CN113290251A - 一种高纯铁精矿全氢还原制备粉末冶金铁粉的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高纯铁精矿全氢还原制备粉末冶金铁粉的方法，包括以下步骤：步骤(1)：氢还原；步骤(2)：磨矿和筛分步骤(3)：电加热致密化。本发明提出一种高纯铁精矿全氢冶金的新方法，完全不适用含碳能源和还原剂，从传统的碳冶金转变为氢冶金，根本上杜绝了环境污染问题，消除了碳排放。本发明提出的利用氢冶金取代碳冶金，氢气的分子量小、穿透力强、扩散能力强，还原效果好，能够加快反应速率，提高生产效率。本发明提出的电加热处理还原铁粉，能够提高铁粉致密度，消除加工硬化，增加松装密度，改善压缩性能，提高粉末冶金铁粉的质量。本发明直接利用微细的高纯铁精矿，通过氢还原，然后高温致密化后，即可获得粉末冶金铁粉。

Description

一种高纯铁精矿全氢还原制备粉末冶金铁粉的方法

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及一种高纯铁精矿全氢还原制备粉末冶金铁粉的方法。

背景技术

粉末冶金技术在生产机械结构件过程中可减少甚至无需切削，因而具备节能、节材，生产效率高、适应性强(可满足不同用途结构零部件的性能要求)等优点，在汽车、机械设备、电器和航空运输等行业得到广泛应用。据统计，目前汽车业中应用的粉末冶金零件高达1000种，而航空发动机中的烧结机械部件比例已超过50％。近年来，随着我国社会需求和国民经济水平的快速提高，上述行业发展迅速，为粉末冶金行业提供了不可多得的发展机遇和巨大的市场空间。铁基粉末(铁粉)是粉末冶金的重要原料，占冶金粉末总量的70％以上。粉末冶金行业的蓬勃发展，带动铁粉需求的剧增，曾一度出现供不应求的局面。通过该工艺生产的铁粉占我国铁粉总量的50％以上。

目前，粉末冶金铁粉的制备方法主要包括还原法、雾化法、羰基法和电解法。还原法由于原料来源广泛、生产成本低、产品成形性和烧结性能好，且能通过隧道窑实现大规模生产等优点，应用十分广泛。

中国专利(申请号201010501580.4)公布了一种酸再生铁粉的利用方法酸，首先讲再生铁粉30～50、铁鳞50～70、焦粉≤10；然后再加质量份配比1～15的水与3～5的粘结剂腐植酸混合均匀；将上述混合料,用皮带送入压饼机,在25±5MPa压力下挤压成压饼,把压饼烘干或自然风干；接着入窑冶炼将压饼装入罐中，用焦炭填实、密封料罐，1300℃±100℃条件下，保温8h±1h，冷却6h±1h成海绵铁，出窑。该方法可以实现酸再生铁粉代替部分铁鳞得到了海绵铁粉，节约了成本，但是存在保温时间长达8h，且产品质量不高的缺点。

中国专利(申请号201310253233.8)公布一种粉末冶金用还原铁粉的制备方法，利用市场上采购的还原铁为原料，在隧道窑中还原，随后通过破碎、磁选；然后在25％的氮气+75％氢气的混合气体进行二次还原。中国专利(申请号201711340876.0)提出了一种低温碳氢双联还原制备超细铁粉的方法，首先将一定纯度的铁精矿粉、碳粉和催化剂分别球磨；然后将所述步骤一中球磨后的物料按照一定比例混合均匀；接着，将混合均匀后的物料置于保护气氛下进行加热还原，冷却后得到一次还原铁并进行球磨；球磨后的一次还原铁置于氢气气氛下进行终还原，经冷却后出炉；氢还原后的还原铁粉进行球磨，获得超细铁粉。该工艺所加入的添加剂为碳酸钾、碳酸钠或二者的混合物，其比例为1％左右，这不但提高了成本，且容易导致还原铁粉的铁品位降低，影响其质量。

