1.本發(fā)明屬于粉末冶金領(lǐng)域中的粉末制備技術(shù)，尤其是涉及到超細(xì)鐵粉的快速制備技術(shù)。

背景技術(shù)：

2.超細(xì)鐵粉是粉末冶金工業(yè)中重要的原材料，平均粒度為1～10微米，廣泛應(yīng)用于在汽車工業(yè)、家電工業(yè)、超硬材料、電磁、生物、醫(yī)學(xué)、光學(xué)等諸多領(lǐng)域。與普通鐵粉（200目（75

μ

m））相比，超細(xì)鐵粉具有更大的比表面積和活性，以及特殊的電、磁、光以及催化、吸附和化學(xué)反應(yīng)性等。隨著粉末冶金制品向著高致密度，高強(qiáng)度，形狀復(fù)雜等方向的發(fā)展，超細(xì)鐵粉的用量越來越大。比如，在粉末冶金制品中加入一定量的超細(xì)鐵粉可以明顯地提高產(chǎn)品致密度，從而提高其強(qiáng)度，還可以降低產(chǎn)品的燒結(jié)溫度。近年來，3d打印技術(shù)、超硬材料的蓬勃發(fā)展，使得超細(xì)鐵粉的市場(chǎng)進(jìn)一步擴(kuò)大。

3.由于超細(xì)鐵粉的特殊性能和廣泛用途，使得人們對(duì)其制備方法進(jìn)行了大量研究。國內(nèi)外主要的制備方法包括：還原法、羰基法、真空蒸發(fā)法、濺射法以及高能球磨法等。但目前能在工業(yè)上規(guī)?；a(chǎn)超細(xì)鐵粉的方法只有羰基法和草酸沉淀法。

4.羰基法首先需要將fe和co在一定的條件下進(jìn)行羰基化，生成羰基鐵（fe(co)5），然后再在一定的溫度和壓力條件下進(jìn)行熱解，從而形成超細(xì)鐵粉。該方法的優(yōu)點(diǎn)是所生產(chǎn)的超細(xì)鐵粉純度高，粒度細(xì)而均勻，流動(dòng)性好；其缺點(diǎn)是co和fe(co)5均為易燃易爆、有毒的物質(zhì)，生產(chǎn)過程對(duì)環(huán)境污染大，而且該方法的生產(chǎn)成本高，從而使得羰基鐵粉的價(jià)格居高不下，這些因素均阻礙了羰基鐵粉的普及應(yīng)用。

5.草酸法是利用硫酸鐵作為原料，使用草酸置換硫酸根得到純的草酸鐵，再加熱分解并利用氫還原得到超細(xì)鐵粉。其產(chǎn)品能夠滿足粒度在幾個(gè)微米的要求，但制備成本高。市場(chǎng)上優(yōu)質(zhì)草酸6000

?

7000元/噸，每噸超細(xì)鐵粉的草酸亞鐵草酸原料成本15000

?

17000元，總成本37000

?

40000元/噸，因此這種方法適合面對(duì)高端市場(chǎng)，否則難以生存。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

6.本發(fā)明主要是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的：首先原材料是采用目前市場(chǎng)上量大價(jià)廉的超純鐵精礦粉，其技術(shù)指標(biāo)如下：化學(xué)成分：成分tfemnotio2sio2al2o3鹽酸不溶物含量>71.50.070.130.110.130.13本鐵精礦粉的粒度一般小于

?

700目，含水量小于0.3%。

7.本工藝技術(shù)是采用在同一臺(tái)鋼帶爐上，先用氧氣氧化鐵精礦粉，使鐵精礦粉由fe3o4的結(jié)構(gòu)變成fe2o3，同時(shí)根據(jù)文獻(xiàn)2的研究，在這個(gè)過程中，由于晶體結(jié)構(gòu)的變化的，使得新生成的fe2o3晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)部形成內(nèi)部空隙，而這種結(jié)構(gòu)有利于氫氣對(duì)氧化物的還原，從而使得其還原速度加快。具體爐型結(jié)構(gòu)如圖所示。氧化段的長度一般在6

?

8m之間，具體長度

根據(jù)生產(chǎn)量的大小決定，溫度在350℃

?

