《粉體制備技術(shù)》單元設(shè)計1-固體碳還原法

1、粉體制備技術(shù)課第1單元課程單元教學(xué)設(shè)計（20122013學(xué)年第二學(xué)期）單元名稱：還原鐵粉的生產(chǎn)-固體碳生產(chǎn)還原鐵粉所屬系部： 冶金與建筑工程系 制定人： 解傳娣 合作人： 制定時間： 2013.07.06 萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院粉體制備技術(shù)課程單元教學(xué)設(shè)計單元標(biāo)題： 還原鐵粉的生產(chǎn)-固體碳生產(chǎn)還原鐵粉單元教學(xué)學(xué)時4在整體設(shè)計中的位置第1次授課班級上課時間周 月 日第 節(jié)至周 月 日第 節(jié)上課地點教學(xué)目標(biāo)能力目標(biāo)知識目標(biāo)素質(zhì)目標(biāo)1、熟悉粉末冶金企業(yè)采用固體碳制取還原鐵粉工藝流程2、掌握還原法制取還原鐵粉各工藝環(huán)節(jié)的操作要點1、了解固體碳制取還原鐵粉原理2、掌握固體碳制取還原鐵粉工藝及流程組織現(xiàn)場生產(chǎn)與

2、企業(yè)管理能力訓(xùn)練任務(wù)任務(wù)1、了解鐵粉的生產(chǎn)方法任務(wù)2、還原鐵粉的生產(chǎn)-海綿鐵的生產(chǎn)任務(wù)3、還原鐵粉的生產(chǎn)-二次還原鐵粉的生產(chǎn)（鐵粉二次精還原）任務(wù)4、總結(jié)現(xiàn)場生產(chǎn)技術(shù)及操作要點本次課使用的外語單詞無案例和教學(xué)材料（指教材或講義、課件、參考資料、儀器、設(shè)備等）案例1.（摘自）案例2.案例3.資料。儀器、設(shè)備。附件：教學(xué)教案項目一：還原鐵粉的生產(chǎn)子項目1：固體碳生產(chǎn)還原鐵粉指導(dǎo)教師： 李國平萊蕪職業(yè)技術(shù)學(xué)院冶金與建筑工程系2013.07.06任務(wù)1：了解還原鐵粉的生產(chǎn)方法1.1 圖示部分粉末冶金零件 上汽集團粉末冶金有限公司PM零件 上汽萊蕪粉末冶金廠 山東呈瑞粉末冶金廠 萊蕪新藝粉末冶金廠排氣閥

3、座圈 泰鋼集團磁性材料廠 新藝產(chǎn)品 金石產(chǎn)品 呈瑞制品 泰鋼磁性材料 黑旋風(fēng)鋸片1.2 生產(chǎn)制造這些零件所用的主要原料還原鐵粉泰鋼粉末冶金廠還原鐵粉 萊鋼粉末霧化一次粉 萊鋼粉末冶金廠水霧化鐵粉 泰鋼集團粉末冶金廠還原鐵粉及海綿鐵萊鋼粉末廠海綿鐵 金石還原鐵粉JHY100.25 金石水霧化鐵粉JSW200 萊鋼粉末廠還原鐵粉FHY100.27 萊鋼粉末廠水霧化純鐵粉LAP100.291.3 粉末生產(chǎn)方法（1）生產(chǎn)方法粉末的制造方法通常分為兩類，即物理化學(xué)法和機械粉碎法，工業(yè)上應(yīng)用較多的有還原法、霧化法和電解法，鐵粉的制備方法和一般特征見下表。制備方法鐵粉的一般特征主要用途價格鐵鱗還原法粉末顆粒

4、為不規(guī)則狀，中等松裝密度，純度高，壓縮性好、壓坯強度高，燒結(jié)性好結(jié)構(gòu)零件焊條金屬切割便宜鐵礦還原法粉末顆粒為不規(guī)則狀，松裝密度較低，雜質(zhì)含量較高，壓縮性稍差結(jié)構(gòu)零件焊條金屬切割便宜霧化法粉末顆粒接近球狀，松裝密度高，流動性好，壓坯強度高高密度結(jié)構(gòu)零件粉末鍛造零件，過濾器，焊條比還原鐵粉貴15%左右電解法粉末顆粒為樹枝狀或片狀，松裝密度高、純度好、壓縮性好高密度結(jié)構(gòu)零件比霧化鐵粉貴羰基法粉末顆粒呈球狀，非常細(xì)，純度很高電子材料比電解鐵粉貴（2）應(yīng)用a、鐵粉在粉末冶金結(jié)構(gòu)零件制造中的應(yīng)用鐵基粉末冶金機械零件在我國汽車、摩托車、家用電器、電動工具、辦公機械、農(nóng)業(yè)機械、機床、儀器儀表、紡織機械、冶金機

