專利名稱：一種制備超細鐵粉的流化床反應(yīng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及化工冶金領(lǐng)域，具體地，本發(fā)明涉及一種制備超細鐵粉的流化床反應(yīng)器。
背景技術(shù)：
超細鐵粉因顆粒粒徑小，比表面積大，活性高，在高性能粉末冶金、廢水處理、電磁屏蔽、生物醫(yī)藥以及催化等高技術(shù)領(lǐng)域需求越來越大，尤其是在硬質(zhì)合金刀具應(yīng)用領(lǐng)域，需要燒結(jié)性能優(yōu)異的鐵粉。然而傳統(tǒng)的赫格納斯法、霧化等方法難以生產(chǎn)出超細鐵粉，亟需發(fā)展適用于工業(yè)化規(guī)模的超細鐵粉生產(chǎn)工藝。人們一直在尋求超細鐵粉的生產(chǎn)方法，目前可用于制備超細還原鐵粉的方法主要 包括(I)液相法主要采用鐵的可溶性鹽，以NaHB4或NaHB4等還原性物質(zhì)在液相中直接還原為金屬鐵顆粒。(2)氣相法一般以FeCl2等鐵鹽在高溫下蒸發(fā)，采用H2還原制備超細鐵粉。(3)羰基法以羰基鐵為原料，采用熱分解或者激光輔助熱分解制備超細鐵粉，如中國發(fā)明專利94112441. X所披露的方法。(4)等離子法利用等離子體轟擊純鐵工件，等離子體的高溫使鐵蒸發(fā)，在冷端冷凝可收集到超細鐵粉，如粉末冶金技術(shù)雜志在1997年第3期第199頁所報道的技術(shù)。(5)高能球磨-還原法采用具有加熱功能的球磨機，先將氧化鐵球磨至10微米以下，再將球磨機內(nèi)溫度升至200 400°C，并通入H2等還原性氣體對球磨過的氧化鐵粉進行還原，可得到超細鐵粉，如中國發(fā)明專利20071006362. 2所披露的技術(shù)。上述方法可制備超細鐵粉，但都不適合大規(guī)模生產(chǎn)超細鐵粉。流化床可高效連續(xù)地還原粉狀鐵礦制備直接還原鐵，如FINMET，F(xiàn)INEX, Circored等工藝技術(shù)年生產(chǎn)直接還原鐵最高達到170萬噸。然而，這些技術(shù)只適合處理粒度粒度大于0. Imm鐵礦粉，這主要因為流化床還原氧化鐵至金屬鐵過程中會因金屬鐵而導(dǎo)致“失流”，即還原至金屬鐵含量一定時粉體因粘結(jié)而失去流化能力。從上世紀五六十年代開始，國內(nèi)外對鐵礦流態(tài)化還原過程的失流進行了很多研究，發(fā)現(xiàn)失流與鐵礦的組成、粒度、還原溫度、還原氣氛、金屬化率等多種因素有關(guān)，定性的結(jié)論是鐵礦的“熔點”越低、粒度越小、金屬化率越高、溫度越高就越容易失流。根據(jù)實驗結(jié)果歸納總結(jié)提出了包括顆粒間的附著(adhesive)、燒結(jié)(sintering)、結(jié)塊(caking)、晶須生長(whisker)等失流機理,在此基礎(chǔ)上也發(fā)展了一些防止失流的方法，比如析炭或滲炭、添加惰性物質(zhì)、采用粗粒級鐵礦等。盡管取得了一些進展，但人們對氧化鐵流態(tài)化還原過程的失流規(guī)律尚未認識清楚，而且已認識的規(guī)律基本都是基于“粗”粒級氧化鐵還原實驗現(xiàn)象的總結(jié)，并不完全適用于超細氧化鐵流態(tài)化還原過程，比如早期的研究者認為在低于60CTC還原氧化鐵時(見Canadian Metallurgical Quarterly, 1974,13 [4] :649-657),不會發(fā)生失流。但申請人進行超細氧化鐵粉的流態(tài)化還原過程發(fā)現(xiàn)，即使是在400°C的低溫下，隨著還原的進行失流也會發(fā)生，表現(xiàn)出了與粗顆粒氧化鐵不同的失流機理。因此，現(xiàn)有防止失流的方法也不適用于超細氧化鐵流態(tài)化還原過程。本發(fā)明正是針對現(xiàn)有技術(shù)的上述問題，提出一種可解決超細氧化鐵粉還原過程“失流”的流化床反應(yīng)器。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供了一種制備超細鐵粉的流化床反應(yīng)器。