭、镁粉，以及回收利用的镁产品。
[0043]
所述方法适用于多种高纯金属粉末制备，包括但不局限于镁粉。
[0044]
所述的粒子冷凝器6为管状，材质为黄铜，黄铜管外部的冷却方式包括但不局限于水冷、氨冷、液氮冷却等。
[0045]
所述的气体存储装置1具备气阀以调节气体流量，高纯惰性气体的流量具体数值可通过气体质量流量计2进行监测。
[0046]
基于上述一种超细高纯球形镁粉末制备装置的制备方法，利用蒸发-冷凝原理，以工业用镁锭作为原料，在常压流动惰性气体环境中，将镁锭加热至蒸发状态，镁蒸气被流动高纯惰性气体裹挟至粒子冷凝器6区域进行快速悬浮冷凝，即蒸发后的镁蒸气与惰性气体分子碰撞失去能量，镁蒸气在悬浮状态下进行形核长大形后成超细镁粉；然后在旋风集尘器7下方的粉料收集料斗8中得到超细高纯球形镁粉末，制粉系统各装置及连接顺序参见附图1。
[0047]
所述的制备方法具体步骤如下：
[0048]
步骤一，将镁原料并放置于舟形石墨坩埚5中，将舟形石墨坩埚5放置于蒸发气化炉3的均温区位置并固定；
[0049]
步骤二，连接好制备装置，在蒸发气化炉3的不锈钢炉管两端通过kf25接头分别与气体质量流量计2和粒子冷凝器6进行连接。如附图1所示，依次连接气瓶12、气体存储装置1、气体质量流量计2、蒸发气化炉3、粒子冷凝器6、旋风集尘器7、气体过滤器9和气体冷却器10，向已连接器件系统的一端持续5分钟以上通入流速为0.5lpm的惰性气体，以排除制粉装置内部的残留空气；再将离心式循环风机11接入整套制粉系统，使得系统形成一个闭合回路；
[0050]
步骤三，启动蒸发气化炉3的加热电源，设置预定蒸发加热温度为700～1500℃(优选1000～1300℃)，调节惰性气体的流速为0.5～5000lpm(优选10～500lpm)，保温时间取决于原材料的质量，一般情况下，120g镁锭原料所需保温时间为40min,升温速率为15℃/min；
[0051]
步骤四，打开粒子冷凝器6外部的冷却装置，使得粒子冷凝器6温度保持在400℃以下(优选200-400℃)；
[0052]
步骤五，待制粉过程结束后，取出旋风集尘器7下方的粉料收集料斗8，将粉料收集料斗8放置于手套箱内进行保存，最终获得超细高纯球形镁粉，而旋风集尘器7中多余的高纯惰性气体继续进入气体过滤器9以去除残留的超细镁粉颗粒，随后经过气体冷却器10冷却，最后经过离心式循环风机11进入气体存储装置1，进行下次制粉循环过程中。
[0053]
所述的高纯惰性气体纯度为99.999％及以上，气体种类包括所有不与镁蒸气反应的气体，包括但不局限于氩气、氦气、氖气、氪气、氙气、氡气等。
[0054]
实施例一
[0055]
步骤一，称量120g的镁锭原料并放置于舟形石墨坩埚5中，将舟形石墨坩埚5放置于蒸发气化炉3的均温区位置并固定；
[0056]
步骤二，在蒸发气化炉3的不锈钢炉管两端通过kf25接头分别与气体质量流量计2
和粒子冷凝器6进行连接。如附图1所示，依次连接气瓶12、气体存储装置1、气体质量流量计2、蒸发气化炉3、粒子冷凝器6、旋风集尘器7、气体过滤器9和气体冷却器10，向已连接器件系统的一端通入适当时间高纯惰性气体后，再将离心式循环风机11接入整套制粉系统，使得系统形成一个闭合回路；
[0057]
步骤三，启动蒸发气化炉3的加热电源，将蒸发气化温度设定为1000℃，保温时间为40min，升温速率为15℃/min，制粉系统内部循环惰性气体的流速设定为0.7m/s；
[0058]
步骤四，打开粒子冷凝器6外部的冷却装置，使得粒子冷凝器6温度保持在优选200-400℃；蒸发后的镁蒸气与惰性气体分子碰撞失去能量，镁蒸气在悬浮状态下进行形核长大形后成超细镁粉；
[0059]
步骤五，待制粉过程结束后，取出旋风集尘器7下方的粉料收集料斗8，将粉料收集料斗8放置于手套箱内进行保存，最终获得超细高纯球形镁粉。
[0060]
如图2、3、4所示，采用本发明的制备装置和方法，所获得的镁粉粒径分布范围为4-12μm，中位粒径d50为8.16μm，粒径跨度span为1.25，比表面积为327.4m2/kg(图3)。该镁粉产品具有很好的球形度(图2)，几乎不含其它杂质元素，x射线能谱分析结果(图4)表明镁含量为100％。
[0061]
本发明的工艺过程中，高纯惰性气体由气瓶进入气体存储装置1，经过气体质量流量计2进入蒸发气化炉3，将富集于盛有镁锭原料的舟形石墨坩埚5上方的镁蒸气裹挟至粒子冷凝器6进行悬浮冷凝，高纯惰性气体与超细镁粉颗粒同时进入旋风集尘器7，超细镁粉颗粒被收集于位于旋风集尘器7下方的粉料收集料斗8中，而高纯惰性气体继续进入气体过滤器9以去除残留的超细镁粉颗粒，随后经过气体冷却器10冷却至合适温度，最后经过离心式循环风机11进入气体存储装置1，随后将进行下次制粉循环过程中，解决现有镁粉末制备方法所存在的粒径大、粒径分布范围宽、杂质含量高、球形度低等技术问题，并且通入的高纯惰性气体可实现循环使用。