DE2524520C2 - Process for accelerated stabilization of pyrophoric iron powder - Google Patents
Process for accelerated stabilization of pyrophoric iron powderInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur beschleunigten Stabilisierung pyrophorer Eisenpulver durch Reaktion mit sauerstoffhaltigen Gasen.The invention relates to a method for accelerated stabilization of pyrophoric iron powder by reaction with oxygen-containing gases.
Zur Herstellung von Magnetbändern kann als magnetisches Material auch Eisen in Pulverform benutzt werden. Das bei der pseudomorphen Reduktion aus Goethit gewonnene Metallpulver hat eine große Oberfläche (etwa 20 bis 30 m2/g). Es ist pyrophor.For the production of magnetic tapes, iron in powder form can also be used as a magnetic material. The metal powder obtained from goethite in the pseudomorphic reduction has a large surface area (around 20 to 30 m 2 / g). It's pyrophoric.
Um dieses Metallpulver an Luft handhaben zu können, muß es stabilisiert werden. Die Stabilisierung kann grundsätzlich auf zwei verschiedene Weisen erreicht werden — entweder durch Reaktion mit Sauerstoff oder Oxidationsmitteln in organischen Lösungsmitteln, oder durch Reaktion mit sauerstoffhaltigen Gasen, z. B. sauerstoffhaltigem Stickstoff. Beide Verfahren müssen bei oder nahe Zimmertemperatur durchgeführt werden, weil oberhalb 75° C Sauerstoff in das Eisengitter eindiffundiert, wie aus Versuchen an der Thermowaage geschlossen werden kann. Es ist ferner bekannt, daß diese Stabilisierjng bei Normaldruck oder dicht bei Normaldruck durchgeführt werden kann, jedoch soll dies nach der DE-OS 19 31521 nicht entscheidend wichtig sein.In order to be able to handle this metal powder in air, it must be stabilized. The stabilization can basically be achieved in two different ways - either by reacting with Oxygen or oxidizing agents in organic solvents, or by reaction with oxygen-containing ones Gases, e.g. B. oxygen-containing nitrogen. Both procedures must be at or near room temperature be carried out because above 75 ° C oxygen diffuses into the iron lattice, as from experiments on the Thermobalance can be closed. It is also known that this Stabilization at normal pressure or can be carried out close to normal pressure, but this should not be according to DE-OS 19 31521 be crucially important.
In der Praxis kann die Stabilisierung durch Reaktion des Eisenpulvers mit kleinen Mengen an Sauerstoff im Fließbett erreicht werden, wobei der Sauerstoff ein Teil des fluidisierenden Gasstroms ist Solange das Pulver pyrophor ist, verläuft diese Reaktion nahezu quantitativ und ist mit einer Reaktionswärme von etwa 546 kj/ mol O2 (erhalten aus calorimetrischen Messungen) verbunden — ein Wert, der der Bildungswärme der Eisenoxide sehr ähnlich istIn practice, the stabilization can be achieved by reacting the iron powder with small amounts of oxygen in the Fluidized bed can be achieved, with the oxygen being part of the fluidizing gas stream as long as the powder is present is pyrophoric, this reaction is almost quantitative and has a heat of reaction of about 546 kj / mol O2 (obtained from calorimetric measurements) connected - a value that is very similar to the heat of formation of iron oxides
Wegen dieser hohen Reaktionsenthalpie steigt die Temperatur erheblich an. Andererseits wird die Reaktionswärme in erster Linie durch den Gasstrom aus dem Reaktionsgefäß abgeführt Infolgedessen darf der Sauerstoffgehalt des Gases nur in der Größenordnung von 0,1 bis 0,2 Vol.-°/o liegen, da sonst die Temperatur zu hoch steigen würde. Dies trifft zumindest dann zu, wenn die Reaktion unter solchen Bedingungen erfolgt, daß andere Wärmetransportvorgänge, z. B. Wärmeleitung durch die Gefäßwände oder Kühlvorrichtungen innerhalb des Fließbetts, außer Betracht bleiben können. Da während des Stabilisiervorgangs vom Pulver etwa 6 Gew.-% Sauerstoff aufgenommen werden, ist dieses Stabilisationsverfahren ziemlich zeitraubend.Because of this high enthalpy of reaction, the temperature rises considerably. On the other hand, the Heat of reaction is primarily removed from the reaction vessel by the gas stream. As a result, the Oxygen content of the gas should only be in the order of magnitude of 0.1 to 0.2 vol.