CN103849829A - 一种锰氮合金的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种锰氮合金的制备方法，属于钢铁治金新材料领域，其特征在于：该方法是将电解锰粉不间断的螺旋输送置不锈钢密封回转窑反应器中，反方向通入氨气，并不断的转动，经氨气分解氮化而成，所得到的锰氮合金为粉末状，其中氮含量在15%以上，锰元素含量达84%以上，其它成分元素的含量总和小于0.2%。本发明方法过程稳定、原料易得、可连续生产，适合大批量产业化生产。

Description

一种锰氮合金的制备方法

技术领域

 本发明涉及一种锰氮合金的制备方法，属于钢铁治金新材料领域。

背景技术

锰有脱氧、脱硫、合金化等作用，能够消除或降低硫引起的热脆性，提高钢的热处理性能等作用。锰与铁形成固溶体，增加钢的强度和硬度。锰使钢形成稳定奥氏体的能力仅次于镍，大大提高钢的淬火性。而氮最初作为奥氏体的形成元素以取代部分昂贵的镍并改善材料的性能，作为合金化元素，氮能提高高氮钢、不锈钢、双相不锈钢、耐热钢等的强度、韧性、抗蠕变以及耐腐蚀性能特别是耐局部腐蚀，扩大奥氏体区细化晶粒，改善其加工性能，因此在冶炼特殊合金钢、高强度钢时往往需要同时加入锰和氮两种元素，但是由于氮在钢中溶解度低而难以加入，而单独加入锰时，锰容易氧化，利用率不高。以锰氮合金的形式加入利用率都得到提高，且由于锰和氮元素价格相对较低，因此锰氮合金是钢铁增氮的主要添加剂。尤其是高含氮锰氮合金更受青睐，具有明显高效、节能、环保、安全的特征，极具推广价值。

美国专利US2860080披露了一种制备氮化锰的方法，其在回转窑中用氮气气氛下连续生产氮化锰，最高反应温度不低于950℃。

美国专利US3389990披露了一种制备氮化锰的方法，其把金属锰或者含锰90%左右的锰铁磨成一定的粒径分布，以获得合适的产品表现密度。

以上两个过程，由于其氮化气氛中没有进行密封，氮化较低，加上金属锰表明容易形成一层锰氮化物，使得氮化反应难以进行、含有的少量的硫、磷、碳等杂质也难以除去，产品的氮含量较低。

中国专利CN1122727C披露了一种制备超纯净氮化锰的方法，其首先把锰原料进行纯化，然后装入密闭不锈钢容器中，再将该容器放入马弗炉中加热，然后降温，然后打开不锈钢容器。

中国专利CN1799991采用与上述专利类似的方法，先把原料放入料盘，然后再把料盘装入料筐，再装入炉缸，最后把炉缸装入电阻炉，加热电阻炉。在氮化的后期用氩气置换炉缸。

上述两个专利的缺点是固体物料和气体都不能连续进行反应器，单炉间隙生产，热量效率低和生产效率相对比较低。

湖南铁合金厂崔先云（铁合金，2001（1）：12-16）用回转法生产氮化锰，是将物料单批次加入一个回转反应器，生产过程中不能连续的进出固体物料，每一次生产反应器都经过升温—保温—降温的过程，同样具有单炉间隙的缺点，即热效率和生产效率都比较低。

中国专利CN1876870、吴庆定等在中国专利CN1803585（以及发表的文章：机械工程材料，2006.30（11）：33-35）中披露的制备氮化锰的方法，也是单炉间隙操作，并且需要在加热物料以前对反应器抽真空到压力低于几百pa以下，CN1803585在物料压块的时候加入水玻璃，CN1876870用锰硅合金作原料，这样不但设备成本和操作成本增加，而且当采用这样的氮化锰作为炼钢添加剂的时候，势必影响钢的Si含量。

黄加伍等（中国有色金属学报，2006，16（4）；675-679）以及中国专利CN1775663用微波加热反应器制造氮化锰。该过程有两个不足之处，一是受微波穿透能力的限制，在立式反应器中反应器直径不能做的太大，二是受微波炉本身技术的限制，微波反应器还不成熟，不能用作大规模的工业化生产设备。

