CN102794456B - 一种制备超细铁粉的流化床反应器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种制备超细铁粉的流化床反应器。所述反应器包括气体分布板(3)、圆柱段(5)、圆台段(6)、扩大段(7)，该反应器还包括一搅拌器(8)和至少一个水平挡板(11)；所述水平挡板(11)设置于反应器的圆柱段(5)内，水平挡板(11)中心设有孔洞；所述的搅拌器(8)设置于反应器的中心轴线上，该搅拌器(8)上的搅拌轴穿过水平挡板(11)中心孔洞延伸至圆柱段(5)底部，在搅拌轴上设有至少一组搅拌叶(10)，位于水平挡板(11)与气体分布板(3)所形成的空间内。通过本发明的改进避免还原过程聚团因粘结长大而导致的“失流”问题，采用本发明制备的超细铁粉具有非常优异的烧结活性。

Description

一种制备超细铁粉的流化床反应器

技术领域

本发明涉及化工冶金领域，具体地，本发明涉及一种制备超细铁粉的流化床反应器。

背景技术

超细铁粉因颗粒粒径小，比表面积大，活性高，在高性能粉末冶金、废水处理、电磁屏蔽、生物医药以及催化等高技术领域需求越来越大，尤其是在硬质合金刀具应用领域，需要烧结性能优异的铁粉。然而传统的赫格纳斯法、雾化等方法难以生产出超细铁粉，亟需发展适用于工业化规模的超细铁粉生产工艺。

人们一直在寻求超细铁粉的生产方法，目前可用于制备超细还原铁粉的方法主要包括：

(1)液相法：主要采用铁的可溶性盐，以NaHB₄或NaHB₄等还原性物质在液相中直接还原为金属铁颗粒。

(2)气相法：一般以FeCl₂等铁盐在高温下蒸发，采用H₂还原制备超细铁粉。

(3)羰基法：以羰基铁为原料，采用热分解或者激光辅助热分解制备超细铁粉，如中国发明专利94112441.x所披露的方法。

(4)等离子法：利用等离子体轰击纯铁工件，等离子体的高温使铁蒸发，在冷端冷凝可收集到超细铁粉，如粉末冶金技术杂志在1997年第3期第199页所报道的技术。

(5)高能球磨-还原法：采用具有加热功能的球磨机，先将氧化铁球磨至10微米以下，再将球磨机内温度升至200～400℃，并通入H₂等还原性气体对球磨过的氧化铁粉进行还原，可得到超细铁粉，如中国发明专利20071006362.2所披露的技术。

上述方法可制备超细铁粉，但都不适合大规模生产超细铁粉。流化床可高效连续地还原粉状铁矿制备直接还原铁，如FINMET，FINEX，Circored等工艺技术年生产直接还原铁最高达到170万吨。然而，这些技术只适合处理粒度粒度大于0.1mm铁矿粉，这主要因为流化床还原氧化铁至金属铁过程中会因金属铁而导致“失流”，即还原至金属铁含量一定时粉体因粘结而失去流化能力。从上世纪五六十年代开始，国内外对铁矿流态化还原过程的失流进行了很多研究，发现失流与铁矿的组成、粒度、还原温度、还原气氛、金属化率等多种因素有关，定性的结论是：铁矿的“熔点”越低、粒度越小、金属化率越高、温度越高就越容易失流。根据实验结果归纳总结提出了包括颗粒间的附着(adhesive)、烧结(sintering)、结块(caking)、晶须生长(whisker)等失流机理，在此基础上也发展了一些防止失流的方法，比如：析炭或渗炭、添加惰性物质、采用粗粒级铁矿等。尽管取得了一些进展，但人们对氧化铁流态化还原过程的失流规律尚未认识清楚，而且已认识的规律基本都是基于“粗”粒级氧化铁还原实验现象的总结，并不完全适用于超细氧化铁流态化还原过程，比如早期的研究者认为在低于600℃还原氧化铁时(见Canadian Metallurgical Quarterly，1974，13[4]：649-657)，不会发生失流。但申请人进行超细氧化铁粉的流态化还原过程发现，即使是在400℃的低温下，随着还原的进行失流也会发生，表现出了与粗颗粒氧化铁不同的失流机理。因此，现有防止失流的方法也不适用于超细氧化铁流态化还原过程。

本发明正是针对现有技术的上述问题，提出一种可解决超细氧化铁粉还原过程“失流”的流化床反应器。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种制备超细铁粉的流化床反应器。

