СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОДИСПЕРСНОГО ПОРОШКА КАРБОНИЛЬНОГО ЖЕЛЕЗА Российский патент 2002 года по МПК B22F9/12 C01G49/16 

Изобретение относится к методам получения железных порошков и непосредственно касается физико-химического способа получения высокодисперсного порошка карбонильного железа (КЖ), применяющегося в металлургии (изготовление прецизионных сталей и сплавов, содержащих чистое железо), в порошковой металлургии (безотходные способы получения деталей спеканием), в радиотехнике и в промышленности проводной связи (магнитодиэлектрики и устройства для переговоров), в качестве магнитных наполнителей бесконтактных порошковых муфт сцепления в приборостроении и автомобилестроении, в порошковой дефектоскопии (неразрушающий контроль трещин, пустот и др. в крупногабаритных деталях), в промышленности композитов (в качестве армирующих заполнителей отверждаемых матриц) и для других целей.

Известен способ получения высокодисперсного порошка КЖ (авт.свид. СССР 479565, кл. В 22 F 9/12, 1975). В этом способе жидкий пентакарбонил железа через дозатор со скоростью 42-45 л/ч подают в испаритель, температуру в котором поддерживают 106-108^oС. Отсюда пары пентакарбонила подают в верхнюю часть ректора, сюда же одновременно подают газообразный аммиак со скоростью 1640 л/ч. Температуру в верхней и средней зонах реактора поддерживают в интервале 345-350^oС, а в нижней зоне - 320-330^oС. Недостатком способа является наличие большого количества конгломератов частиц (30-35 мас.%) в целевом порошке КЖ, а также наличие в частицах КЖ большого количества примесей азота (0,9-1,9 мас.%).

Известен также способ получения высокодисперсного порошка КЖ (Кипарисов С. С. и др. Оборудование предприятий порошковой металлургии. - М.: Металлургия, 1988, с. 66-67), принятый в качестве ближайшего аналога, включающий очистку жидкого пентакарбонила железа, испарение в испарителе и разложение при нагреве в цилиндрическом реакторе в присутствии газообразного аммиака, подаваемого одновременную с парами пентакарбонила железа в верхнюю горловину цилиндрического реактора.

Недостатком способа-прототипа также является наличие большого количества конгломератов частиц (30-32 мас.%) в целевом порошке КЖ и наличие в частицах большого количества примесей азота (0,95-1,92 мас.%).

Задачей изобретения является снижение количества конгломератов в целевом порошке КЖ и уменьшение в частицах КЖ примесей азота.

Технический результат заключается в получении порошка карбонильного железа с пониженным содержанием конгломератов частиц 4% и менее и с пониженным содержанием связанного азота 0,6% и менее.

Технический результат достигается тем, что в известном способе получения высокодисперсного порошка карбонильного железа, включающем очистку жидкого пентакарбонила железа, испарение в испарителе и разложение при нагреве в цилиндрическом реакторе в присутствии газообразного аммиака, подаваемого одновременную с парами пентакарбонила железа в верхнюю горловину цилиндрического реактора, согласно изобретению испарение пентакарбонила железа осуществляют при скорости его подачи в испаритель 41-45 л/ч, а газообразный аммиак подают в количестве 25-28 л на 1 л жидкого пентакарбонила железа, при этом разложение осуществляют в реакторе, разделенном на обогреваемые зоны, а температуру в обогреваемых зонах по ходу движения паров пентакарбонила железа поддерживают: в верхней - 305-308^oС, в средней - 322-325^oС и в нижней - 280-290^oС.

Предложенный способ получения высокодисперсных частиц КЖ осуществляют следующим образом. Жидкий пентакарбонил железа (ПКЖ) из верхнего мерника подают в узел тонкой фильтрации, состоящий из системы трех фильтрующих устройств. Затем очищенный от высокодисперсных частиц сажистого углерода жидкий ПКЖ поступает через фильтр глубокой очистки в испаритель выпарного типа со скоростью 41-46 л/ч. Образующиеся в испарителе при температуре 109-114^oС пары ПКЖ равномерно с зеркала испарения пдают внутрь вертикального пустотелого реактора разложения ПКЖ диаметром 1,1-1,2 м и высотой 8,5-9,5 м через верхнюю горловину на реакторе диаметром 0,18-0,20 м. Тангенциально к оси реактора разложения в ту же горловину подают пары МН₃, нагретые до температуры 120-125^oС, в количестве 25-28 л на каждый литр ПКЖ, поступающего в испаритель. При этом в верхней зоне ректора разложения ПКЖ поддерживается температура 305-308^oС ("зона формирования частиц железа КЖ"). Средняя зона нагревается до 322-325^oС ("зона завершения формирования частиц"). И наконец, нижняя зона реактора разложения имеет нагрев, равный 280-290^oС ("зона доразложения паров ПКЖ"). Образующийся в результате разложения ПКЖ монооксид углерода СО со взвесью высокодисперсных частиц КЖ подают на рециркуляцию абгазов, последовательно пропуская их через фильтр рукавного типа (здесь отбирают тонкую фракцию порошка), а затем через фильтры и циклоны тонкой очистки и сепарации (здесь отбираются еще более тонкие фракции порошка КЖ). Очищеный от порошка КЖ монооксид углерода СО с помощью газодувки возвращают в рецикл разложения ПКЖ, еще более увеличивая тем самым скорость подачи паров ПКЖ и приводя к образованию более мелкого порошка КЖ из-за создания ламинарноподобного режима движения потока.