本發(fā)明的制備超細鐵粉的流化床反應(yīng)器包括氣體分布板3、圓柱段5、圓臺段6、擴大段7，該反應(yīng)器還包括一攪拌器8和至少一個水平擋板11 ；所述水平擋板11設(shè)置于反應(yīng)器的圓柱段5內(nèi)，在水平擋板11中心設(shè)有孔洞；所述的攪拌器8設(shè)置于反應(yīng)器的中心軸線上，該攪拌器8上的攪拌軸穿過水平擋 板11中心孔洞延伸至圓柱段5底部，在攪拌軸上設(shè)有至少一組攪拌葉10，該組攪拌葉位于水平擋板11與氣體分布板3所形成的空間內(nèi)。采用攪拌與水平擋板11相結(jié)合的方式，破碎超細三氧化二鐵粉還原至金屬鐵過程因粘結(jié)而產(chǎn)生的大聚團，避免粘結(jié)聚團異常長大而導(dǎo)致“失流”現(xiàn)象。攪拌與水平擋板組合形成攪拌-水平擋板流化床反應(yīng)器用于三氧化二鐵還原制備超細鐵粉。所述的流化床反應(yīng)器由2 5層水平擋板11均勻的安裝在所述的流化床反應(yīng)器的圓柱段5內(nèi)，水平擋板11的間距等于所述的流化床反應(yīng)器內(nèi)徑。所述的水平擋板11中心有圓形的孔，用于攪拌槳的攪拌軸穿過，所述的攪拌葉10的數(shù)目為兩組以上，均勻的分布于水平擋板11之間或水平擋板11與氣體分布板3所形成的空間內(nèi)。所述的流化床反應(yīng)器的擴大段7直徑為其圓柱段直徑的2 5倍。所述的流化床反應(yīng)器的圓臺段6，其特征是圓臺的曲線與水平方向的夾角大于70度。所述的水平擋板為開有孔徑為8 12mm圓孔的多孔板，多孔版除中心孔外的開孔率在10 15%之間。在本發(fā)明中，所述反應(yīng)器還包括旋風(fēng)分離器12和循環(huán)料閥13，所述流化床反應(yīng)器氣體經(jīng)旋風(fēng)分離器12收集氣體中夾帶的細粉，收集的粉體從所述的旋風(fēng)分離器12下部排出經(jīng)循環(huán)料閥13返回所述的流化床反應(yīng)器的下部。所述的流化床反應(yīng)器，其工作溫度在450 600°C，遠低于常規(guī)流化床還原鐵礦溫度(800-950°C )，當(dāng)溫度低于450°C時，三氧化二鐵還原速度太慢；而當(dāng)溫度超過600°C時，
三氧化二鐵還原生成的金屬鐵易燒結(jié)。所述的流化床反應(yīng)器，其特征是通過水平擋板和攪拌的共同作用來防止超細三氧化二鐵還原過程中的失流，單獨采用水平擋板或者單獨采用攪拌都無法完全解決還原過程的失流問題。雖然在其他領(lǐng)域中也有在流化床反應(yīng)器內(nèi)設(shè)置擋板和攪拌裝置研究及應(yīng)用，但其目的與本發(fā)明解決超細氧化鐵粉還原過程失流是完全不同。其他應(yīng)用領(lǐng)域，流化床中水平擋板主要用于(I)破碎流化床中的氣泡，提高氣固接觸效率；(2)阻止上層物料返回到下層，減少物料的返混，改善物料的停留時間分布。攪拌最早于1955年由Reed等引入氣固流化床中(Industrial and Engineering Chemistry, 1955,47 [2] :275-282.),其后攬拌被用在物料干燥、供料、造粒等物理過程的流態(tài)化處理，主要用于改善物料的流化狀態(tài)，增強傳熱傳質(zhì)效果，至今還沒有采用擋板或攪拌解決超細氧化鐵粉流態(tài)化還原過程失流的報道。本申請采用擋板與攪拌相結(jié)合的目的與現(xiàn)有擋板或攪拌在流化床中的應(yīng)用截然不同，本發(fā)明的目的是通過擋板與攪拌相結(jié)合來破碎超細氧化鐵粉還原過程中因金屬鐵出現(xiàn)而導(dǎo)致的聚團，通過與攪拌槳的碰撞被破碎為小尺寸聚團，這些小尺寸聚團被流化氣體及攪拌槳攪起后進一步與水平擋板發(fā)生碰撞，被破碎為1_以下的更小尺寸聚團，從而避免還原過程聚團因粘結(jié)長大而導(dǎo)致的“失流”的發(fā)生。采用本發(fā)明提出的流化床反應(yīng)器，可解決超細氧化鐵粉還原過程的失流問題，獲得滿意效果，如對于平均粒徑0. 23微米的超細氧化鐵粉，采用傳統(tǒng)流化床還原時，5500C下、達到金屬化率20%左右時即出現(xiàn)了失流；單獨采用擋板時，550°C下失流時的金屬化率可提高至40%左右；單獨采用攪拌時，550°C下可將失流時的金屬化率可提高至70%左右；而采用本發(fā)明提出的水平擋板和攪拌相結(jié)合的流化床反應(yīng)器，可制備獲得金屬化率超過90%的超細直接還原鐵粉。


