专利名称：一种制备氮化铁系微粉的装置及方法
技术领域：
本发明涉及磁性材料技术领域，具体地说涉及氮化铁材料的制备方法和装置。
背景技术：
氮化铁(FexN)磁粉是近年来发展起来的新型磁性材料，它不仅磁学性能优良，而且还具有较好的抗氧化和耐磨能力，是一种很有潜力的新一代磁性材料，在化学工业、电子工业和国防高科技研究领域中具有诸多重要的应用价值。尤其是在新型智能材料——磁流变液生产中比之传统的磁粉有着更广泛的应用前景。氮化铁的品种有许多，迄今为止，以为人们所知的主要有4_Fe2N、e -Fe3N, Y ； 460和？61#2等，最早发现于钢铁表面渗氮处理的硬化层中。当前氮化铁铁粉的制备方法主要包括Fe (CO) 5氮化法、a -FeOOH还原氮化法、卤铁盐及铁氧化物还原氮化法和高纯a -Fe氮化法等。中国专利CN1670870A公开了一种通过铁氧化物还原氮化法生产主相为Fe16N2的氮化铁磁粉的方法。该方法以含固溶Al的针铁矿作为氧化铁，然后在300 600°C温度范围内，通入氢气还原，然后在不高于200°C的温度下于含氮气流(典型为氨气)中保持几个小时即可得到主要由Fe16N2相组成的氮化铁粉。中国专利0附0160770认公开了一种通过氮化高纯0 46制备氮化铁的方法。该方法将纳米纯a-Fe粉末或纳米纯a-Fe薄膜装入强磁场气体氮化炉内，通入氢气，控制空速为0. 5-51^，在300-450°C下保温10 90分钟，然后停止加热，自然冷却至60 100°C .在该温度下通过磁场发生装置施加6 20T的磁场，同时通入氨气，控制空速为0. 5-5^1,将反应器内温度升高至120 250°C并保温8 30小时，然后自然冷却至室温，或得氮化铁粉末或薄膜产品。中国专利CN1117020A公开了一种激光气相合成氮化铁超细的方法。该方法以Fe (CO) 5为铁源，以氨气为反应气通过加热的铁源，进入连续二氧化碳激光气相反应室，二氧化碳激光诱发氨气和Fe (CO) 5的气相热分解反应，在Ar或N2气氛下一步合成氮化铁超细粉。上述方法普遍存在制备成本较高，粉末球形度不高，粒度控制难等问题，这使得磁粉在形成磁流体或磁流变液时稳定性差，影响氮化铁粉体的开发应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种制备氮化铁系微粉的装置及方法，制备出的氮化铁粉粒度可控，粒径分布均匀、氮化程度高、球形度好、球化率高、且制成温度较低、能耗少，用其制备的磁流变液有较高的饱和磁化强度和屈服应力。本发明的技术方案采用羰基铁液体作为反应初始物，两步法制备氮化铁磁流变液。即通过氨化反应和热分解反应两步制备氮化铁粉。首先将羰基铁液体和氨气加入到螺旋管式氨化炉中，进行“气-液”两相氨化反应，生成氨化羰基铁络合物；生成的氨化羰基铁络合物泵入到气化器中，进行气化，然后在压力作用下自行沿管路进入热解炉，发生热分解反应，生成氮化铁粉，通过调控氨化羰基铁络合物流量、热解温度、气化温度来调控氮化铁系微粉的粒度，通过调控羰基铁流量、氨气流量、氨化温度来控制氨化羰基铁络合物的生成比率，由此达到控制氮化铁粉成分的目的。现参考附图I对本发明详细说明如下附图I为本发明氮化铁粉制备装置的结构示意图。如附图I所示，本发明所述氮化铁系微粉制备装置由管式氨化炉系统I、氨化中间物气化系统II、热解系统III、粉体收集系统IV统组成。管式氨化反应系统I，由恒温油浴锅⑴、管式反应器⑵、搅拌器(3)、加热器⑷、气液分离器(5)和氨化PID温控器(6)组成。恒温油浴锅⑴内注入导热油，加热器置入导热油中，PID温控器(6)控制恒温油浴锅(I)的温度，搅拌器(3)通过搅拌导热油使得油浴·锅内温度分布均匀，保证管式反应器(2)和导热油热交换顺利进行。