利用流化床技術常壓連續合成氮化矽粉末的方法

2023-09-19 22:15:15

專利名稱：利用流化床技術常壓連續合成氮化矽粉末的方法
技術領域：
本發明涉及一種利用流化床技術常壓連續合成氮化矽粉末的方法，屬於超細氮化矽粉末的製備技術領域。
背景技術：
Si3N4陶瓷具有比重輕、熱膨脹係數小、硬度高、彈性模量高、耐熱衝擊、耐腐蝕、耐磨損、高溫力學性能好等特點，廣泛地應用於冶金、航天、航空、石油、化工、機械、電子等行業。但相對於金屬基材料而言，氮化矽陶瓷的高成本限制了它的大規模應用。一般來說，製備高質量的Si3N4陶瓷製品，需用優質的Si3N4粉體。因而，製備高質量、低成本的氮化矽粉末，已成為國際國內研究的熱點。
Si3N4粉的製備有四種基本方法，分別是直接氮化法、碳熱還原法、化學氣相法和熱分解法。但由於使用原料和加熱方式的不同，國際上研究開發製備氮化矽粉末的方法很多，有代表性的方法是美國Dow Chemical Co.開發的二氧化矽碳熱還原法，以及國際上普遍採用的矽粉直接氮化法。但採用上述兩種工藝方法需要很長的氮化時間，所製備的氮化矽粉末價格也較高。美國報導的矽粉氮化法製備的氮化矽粉末的價格為280元/公斤。由於粉體性能將決定氮化矽陶瓷的品質，因此在製備關鍵部件，如陶瓷燃氣輪機用部件時，國際市場普遍採用的粉末仍是日本Ube公司的產品，其工藝方法採用氨解法，產品價格為1000元/公斤。近年來，國內許多單位開發了採用雷射或等離子體加熱的方法來製備氮化矽粉末，但由於產品價格高和產量規模小，還未能大規模工業化生產。
為了充分發揮氣-固體系燃燒合成技術的低價製備的特點，國內外研究工作的重點是實現常壓燃燒合成以及實現連續化生產這兩個方面。只有解決了這兩個問題，才能實現規模化生產，從而降低生產成本。許多學者按照這種思路對氮化矽的燃燒合成進行了研究1987年，美國加州大學的Munir教授指出，理論計算表明燃燒合成氮化矽要在大於104Mpa的氮氣壓力下才能實現。但在1988年，日本大阪大學的Miyamoto教授加入形核劑的工藝方法實現了10MPa氮氣壓力下成功合成氮化矽。隨後，美國紐約州立大學(1992)和中國上海矽酸鹽研究所以及北京科技大學(1993)相繼報導了在3MPa壓力下實現燃燒合成氮化矽。但無論是實驗室研究還是產業化生產，目前國內外大部分燃燒合成氮化矽工藝都是在高於3MPa的氮氣壓力下進行，因而很難實現連續化工業生產。
矽粉直接氮化法是一種利用燃燒合成技術來製備氮化矽粉末的方法。在這方面各國學者已進行了大量研究並申請了許多專利。例如，俄羅斯Merzhanov等發明的「一種製備高α-Si3N4的方法」(美國專利US5032370)，需要在較高的氮氣壓力下(4～30Mpa)完成合成反應，這對設備的要求較為苛刻，事故發生機率增加，同時需要加入大量含Cl、F的氨鹽，對設備腐蝕嚴重，增加了成本，這些原因導致不利於規模化生產。中國上海矽酸鹽研究所的江國健等發明的「自蔓延高溫合成氮化矽鐵粉末的製備方法」(中國專利公開號為CN1275526)同樣存在以上問題，而且產品雜質含鐵高，只能用作價值較低的耐火材料級氮化矽，不能滿足精細結構陶瓷的需要。針對以上兩種方法不能連續化生產的缺點，清華大學陳克新等人發明了「一種低壓燃燒合成高α相氮化矽粉體的方法」(中國專利公開號為CN1362358A)，該方法需要對矽粉進行預處理，包括酸洗、超聲處理、高速球磨，接著加入活性劑、稀釋劑和添加劑，再將上述粉末在球磨機上長時間球磨，可以看出，在氮化前需要花大量時間來預處理。同時，該方法是將上述粉末放入帶孔的反應裝置內呈半懸浮狀態氮化，通過自蔓延反應10分鐘到30分鐘，不能實現真正意義上的連續化合成。