一种制备高纯超细金属粉末的方法及装置与流程

本发明涉及到粉末冶金技术领域，特别涉及到一种制备高纯超细金属粉末的方法及装置。

背景技术：

超细金属粉末是粉末冶金工业的基础原料之一，主要用于粉末冶金、制造机械零件、生产摩擦材料、超硬材料、磁性材料、润滑剂及其它制品，还广泛应用于化工、切割、发热材料、焊条、生物、医学、光学等诸多领域。

与普通金属粉末相比，超细金属粉末具有更大的比表面积和活性，以及特殊的电、磁、光、催化、吸附和化学反应性等。随着粉末冶金制品向着高致密度，高强度，形状复杂等方向的发展，超细金属粉末的用量越来越大。比如，在粉末冶金制品中加入一定量的超细铁粉可以明显地提高产品致密度，从而提高其强度，还可以降低产品的烧结温度。

近年来，随着3d打印技术的蓬勃发展，使得超细金属粉末的市场进一步扩大。3d打印金属粉末作为金属零件3d打印产业链最重要的一环，也是最大的价值所在。在“2013年世界3d打印技术产业大会”上，世界3d打印行业的权威专家对3d打印金属粉末给予明确定义，即指尺寸小于1mm的金属颗粒群。包括单一金属粉末、合金粉末以及具有金属性质的某些难熔化合物粉末。

目前，3d打印金属粉末材料包括钴铬合金、不锈钢、工业钢、青铜合金、钛合金和镍铝合金等。但是3d打印金属粉末除需具备良好的可塑性外，还必须满足粉末粒径细小、粒度分布较窄、球形度高、流动性好和松装密度高等要求。

目前超细金属粉末主要的制备方法包括：还原法、羰基法、真空蒸发法和溅射法、高能球磨法等。

还原法生产超细金属粉末通过二步法实现，即第一步采用隧道窑还原纯的金属矿粉，得到普通金属粉末，第二部采用球磨普通金属粉末加多级分级，再通过氢还原将金属粉末的氧含量降低到0.5%左右，这种工艺的能耗高、经济性差；

羰基法首先需要将fe和co在一定的条件下进行羰基化，生成羰基铁（fe(co)5），然后再在一定的温度和压力条件下进行热解，从而形成超细铁粉。该方法的优点是所生产的超细铁粉纯度高，粒度细而均匀，流动性好；其缺点是co和fe(co)5均为易燃易爆、有毒的物质，生产过程对环境污染大，而且该方法的生产成本高，从而使得羰基铁粉的价格居高不下；

草酸法是利用硫酸铁作为原料，使用草酸置换硫酸根得到纯的草酸铁，再加热分解并利用氢还原得到超细铁粉。其产品能够满足2000目以上要求，但制备成本高。市场上优质草酸6000~7000元/吨，每吨超细铁粉的草酸亚铁需草酸原料成本15000~17000元，总成本27000~30000元/吨，因此这种方法适合面对高端市场，否则难以生存。

还有其它如雾化法生产铁粉，其首先用中频感应炉熔化工业纯铁，再在旋转的雾化装备上制备100目~200目的铁粉，这种工艺不易得到超细粉末，适合做合金粉；

现有技术中还有通过电解制备金属粉末，金属粉末的形貌和大小可通过改变电解条件来控制，由于该工艺能耗高，易氧化，只能在油相中存在，导致生产成本过高，产量低，发展受到限制，适宜用于市场300~400目的金属粉末。

目前超细金属粉末的产能有2万吨，随着市场的不断扩大，需求量预计可达每年10万吨。超细金属粉末由于其特殊的性能，从而具有比普通金属粉末更高的附加值，如对于用于金刚石工具胎体材料的普通铁粉价格约为6000元/吨，但超细铁粉（平均粒径约18µm）的价格约24000元/吨。虽然，羰基铁粉也可以用于金刚石工具，但是由于其生产成本高，羰基铁粉的价格约58000元/吨，从而使其不具有竞争力。

另外，现有技术cn201710407863.4公开了一种低温直接还原制备超细铁粉的方法，但其同样需要经过氧化、还原两个过程，也存在生产成本相对较高的问题；故，如何提供一种低成本的超细金属粉末制备方法成为本领域技术人员亟待解决的问题。

技术实现要素：

为了解决现有超细金属粉末制备成本高的问题，本发明提供了一种制备高纯超细金属粉末的方法，其不仅成本低，并且产品性能优良。

本发明一种制备高纯超细金属粉末的方法，包括以下步骤：

s100：将超纯矿粉进行粉碎，获得超细矿粉；

s200：将超细矿粉均匀铺设在方舟上，再送入氢还原反应器中加热获得超细金属粉末；

s300：对超细金属粉末进行打散，然后进行真空包装。

本申请在具体应用时，首先通过现有超细粉体设备直接将超纯矿粉细化，然后将原料混匀后铺在方舟里在连续带式氢还原反应器中移动加热，得到高还原率的超细金属粉末，最后将金属粉末打散，得到超细金属粉末，通过真空包装机加以包装。