5、械等工業(yè)部門得到廣泛應(yīng)用，并取得了良好的技術(shù)經(jīng)濟效益。據(jù)不完全統(tǒng)計，2009年我國鐵粉產(chǎn)量超過30萬噸，說明鐵粉在機械制造業(yè)中已經(jīng)成為一類重要的金屬材料。b、鐵粉在電焊條生產(chǎn)、火焰切割等方面的應(yīng)用焊條用鐵粉，在整個鐵粉應(yīng)用中，占有一定比例（瑞典占37%），一般在焊條的藥皮中加入10%30%的鐵粉可改善焊條的焊接工藝性能。火焰切割與清理是鐵粉應(yīng)用的另一個重要方面。美國在這方面每年要使用約7000噸鐵粉。用氫氧焰或乙炔焰切割耐火材料（如混凝土）時，將鐵粉加入火焰中，可增高火焰溫度，還能起助溶劑作用。c、鐵粉在食品防腐、保鮮及醫(yī)藥等方面的應(yīng)用鐵粉具有十分發(fā)達(dá)的比表面積和良好的吸附性能，其化學(xué)純度高，

6、對氧的親和力強，在有濕氣的（3）國外典型牌號瑞典牌號松裝密度/gcm-3流動性/s（50g）-1生坯密度6.5gcm-3成形壓力420MPaH2損/%C/%用途壓縮性/gcm-3典型最大生坯強度/MPa典型最小典型最大典型最大MH40242.4035356.306.200.200.450.020.04表面光潔度不高的中密度零件MH40282.8030336.406.350.200.450.020.04表面光潔度不高的高密度細(xì)長零件MH65171.7044-35.36.430.200.450.010.03摩擦材料MH80232.30333519.16.376.200.200.550.070.10

7、自潤滑含油軸承NC100242.4531A在a曲線下方（未畫出）Fe2O3B在a曲線上方， b、d曲線下方Fe3O4C在b曲線上方， c曲線下方FeOD在c、d曲線上方， b、d曲線下方Fe圖1-10是固體碳存在時的氧化鐵的還原圖，曲線b和曲線c相交的a點，表示反應(yīng)（1-6）和（1-7）相互平衡，即在該點Fe3O4+、FeO 、Fe和CO、CO2平衡共存，該點的溫度為570。與此相應(yīng)的氣相組成為52%CO，48% CO2。圖1-9 Fe-O-C系平衡氣相組成與溫度的關(guān)系 圖1-10 有固體碳存在時氧化鐵的還原固體碳也能直接還原鐵的氧化物，其反應(yīng)式為：當(dāng)溫度高于570時 3Fe2O3+C=2Fe

8、3O4+CO Fe3O4+C=3FeO+CO FeO+C= Fe+CO 當(dāng)溫度低于570時 1/4Fe3O4+C= 3/4FeO+CO 但是，固體碳與氧化鐵的接觸面很有限，因此反應(yīng)速度很慢。在還原過程中，只要有過剩的固體碳存在，碳的氣化反應(yīng)總是存在的。因此，固體碳還原鐵的氧化物，其實質(zhì)可以認(rèn)為是CO間接還原反應(yīng)與CO2和C的氣化反應(yīng)的綜合反映，這就是固體碳還原鐵的氧化物的過程。即： FeO+CO= Fe+CO2 +）CO2+C=2 CO FeO+C= Fe+CO從圖1-10可以看出，碳的氣化反應(yīng)曲線與b 曲線交與“1”點，與c曲線交與“2”點。該兩點的有關(guān)參數(shù)與反應(yīng)趨勢如表1-18所示。表1-