中國科學院理化所的李江濤等人發明的「常壓燃燒合成氮化矽粉體的方法」(中國專利公開號為CN1657404A)，該方法也需要大量時間進行預處理，然後將粉末裝入耐高溫容器中，再將高溫容器放入反應器中，雖然說可以採用反應體系上部連續供料、底部連續出料的方式來實現連續化燃燒合成，但實際操作很複雜。同時，該方法中粗略地提出了以流態化方式通過懸浮煅燒爐的高溫場，實現連續化氮化，但該方法中沒有說明怎樣實現流化過程、在常溫還是高溫下流化以及怎樣實現連續供料過程等問題，而且在高溫下是很難操作流態化的，因此仍然不能提供實際應用的連續合成方法。因此，很有必要開發一種常壓連續化燃燒合成氮化矽粉末的方法。

發明內容
本發明是將矽粉和作為成核劑的氮化矽粉按質量比為100～50∶0～50的比例混合，經乾燥篩分後，利用流化床技術，將物料和氮氣送入氮化爐，實現燃燒合成反應。本發明不需要高壓反應裝置，只需將粉末松裝於供料裝置中，利用氮氣將粉末帶入常壓氮化爐，流經氮化爐後即反應完畢。合成產物可以為非晶、α相、β相或其混合物，由試驗條件決定，產物顏色為純白色或灰白色。
本發明的目的在於提供利用流化床技術常壓連續合成氮化矽粉末的方法，解決了高壓燃燒合成存在設備成本高、安全性差的問題。堅持低成本製備氮化矽粉末的原則，採用微正壓流動氮氣中進行常壓連續化燃燒合成氮化矽粉體的方法，解決了產率低的問題。
本發明的主要特點是在常溫下利用流化床技術將物料流化起來，通過氮氣的夾帶作用，形成連續均勻的氣-固兩相流。該氣-固兩相流經預熱後，進入稀相氣力輸送狀態，從而一邊通過高溫氮化爐，一邊發生燃燒合成反應，在出口即生成了氮化矽粉末。
實現本發明的具體步驟為a、原料混合和破碎團聚處理將純矽粉和氮化矽粉末按照矽粉∶氮化矽＝100～50∶0～50的質量比例充分混合後，將混合後的物料放入烘箱乾燥進行烘乾，然後利用篩網篩分物料，進行一次團聚的破碎處理；矽粉及作為成核劑的氮化矽的粒徑為0.1μm～100μm；所述的物料為矽粉和氮化矽的混合物粉末。
b、流化連續供料過程將步驟a經篩分後的混合物料松裝入儲料倉(4)，打開振動篩分電機(6)，部分物料經篩網(5)漏入振動流化供料器(27)，當料層達到10mm～1200mm範圍內的某個高度後，關閉振動篩分電機(6)，來自氣源(32)的高純氮氣經減壓閥(1)、流量計(30)後，從供料器(27)底部進入氣室(35)，向上流過布風板(29)，將濃相區(34)的物料流化起來，藉助振動電機(2)、攪拌電機及攪拌杆(7)以及流化顆粒(28)的破碎作用，團聚的超細粉進一步被破碎，部分物料被氮氣夾帶從供料器(27)上部稀相區(33)側面的出料口(8)連續流出，形成由物料和氮氣組成的氣-固兩相流。高純氮氣的流量為0.18m3/h～180m3/h。
c、燃燒氮化過程將步驟b出來的氣-固兩相流引入到預熱器(26)中進行預熱，預熱過程中，由於氮氣升溫，其體積膨脹，兩相流的流速迅速增加，導致氣-固兩相流的流型從快速流態化轉變為稀相氣力輸送狀態，預熱後的氣-固兩相流引入到高溫氮化爐(22)，高溫氮化爐內的溫度為1200℃～1600℃範圍內的某個溫度，物料和氮氣在該溫度下發生燃燒合成反應，反應產物在出口經換熱器(16)冷卻後，利用袋式捕集器(19)進行收集，得到氮化矽粉末；在燃燒合成反應過程中，氮化爐內一直保持微正壓，表壓力為0.01MPa～0.2MPa。
