CN104849174B - 一种简易氢气中还原失重测定的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种简易的组合装置用来测定某些氧化物、氢氧化物、金属盐类等物质在H₂中发生还原反应时的质量损失与温度、时间在数量上的变化的关系。属于粉末冶金和其他有色金属还原工艺测定氧化还原中质量变化的测量仪器领域。其特征在于提供了一种由高精度电子天平、温度控制仪、加热炉等仪器经过特定组合后能简易地测定出物料在反应中质量变化和温度时间的关系曲线。从而用于指导粉末冶金工艺中煅烧，还原时温度的合理选择。该技术弥补了现有的测定氢中失重操作繁琐的缺点。该技术和装置工艺简单，操作简便，可靠性较高。

Description

一种简易氢气中还原失重测定的装置及方法

技术领域

本发明涉及一种测定氢中失重技术，属于金属粉末生产及其他有色金属还原工艺领域。特别是提供了一种简易的装置来测定反应中质量变化与温度时间的关系。

背景技术

在粉末冶金生产工艺中用H₂还原氧化粉体制取金属粉非常常见，该工艺已实施几十年，是一种常用的还原方法。所以定量描述在还原反应中的温度及还原速度就显得十分重要。目前，尽管有各式各样的测量氢中失重的方法及设备，但并不是在高温H₂气场中直接测量单一试样连续不断的质量损失，因为这些设备都会带来H₂泄漏和天平精度不稳定的问题。故现有的测试方法实际上均采用多个样品分别在不同的还原温度和还原时间下还原。经冷却出炉，分别间接测量样品质量。操作繁琐，费时费工，并且不能准确直接地反映物料在还原过程中的质量变化情况。这为实际操作和研究还原反应带来了极大的不便。本发明是通过炉体的特殊设计，将高精度电子天平、温度控制仪、加热炉等仪器经过特定组合后，构成了一台可以在H₂温度场中，用单一粉体试样直接测定出物料在还原反应中质量变化与温度时间关系曲线的装置。

发明内容

本发明的目的在于提供一种简易操作的测定技术，利用高精度电子天平、温度控制仪、加热炉等仪器经过特定组合后，能简易地测定出物料在H₂温度场中发生还原反应时质量变化和温度时间的关系曲线。

一种简易氢气中还原失重测定的装置，所述装置包括支架台、电子电平、石英炉管、加热炉及物料容器，所述电子天平及石英炉管固定在所述支架台上，所述电子天平通过金属支架连接一金属吊丝的一端，所述金属吊丝的另一端连接所述物料容器，所述物料容器置于所述石英炉管中，所述加热炉置于所述石英炉管周侧，并与所述物料容器位置相对应。

进一步地，所述石英炉管上、下两端均通过橡皮塞密封，所述上端的橡皮塞上侧设有一金属薄片，所述金属薄片中心设一直径为0.7mm的通孔，所述金属薄片3的厚度为0.3mm，所述上端的橡皮塞设有一长度L=10mm、直径为2mm并与所述通孔相配合的中心孔；所述金属吊丝依次贯穿所述通孔及中心孔；所述下端的橡皮塞设有一进气口。

进一步地，所述石英炉管边侧还设有一低阻力排气点火管。

进一步地，所述金属薄片及上端的橡皮塞构成高阻力排H₂气路系统，所述高阻力排H₂气路系统形成一高气阻截面积S1；所述低阻力排气点火管构成低阻力排H₂点火管系统，所述低阻力排H₂点火管系统形成一低气阻截面积S2, 所述S1及S2满足：S2/S1>30。

进一步地，所述金属薄片与橡皮塞之间涂有润滑油。

进一步地，所述加热炉通过热电偶丝连接一温度控制仪。

一种简易氢气中还原失重测定的方法，应用上述的简易氢气中还原失重测定的装置，在进行测定时，将物料装于透气的物料容器中，并将物料容器垂直置于石英炉管中，保持物料容器位于加热炉的加热区间，石英炉管两头用橡皮塞封闭，并记录电子天平的最初示数。从进气口通入H₂并于低阻力排气点火管点燃H₂，启动温度控制仪9的升温程序，开始记录不同时间，温度下对应的电子天平示数，直至天平示数趋于稳定至无变化时为止。