中国专利(申请号201510303028.7)公布一种粉末冶金用还原铁粉的制备方法，将含金属铁的原料经过粉碎后依次进行湿式磨矿和弱磁选，得到一次除杂铁粉，然后将一次除杂后的铁粉进行脱碳焙烧，将脱碳焙烧产物经过选矿除杂、酸洗、过滤、干燥、合批后得到粉末冶金用还原铁粉。该方法拓展了粉末冶金铁粉原料来源，为粉末冶金用还原铁粉的制备开辟了一条新的途径，但是也存在工艺流程长，酸洗废水处理难度大等不足。

上述传统还原法制备粉末冶金铁粉过程中，主要以固定碳为还原剂，还原剂用量大、还原温度高(1150℃左右)、还原时间极长(>48h)，导致能耗高、碳排放量大、污染严重。毫无疑问，这无法顺应“我国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”的绿色发展潮流。此外，传统还原法制备的铁粉残炭含量高、流程长、产品孔隙率高、致密性差，导致产品流动性、松装密度和压缩性能低，无法满足高端铁粉的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高纯铁精矿全氢还原制备粉末冶金铁粉的方法，采用该方法可实现纯度高、压制性好、流动性能优的优质铁粉，同时可避免传统还原法制备铁粉时碳排放量大、污染严重的问题。

本发明这种高纯铁精矿全氢还原制备粉末冶金铁粉的方法，包括以下步骤：

步骤(1)：氢还原

将高纯铁精矿矿粉在氢气气氛下还原，得到还原铁粉；

步骤(2)：磨矿和筛分

将步骤(1)制得的还原铁粉，在球磨机中磨细至一定粒度，并进行筛分，获得处理后的还原铁粉；

步骤(3)：电加热致密化

将步骤(2)处理后的还原铁粉在氮气气氛下感应炉中进行致密化处理，即可得到优质的粉末冶金铁粉。

所述步骤(1)中，高纯铁精矿为磁铁精矿和赤铁精矿中的一种，高纯铁精矿的铁品位大于71.5％。所述的还原温度为800～950℃，还原时间为20～60min，氢气流量为0.1～0.5L/min，料层高度为20～40mm。

当铁品位低于71.5％时，最终所制备的粉末冶金的品位小于98.5％，无法达到要求。

当还原温度低于800℃时，铁精矿还原不充分，铁品位较低；当氢还原温度高于950℃时，还原铁粉之间容易粘结，导致还原效果变差，粉末冶金铁粉的铁品位无法满足要求。

当还原时间小于20min时，还原不够充分，高纯铁精矿中部分铁氧化物未被充分还原成金属铁，导致品位降低；若还原时间超过60min，虽然能够充分还原，但是能耗和氢气消耗增加。

同理，气体流量小于0.1L/min，铁精矿还原不充分，导致粉末冶金铁粉铁品位低；若气体流量大于0.5L/min，则氢气消耗量过大；

氢还原过程中，料层厚度同样影响还原效果。厚度低于20mm时，设备利用系数较低；若氢还原过程，布料厚度超过40mm时，则导致内部铁精矿与氢气接触不充分，还原效果编程。

所述步骤(2)中，磨矿过程，采用真空球磨，球磨过程中，需要添加0.1～0.2％的复合有机添加剂强化球磨；优选的，复合有机添加剂为质量比为3:7～5:5聚硅氧烷和葵基磺酸钠；磨矿至+0.18mm小于3％，-0.074mm大于60％，-0.045mm大于20％。

所述的复合添加剂能够在球磨过程中，改善铁粉的表面性质，改善粉磨过程力学化学过程，克服铁粉间的吸引力，减小粉碎阻力，提高磨粉的流动性，同时物料表面产生选择性吸附和电性中和，消除静电效应，减小微细的、颗粒聚集的能力和几率，提高细粉物料的分散度，从而提高粉磨效率，降低颗粒粒径。

所述步骤(3)中，感应炉频率为1500Hz，温度为1100～1300℃，加热时间30～60min，还原过程通入N₂保护，其流量为1～2L/min。

本发明中提供的以一种独特电感应加热方法，利用电场和热场的协同作用，在较短的时间内，可以显著的诱导铁粉中铁晶粒生长，促进铁晶粒迁移、互联、聚集和长大，消除晶格缺陷，减少铁粉的加工硬化，降低铁颗粒的孔隙率，提高致密度，从而可以显著改善粉末冶金铁粉的松装密度、流动性和压缩性能。