9、18 圖1-10中“1”、“2”兩點的溫度、氣相組成及還原反應(yīng)趨勢點位溫度/氣相組成/%還原反應(yīng)趨勢COCO2“1”6504060Fe3O4+ COFeO+ CO2“2”6856040FeO+ COFe+ CO2 2.2 海綿鐵的生產(chǎn)2.2.1 固體碳還原法制取鐵粉的工藝流程2.2.2 還原鐵粉生產(chǎn)工藝流程示意圖2.2.3 原料的加工處理目前，固體碳還原法制取鐵粉的主要原料是軋鋼氧化鐵鱗和鐵精礦粉。 魯?shù)V集團鐵精礦粉（1）氧化鐵鱗化學(xué)成分要求：TFeFeOCSPSiO2Mn7250600.080.050.050.20.4鐵精礦粉的成分和氧化鐵鱗相比，酸不溶物含量偏高，達(dá)到0.4%0.5%。（2

10、）還原劑常用的還原劑包括無煙煤、焦炭屑和木炭。焦炭屑最常用，木炭質(zhì)量最好，但消耗森林，已經(jīng)不用。需要加入石灰石粉作為脫硫劑。2.2.4 隧道窯一次還原包括裝罐、還原以及海綿鐵的出罐和清理（1）裝罐及裝車 萊鋼粉末廠陶罐 萊鋼粉末廠碳化硅罐裝罐方式：裝車方式： 萊鋼粉末廠55米隧道窯及罐車 萊鋼粉末廠176米隧道窯萊鋼粉末廠碳化硅罐車（每車55個罐，產(chǎn)量約4噸海綿鐵）（2）還原主要掌握不同還原劑及還原溫度、還原時間。我國絕大部分的鐵粉還原采用隧道窯，隧道窯常用的燃料有煤、天然氣和油。下表列出各種還原劑大致相應(yīng)的還原溫度與時間。還原劑還原溫度與時間還原溫度/還原時間/h木炭95050焦屑11504

11、7無煙煤1050110055世界幾家著名鐵粉生產(chǎn)企業(yè)以及中國某廠兩條隧道窯有關(guān)工藝技術(shù)參數(shù)如見下表。技術(shù)參數(shù)廠家名稱美國赫格納斯日本川崎瑞典赫格納斯中國某廠3號窯2號窯全長/m170160275105154預(yù)熱帶長度/m50402532還原帶長度/m60805485冷卻帶長度/m60402637還原溫度/1200113012001150120011501200還原劑種類還原周期/h841239890還原罐出爐溫度/200200250250年產(chǎn)量/t15000200001100060000500010000（3）海綿鐵出罐和清理人工出罐、清罐機械出罐、清罐現(xiàn)代化生產(chǎn)線是采用機械化出罐，其步驟為：

12、用清芯機將海綿鐵錠內(nèi)孔的殘余還原劑吸出。將卸錠機上的卸錠桿上的反口鉗插入海綿鐵錠內(nèi)孔中，反口鉗張開卡住其內(nèi)壁，將鐵錠提出還原罐。用清罐機的吸頭將罐內(nèi)殘余還原劑和灰分充分清除。清芯、清罐的吸力油真空泵提供。我國目前大多數(shù)鐵粉生產(chǎn)廠仍采用人工，即靠人工將吸附在海綿鐵表面的雜物清除，只有柱裝法生產(chǎn)的圓柱形海綿鐵，是將其放入一個圓筒形的竄桶內(nèi)，隨著圓筒的滾動，圓柱形海綿鐵相互碰撞和摩擦，粘附于表面的雜物脫落達(dá)到清刷的目的。 萊鋼粉末廠機械淸罐（4）影響還原過程和鐵粉質(zhì)量的因素氧化鐵的粒度 0.350-0.175mm還原劑 種類、粒度、脫硫劑的加入等固體碳還原劑的用量實踐生產(chǎn)證明，為氧化鐵鱗的0.7-0

13、.8倍。（5）還原工藝條件 主要指還原溫度與還原時間，另外，料層厚度及還原罐內(nèi)一氧化碳的濃度也有重要影響。（6） 還原終點及海綿鐵氧化的控制兩類問題：一是夾生、二是氧化、三是過燒。下表是海綿鐵質(zhì)量分析。序號缺陷形式表面現(xiàn)象原因改進措施1氧化表面呈黃色或褐色還原罐密封不良冷卻速度過慢還原劑嚴(yán)重?zé)龘p改進還原罐密封方式加快冷卻速度適當(dāng)增加還原劑的配料量2夾生有黑色夾生裝料過厚填充過緊還原溫度、時間不足還原劑配量不足改進裝罐方式改進還原工藝制度增加還原劑配料量3過燒異常堅硬，敲打時發(fā)出金屬聲響，有熔化亮點還原溫度過高還原時間過長配炭量過高降低還原溫度縮短還原時間減少配碳量較好的海綿鐵斷面呈銀灰色，無夾