本发明提出了一种能简易地测定H₂中还原反应的物料质量变化与温度时间关系曲线的方法，其优点在于：

1、与传统测定氢中失重的方法相比，该测定方法简单易行，操作方便，可靠性较高，并且所有仪器均可在实验室组装操作。测量精度可达0.00001g。

2、该技术与测定方法不仅可以用于测定在H₂中的还原反应物料失重时质量变化与温度时间的关系，还能测定一系列其他气氛下有质量变化的热反应。例如：钨粉的碳化反应增重，铝粉的氮化反应增重等在质量上的数据参数。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明实施例1的质量—温度、时间曲线示意图；

图3为本发明实施例2的质量—温度、时间曲线示意图；

附图标号如下，1：金属支架 ， 2：金属吊丝 ，3：金属薄片 ， 4：橡皮塞 ， 5：低阻力排气点火管 ， 6：加热炉 （半开式）， 7：物料容器（透气） ， 8：高精度电子天平 ， 9：温度控制仪 ， 10：支架台 ， 11：热电偶丝 ， 12：石英炉管 ， 13：进气口。

具体实施方式

以往的H₂中还原失重测定是在氢气炉中用多个事先称好重量的试样分别在不同温度，不同时间内还原，然后经冷却出炉再用天平称重。最终确定还原温度，还原时间与物料失重的关系。本发明的难点在于：要用一个试样，而且在炉内，在温度不断变化的H₂气场中，连续不断地测量试样的质量变化。但实际情况是：天平和试样不可能同时放入高温区内。而在本测试方法中，试样的所有反应测定均在氢气还原炉内进行。在测定过程中既要防止H₂的大量泄漏而阻碍电子天平的测定精度，又要使金属吊丝在石英炉管中不受阻力地自由上下移动，从而保证电子天平的示数仅反映物料的质量变化，同时物料的反应条件不能被破坏。

为了解决些难点，本发明通过设计一套高阻力排H₂气路系统（由2,3,4组成），其中2为金属吊丝，直径为0.5mm，金属薄片3的厚度仅为0.3mm，薄片中心开一个直径为0.7mm的通孔，吊丝从中心穿过，形成为薄片小孔高气阻结构。薄片3与橡皮塞4之间涂有润滑油，两者可自由滑动。

橡皮塞4上方开一个长度L=10mm，直径为2mm的中心孔。此处又形成为一个毛细管高气阻结构（金属丝从其中穿过，可自由上下移动），上述两者高气阻结构组成高阻力排H₂气路系统，该系统可以阻止氢气沿着金属吊丝泄漏，同时又可以保证金属吊丝自由上下移动称重。

另一套低阻力排H₂气路的系统（由5组成）其中5为低阻力排气点火管，直径为4mm，允许H₂大流量通过，以降低整个炉膛内的H₂压力，从而使H₂安全排出点燃。由于H₂穿过橡皮塞中心孔和金属片通孔与吊丝之间的阻力远大于低阻力排H₂点火管系统，所以大部分H₂（约占98%体积分数）从点火管排出点燃。为保证此体积分数数据，实际按高气阻截面积S1与低气阻截面积S2之比S2/S1>30进行设计；所述S1为金属薄片通孔的面积减去所述金属吊丝的截面积，所述S2为低阻力排气点火管的截面积。

在进行测定时，将物料装于透气的物料容器7中，并将物料容器7垂直置于石英炉管12中，保持物料容器7位于加热炉6的加热区间，石英炉管12两头用橡皮塞封闭，并记录电子天平8的最初示数。从进气口13通入H₂并于点火口5点燃H₂，启动温度控制仪9的升温程序。开始记录不同时间，温度下对应的电子天平示数，直至天平示数趋于稳定至无变化时为止。

实施实例1：电镀行业产生的大量含Cu蚀刻废液，经NaOH沉淀得到的Cu（OH）₂再经煅烧得到CuO粉，用H₂还原CuO粉可得价格昂贵的超细纳米金属Cu粉。从而实现蚀刻废液的回收再利用，达到经济环保的目的。在确定CuO的还原温度时，可以采用该测定装置进行如下测定，以全面了解CuO的还原特征：

1、 称取一定质量(18.5克) 平均粒度为100nm的CuO粉末放入物料容器7中，塞紧橡皮塞4，打开电子天平8读取最初质量。

2、 通入一定流量（5L∕min）的H₂并点燃，设定温度控制仪9以10℃∕min的升温速度升温。CuO粉在H₂中在不同的还原温度和不同的H₂流量下均应按下列反应进行还原：