在b步驟的流化連續供料過程中，超細粉松裝入儲料倉(4)，打開振動篩分電機(6)，物料經篩網(5)漏入振動流化供料器(27)，當料層達到指定高度後，關閉振動篩分電機(6)；連通管(3)可以平衡儲料倉(4)和振動流化供料器(28)之間的壓力，保證儲料倉(3)中的物料順利下落到振動流化供料器(28)中；來自氣源(32)的高純氮氣經減壓閥(1)、流量計(30)後，從供料器(27)底部進入氣室(35)，向上流過布風板(29)，將濃相區(34)的物料流化起來，藉助振動電機(2)、攪拌電機及攪拌杆(7)以及流化顆粒(28)的破碎作用，團聚的超細粉進一步被破碎，部分物料被氮氣夾帶從供料器(27)上部稀相區(33)側面的出料口(8)連續流出，形成由物料和氮氣組成的氣-固兩相流；當振動流化供料器(27)中的超細粉被完全帶出時，打開振動篩分電機(6)的開關，超細粉從儲料倉(4)經篩網(5)進入振動流化供料器(27)，當料層達到指定高度後，關閉振動篩分電機(6)；如此循環，連續供應超細粉。其中高純氮氣的流量為0.18m3/h～180m3/h；供料速度可以在0.06kg/h～90kg/h之間連續調節；超細粉粒徑為0.1μm～100μm；振動篩分電機、振動電機和攪拌電機使用直流電或交流電；振動電機的數量為1～4個；用於破碎超細粉團聚的流化顆粒直徑為100μm～5000μm；儲料倉的內徑為60mm～1000mm，高度為80mm～3800mm；振動流化供料器的內徑為40mm～1800mm，高度為150mm～3800mm。
預熱器(26)可以採用電加熱，也可以採用燃料燃燒後的煙氣加熱，還可以利用反應產物的餘熱來加熱。物料和氮氣預熱後的溫度為900℃～1100℃；套筒式高溫氮化爐的爐溫為1200℃～1600℃，物料和氮氣通過高溫氮化爐的時間為20s～600s，即氮化時間為20s～600s。
本發明的加熱元件由兩部分組成加熱芯(23)和外套管(10)。加熱芯可以利用兩種加熱方式一是在加熱芯(23)外表面纏繞發熱元件(24)，如0Cr27Al7Mo2鐵鉻鋁電阻絲，爐膛溫度可達1400℃；二是在加熱芯(23)的內部通入高溫煙氣，爐膛溫度可達1600℃。外套管(10)也可以利用兩種加熱方式一是在外套管(10)的螺旋槽中纏繞發熱元件(11)，如0Cr27Al7Mo2鐵鉻鋁電阻絲，爐膛溫度可達1400℃；二是在外套管的外表面設置煙氣通道，通入高溫煙氣，爐膛溫度可達1600℃。將它們兩兩組合，還可以構成四種雙重加熱方式加熱芯(23)採用電阻加熱以及外套管(10)也採用電阻加熱；加熱芯(23)採用煙氣加熱而外套管(10)採用電阻加熱；加熱芯(23)採用電阻加熱而外套管(10)採用煙氣加熱；加熱芯(23)採用煙氣加熱以及外套管(10)也採用煙氣加熱。也可以單獨採用加熱芯(23)加熱；還可以移除加熱芯(23)，單獨採用外套管(10)加熱。利用雙重加熱的方式，可以快速提供1200℃～1600℃的爐膛溫度，用於各種情況的矽粉氮化。高溫氮化爐內徑為10mm～3000mm，高度為2m～60m，立式結構。
本發明所述的反應產物氮化矽粉末為非晶、α相、β相或其混合物；通過改變試驗條件，可以得到不同晶相的氮化矽粉末。當氮化溫度為1200℃～1400℃，產物主要為非晶氮化矽。當矽粉中加入部分α相氮化矽粉作為成核劑，氮化溫度為1200℃～1550℃，產物主要為α相氮化矽。當矽粉中加入部分α相氮化矽粉作為成核劑，氮化溫度為1550℃以上，產物中出現部分β相氮化矽。
本發明的常壓連續燃燒合成氮化矽粉的方法，採用氮氣做載氣使反應物以均勻稀相分布的方式連續通過氮化區，因此具有節能、產率高的優勢。而且對於所有具有放熱反應特徵的體系具有普遍的適用性。該方法尤其適用於氣-固兩相體系的滲透燃燒合成過程。