管式反应器(2)前端通过不锈钢钢管将反应初始物氨气和羰基铁液导入，后端通过不锈钢管与气液分离器(5)相连。氨化中间物气化系统II，由恒温油浴槽(7)、加热器⑶、微型泵(9)、气化器(10)、搅拌器(11)、气化PID温控器(12)、换向阀(13)组成。恒温油浴槽(7)内注入导热油，力口热器⑶置入导热油中，气化PID温控器(12)控制恒温油浴槽(7)的温度，搅拌器(11)通过搅拌导热油使得油浴槽内温度分布均匀，保证气化器(10)和导热油热交换顺利进行。微型泵(9)将气液分离器(5)中的氨化羰基铁络合物液体泵入气化器(10)中。换向阀(13)能使氨化羰基铁络合物液体和Ar保护气交替进入气化器(10)内；热分解反应系统III，由换向阀(14)、加热丝(15)、热解炉(16)、和热分解PID温控器(17)组成。权利要求3中所述气化器(10)内的氨化羰基铁络合物气体，在压力作用下，通过管路被输送到热解炉(16)内，通过加热丝(15)加热热解炉(16)内的氨化羰基铁络合物气体，热分解PID温控器(17)控制热解炉(16)加热升温速率和热分解恒温温度。换向阀(14)能使氨化羰基铁络合物气体和Ar保护气交替进入热解炉(16)内；粉体搜集系统IV，由粉体冷却室(18)，连接卡箍(19)，粉体收集瓶(20)组成。粉体冷却室(18)其特征在于前后对称安装了玻璃窥视孔(21)，左右对称安装了操作手套(22)，窥视孔(21)的作用在于可以观察氮化铁粉末的生产情况，操作手套(22)的作用在于清扫冷却室壁上聚集的氮化铁粉末。整套装置和连接管道均采用304不锈钢制作；本发明所述的制备氮化铁微粉的方法包括如下工艺步骤实施过程在本发明所述的氮化铁微粉制造装置中进行。(I)第一步，启动搅拌器(3)、加热器(4)、和氨化PID温控器(6)，将恒温油浴锅
(I)内的温度升至75 95°C，搅拌器(3)的转速为50 200r/min，保持恒温3分钟后，将氨气和羰基铁液通入到管式反应器(2)中进行氨化反应。羰基铁液输入管式反应器(2)中的输入速度为IOmL lL/h,氨气通入速度为IOOmL 10L/min ；(2)第二步，在完成第一步所述操作后，通过换向阀(13)向气化器(10)内输入Ar保护气体，Ar气的输入速度为10 lOOmL/min ;启动搅拌器(11)、加热器(8)、和气化PID温控器(12)，将恒温油浴槽(7)内的温度升至90 140°C，搅拌器(11)的转速为50 200r/min ；(3)第三步在完成第二步所述操作后，通过换向阀(14)向热解炉(16)内输入Ar保护气体，Ar气的输入速度为10 100mL/min，启动热分解PID温控器(17)和加热丝(15)，控制升温速率3 5°C /min，使热解炉(16)内部温度升至180 360°C ；；(4)第四步，60分钟后，通过换向阀(13)停止气化器(10)内输入Ar保护气体，启动微型泵(9)将气液分离器(5)内收集贮存的氨化羰基铁络合物液泵入气化器(10)中；氨化羰基铁络合物液体泵入气化器(10)中的输入速度为5mL lL/h ;第五步，通过换向阀
(14)停止热解炉(16)内输入Ar保护气体，将气化器(10)内的氨化羰基铁络合物气体经换向阀(14)导入热解炉(16)内进行热分解反应，反应温度控制在180 360°C范围，热分解时间为3 20小时，热分解反应过程中，可以通过窥视孔(21)观察氮化铁粉末的生产情况。