本发明的另一目的还提供了一种采用上述方法的装置，包括超细粉体制备装置，超细粉体制备装置连接有还原装置，还原装置末端连接有粉末打散装置；粉末打散装置末端连接有包装装置。

本申请实现的原理为：细化后的细微矿粉在一定的温度下进行氢还原，根据反应热力学与动力学规律，储能的细粉体有利于反应温度的降低、反应速度的加快，能够在较低的温度下快速地进行还原反应，这样一方面可以使还原后的金属粉末易于保持超细的粒度，另一方面又节约了能源消耗，从而降低了生产成本。

通过本发明的制备工艺产生的有益效果为：

（1）还原温度低，节能；

（2）采用先细化矿粉的方法制备超细金属粉末；可得到了超细的金属粉末；

（3）生产成本低、产品性能优良；

（4）对环境污染小。

附图说明

图1中为本发明超细金属粉末成品图。

图2中为本发明中制备高纯超细金属粉末的装置连接示意图。

图中：1超细粉体制备装置、2还原装置、3氢气制备装置、4检测装置、5粉末打散装置、6包装装置。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

本发明一种制备高纯超细金属粉末的方法，包括以下步骤：

s100：将超纯矿粉进行粉碎，获得超细矿粉；

s200：将超细矿粉均匀铺设在方舟上，再送入氢还原反应器中加热获得超细金属粉末；

s300：对超细金属粉末进行打散，然后进行真空包装。

本申请在具体实施时，首先通过现有超细粉体设备直接将超纯矿粉细化到一定水平，在本实施例中将300目的71.5%的铁精矿粉用cxm型环辊磨机碾磨，主机电流为110a，分级机频率为40hz，引风机频率为40hz，喂料机频率为20hz，在该条件下得到的铁精矿粉末的粒度d50为4-6微米，粒度d90平均碾磨至粒径10-12微米；由于矿粉属于脆性物质，易于研磨至微米级甚至亚微米级，而且在球磨的过程中机械能部分转化为氧化粉体的表面能、晶界能以及晶格畸变能等，实现氧化粉体的储能；另外，还可以通过控制研磨工艺，控制细化后矿粉的粒度，结合选择合理的还原温度，可得到不同粒度的超细金属粉末，以满足不同产品对原料粒度的不同要求，与目前的各种冶炼法生产的金属粉末相比，本申请属于国家鼓励发展的绿色制造高附加值新兴产品。

纯矿粉经过碾磨后；然后将其混匀后铺在方舟里，方舟通过带式氢还原反应器中进行移动加热，为了提高还原率，本申请中采用分段式加热，并且通过低温还原，以得到高还原率的超细金属粉末，最后通过分散装备将金属粉末打散，本申请中还原之后的粉料，在装入crn600型氮气保护冲击磨机中进行打散处理，冲击磨机的工作参数为主机频率43hz，分级机频率35hz，引风机频率40hz，喂料机频率20hz，在该条件下得到超细铁粉成品，其粒度d50为4.5微米，d90为9.6微米，氧含量为0.65%；最后对超细金属粉末通过dz500型双室真空包装机中加以包装。

本申请将细化后的细微矿粉在一定的温度下进行氢还原，根据反应热力学与动力学规律，储能的细粉体有利于反应温度的降低、反应速度的加快，由于能够在较低的温度下快速地进行还原反应，这样一方面可以使还原后的金属粉末易于保持超细的粒度，另一方面又节约了能源消耗，从而降低了生产成本。

进一步地，为了提高还原率，本申请中碾磨后纯矿粉在带式氢还原反应器中进行分为五个阶段加热，对五个阶段的加热时间和加热温度均可选择不同，本申请在实际实施中采用了多组加热参数同时对12微米的微铁粉进行还原试验，还原试验中氢气流量为35m³/h，得到不同的还原率见下表。

通过上述对比可知，在本申请中加热参数选择为：第一阶段630-670℃，1.2-1.5h；第二阶段670-710℃，0.8-1.2h；第三阶段740-760℃，0.5-0.8h；第四阶段780-790℃，1.0-1.6h；第五阶段690-710℃，0.7-1h；此时还原效率最大。

进一步地，为了节约能源，降低成本，本申请中第三步骤s300还包括制氢装置和氢回收系统，其中制氢和氢回收系统均可采用现有技术，例如本实施例中制氢装置采用jfq-80/1.0型甲醇重整制氢装置，氢回收系统选择hqcc-240型氢气回收装置；以此可让氢气循环利用，降低使用成本。