本發明的常壓連續合成氮化矽粉末的方法具有以下優勢1、通過預先篩分、振動、攪拌和流化顆粒的破碎作用，破碎了超細粉的一次團聚及部分二次團聚，增加了矽粉的比表面積，有利於合成反應在常壓富氮氣氛中得以實現，解決了燃燒合成氮化矽工藝對專用高壓設備的依賴性，提高了生產安全性，降低了生產成本；2、反應過程中，矽粉處於均勻稀相輸送狀態下與氮氣接觸，氣-固相界面積很大，有利於非均相反應的進行，從而使得反應可以在常壓下進行，並且提高了反應速度和產品質量；3、由於採用流化床技術連續供料，流出後的粉末和氮氣流經高溫氮化爐後即可完成反應，從而將合成氮化矽的工藝從高壓燃燒合成的單爐次生產改變為連續化生產，提高了生產效率，降低了生產成本。


圖1為利用流化床技術實現常壓連續合成氮化矽粉末的反應裝置示意圖。減壓閥1、振動電機2、連通管3、儲料倉4、篩網5、振動篩分電機6、攪拌電機及攪拌杆7、出料口8、絕熱保溫層9、外套管10、發熱元件11、熱電偶12、溫控裝置13、產物出口管14、冷卻介質出口15、換熱器16、冷卻介質入口17、迴轉出料閥18、袋式捕集器19、濾袋20、引風機21、高溫氮化爐22、加熱芯23、發熱元件24、預熱器內管25、預熱器26、振動流化供料器27、流化顆粒28、布風板29、流量計30、進氣管31、氣源32。
圖2為振動流化供料器結構示意圖。其中，稀相區33、濃相區34、氣室35。
圖3為高溫氮化爐結構示意圖。
具體實施例方式
圖1表示了利用流化床技術實現常壓連續合成氮化矽粉末的反應裝置示意圖。將純矽粉和氮化矽粉末按照矽粉∶氮化矽＝100～50∶0～50的質量比例充分混合後，將混合後的物料放入400目的篩網中，然後將該篩網放入烘箱的支架上進行乾燥，乾燥溫度為80℃～120℃，乾燥時間為2h～48h，同時從烘箱底部的小孔通入高純氮氣作為保護氣體，並按時攪拌粉末，以加速乾燥過程，將乾燥後的物料放入篩網進行篩分，達到初步破碎一次團聚的目的。將篩分後的混合物料松裝入儲料倉(4)，打開振動篩分電機(6)，部分物料經篩網(5)漏入振動流化供料器(27)，當料層達到指定高度後，關閉振動篩分電機(6)。來自氣源(32)的高純氮氣經減壓閥(1)、流量計(30)後，從振動流化供料器(27)底部進入，向上流過布風板(29)，將物料流化起來，藉助振動電機(2)、攪拌電機及攪拌杆(7)以及流化顆粒(28)的破碎作用，團聚的超細粉進一步被破碎，部分物料被氮氣夾帶從振動流化供料器(27)上部側面的出料口(8)連續流出，形成由物料和氮氣組成的氣-固兩相流。接下來，將該兩相流引入到預熱器(26)進行預熱，預熱至900℃～1100℃，預熱過程中，由於氮氣升溫，其體積膨脹，兩相流的流速迅速增加，導致氣-固兩相流的流型從快速流態化轉變為稀相氣力輸送狀態，預熱後的氣-固兩相流引入到套筒式高溫氮化爐(22)。高溫氮化爐溫度為1200℃～1600℃範圍內的某個溫度，並且已經通入氮氣將爐內的氧氣或空氣置換完畢。物料和氮氣在該溫度下發生燃燒合成反應，它們通過高溫氮化爐的時間，即反應時間為20s～600s，反應產物在出口經換熱器(16)冷卻後，利用袋式捕集器(19)進行收集，得到氮化矽粉末。在燃燒合成反應過程中，氮化爐內一直保持微正壓，表測壓力為0.01MPa～0.2MPa。
圖2表示了自主研發的振動流化供料器的示意圖。該供料器的主要特點是可以使用相對較少的氣體，帶出相對較多的超細粉，高純氮氣的流量在0.18m3/h～180m3/h的範圍內變化時，供料速度可以在0.06kg/h～90kg/h之間連續調節，氣粉比例可達0.1kg/m3～5kg/m3，同時氣體流速較低，範圍為0.04m/s～1.3m/s。而傳統的稀相氣力輸送，流速達每秒幾十米，因而速度高，能耗大。本方法中，將篩分後的混合物料松裝入儲料倉(4)，裝料高度為10mm～1200mm。篩網(5)的規格為30目～300目的不鏽鋼篩網，物料顆粒越粗，選用孔徑越大的篩網。