氮化硅喷雾造粒粉的工艺研究*

陈加森　孙　峰　董廷霞　徐学敏　张泳昌　王春河

(中材高新氮化物陶瓷有限公司　山东 淄博　255000)



氮化硅喷雾造粒粉的工艺研究*

陈加森孙峰董廷霞徐学敏张泳昌王春河

(中材高新氮化物陶瓷有限公司山东 淄博255000)

摘要氮化硅陶瓷作为结构陶瓷材料，具有优良的耐磨、耐腐蚀、耐高温性能以及良好的抗热震性能，广泛应用于航空航天、机械、电子、电力、化工等领域。通常粉料的性能对结构陶瓷有着重要的影响,采用喷雾造粒工艺可以制备出具备优异流动性和松装密度的粉体。笔者主要对氮化硅粉喷雾造粒工艺中影响粉料性能的各个因素进行了分析和探讨。

关键词氮化硅喷雾造粒粉料

前言

氮化硅陶瓷在高温和常温条件下，具有硬度高、耐磨损、耐腐蚀、抗氧化和良好的抗热冲击与机械冲击性能，已经在现代工业和制造业中得到广泛应用[1]。纯氮化硅无法通过固相烧结达到致密化，必须添加烧结助剂，与氮化硅粉末表面的氧化硅形成液相而实现致密化[2],烧结助剂与氮化硅粉的密度、粒度、分散性等各不相同，为保证在混料过程中各组分的均匀性，必须对混料过程的湿化学工艺和条件进行严格控制。较为传统的混料工艺过程为：混合-烘干-造粒-过筛[3]。通过延长混合时间可以改善各组分在料浆中的均匀性，但是由于烘干过程较长，各组分之间的密度差异大，使原本的均匀分散状态会发生重新团聚和沉淀，同时手工造粒过程中极易引入杂物污染粉料，并且造粒后的颗粒形状不规则，粉料的流动性差，粉料粒度分布的均匀性和稳定性较差，粉料的松装密度低，导致素坯的密度降低。当素坯中残留的气孔较多、添加剂分散不均匀时，对烧结致密化带来了较大难度，最终导致产品性能降低[3]。

解决这些问题的方法是：采用喷雾造粒工艺，通过采用高速搅拌磨将料浆混匀，然后用高压喷雾器将料浆喷入造粒塔中进行雾化，塔中的雾滴被热气流干燥成颗粒状粉体，通过控制料浆中颗粒表面的酒精的挥发速率等，可以制备出具备优异流动性的粉料，这可改善粉料的充模状态，提高素坯的密实度[4]。

喷雾造粒干燥过程，具体过程分为4个阶段[5]：

1)混匀料浆。按照一定的比例，将氮化硅粉、助剂、酒精及粘结剂等加入到搅拌缸中，通过一定时间的高速混料，将各个组分混匀，其中固含量、粘结剂的种类及含量对料浆的流动性或粘度有一定影响。

2)料浆雾化。料浆由供料系统中的隔膜泵以一定压力从喷嘴喷入干燥塔，压力的能量转换为动能，料浆由下向上从喷嘴喷出，形成一层高速的液膜，液膜随即分裂为液滴。雾化产生的液滴尺寸与压力成反比，单位时间的生产能力与压力的平方成正比。

3)雾粒干燥成球。雾粒与热气以混合流的方式工作，热气是通过顶盖上的热气分配器进入塔内，热风分配器产生一股向下的流线气流，雾滴由下向上喷入热气流。雾滴由于表面张力作用而成球形，同时由于雾滴具有很大的表面积，其中表面酒精迅速蒸发干燥，最终收缩形成干燥的球形颗粒粉料。

4)颗粒粉料卸出。干燥形成的球形颗粒粉料在干燥塔内逐渐沉降，与热气分离，塔下部的漏斗型腔使颗粒料汇集并由出料口卸出。较细的颗粒料与干燥热气一起由与漏斗形上部相连的抽风机抽取而进入除尘系统。其中干燥过程中主要控制的工艺参数有浆料的固含量、粘结剂的种类及含量、进出口温度、供料泵压力及进料速率等。

1料浆固含量对造粒粉的影响

造粒粉的干燥过程可以理解为料浆中液相的挥发过程，液滴进入干燥室后与热气流相遇，表面的液相迅速蒸发，且内部液相不断向外迁移，维持表面的饱和蒸气压，一段时间后达到临界湿含量点，液滴表面不再维持饱和蒸气压，表面形成固态壳[6]。当料浆固含量增加，经过气动隔膜泵时，单位质量中料浆的动能减少，雾化出的液滴直径变大，同时由于液滴中液相的含量少，液相的蒸发时间缩短，使得颗粒内部的气孔率降低，最终喷出的粉料颗粒尺寸大，松装密度高。在料浆的配制混匀过程中，只有严格控制料浆的固含量，才能实现对喷雾造粒粉料尺寸及松装密度的控制，目前浆料的固相含量以45%～55%为较佳。

2进出口温度对造粒粉的影响

料浆中液相的挥发依靠的是热气流，而热气流来源于喷塔进口温度。当进口温度较高时,塔顶热气流温度较高,雾滴升到高处遇到大量热气流，液滴表面会迅速挥发形成壳，形成的壳阻止了内部液相大量挥发，壳内压力升高，到达一定程度后，会引起壳爆炸，形成的颗粒多为碎片状；同时由于温度过高，料浆中的有机粘结剂发生严重的固化[7]，使得粘结剂的性能降低，最终影响粉料的压制性能。出口温度过高,雾滴能很快干燥,会造成粉料颗粒过细,松装密度高,同时也易造成喷嘴堵塞；反之出口温度过低时,雾滴中溶剂蒸发慢,易出现粘壁现象,且粉料颗粒强度不够,破碎颗粒较多,流动性较差。进口温度可以用控制加热温度及功率等来调控，而出口温度无法通过设备供热系统控制，其调节是通过控制进口温度，进料速度、浆料固含量等来控制。

