一种氢还原法制备超细氮化铁粉末的方法技术

本发明专利技术公开了一种氢还原法制备超细氮化铁粉末的方法，是将超纯铁氧化物通过超细磨得到微纳米铁氧化物粉体，并在钢带机上依次进行氢还原和氮化反应，通过控制还原、氮化条件可制得高纯度、超细氮化铁产品。本发明专利技术原料易得，成分稳定、成本低廉，制备工艺简单，可连续生产，生产效率高，适合规模化生产，本发明专利技术制得的氮化铁粉末粒度在5μm以下，产品纯度在98％以上，可用于制备超强磁体，催化剂等，经改性后也可用于吸波材料，电池材料等领域。电池材料等领域。电池材料等领域。

【技术实现步骤摘要】
一种氢还原法制备超细氮化铁粉末的方法


[0001]本专利技术涉及一种氮化铁的制备方法，尤其是一种氢还原法制备超细氮化铁粉末的方法，属于铁基材料制备领域。

技术介绍

[0002]我国的部分矿山分布着结晶粒度较粗、杂质含量低的优质磁铁矿，可用于深加工制备超级铁精矿，此外我国庞大的钢铁行业产生大量的氧化铁皮，此类铁氧化物供应稳定，铁品味高、杂质含量低，非常适合用于制备高端铁基材料。而目前，此类宝贵资源仅被作为钢材或普通还原铁粉的制备原料，制备过程中污染严重，尤其排放大量二氧化碳，其附加值也没有被进一步挖掘。以此类铁氧化物为原料，探索氢还原等清洁生产方式，用于制备高附加值产品对钢铁行业实现高值化、绿色化发展具有重大意义。
[0003]从上世纪首次发现Fe
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N2具有“巨磁矩”现象后,铁氮化物就一直被广泛关注，从磁学性能来看，Fe
‑
N中的α
″‑
Fe
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N2性能最优，但其处于亚稳态，在较低温度下就会自发分解，严重限制了其制备与使用过程，相比之下，γ
′‑
Fe4N、ε
‑
Fe3N粉末的饱和磁化强度虽然比不上纯铁与α
″‑
Fe
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N2，却也胜过常见的铁氧化物等磁性粉，尤其在较高的温度范围内稳定存在，不易分解，具有更突出的使用性能。除制备磁记录材料、磁性元器件、磁性液体外，超细氮化铁粉末也应用于制备催化剂、锂电池电极、吸波材料等。还原氮化法是制备Fe
‑
N系物质的一种常用方法，是在较低温度下，控制氨气在铁颗粒表面催化分解进而与铁反应形成铁氮化物。然而，目前生产氮化铁粉末的部门常以购买的铁粉或合成的铁氧化物为原料在氮化炉中通气还原
‑
氮化，只能少量、分批次地生产，成本很高，产量低，限制了该材料的大规模应用。

