Способ получения порошка железа

1. Способ получения порошка железа, включающий взаимодействие железосодержащих сплавов с водородом и последующее охлаждение, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода порошка с регулированной дисперсностью, железо сплавляют с 20-90% металла, выбранного из группы: редкоземельные металлы, титан, взаимодействие полученного сплава с водородом осуществляют при 20-800^oС, а после охлаждения проводят разделение магнитной и немагнитной фаз.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что взаимодействие сплава железа с титаном с водородом осуществляют при 400-800^oС.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения дисперсности порошка, взаимодействие сплава с водородом проводят периодически от 2 до 50 раз.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что немагнитную фазу нагревают до 400-1000^oС и выделенный водород и полученный металл используют повторно.

Изобретение относится к порошковой металлургии, а именно к способам получения порошка железа, который может найти применение во всех областях порошковой металлургии.
Известен способ получения порошков железа путем восстановления железорудных материалов с последующим измельчением губчатого железа [1]. На долю этого способа приходится около 53% мирового производства железного порошка. Недостатками указанного способа являются большая капиталоемкость и осуществление производства во вредных условиях из-за сильной запыленности атмосферы.
Известен способ получения порошков железа путем распыления расплава мягкой углеродистой стали [2]. На долю этого способа приходится около 1/3 мирового производства железобетонного порошка. Недостатками указанного способа являются высокая металлоемкость и значительные габариты оборудования, а также округлая форма получаемых порошков, что значительно ухудшает их прессуемость.
Известен способ получения порошков железа путем помола в шаровой мельнице высокоуглеродной дроби и прокатной окалины с последующим восстановлением дисперсной смеси, например, водородом [3]. Недостатками указанного способа являются большой расход восстановленных газов, а также использование прокатной окалины различного состава. Эта неоднородность сырья значительно снижает качество железных порошков. Общим недостатком указанных выше способов является высокая степень окисленности порошков.
Наиболее близким к описываемому по технической сущности и достигаемому результату является способ получения железного порошка, включающий стадию взаимодействия жидкого металла или сплава с активированным водородом или газом, содержащим водород. Активированный водород вначале растворяют в жидком металле, а затем удаляют из него [4]. Этот способ также обладает рядом существенных недостатков. Так, растворимость водорода в жидком железе при 1600^oC составляет 0,0025 мас.%, а активация водорода, несмотря на сложность используемой аппаратуры, не может существенно увеличить количество растворенного водорода.
В связи с тем, что при выделении водорода в процессе кристаллизации и охлаждения хотя и происходит разрушение слитка, однако размер образующихся частиц является нерегулярным и не обеспечивает получения преимущественно мелкой фракции. Кроме того, организация процесса взаимодействия расплава с водородом требует весьма сложной аппаратуры (использование герметичных плавильных печей, специальных мер безопасности - водород, 1600^oC) и сопровождается значительной потерей водорода при продувке через расплав.
Целью изобретения является повышение выхода порошка с регулируемой дисперсностью, а также повышение его дисперсности.
Поставленная цель достигается тем, что в способе получения порошка железа, включающем взаимодействие железосодержащих сплавов с водородом и последующее охлаждение, согласно изобретению железо сплавляют с 20 - 90% металла, выбранного из группы: редкоземельные металлы, титан, взаимодействие полученного сплава с водородом осуществляют при 20 - 800^oC, а после охлаждения проводят разделение магнитной и немагнитной фаз.
При этом взаимодействие сплава железа с титаном с водородом осуществляют при 400 - 800^oC.
С целью повышения дисперсности порошка взаимодействие сплава с водородом проводят периодически от 2 до 50 раз.
Немагнитную фазу нагревают до 400 - 1000^oC и выделенный водород и полученный металл используют повторно.
В основе способа лежит обнаруженное авторами явление гидридного диспергирования сплавов железа в общем случае по следующей реакции:
RFe_x + YH₂ -> RH_2y + XFe,
где R - Ti, РЗМ.