通過改變篩網(5)的規格，可以實現不同速度的添料。打開振動篩分電機(6)，部分物料經篩網(5)漏入振動流化供料器(27)，當料層達到指定高度後，關閉振動篩分電機(6)。連通管(3)可以平衡儲料倉(4)和振動流化供料器(28)之間的壓力，保證儲料倉(3)中的物料可以順利下落到振動流化供料器(28)中。來自氣源(32)的高純氮氣經減壓閥(1)、流量計(30)後，從供料器(27)底部進入氣室(35)，向上流過布風板(29)，將濃相區(34)物料流化起來。布風板(29)由三層篩網組成上層選用絲徑較粗的100目篩網，其作用是防止攪拌杆劃破中間一層篩網；中層選用孔徑較小的400目雙層篩網，其作用是支撐物料；下層選用絲徑較粗的100目篩網，其作用是支撐上層和中層。藉助振動電機(2)、攪拌電機及攪拌杆(7)以及流化顆粒(28)的破碎作用，團聚的超細粉進一步被破碎。振動電機的數量為1～4個，可以通過調節振動電機的電壓以及開關振動電機的數量來實現不同的振動強度。振動電機交叉布置，以提供上下左右各種方向的振動力，破碎超細粉的團聚。攪拌電機的電壓可調範圍為4V～220V，攪拌杆下部連接有異形葉片，如Z字形，可以保證攪拌杆可以攪拌到振動流化供料器(27)主體中任何位置的物料。通過攪拌作用，可以使部分物料飛揚起來，有助於被氮氣夾帶出去。流化顆粒(28)的材料為矽球或Al2O3球，直徑為100μm～5000μm。在氮氣向上流動的過程中，流化顆粒(28)被流化起來，不停翻滾衝擊，進一步將團聚的超細粉破碎。在振動、攪拌和流化顆粒的共同作用下，部分物料被氮氣夾帶從供料器(27)上部稀相區(33)側面的出料口(8)連續流出，形成由物料和氮氣組成的氣-固兩相流。當振動流化供料器(27)中的超細粉被完全帶出時，打開振動篩分電機的開關，部分超細粉從儲料倉(4)經篩網(5)進入振動流化供料器(27)，當料層達到指定高度後，關閉振動篩分電機(6)。如此循環，從而連續供應超細粉。
圖3表示了高溫氮化爐的結構示意圖。在氮化矽粉的製備工藝中，高溫爐是決定氮化質量好壞的關鍵設備。它對高溫爐的要求是爐溫均勻、密封性好、高溫停留時間長、設備簡單和成本低廉。加熱元件由兩部分組成加熱芯(23)和外套管(10)。加熱芯可以利用兩種加熱方式一是在加熱芯(23)外表面纏繞發熱元件(24)，如0Cr27Al7Mo2鐵鉻鋁電阻絲，爐膛溫度可達1400℃；二是在加熱芯(23)的內部通入高溫煙氣，爐膛溫度可達1600℃。外套管(10)也可以利用兩種加熱方式一是在外套管(10)的螺旋槽中纏繞發熱元件(11)，如0Cr27Al7Mo2鐵鉻鋁電阻絲，爐膛溫度可達1400℃；二是在外套管的外表面設置煙氣通道，通入高溫煙氣，爐膛溫度可達1600℃。將它們兩兩組合，可以構成四種雙重加熱方式。也可以單獨採用加熱芯(23)加熱；還可以移除加熱芯(23)部件，單獨採用外套管(10)加熱；下面只介紹加熱芯(23)採用電阻加熱以及外套管(10)也採用電阻加熱的方式。升溫過程中，通過溫控裝置(13)來控制爐溫，從而加熱到指定的溫度。溫控裝置(13)由熱電偶(12)、導線、交流繼電器和數字式溫度顯示調節儀組成。熱電偶(12)採用K型或S型熱電偶。利用雙重加熱的方式，可以很快將高溫氮化爐從常溫加熱到1200℃～1600℃，用於各種情況的矽粉氮化。在升到指定溫度時，一邊保持在這個溫度，使爐溫均勻，一邊通入高純氮氣，用於置換爐膛內的空氣或氧氣。置換完成後，將從振動流化供料器(27)出來的氣-固兩相流引入到預熱器(26)預熱，經預熱後的物料和氮氣進入高溫氮化爐，在流動過程中發生燃燒合成反應，在出口即可獲得氮化矽粉末。