圖I為本發(fā)明采用3層水平擋板及3層攪拌槳時流化床反應(yīng)器的示意圖； 圖2為采用本發(fā)明的方法500°C下經(jīng)過60分鐘的還原制備得到的還原鐵粉的SEM圖；圖3為采用本發(fā)明的方法500°C下經(jīng)過30分鐘的還原制備得到的還原鐵粉的SEM圖；圖4為采用本發(fā)明制備的還原鐵粉與市售鐵粉的燒結(jié)對比曲線。附圖標識I、進氣口2、風(fēng)斗3、氣體分布板4、進料口5、圓柱段 6、圓臺段7、擴大段8、攪拌器 9、返料口10、攪拌葉 11、水平擋板12、旋風(fēng)分離器13、循環(huán)料閥 14、出氣口 15、出料口
具體實施例方式下面結(jié)合附圖以三層擋板為例對本發(fā)明的流化床反應(yīng)器作進一步說明。如附圖I所示，所述的流化床反應(yīng)器有進氣口 I、風(fēng)斗2、氣體分布板3、圓柱段5、圓臺段6、擴大段7、進料口 4、返料口 9、旋風(fēng)分離器12、循環(huán)料閥13、水平擋板11、攪拌器8、攪拌葉10、出氣口 14和出料口 15組成。在風(fēng)斗2的下部設(shè)有進氣口 1，用于通入還原反應(yīng)所需氣體。在圓柱段5下部分別設(shè)有進料口 4和返料口 9，在圓柱段5底部設(shè)有氣體分布板3，圓柱段5上段設(shè)有出料口 5，在圓柱段5內(nèi)部設(shè)有水平擋板11。圓柱段5上部與圓臺段6下部相連接，圓臺段6上部與擴大段7下部相連接。擴大段7上表面中心固定有攪拌器8，攪拌器8通過一根軸向下延伸至圓柱段5下部，攪拌器8的軸向接有三層攪拌葉10，最底層槳葉位于最底層水平擋板11與氣體分布板3中間，其他層槳葉位于相鄰兩層水平擋板11中間。擴大段7上部有與旋風(fēng)分離器12相連接的管道，還原后的氣體進此管道進入旋風(fēng)分離器12。旋風(fēng)分離器12上部設(shè)有出氣口 14，下部設(shè)有出料。氣體經(jīng)旋風(fēng)分離器12后由上部出氣口 14排出，收集的粉體經(jīng)循環(huán)料閥13及其與返料口 9相連的管道返回流化床反應(yīng)器圓柱段5。在本發(fā)明中所述的攪拌器8設(shè)置于擴大段7上表面的中心處，通過一攪拌軸延伸至圓柱段5底部，在攪拌軸上設(shè)有至少一層攪拌葉10，該攪拌葉10位于水平擋板11之間或水平擋板11與氣體分布板3所形成的空間內(nèi)，采用攪拌與水平擋板相結(jié)合的方式，破碎超細三氧化二鐵粉還原至金屬鐵過程因粘結(jié)而產(chǎn)生的大聚團，避免粘結(jié)聚團異常長大而導(dǎo)致“失流”現(xiàn)象。攪拌與水平擋板組合形成攪拌-水平擋板流化床反應(yīng)器用于三氧化二鐵還原制備超細鐵粉。上述流化床器均由304不銹鋼制成，可在450 600°C之間使用。以平均0. 23 y m的超細氧化鐵粉直接還原為例，采用本發(fā)明所述流化床反應(yīng)器，若67% H2+33N2為還原氣體，500°C下經(jīng)過60分鐘的還原，所得產(chǎn)品的金屬化率達到91%，產(chǎn)品新貌如圖2所示；550°C下經(jīng)過30分鐘的還原，產(chǎn)品金屬化率達到95%，產(chǎn)品形貌如圖 3所示。由圖2及圖3可見，采用本發(fā)明制備得到的還原鐵粉，平均粒徑在0. 2微米左右，與原始粉體一平均粒徑為0. 23微米的超細氧化鐵粉基本一樣，。采用本發(fā)明制備的亞微米直接還原鐵粉具有非常優(yōu)異的燒結(jié)性能，圖4是采用本發(fā)明制備的還原鐵粉與市售鐵粉的燒結(jié)對比曲線，可見以10°C/分鐘的速率升溫，本發(fā)明制備的鐵粉從500°C即開始出現(xiàn)明顯的燒結(jié)(收縮)，600°C開始即出現(xiàn)了快速的燒結(jié)，至900°C時燒結(jié)基本完成(燒結(jié)曲線上停止收縮)，而商用市售鐵粉從900°C時才有輕微收縮，但至100(TC時總體收縮僅0. 