ПОЛУЧЕНИЕ ПОРОШКОВ ВЕНТИЛЬНЫХ МЕТАЛЛОВ С УЛУЧШЕННЫМИ ФИЗИЧЕСКИМИ И ЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ СВОЙСТВАМИ
PRODUCING BARRIER METAL POWDERS WITH IMPROVED PHYSICAL AND ELECTRICAL PROPERTIES

Предпосылки изобретения
Существует потребность в развитии способов получения порошков металлов, обладающих большими площадями поверхности, увеличенной насыпной плотностью, улучшенной текучестью и улучшенными средними диаметрами частиц.
Неожиданно было открыто, что способами, описанными в патенте US 4,483,819, могут быть получены порошки, отличающиеся уменьшенной площадью поверхности (электрической емкостью) порошков.
Существует необходимость в разработке способа, который бы преодолел недостатки известных способов.
Общие положения изобретения
Изобретение относится к способу, который включает стадии (1) подачи в реактор, имеющий горячую зону, (а) компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, содержащего частицы клапанного металла, и (b) восстанавливающего компонента; и (2) подвергания взаимодействию компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, и восстанавливающего компонента при нестатических условиях, достаточных для одновременной (i) агломерации частиц компонента первого порошка клапанного металла и (ii) уменьшения содержания кислорода в частицах компонента, состоящего из порошка клапанного металла, с образованием, таким образом, компонента, состоящего из второго порошка клапанного металла, содержащего частицы клапанного металла с пониженным содержанием кислорода, при котором восстанавливающий компонент выбирают из группы, включающей магниевые восстанавливающие компоненты, кальциевые восстанавливающие компоненты, алюминиевые восстанавливающие компоненты, литиевые восстанавливающие компоненты, бариевые восстанавливающие компоненты, стронциевые восстанавливающие компоненты и их смеси.
Один из вариантов изобретение относится к порошкам, получаемым в соответствии с таким способом.
Изобретение также относится к способу, который включает стадии (1) подачи в реактор, включающий трубу, имеющий горячую зону, с углом наклона в интервале от около 0,1 до около 10° по отношению к горизонтальной оси трубы, (а) компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, содержащего частицы клапанного металла с содержанием кислорода более чем около 1 вес.%, и (b) восстанавливающего компонента; и (2) вращение, переворачивание (беспорядочное движение) и падение компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, и восстанавливающего компонента при температуре, по крайней мере, около 670°С при непрерывных условиях, которые достаточны для одновременной (i) агломерации частиц компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, и (ii) уменьшения содержания кислорода в частицах компонента, содержащего первый порошок клапанного металла, с образованием, таким образом, компонента, состоящего из второго порошка клапанного металла, содержащего частицы клапанного металла с пониженным содержанием кислорода, который обладает (i) площадью поверхности, как минимум, равной или большей площади поверхности частиц компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, (ii) насыпной плотностью, большей насыпной плотности частиц компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, и (iii) текучестью, большей текучести частиц компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла. Восстанавливающий компонент выбирают из группы, включающей магниевые восстанавливающие компоненты, кальциевые восстанавливающие компоненты, алюминиевые восстанавливающие компоненты, литиевые восстанавливающие компоненты, бариевые восстанавливающие компоненты, стронциевые восстанавливающие компоненты и их смеси.
Эти и другие свойства, аспекты и преимущества данного изобретения станут более понятными после рассмотрения описания и формулы изобретения.
Описание
Изобретение основывается на выдающемся открытии, состоящем в том, что, подвергая взаимодействию компонент, состоящий из порошка клапанного металла, и восстанавливающий компонент при нестатических условиях, можно получить порошки, обладающие улучшенными свойствами по сравнению с порошками, полученными при статических условиях.
В общем виде способ согласно данному изобретению включает стадии (1) подачи в реактор, имеющий горячую зону, (а) компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, содержащего частицы клапанного металла, и (b) восстанавливающего компонента; и (2) подвергания взаимодействию компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, и восстанавливающего компонента при нестатических условиях, достаточных для одновременной (i) агломерации частиц компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, и (ii) уменьшения содержания кислорода в частицах компонента, состоящего из порошка клапанного металла, с образованием, таким образом, компонента, состоящего из второго порошка клапанного металла, содержащего частицы клапанного металла с пониженным содержанием кислорода.