%, Otherwise the temperature will increase would rise high. This is true at least when the reaction takes place under such conditions that other heat transport processes, e.g. B. Heat conduction through the vessel walls or cooling devices within of the fluidized bed, can be disregarded. Since during the stabilization process about 6 % By weight of oxygen are taken up, this stabilization process is quite time consuming.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Stabilisierung in möglichst kurzer Zeit durchzuführen.The invention is based on the object of carrying out the stabilization in the shortest possible time.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem die Reaktion des pyrophoren Eisenpulvers mit den sauerstoffhaltigen Gasen so lange unter erhöhtem Druck durchgeführt wird, bis ein steiler Temperaturabfall eintritt, und dann bei oder in der Nähe von Normaldruck weitergearbeitet wird. Vorzugsweise wird bei einem Druck von 1,2 bis 50 bar, insbesondere von 15 bis 20 bar, gearbeitetAccording to the invention, this object is achieved by the reaction of the pyrophoric iron powder with the Oxygen-containing gases is carried out under increased pressure until there is a steep drop in temperature occurs, and then continues to work at or near normal pressure. Preferably will at a pressure of 1.2 to 50 bar, in particular 15 to 20 bar, worked
Bei den Untersuchungen, die zur Erfindung geführt haben, wurde festgestellt, daß die erforderliche Zeit dem Druck des Reaktionsgases etwa reziprok istIn the investigations that have led to the invention, it has been found that the time required is the The pressure of the reaction gas is approximately reciprocal
Neben der Verkürzung der zur Stabilisierung einer bestimmten Einsatzmenge an Pulver erforderlichen Zeit bietet das erfindungsgemäße Verfahren noch den weiteren Vorteil, daß die Vorrichtung, bezogen auf eine bestimmte Durchsatzkapazität viel kleiner dimensioniert werden kann, wodurch sie billiger wird.In addition to shortening the time required to stabilize a certain amount of powder used the inventive method offers the further advantage that the device, based on a certain throughput capacity can be made much smaller, which makes it cheaper.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigtAn embodiment of the invention is shown in the drawing and will be described in more detail below described. It shows
F i g. 1 eine Autoklaven-Anordnung zur Durchführung des Verfahrens,F i g. 1 an autoclave arrangement for carrying out the process,
F i g. 2 eine charakteristische Temperatur-Zeit-Kurve des Verfahrens,F i g. 2 a characteristic temperature-time curve the procedure,
F i s. 3 eine graphische Darstellung des Produkts aus
Stabilisationszeit (Minuten, F i g. 2) und Druck (bar) als Funktion des Drucks während des Stabilisierungsverfahrens,
F i ξ. 4 ^ine gr"phische Darstellung des Eisengehalts
und der magnetischen Eigenschaften der Pulver als Funktion des Drucks während des Stabilisierungsverfahrens
undFig. 3 is a graphic representation of the product of the stabilization time (minutes, Fig. 2) and pressure (bar) as a function of the pressure during the stabilization process,
F i ξ. 4 ^ ine graphical representation of the iron content and the magnetic properties of the powders as a function of the pressure during the stabilization process and
F i g. 5a und 5b den Störabstand von mit stabilisiertem Eisenpulver gefertigten Magnetbändern bei 3 μηι (Fig.5a) und 6μπι (Fig.5b) Wellenlänge eines eingeschriebenen Sinus-Signals in Abhängigkeit vom Gasdruck während der Passivierung. Das Vormagnetisierungsrauschen wurde dabei nur bei 8 μπι Wellenlänge gemessen.F i g. 5a and 5b show the signal-to-noise ratio of magnetic tapes made with stabilized iron powder at 3 μm (Fig.5a) and 6μπι (Fig.5b) wavelength of a written sine wave signal as a function of the gas pressure during passivation. The bias noise was measured only at 8 μm wavelength.