CuO + H₂ → Cu + H₂O↑

所述反应条件为加热；

CuO粉中的氧在不同升温速度和不同H₂流量的情况下将以不同的速度与H₂反应直接变成水蒸气而表现为不同速度的失重现象。

3、 连续地读取电子天平8的示数及其对应的温度和时间并记录，当电子天平示数趋于稳定至无变化时停止测量。

4、 以记录下的质量为纵坐标，温度、时间为横坐标做出质量—温度、时间曲线即可。如下图2所示：

由曲线可以看出：物料质量随着温度的升高不断减少，说明物料发生还原反应而失重。 当温度为525℃时质量失重明显，而600℃以后质量变换趋于平稳直至基本无变化，说明反应进行完全。由此可以确定将还原温度定在525℃左右较为合理。

上述实例仅反映出物料在某一升温速度，某一H₂流量和特定物料厚度下的还原曲线特征，该测试技术同样可以研究其余物料在不同升温速度，不同H₂流量，不同温度和物料厚度下的还原曲线特征。

实施实例2：电镀行业中的蚀刻废液经NaOH沉淀后，要经空气中煅烧得到CuO粉，其反应式如下：

Cu（OH）₂ → CuO + H₂O↑

所述反应条件为加热；

为了确定煅烧温度，可以采用该测定装置进行如下步骤测定：

1、称取一定质量（19克）的Cu（OH）₂ 粉末放入物料容器7中，塞紧橡皮塞4，打开电子天平8读取最初质量。

2、通入一定流量的压缩空气，设定温度控制仪9以10℃∕min的升温速度升温。

3、连续地读取电子天平8的示数及其对应的温度和时间并记录，当电子天平示数趋于稳定至无变化时停止测量。

4、以记录下的质量为纵坐标，温度、时间为横坐标做出质量—温度、时间曲线即可。如下图3所示：

由曲线可以看出：物料质量随着温度的升高不断减少，说明物料不断失水失重，400℃—500℃之间质量迅速减少，可以判定煅烧温度应在在500℃左右较合理。

Claims (5)

1.一种简易氢气中还原失重测定的装置，其特征在于，所述装置包括支架台、电子天平、石英炉管、加热炉及物料容器，所述电子天平及石英炉管固定在所述支架台上，所述电子天平通过金属支架连接一金属吊丝的一端，所述金属吊丝的另一端连接所述物料容器，所述物料容器置于所述石英炉管中，所述加热炉置于所述石英炉管周侧，并与所述物料容器位置相对应；

所述石英炉管上、下两端均通过橡皮塞密封，所述上端的橡皮塞上侧设有一金属薄片；所述石英炉管边侧还设有一低阻力排气点火管；

所述金属薄片及上端的橡皮塞构成高阻力排H₂气路系统，所述高阻力排H₂气路系统形成一高气阻截面积S1；所述低阻力排气点火管构成低阻力排H₂点火管系统，所述低阻力排H₂点火管系统形成一低气阻截面积S2,所述S1及S2满足：S2/S1>30；所述S1为金属薄片通孔的面积减去所述金属吊丝的截面积，所述S2为低阻力排气点火管的截面积。

2.根据权利要求1所述的简易氢气中还原失重测定的装置，其特征在于，所述金属薄片中心设一直径为0.7mm的通孔，所述金属薄片3的厚度为0.3mm，所述上端的橡皮塞设有一长度L＝10mm、直径为2mm并与所述通孔相配合的中心孔；所述金属吊丝依次贯穿所述通孔及中心孔；所述下端的橡皮塞设有一进气口。

3.根据权利要求2所述的简易氢气中还原失重测定的装置，其特征在于，所述金属薄片与橡皮塞之间涂有润滑油。

4.根据权利要求2所述的简易氢气中还原失重测定的装置，其特征在于，所述加热炉通过热电偶丝连接一温度控制仪。

5.一种简易氢气中还原失重测定的方法，应用上述权利要求2-4之一所述的简易氢气中还原失重测定的装置，其特征在于，在进行测定时，将物料装于透气的物料容器中，并将物料容器垂直置于石英炉管中，保持物料容器位于加热炉的加热区间，石英炉管两头用橡皮塞封闭，并记录电子天平的最初示数；从进气口通入H₂并于低阻力排气点火管点燃H₂，启动温度控制仪的升温程序，开始记录不同时间，温度下对应的电子天平示数，直至天平示数趋于稳定至无变化时为止。