利用流化床技术常压连续合成氮化硅粉末的方法技术

本发明专利技术提供了一种利用流化床技术常压连续合成氮化硅粉末的方法，属于超细氮化硅粉末的制备技术领域。采用在常温下以高纯氮气为载气，将硅粉或者硅粉和氮化硅的混合物快速流化并夹带离开快速流化床，粉末和氮气组成的气－固两相流进入高温氮化炉的高温区，以稀相气力输送的方式连续通过高温氮化炉，从而在高温常压下发生燃烧合成反应，最后在出口利用换热器冷却后，再经袋式捕集器收集，得到氮化硅粉末。合成产物是氮化硅粉末，主晶相可以为非晶、α相、β相或其混合物。本发明专利技术具有生产效率高、设备简单、操作方便、成本低等优点，解决了现有方法不能连续、规模直接生产氮化硅粉末的问题，可实现连续大规模生产。

Method for continuously synthesizing silicon nitride powder by using fluidized bed technology

The invention provides a method for continuously synthesizing silicon nitride powder by a fluidized bed technique at atmospheric pressure, belonging to the technical field of preparation of superfine silicon nitride powder. Use at room temperature with high purity nitrogen as the carrier gas, the mixture of silicon or silicon and silicon nitride fast fluidization and entrainment left the fast fluidized bed, high temperature gas-solid two-phase flows into the high temperature nitriding furnace powder and nitrogen, in the dilute phase pneumatic conveying process by continuous high temperature nitriding furnace, resulting in combustion the synthesis reaction under high temperature and normal pressure, the last in the export using heat exchanger after cooling, the bag type collector to collect, obtain silicon nitride powder. The synthesized product is silicon nitride powder, and the main crystalline phase can be amorphous, alpha phase, beta phase or mixture thereof. The invention has the advantages of high production efficiency, simple equipment, convenient operation, low cost and the like, and solves the problem that the existing method can not directly produce silicon nitride powder on a continuous scale and can realize large-scale continuous production.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种，属于超细氮化硅粉末的制备

技术介绍
