专利名称：利用流化床技术常压连续合成氮化硅粉末的方法
技术领域：
本发明涉及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。
背景技术：
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等发明的“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发明的“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发明了“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发明的“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。
发明内容
本发明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。本发明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。
本发明的目的在于提供利用流化床技术常压连续合成氮化硅粉末的方法，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。
本发明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。
实现本发明的具体步骤为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；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；当振动流化供料器(27)中的超细粉被完全带出时，打开振动筛分电机(6)的开关，超细粉从储料仓(4)经筛网(5)进入振动流化供料器(27)，当料层达到指定高度后，关闭振动筛分电机(6)；如此循环，连续供应超细粉。其中高纯氮气的流量为0.18m3/h～180m3/h；供料速度可以在0.06kg/h～90kg/h之间连续调节；超细粉粒径为0.1μm～100μm；振动筛分电机、振动电机和搅拌电机使用直流电或交流电；振动电机的数量为1～4个；用于破碎超细粉团聚的流化颗粒直径为100μm～5000μm；储料仓的内径为60mm～1000mm，高度为80mm～3800mm；振动流化供料器的内径为40mm～1800mm，高度为150mm～3800mm。
预热器(26)可以采用电加热，也可以采用燃料燃烧后的烟气加热，还可以利用反应产物的余热来加热。物料和氮气预热后的温度为900℃～1100℃；套筒式高温氮化炉的炉温为1200℃～1600℃，物料和氮气通过高温氮化炉的时间为20s～600s，即氮化时间为20s～600s。
本发明的加热元件由两部分组成加热芯(23)和外套管(10)。加热芯可以利用两种加热方式一是在加热芯(23)外表面缠绕发热元件(24)，如0Cr27Al7Mo2铁铬铝电阻丝，炉膛温度可达1400℃；二是在加热芯(23)的内部通入高温烟气，炉膛温度可达1600℃。外套管(10)也可以利用两种加热方式一是在外套管(10)的螺旋槽中缠绕发热元件(11)，如0Cr27Al7Mo2铁铬铝电阻丝，炉膛温度可达1400℃；二是在外套管的外表面设置烟气通道，通入高温烟气，炉膛温度可达1600℃。将它们两两组合，还可以构成四种双重加热方式加热芯(23)采用电阻加热以及外套管(10)也采用电阻加热；加热芯(23)采用烟气加热而外套管(10)采用电阻加热；加热芯(23)采用电阻加热而外套管(10)采用烟气加热；加热芯(23)采用烟气加热以及外套管(10)也采用烟气加热。也可以单独采用加热芯(23)加热；还可以移除加热芯(23)，单独采用外套管(10)加热。利用双重加热的方式，可以快速提供1200℃～1600℃的炉膛温度，用于各种情况的硅粉氮化。高温氮化炉内径为10mm～3000mm，高度为2m～60m，立式结构。
本发明所述的反应产物氮化硅粉末为非晶、α相、β相或其混合物；通过改变试验条件，可以得到不同晶相的氮化硅粉末。当氮化温度为1200℃～1400℃，产物主要为非晶氮化硅。当硅粉中加入部分α相氮化硅粉作为成核剂，氮化温度为1200℃～1550℃，产物主要为α相氮化硅。当硅粉中加入部分α相氮化硅粉作为成核剂，氮化温度为1550℃以上，产物中出现部分β相氮化硅。
本发明的常压连续燃烧合成氮化硅粉的方法，采用氮气做载气使反应物以均匀稀相分布的方式连续通过氮化区，因此具有节能、产率高的优势。而且对于所有具有放热反应特征的体系具有普遍的适用性。该方法尤其适用于气-固两相体系的渗透燃烧合成过程。
本发明的常压连续合成氮化硅粉末的方法具有以下优势1、通过预先筛分、振动、搅拌和流化颗粒的破碎作用，破碎了超细粉的一次团聚及部分二次团聚，增加了硅粉的比表面积，有利于合成反应在常压富氮气氛中得以实现，解决了燃烧合成氮化硅工艺对专用高压设备的依赖性，提高了生产安全性，降低了生产成本；2、反应过程中，硅粉处于均匀稀相输送状态下与氮气接触，气-固相界面积很大，有利于非均相反应的进行，从而使得反应可以在常压下进行，并且提高了反应速度和产品质量；3、由于采用流化床技术连续供料，流出后的粉末和氮气流经高温氮化炉后即可完成反应，从而将合成氮化硅的工艺从高压燃烧合成的单炉次生产改变为连续化生产，提高了生产效率，降低了生产成本。
