其他金属材料成型技术 粉末的制取 还原法.docVIP

职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库 PAGE 1 其他金属材料成型技术课程 职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库 其他金属材料成型技术课程 还原法制备粉末 制作人：孙慧 淮遵科 陕西工业职业技术学院 还原法制备粉末 还原是指用还原剂将金属化合物转变为金属粉末的方法，金属化合物多为氧化物，也可以为金属盐类。以铁精矿粉或冶金工业废料如轧钢铁鳞为原料，用碳作为还原剂制取铁粉，该方法最为经济；用氢气或分解氨还原金属氧化物，可以制取钨、钼、铁、铜、钴、镍等粉末；用转化天然气还原铁矿粉，可以制取铁粉；用钠、钙、镁等金属还原金属氧化物或金属盐，可以制取钽、铌、钛、锆、钍、铀等金属粉末；用甲醛、水合肼等作为还原剂，可以还原水溶液中的铜、镍等金属离子，制取铜粉、镍粉或包覆粉末。 一、还原法的热力学原理 还原的原理是夺取氧化物或盐类中的氧，而使其转变为元素或低价氧化物的过程。还原反应可用下面一般化学式表示： MeO＋X ＝ Me＋XO Me — 金属； MeO — 金属氧化物； X — 还原剂； XO — 还原剂氧化物； 金属氧化微粒发生还原反应，生成金属粉末的过程如下图所示： 图1 金属氧化微粒还原反应生成金属粉末的示意图 二、碳还原铁氧化物制取铁粉 1. 碳还原铁氧化物的原理 用固体碳来还原铁的氧化物，如工业上是将固体碳与氧化铁封装在一个反应罐中，用碳还原氧化铁制取铁粉。铁氧化物的还原过程是分阶段进行的，即从高价氧化物到低价氧化物呢，最后转变成金属： Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fe 铁氧化物的还原过程是分阶段进行的，当温度高于570℃时， 3Fe2O3 ＋ CO ＝ 2Fe3O4 ＋ CO2 Fe3O4 ＋ CO ＝ 3FeO ＋ CO2 FeO ＋ CO ＝ Fe ＋ CO2 温度低于570℃时， 3Fe2O3 ＋ CO ＝ 2Fe3O4 ＋ CO2 FeO不能稳定存在，所以 Fe3O4 ＋ 4CO ＝ 3Fe ＋ 4CO2 思考题：用木炭还原铁氧化物制取铁粉，进行的是固—固还原反应，为什么实际是用CO还原铁氧化物， 发生的是气—固还原反应呢？ 图2 固-固接触面积和气-固接触面积 工业上固体碳还原铁是将固体木炭与氧化铁封装在一个反应罐中，氧化铁采用“环装”、“柱装”等形式罐装。 图3 装罐方式1—耐火罐　2—还原剂　3—氧化铁 初始反应状态为固-固反应，即固体碳与氧化铁的反应，还原反应的化学方程式如下，当温度高于650℃时， 6Fe2O3 ＋ 2C ＝ 4Fe3O4 ＋ 2CO 6Fe2O3 ＋ C ＝ 4Fe3O4 ＋ CO2 Fe3O4 ＋ C ＝ 3FeO ＋ CO 2Fe3O4 ＋ C ＝ 6FeO ＋ CO2 当温度高于685℃时， FeO ＋ C ＝ Fe ＋ CO 2FeO ＋ C ＝ 2Fe ＋ CO2 当反应产物中有CO时，固-固反应转变为气-固反应，即固体碳与氧化铁的反应转变为CO与氧化铁的反应。这是因为，固体与固体的接触面积是有限的，气-固反应速度比固-固反应速度快得多，因此，所说的用碳还原氧化铁制取铁粉，主要发生的还原反应为CO与氧化铁的反应，可以称之为间接还原。实际的还原反应的化学方程式如下，温度高于570℃时， 3 Fe2O3 ＋ CO ＝ 2Fe3O4 ＋ CO2 Fe3O4 ＋ CO ＝ 3FeO ＋ CO2 FeO ＋ CO ＝ Fe ＋ CO2 当温度低于570℃时， Fe3O4 ＋ 4CO ＝ 3Fe ＋ 4CO2 只要有固体碳存在，CO还原氧化铁生成的CO2一定会与C发生反应： CO2 ＋ C ＝ 2CO 生成的CO作为还原剂还原氧化铁又生成CO2，这样的体系将维持在一个动态平衡中。 2. 固体碳还原剂 生产中常用的固体碳还原剂有以下三种： （1）木炭 图4 木炭 将木材置于干馏窑中，在隔绝空气的条件下加热分解出木炭，因其气孔率大，活性大，所以一还原能力强；但较贵。适宜的木炭加入量为86%-90%，可得到含铁98%以上、含碳0.5%以下的海绵铁；木炭量低于86%时，木炭不够还原全部的氧化铁；木炭量高于98%时，木炭过剩，铁粉中的碳含量升高。 （2）焦炭 煤在锅炉炉内加热到850℃以上时，随着温度升高，煤中的有机物分解， 其中挥发性产物逸出后， 残留下的不挥发产物就是焦炭。其气孔率低于木炭，活性稍差，但含硫量高，会使海绵铁中的硫含量增高。使用焦炭作还原剂时，需要加入适量的脱硫剂，如石灰石、石灰等。 图5 焦炭 （3）无烟煤 气孔率低于2%-4%，还原能力最差，硫含量较高，达到0.