Si3N4陶瓷具有比重轻、热膨胀系数小、硬度高、弹性模量高、耐热冲击、耐腐蚀、耐磨损、高温力学性能好等特点，广泛地应用于冶金、航天、航空、石油、化工、机械、电子等行业。但相对于金属基材料而言，氮化硅陶瓷的高成本限制了它的大规模应用。一般来说，制备高质量的Si3N4陶瓷制品，需用优质的Si3N4粉体。因而，制备高质量、低成本的氮化硅粉末，已成为国际国内研究的热点。Si3N4粉的制备有四种基本方法，分别是直接氮化法、碳热还原法、化学气相法和热分解法。但由于使用原料和加热方式的不同，国际上研究开发制备氮化硅粉末的方法很多，有代表性的方法是美国Dow Chemical Co.开发的二氧化硅碳热还原法，以及国际上普遍采用的硅粉直接氮化法。但采用上述两种工艺方法需要很长的氮化时间，所制备的氮化硅粉末价格也较高。美国报道的硅粉氮化法制备的氮化硅粉末的价格为280元/公斤。由于粉体性能将决定氮化硅陶瓷的品质，因此在制备关键部件，如陶瓷燃气轮机用部件时，国际市场普遍采用的粉末仍是日本Ube公司的产品，其工艺方法采用氨解法，产品价格为1000元/公斤。近年来，国内许多单位开发了采用激光或等离子体加热的方法来制备氮化硅粉末，但由于产品价格高和产量规模小，还未能大规模工业化生产。为了充分发挥气-固体系燃烧合成技术的低价制备的特点，国内外研究工作的重点是实现常压燃烧合成以及实现连续化生产这两个方面。只有解决了这两个问题，才能实现规模化生产，从而降低生产成本。许多学者按照这种思路对氮化硅的燃烧合成进行了研究1987年，美国加州大学的Munir教授指出，理论计算表明燃烧合成氮化硅要在大于104Mpa的氮气压力下才能实现。但在1988年，日本大阪大学的Miyamoto教授加入形核剂的工艺方法实现了10MPa氮气压力下成功合成氮化硅。随后，美国纽约州立大学(1992)和中国上海硅酸盐研究所以及北京科技大学(1993)相继报道了在3MPa压力下实现燃烧合成氮化硅。但无论是实验室研究还是产业化生产，目前国内外大部分燃烧合成氮化硅工艺都是在高于3MPa的氮气压力下进行，因而很难实现连续化工业生产。硅粉直接氮化法是一种利用燃烧合成技术来制备氮化硅粉末的方法。在这方面各国学者已进行了大量研究并申请了许多专利。例如，俄罗斯Merzhanov等专利技术的“一种制备高α-Si3N4的方法”(美国专利US5032370)，需要在较高的氮气压力下(4～30Mpa)完成合成反应，这对设备的要求较为苛刻，事故发生机率增加，同时需要加入大量含Cl、F的氨盐，对设备腐蚀严重，增加了成本，这些原因导致不利于规模化生产。中国上海硅酸盐研究所的江国健等专利技术的“自蔓延高温合成氮化硅铁粉末的制备方法”(中国专利公开号为CN1275526)同样存在以上问题，而且产品杂质含铁高，只能用作价值较低的耐火材料级氮化硅，不能满足精细结构陶瓷的需要。针对以上两种方法不能连续化生产的缺点，清华大学陈克新等人专利技术了“一种低压燃烧合成高α相氮化硅粉体的方法”(中国专利公开号为CN1362358A)，该方法需要对硅粉进行预处理，包括酸洗、超声处理、高速球磨，接着加入活性剂、稀释剂和添加剂，再将上述粉末在球磨机上长时间球磨，可以看出，在氮化前需要花大量时间来预处理。同时，该方法是将上述粉末放入带孔的反应装置内呈半悬浮状态氮化，通过自蔓延反应10分钟到30分钟，不能实现真正意义上的连续化合成。中国科学院理化所的李江涛等人专利技术的“常压燃烧合成氮化硅粉体的方法”(中国专利公开号为CN1657404A)，该方法也需要大量时间进行预处理，然后将粉末装入耐高温容器中，再将高温容器放入反应器中，虽然说可以采用反应体系上部连续供料、底部连续出料的方式来实现连续化燃烧合成，但实际操作很复杂。同时，该方法中粗略地提出了以流态化方式通过悬浮煅烧炉的高温场，实现连续化氮化，但该方法中没有说明怎样实现流化过程、在常温还是高温下流化以及怎样实现连续供料过程等问题，而且在高温下是很难操作流态化的，因此仍然不能提供实际应用的连续合成方法。因此，很有必要开发一种常压连续化燃烧合成氮化硅粉末的方法。
技术实现思路
本专利技术是将硅粉和作为成核剂的氮化硅粉按质量比为100～50∶0～50的比例混合，经干燥筛分后，利用流化床技术，将物料和氮气送入氮化炉，实现燃烧合成反应。本专利技术不需要高压反应装置，只需将粉末松装于供料装置中，利用氮气将粉末带入常压氮化炉，流经氮化炉后即反应完毕。合成产物可以为非晶、α相、β相或其混合物，由试验条件决定，产物颜色为纯白色或灰白色。本专利技术的目的在于提供，解决了高压燃烧合成存在设备成本高、安全性差的问题。坚持低成本制备氮化硅粉末的原则，采用微正压流动氮气中进行常压连续化燃烧合成氮化硅粉体的方法，解决了产率低的问题。