450℃之間，保證1#調(diào)節(jié)閥壓力設(shè)定為1.5~2kpa時(shí)，氧氣的流量都是過量的，這些參數(shù)同樣需要根據(jù)產(chǎn)量和氧化段的長度進(jìn)行調(diào)整，氧氣由爐頭進(jìn)行，從氧化段末端出爐，氧氣進(jìn)口處壓力在5

?

7kpa，出口處壓力在1.5~2kpa左右。

8.氧化段和還原段之間有法蘭連接，法蘭長度在1.5

?

2m，法蘭段通入氮?dú)庖员銓⒀趸魏瓦€原段的氣氛分割開，以免發(fā)生氧氣和氫氣在高溫下混合發(fā)生爆炸。氮?dú)獾娜肟趬毫?~7kpa，保證2#調(diào)節(jié)閥壓力設(shè)定為2~2.5kpa時(shí)，出口壓力保持在2~2.5kpa左右，這樣可以使氮?dú)鈱⒀鯕夂蜌錃飧糸_，進(jìn)一步確保安全。

9.物料經(jīng)過中間法蘭段后進(jìn)入氫氣還原段，該段的溫度設(shè)置為570℃，氫氣從冷卻段進(jìn)入爐體內(nèi)，從還原段開頭出口出爐體，并進(jìn)行點(diǎn)火處理，氫氣入口處壓力保持在5~7kpa，保證3#調(diào)節(jié)閥壓力設(shè)定為1.5~2kpa時(shí)，氫氣流量是過量的，出口處的壓力保持在1.5~2kpa左右；氧化段和還原段長度的比例應(yīng)在1：3還原后經(jīng)過冷卻段冷卻出料，之后粉碎，檢測(cè)，包裝成超細(xì)鐵粉成品。

10.本技術(shù)是采用超純鐵精礦粉為原料，在同一臺(tái)鋼帶爐上，用先氧化，再還原的方法生產(chǎn)超細(xì)鐵粉，本技術(shù)具有原料價(jià)格低，來源廣，成分易于控制，而且整個(gè)工藝過程簡單，還原溫度低，還原時(shí)間短，超細(xì)鐵粉整體生產(chǎn)成本低，對(duì)環(huán)境沒有影響，沒有廢水，廢氣及廢料等三廢排放。文件1（一種低成本低溫直接還原制備超細(xì)鐵粉cn 107186216 a）方法中提先氧化后還原的方法，但本專利與文件1無論是在原料處理、還原裝備，還是還原工藝參數(shù)選擇上均有諸多不同，主要表現(xiàn)在：第一，在原料的處理上，文件1中首先對(duì)原料磁鐵礦進(jìn)行細(xì)化處理，而本專利技術(shù)不對(duì)原料進(jìn)行細(xì)化處理，而是直接利用磁鐵礦在氧化過程中，發(fā)生的結(jié)構(gòu)變化，形成超細(xì)多孔的原料，這一點(diǎn)在文件2（中南大學(xué)碩士論文赤鐵礦配比對(duì)氧化球團(tuán)制備影響規(guī)律的研究p5頁）中有明確說明，即“磁鐵礦氧化成赤鐵礦是放熱反應(yīng)，能夠保證磁鐵礦在焙燒過程中充分氧化；且伴隨著晶體結(jié)構(gòu)的變化，使新生的fe2o3具有很強(qiáng)的遷移能力。呈結(jié)晶狀的赤鐵礦，其顆粒內(nèi)孔隙多，易于還原和破碎”。第二，文件1中是利用推舟爐，而且氧化和還原不在同一個(gè)設(shè)備上，所以氧化后需要降溫，否則難以重新裝料，而本專利則是在同一臺(tái)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)氧化和還原的連續(xù)進(jìn)行，氧化后不降溫，經(jīng)過過渡段直接進(jìn)入還原段進(jìn)行還原，這樣對(duì)設(shè)備的要求很高，而設(shè)備結(jié)構(gòu)及相應(yīng)氣氛控制也正是本專利的一個(gè)核心內(nèi)容。第三，文件1中的還原溫度在800度左右，主要是考慮到在較高的溫度下還原的速度也較快，而本專利在控制還原溫度在570度左右，較文件1中的溫度明顯降低，主要原因是雖然還原溫度的升高有利于還原速度的加快，但在不同的溫度下還原所經(jīng)歷的過程是不一樣的，對(duì)鐵礦石的還原是鋼鐵生產(chǎn)的最初的過程，所以人們對(duì)此進(jìn)行了大量的研究，研究結(jié)果表明，在較低的溫度下，即570度以下，還原的過程是由氧化鐵直接到鐵，無論是原料是fe2o3還是fe3o4，即：570℃以下氫氣還原氧化鐵的反應(yīng)過程為：3 fe2o3+h2==2 fe3o4+h2o0.25 fe3o4+h2==0.75fe+h2570℃以上氫氣還原氧化鐵的反應(yīng)過程為：3 fe2o3+h2==2 fe3o4+h2ofe3o4+h2==3feo+h2ofeo+h2==fe+h2o