(5)第五步，将制备的氮化铁粉通过操作手套(22)从粉末冷却室(18)内扫至粉末收集瓶(20)。制得的氮化铁粉体可用球磨机或研磨机处理，使之分散，最终制得氮化铁微粉。本发明制造金属磁流变液的实施过程中，在管式氨化反应系统中进行如下的氨化反应 反应进行后的氨化羰基铁络合物气液，经过气液分离器冷凝收集后，由微型泵从气化器上部泵入，在气化器内转化为氨化羰基铁络合物的气体，在压力作用下进入热解炉，迅速进行热分解反应。热分解反应式如下反应生成氮化铁(如氮化铁)磁性微粒，并放出一氧化碳、氨气、氢气。羰基铁液进入热解炉内的流量决定了热解炉中油载液与羰基铁液混合液的浓度，该浓度的高低、热解温度的高低、表面活性剂的加入量决定了热分解生成的氮化铁磁性微粒的粒径大小，热分解时间的长短决定了油载液中氮化铁磁性微粒的百分含量。采用本发明所述的装置及方法可获得含有亚微米级氮化铁磁性微粒的磁流变液，其粒径可达0. 5 8iim。
图I氮化铁系微粉制备装置示意中(I)恒温油浴锅、⑵管式反应器、(3)搅拌器、⑷加热器、(5)气液分离器、
(6)氨化PID温控器、(7)恒温油浴槽、(8)加热器、(9)微型泵、(10)气化器、(11)搅拌器、
(12)气化PID温控器、(13)换向阀、(14)换向阀、(15)加热丝、(16)热解炉、(17)热解PID温控器、(18)粉体冷却室、(19)连接卡箍、(20)粉体收集瓶、(21)玻璃窥视孔、(22)操作手套。实施实例制备氮化铁材料的方法如下将氨气和羰基铁液通入到管式反应器中进行氨化反应。羰基铁液输入管式反应器
(2)中的输入速度为240mL/h，氨气通入速度为3. 5L/min，控制恒温油浴锅温度为85°C，维持该过程4小时，然后停止。将气液分离器里集存的氨化羰基铁络合物用微型泵以360mL/h的速度泵入气化器气化，气化后的氨化羰基铁络合物沿管路进入热解炉，进行热分解，制备氮化铁系微粉，在反应过程中控制热解炉温度稳定在240°C，直至反应生成的氨化羰基 络合物用尽。反应制得的粉末球磨3小时分散。经检测，所得氮化铁粉末总重200g，其中e-Fe3N含量为40%，-Fe4N含量为35%，4-Fe2N含量为25 %，极少量的Fe3O4 ;粉末粒度为2 4iim。
权利要求
1.一种制备氮化铁系微粉的装置，其特征在于由管式氨化炉系统I、氨化中间物气化系统II、热解系统III、粉体收集系统IV组成。
2.根据权利要求I所述的管式氨化反应系统I，其特征在于由恒温油浴锅(I)、管式反应器(2)、搅拌器(3)、加热器(4)、气液分离器(5)和氨化PID温控器(6)组成。恒温油浴锅(I)内注入导热油，加热器置入导热油中，PID温控器(6)控制恒温油浴锅(I)的温度，搅拌器(3)通过搅拌导热油使得油浴锅内温度分布均匀，保证管式反应器(2)和导热油热交换顺利进行。管式反应器(2)前端通过不锈钢钢管将反应初始物氨气和羰基铁液导入，后端通过不锈钢管与气液分离器(5)相连。
3.根据权利要求I所述的氨化中间物气化系统II，其特征在于由恒温油浴槽(7)、力口热器(8)、微型泵(9)、气化器(10)、搅拌器(11)、气化PID温控器(12)、换向阀(13)组成。恒温油浴槽(7)内注入导热油，加热器(8)置入导热油中，气化PID温控器(12)控制恒温油浴槽(7)的温度，搅拌器(11)通过搅拌导热油使得油浴槽内温度分布均匀，保证气化器(10)和导热油热交换顺利进行。微型泵(9)将气液分离器(5)中的氨化羰基铁络合物液体泵入气化器(10)中。换向阀(13)能使氨化羰基铁络合物液体和Ar保护气交替进入气化器(10)内。
4.根据权利要求I所述的热分解反应系统III，其特征在于由换向阀(14)、加热丝(15)、热解炉(16)、和热分解PID温控器(17)组成。权利要求3中所述气化器(10)内的氨化羰基铁络合物气体，在压力作用下，通过管路被输送到热解炉(16)内，通过加热丝(15)加热热解炉(16)内的氨化羰基铁络合物气体，热分解PID温控器(17)控制热解炉(16)加热升温速率和热分解恒温温度。换向阀(14)能使氨化羰基铁络合物气体和Ar保护气交替进入热解炉(16)内。
