专利名称：等离子弧汽相反应炉的制作方法
技术领域：
本发明涉及制备铋、锑、锌纳米级金属氧化物的一种等离子弧汽相反应炉。
纳米技术是当今世界各国都高度重视且投巨资研究开发的重大项目。纳米级金属氧化物的批量生产为我国电力避雷器和电压敏电阻等行业纳米技术的推广应用创造了基础条件。
目前，国内一般采用液相法制备金属氧化物，即用金属盐溶液通过沉淀、过滤、洗涤、真空干燥和热解等工序最终获得产品。其主要缺点是产品纯度低、粒度不可能达到纳米级，且能耗大、占地多、成本高、生产过程使用较多的化学原料污染环境、生产周期长等。
针对上述液相法制备金属氧化物的缺陷和不足，申请人采用等离子高温汽相法制备纳米级氧化锌(ZnO)、氧化锑(Sb2O3)和氧化铋(Bi2O3)均获得成功。本发明的目的是提供一种等离子弧汽相反应炉，使相应金属经该炉汽化后生成的氧化物产品纯度高、粒度达到纳米级，且设备耗能小、占地省、成本降低、不使用化学原料亦无污染、生产周期大大缩短和产业化生产易于实现。
本发明的设计方案是先将金属加热呈液状，阳极插入热金属液中；在直流电源的作用下，阳极与阴极间形成的等离子弧致使热金属液迅速汽化并同时与空气中的氧瞬间化合而生成纳米级金属氧化物。
附
图1为本发明的结构示意图。
现结合附图，对本发明的技术内容进行详细描述。
汽相反应室(1)与炉体(8)连为一体，填充层(9)、炉衬冷却层(10)、炉衬(11)和金属料槽(12)固定在炉体(8)内，炉衬冷却层(10)中没有炉衬水冷却通道(21)。固定在炉体(8)上的阳极绝缘套(13)、阳极支撑柱(14)、阳极夹具(15)、阳极电缆(16)和阳极(17)连为一体，刚极(17)插入金属料槽(12)中。固定在炉体(8)上的阴极(3)、阴极电缆(4)、阴极夹具(5)和阴极自动升降机构(7)连为一体，阴极(3)从固定在汽相反应室(1)上的阴极套(2)中插入汽相反应室(1)，并可垂直移动。汽相反应室(1)的侧面设有几个侧气嘴套(6)和观察窗(18)。金属料槽(12)的顶部设有溢流口(20)。
本发明的工作原理是首先，将相应的金属锭击为小块，在炉外或金属料槽(12)内使金属块熔为金属液，使液面接近或达到溢流口(20)为止。然后，接通炉衬水冷系统，空气从侧气嘴套(6)中进入汽相反应室(1)；启动电源，相应直流电分别输送到阳极(17)和阴极(3)中；合理调整阴极(3)与金属液面的距离致使等离子弧(19)产生，自控系统确保等离子弧(19)的稳定，从观察窗(18)中可直观等离子弧(19)的现状。最后，金属液在等离子弧(19)的剧温作用下迅速汽化，且同时与空气中的氧瞬间化合而生成纳米级金属氧化物。制备的纳米级金属氧化物被与汽相反应室(1)相连的回收系统不断回收。在金属液汽化的过程中，金属料槽(12)的温度已达到或接近金属的沸点温度，故而当金属液少于一定量时只要将同类金属小块直接投入金属料槽(12)中即可熔化。
由于不同的金属沸点不同，因而在制备不同的金属氧化物时要施以不同的直流电压和电流。本发明除能制备锌(Zn)、锑(Sb)和铋(Bi)的纳米级金属氧化物外，还可能用于制备沸点3000k以下的金属纳米级氧化物。侧气嘴套(6)的多少视金属料槽(12)的体积而定，其作用是保证提供足够的空气与汽化金属化合。炉衬水冷却通道(21)是利用强迫水冷却降低炉衬(11)温度，延长其使用寿命。