Компонент, состоящий из первого порошка клапанного металла, выбирают из группы, включающей гафний, ниобий, титан, тантал, цирконий, молибден, вольфрам, сплавы гафния, сплавы ниобия, сплавы титана, сплавы тантала, сплавы циркония, сплавы молибдена, сплавы вольфрама и их смеси.
Восстанавливающий компонент выбирают из группы, включающей магниевые восстанавливающие компоненты, кальциевые восстанавливающие компоненты, алюминиевые восстанавливающие компоненты, литиевые восстанавливающие компоненты, бариевые восстанавливающие компоненты, стронциевые восстанавливающие компоненты и их смеси. В одном из вариантов изобретения восстанавливающие компоненты выбирают из группы, включающей твердые магниевые компоненты, жидкие магниевые компоненты, газообразные магниевые компонентов и их смеси.
Реактор, используемый для осуществления способа, может быть реактором, который в соответствии с изобретением создает возможность получения порошков с улучшенными свойствами. В одном из вариантов изобретения реактор представляет собой трубу, которая оснащена, как минимум, одним устройством для ворошения или перемешивания частиц компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла. Труба имеет возможность вращения с разной скоростью. В одном из вариантов изобретения труба может вращаться со скоростью от 0,25 до 10 об/мин. К примерам подходящих для использования реакторов относятся реакторы, называемые вращающимися обжиговыми печами с непрямым нагревом или печами для кальцинирования, которые производятся фирмами Harper International, HED International, Thermal Processing Solutions, Inc.
Восстанавливающий компонент и компонент, состоящий из первого порошка клапанного металла, могут быть введены в реактор несколькими подходящими способами. При одном из вариантов изобретения восстанавливающий компонент и компонент, состоящий из первого порошка клапанного металла, подают в реактор отдельно двумя отдельными питающими устройствами. В другом варианте изобретения компонент, состоящий из первого порошка клапанного металла, и восстанавливающий компонент подают в реактор в виде порошка смеси компонентов, который получают при смешивании компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, и восстанавливающего компонента до того, как компонент, состоящий из первого порошка клапанного металла, и восстанавливающий компонент введены в реактор.
Компонент, состоящий из первого порошка клапанного металла, может быть введен в реактор с различными скоростями подачи. В одном из вариантов изобретения компонент, состоящий из первого порошка клапанного металла, подают в реактор со скоростью подачи в интервале от около 1 до около 100 кг/ч, а диаметр трубы составляет от около 10 до около 200 см. В одном варианте изобретения восстанавливающий компонент является магниевым восстанавливающим компонентом, и магниевый восстанавливающий компонент вводят в реактор, основываясь на содержании кислорода в компоненте, состоящем из первого порошка клапанного металла, с избытком магниевого восстанавливающего компонента, составляющим от 0 до около 10% от стехиометрически требуемого количества так, что (i) скорость подачи составляет от около 0,01 до около 10 кг/ч, (ii) труба имеет диаметр в пределах от около 10 до около 200 см, и в реакторе имеется горячая зона (зоны) с протяженностью в пределах от около 90 до около 3500 см.
Критическим для способа является то, что первый порошок клапанного металла подвергают взаимодействию при нестатических условиях. Нестатические условия выбирают из группы, включающей ворошение, падение, вращение или их комбинации.
Температура, при которой компонент, состоящий из первого порошка клапанного металла, превращают в компонент, состоящий из второго порошка клапанного металла, может варьироваться. В одном варианте изобретения компонент, состоящий из первого порошка клапанного металла, превращают в компонент, состоящий из второго порошка клапанного металла, при нестатических условиях при температуре в интервале от около 670 до около 1500°С.
Частицы клапанного металла с уменьшенным содержанием кислорода в компоненте, состоящем из второго порошка клапанного металла, обладают полезными свойствами. В одном из вариантов изобретения частицы клапанного металла с уменьшенным содержанием кислорода в компоненте, состоящем из второго порошка клапанного металла, обладают текучестью, которая составляет, как минимум, около 0,5 г/с. В другом варианте изобретения частицы клапанного металла с уменьшенным содержанием кислорода в компоненте, состоящем из второго порошка клапанного металла, обладают текучестью, которая составляет от около 0,2 до около 2,5 г/с. В другом варианте изобретения частицы клапанного металла с уменьшенным содержанием кислорода в компоненте, состоящем из второго порошка клапанного металла, включают частицы с текучестью, которая выше на от около 20 до около 100% или более чем текучесть частиц компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла.