14、生的痕跡，呈現(xiàn)海綿體，用手指甲可以按出痕跡，敲擊時有金屬聲。過燒的海綿鐵很硬，敲擊時有很響的金屬聲。在各種情況下，海綿鐵的主要化學(xué)成分見下表。序號現(xiàn)象TFeCH2損1正常97.50.250301.52氧化95960.250.401.53夾生950.151.54過燒960.501.5海綿鐵的夾生和嚴(yán)重滲碳都是不允許的。因為夾生海綿鐵的二次還原時間較正常海綿鐵或輕度氧化的海綿鐵要長，而過燒海綿鐵的破碎比較困難，而且在二次還原時不易脫碳。下表是夾生海綿鐵粉（A）與表面有輕度氧化的海綿鐵粉（B）在相同工藝條件下的對比實驗。其工藝條件為：二次還原溫度： 950二次還原時間： 42min二次還原氣氛： 分

15、解氨試樣還原前還原后H2損TFeH2損TFe壓縮性/gcm-3A1.8897.20.8098.36.25B1.1098.30.2599.146.43 單位壓力392MPa。將上述處理后的A粉在H2氣中1100保溫1h，其H2損值為0.12%。顯然，夾生二次分還原時間較長。但是，隧道窯還原是一個復(fù)雜的過程，海綿鐵還原終點的準(zhǔn)確控制是比較困難的，所以生產(chǎn)中采取的往往是過還原終點工藝制度，即允許海綿鐵有輕度滲碳（0.20%0.35%）。用固體碳還原氧化鐵，在冷卻過程中海綿鐵會出現(xiàn)不同程度的氧化現(xiàn)象。由于冷卻速度過慢等原因還會造成過度氧化，嚴(yán)重氧化的海綿鐵表觀顏色為：藍(lán)色灰褐色褐色，即相當(dāng)于FeOFe

16、3O4Fe2O3的氧化物存在形式。為防止海綿鐵氧化，許多廠家采用快速冷卻方式。其中較好的方式是采用大型冷卻鐘罩，即將還原罐內(nèi)溫度為700左右的窯車推出冷卻帶直接推入水冷卻鐘罩內(nèi)進行快速冷卻（其冷卻速度為80100/h），待冷卻至100左右時再推出。大型隧道窯一般采用風(fēng)冷，即在窯尾向冷卻帶強制鼓入冷空氣來加快冷卻速度，但風(fēng)冷效果較差，海綿鐵多多少少會出現(xiàn)氧化。另外，防止海綿鐵嚴(yán)重氧化的措施有：裝罐時過量裝入還原劑并蓋上蓋子，還原過程中還原劑不嚴(yán)重?zé)龘p，還原后殘余還原劑和灰分還可以將海綿鐵覆蓋。2.2.5 海綿鐵破碎工藝海綿鐵的粉碎一般分為3個階段，即粗破將海綿鐵錠破碎成塊狀；中破將塊狀海綿鐵破碎

17、成小于15mm的顆粒狀；細(xì)粉碎利用細(xì)粉碎設(shè)備將海綿鐵顆粒粉碎成具有一定粒度組成的海綿鐵粉，并經(jīng)篩分達(dá)到一定的力度要求再經(jīng)磁選、除去雜質(zhì)，提高純度。圖1-7 破碎次數(shù)與粒度分布累計百分?jǐn)?shù)的關(guān)系-200目（小于0.074mm）；-160目 （小于0.096mm）；-120目 （小于0.121mm）；-80目 （小于0.175mm）；-40目 （小于0.350mm）；17破碎次數(shù)表1-11 粉碎次數(shù)與松裝密度的關(guān)系粉碎次數(shù)123456789松裝密度/ gcm-32.262.322.442.542.702.762.803.15從表1-11和圖1-7可以看出，當(dāng)對海綿鐵按理想工藝進行處理時，就能有效地保