3供料泵压力及进料速率对造粒粉的影响

在喷雾造粒过程中，浆料通过压力式喷嘴雾化形成雾滴，雾滴与热空气先逆流然后顺流混合，从而快速干燥。当进料速率一定时，雾化压力越大，料浆动能越大，较大压力的料浆经过小尺寸喷嘴形成的雾滴直径就越小,雾滴会迅速干燥，最终形成的颗粒尺寸偏小，同时细小的颗粒会被抽风机抽取而进入除尘系统，使得可用粉量降低[8]。当供料泵压力一定时，进料速率越大，形成的雾滴直径越大,喷雾造粒后颗粒尺寸大，同时由于溶剂来不及蒸发,使粉料的湿度增大,致使粉料的流动性变差。供料泵压力与进料速率需搭配合理，供料压力过大，进料速率较小时,雾滴喷射高,与顶部的高温空气接触面大,溶剂蒸发过快,导致颗粒破裂,无法形成理想粒度的粉料；当供料压力过小，进料速率较大时，雾滴喷射高度较低，由于塔底部位温度低，且雾滴尺寸太大，雾滴的溶剂来不及挥发就落下，会发生严重的粘壁现象，同时颗粒尺寸大，流动性差。

4粘结剂含量对造粒粉的影响

喷雾造粒过程粘结剂主要起到分散粉料，增加颗粒强度，改善脱模效果等作用，常用的粘结剂有聚乙二醇、聚乙烯醇、酚醛树脂等。料浆中加入有机粘结剂后将粉体包裹，增加料浆的粘度，多维的长分子链增加了位阻效应，对料浆的稳定性有着重要作用，同时在喷雾造粒过程中，会影响雾滴的直径、液相的挥发速率、颗粒的强度等。当粘结剂加入量过高时，料浆粘稠度明显增加，长分子链相互桥连，限制了粒子间的运动，导致料浆的流动性和分散性差；喷雾造粒过程中，雾滴尺寸大，可形成大尺寸粉料，且雾滴中有机物含量过高，大量的粘结剂会随溶剂流动，造成颗粒表面的粘结剂分散不均匀，致使颗粒表面局部坚硬或形成空心球，使成形过程中压缩和成形困难。同时由于粘结剂含量过高，在烧结致密化过程中，粘结剂留下的空洞太多，且造粒过程中容易出现堵枪和粘壁现象[9]。当粘结剂含量过低时，喷雾造粒所制备的颗粒强度较低，颗粒尺寸变小。颗粒表面的粘结剂含量过少，影响其流动性和脱模性。

5结语

喷雾造粒过程中所制备的粉料性能受到浆料的固相含量、粘结剂的种类及含量、进出口温度、供料泵压力及进料速率等影响，这些因素都影响着粉料的颗粒形貌、颗粒尺寸、颗粒强度、松装密度、休止角、流动性、脱模性等，且这些因素之间又相互影响，在喷雾造粒过程中还需要综合考虑。

参考文献

1李勇霞.高性能氮化硅的制备及其性能研究:[硕士学位论文].哈尔滨：哈尔滨工业大学,2013

2张勇,王富成,吴鹏,等.复合添加剂对氮化硅陶瓷致密化的影响.材料导报(纳米与新材料专辑),2008(3):363～365

3黄政仁,江东亮.喷雾造粒SiC粉料在成形过程中的破碎行为.硅酸盐学报,2000,28(3):204～209

4马奇,郭兴忠,杨辉,等.喷雾造粒对固相烧结SiC陶瓷的影响.陶瓷学报,2006,27(3):250～254

5黄立新,周瑞君,Mujumdar A S.近年来喷雾干燥技术研究进展和展望.干燥技术与设备,2008,6(1):3～8

6翟长生,王俊,李飞,等.影响喷雾造粒Al2O3/nano-TiO2复合陶瓷粉体流动特性的流变学因素研究.材料科学与工程学报,2004,22(3):318～322

7陆有军,吴澜尔,陈宇红.SiC 喷雾造粒粉的影响因素研究.中国粉体技术,2007,13(5):5～6

8朱军,浦雪琴,陈颖芬.影响压力式喷雾造粒的因素和提高效率的途径.江苏陶瓷,2011(1):8～11

9李金有,葛志平,蔡舒.粘结剂对喷雾造粒ZrO2(Y2O3)粉末特性的影响.陶瓷学报,2003,24(1):8～11

Technical Study on Spray Granulator of Si3N4Powder

Chen Jiasen,Sun Feng,Dong Tingxia,Xu Xuemin,Zhang Yongchang,Wang Chunhe

(Sinoma Advanced Nitrude Ceramics,Co.,Ltd,Shandong,Zibo,255000)

Abstract:Silicon nitride ceramics possessing good wear and corrosive resistance, high temperature stability and thermal shock resistance, are considered as structural materials for wide applications in many fields such as aerospace, mechanicalindustry, electronic power industry and chemical industry. The properties of powder plays a key role in the structural ceramics, the powder with excellent fluidity andapparent density can be made by the spray granulate, this article discusses the effect of spray granulate on properties of powders.

Key words:Spray granulation; Siliconmitride; Powder

* 作者简介：陈加森(1990-)，硕士研究生，工程师；主要从事氮化硅陶瓷的研究。

中图分类号：TQ174.75

文献标识码：A

文章编号：1002-2872(2016)06-0032-03