图1为利用流化床技术实现常压连续合成氮化硅粉末的反应装置示意图。减压阀1、振动电机2、连通管3、储料仓4、筛网5、振动筛分电机6、搅拌电机及搅拌杆7、出料口8、绝热保温层9、外套管10、发热元件11、热电偶12、温控装置13、产物出口管14、冷却介质出口15、换热器16、冷却介质入口17、回转出料阀18、袋式捕集器19、滤袋20、引风机21、高温氮化炉22、加热芯23、发热元件24、预热器内管25、预热器26、振动流化供料器27、流化颗粒28、布风板29、流量计30、进气管31、气源32。
图2为振动流化供料器结构示意图。其中，稀相区33、浓相区34、气室35。
图3为高温氮化炉结构示意图。
具体实施例方式
图1表示了利用流化床技术实现常压连续合成氮化硅粉末的反应装置示意图。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400目的筛网中，然后将该筛网放入烘箱的支架上进行干燥，干燥温度为80℃～120℃，干燥时间为2h～48h，同时从烘箱底部的小孔通入高纯氮气作为保护气体，并按时搅拌粉末，以加速干燥过程，将干燥后的物料放入筛网进行筛分，达到初步破碎一次团聚的目的。将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)，当料层达到指定高度后，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，从振动流化供料器(27)底部进入，向上流过布风板(29)，将物料流化起来，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振动流化供料器(27)上部侧面的出料口(8)连续流出，形成由物料和氮气组成的气-固两相流。接下来，将该两相流引入到预热器(26)进行预热，预热至900℃～1100℃，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-固两相流引入到套筒式高温氮化炉(22)。高温氮化炉温度为1200℃～1600℃范围内的某个温度，并且已经通入氮气将炉内的氧气或空气置换完毕。物料和氮气在该温度下发生燃烧合成反应，它们通过高温氮化炉的时间，即反应时间为20s～600s，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。
图2表示了自主研发的振动流化供料器的示意图。该供料器的主要特点是可以使用相对较少的气体，带出相对较多的超细粉，高纯氮气的流量在0.18m3/h～180m3/h的范围内变化时，供料速度可以在0.06kg/h～90kg/h之间连续调节，气粉比例可达0.1kg/m3～5kg/m3，同时气体流速较低，范围为0.04m/s～1.3m/s。而传统的稀相气力输送，流速达每秒几十米，因而速度高，能耗大。本方法中，将筛分后的混合物料松装入储料仓(4)，装料高度为10mm～1200mm。筛网(5)的规格为30目～300目的不锈钢筛网，物料颗粒越粗，选用孔径越大的筛网。通过改变筛网(5)的规格，可以实现不同速度的添料。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)中的物料可以顺利下落到振动流化供料器(28)中。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)物料流化起来。布风板(29)由三层筛网组成上层选用丝径较粗的100目筛网，其作用是防止搅拌杆划破中间一层筛网；中层选用孔径较小的400目双层筛网，其作用是支撑物料；下层选用丝径较粗的100目筛网，其作用是支撑上层和中层。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。振动电机的数量为1～4个，可以通过调节振动电机的电压以及开关振动电机的数量来实现不同的振动强度。振动电机交叉布置，以提供上下左右各种方向的振动力，破碎超细粉的团聚。搅拌电机的电压可调范围为4V～220V，搅拌杆下部连接有异形叶片，如Z字形，可以保证搅拌杆可以搅拌到振动流化供料器(27)主体中任何位置的物料。通过搅拌作用，可以使部分物料飞扬起来，有助于被氮气夹带出去。流化颗粒(28)的材料为硅球或Al2O3球，直径为100μm～5000μm。在氮气向上流动的过程中，流化颗粒(28)被流化起来，不停翻滚冲击，进一步将团聚的超细粉破碎。在振动、搅拌和流化颗粒的共同作用下，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。当振动流化供料器(27)中的超细粉被完全带出时，打开振动筛分电机的开关，部分超细粉从储料仓(4)经筛网(5)进入振动流化供料器(27)，当料层达到指定高度后，关闭振动筛分电机(6)。如此循环，从而连续供应超细粉。
图3表示了高温氮化炉的结构示意图。在氮化硅粉的制备工艺中，高温炉是决定氮化质量好坏的关键设备。它对高温炉的要求是炉温均匀、密封性好、高温停留时间长、设备简单和成本低廉。加热元件由两部分组成加热芯(23)和外套管(10)。加热芯可以利用两种加热方式一是在加热芯(23)外表面缠绕发热元件(24)，如0Cr27Al7Mo2铁铬铝电阻丝，炉膛温度可达1400℃；二是在加热芯(23)的内部通入高温烟气，炉膛温度可达1600℃。外套管(10)也可以利用两种加热方式一是在外套管(10)的螺旋槽中缠绕发热元件(11)，如0Cr27Al7Mo2铁铬铝电阻丝，炉膛温度可达1400℃；二是在外套管的外表面设置烟气通道，通入高温烟气，炉膛温度可达1600℃。将它们两两组合，可以构成四种双重加热方式。也可以单独采用加热芯(23)加热；还可以移除加热芯(23)部件，单独采用外套管(10)加热；下面只介绍加热芯(23)采用电阻加热以及外套管(10)也采用电阻加热的方式。升温过程中，通过温控装置(13)来控制炉温，从而加热到指定的温度。温控装置(13)由热电偶(12)、导线、交流继电器和数字式温度显示调节仪组成。热电偶(12)采用K型或S型热电偶。利用双重加热的方式，可以很快将高温氮化炉从常温加热到1200℃～1600℃，用于各种情况的硅粉氮化。在升到指定温度时，一边保持在这个温度，使炉温均匀，一边通入高纯氮气，用于置换炉膛内的空气或氧气。置换完成后，将从振动流化供料器(27)出来的气-固两相流引入到预热器(26)预热，经预热后的物料和氮气进入高温氮化炉，在流动过程中发生燃烧合成反应，在出口即可获得氮化硅粉末。