18、持各種鐵粉的良好性能，以滿足多品種、多用途的技術(shù)要求。其理想處理工藝是“海綿鐵細(xì)粉碎篩分磁選分倉存放分別二次還原在上述工藝中，如果每次粉碎的鐵粉單獨進行二次還原，則隨細(xì)粉碎次數(shù)的不同所得到的成品鐵粉的松裝密度下表所示。粉碎次數(shù)1234567次以上松裝密度/ gcm-32.350.12.550.12.700.12.903.70萊鋼粉末廠無動力合批機（擁有專利權(quán)）任務(wù)3、還原鐵粉的生產(chǎn)-二次還原鐵粉的生產(chǎn)（鐵粉二次精還原）鐵粉的二次還原目的是使還原鐵粉充分脫碳、脫氧、脫硫，提高鐵含量。另外，二次還原的目的是消除海綿鐵粉在粉碎過程中產(chǎn)生的加工硬化，以提高其塑性，改善鐵粉的壓縮性能。鐵粉的二次還原是在

19、二次還原爐中進行的，所采用的方法是氣體還原。所用的氣體一般為分解氨和H2等，將氣氨送入氨分解爐內(nèi)，在一定的溫度條件下，通過觸媒的作用，氨分解成75%H2+25%N2的氣體。然后經(jīng)過干燥送入二次還原爐中。根據(jù)海綿鐵的化學(xué)成分。調(diào)節(jié)還原氣氛中的露點來達(dá)到脫碳、脫氧的目的。還原氣氛脫去鐵粉中的氧之后，成為含有一定水蒸氣的濕氣氛，此時還原氣氛的露點升高。再進入脫碳區(qū)脫去鐵粉中的碳，這就是所謂的干燥氣氛脫氧、濕氣氛脫碳的道理。也有的爐頭和爐尾同時進氣，爐頭進濕氣脫碳，爐尾進干氣脫氧，然后經(jīng)排氣管排除。干燥的還原氣氛從爐尾送入爐內(nèi)，氣氛的流動與鐵粉的運行是逆向的，爐頭、爐尾基本密封，爐內(nèi)還原氣氛被迫有規(guī)律

20、地定向流動至爐頭，從排氣管中排除。還原爐的還原帶大致可以分為兩個區(qū)域脫碳、脫氧區(qū)。還原氣氛從爐尾送入，首先經(jīng)過脫氧區(qū)，干燥氣氛脫去鐵粉中的氧，成為含有一定水蒸氣的濕氣氛，氣氛的露點升高。再進入脫碳區(qū)脫去鐵粉中的碳。也有的爐頭、爐尾同時進氣，爐頭進濕氣脫碳，爐尾進干氣脫氧，然后經(jīng)排氣管排除。爐頭爐尾不能讓還原氣氛泄漏，以免引起爐內(nèi)氣氛流向紊亂，濕的氣氛從爐尾排除，不利于脫碳，還易于產(chǎn)生二次氧化，鐵塊表面輕者略帶淺黃色，重者則出現(xiàn)藍(lán)色的氧化斑點，影響鐵粉的性能。鐵粉二次還原的反應(yīng)如下：2H2+O22H2O+)2H2O+CCO2+2H2C+O2CO2從上述反應(yīng)可以看出，在二次還原的過程中，最終是靠整

21、個系統(tǒng)中碳、氧的平衡來達(dá)到脫氧脫碳的目的。如果整個系統(tǒng)中的碳和氧的平衡被打破，那么就達(dá)不到脫碳、脫氧的目的。二次精還原爐馬弗內(nèi)鐵粉層的實測溫度曲線如圖1-8所示，二次還原工藝制度如表1-13所示。圖1-8 二次精還原爐馬弗內(nèi)鐵粉層的實測溫度曲線馬弗爐內(nèi)鐵粉溫度 控溫儀表溫度表1-13 鐵粉二次還原工藝制度還原時間/min鋼帶速度/mmmin-1料層厚度/mm分解氨流量/m3h-1分解氨露點/601503287100-53-73二次還原后，鐵粉有輕度成塊，所以需要解碎，篩分，磁選。以進一步去除雜質(zhì)，二次精還原效果見下表。批號試樣名稱化學(xué)成分/%FeCSH2損1還原前98.650.150.0110.95還原后99.000.0220.0120.2852還原前98.240.160.0121.265還原后98.510.030.0080.303還原前98.160.070.0121.615還原后99.070.020.00670.354還原前97.520.070.0151.58還原后99.220.0220.00