当加热温度过低时，铁晶粒生长缓慢，铁颗粒内无法完全消除孔隙，导致铁粉松装密度和流动性不好；当还原时间超过1300℃，温度过高，导致能耗大。加热时间和温度均是影响铁晶粒生长的重要条件。

当加热时间过短时，铁晶粒的长大不充分，连晶作用不明显，铁粉致密度低，但是当焙烧时间过长时，导致生产效率低。

本发明的有益效果

(1)本发明针对传统还原法生产粉末冶金铁粉工艺过程，采用隧道窑以煤粉或焦粉为还原剂，对铁精粉进行一次还原。该工艺煤耗高达2000～3000kg/t铁粉，不但提高生产成本，而且大量排放CO₂、SO₂等有害气体，严重污染环境，不符合当今低碳发展的趋势。本发明提出一种高纯铁精矿全氢冶金的新方法，完全不适用含碳能源和还原剂，从传统的碳冶金转变为氢冶金，根本上杜绝了环境污染问题，消除了碳排放。

(2)在传统的煤基还原过程中，为了充分还原脱氧，提高铁粉金属化率和铁品位，所需还原时间较长。以典型赫格纳斯法为例，其高温还原时间可达48～50h，此外升温时间36h左右，还原后随炉冷却时间144h，这主要是因为隧道窑工艺中铁矿石的碳热还原反应动力学条件较差，还原速率慢所导致。本发明提出的利用氢冶金取代碳冶金，氢气的分子量小、穿透力强、扩散能力强，还原效果好，能够加快反应速率，提高生产效率。

(3)常规还原法制备粉末冶金铁粉，还原温度高，铁粉容易渗碳，导致碳含量高，纯度降低，压缩性随之下降。此外，含铁原料还原脱氧时，产生大量孔隙，导致铁粉的孔隙率高、致密性低，压缩性能差，无法制备高强度、高硬度及高密度的零部件，严重制约了还原铁粉的高端应用。本发明提出的电加热处理还原铁粉，能够提高铁粉致密度，消除加工硬化，增加松装密度，改善压缩性能，提高粉末冶金铁粉的质量。

(4)常规还原法制备粉末冶金铁粉主要包括一次碳还原、破碎、磁选、研磨、筛分处理、二次氢还原，可获得粒径符合要求的一次还原粗粉，流程较长，此外铁矿经过高温长时间还原后产生严重的烧结现象，产品与残碳、煤灰粘结严重难以分离，会带入大量的碳及杂质到后续工艺中，严重影响产品质量；而本发明直接利用微细的高纯铁精矿，通过氢还原，然后高温致密化后，即可获得粉末冶金铁粉，流程短，无杂质，质量纯净。

具体实施方式：

以下实施例及对比例，除特别声明外，所使用的铁精矿为磁铁精矿，其化学成份如下：TFe 71.67％,FeO 28.32％、CaO 0.057％、SiO₂0.38％，其粒度-0.074mm83％；所使用的的氢气，为高纯氢气，含量为99.9％。

实施例1：

将高纯铁精矿在H₂流量为0.42L/min，氢还原温度为800℃，还原时间为30min，料层厚度为15mm的条件下进行全氢还原，获得铁粉品位为98.54％；然后，将所获得的铁粉进行磨矿和筛分，磨矿过程，添加0.1％的复合有机粘结剂(聚硅氧烷和葵基磺酸钠，其比例为3:7)，磨矿至其粒度达+0.18mm 0.01％，-0.074mm83％，-0.045mm 25％；最后，将磨细后的铁粉，感应炉中进行热处理，感应炉频率为1500Hz，温度为1100℃，加热时间60min，还原过程通入N₂保护，其流量为1.5L/min。最终获得的粉末冶金铁粉质量如下：铁品位98.54％，松装密度2.52g/cm³，流动性35s/50g，压缩性6.45/cm³。

实施例2：

将高纯铁精矿在H₂流量为0.44L/min，氢还原温度为850℃，还原时间为35min，料层厚度为20mm的条件下进行全氢还原，获得铁粉品位为98.66％；然后，将所获得的铁粉进行磨矿和筛分，磨矿过程，添加0.15％的复合有机粘结剂(聚硅氧烷和葵基磺酸钠，其比例为5:5)，磨矿至其粒度达+0.18mm0.03％，-0.074mm86％，-0.045mm29％；最后，将磨细后的铁粉，感应炉中进行热处理，感应炉频率为1500Hz，温度为1150℃，加热时间50min，还原过程通入N₂保护，其流量为1.5L/min。最终获得的粉末冶金铁粉质量如下：铁品位98.66％，松装密度2.58g/cm³，流动性32s/50g，压缩性6.58/cm³。