技术实现思路

[0004]针对现有氮化铁粉末制备工艺成本高、产量低、无法规模化连续生产等问题，本专利技术的目的是在于提供一种氢还原法制备超细氮化铁粉末的方法，该方法基于钢带机实现连续氢还原和氮化反应，得到超细氮化铁粉末，实现了氮化铁产品的大规模连续化生产，大大提高了生产效率，且该制备方法简单、成本较低，得到的氮化铁粉末粒度在5μm以下，且单一目标产物纯度在98％以上。
[0005]为实现上述技术目的，本专利技术提供了一种氢还原法制备超细氮化铁粉末的方法，该方法是将超纯铁氧化物经过超细研磨后，布料到钢带机的移动钢带上，先进入钢带机的还原区进行还原反应，再进入钢带机的氮化区进行氮化反应，即得。
[0006]本专利技术以深度提纯后的大宗铁氧化物为原料，主要包括超纯铁精矿与低炭钢铁鳞，是现有钢铁行业中较为易得的铁原料，其杂质含量低，在提纯后能达到铁氧化物含量99％以上的水平，可满足制取氮化铁产品的基本要求。将该类铁氧化物通过超细研磨能够得到微纳米级粒度的铁氧化物粉体，将其布料在钢带机上进行氢还原后，可获得高分散性、无恶性团聚与烧结的高活性还原铁颗粒，由于该铁颗粒具有非常高的反应活性，在氮化环
境中会大大促进氨气在其表面的分解及其氮化反应，极大地缩短氮化反应所需时间，提高生产效率。该制备过程中还原反应和氮化反应均在钢带机上进行，一方面还原反应后的物料直接被送至氮化区进行氮化反应，实现了连续化生产；另一方面通过钢带机对物料进行加热可使反应物料受热更加均匀、稳定，能够有效防止物料在反应过程中发生团聚、结块现象，从而获得超细氮化铁粉末。
[0007]本专利技术的超纯铁氧化物在还原区和氮化区与气体是逆向接触反应，首先通入氨氢混合气体对氮化区的出来的产品进行冷却，再进入氮化区进行氮化反应，而后在中部补充氢气后形成还原气氛流动至还原区进行还原反应。另外，钢带机上氮化反应后产生气体可在净化后经合成氨反应后循环使用。
[0008]作为一个优选的方案，所述超纯铁氧化物的主要成分为Fe3O4和/或Fe2O3，铁品位在70％以上，酸不溶物不超过0.35％。超纯铁氧化物包括经选矿得到的超级铁精矿、赤铁矿以及提纯后的高品质氧化铁皮等，其主要成分为Fe3O4或Fe2O3，铁品位在70％以上，酸不溶物不超过0.35％。超纯铁精矿、铁鳞为现有还原铁粉技术中常规的原料，为容易获得、成本相对较低的铁原料，部分优质产品的成分满足高品质产品的基本要求，且批量大，批次成分稳定。
[0009]作为一个优选的方案，所述超细研磨磨矿至超纯铁氧化物的粒度不超过5μm。细磨处理可以提高其反应活性，降低还原难度，且还原后的细粒级铁粉反应活性高，有利于高效地进行氮化反应。超细研磨过程采用高能球磨、搅拌磨、艾莎磨乃至纳米砂磨等设备或设备组合，如果以纳米砂磨机为终端研磨设备，在配加小粒级磨珠、相应溶剂、高性能分散剂条件下可得到亚微米级(100～1000nm)铁氧化物粉体，而以其他研磨方式并采用湿式研磨方式可得到1～5μm的微米级铁氧化物粉体。值得说明的是，一般粒径越小的铁氧化物粉体其还原和氮化的活性越高，但是同时也容易在还原和氮化过程中恶性团聚，而本专利技术结合了钢带还原方式并且严格控制还原和氮化条件，不但使得微米级铁氧化物粉体原料受热均匀，还原和氮化效率高，能够很好地保持微米级铁氧化物粉体原有粒径，获得微纳米级别的超细氮化铁粉末。
[0010]作为一个优选的方案，所述布料厚度为1～10mm。铁氧化物粉体在钢带机上布料松散，且布料厚度不宜过厚，否则会影响铁氧化物的还原效果。
[0011]作为一个优选的方案，所述还原反应在氢气气氛中进行，所述氢气气氛中的氢气体积含量在80％以上。本专利技术是通过钢带机在中部补充部分纯氢气来控制还原区气氛中的氢气体积含量在80％以上可保证铁氧化物的还原效率。
[0012]作为一个优选的方案，所述还原反应的温度为400～700℃，时间为1～4h。在本专利技术制备过程中，需控制还原反应温度在400～700℃范围，还原反应时间设定为1～4h，在该反应条件下，可获得高分散性、无恶性团聚与烧结的高活性还原铁粉。然而，如果还原反应温度过高、反应时间过长会导致铁颗粒的团聚与长大，降低还原铁粉的活性，相反，如果温度过低、反应时间过短则会导致铁氧化物无法进行有效还原。由于本专利技术的还原反应中的铁氧化物是经过细化粒级的，因此其被氢气还原的难度降低，对应的氢还原温度降低、还原时间缩短。
[0013]作为一个较优选的方案，当超纯铁氧化物超细研磨成粒度为1～5μm时，还原反应温度为600～700℃，时间为2～4h；当超纯铁氧化物超细研磨成粒度为小于1μm时，还原反应
温度为400～550℃，时间为1～3h。作为还原反应原料的超纯铁氧化物，其粒度越小，活性越高，对应还原反应所需的温度越低，还原时间越短。
[0014]作为一个优选的方案，所述氮化反应在氨氢混合气体中进行，所述氨氢混合气体中氨气和氢气的体积比为0.9～1.1：1或2.7～3.3：1。在氮化反应过程中，氨氢比将影响产物的纯度，不同的氨氢比条件下将获得不同的氮化铁产品。当氨氢比过高时会生成Fe2N等低本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢还原法制备超细氮化铁粉末的方法，其特征在于：将超纯铁氧化物经过超细研磨后，布料到钢带机的移动钢带上，先进入钢带机的还原区进行还原反应，再进入钢带机的氮化区进行氮化反应，即得。2.根据权利要求1所述的一种氢还原法制备超细氮化铁粉末的方法，其特征在于：所述超纯铁氧化物的主要成分为Fe3O4和/或Fe2O3，铁品位在70％以上，酸不溶物不超过0.35％。3.根据权利要求1或2所述的一种氢还原法制备超细氮化铁粉末的方法，其特征在于：所述超细研磨磨矿至超纯铁氧化物的粒度不超过5μm。4.根据权利要求1或2所述的一种氢还原法制备超细氮化铁粉末的方法，其特征在于：所述布料厚度为1～10mm。5.根据权利要求1所述的一种氢还原法制备超细氮化铁粉末的方法，其特征在于：所述还原反应在氢气气氛中进行，所述氢气气氛中的氢气体积含量在80％以上。6.根据权利要求1或5所述的一种氢还原法制备超细氮化铁粉末的方法，其特征在于：所述还原反应的温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：范晓慧，李浩锐，甘敏，郭恩狄，曹运灿，季志云，孙增青，陈许玲，黄晓贤，
申请(专利权)人：中南大学，
类型：发明
国别省市：