實施例1將平均粒徑為10μm的Si粉60g放入烘箱中，在氮氣保護下於90℃乾燥8h，其中每隔1h攪拌一次，以加快乾燥速度，再將乾燥後的矽粉放入400目篩網中篩分，將過篩後的矽粉收集放入振動流化供料器，振動供料器的內徑為40mm，高度為200mm，振動電機2個，攪拌電機1個，流化顆粒為空心氧化鋁球，直徑為100μm，從底部通入高純氮氣，氮氣流量為0.3m3/h。矽粉經氮氣快速流化後，在振動電機的振動力作用、攪拌電機的攪拌以及流化顆粒的衝擊下，團聚的超細粉末被破碎，從而被夾帶出來形成氣-固兩相流。經電加熱管式預熱器預熱至900℃，預熱器內管的內徑為16mm，長度為1.5m。經預熱後的矽粉和氮氣處於均勻稀相氣力輸送狀態，隨後通入到高溫氮化爐，氮化爐的加熱芯和外套管均採用電阻加熱，爐體長度為5m，加熱芯外徑為40mm，外套管內徑為100mm。爐溫為1300℃，燃燒反應在粉體和氮氣連續通過高溫氮化爐後基本完成，矽粉和氮氣流經高溫區的時間為66s，該過程中爐內壓力為微正壓(表壓力為0.01MPa)。連續供料20分鐘後，60g矽粉被完全帶出參加反應。在出口經換熱器水冷後收集，得到超細氮化矽粉末。經X射線衍射分析為非晶氮化矽。
實施例2將平均粒徑為20μm的Si粉和作為成核劑的氮化矽粉，按照1∶1的質量比混合，取該粉末120g，放入烘箱中，在氮氣保護下於90℃乾燥8h，其中每隔1h攪拌一次，以加快乾燥速度，再將乾燥後的物料放入400目篩網中篩分，將過篩後的物料收集放入儲料倉，儲料倉內徑為80mm，高度為100mm。打開振動篩分電機，部分物料落入到振動流化供料器，當物料高度達60mm後，關閉振動篩分電機。振動供料裝置的內徑為40mm，高度為200mm，振動電機2個，攪拌電機1個，流化顆粒為空心氧化鋁球，直徑為100μm，從底部通入高純氮氣，氮氣流量為0.42m3/h。物料經氮氣快速流化後，在振動電機的振動力作用、攪拌電機的攪拌以及流化顆粒的衝擊下，團聚的超細粉末被破碎而飛揚，從而被夾帶出來形成氣-固兩相流。經電阻預熱爐預熱至900。℃，預熱器內管的內徑為16mm，長度為1.5m。經預熱後的物料和氮氣處於均勻稀相氣力輸送狀態，隨後通入到高溫氮化爐，氮化爐無加熱芯，只有外套管，採用電阻加熱，爐體長度為4m，外套管內徑為130mm。爐溫為1300℃，燃燒反應在粉體和氮氣連續通過高溫氮化爐後基本完成，物料和氮氣流經高溫區的時間為115s，該過程中爐內壓力為微正壓(表壓力為0.01MPa)。連續供料20分鐘後，供料器中的物料被完全帶出參加反應。再次打開振動篩分電機，儲料倉中的部分物料下落到供料器中，當供料器中的物料達到指定高度時，關閉振動篩分電機，如此循環，從而連續合成氮化矽粉末。在出口經換熱器水冷後收集，得到超細氮化矽粉末。經X射線衍射分析為90％的α-Si3N4。
權利要求
1.一種常壓燃燒連續合成氮化矽粉末的方法，其特徵在於具體工藝步驟為a、原料混合和破碎團聚處理將純矽粉和氮化矽粉末按照矽粉∶氮化矽＝100～50∶0～50的質量比例充分混合後，將混合後的物料放入烘箱進行乾燥，然後利用篩網篩分物料，進行一次團聚的破碎處理，矽粉及作為成核劑的氮化矽的粒徑為0.1μm～100μm，所述的物料為矽粉和氮化矽的混合物粉末；b、流化連續供料過程將步驟a經篩分後的混合物料松裝入儲料倉(4)，打開振動篩分電機(6)，部分物料經篩網(5)漏入振動流化供料器(27)，當料層達到10mm～1200mm範圍內的高度後，關閉振動篩分電機(6)，來自氣源(32)的高純氮氣經減壓閥(1)、流量計(30)後，從供料器(27)底部進入氣室(35)，向上流過布風板(29)，將濃相區(34)的物料流化起來，藉助振