Металлотермические методы получения порошков железа

Хлоридный способ получения порошков железа

Сущность этого гидрометаллургического метода заключается в растворении исходного железосодержащего материала в соляной кислоте с образованием раствора хлористого железа (примеси и балластные вещества отделяются в виде нерастворимого остатка) и последующем его восстановлении водородом с получением чистого порошка железа. Продукт восстановления (слабо сцепленные частицы) подвергают измельчению в молотковой или вихревой мельнице. Хлоридный способ применяют также для получения природнолегированных (2,5–8,0 % легирующих элементов) порошков железа.

К данной группе методов относятся карбидотермический и гидриднокальциевый методы.

Карбидотермический метод. Железные порошки высокой чистоты могут быть получены восстановлением прокатной окалины или богатой окисленной железной руды карбидом кальция. Исходные железосодержащий материал и карбид кальция размалывают в шаровой мельнице до крупности частиц около 100 мкм, после чего смешивают их в барабанном смесителе в течение 3 ч. Шихту восстанавливают при 1 100–1 150 °С в течение 2–3 ч. В процессе нагрева при 800–900 °С карбид кальция диссоциирует с образованием металлического кальция и свободного углерода. Образующийся оксид кальция взаимодействует с металлическими примесями, формируя оксидный шлак. Полученную при восстановлении спеченную губку измельчают в шаровой мельнице в жидкой среде (Т: Ж = 4: 1) в течение 2 ч до крупности частиц < 100 мкм, после чего проводят мокрую магнитную сепарацию (Т: Ж = 1: 4). Обогащенный железный порошок обезвоживают на вакуум-фильтрах и высушивают при 50–60 °С. Без восстановления такой порошок в зависимости от вида исходного сырья содержит 98,7–99,1% Fe. Его качество может быть улучшено отмывкой примесей при обработке порошка соляной кислотой.

Гидридно-кальциевый метод. Порошки сталей и сплавов сложного состава получают совместным восстановлением смеси оксидов (или смеси оксидов и металлических порошков) гидридом кальция.

Компоненты получаемого сплава, оксиды которых легковосстановимы, целесообразно вводить в шихту в виде порошков соответствующих металлов (например, Fe, Cu, Ni, W, Mo и др.), так как при этом сокращается расход дорогостоящего гидрида кальция. Трудновосстановимые оксиды, входящие в шихту, восстанавливаются гидридом кальция практически при одной и той же температуре (1150–1200 °С), причем в реакторе из нержавеющей стали начиная с 400 и вплоть до 1200 °С поддерживается атмосфера сухого и чистого водорода (при 400 °С гидрид кальция диссоциирует, выделяя водород, а при более высоких температурах – взаимодействует с водой, образующейся при восстановлении оксидов). Когда шихта содержит мало трудновосстановимых оксидов, в нее рекомендуется вводить «разъединитель» (оксид кальция, хлористый натрий и др.), что облегчает последующую обработку спека, образовавшегося после проведения реакции.

В процессе восстановления происходит агломерация металлических частиц, которой оксид кальция препятствует, а хлористый натрий способствует. Выдержка при температуре восстановления зависит от скорости процесса диффузионного образования сплава и должна быть установлена экспериментально; обычно она составляет 6–8 ч.

Разгрузку спека из реактора осуществляют либо струей воды под давлением 0,15–0,2 МПа, причем одновременно происходит его гашение, либо механически (тогда выгруженный из реактора спек дробят, размалывают и гасят большим избытком воды).

Пульпу, полученную после гашения спека и содержащую порошок сплава и гидроксид кальция, подвергают обогащению в гидроциклонах, позволяющих удалить 60–70 % Са(ОН)₂. Затем пульпу обрабатывают разбавленной соляной кислотой, переводят оставшийся в пульпе гидроксид кальция в хорошо растворимый в воде хлористый кальций, который отмывают. После отмывки металлический порошок обрабатывают на центрифугах и высушивают в вакуумных сушильных шкафах при 60–70 °С.

Указанным методом получают порошки высоколегированных сталей и сплавов.