本发明的制备超细铁粉的流化床反应器包括气体分布板3、圆柱段5、圆台段6、扩大段7，该反应器还包括一搅拌器8和至少一个水平挡板11；

所述水平挡板11设置于反应器的圆柱段5内，在水平挡板11中心设有孔洞；

所述的搅拌器8设置于反应器的中心轴线上，该搅拌器8上的搅拌轴穿过水平挡板11中心孔洞延伸至圆柱段5底部，在搅拌轴上设有至少一组搅拌叶10，该组搅拌叶位于水平挡板11与气体分布板3所形成的空间内。采用搅拌与水平挡板11相结合的方式，破碎超细三氧化二铁粉还原至金属铁过程因粘结而产生的大聚团，避免粘结聚团异常长大而导致“失流”现象。搅拌与水平挡板组合形成搅拌-水平挡板流化床反应器用于三氧化二铁还原制备超细铁粉。

所述的流化床反应器由2～5层水平挡板11均匀的安装在所述的流化床反应器的圆柱段5内，水平挡板11的间距等于所述的流化床反应器内径。所述的水平挡板11中心有圆形的孔，用于搅拌桨的搅拌轴穿过，所述的搅拌叶10的数目为两组以上，均匀的分布于水平挡板11之间或水平挡板11与气体分布板3所形成的空间内。

所述的流化床反应器的扩大段7直径为其圆柱段直径的2～5倍。

所述的流化床反应器的圆台段6，其特征是圆台的曲线与水平方向的夹角大于70度。

所述的水平挡板为开有孔径为8～12mm圆孔的多孔板，多孔版除中心孔外的开孔率在10～15％之间。

在本发明中，所述反应器还包括旋风分离器12和循环料阀13，所述流化床反应器气体经旋风分离器12收集气体中夹带的细粉，收集的粉体从所述的旋风分离器12下部排出经循环料阀13返回所述的流化床反应器的下部。

所述的流化床反应器，其工作温度在450～600℃，远低于常规流化床还原铁矿温度(800-950℃)，当温度低于450℃时，三氧化二铁还原速度太慢；而当温度超过600℃时，三氧化二铁还原生成的金属铁易烧结。

所述的流化床反应器，其特征是通过水平挡板和搅拌的共同作用来防止超细三氧化二铁还原过程中的失流，单独采用水平挡板或者单独采用搅拌都无法完全解决还原过程的失流问题。虽然在其他领域中也有在流化床反应器内设置挡板和搅拌装置研究及应用，但其目的与本发明解决超细氧化铁粉还原过程失流是完全不同。其他应用领域，流化床中水平挡板主要用于：(1)破碎流化床中的气泡，提高气固接触效率；(2)阻止上层物料返回到下层，减少物料的返混，改善物料的停留时间分布。搅拌最早于1955年由Reed等引入气固流化床中(Industrial and Engineering Chemistry，1955，47[2]：275-282.)，其后搅拌被用在物料干燥、供料、造粒等物理过程的流态化处理，主要用于改善物料的流化状态，增强传热传质效果，至今还没有采用挡板或搅拌解决超细氧化铁粉流态化还原过程失流的报道。本申请采用挡板与搅拌相结合的目的与现有挡板或搅拌在流化床中的应用截然不同，本发明的目的是通过挡板与搅拌相结合来破碎超细氧化铁粉还原过程中因金属铁出现而导致的聚团，通过与搅拌桨的碰撞被破碎为小尺寸聚团，这些小尺寸聚团被流化气体及搅拌桨搅起后进一步与水平挡板发生碰撞，被破碎为1mm以下的更小尺寸聚团，从而避免还原过程聚团因粘结长大而导致的“失流”的发生。

采用本发明提出的流化床反应器，可解决超细氧化铁粉还原过程的失流问题，获得满意效果，如对于平均粒径0.23微米的超细氧化铁粉，采用传统流化床还原时，550℃下、达到金属化率20％左右时即出现了失流；单独采用挡板时，550℃下失流时的金属化率可提高至40％左右；单独采用搅拌时，550℃下可将失流时的金属化率可提高至70％左右；而采用本发明提出的水平挡板和搅拌相结合的流化床反应器，可制备获得金属化率超过90％的超细直接还原铁粉。

