高纯铁精矿全氢冶金制备高性能粉末冶金铁粉的技术研究

【作者】 郭正启； 朱德庆； 潘建； 石玥； 杨聪聪； 李思唯；

【机构】 中南大学资源加工与生物工程学院； 中南大学低碳与氢冶金研究中心；

【摘要】 还原铁粉作为一种重要的粉末冶金铁粉,具有纯度高,杂质少,烧结性能优异等优点,是我国高端工业的共性关键材料,广泛应用于汽车、机械、船舶、电子、航空等行业,其应用广度、生产发展的速度和规模,已成为衡量一个国家钢铁粉末和粉末冶金工业科技水平的重要标志之一。受制于我国工艺技术水平,我国高端还原铁粉主要依赖进口,成为制约我国相应领域发展的"卡脖子"问题。目前,高纯粉末冶金铁粉的制备工艺主要包括还原法、雾化法、羰基法和电解法。还原法由于原料来源广泛、生产成本低、产品烧结性能好,且能通过隧道窑实现大规模生产等优点,应用十分广泛。通过该工艺生产的铁粉占粉末冶金铁粉总量的50%以上。但是,还原法制备高纯铁粉过程中,主要以固定碳为还原剂,还原剂用量大、还原温度高(1150℃左右)、还原时间长(>48h),导致能耗高、碳排放量大、污染严重。毫无疑问,这无法顺应"我国二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值,努力争取2060年前实现碳中和"的绿色发展潮流。此外,传统还原法制备的铁粉孔隙率高、致密性差,导致产品流动性、松装密度和压缩性能低,无法满足高端铁粉的要求。为此,本团队提出高纯铁精矿全氢还原—电磁感应热处理制备高性能粉末冶金铁粉的新思路。首先,利用氢还原取代碳热还原,不但能解决传统还原铁粉制备工艺碳排放量大、污染严重的问题,而且可充分利用氢气的高还原势和强扩散能力,提高反应速率,实现高纯铁粉的低温、快速和绿色制备。然后,利用电场感应加热的电—磁—热多外场的协同作用,诱导高纯铁粉铁晶粒的生长,促进铁粉微观结构的致密化,解决传统还原铁粉流动性低、松装密度和压缩性能差等问题,改善还原铁粉的质量。研究结果表明:(1)以品位为71.5%的高纯铁精矿为原料,通过带式焙烧机制备出氧化球团,在氢还原温度800℃、还原时间60min的条件下,可制备出直接还原铁品位98.56%,金属化率99.2%。将该球团磨细后获得的还原铁粉,其松装密度较低,仅为2.13g/cm3,无法满足要求。(2)在800℃全氢还原60min+1100℃感应强化60min+800℃二次氢还原60min(总热处理时间180min)的条件下,由全铁品位71.10%的超纯铁精矿可以制备出铁品位98.57%、压缩性6.52g/cm3、松装密度2.47g/cm3、流动性35.21s/50g的粉末冶金铁粉,其性能满足牌号FHY100·240的粉末冶金用还原铁粉。(3)粉末冶金铁粉松装密度与其铁晶粒大小密切相关。通过电磁感应热处理,调控还原铁粉中铁晶粒形核与生长,提高致密性,大幅度改善其松装密度和压缩性能。新思路突破了传统还原法制备粉末冶金铁粉工艺与性能的双重约束,显著降低碳排放,减轻环境负荷,提高生产效率,改善产品性能,可实现高性能粉末冶金铁粉的高效制备,将对我国钢铁粉末和粉末冶金行业的高质量发展具有重要意义。更多还原