Характеристики насыпной плотности клапанного металла с уменьшенным содержанием кислорода в компоненте, состоящем из второго порошка клапанного металла, могут варьироваться. В одном из вариантов изобретения частицы клапанного металла с уменьшенным содержанием кислорода в компоненте, состоящем из второго порошка клапанного металла, имеют насыпную плотность, которая превышает на от около 10 до около 100% или более насыпную плотность частиц клапанного металла компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла.
Компонент, состоящий из второго порошка клапанного металла, содержит частицы клапанного металла с уменьшенным содержанием кислорода, характеризуется электрической емкостью, лежащей в широком интервале значений. В одном из вариантов изобретения компонент, состоящий из второго порошка клапанного металла, содержащий частицы клапанного металла с уменьшенным содержанием кислорода, показывает электрическую емкость в интервале от около 40 до около 200 мкФВ/г.
2
В одном из вариантов изобретения компонент, состоящий из второго порошка клапанного металла, содержащий частицы клапанного металла с уменьшенным содержанием кислорода, показывает отношение кислород : площадь поверхности в интервале от около 0,25 до около 0,34 миллионной доли кислорода/см поверхности.
Преимущественно площадь поверхности частиц клапанного металла с уменьшенным содержанием кислорода в компоненте, состоящем из второго порошка клапанного металла, больше площади поверхности частиц клапанного металла в компоненте, состоящем из первого порошка клапанного металла. В одном из вариантов изобретения частицы клапанного металла с уменьшенным содержанием кислорода имеют площадь поверхности, которая более чем на около 50% превышает площадь поверхности частиц компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла. В другом варианте изобретения частицы клапанного металла с уменьшенным содержанием кислорода имеют площадь поверхности большую на в интервале от около 10 до около 100% или более, чем площадь поверхности частиц компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла.
Содержание кислорода в частицах клапанного металла с уменьшенным содержанием кислорода меньше, чем содержание кислорода в исходном порошке. Как правило, частицы клапанного металла с уменьшенным содержанием кислорода имеют содержание кислорода меньшее, чем содержание кислорода в компоненте, состоящем из первого порошка клапанного металла, на величину, лежащую в интервале от 10, 20, 30, 40% или более. В одном из вариантов изобретения в частицах клапанного металла с уменьшенным содержанием кислорода содержание кислорода меньше, чем содержание кислорода в компоненте, состоящем из первого порошка клапанного металла, на величину, лежащую выше на в интервале от около 30 до около 80%. В одном из вариантов изобретения частицы клапанного металла с уменьшенным содержанием кислорода отличаются однородным распределением частиц.
В одном из вариантов изобретения компонент, состоящий из второго порошка клапанного металла, содержит частицы клапанного металла с уменьшенным содержанием кислорода, отвечающие одному или нескольким из следующих условий: (i) площадь поверхности, как минимум, такая же или больше площади поверхности частиц компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, (ii) насыпная плотность больше насыпной плотности частиц компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, (iii) текучесть больше текучести частиц компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, (iv) средний диаметр частиц больше среднего диаметра частиц компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, в то же время наблюдается уменьшение площади поверхности по сравнению с площадью поверхности компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, в том случае, когда взаимодействие осуществляют при статических условиях.
В другом варианте изобретения в том случае, когда компонент, состоящий из первого порошка клапанного металла, имеет содержание кислорода выше чем около 1 вес.% или выше чем около 1,5 вес.%, компонент, состоящий из второго порошка клапанного металла, состоящий из частиц клапанного металла с уменьшенным содержанием кислорода, отвечает одному или нескольким из следующих условий: (i) площадь поверхности, как минимум, такая же или больше площади поверхности частиц компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, (ii) насыпная плотность больше насыпной плотности частиц компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, (iii) текучесть больше текучести частиц компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, и (iv) средний диаметр частиц больше среднего диаметра частиц компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла.