5.根据权利要求I所述的粉体搜集系统IV，其特征在于由粉体冷却室(18)，连接卡箍(19)，粉体收集瓶(20)组成。粉体冷却室(18)其特征在于前后对称安装了玻璃窥视孔(21)，左右对称安装了操作手套(22)，窥视孔(21)的作用在于可以观察氮化铁粉末的生产情况，操作手套(22)的作用在于清扫冷却室壁上聚集的氮化铁粉末。根据权利要求I 5所述装置，其特征在于整套装置和连接管道均采用304不锈钢制作；
6.根据权利要求I所述的制备氮化铁系微粉的装置制备氮化铁微粉的方法，其特征在于工艺步骤如下第一步，启动搅拌器(3)、加热器(4)、和氨化PID温控器￠)，将恒温油浴锅(I)内的温度升至75 95°C，搅拌器(3)的转速为50 200r/min，保持恒温3分钟后，将氨气和羰基铁液通入到管式反应器(2)中进行氨化反应。羰基铁液输入管式反应器(2)中的输入速度为IOmL lL/h，氨气通入速度为IOOmL 10L/min ;第二步，在完成第一步所述操作后，通过换向阀(13)向气化器(10)内输入Ar保护气体，Ar气的输入速度为10 lOOmL/min ;启动搅拌器(11)、加热器(8)、和气化PID温控器(12)，将恒温油浴槽(7)内的温度升至90 140°C，搅拌器(11)的转速为50 200r/min ;第三步，在完成第二步所述操作后，通过换向阀(14)向热解炉(16)内输入Ar保护气体，Ar气的输入速度为10 IOOmL/min，启动热分解PID温控器(17)和加热丝(15)，控制升温速率3 5°C/min，使热解炉(16)内部温度升至180 360°C;第四步，60分钟后，通过换向阀(13)停止向气化器(10)内输入Ar保护气体，启动微型泵(9)将气液分离器(5)内收集贮存的氨化羰基铁络合物液体泵入气化器(10)中；氨化羰基铁络合物液体泵入气化器(10)中的输入速度为5mL IL/h;第五步，通过换向阀(14)停止向热解炉(16)内输入Ar保护气体，将气化器(10)内的氨化羰基铁络合物气体经换向阀(14)导入热解炉(16)内进行热分解反应，反应温度控制在180 360°C范围，热分解时间为3 20小时，热分解反应过程中，可以通过窥视孔(21)观察氮化铁粉末的生产情况；第五步，将制备的氮化铁粉通过操作手套(22)从粉末冷却室(18)内扫至粉末收集瓶(20)。制得的氮化铁粉体可用球磨机或研磨机处 理，使之分散。
全文摘要
一种制备氮化铁系微粉的装置及方法，制备出的氮化铁粉粒度可控，粒径分布均匀、氮化程度高、球形度好、球化率高、且制成温度较低、能耗少，用其制备的磁流变液有较高的饱和磁化强度和屈服应力。技术方案采用羰基铁液体作为反应初始物，通过氨化反应和热分解反应两步制备氮化铁粉。首先将羰基铁液体和氨气加入到螺旋管式氨化炉中，进行氨化反应，生成氨化羰基铁络合物；生成的氨化羰基铁络合物泵入到气化器中，然后在压力作用下自行沿管路进入热解炉，生成氮化铁粉，通过调控氨化羰基铁络合物流量、热解温度、气化温度来调控氮化铁系微粉的粒度，通过调控羰基铁流量、氨气流量、氨化温度来控制氨化羰基铁络合物的生成比率，由此控制氮化铁粉成分。
文档编号C01B21/06GK102963872SQ201110257858
公开日2013年3月13日 申请日期2011年9月2日 优先权日2011年9月2日
发明者王家松, 白安洋, 徐教仁, 张东南, 孙文亮, 邹乐平, 韩跃, 余勇, 雷卫武 申请人:浩华科技实业有限公司