本发明的主要优点是①采用等离子汽化法制备纳米级锌、锑、铋等金属氧化物、产品纯度高，粒度已达纳米级且粒度分布均匀，比表面积大。纳米级氧化铋已进入日本，增强了企业国际竞争能力。②三种产品经过西安无线电二厂氧化锌压敏电阻器小批实验，与非纳米材料产品相比，具有添加物的添加比例大幅度下降，其中氧化铋的有效添加量下降50％以上，氧化锑下降30％以上，氧化锌添加后使瓷料梯度上升20％；添加纳米材料后，瓷片的大电流通流能力显著提高，限制电压和泄露电流下降以及生产厂原料浆工艺无须调整等特点。③制备过程简便，产品一次性生成，本发明可取代液相法中的近十道工序。④能耗小，占地少，成本低，制备过程不采用任何化学原料，无污染，社会经济效益显著，推广应用价值大，市场前景可观。如以氧化铋为便，液相法生产1kg微米级产品需耗电5.6度，而本发明只需耗电2.2度，节电率达60％以上。
实施例一制备纳米级氧化铋时，在阳极和阴极间施以直流电压32—37.8V、直流电流750—450A，稳定等离子弧弧长8—25mm。
实施例二制备纳米级氧化锑时，在阳极和阴极间施以直流电压35.25—36V，直流电流650—450A，稳定等离子弧弧长8—20mm。
实施例三制备纳米级氧化锌时，在阳极和阴极间施以直流电压32.16—37.65V，直流电流680—500A，稳定等离子弧弧长7—23mm。
权利要求
1.一种等离子弧汽相反应炉，包括阴极电缆(4)和阳极电缆(16)，其特征是汽相反应室(1)和炉体(8)连为一体，炉衬(11)和金属料槽(12)固定在炉体(8)内；阳极(17)、阳极电缆(16)和阳极夹具(15)连为一体，阴极(3)、阴极电缆(4)和阴极夹具(5)连为一体，阳极(17)插入金属料槽(12)中，阴极(3)插入汽相反应室(1)中；汽相反应室(1)侧面设有几个侧气嘴套(6)。
2.根据权利要求1所述的一种等离子弧汽相反应炉，其特征是填充层(9)和炉衬冷却层(1())固定在炉体(8)内。
3.根据权利要求1所述的一种等离子弧汽相反应炉，其特征是固定在炉体(8)上的阳极绝缘套(13)、阳极支撑柱(14)、阴极夹具(15)、阳极电缆(16)和阳极(17)连为一体。
4.根据权利要求1所述的一种等离子弧汽相反应炉，其特征是固定在炉体(8)上的阴极(3)、阴极电缆(4)、阴极夹具(5)和阴极自动升降机构(7)连为一体。
5.根据权利要求1所述的一种等离子弧汽相反应炉，其特征是汽相反应室(1)的侧面设有观察窗(18)。
6.根据权利要求1所述的一种等离子弧汽相反应炉，其特征是炉衬冷却层(10)中设有炉衬水冷却通道(21)。
7.根据权利要求1所述的一种等离子弧汽相反应炉，其特征是金属料槽(12)的项部设有溢流口(20)。
8.根据权利要求1所述的一种等离子弧汽相反应炉，其特征是阴极(3)从固定在汽相反应室(1)上的阴极套(2)中插入汽相反应室(1)。
全文摘要
一种主要由汽相反应室、炉体、阳极、阴极和侧气嘴套等构成的等离子弧汽化反应炉,运用等离子弧使金属液迅速汽化并同时与氧瞬间化合制备纳米级金属氧化物。它克服了液相法的产品纯度低、粒度大、比表面积小、工艺繁杂、耗能大、占地多、成本高、有污染等不足,可取代液相法的近十道工序。本发明可适用于汽化点3000k以下的纳米级金属氧化物制备,推广应用价值大,社会经济效益显著,市场前景可观。
文档编号B01J19/08GK1332033SQ0112850
公开日2002年1月23日 申请日期2001年7月18日 优先权日2001年7月18日
发明者李锡牛, 张耀平, 李元福 申请人:张耀平