CN110773749A - 一种快速直接还原制备超细铁粉的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及粉末冶金技术领域，包括：步骤1、将超纯铁精矿粉进行粉碎与分级得到超纯铁精矿粉；步骤2、将超纯铁精矿粉用特殊设计的钢带还原炉进行还原以制备超细铁粉；步骤3、在还原的过程中利用特殊设计的钢带式还原炉中特殊的搅拌装置，对原料粉进行搅拌；步骤4、将还原后的有结块的超细铁粉用氮气保护的粉碎装置进行打散处理，得到超细铁粉成品。本工艺采用的原材料量大价廉，方法简单、节能、环保，并可以连续化、大批量生产超细铁粉；本发明在钢带式还原炉中设置了可以对原料粉末进行搅拌的装置，可以极大的促进原料粉末与还原气氛的充分接触，可以提高还原效率，加快还原速度，缩短还原时间，使得制备成本大幅度降低，具有工业价值。

Description

一种快速直接还原制备超细铁粉的方法

技术领域

本发明涉及粉末冶金技术领域，尤其涉及一种快速直接还原制备超细铁粉的方法工艺及设备改进。

背景技术

铁粉是粉末冶金工业中重要的原材料，广泛应用于汽车、家电、冶金、化工等领域，是粉末冶金机械零件的主要成分。超细铁粉一般指平均粒度小于10μm的细铁粉，与普通铁粉（-200目）相比，由于其粒度小，冷压性能好，可以大幅度提高冷压坯的成型性；具有很高的活性，可以显著降低烧结温度，提高烧结产品的致密度，从而提高产品的强度和硬度。随着粉末冶金制品向高致密度、高强度、形状复杂等方向发展，超细铁粉作为添加剂可以提高普通铁粉制品的性能，其用量越来越多。

制备超细铁粉的方法有很多，如还原法，微乳液法，真空蒸发法等，但是目前能规模化生产，并且其产品在工业上大量应用的生产方法只有如下两种：

（1）液相沉淀+还原法，即首先铁盐溶液，如FeCl₂或者是FeSO₄溶液在一定的温度和PH值下与草酸进行反应，生产草酸亚铁（FeC₂O₄·2H₂O）作为前驱体，然后经过净化和过滤，得到纯净的草酸亚铁，再利用H₂等还原性气体在一定的条件下对草酸亚铁前驱体进行还原得到超细铁粉，该方法有可能进行大规模的超细铁粉生产，但工艺过程较长，成本较高，而且生产过程中涉及到大量的酸和碱，及洗涤过程对环境的影响较大。

（2）羰基法，羰基铁粉的制取方法一般首先将铁粉和CO在一定的温度和压力下合成为Fe(CO)₅，再将Fe(CO)₅在一定温度下直接分解制取超细铁粉；但由于羰基法系统成本较高，且Fe(CO)₅和原料CO均为有毒易爆物质，整个工艺流程的操作复杂，这些阻碍了羰基法的应用普及。

一般利用还原法来生产超细铁粉都采用推舟炉或者是钢带炉来进行还原。这中方法的优点是设备成熟，自动化程度高，缺点是物料是推舟炉或者钢带炉中进行还原，其中原料在还原的过程中是相对静止的，与还原气氛的接触不充分，随着原料料层的增厚，还原气体渗透到底部粉料需要时间，而且料层中下部粉粉料的还原气氛不利于还原过程的进行。这些原因均导致推舟炉或钢带炉的还原过程较慢，还原所需要的时间较长，从而导致产量较低，产品的成本较高。

为了加快还原速度，提高产量，降低成本，有很多专利提出了各种不同的方法，如发明专利号为ZL201710407863.4的专利中叙述了利用推舟炉进行超细铁粉的生产方法，该方法中为了提高超细铁粉的产量，主要采取了两种措施，一是为了提高还原速度先将原料进行氧化，即将原料Fe3O4氧化成Fe2O3，主要是因为Fe2O3比Fe3O4更易于还原；第二是采用了双层舟，这样较普通的还原方法的产量基本可以提高一倍。从该专利可以看出，利用直接还原的方法生产超细铁粉的一个核心问题是还原速度慢，从而导致超细铁粉的产量低，所以提高超细铁粉的产量是该生产方法的主要问题。

另外有很多专利为了使原料与还原气氛的充分接触，以加快还原过程而用各种方法将粉料搅拌起来，如申请号为201110065044.9的专利公开了利用球磨的方法将Fe₂O₃粉末球磨至微米级，球磨时间在7~48h，干燥后通氢气，在280~360℃的温度下经5~20min的还原，得到超细铁粉；而申请号为200710063632.2的专利，首先用球磨机对氧化铁进行球磨，待氧化铁的粒度达到≤10微米后，将球磨机内温度升至200~400℃，并通入还原性气体（如H₂或者CO）进行还原，从而生成超细铁粉。