Пример 1
Жидкий ПКЖ направляют из верхнего мерника в узел тонкой фильтрации. Вначале он проходит фильтр грубой очистки, где очищается от механических примесей (грубая окалина, мелкие кусочки непрореагировавших металлизованных окатышей, грязь и т. п. ). Во втором фильтре завершается очистка от более мелких механических примесей. Наконец, в третьем фильтре специальной конструкции осуществляется глубокая очистка жидкого ПКЖ от аэрозольных (высокодисперсных) частиц сажистого углерода, в основном, привнесенных в реактор синтеза ПКЖ с потоком СО, поступающим из ресивера высокого давления СО.

После окончательной очистки от тонких частиц сажистого углерода жидкий ПКЖ подают в испаритель ПКЖ со скоростью 42,4 л/ч. Пары Fe(CO)₅, выходящие из испарителя при температуре 109-110^oС, направляют в смеситель диаметром 0,2 м и высотой 0,3 м, находящийся в верхней части вертикального реактора разложения ПКЖ, имеющего диаметр 1,2 м и высоту цилиндрической части 9,0 м. Сюда же в смеситель, но сбоку (тангенциально к его оси) направляют поток газообразного аммиака, нагретого до температуры 120^oС. Расход NН₃ поддерживают равным 27 л на 1 л жидкого Fe(CO)₅, то есть 1144,4 л/ч.

В реакторе разложения ПКЖ поддерживают трехзональный температурный режим, обеспечивающий нужный градиент температур для зародышеобразования и формирования частиц КЖ необходимой дисперсности. В верхней зоне температура равна 306^oС, в средней зоне 325^oС и в нижней зоне 290^oС.

Из реактора разложения ПКЖ выгружают 62% порошка КЖ с размерами частиц от 0,5 до 1,9 мкм. Из рукавного фильтра за реактором разложения ПКЖ выгружают 34% порошка КЖ с размерами частиц 0,3-1,9 мкм. Из фильтра тонкой очистки СО и циклонов выгружают 4% еще более мелких частиц КЖ с размерами частиц 0,1-0,9 мкм и менее.

Порошок железа практически не имеет конгломератов (всего 4% против 30-32% у прототипа), имеет пониженное содержание связанного азота по сравнению с прототипом (менее 0,6% против 0,9-1,9% у прототипа) и не содержит других нежелательных примесей. Что касается примесей связанного углерода и кислорода у частиц порошка железа CVD-iron, то они равны каждый по 0,7-0,9 мас.% и не оказывают отрицательного влияния на его функциональные свойства при использовании полученных порошков КЖ во всех отраслях хозяйства, указанных выше.

Пример 2 (по способу-прототипу)
Пары ПКЖ из испарителя со скоростью 10 л/ч подают в ректор, в который одновременно вводят газообразный аммиак в количестве 40 л на 1 л жидкого ПКЖ. В верхней зоне реактора поддерживают температуру 345^oС, в средней 350^oС, а в нижней 330^oС.

Получают порошок КЖ из реактора разложения в количестве 71% с размерами частиц 2,5-4,0 мкм. Из фильтра за реактором получают 28% порошка КЖ с размерами частиц 1,7-3,5 мкм. Из циклонов получают 1% порошка КЖ с размером частиц 1,1-1,5 мкм.

Порошок имеет в среднем 32% конгломератов частиц, а частицы содержат 0,9-1,9 мас. % связанного азота. Количество связанных кислорода и углерода колеблется в интервале 0,95-1,76 мас.%.

Изобретение относится к области порошковой металлургии, в частности к получению высокодисперсного порошка карбонильного железа. Предложенный способ включает очистку жидкого пентакарбонила железа, испарение в испарителе и разложение при нагреве в цилиндрическом реакторе в присутствии газообразного аммиака, подаваемого одновременно с парами пентакарбонила железа в верхнюю горловину цилиндрического реактора, причем согласно изобретению испарение пентакарбонила железа осуществляют при скорости его подачи в испаритель 41-45 л/ч, а газообразный аммиак подают в количестве 25-28 л на 1 л жидкого пентакарбонила железа, при этом разложение осуществляют в реакторе, разделенном на обогреваемые зоны, температуру в обогреваемых зонах по ходу движения паров пентакарбонила железа поддерживают: в верхней 305-308^oС, в средней 322-325^oС и в нижней 280-290^oС. Обеспечивается получение порошка карбонильного железа с пониженным содержанием конгломератов частиц 4% и менее и с пониженным содержанием связанного азота 0,6% и менее. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

1. Способ получения высокодисперсного порошка карбонильного железа, включающий очистку жидкого пентакарбонила железа, испарение в испарителе и разложение при нагреве в цилиндрическом реакторе в присутствии газообразного аммиака, подаваемого одновременно с парами пентакарбонила железа в верхнюю горловину цилиндрического реактора, отличающийся тем, что испарение пентакарбонила железа осуществляют при скорости его подачи в испаритель 41-45 л/ч, а газообразный аммиак подают в количестве 25-28 л на 1 л жидкого пентакарбонила железа, при этом разложение осуществляют в реакторе, разделенном на обогреваемые зоны. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что температуру в обогреваемых зонах по ходу движения паров пентакарбонила железа поддерживают в верхней - 305-308^oС, в средней - 322-325^oС и в нижней -280-290^oС.