实施例3：

将高纯铁精矿在H₂流量为0.45L/min，氢还原温度为900℃，还原时间为55min，料层厚度为30mm的条件下进行全氢还原，获得铁粉品位为98.68％；然后，将所获得的铁粉进行磨矿和筛分，磨矿过程，添加0.15％的复合有机粘结剂(聚硅氧烷和葵基磺酸钠，其比例为6:4)，磨矿至其粒度达+0.18mm0.03％，-0.074mm89％，-0.045mm33％；最后，将磨细后的铁粉，感应炉中进行热处理，感应炉频率为1500Hz，温度为1250℃，加热时间40min，还原过程通入N₂保护，其流量为1.5L/min。最终获得的粉末冶金铁粉质量如下：铁品位98.68％，松装密度2.65g/cm³，流动性31s/50g，压缩性6.67/cm³。

实施例4：

将高纯铁精矿在H₂流量为0.45L/min，氢还原温度为900℃，还原时间为40min，料层厚度为25mm的条件下进行全氢还原，获得铁粉品位为98.59％；然后，将所获得的铁粉进行磨矿和筛分，磨矿过程，添加0.15％的复合有机粘结剂(聚硅氧烷和葵基磺酸钠，其比例为6:4)，磨矿至其粒度达+0.18mm0.01％，-0.074mm92％，-0.045mm44％；最后，将磨细后的铁粉，感应炉中进行热处理，感应炉频率为1500Hz，温度为1300℃，加热时间30min，还原过程通入N₂保护，其流量为1.5L/min。最终获得的粉末冶金铁粉质量如下：铁品位98.59％，松装密度2.68g/cm³，流动性32s/50g，压缩性6.72/cm³。

Claims (7)

1.一种高纯铁精矿全氢还原制备粉末冶金铁粉的方法，包括以下步骤：

步骤(1)：氢还原

将高纯铁精矿矿粉在氢气气氛下还原，得到还原铁粉；

步骤(2)：磨矿和筛分

将步骤(1)制得的还原铁粉，在球磨机中磨细至一定粒度，并进行筛分，获得处理后的还原铁粉；

步骤(3)：电加热致密化

将步骤(2)处理后的还原铁粉在氮气气氛下感应炉中进行致密化处理，即可得到优质的粉末冶金铁粉。

2.根据权利要求1所述的高纯铁精矿全氢还原制备粉末冶金铁粉的方法，其特征在于，所述步骤(1)中，高纯铁精矿为磁铁精矿和赤铁精矿中的一种，高纯铁精矿的铁品位大于71.5％。

3.根据权利要求1所述的高纯铁精矿全氢还原制备粉末冶金铁粉的方法，其特征在于，所述的还原温度为800～950℃，还原时间为20～60min，氢气流量为0.1～0.5L/min，料层高度为20～40mm。

4.根据权利要求1所述的高纯铁精矿全氢还原制备粉末冶金铁粉的方法，其特征在于，所述步骤(2)中，磨矿过程，采用真空球磨，球磨过程中，需要添加0.1～0.2％的复合有机添加剂强化球磨。

5.根据权利要求4所述的高纯铁精矿全氢还原制备粉末冶金铁粉的方法，其特征在于，复合有机添加剂由质量比为3:7～5:5聚硅氧烷和葵基磺酸钠组成。

6.根据权利要求4或5所述的高纯铁精矿全氢还原制备粉末冶金铁粉的方法，其特征在于，球磨磨矿至+0.18mm小于3％，-0.074mm大于60％，-0.045mm大于20％。

7.根据权利要求1所述的高纯铁精矿全氢还原制备粉末冶金铁粉的方法，其特征在于，所述步骤(3)中，感应炉频率为1500Hz，温度为1100～1300℃，加热时间30～60min，还原过程通入N₂保护，其流量为1～2L/min。