Alle Versuche wurden mit pyrophorem Eisenpulver durchgeführt, das nach dem in der deutschen Patentanmeldung P 23 61 539.6-24 vorgeschlagenen Verfahren durch Reduktion bei 3790C mit 9m3H2/h erhalten worden war. Das Ausgangsmaterial hierfür war FeOOH, mit Zinn dotiert und mit Schwefelsäure neutralisiertAll experiments were carried out with pyrophoric iron powder in the German patent application P 23 61 539.6-24 proposed method was obtained by reduction at 379 0 C with 9m 3 H 2 / h after. The starting material for this was FeOOH, doped with tin and neutralized with sulfuric acid
In F i g. 1 enthält das Druckgefäß 1 eine Mischung von etwa 0,13 VoL-% Sauerstoff in Stickstoff. Diese Mischung wurde hergestellt indem das Druckgefäß mit 1 bar Luft gefüllt wurde, bevor 150 bar Stickstoff eingefüllt wurden. Mit Ventil 2 wird der Druck auf 30 bar reduziert Bei diesem Druck wurde eine Vorrichtung zur Messung des Sauerstoffstroms 3 geeichtIn Fig. 1, the pressure vessel 1 contains a mixture of about 0.13% by volume of oxygen in nitrogen. These Mixing was produced by filling the pressure vessel with 1 bar of air before 150 bar of nitrogen were filled. With valve 2 the pressure is reduced to 30 bar. At this pressure a Device for measuring the oxygen flow 3 calibrated
Etwa 60 g pyrophores Eisenpulver werden in das Gefäß 4 unter einem schwachen Strom des N2/O2-Gemisches eingebracht Nachdem der Autoklav 5 geschlossen wurde, wird bis zum gewünschten Wert Druck aufgegeben, indem das Druckreduzierventil 6 betätigt wird. Sodann läßt man eine von oben nach unten gerichtete Gasströmung auf das Pulver einwirken, indem man Ventil 7 schließt und die Ventile 8 und 9 öffnet bis eine gewünschte Gasströmung, bei Normaldruck mit dem Rotameter 10 gemessen, erreicht ist. Die mit dem Rotameter gemessene Gasgeschwindigkeit wurde im Verhältnis zum Druck zwischen 0,5 m3/h bei 1,2 bar und 7,2 m3/h bei 18 bar variiert Auf diese Weise ist die Geschwindigkeit der Gasströmung im Innern desAbout 60 g of pyrophoric iron powder are introduced into the vessel 4 under a gentle stream of the N 2 / O 2 mixture. After the autoclave 5 has been closed, pressure is applied to the desired value by actuating the pressure reducing valve 6. A gas flow directed from top to bottom is then allowed to act on the powder by closing valve 7 and opening valves 8 and 9 until a desired gas flow, measured with the rotameter 10 at normal pressure, is reached. The gas velocity measured with the rotameter was varied in relation to the pressure between 0.5 m 3 / h at 1.2 bar and 7.2 m 3 / h at 18 bar
Autoklaven bei allen Drücken immer die gleiche (etwa 7 cm/s). Die Geschwindigkeit liegt in der gleichen Größenordnung, wie sie in Wirbelschichtreaktoren angewendet wird. Dies bedeutet, daß das Pulver im Autoklaven ein Fließbett ausbilden würde, wenn das Gas in umgekehrter Richtung von unten nach oben strömen würde. Wegen der geringen Abmessungen des Autoklaven konnte dies nicht zugelassen werden. Ein Fließbett ist jedoch für eine technische Anlage vorzuziehen, weil der Wärmeaustausch zwischen dem strömenden Gas und dem Pulver dadurch verbessert wird. Es sei bemerkt, daß die Fluidisierung einer Pulverfüllung nur von der linearen Geschwindigkeit des durchströmenden Gases abhängt, unabhängig vom Druck des Systems.Autoclave always the same at all pressures (approx. 7 cm / s). The speed is the same Order of magnitude as used in fluidized bed reactors. This means that the powder im Autoclaves would form a fluidized bed if the gas was reversed from bottom to top would flow. Because of the small dimensions of the autoclave, this could not be permitted. A Fluidized bed is however preferable for a technical system because of the heat exchange between the flowing gas and the powder is thereby improved. It should be noted that fluidization is a Powder filling only depends on the linear speed of the gas flowing through, regardless of the Pressure of the system.
