Физико-химические методы получения порошков металлов

Физико-химические основы процессов восстановления
Восстановление оксидов
2Ме + О2 = 2МеО (1)
2Х + О2 = 2ХО (2)
|ΔG2| > |ΔG1|
MeО +Х → Me + ХО
ΔG<0
W, Fe, Мo, Cr ,Nb, Мn, Si, Ti, Zr, Mg, Al, Ca

Восстановление оксидов
1. Восстановление металлами (Mg, Al, Ca)
2. Восстановление углеродом
3. Восстановление водородом

Зависимость ΔG реакции восстановления оксидов от температуры
МеО + С = Ме + СО

Преимущества способа восстановления
Низкая стоимость процессов восстановления углеродом;
Хорошая контролируемость размеров частиц (оксиды обычно хрупки, легко измельчаются и просеиваются);
Получение пористых частиц, которые легко прессуются;
Возможность применения как для мелкого так и крупного производства, в непрерывном или периодическом режиме;

Недостатки способа восстановления
Высокая стоимость восстановления чистыми газами;
В некоторых случаях большая потребность в газе – восстановителе при ограниченных масштабах его производства;
Чистота конечного продукта обычно полностью зависит от чистоты сырья;
За некоторыми исключениями процессы восстановления непригодны для производства порошков сплавов;

Восстановление галогенидов
MeClx + х/2 H2 → Me + x HCl
Исходное сырье: хлориды и фториды железа, вольфрама, молибдена, ниобия, тантала, титана, циркония

Типы восстановителей
- газообразные (Н2, СО и газы, содержащие СО и Н2 - генераторный, природный конвертированный, водяной, коксовый, доменный газ, диссоциированный аммиак);
- твердый - углерод в виде сажи, антрацит;
- жидкие - металлы (натрий, кальций, магний) или их соединения, например гидрид кальция и др.;
- комбинированный - твердый и газообразный одновременно

Получение порошка железа
оксидное сырье
1. Прокатная окалина. Окалина состоит из Fe3О4, и Fe203 с общим содержанием железа около 72 %.
2. Высокообогащенный концентрат природных окисленных железных руд с содержанием железа около 71% в виде гематита (Fe203) и магнетита (Fe3О4)

Процессы восстановления оксидов железа
3Fe2O3 + Н2 = 2 Fe3О4 + H20 + 7,14 кДж
Fe3О4 + Н2 = 3FeO+ H20 - 53,00 кДж
FeO + Н2 = Fe +H20 -30,24 кДж
Fe3О4 + Н2 = 3Fe +4H20 - 224, кДж .

механизм восстановления оксидов металлов газообразным восстановителем
1. Адсорбция газа-восстановителя (Н2, СО) на поверхности оксида.
2. Уход электронов от атомов адсорбированного восстановителя в решетку оксида, например FeO, с образованием положительных ионов восстановителя:
Н2 -2ё = 2Н+
3. Взаимодействие катиона восстановителя с анионом кислорода на поверхности кристалла оксида в наиболее энергетически выгодных (дефектных) местах с образованием Н2О (или С02).
4. Десорбция образующихся молекул Н2О (или С02).
5. Образование ионов металла при уходе кислорода с поверхности оксида.

Губчатый порошок железа, полученный восстановлением

Многотрубчатая толкательная печь

Проходная муфельная печь

Конвейерная печь

Схема получения порошка железа в установке кипящего слоя
1 - вращающаяся печь для обжига концентрата; 2 - бункер; 3 - реактор; 4 - приемный бункер

Варианты получения железного порошка восстановлением водородом
I. В проходных муфельных или трубчатых печах; t1= 650 ÷ 700 °C, t2 = 700 ÷ 800 °C
2. В конвейерной проходной печи; t = 980 °C, τ = 5 час.
3. В печи кипящего слоя. t = 540 °C + отжиг 800 °C.

MeO + C0 = Me+ C02
C + C02 = 2 CO
_________________________
MeO + C = Me + CO

Процессы восстановления оксидов железа твердым углеродом
3 Fe2O3+ C = 2 Fe3О4 + СО
6 Fe2O3+ C = 4 Fe3О4 + СО2
Fe3О4 + C = 3FeO + СО
2Fe3О4 + C = 6FeO + СО2
FeO+C = Fe+CO
2FeO+C = 2Fe+CO2
Fe3О4 + 4C = 3Fe + 4СО
Fe3О4 + 2C = 3Fe + 2СО2

Восстановление твердым углеродом

Комбинированное восстановление (С<0,1%)

Схема восстановления в шахтной печи

Классификация железных порошков
ГОСТ 9849-86

Химический состав железного порошка
Регламентируется содержание элементов: C, Si, Mn, S, P, потери массы при прокаливании в водороде (кислорода), остатка, нерастворимого в соляной кислоте

Гранулометрический состав порошка
Знак «-» означает, что контроль данных фракций не проводится. Наличие следов данных фракций не является браковочным признаком.

Насыпная плотность