Введение менее 20% металла из группы: РЗМ, титан, приводит к очень медленному взаимодействию сплавов с водородом, а введение более 90% металла приводит к значительному снижению выхода конечного продукта. Выдержку сплава в атмосфере водорода проводят в том случае при комнатной температуре, когда сплав содержит 50 - 90% РЗМ. Уменьшение содержания РЗМ приводит к повышению температуры процесса до 200 - 400^oC.
При температуре менее 20^oC образование порошков железа происходит с очень маленьким выходом, а температура более 800^oC нецелесообразна, так как выход порошка не повышается, а энергозатраты увеличиваются.
Сплавы с титаном желательно выдерживать при 400 - 800^oC. При температуре ниже 400^oC образование порошков железа происходит с очень маленьким выходом, а температура более 800^oC нецелесообразна, так как выход порошка не повышается, а энергозатраты увеличиваются.
Температурный интервал 400 - 1000^oC для разложения немагнитного остатка обусловлен свойствами гидридов титана и РЗМ. Гидрид титана выделяет водород с достаточной скоростью при 400 - 600^oC. Ниже 400^oC водород не выделяется, а повышение температуры до более 600^oC нецелесообразно из-за энергетических затрат. То же самое относится к гидридам РЗМ, которые выделяют водород с достаточной скоростью при 800 - 1000^oC.
При периодичности процесса 50 циклов дисперсность порошка становится равной 2 - 10 мкм.
Пример 1. В герметичной электропечи расплавляют 80 г (80%) железного лома и проводят известные операции десульфурации и обезуглероживания, после чего в расплав вводят 20 г (20%) лантана. Расплав сливают в изложницу и после охлаждения слиток помещают в автоклав, соединенный с вакуумной линией и линией подачи водорода. После вакуумирования в течение 30 мин слитка в автоклаве температуру в нем поднимают до 400^oC, перекрывают вакуумную линию в автоклав под давлением 1 атм подают водород. В указанных условиях слиток выдерживают 30 мин, после чего автоклав с образцом охлаждают до комнатной температуры и образовавшийся порошок железа отделяют от гидрида лантана магнитной сепарацией. Отделенный гидрид лантана разлагают нагреванием до 1000^oC, аккумулируя выделяющийся водород с помощью известных интерметаллических соединений, а продукт разложения (металлический лантан) возвращают в технологический цикл повторно.
Результаты анализа. По данным РФА и микроскопического анализа получен порошок металлического железа с размером частиц 200 мкм. Выход конечного продукта составляет 99,5% от теоретического.
Пример 2. 45 г железа (45%) сплавляют с 55 г титана (55%) в герметичной электропечи, после чего расплав сливают в изложницу. Полученный слиток помещают в автоклав, вакуумируют в течение 1 ч и гидрируют в течение 30 мин под давлением водорода 150 атм. После этой операции циклы гидрирование - дегидрирование повторяют 10 раз. Затем образец под давлением водорода нагревают до 500^oC и выдерживают в этих условиях 1 ч, после чего автоклав охлаждают до комнатной температуры и образовавшийся порошок железа отделяют от гидрида титана магнитной сепарацией. Гидрид титана разлагают нагреванием при 400^oC, аккумулируя выделившийся водород, а продукт разложения - металлический титан - возвращают в технологический цикл повторно.
Результаты анализа. По данным РФА и микроскопического анализа получен порошок железа с размером частиц 50 мкм. Выход конечного продукта составляет 99% от теоретического.
Пример 3. 10 г железа (10%) сплавляют с 90 г церия (90%). Полученный слиток помещают в автоклав, вакуумируют в течение 30 мин и гидрируют в течение 1 ч под давлением водорода 5 атм. После этого из смеси магнитной сепарацией отделяют порошок железа, а гидрид церия разлагают нагреванием до 800^oC, аккумулируя выделяющийся водород, а продукт разложения - металлический церий - возвращают в технологический цикл повторно.
Результата анализа. По данным РФА и микроскопического анализа получен порошок железа с размером частиц 20 мкм. Выход конечного продукта составляет 99,5% от теоретического.