也就是說，文件1中的技術(shù)由于采用的較高的還原溫度，使得還原的過程中有feo的出現(xiàn)，而feo由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，使得有feo再還原到fe時(shí)需要較長的時(shí)間，這樣由于升高溫度縮短了還原時(shí)間，又由于所生產(chǎn)的feo需要較長的還原時(shí)間而被抵消掉了；而本工藝則直接采用較低的還原溫度，即控制在570℃以下，使得還原的過程中不出現(xiàn)feo物相，而直接由fe2o3到fe3o4階段，之后直接到金屬fe，這樣，雖然由于溫度低還原速度較慢，但由于不經(jīng)過feo物相的難還原階段，總的還原時(shí)間與800℃的還原時(shí)間基本持平，而且由于還原溫度低，能源消耗明顯降低。由于以上原因，本技術(shù)工藝與文件1中技術(shù)工藝還是有明顯區(qū)別的。

11.本發(fā)明的有益效果如下：1.不再對(duì)原料進(jìn)行粉碎細(xì)化處理，由于超純鐵精礦粉本身的粒度已經(jīng)比較細(xì)，一般在

?

700目，而且利用原料在氧化過程中物相的變化，達(dá)到進(jìn)一步細(xì)化的目的，這樣使得超細(xì)鐵粉的制備成本得到降低；2.在同一臺(tái)鋼帶爐中，先氧化，后還原，這樣使得熱能得到最大化的利用，之前的方法一般氧化和還原分開，在高溫氧化之后，降溫到室溫，之后再進(jìn)行還原，對(duì)熱能沒有充分利用；3.還原的溫度設(shè)置在570℃左右，使得還原過程中不出現(xiàn)feo相，雖然升高溫度在動(dòng)力學(xué)上有利用還原速度的加快，但在溫度高于570℃以后，在熱力學(xué)上，還原過程中將出現(xiàn)feo相，而feo相屬于公認(rèn)的難還原相，所以在該專利技術(shù)中，將還原溫度設(shè)定在較低的溫度，以避免feo相的出現(xiàn)。

附圖說明

12.圖1 為實(shí)施例1超細(xì)鐵粉的sem形貌照片；圖2 為實(shí)施例2超細(xì)鐵粉的sem形貌照片；圖3為工藝流程圖。

具體實(shí)施方式

13.以下結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明。其中，附圖構(gòu)成本技術(shù)一部分，并與本發(fā)明的實(shí)施例一起用于闡釋本發(fā)明的原理。

14.實(shí)施例1步驟1、將超純鐵精礦粉加入兩段式鋼帶爐中，料層厚度是30mm，鋼帶爐帶速為130mm/min，氧化溫度為350℃，氧化時(shí)間為60min，氧氣進(jìn)氣口裝有薄膜調(diào)節(jié)閥，氧氣出口配備1

?

2#壓力表與進(jìn)氣口1#調(diào)節(jié)閥聯(lián)鎖，設(shè)定1#調(diào)節(jié)閥壓力為1.5kpa。

15.步驟2、還原段還原溫度為570℃，還原時(shí)間為180min，氫氣進(jìn)氣口裝有薄膜調(diào)節(jié)閥，氫氣出口配備3

?

