Получение порошков железа

В ряду напряжений железо располагается левее водорода, и в кислых электролитах на катоде интенсивно выделяется водород, существенно снижая выход по току и ухудшая качество порошка железа. Кроме того, в электролите может образовываться Fe(OH)₃, загрязняющий катодный осадок и нарушающий непрерывность процесса электролиза.

Электролит представляет собой сернокислый раствор сульфата железа с добавкой хлористого натрия (устраняет пассивацию анода и осаждение из раствора на катоде некоторых примесей) или солянокислый раствор хлорида железа с добавкой хлористого аммония либо смесь таких растворов, так как каждый из них имеет свои достоинства и недостатки.

Хлористый электролит позволяет вести электролиз при небольшом напряжении на ванне электролизера и повышенных плотностях тока, но в нем легко окисляется двухвалентное железо в трехвалентное, образующее осадок Fe(OH)₃. В сернокислых электролитах окисление двухвалентного железа и гидратообразование происходят менее активно, режим электролиза более стабилен, но требуются повышенное напряжение на ванне и повышенный расход электроэнергии по сравнению с применением хлористого электролита.

Растворимые аноды могут быть из чугунного или низкоуглеродистого стального лома, литья, обрезков железных листов, стружки с содержанием углерода < 0,6 % мас. и т.п. Катоды изготавливают из нержавеющей (коррозионно-стойкой) стали.

Электролиз ведут на получение либо плотного хрупкого осадка железа, либо его мягкого осадка. Катодный осадок первого типа может быть получен следующим образом. Аноды, очищенные на пескоструйном аппарате от оксидной пленки, помещают в мешки-диафрагмы для устранения механического засорения катодного осадка анодным шламом. Электролит поступает в железобетонные ванны с винипластовой футеровкой из напорного бака, а из ванн стекает в сливной бак, откуда его вновь перекачивают в напорный бак. Температура электролита 50–54 °С, скорость циркуляции 8–10 л/мин. Напряжение на ванне 1,5–1,7 В, катодная плотность тока 400–500 А/м².

При электролизе анодное растворение (90–95 %) превышает катодное осаждение (80–85 %), вследствие чего концентрация ионов двухвалентного железа в электролите должна непрерывно увеличиваться, а концентрация кислоты падать. Однако одновременно в электролите в результате гидролиза сернокислого железа и окисления двухвалентного железа кислородом воздуха до трехвалентного идут процессы, приводящие к уменьшению количества Fe²⁺ и увеличению концентрации H₂SО₄. В процессе циркуляции электролит охлаждается до 42–45 °С, окисляется воздухом и после подогрева в напорном баке приобретает кислотность 0,32–0,35 г/л. Образующиеся взвешенные гидроксилы железа либо отстаиваются в сливном баке, либо отделяются на фильтр-прессе, расположенном до напорного бака. Скорость циркуляции электролита зависит от его кислотности и температуры в ванне: увеличивается при пониженных кислотности и температуре и уменьшается при повышенных температуре и кислотности.

Цикл наращивания катодного осадка толщиной 2,0–2,5 мм длится около 46–48 ч. Для получения слоистого и хрупкого листа подачу тока на электролизер прерывают на 15–20 мин через каждые 6 ч. Катоды с осадком, извлеченные из ванны, промывают проточной водой, затем механическим способом снимают с катода железные пластины, дробят и размалывают их в шаровых мельницах в жидкой среде. Полученный порошок промывают горячей (60 °С) водой во вращающихся барабанах, обеспечивая полноту отмывки электролита. Затем порошок сушат в барабанной печи при 150 °С или в горячей камере распыления, получая так называемый «черный порошок» окисленного железа, содержащий 92–95 % Fe. Этот порошок отжигают во вращающихся трубчатых печах при 680–720 °С в течение 1–3 ч в восстановительной среде (например, в атмосфере генераторного газа), после чего проводят размол в шаровых мельницах. Насыпная плотность порошка 1,8–2,2 г/см3, а размер частиц < 125 мкм.

Возможно получение рыхлых осадков железа при использовании растворимого железного анода в комбинации с нерастворимым свинцовым анодом и дополнительным электродом (еще одним анодом) из железной сетки.

Применяется сернокислый электролит, где сульфат аммония стабилизирует кислотность электролита, a K₂SО₄ улучшает осыпаемость железного порошка с катода и увеличивает электропроводность раствора. Температура электролита 20–25 °С, катодная плотность тока 400–1000 А/м². Питание электролизера постоянным током осуществляют от двух селеновых выпрямителей с регулируемыми напряжениями. Подобная схема за счет изменения напряжений на выпрямителях позволяет вести независимое регулирование токов, протекающих через каждый из анодов: один из выпрямителей питает цепь железный анод–катод, другой – цепь свинцовый анод–катод.

Меняя условия электролиза, можно получать железные порошки различной структуры и высокой степени чистоты с выходом по току 60–65 %. Полученные на катоде порошки железа извлекают из ванны, отмывают от электролита водой, подкисленной H₂SО₄, высушивают в вакуумном шкафу при комнатной температуре и отжигают в водороде при 700 °С.