一种氢还原法生产球形铁粉的方法技术

本发明专利技术公开了一种氢还原法生产球形铁粉的方法，该方法是将铁氧化物原料经过超细湿磨处理，得到超细颗粒浆料；将超细颗粒浆料进行喷雾干燥，得到球形团聚体；将球形团聚体在750～850℃温度下进行氢气还原，得到还原产物，所述还原产物通过超声打散，即得球形铁粉。该方法采用铁氧化物原料，经过超细湿磨和喷雾干燥控制团聚体粒度及形貌，再通过严格控制氢还原过程的温度使得团聚体内部发生硬团聚从而得到具有球形度高、密度大、流动性好的球形铁粉，在粉末冶金领域有广阔的应用前景，尤其适合增材制造方向，其在功能化利用领域也具有优势。其在功能化利用领域也具有优势。其在功能化利用领域也具有优势。

【技术实现步骤摘要】
一种氢还原法生产球形铁粉的方法


[0001]本专利技术涉及一种球形铁粉的制备方法，尤其涉及一种利用铁精矿通过氢还原制备直径在30μm以下的超细球形铁粉的方法，属于超细粉末制备


技术介绍

[0002]铁粉是粉末冶金领域的主要原料，球形铁粉往往具有与同粒度铁粉相比更好的流动性与松装密度等使用性能，价值更高。尤其在新兴的3D打印、金属注射成型(MIM)等增材制造领域对铁粉的上述性能有严格限制，只有球形度高的铁粉才能满足要求，使球形铁粉的重要性更为突出。常规的还原法无法生产球形铁粉，还原铁粉常为不规则状、近球状或短棒状，即使使用机械球化的方法也难以得到很高球形度的铁粉。
[0003]现有技术中的球形铁粉仅能依靠雾化法与羰基法生产，其中水雾化法铁粉的球形度依然难以满足要求，且能生产的最细粒度常在10μm以上，而气雾化法与羰基法都面临着生产成本高，生产条件苛刻的问题，生产与使用上受到了很大限制。
[0004]目前，已有采用喷雾干燥法获得球形粉体的相关报道，但是喷雾干燥法经常需要配加部分粘结剂来粘结成型实现造球，再通过高温过程固结，但是这种方法不适合氢还原制备球形铁粉的过程，铁粉还原温度低，粘结剂残留会影铁粉纯度，且氢还原铁粉在高温下易于结块，不利于获得分散性好的球形铁粉。