本专利技术的主要特点是在常温下利用流化床技术将物料流化起来，通过氮气的夹带作用，形成连续均匀的气-固两相流。该气-固两相流经预热后，进入稀相气力输送状态，从而一边通过高温氮化炉，一边发生燃烧合成反应，在出口即生成了氮化硅粉末。实现本专利技术的具体步骤为a、原料混合和破碎团聚处理将纯硅粉和氮化硅粉末按照硅粉∶氮化硅＝100～50∶0～50的质量比例充分混合后，将混合后的物料放入烘箱干燥进行烘干，然后利用筛网筛分物料，进行一次团聚的破碎处理；硅粉及作为成核剂的氮化硅的粒径为0.1μm～100μm；所述的物料为硅粉和氮化硅的混合物粉末。b、流化连续供料过程将步骤a经筛分后的混合物料松装入储料仓(4)，打开振动筛分电机(6)，部分物料经筛网(5)漏入振动流化供料器(27)，当料层达到10mm～1200mm范围内的某个高度后，关闭振动筛分电机(6)，来自气源(32)的高纯氮气经减压阀(1)、流量计(30)后，从供料器(27)底部进入气室(35)，向上流过布风板(29)，将浓相区(34)的物料流化起来，借助振动电机(2)、搅拌电机及搅拌杆(7)以及流化颗粒(28)的破碎作用，团聚的超细粉进一步被破碎，部分物料被氮气夹带从供料器(27)上部稀相区(33)侧面的出料口(8)连续流出，形成由物料和氮气组成的气-固两相流。高纯氮气的流量为0.18m3/h～180m3/h。c、燃烧氮化过程将步骤b出来的气-固两相流引入到预热器(26)中进行预热，预热过程中，由于氮气升温，其体积膨胀，两相流的流速迅速增加，导致气-固两相流的流型从快速流态化转变为稀相气力输送状态，预热后的气-固两相流引入到高温氮化炉(22)，高温氮化炉内的温度为1200℃～1600℃范围内的某个温度，物料和氮气在该温度下发生燃烧合成反应，反应产物在出口经换热器(16)冷却后，利用袋式捕集器(19)进行收集，得到氮化硅粉末；在燃烧合成反应过程中，氮化炉内一直保持微正压，表压力为0.01MPa～0.2MPa。在b步骤的流化连续供料过程中，超细粉松装入储料仓(4)，打开振动筛分电机(6)，物料经筛网(5)漏入振动流化供料器(27)，当料层达到指定高度后，关闭振动筛分电机(6)；连通管(3)可以平衡储料仓(4)和振动流化供料器(28)之间的压力，保证储料仓(3)中的物料顺利下落到振动流化供料器(28)中本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种常压燃烧连续合成氮化硅粉末的方法，其特征在于：具体工艺步骤为：ａ、原料混合和破碎团聚处理：将纯硅粉和氮化硅粉末按照硅粉∶氮化硅＝１００～５０∶０～５０的质量比例充分混合后，将混合后的物料放入烘箱进行干燥，然后利用筛网筛分 物料，进行一次团聚的破碎处理，硅粉及作为成核剂的氮化硅的粒径为０．１μｍ～１００μｍ，所述的物料为硅粉和氮化硅的混合物粉末；ｂ、流化连续供料过程：将步骤ａ经筛分后的混合物料松装入储料仓（４），打开振动筛分电机（６），部分物料 经筛网（５）漏入振动流化供料器（２７），当料层达到１０ｍｍ～１２００ｍｍ范围内的高度后，关闭振动筛分电机（６），来自气源（３２）的高纯氮气经减压阀（１）、流量计（３０）后，从供料器（２７）底部进入气室（３５），向上流过布风板（２９），将浓相区（３４）的物料流化起来，借助振动电机（２）、搅拌电机及搅拌杆（７）以及流化颗粒（２８）的破碎作用，团聚的超细粉进一步被破碎，部分物料被氮气夹带从供料器（２７）上部稀相区（３３）侧面的出料口（８）连续流出，形成由物料和氮气组成的气－固两相流，高纯氮气的流量为０．１８ｍ↑［３］／ｈ～１８０ｍ↑［３］／ｈ；ｃ、燃烧氮化过程：将步骤ｂ出来的气－固两相流引入到预热器（２６）进行预热，预热过程中，由于氮气升温，其体积膨胀，两相流的流速迅速增加，导致气－固两相流的流型从快 速流态化转变为稀相气力输送状态，预热后的气－固两相流引入到高温氮化炉（２２），其温度范围为１２００℃～１６００℃，物料和氮气在该温度下发生燃烧合成反应，反应产物在出口经换热器（１６）冷却后，利用袋式捕集器（１９）进行收集，得到氮化硅粉末；在燃烧合成反应过程中，氮化炉内一直保持微正压，表测压力为０．０１ＭＰａ～０．２ＭＰａ。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王立，尹少武，董继昌，吴平，童莉葛，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]