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15管多管还原炉还原钴粉上、下舟还原效果分析研究

2021-09-10万小虎王朝安张志平韩厚坤

四川冶金 2021年4期
关键词:粒度形貌密度

万小虎,王朝安,张志平,韩厚坤

(安徽寒锐新材料有限公司,安徽 滁州 239000)

钴粉具有优良的物理、化学和机械性能,广泛用于硬质合金、金刚石工具、磁性材料陶瓷行业、工业爆破剂等领域[1-4]。随着经济的发展,各行业均对钴粉的需求越来越大,特别是硬质合金行业[5-8]。硬质合金具有高的硬度和耐磨性能,被誉为“工业牙齿”,广泛地被用于医疗、汽车、航空航天、采矿等领域[7]。随着硬质合金市场不断的扩大,传统两管式还原炉产能和品质不能满足国内外的需求[9-11]。本研究以四氧化三钴为原料,采用15管多管式还原炉氢还原制备钴粉。研究了还原温度对上、下舟钴粉费氏粒度(FSSS)、粒度分布(Particle Size Distribution 简称PSD)、形貌、成分、氧含量、松装密度的影响。

1 试验

1.1 试验设备

WLP-205费氏粒度仪;Malvern-3000激光粒度仪;钢研纳克ONH-3000氧测量仪;钢研纳克CS-2800碳硫分析仪;扫描电镜JSM-IT200; AVIO 200电感耦合等离子体发射光谱仪;FT-101斯科特容量计松装密度测试仪;15管多管式还原炉;ATOMIC ABSORPTION SPECTROPHOTOMETER A3原子吸收仪。

1.2 试验原料

采用WLP-205费氏粒度仪、Malvern-3000激光粒度仪以及钢研纳克CS-2800碳硫分析仪、FT-101斯科特容量计松装密度测试仪对四氧化三钴原料进行费氏粒度、激光粒度、碳含量、松装密度测试,结果如表1所示。

表1 四氧化三钴测试结果

扫描电镜JSM-IT200对四氧化三钴形貌分析,结果如图1所示。

图1 四氧化三钴形貌(a×1000 ,b×5000)

分析表明:四氧化三钴Fsss为0.39 μm,C%含量为490 ppm,PSDD50为3.07 μm,D90为6.33 μm,形貌为类球形。

1.3 试验过程

上、下舟均为尺寸500 mm×150 mm×60 mm、壁厚4 mm的耐高温不锈钢槽。上、下舟均放入1.4 kg四氧化三钴并平铺在舟皿中。将上舟叠放在下舟皿上,间隙为15 mm。在15管多管式还原炉中用氢气还原,采用连续推舟方式,推舟速度13 min,氢气流量30 m3/h,每舟总还原时间为390 min。还原工艺温度如图2所示。每间隔1 h取样,共计取样5次。还原后的海绵钴粉采用二氧化碳保护,擦筛250目后检测其相关性能。

图2 5管多管式还原炉还原工艺

2 试验测试及结果

2.1 氧含量测试

根据YS/T 281.20-2011《氧量的测定 脉冲红外吸收法》,采用钢研纳克ONH-3000氧测量仪对不同工艺条件下钴粉氧含量进行测试,结果如图3所示。

图3 钴粉氧含量测试结果

2.2 FSSS粒度测量

根据GB/T 3249-2009《金属及其化合物费氏粒度的测定方法》,采用WLP-205费氏粒度仪对不同工艺条件下钴粉FSSS粒度进行测试,结果如图4所示。

2.3 PSD、松装密度检测

采用Malvern-3000激光粒度、FT-101斯柯特容量计松装密度测试仪对不同工艺条件下钴粉PSD和松装密度进行测试。松装密度根据GB/T 1479.2-2011《松装密度的测定-第2部分:斯柯特容量计法》测量。PSD根据GB/T 19077-2016《粒度分布 激光衍射法》结果如表2所示。

图4 钴粉FSSS测试结果

表2 PSD、松装密度检测结果统计表

2.4 形貌分析

采用扫描电镜JSM-IT200对不同工艺条件下钴粉形貌进行测试,结果如图5所示。

2.5 成分分析

根据YS/T 281-2011中相关标准,采用AVIO 200电感耦合等离子体发射光谱仪、ATOMIC ABSORPTION SPECTROPHOTOMETER A3原子吸收仪对不同工艺条件下钴粉中(Ni,Fe、Mn、Cu、Pd、Zn、Si、Ca、Mg、Na、Al、Cd、S)进行测试,结果如表3所示。

图5 钴粉形貌×5000(c,d,e分别对应1-1,1-3,1-5;f,g,h分别对应2-1,2-3,2-5)

3 讨论及分析

3.1 氧含量

氧含量测试结果如图3所示,1#试验组上舟皿平均氧含量0.232%,下舟皿平均氧含量为0.275%。2#试验组上舟皿平均氧含量0.376%,下舟皿平均氧含量为0.408%。上舟皿钴粉氧含量均低于下舟皿。经过分析这是由四氧化三钴在还原过程造成的,因为上、下舟从出炉到卸舟,上舟皿一直裸露在“气氛”中,下舟虽距离上舟皿有一定距离,但有着上舟皿的掩盖,吸氧的风险较下舟皿小,氧含量从理论来说比上舟皿氧含量低。但实际情况是上舟皿氧含量更低,说明造成该情况原因主要是在还原阶段工艺造成的。还原温度越低,钴粉越细、氧含量越高[12]。

3.2 FSSS粒度和PSD

从图4可知,试验组1#,2#钴粉的FSSS粒度较下舟皿FSSS大且PSD D50上舟皿较下舟皿大,FSSS测量结果和PSD D50情况吻合。正旋峰(D90-D10)/D50上舟皿比下舟皿小,说明上舟皿钴粉还原粒度均匀,稳定性较下舟强。

表3 钴粉化学元素检测结果统计表(%)

3.3 形貌和松装密度

图5分析发现,1#、2#钴粉形貌均为类球形,上舟皿和下舟皿钴粉形貌及尺寸接近。1#试样上舟皿平均松装密度为0.492 g/cm3,平均偏差为0.96%;1#试样下舟皿平均松装密度为0.484 g/cm3,平均偏差为1.12%。2#试样上舟皿平均松装密度为0.414 g/cm3,平均偏差为0.48%;2#试样下舟皿平均松装密度为0.41 g/cm3,平均偏差为0.8%。可以看出上舟皿钴粉松装更稳定。

3.4 化学成分

从表3可以看出,不同工艺下,还原钴粉成分符合YS/T 673-2013《还原钴粉》中a等级标准,各试验组的元素含量基本接近。1#试验组的Fe和Ni元素略高于2#,造成的可能原因是由于1#还原温度高于2#,舟皿中的Fe、Ni元素扩散至钴粉所致,该问题需要进一步研究。

4 结论

1)还原工艺是影响钴粉粒度,氧含量的重要因素之一,还原温度越低,钴粉FSSS及PSDD50越小,钴粉氧含量越高。

2)同一原料还原,钴粉的杂质元素含量基本一致,钴粉的成分相近。

3)上舟皿的氧含量均低于下舟皿,FSSS、松装密度及PSDD50均高于下舟皿。上舟皿粒度分布、松装密度稳定性均高于下舟皿。

4)同一还原工艺下,上、下舟皿还原钴粉的形貌基本一致,均为类球形。不同工艺条件下钴粉颗粒尺寸差距较大。还原温度越高、钴粉越粗。

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