中国申请（专利）：CN101172586A，冯良荣披露了一种制备氮化锰的方法，其原料为含锰原料如：金属锰、二氧化锰、氧化锰或以上物质的混合物，所述含氮气氛为氨气、羟胺、肼、有机胺类、乙腈、尿素、三聚氰胺、氯化铵等气态、液态或者固态含氮物质在0.01-10Mpa绝对大力含氮和还原性氢气氛中所述的反应器是电阻炉或工业感应炉于350-1200℃连续通过氮化而得氮化锰氮含量在3%到25%之间Mn元素含量大于50%。

中国专利：CN101082088A王国宁披露了一种高纯高氮氮化金属锰的新生产工艺，其将原料粉碎60目放入高真空电阻炉中，抽真空充入纯氮气进行烧结而得，氮含量可达8%-10%。

上述二个专利的理论性存在，实际操作性不强，少批量生产也许可行，但工业化生产根本无法进行。

蒋汉祥（重庆大学学报，2004，27（5）；70-73；重庆大学学报，20001，24（4）：103-105）等在实验室利用管式炉对制备氮化锰的工艺进行研究，过程中将金属锰原料装入石英舟中，然后放入管式炉内加热。这样的过程只是小规模（g数量级）间歇式研究性质的制备过程。

张金柱等（铁合金，2004（3）：9-12）对金属锰的氧化动力学进行了研究，该文没有涉及到生产工艺的问题。

另外尚有许多研究性的工作，主要采用等离子植入法（Vempaire,D.,etc,.PhysicaA:Statistical Mechanics and Its Applications,358(1),136-141、分子束外延生长法（Ham,Moom-Ho;etc,.Solid State Communications,Volume Date 2006,137(1-2),11-15）在Al2O3、MgO等基体上生长氮化锰和氮化锰镓薄膜，对这些薄膜的磁性质进行研究。

综上所述，现有制备方法中，无一能生产含氮量在15%以上的工艺技术，也没有适用大规模的连续生产锰氮合金的。

发明内容

本发明需要解决技术问题是提供一种锰氮合金的制备方法，该方法过程稳定、原料易得、可连续生产，适合大批量产业化生产。

本发明所要解决的技术问题采用以下技术方案来实现：

一种锰氮合金的制备方法，其特征在于：以电解锰粉为原料，氨气为反应介质，其制备步骤如下：

步骤1、反应器的控制

打开不锈钢密封回转窑反应器，并对不锈钢密封回转窑反应器上中温区升温到550℃，高温区进行升温1000℃；

步骤2、将原料电解锰粉以每小时100Kg投入螺旋输送机贮料箱内，通过螺旋输送机并以不间断的方式送入不锈钢密封回转窑反应器内；

步骤3、氨气的通入

将液氨贮罐阀打开，液氨进入氨汽化器中，启动温水阀，氨气依次进入自动控制阀、控板流量计、氨气自动报警切断器并以不间断的方式反方向通入不锈钢密封回转窑反应器内，并控制不锈钢密封回转窑反应器内的气压0.05~0.15Mpa之间，同时开启排气阀，并启动焚烧炉；

步骤4、氮化反应

当步骤3中的氨气进入不锈钢密封回转窑反应器内遇高温分解成氢气和氨气，氢气体积较大，能迅速充满整个不锈钢密封回转窑反应器，氨气则迅速与电解锰粉发生氮化反应，并生成高含氮锰氮合金，而多余的氢气则经不锈钢密封回转窑反应器排气口排入氢气焚烧炉内进行焚烧；

步骤5、将氮化反应后得到的高含氮锰氮合金旋转移动到不锈钢密封回转窑反应器尾端整个过程需停留5h，氨气的绝对压力为0.1Mpa，然后进行＜100℃冷却降温后，经密封出料器排出不锈钢密封回转窑反应器进入成品箱，最后得到粉末状的锰氮合金。

所述原料电解锰粉选用100~150目，Mu含量≥99.50~99.80%、S：0.05%、C：0.08%、P：0.005%。

所述不锈钢密封回转窑反应器上中温区和高温区进行升温温度为550℃和1000℃。

本发明的有益效果是：

1、本工艺生产的锰氮合金中的氮气含量可达15%以上，远远高于现有其它生产工艺的氮含量；

2、除锰元素外，所有其他成分的含量总和小于0.2%，其它杂质含量如：S：<0.005%，C：<0. 05%，P：<0.005%；

3、本发明以电解锰粉作为原料，氨气作为反应介质，整个反应过程都是在不锈钢密封回转窑反应器内完成，从而达到成本低、能耗低、工艺简便、生产安全、自动化程度高、无三废、收率高和经济效益好；