实施例1将平均粒径为10μm的Si粉60g放入烘箱中，在氮气保护下于90℃干燥8h，其中每隔1h搅拌一次，以加快干燥速度，再将干燥后的硅粉放入400目筛网中筛分，将过筛后的硅粉收集放入振动流化供料器，振动供料器的内径为40mm，高度为200mm，振动电机2个，搅拌电机1个，流化颗粒为空心氧化铝球，直径为100μm，从底部通入高纯氮气，氮气流量为0.3m3/h。硅粉经氮气快速流化后，在振动电机的振动力作用、搅拌电机的搅拌以及流化颗粒的冲击下，团聚的超细粉末被破碎，从而被夹带出来形成气-固两相流。经电加热管式预热器预热至900℃，预热器内管的内径为16mm，长度为1.5m。经预热后的硅粉和氮气处于均匀稀相气力输送状态，随后通入到高温氮化炉，氮化炉的加热芯和外套管均采用电阻加热，炉体长度为5m，加热芯外径为40mm，外套管内径为100mm。炉温为1300℃，燃烧反应在粉体和氮气连续通过高温氮化炉后基本完成，硅粉和氮气流经高温区的时间为66s，该过程中炉内压力为微正压(表压力为0.01MPa)。连续供料20分钟后，60g硅粉被完全带出参加反应。在出口经换热器水冷后收集，得到超细氮化硅粉末。经X射线衍射分析为非晶氮化硅。
实施例2将平均粒径为20μm的Si粉和作为成核剂的氮化硅粉，按照1∶1的质量比混合，取该粉末120g，放入烘箱中，在氮气保护下于90℃干燥8h，其中每隔1h搅拌一次，以加快干燥速度，再将干燥后的物料放入400目筛网中筛分，将过筛后的物料收集放入储料仓，储料仓内径为80mm，高度为100mm。打开振动筛分电机，部分物料落入到振动流化供料器，当物料高度达60mm后，关闭振动筛分电机。振动供料装置的内径为40mm，高度为200mm，振动电机2个，搅拌电机1个，流化颗粒为空心氧化铝球，直径为100μm，从底部通入高纯氮气，氮气流量为0.42m3/h。物料经氮气快速流化后，在振动电机的振动力作用、搅拌电机的搅拌以及流化颗粒的冲击下，团聚的超细粉末被破碎而飞扬，从而被夹带出来形成气-固两相流。经电阻预热炉预热至900。℃，预热器内管的内径为16mm，长度为1.5m。经预热后的物料和氮气处于均匀稀相气力输送状态，随后通入到高温氮化炉，氮化炉无加热芯，只有外套管，采用电阻加热，炉体长度为4m，外套管内径为130mm。炉温为1300℃，燃烧反应在粉体和氮气连续通过高温氮化炉后基本完成，物料和氮气流经高温区的时间为115s，该过程中炉内压力为微正压(表压力为0.01MPa)。连续供料20分钟后，供料器中的物料被完全带出参加反应。再次打开振动筛分电机，储料仓中的部分物料下落到供料器中，当供料器中的物料达到指定高度时，关闭振动筛分电机，如此循环，从而连续合成氮化硅粉末。在出口经换热器水冷后收集，得到超细氮化硅粉末。经X射线衍射分析为90％的α-Si3N4。
权利要求
1.一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0.18m3/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)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。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于在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)，部分物料经筛网(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；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；当振动流化供料器(27)中的超细粉被完全带出时，打开振动筛分电机(6)的开关，超细粉从储料仓(4)经筛网(5)进入振动流化供料器(27)，当料层达到指定高度后，关闭振动筛分电机(6)；如此循环，连续供应超细粉。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于加热元件由两部分组成加热芯(23)和外套管(10)；构成多种双重加热方式加热芯(23)采用电阻加热以及外套管(10)也采用电阻加热；加热芯(23)采用烟气加热而外套管(10)采用电阻加热；加热芯(23)采用电阻加热而外套管(10)采用烟气加热；加热芯(23)采用烟气加热以及外套管(10)也采用烟气加热；或单独采用加热芯(23)加热；或移除加热芯(23)，单独采用外套管(10)加热；提供1200℃～1600℃的炉膛温度，用于硅粉氮化。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于所述的反应产物氮化硅粉末为非晶、α相、β相或其混合物。
全文摘要
本发明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。
文档编号C04B35/584GK1792774SQ20051012633
公开日2006年6月28日 申请日期2005年12月7日 优先权日2005年12月7日
发明者王立, 尹少武, 董继昌, 吴平, 童莉葛 申请人:北京科技大学