動電機(2)、攪拌電機及攪拌杆(7)以及流化顆粒(28)的破碎作用，團聚的超細粉進一步被破碎，部分物料被氮氣夾帶從供料器(27)上部稀相區(33)側面的出料口(8)連續流出，形成由物料和氮氣組成的氣-固兩相流，高純氮氣的流量為0.18m3/h～180m3/h；c、燃燒氮化過程將步驟b出來的氣-固兩相流引入到預熱器(26)進行預熱，預熱過程中，由於氮氣升溫，其體積膨脹，兩相流的流速迅速增加，導致氣-固兩相流的流型從快速流態化轉變為稀相氣力輸送狀態，預熱後的氣-固兩相流引入到高溫氮化爐(22)，其溫度範圍為1200℃～1600℃，物料和氮氣在該溫度下發生燃燒合成反應，反應產物在出口經換熱器(16)冷卻後，利用袋式捕集器(19)進行收集，得到氮化矽粉末；在燃燒合成反應過程中，氮化爐內一直保持微正壓，表測壓力為0.01MPa～0.2MPa。
2.如權利要求1所述的方法，其特徵在於在b步驟的流化連續供料過程中，超細粉松裝入儲料倉(4)，打開振動篩分電機(6)，部分物料經篩網(5)漏入振動流化供料器(27)，當料層達到指定高度後，關閉振動篩分電機(6)；連通管(3)可以平衡儲料倉(4)和振動流化供料器(28)之間的壓力，保證儲料倉(3)中的物料順利下落到振動流化供料器(28)中；來自氣源(32)的高純氮氣經減壓閥(1)、流量計(30)後，從供料器(27)底部進入氣室(35)，向上流過布風板(29)，將濃相區(34)的物料流化起來，藉助振動電機(2)、攪拌電機及攪拌杆(7)以及流化顆粒(28)的破碎作用，團聚的超細粉進一步被破碎，部分物料被氮氣夾帶從供料器(27)上部稀相區(33)側面的出料口(8)連續流出，形成由物料和氮氣組成的氣-固兩相流；當振動流化供料器(27)中的超細粉被完全帶出時，打開振動篩分電機(6)的開關，超細粉從儲料倉(4)經篩網(5)進入振動流化供料器(27)，當料層達到指定高度後，關閉振動篩分電機(6)；如此循環，連續供應超細粉。
3.如權利要求1所述的方法，其特徵在於加熱元件由兩部分組成加熱芯(23)和外套管(10)；構成多種雙重加熱方式加熱芯(23)採用電阻加熱以及外套管(10)也採用電阻加熱；加熱芯(23)採用煙氣加熱而外套管(10)採用電阻加熱；加熱芯(23)採用電阻加熱而外套管(10)採用煙氣加熱；加熱芯(23)採用煙氣加熱以及外套管(10)也採用煙氣加熱；或單獨採用加熱芯(23)加熱；或移除加熱芯(23)，單獨採用外套管(10)加熱；提供1200℃～1600℃的爐膛溫度，用於矽粉氮化。
4.如權利要求1所述的方法，其特徵在於所述的反應產物氮化矽粉末為非晶、α相、β相或其混合物。
全文摘要
本發明提供了一種利用流化床技術常壓連續合成氮化矽粉末的方法，屬於超細氮化矽粉末的製備技術領域。採用在常溫下以高純氮氣為載氣，將矽粉或者矽粉和氮化矽的混合物快速流化並夾帶離開快速流化床，粉末和氮氣組成的氣－固兩相流進入高溫氮化爐的高溫區，以稀相氣力輸送的方式連續通過高溫氮化爐，從而在高溫常壓下發生燃燒合成反應，最後在出口利用換熱器冷卻後，再經袋式捕集器收集，得到氮化矽粉末。合成產物是氮化矽粉末，主晶相可以為非晶、α相、β相或其混合物。本發明具有生產效率高、設備簡單、操作方便、成本低等優點，解決了現有方法不能連續、規模直接生產氮化矽粉末的問題，可實現連續大規模生產。
文檔編號C04B35/584GK1792774SQ20051012633
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月7日 優先權日2005年12月7日
發明者王立, 尹少武, 董繼昌, 吳平, 童莉葛 申請人:北京科技大學