技术实现思路

[0005]针对现有技术存在的缺陷与不足，本专利技术的目的是在于提供一种氢还原法生产球形铁粉的方法，该方法利用超细微纳米铁氧化物颗粒在表面张力作用下喷雾干燥成型，再在特殊的温度下实现内部硬化，获得具有球形度高、密度大、流动性好的球形铁粉，在粉末冶金尤其是增材制造领域具有很好的应用潜力，且相对于现有常见的雾化法、羰基法等工艺，该方法具有操作简单、流程短、绿色无污染，且生产成本低等特点。
[0006]为了实现上述技术目的，本专利技术提供了一种氢还原法生产球形铁粉的方法，该方法包括以下步骤：
[0007]1)将铁氧化物原料经过超细湿磨处理，得到超细颗粒浆料；
[0008]2)将超细颗粒浆料进行喷雾干燥，得到球形团聚体；
[0009]3)将球形团聚体在750～850℃温度下进行氢气还原，得到还原产物，所述还原产物通过超声打散，即得球形铁粉。
[0010]本专利技术在氢还原法生产球形铁粉的过程中关键在于：先喷雾干燥获得球形团聚体，在喷雾干燥过程中充分利用溶剂表面张力大的特点来实现超细颗粒的物理团聚，在此基础上，通过严格控制氢还原过程中的温度条件，利用特殊温度条件下，球形团聚体内部的超细铁氧化物颗粒还原转化成高活性超细铁颗粒，而高活性超细铁颗粒之间通过烧结结块来实现球形团聚体的内部硬团聚，以提高球形团聚体内部强度和密度，而球形团聚体之间则粘结强度低，易于机械分散，从而获得球形度高、密度大、流动性好的球形铁粉。
[0011]本专利技术的超细湿磨过程可以将铁氧化物原料细化成微纳米超细颗粒，但是这种机械手段得到的超细颗粒呈现不规则状或近球状，经过氢还原所得铁粉形状难以控制，不能满足应用要求，而借助喷雾干燥手段可以使得这些不规则颗粒团聚成标准的球形团聚体，并且通过调控喷雾干燥的参数条件可以获得合适粒度、高球形度的球形团聚体。球形团聚体在氢还原过程中，由于其内部的超细颗粒本身有自发团聚的趋势，且在750℃以上氢还原温度下通过生成的高活性超细铁颗粒之间很容易烧结结块，随温度升高球形团聚体内部的硬团聚强度越大，但是如果温度升高至高于850℃时，球形团聚体与球形团聚体之间的结合强度增大，难以通过超声手段打散成球形铁粉，因此，通过严格控制氢还原温度有利于获得球形度高、密度大、流动性好的球形铁粉。
[0012]作为一个优选的方案，所述铁氧化物原料包括超纯铁精矿和/或超纯铁鳞。优选的铁氧化物原料中除氧外的杂质总含量不超过1％。本专利技术的铁氧化物原料来自于廉价的铁氧化物矿物，主要为常规冶炼金属的矿石原料或加工品，为保证铁粉的纯度，从源头上控制原料中杂质总含量小于1％。
[0013]作为一个优选的方案，所述超细湿磨处理的条件为：采用直径1mm以下的磨珠研磨，以水和/或醇类作为球磨介质，固液比在1kg:3～10mL，球磨转速不小于1000r/min，时间为2～4h。超细湿磨可以采用高能球磨和/或纳米砂磨等湿法研磨手段。通过控制球磨条件可以有效调控超细颗粒的粒级，在优选的超细湿磨条件下，可以控制平均粒径在1μm以下。优选的球磨转速为1000～3000r/min，进一步优选的球磨转速为2000～3000r/min。超细湿磨处理过程中可以根据需要添加适量分散剂以促进超细颗粒分散。
[0014]作为一个优选的方案，所述超细颗粒浆料中超细铁氧化物颗粒的粒径D
50
小于1微米。所述超细颗粒浆料中超细铁氧化物颗粒的质量含量范围为50～70％。喷雾干燥过程中主要依靠微细颗粒溶剂的表面张力作用下形成球形团聚体，亦依靠微细颗粒的团聚现象固结，因此对超细铁氧化物颗粒的粒度要求较细，仅在1微米以下颗粒才能满足上述要求。而浆料的固含量关系到后续喷雾干燥过程的顺利运行，需通过补液或离心、干燥、沉降等方式控制液相占比为30～50％，固含量在50～70％。
[0015]作为一个优选的方案，所述喷雾干燥采用离心式喷雾干燥方式。常规的喷雾干燥方式较难调节球形团聚体的粒径在30调节以下，而采用离心式喷雾干燥容易通过调节喷雾参数以获得粒径在30通过以下的球形团聚体且粒度分布窄。在喷雾干燥过程中球形团聚体粒度常在5微米左右，在750～850℃温度下进行氢气还原过程中，不会导致在球形团聚体之间结块。
[0016]作为一个较优选的方案，所述离心式喷雾干燥的条件参数为：喷口温度为150～250℃，离心转速为5000～20000r/min，喷口直径0.5～1.0mm，干燥时间为1～2s。离心式干燥机的参数中喷口温度、雾化器转速、喷口直径等是最关键参数，温度与粒度大小成负相关，喷雾器转速、喷口直径与之呈负相关，在连续生产时常控制浆料雾滴在1～2s内干燥，以获得更好效果。此外液相固含量，液相粘度，进料速率等参数也对团聚体粒度有相应影响，固含量控制在50～70％，粘度由选用溶液控制，这两项与粒径基本成负相关，适宜进料速率与设备大小等有关，若进料速率超过适宜范围喷雾体直径会变大，甚至会未干燥完全发生粘结。离心转速进一步优选为8000～15000r/min。
[0017]作为一个优选的方案，所述球形团聚体由超细铁氧化物颗粒团聚而成，粒度在30μ
m以下。喷雾干燥过程中由于表面力作用使得干燥团体呈现球状。进一步优选球形团聚体的粒径在3～30体的之间；更进一步优选为5～20μ之间。
[0018]作为一个优选的方案，所述氢气还原的时间为2～3h。氢气还原的温度控制在750～850℃范围内是调节球状粉末强度与球形度极为关键的参数，而在优选的温度范围内通过调控氢气还原反应的时间，可以保证球形团聚体具有较高的还原度，以及保证球形团聚体强度足够大不会在后续过程破碎，同时也能够保证团聚体之间不发发生严重粘结影响后续破碎。
[0019]作本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种氢还原法生产球形铁粉的方法，其特征在于：包括以下步骤：1)将铁氧化物原料经过超细湿磨处理，得到超细颗粒浆料；2)将超细颗粒浆料进行喷雾干燥，得到球形团聚体；3)将球形团聚体在750～850℃温度下进行氢气还原，得到还原产物，所述还原产物通过超声打散，即得球形铁粉。2.根据权利要求1所述的一种氢还原法生产球形铁粉的方法，其特征在于：所述铁氧化物原料包括超纯铁精矿和/或超纯铁鳞。3.根据权利要求1所述的一种氢还原法生产球形铁粉的方法，其特征在于：所述超细湿磨处理的条件为：采用直径1mm以下的磨珠，以水和/或醇类作为球磨介质，固液比为1g:3～10mL，球磨转速不小于1000r/min，时间为2～4h。4.根据权利要求1所述的一种氢还原法生产球形铁粉的方法，其特征在于：所述超细颗粒浆料中超细铁氧化物颗粒的粒径D
50
小于1微米；所述超细颗粒浆料中超细铁氧化物颗粒的质量含量范围为50～70％。5.根据权利要求1～4任一项所述的一种氢还原法生产球形铁粉...

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