2#壓力表與進(jìn)氣口3#調(diào)節(jié)閥聯(lián)鎖，設(shè)定3#調(diào)節(jié)閥為1.5kpa。

16.步驟3、過渡段氮?dú)膺M(jìn)氣口裝有薄膜調(diào)節(jié)閥，氮?dú)鈿獬隹谂鋫?

?

2#壓力表與進(jìn)氣口調(diào)節(jié)2#閥聯(lián)鎖，設(shè)定2#調(diào)節(jié)閥壓力為2kpa。

17.步驟4、還原后鐵粉進(jìn)行行破碎、篩分、檢測(cè)分析。

18.還原前鐵精礦粉成分如表1表1鐵精礦粉的成分及粒度分析結(jié)果tfe（全鐵）aic（酸不溶物）d50（一次粒徑）

71.700.1819.3還原后的超細(xì)鐵粉sem照片和成分如附圖1和表2所示。

19.表2還原鐵粉的成分分析結(jié)果tfe（全鐵）aic（酸不溶物）o（氧含量）d50（一次粒徑）98.600.160.458.4實(shí)施例2步驟1、將超純鐵精礦粉加入兩段式鋼帶爐中，料層厚度是30mm，鋼帶爐帶速為130mm/min，氧化溫度為350℃，氧化時(shí)間為60min，氧氣進(jìn)氣口裝有薄膜調(diào)節(jié)閥，氧氣出口配備1

?

2#壓力表與進(jìn)氣口1#調(diào)節(jié)閥聯(lián)鎖，設(shè)定1#調(diào)節(jié)閥壓力為2kpa。

20.步驟2、還原段還原溫度為570℃，還原時(shí)間為180min，氫氣進(jìn)氣口裝有薄膜調(diào)節(jié)閥，氫氣出口配備3

?

2#壓力表與進(jìn)氣口3#調(diào)節(jié)閥聯(lián)鎖，設(shè)定3#調(diào)節(jié)閥為2kpa。

21.步驟3、與實(shí)施例過渡段氮?dú)膺M(jìn)氣口裝有薄膜調(diào)節(jié)閥，氮?dú)鈿獬隹谂鋫?

?

2#壓力表與進(jìn)氣口2#調(diào)節(jié)閥聯(lián)鎖，設(shè)定2#調(diào)節(jié)閥壓力為2.5kpa。

22.步驟4、還原后鐵粉進(jìn)行行破碎、篩分、檢測(cè)分析。

23.還原前鐵精礦粉成分如表3表3鐵精礦粉的成分及粒度分析結(jié)果tfe（全鐵）aic（酸不溶物）d50（一次粒徑）71.700.1819.4還原后的超細(xì)鐵粉sem照片和成分如附圖2和表4所示。

24.表4還原鐵粉的成分分析結(jié)果tfe（全鐵）aic（酸不溶物）o（氧含量）

??

d50（一次粒徑）98.800.140.36

?????????????

7.3技術(shù)特征：

1.一種快速生產(chǎn)超細(xì)鐵粉的方法，其特征在于：使用兩段式鋼帶爐，在第一段采用氧氣在一定溫度下將磁鐵礦原料fe3o4氧化成fe2o3，同時(shí)該氧化段也是預(yù)熱段，之后經(jīng)過過渡段進(jìn)入還原段，在還原段中在較低的溫度下用氫氣將fe2o3進(jìn)行直接還原，即不經(jīng)過feo的階段，而直接還原成fe，之后冷卻出料，粉碎，分級(jí)成為超細(xì)鐵粉成品。2.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種快速生產(chǎn)超細(xì)鐵粉的方法，其特征在于：為了加快還原速度，首先將磁鐵礦fe3o4進(jìn)行氧化，生成fe2o3，為了加快氧化過程的進(jìn)行，在氧化是通入氧氣；氧化的溫度在350℃~450℃，并且在氧氣進(jìn)口處設(shè)置1#調(diào)節(jié)閥，在氧氣進(jìn)出口處設(shè)置1

?

1#壓力表和1

?

2#壓力表，1

?