Während das Gas durch die Pulverfüllung strömt, reagiert sein Sauerstoffanteil mit dem Pulver, wobei sich eine stabilisierende Schicht auf der Oberfläche jedes einzelnen Teilchens bildet und die entsprechende Reaktionswärme frei wird. Dadurch steigt die Temperatür bis zu einem Wert nahe 40° C an (F i g. ^), bei dem die durch die Reaktion gebildete Wärme genau durch die Wärmemengen ausgeglichen wird, die von der Gasströmung abtransportiert und durch die Wände abgeleitet werden. Infolge einer thermischen Isolierung war die Wärmeleitung sehr gering, so daß die stationäre Temperatur nur vom Sauerstoffgehalt des Gases abhing und infolge des konstanten Sauerstoffgeha Its des Stickstoff-Sauerstoff-Gemisches bei allen Versuchen nahezu gleich war.As the gas flows through the powder filling, its oxygen content reacts with the powder, whereby forms a stabilizing layer on the surface of each individual particle and the corresponding Heat of reaction is released. This increases the temperature up to a value close to 40 ° C (F i g. ^), at which the Heat generated by the reaction is precisely balanced by the amount of heat generated by the gas flow transported away and diverted through the walls. As a result of thermal insulation, the Heat conduction very low, so that the steady-state temperature only depended on the oxygen content of the gas and due to the constant oxygen content The nitrogen-oxygen mixture was almost the same in all experiments.
Nach einiger Zeit fällt die Temperatur steil ab (F i g. 2), obwohl der Gasstrom nach wie vor Sauerstoff enthält Zu diesem Zeitpunkt ist die Stabilisationsschicht nahezu vollständig ausgebildet. Es wird dann dem Gasstrom nach und nach mehr Sauerstoff aus dem Gefäß hinzugefügt, indem das Ventil 112 vorsichtig geöffnet wird, bis das Gas schließlich etvra 20 Vol.-% Sauerstoff enthält. Dieser zweite Teil der Stabilisierung ist aus Sicherheitsgründen bei oder in der Nähe von Normaldruck vorzunehmen, zumal seine Dauer nur wenig vom Gasdruck abhängt.After some time the temperature drops steeply (FIG. 2), although the gas stream is still oxygen At this point in time, the stabilization layer is almost completely formed. It then becomes that Gas flow gradually added more oxygen from the vessel by carefully opening valve 112 is opened until the gas finally contains around 20% by volume of oxygen. This second part of the stabilization is to be carried out at or near normal pressure for safety reasons, especially since its duration is only depends little on the gas pressure.
Schließlich wird das Pulver aus dem Autoklaven entfernt und in einem Glasrohr, das mit einer Glasfritte als Filtrierplatte versehen ist, mit einem Luftstrom behandelt, damit das Pulver die erforderliche Wassermenge (etwa 0,5 bis 1 Gew.-%) aus der Luft adsorbieren kann. Da bei dem erwähnten zweiten Teil der Passivierung bei oder in der Nähe von Normaldruck gearbeitet wird, läßt sich die Befeuchtung Jes PulversFinally, the powder is removed from the autoclave and placed in a glass tube that is covered with a glass frit is provided as a filter plate, treated with a stream of air to give the powder the required amount of water (about 0.5 to 1 wt .-%) can adsorb from the air. Since the mentioned second part of the If passivation is carried out at or in the vicinity of normal pressure, the moistening Jes Powder
Elektroakustische Werte von Bändern. Pulver Nr. 1 wurde in der herkömmlichen Weise in einem Fließbett stabilisiert, alle anderen unter Druck. Die Signalstärke ist in dB im Vergleich zu einem handelsüblichen CrO2-Band (BASF C 401 R) angegeben.Electroacoustic values of tapes. Powder # 1 was stabilized in a fluidized bed in the conventional manner, all others under pressure. The signal strength is given in dB compared to a commercially available CrO 2 tape (BASF C 401 R).
damit kombinieren, indem man den erforderlichen Sauerstoff in Form feuchter Luft zuführtcombine with it by supplying the required oxygen in the form of moist air
In F i g. 2 zeigt also der steile Temperaturabfall den Abschluß der Bildung der Oxidschicht auf der Oberfläche der Teilchen an. Das Temperaturmaximum lag bei ailen Versuchen zwischen 32 und 400CIn Fig. Thus, in FIG. 2, the steep drop in temperature indicates the completion of the formation of the oxide layer on the surface of the particles. The maximum temperature was ailen Try 32 to 40 0 C.