进一步地，为了提高质量，本申请中在带式还原后，还设置有检测单元，即所述s200与所述s300之间还包括检测单元，通过检测单元检测前面工序的质量，其中检测单元可选择现有技术中所熟知的检测设备，包括原料及成品的粒度检测设备、应用激光粒度测试仪、成品氧含量的测试仪器等。

本发明中设备可选择现有技术中的常用设备，例如超细粉体制备装置1可选择还原装置2，还原装置2可选择带式氢还原反应器，粉末打散装置5可选择crn600型氮气保护冲击磨机，包装装置6可选择dz500型双室真空包装机，其单个设备本身并非本申请的创新点，本实施例中选择现有设备能够降低成本；同时上述设备的具体结构连接也可以选择现有技术中常用的连接方式，例如通过法兰或管路连接等；本申请提出了通过上述设备组合成制备高纯超细金属粉末的装置，其中通过超细粉体制备装置1先细化矿粉，能够得到超细的矿粉，其次通过还原装置2将矿粉还原成超细的金属粉末；还原后的金属粉末通过粉末打散装置分散后进行包装，进而形成成品。

为了控制质量，在本申请中还原装置2与粉末打散装置5之间还连接有检测装置4，通过检测装置4检测金属粉末的还原质量；另外为了降低成本，还原装置2还连接有氢气制备装置3，通过氢气制备装置3制备氢气，提供给还原装置2用以还原矿粉，同时氢气制备装置3内还设置有氢回收系统。

通过本发明的制备工艺产生的有益效果为：

（1）还原温度低，节能，产品粒度细

以超纯超细铁粉为例，氢气还原温度低于800℃，远低于隧道窑还原的1150℃，温度降低幅度达到350℃以上；通过本申请提供的技术生产的超纯超细铁粉没有粘结在一起形成硬铁块，而隧道窑还原则形成了硬块铁，需要破损、球磨等进一步处理，并且隧道窑还原无法得到2000目铁粉。

（2）采用先细化矿粉的方法制备超细金属粉末

同样以超纯超细铁粉为例：隧道窑法用还原后的铁块细化，由于金属铁的延展性，很难超过400目；而雾化铁粉采用高压水冲液体金属制备细粉体，同样金属具有凝聚力，难以达到很细的水平；再者利用氧化物具有脆性，容易细化的特性，本申请中采用先将精矿粉进行粉体细化，得到超细的精矿粉，然后在后续的还原过程中控制一定的还原温度，避免金属颗粒的粒度长大，从而可得到了超细的金属粉末，本工艺中得到的超细铁粉的粒度平均粒径d50在4-6微米左右，而d90在10微米以下。

（3）生产成本低、产品性能优良

同样以超纯超细铁粉为例：本申请生产的超细铁粉可用于粉末冶金、磁性材料、3d打印材料，产品性能优良（由于本工艺的铁粉粒度细，平均粒径在5微米左右，所以表面积大，活性高，成型性好，用于粉末冶金压制烧结件中，可以明显的提高粉末制品的烧结密度及致密度，可以提高制品的强度和硬度，从而提高制品的使用寿命。在3d打印材料中，提高制品的致密度十分重要，为了提高制品的致密度，往往要采用工艺成本很高的后处理工艺，而加入一定量的超细金属粉末可以明显的提高制品的致密度，从而使得3d打印后处理工艺得到简化，降低3d制品的工艺成本。

与传统隧道窑二步法生产的铁粉、羰基铁粉、草酸铁粉相比，成本大大降低，具有明显的经济效益（传统的隧道窑二步法最细只能生产500目的铁粉，而且收到率还很低，羰基铁粉的价格~58000元/吨，草酸铁粉的总成本约27000~30000元/吨，本项目生产的超细铁粉平均粒度在4-6微米，与羰基铁粉和草酸法生产的超细铁粉粒度相当，但成本较前两者低很多。本工艺使用的原料是铁精矿粉，价格在1100-1500元/吨范围，原料粉碎成本为500元/吨，还原成本为12400元/吨，这包括了还原所用的氢气的成本），后处理成本为1000元/吨，总成本为17400元/吨，按照目前超细铁粉市场价30000元/吨计算，该工艺的超细铁粉有12000元/吨的毛利润。

（4）环境友好：本申请使用电作为加热能源，过程干净，厂区无碳排放，同时本申请中采用纯的原料和氢还原，无so2、nox等排放，环境非常友好；与目前的各种冶炼法相比，最具有环境优势，属于国家鼓励发展的绿色制造高附加值新兴产品。

应理解实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作任何各种改动和修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限制。