3
2
На практике применение способа согласно данному изобретению происходит в широком интервале условий. Например, в одном варианте изобретения способ осуществляют в атмосфере инертного газа, выбираемого из группы, включающей аргон, гелий или неон, таким образом, что поток инертного газа идет в том же направлении, что и подача компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, в реактор. Скорость потока инертного газа может варьироваться в широких пределах. В одном варианте изобретения скорость потока инертного газа составляет от около 0,05 до 5 стандартных кубических дюймов (см)/ч на один квадратный дюйм (см) сечения трубы. В одном из вариантов изобретения давление инертного газа в реакторе должно быть в интервале от около 1 до около 10 дюймов (от около 2,54 до около 25,4 см) водяного столба.
В предпочтительном варианте изобретения способ включает стадии (1) подачи в реактор, включающий трубу, имеющий горячую зону, с углом наклона в интервале от около 0,1 до около 10° по отношению к горизонтальной оси трубы, (а) компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, содержащего частицы клапанного металла, с содержанием кислорода более чем около 1 вес.% и (b) восстанавливающего компонента; и (2) вращения, ворошения и падения компонента первого порошка клапанного металла и восстанавливающего компонента при температуре, по крайней мере, около 670°С при непрерывных условиях, которые достаточны для одновременной (i) агломерации частиц компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, и (ii) уменьшения содержания кислорода в частицах компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла. Таким образом, в процессе образуется компонент, состоящий из второго порошка клапанного металла, содержащий частицы клапанного металла с уменьшенным содержанием кислорода, который обладает (i) площадью поверхности, как минимум, равной или большей площади поверхности частиц компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, (ii) насыпной плотностью, большей насыпной плотности частиц компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, и (iii) текучестью, большей текучести частиц компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, а восстанавливающий компонент выбирают из группы, включающей магниевые восстанавливающие компоненты, кальциевые восстанавливающие компоненты, алюминиевые восстанавливающие компоненты, литиевые восстанавливающие компоненты, бариевые восстанавливающие компоненты, стронциевые восстанавливающие компоненты и их смеси.
Порошки, полученные согласно данному изобретению, могут быть использованы для разных целей. В одном из вариантов изобретения порошки используют для изготовления конденсаторов. К таким конденсаторам относятся конденсаторы, включающие подвергнутый агломерации компонент, состоящий из второго порошка клапанного металла, в котором порошок получен способом, включающим стадии
(1) подачи в реактор, включающий трубу, имеющий горячую зону, с углом наклона в интервале от около 0,1 до около 10° по отношению к горизонтальной оси трубы, (а) компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, содержащего частицы клапанного металла, с содержанием кислорода более чем около 1 вес.% и (b) восстанавливающего компонента; и
(2) вращение, ворошение (беспорядочное движение) и падение компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, и восстанавливающего агента при температуре, по крайней мере, около 670°С при непрерывных условиях, которые достаточны для одновременной (i) агломерации частиц компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, и (ii) уменьшения содержания кислорода в частицах компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, с образованием, таким образом, компонента, состоящего из второго порошка клапанного металла, содержащего частицы клапанного металла с уменьшенным содержанием кислорода, который отличается (i) площадью поверхности, как минимум, равной или большей площади поверхности частиц компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, (ii) насыпной плотностью, большей насыпной плотности частиц компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла, и (iii) текучестью, большей текучести частиц компонента, состоящего из первого порошка клапанного металла; и восстанавливающий компонент выбирают из группы, включающей магниевые восстанавливающие компоненты, кальциевые восстанавливающие компоненты, алюминиевые восстанавливающие компоненты, литиевые восстанавливающие компоненты, бариевые восстанавливающие компоненты, стронциевые восстанавливающие компоненты и их смеси.
Способ может включать дополнительные стадии; так, в одном из вариантов изобретения способ также включает стадии сбора компонента, состоящего из второго порошка клапанного металла, в контейнер, охлаждения компонента, состоящего из второго порошка клапанного металла, до температуры окружающей среды и посредством этого подвергания охлажденного компонента, состоящего из второго порошка клапанного металла, пассивации или последовательной выдержке на воздухе, выгрузки компонента, состоящего из второго порошка клапанного металла, и выщелачивания компонента, состоящего из второго порошка клапанного металла, раствором минеральной кислоты.
Хотя данное изобретение детально описано со ссылками на некоторые предпочтительные его варианты, возможны также и другие варианты изобретения. Поэтому смысл и охват изобретения, приведенные в формуле изобретения, ни в коем случае не ограничиваются описаниями вариантов, приведенными в описании изобретения.