另外有采用流化态法的，如申请号为201210219328.3的专利公开了利用流化态法来进行超细铁粉的生产方法：使用钢铁厂回收提纯的铁红作为原料，经加料装置从流化床上部输送给流化床，供气装置从流化床底部通入还原气和保护气，气体经流化床内的气体分布板后使原料流化，同时搅拌装置通过流化床内的桨叶转动改善原料的流化状态，增强气固接触，提高反应效率；加热装置使流化床内温度达到还原温度，之后，流化床内开始还原反应，Fe₂O₃被还原成Fe；但流化床法生产铁粉时容易产生“失流”问题，即还原至金属铁含量一定时粉体因粘结而失去流化能力。国内外也对铁矿粉流化还原过程中的失流现象进行了很多的研究，而申请号201110136868.0的专利公开了解决流化床法生产超细铁粉中的失流问题，即在流化床反应器中加入带有中心孔的水平挡板，来解决流化法生产超细铁粉中的失流现象。

申请号为201110177077.2的专利，公布了一种采用旋转筒体来对氧化铁进行还原生产超细铁粉的方法，即仿照回转窑的生产模式，目的也是促进粉料与还原气氛的充分接触，加快还原过程的进行；该装置与回转窑不同的是采用筒体外加热，以方便控制筒体内的还原气氛。但是对氧化物的还原需要很强的还原气氛，即筒体内的H2或者是CO等还原气体的含量很高，这使得装置的密封性要很好，否则如果还原气体外泄或者是空气进入筒体内都会产生很大的安全隐患。

以上这些专利技术在实际生产实施中会有很多问题，主要是因为这些设备还不是成熟的生产设备。

综上所述，虽然目前已经研究出了很多制备超细铁粉的方法，但这些方法还不能实现大规模、低成本的制备微米级的超细铁粉。

发明内容

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种快速直接还原制备超细铁粉的方法，用以解决现有技术中无法满足大规模、低成本制备粉末冶金工业用超细铁粉的问题。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种快速直接还原制备超细铁粉的方法，主要包括以下步骤：

步骤1、将超纯铁精矿粉进行粉碎与分级，得到粉碎和分级后的超纯铁精矿粉；

步骤2、对粉碎和分级后的超纯铁精矿粉利用特殊设计的钢带炉进行还原生产超细铁粉；

步骤3、特殊设计的钢带炉炉管内顶部设计有固定齿，以实现对还原炉内原料粉末一定程度的搅拌作用，目的是通过搅拌使得原料在炉内与还原气氛充分接触，以加快还原速度，缩短还原时间，提高超细铁粉的产量；

步骤4、还原结束，利用具有氮气保护的机械粉碎装置对还原后有结块的超细铁粉进行打散处理，以得到粉碎状态良好的超细铁粉成品。

本发明采用超纯铁精矿粉为原料，这种原料来源广泛，价格低廉，而且由于这种超纯铁精矿粉主要成分Fe₃O₄的含量可以达到99%及以上，其性硬脆，易于粉碎成较细的颗粒，在粉碎过程中不担心被氧化，粉碎过程易于进行；

进一步的，所述步骤1中，对超纯铁精矿粉的粉碎方法是气流粉碎或机械式粉碎，所述机械式粉碎包括辊压磨、振动磨或球磨。

进一步的，所述步骤1中，所述超纯铁精矿粉粉碎和分级后的粒径为1μm~30μm。

进一步的，所述步骤2中，将粉碎和分级后的超纯铁精矿粉放入特殊设计的钢带炉中进行还原生产超细铁粉。

进一步的，所述步骤3中，在特殊设计的钢带式还原炉中通入H₂或CO还原原料粉末，所述H₂或CO流动的方向与所述原料粉末运行的方向相反。

进一步的，所述步骤3中，还原温度在600℃~850℃之间，还原时间范围是1~2h。

进一步的，所述步骤3中，特殊设计的钢带炉是指在普通的钢带炉炉管顶部加入了按一定规则排列的固定齿，以起到在还原过程中对原来的搅动作用，目的是使得原料在还原的过程中与还原气体充分接触，并改善还原过程微观气氛，以加快还原过程的进行，提高还原速度，从而提高超细铁粉的生产效率。

本发明有益效果如下：

通过对常用钢带式还原炉进行特殊设计的改进，大大的加快了超细铁粉还原生产过程，增加了超细铁粉的生产率，降低了超细铁粉生产成本，有益于超细铁粉的工业化生产。

附图说明

图1为实施例1超细铁粉的SEM形貌照片

图2为实施例2的超细铁粉SEM形貌照片

图3为实施例3的超细铁粉SEM形貌照片

图4为搅动翻料装置图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理。

实施例1

步骤1、将超纯铁精矿粉倒入气流粉碎分级机进行超纯铁精矿粉的气流粉碎和分级，通过调整气流粉碎和分级工艺参数的来控制粉碎分级后超纯铁精矿粉的粒度，其中，本实施例中气流粉碎和分级的具体参数为：粉碎机压缩空气流量为10 m³/min，分级机叶轮转速为3 000 r/min，使用上述参数所粉碎和分级后的超纯铁精矿粉的平均粒径为4.6μm；