5%，實際上還未開始快速燒結(jié)。圖4充分顯示了本發(fā)明制備還原鐵粉的優(yōu)越性。最后所應(yīng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實施例對本發(fā)明進行了詳細說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種制備超細鐵粉的流化床反應(yīng)器，所述反應(yīng)器包括氣體分布板(3)、圓柱段(5)、圓臺段(6)、擴大段(7)，其特征在于，該反應(yīng)器還包括一攪拌器(8)和至少一個水平擋板(11); 所述水平擋板(11)設(shè)置于反應(yīng)器的圓柱段(5)內(nèi)，水平擋板(11)中心設(shè)有孔洞； 所述的攪拌器(8)設(shè)置于反應(yīng)器的中心軸線上，該攪拌器(8)上的攪拌軸穿過水平擋板(11)中心孔洞延伸至圓柱段(5)底部，在攪拌軸上設(shè)有至少一組攪拌葉(10)，該組攪拌葉(10)位于水平擋板(11)與氣體分布板(3)所形成的空間內(nèi)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備超細鐵粉的流化床反應(yīng)器，其特征在于，所述水平擋板(11)上開有孔徑為8 12mm圓孔，其開孔率為10 15%。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備超細鐵粉的流化床反應(yīng)器，其特征在于，所述水平擋板(11)的數(shù)目為2 5組，均勻設(shè)置于反應(yīng)器的圓柱段(5)內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求4所述的制備超細鐵粉的流化床反應(yīng)器，其特征在于，所述攪拌葉(10)為兩組以上，均勻的層疊設(shè)置于水平擋板(11)之間或水平擋板(11)與氣體分布板(3)所形成的空間內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備超細鐵粉的流化床反應(yīng)器，其特征在于，所述擴大段(7)直徑是圓柱段(5)直徑的2 5倍。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的制備超細鐵粉的流化床反應(yīng)器，其特征在于，所述圓臺段(6)圓臺母線與水平方向的夾角大于70°。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種制備超細鐵粉的流化床反應(yīng)器。所述反應(yīng)器包括氣體分布板(3)、圓柱段(5)、圓臺段(6)、擴大段(7)，該反應(yīng)器還包括一攪拌器(8)和至少一個水平擋板(11)；所述水平擋板(11)設(shè)置于反應(yīng)器的圓柱段(5)內(nèi)，水平擋板(11)中心設(shè)有孔洞；所述的攪拌器(8)設(shè)置于反應(yīng)器的中心軸線上，該攪拌器(8)上的攪拌軸穿過水平擋板(11)中心孔洞延伸至圓柱段(5)底部，在攪拌軸上設(shè)有至少一組攪拌葉(10)，位于水平擋板(11)與氣體分布板(3)所形成的空間內(nèi)。通過本發(fā)明的改進避免還原過程聚團因粘結(jié)長大而導(dǎo)致的“失流”問題，采用本發(fā)明制備的超細鐵粉具有非常優(yōu)異的燒結(jié)活性。
文檔編號B22F9/22GK102794456SQ201110136868
公開日2012年11月28日 申請日期2011年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月24日
發(fā)明者朱慶山, 李洪鐘, 宋乙峰, 吳榮芳 申請人:中國科學(xué)院過程工程研究所