Zu Vergleichszwecken wurde ein Teil des Pulvers auf übliche Weise in einer Wirbelschicht mit einem N2/O2-Gemisch stabilisiert Dieses Pulver entstammte dem gleichen Ansatz wie das erfindungsgemäß behandelte Pulver.For comparison purposes, part of the powder was stabilized in the usual way in a fluidized bed with an N 2 / O 2 mixture. This powder came from the same batch as the powder treated according to the invention.
Bei allen Pulvern wurde der Eisengehalt durch Titratson mit ÄthylendiamintetraessigEäure quantitativ bestimmt Das Ausgangsmaterial (vor der Stabiliserung) wies einen Eisengehalt von 96,2 Gew.-% auf. Alle Pulver wurden ferner auf ihre statischen magnetischen Eigenschaften untersucht Ferner wurden mit erfindungsgemäß stabilisierten Pulvern und einem Bindemittelsystem aus praktisch unvernetzten linearen Polyurethanen und Vinylidenchlorid-Acrylnitril-Mischpolymerisaten, das mil Glaskugeln vermählen wurde, Magnetbänder hergestellt und untersuchtThe iron content of all powders was determined quantitatively by titration with ethylenediaminetetraacetic acid determined The starting material (before stabilization) had an iron content of 96.2% by weight. All powder were also examined for their static magnetic properties stabilized powders and a binder system made from practically uncrosslinked linear polyurethanes and vinylidene chloride-acrylonitrile copolymers that have been ground with glass balls, magnetic tapes manufactured and examined
In Fi g. 3 ist die zur Stabilisierung benötigte Zeit, & h. die Zeit t zwischen dem Beginn der Gasströmung und dem steilen Temperaturabfall (F i g. 2), multipliziert mit dem Druck ρ als Funktion des Drucks ρ aufgetragen. Trotz einer gewissen Streuung erweist sich das Produkt t ■ ρ als konstant. Dies bedeutet, daß die Zeit t umgekehrt proportional zum Druck ρ abnimmtIn Fi g. 3 is the time it takes to stabilize, & h. the time t between the start of gas flow and the steep temperature fall (F i g. 2), multiplied by the pressure ρ ρ plotted as a function of pressure. Despite a certain spread, the product t ■ ρ turns out to be constant. This means that the time t decreases in inverse proportion to the pressure ρ
Fig.4 zeigt den Eisengehalt und die statischen magnetischen Eigenschaften als Funktion des Drucks. Dabei ist kein Einfluß des Drucks zu erkennen. In der nachfolgenden Tabelle sind Ergebnisse von akustischen Messungen an den Magnetbändern angegeben.Fig.4 shows the iron content and the static magnetic properties as a function of pressure. No influence of pressure can be seen. In the The table below shows the results of acoustic measurements on the magnetic tapes.
F i g. 5a und 5b zeigen den Störabstand bei 3 μπι und 6 μπι Wellenlänge eines eingeschriebenen Sinus-Signals als Funktion des Druckes bei der Stabilisierung. Das Vormagnetisierungsrauschen wurde dabei bei 8 μιη gemessen, es hängt jedoch nur sehr wenig von der Wellenlänge ab. Die Bänder wurden aus den erfindungsgemäß stabilisierten Pulvern und einem Bindemittelsystem aus praktisch unvernetzten Polyurethanen und Vinylidencnlorid-Acrylnitril-Mischpolymerisaten, das mit Glaskugeln gemahlen wurde, hergestellt.F i g. 5a and 5b show the signal-to-noise ratio at 3 and μπι 6 μπι wavelength of an inscribed sine signal as a function of the pressure during stabilization. The bias noise was at 8 μm measured, but it depends very little on the wavelength. The tapes were made from the invention stabilized powders and a binder system made from practically uncrosslinked polyurethanes and Vinylidene chloride-acrylonitrile copolymers, which were ground with glass balls, produced.
Der Störabstand ist in dB im Vergleich zu einem handelsüblichen CrO2-Band (BASF C 401 R) angegeben. Wiederum ist kein signifikanter Einfluß des Druckes zu erkennen.The signal-to-noise ratio is given in dB compared to a commercially available CrO 2 tape (BASF C 401 R). Again, no significant influence of the pressure can be seen.
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1975
- 1975-06-03 DE DE2524520A patent/DE2524520C2/en not_active Expired
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