步骤2、将粉碎和分级后的超纯铁精矿粉放入普通的实验钢带炉中进行还原，料层厚度是10mm，还原温度为800℃，还原时间为3h。还原后的超细铁粉SEM照片和成分如图1和表1所示。

表1还原铁粉的成分分析结果

TFe（全铁）	AIC（酸不溶物）	O（氧含量）
			98.60	0.18	0.55

实施例2

步骤1、与实施例1的步骤1相同；

步骤2、将步骤1中的原料放入特殊设计的改进后的钢带炉中进行来还原，该钢带炉的加热段顶部设计有规则排列的固定齿，以起到对原料的搅拌作用。

还原温度与实施例1相同为800℃，料层厚度与实施例1相同为10mm，还原时间缩短为2h，得到的超细铁粉的形貌和成分分析结果如图2及表2所示，可见通过特殊设计的固定齿可以大幅度的缩短还原时间，时间缩短超过30%以上。

表2还原铁粉的成分分析结果

实施例3

步骤1、与实施例1的步骤1相同；

步骤2、将步骤1中的原料放入特殊设计的改进后的钢带炉中进行来还原，该钢带炉的加热段顶部设计有规则排列的固定齿，以起到对原料的搅拌作用。

还原温度与实施例1相同为800℃，还原时间实施例1相同为3h，料层厚度增加为15mm，得到的超细铁粉的形貌和成分分析结果如图3及表3所示，可见通过特殊设计的固定齿在增加料层厚度方面更有优势，对于普通的钢带炉，通过增加固定齿设计，可以使超细铁粉的产量提高50%左右。

表3还原铁粉的成分分析结果

综上所述，本发明提供了一种快速直接还原制备超细铁粉的方法，主要是通过对现有的钢带炉进行了特殊设计的改进，即在加热段炉内顶部加入的规则排列的固定齿，以便在还原的过程中对原料起到一定的搅拌作用，从而增加原料与还原气氛的充分接触，促进还原过程的进行，缩短反应时间，增加超细铁粉的产量。本发明方法具有工艺过程简单、节能、环保，并可以连续化、大批量生产超细铁粉等特点。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种快速直接还原制备超细铁粉的方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

步骤1、将超纯铁精矿粉进行粉碎与分级，得到粉碎和分级后的超纯铁精矿粉；

步骤2、将粉碎和分级后的超纯铁精矿粉用特殊设计的钢带式还原炉进行还原；

步骤3、钢带式还原炉的特殊设计主要是在其中加入了可以对原料粉末进行一定程度搅拌的装置，这样可以使原料粉末在还原时得到一定的搅动，从而使原料粉末在还原过程中与还原气氛的充分接触，增加还原速率，缩短还原时间，从而大大地提高了还原效率；

步骤4、还原结束，利用氮气保护的机械粉碎设备，对还原后有轻微结块的超细铁粉进行打散处理，完成超细铁粉的制备。

2.根据权利要求1所述的一种快速直接还原制备超细铁粉的方法，其特征在于，所述步骤1中，对超纯铁精矿粉的粉碎方法是气流粉碎或机械式粉碎，所述机械式粉碎包括辊压磨、振动磨或球磨。

3.根据权利要求1或2所述的一种快速直接还原制备超细铁粉的方法，其特征在于，所述步骤1中，所述超纯铁精矿粉粉碎和分级后的粒径为1μm~30μm。

4.根据权利要求3所述的一种快速直接还原制备超细铁粉的方法，其特征在于，所述步骤2中，将粉碎和分级后的超纯铁精矿粉特殊设计的钢带炉中进行还原，以得到超细铁粉，该钢带炉与普通钢带炉的不同之处，即特殊设计的地方是在其中加入了可以对粉料进行一定程度搅拌的装置，这样可以大幅度提高还原速度，加快还原反应的进行，缩短反应时间，使得超细铁粉的生产效率得到提高。

5.根据权利要求4所述的一快速直接还原制备超细铁粉的方法，其特征在于，在钢带式还原炉加热段炉管顶部按一定规则设计了很多固定齿，当原料粉末与钢带一起在还原炉内向前移动时，炉管顶部的固定齿会对原料粉末起到一定的搅拌作用，这样的目的是增加了粉末与还原气的接触面积；还原完成后，对还原后有轻微结块的超细铁粉，利用氮气保护的机械粉碎设备进行打散处理，完成超细铁粉的制备。

6.根据权利要求5所述的一种快速直接还原制备超细铁粉的方法，其特征在于，所述步骤4中，利用氮气保护的粉碎设备对还原后的超细铁粉进行打散，以得到分散状态良好的超细铁粉成品。

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