2#壓力表與1#調(diào)節(jié)閥進(jìn)行聯(lián)鎖，氧化段的長度與還原段的長度相匹配，比例為1：3。3.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種快速生產(chǎn)超細(xì)鐵粉的方法，其特征在于：氧氣的進(jìn)口在爐頭，出口在氧化段末端，氧氣進(jìn)口的壓力保持在5~7kpa，1#調(diào)節(jié)閥壓力設(shè)定為1.5~2kpa，氧氣出口處的壓力保持在1.5~2kpa左右。4.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種快速生產(chǎn)超細(xì)鐵粉的方法，其特征在于：氧化段和還原段中間的過渡段為法蘭連接，并且在過渡段兩端裝雙層玻璃纖維絲，以防止氧氣和氫氣的混合，為了進(jìn)一步防止氧氣和氫氣的混合，在過渡段上面通入氮?dú)?，氮?dú)馐菑倪^渡段下面流出，在氮?dú)膺M(jìn)口處設(shè)置2#調(diào)節(jié)閥，在氮?dú)膺M(jìn)出口處設(shè)置2

?

1#壓力表和2

?

2#壓力表，保持氮?dú)獾娜肟趬毫?~7kpa，2#調(diào)節(jié)閥壓力設(shè)定為2~2.5kpa，2

?

2#壓力表與2#調(diào)節(jié)閥進(jìn)行聯(lián)鎖，氮?dú)獬隹趬毫Ρ３衷?~2.5kpa左右，這樣可以使氮?dú)鈱⒀鯕夂蜌錃飧糸_，進(jìn)一步確保安全。5.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種快速生產(chǎn)超細(xì)鐵粉的方法，其特征在于：在還原段中，將還原溫度控制在570℃左右，以確保fe2o3直接還原成fe，而不經(jīng)過feo階段，因?yàn)槿绻霈F(xiàn)feo則由于feo較難還原而使得還原時(shí)間加長，從而縮短還原時(shí)間，在還原段，氫氣從爐尾部冷卻段通入，從還原段入口處流出，并進(jìn)行點(diǎn)火，使還原段中未消耗的氫氣燃燒以防氫氣泄露至廠房內(nèi)，在氫氣進(jìn)口處設(shè)置3#調(diào)節(jié)閥，在氫氣進(jìn)出口處設(shè)置3

?

1#壓力表和3

?

2#壓力表，3

?

2#壓力表設(shè)置在點(diǎn)火前，與3#調(diào)節(jié)閥進(jìn)行聯(lián)鎖，在使在氫氣入口處壓力保持在5~7kpa，3#調(diào)節(jié)閥設(shè)定為1.5~2kpa，出口處的壓力保持在1.5~2kpa左右。6.根據(jù)權(quán)利要求1中所述的一種快速生產(chǎn)超細(xì)鐵粉的方法，其特征在于：還原后的超細(xì)鐵粉進(jìn)行破碎、篩分、檢測(cè)成為超細(xì)鐵粉成品，包裝入庫。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明利用兩段式鋼帶爐來生產(chǎn)超細(xì)鐵粉，第一段通氧氣來將磁鐵礦氧化使其變成Fe2O3，有助于還原的進(jìn)行，第二段是通氫氣使Fe2O3還原成超細(xì)鐵粉，核心點(diǎn)是兩段爐之間接口處氣體種類，壓力及流向的處理，因?yàn)榈谝欢瓮ㄑ鯕?，第二段通氫氣所以接口的氣體壓力、流向處理尤為重要，否則有可能發(fā)生氫氣和氧氣在高溫下接觸從而產(chǎn)生著火甚至發(fā)生爆炸，另外還原的溫度控制的較低，在570℃左右，以使Fe2O3直接還原成Fe不經(jīng)過FeO的階段，因?yàn)槿绻霈F(xiàn)FeO則較難被還原成Fe，這樣雖然溫度低還原的速度相對(duì)較慢，但由于不經(jīng)過FeO的階段，相對(duì)于Fe3O4在較高溫度下的還原，速度還是加快了，從而使得其生產(chǎn)成本更低。生產(chǎn)成本更低。生產(chǎn)成本更低。

技術(shù)研發(fā)人員：劉瑞銀 袁興 趙志民 方建鋒

受保護(hù)的技術(shù)使用者：河北林松金屬粉末科技有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2021.06.29

技術(shù)公布日：2021/10/8