Пример 4. 60 г железа (60%) сплавляют с 40% Мm (40%). Полученный слиток помещают в автоклав, вакуумируют в течение 30 мин и затем гидрируют в течение 1 ч под давлением 10 атм. Затем избыточное давление сбрасывают в аккумулятор водорода, образец нагревают до 400^oC и выдерживают при этой температуре 30 мин. После этого автоклав охлаждают до комнатной температуры и порошок железа отделяют магнитной сепарацией. Образующуюся смесь гидридов РЗМ разлагают нагреванием до 800 - 1000^oC с одновременным аккумулированием выделяющегося водорода, а продукт разложения (Мm) возвращают в технологический цикл повторно.
Результаты анализа. По данным РФА и микроскопического анализа получен порошок железа с размером частиц 2 - 10 мкм. Выход конечного продукта составляет 99,5% от теоретического.
Пример 5. 40 г железа (40%) сплавляют с 60 г титана (60%) в герметичной электропечи, после чего расплав сливают в изложницу. Полученный слиток помещают в автоклав, вакуумируют 30 мин и гидрируют в течение 4 ч под давлением 25 атм при 400^oC, после чего автоклав охлаждают до комнатной температуры и образовавшийся порошок железа отделяют от гидрида титана магнитной сепарацией. Гидрид титана разлагают нагреванием до 600 - 800^oC, аккумулируя выделяющийся водород, а продукт разложения - титан - возвращают в технологический цикл повторно.
Результаты анализа. По данным РФА и микроскопического анализа получен порошок железа с размером частиц 40 мкм. Выход конечного продукта составляет 98% от теоретического.
Пример 6. 47 г железа (47%) сплавляют с 53 г титана (53%) в герметичной электропередачи, после чего расплав сливают в изложницу. Полученный слиток помещают в автоклав, вакуумируют 30 мин и гидрируют под давлением 10 атм при 800^oC в течение 1 ч. После этого автоклав охлаждают до комнатной температуры и образовавшийся порошок железа отделяют магнитной сепарацией. Гидрид титана разлагают нагреванием до 600 - 800^oC, а образовавшийся титан возвращают в технологический цикл повторно.
Результаты анализа. По данным РФА и микроскопического анализа получен порошок железа с размером частиц 50 мкм. Выход конечного продукта составляет 99% от теоретического.
Как видно из приведенных примеров, предложенный способ по сравнению с прототипом позволяет получать практически со 100%-ным выходом дисперсные порошки железа, регулировать их размер и выдерживать неокисленную поверхность. При этом полностью исключается стадия активирования водорода, который, как правило, активируют электризацией или ионизацией. Применение системы аккумулирования водорода позволяет практически полностью исключить его потери в производстве порошка, а возврат РЗМ или титана, несмотря на их высокую стоимость, делает предлагаемый способ безотходным. Кроме того, в предложенном способе можно использовать железный лом и стружку любых марок, а также технический водород, что приводит к снижению себестоимости порошка.
Источники информации, принятые во внимание при экспертизе
1. Сб. Прямое получение железа и порошковая металлургия. N 1, 1974, с. 5-15.
2. Андриевский Р.А. Пористые металлокерамические материалы. М.: Металлургия, 1964, с.4-20.
3. Заявка Японии N 56-72101, кл. B 22 F 1/00, опублик. 1981.
4. Заявка Японии N 56-9304, кл. B 22 F 9/00, опублик. 1981.
1. Способ получения порошка железа, включающий взаимодействие железосодержащих сплавов с водородом и последующее охлаждение, отличающийся тем, что, с целью повышения выхода порошка с регулированной дисперсностью, железо сплавляют с 20-90% металла, выбранного из группы: редкоземельные металлы, титан, взаимодействие полученного сплава с водородом осуществляют при 20-800^oС, а после охлаждения проводят разделение магнитной и немагнитной фаз.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что взаимодействие сплава железа с титаном с водородом осуществляют при 400-800^oС.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что, с целью повышения дисперсности порошка, взаимодействие сплава с водородом проводят периодически от 2 до 50 раз.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что немагнитную фазу нагревают до 400-1000^oС и выделенный водород и полученный металл используют повторно.