附图说明

图1为本发明采用3层水平挡板及3层搅拌桨时流化床反应器的示意图；

图2为采用本发明的方法500℃下经过60分钟的还原制备得到的还原铁粉的SEM图；

图3为采用本发明的方法500℃下经过30分钟的还原制备得到的还原铁粉的SEM图；

图4为采用本发明制备的还原铁粉与市售铁粉的烧结对比曲线。

附图标识

1、进气口       2、风斗       3、气体分布板

4、进料口       5、圆柱段     6、圆台段

7、扩大段       8、搅拌器     9、返料口

10、搅拌叶      11、水平挡板  12、旋风分离器

13、循环料阀    14、出气口    15、出料口

具体实施方式

下面结合附图以三层挡板为例对本发明的流化床反应器作进一步说明。

如附图1所示，所述的流化床反应器有进气口1、风斗2、气体分布板3、圆柱段5、圆台段6、扩大段7、进料口4、返料口9、旋风分离器12、循环料阀13、水平挡板11、搅拌器8、搅拌叶10、出气口14和出料口15组成。在风斗2的下部设有进气口1，用于通入还原反应所需气体。在圆柱段5下部分别设有进料口4和返料口9，在圆柱段5底部设有气体分布板3，圆柱段5上段设有出料口5，在圆柱段5内部设有水平挡板11。圆柱段5上部与圆台段6下部相连接，圆台段6上部与扩大段7下部相连接。扩大段7上表面中心固定有搅拌器8，搅拌器8通过一根轴向下延伸至圆柱段5下部，搅拌器8的轴向接有三层搅拌叶10，最底层桨叶位于最底层水平挡板11与气体分布板3中间，其他层桨叶位于相邻两层水平挡板11中间。扩大段7上部有与旋风分离器12相连接的管道，还原后的气体进此管道进入旋风分离器12。旋风分离器12上部设有出气口14，下部设有出料。气体经旋风分离器12后由上部出气口14排出，收集的粉体经循环料阀13及其与返料口9相连的管道返回流化床反应器圆柱段5。

在本发明中所述的搅拌器8设置于扩大段7上表面的中心处，通过一搅拌轴延伸至圆柱段5底部，在搅拌轴上设有至少一层搅拌叶10，该搅拌叶10位于水平挡板11之间或水平挡板11与气体分布板3所形成的空间内，采用搅拌与水平挡板相结合的方式，破碎超细三氧化二铁粉还原至金属铁过程因粘结而产生的大聚团，避免粘结聚团异常长大而导致“失流”现象。搅拌与水平挡板组合形成搅拌-水平挡板流化床反应器用于三氧化二铁还原制备超细铁粉。

上述流化床器均由304不锈钢制成，可在450～600℃之间使用。

以平均0.23μm的超细氧化铁粉直接还原为例，采用本发明所述流化床反应器，若67％H₂+33N₂为还原气体，500℃下经过60分钟的还原，所得产品的金属化率达到91％，产品新貌如图2所示；550℃下经过30分钟的还原，产品金属化率达到95％，产品形貌如图3所示。由图2及图3可见，采用本发明制备得到的还原铁粉，平均粒径在0.2微米左右，与原始粉体--平均粒径为0.23微米的超细氧化铁粉基本一样，。采用本发明制备的亚微米直接还原铁粉具有非常优异的烧结性能，图4是采用本发明制备的还原铁粉与市售铁粉的烧结对比曲线，可见以10℃/分钟的速率升温，本发明制备的铁粉从500℃即开始出现明显的烧结(收缩)，600℃开始即出现了快速的烧结，至900℃时烧结基本完成(烧结曲线上停止收缩)，而商用市售铁粉从900℃时才有轻微收缩，但至1000℃时总体收缩仅0.5％，实际上还未开始快速烧结。图4充分显示了本发明制备还原铁粉的优越性。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种制备超细铁粉的流化床反应器，所述反应器包括气体分布板(3)、圆柱段(5)、圆台段(6)、扩大段(7)，其特征在于，该反应器还包括一搅拌器(8)和至少一个水平挡板(11)；

所述水平挡板(11)设置于反应器的圆柱段(5)内，水平挡板(11)中心设有孔洞；

所述的搅拌器(8)设置于反应器的中心轴线上，该搅拌器(8)上的搅拌轴穿过水平挡板(11)中心孔洞延伸至圆柱段(5)底部，在搅拌轴上设有至少一组搅拌叶(10)，该组搅拌叶(10)位于水平挡板(11)与气体分布板(3)所形成的空间内；

所述水平挡板(11)上开有孔径为8～12mm圆孔，其开孔率为10～15％。

2.根据权利要求1所述的制备超细铁粉的流化床反应器，其特征在于，所述水平挡板(11)的数目为2～5组，均匀设置于反应器的圆柱段(5)内。

3.根据权利要求1所述的制备超细铁粉的流化床反应器，其特征在于，所述搅拌叶(10)为两组以上，均匀的层叠设置于水平挡板(11)之间或水平挡板(11)与气体分布板(3)所形成的空间内。

4.根据权利要求1所述的制备超细铁粉的流化床反应器，其特征在于，所述扩大段(7)直径是圆柱段(5)直径的2～5倍。

5.根据权利要求1所述的制备超细铁粉的流化床反应器，其特征在于，所述圆台段(6)圆台母线与水平方向的夹角大于70°。