4、本发明工艺采用连续化进出固体料和气态料的生产方法，从而能提高产品质量的稳定性；

5、本发明的产品为粉末状，可多种用途，也可制成包芯线。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。

一种锰氮合金的制备方法，以电解锰粉为原料，氨气为反应介质，其制备步骤如下：

①反应器的控制

打开不锈钢密封回转窑反应器，并对不锈钢密封回转窑反应器上中温区升温到550℃，高温区进行升温1000℃；

②将原料电解锰粉以每小时100Kg投入螺旋输送机贮料箱内，通过螺旋输送机并以不间断的方式送入不锈钢密封回转窑反应器内；

③氨气的通入

将液氨贮罐阀打开，液氨进入氨汽化器中，启动温水阀，氨气依次进入自动控制阀、控板流量计、氨气自动报警切断器并以不间断的方式反方向通入不锈钢密封回转窑反应器内，并控制不锈钢密封回转窑反应器内的气压0.05~0.15Mpa之间，同时开启排气阀，并启动焚烧炉；

④氮化反应

当③中的氨气进入不锈钢密封回转窑反应器内遇高温分解成氢气和氨气，氢气体积较大，能迅速充满整个不锈钢密封回转窑反应器，氨气则迅速与电解锰粉发生氮化反应，并生成高含氮锰氮合金，而多余的氢气则经不锈钢密封回转窑反应器排气口排入氢气焚烧炉内进行焚烧；

⑤将氮化反应后得到的高含氮锰氮合金旋转移动到不锈钢密封回转窑反应器尾端整个过程需停留5h，氨气的绝对压力为0.1Mpa，然后进行＜100℃冷却降温后，经密封出料器排出不锈钢密封回转窑反应器进入成品箱，最后得到粉末状的锰氮合金。

原料电解锰粉选用100~150目，Mu含量≥99.50~99.80%、S：0.05%、C：0.08%、P：0.005%。

所得的产品经分析后，得到粉末状的锰氮合金，其中元素含量如下表：

元素	Mn	N	S	C	P
						含量（%）	84．17	15． 31	0．004	0．06	0．003

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (2)

1.一种锰氮合金的制备方法，其特征在于：以电解锰粉为原料，氨气为反应介质，其制备步骤如下：

a、反应器的控制

打开不锈钢密封回转窑反应器，并对不锈钢密封回转窑反应器上中温区升温到550℃，高温区进行升温1000℃；

b、将原料电解锰粉以每小时100Kg投入螺旋输送机贮料箱内，通过螺旋输送机并以不间断的方式送入不锈钢密封回转窑反应器内；

c、氨气的通入

将液氨贮罐阀打开，液氨进入氨汽化器中，启动温水阀，氨气依次进入自动控制阀、控板流量计、氨气自动报警切断器并以不间断的方式反方向通入不锈钢密封回转窑反应器内，并控制不锈钢密封回转窑反应器内的气压0.05~0.15Mpa之间，同时开启排气阀，并启动焚烧炉；

d、氮化反应

当c中的氨气进入不锈钢密封回转窑反应器内遇高温分解成氢气和氨气，氢气体积较大，能迅速充满整个不锈钢密封回转窑反应器，氨气则迅速与电解锰粉发生氮化反应，并生成高含氮锰氮合金，而多余的氢气则经不锈钢密封回转窑反应器排气口排入氢气焚烧炉内进行焚烧；

e、将氮化反应后得到的高含氮锰氮合金旋转移动到不锈钢密封回转窑反应器尾端整个过程需停留5h，氨气的绝对压力为0.1Mpa，然后进行＜100℃冷却降温后，经密封出料器排出不锈钢密封回转窑反应器进入成品箱，最后得到粉末状的锰氮合金。

2.根据权利要求1所述一种锰氮合金的制备方法，其特征在于：所述原料电解锰粉选用100~150目，Mu含量≥99.50~99.80%、S：0.05%、C：0.08%、P：0.005%。