15管多管還原爐還原鈷粉上、下舟還原效果分析研究

萬小虎，王朝安，張志平，韓厚坤

(安徽寒銳新材料有限公司，安徽 滁州 239000)

鈷粉具有優良的物理、化學和機械性能，廣泛用于硬質合金、金剛石工具、磁性材料陶瓷行業、工業爆破劑等領域[1-4]。隨著經濟的發展，各行業均對鈷粉的需求越來越大，特別是硬質合金行業[5-8]。硬質合金具有高的硬度和耐磨性能，被譽為“工業牙齒”，廣泛地被用于醫療、汽車、航空航天、采礦等領域[7]。隨著硬質合金市場不斷的擴大，傳統兩管式還原爐產能和品質不能滿足國內外的需求[9-11]。本研究以四氧化三鈷為原料，采用15管多管式還原爐氫還原制備鈷粉。研究了還原溫度對上、下舟鈷粉費氏粒度(FSSS)、粒度分布(Particle Size Distribution 簡稱PSD)、形貌、成分、氧含量、松裝密度的影響。

1 試驗

1.1 試驗設備

WLP-205費氏粒度儀；Malvern-3000激光粒度儀；鋼研納克ONH-3000氧測量儀；鋼研納克CS-2800碳硫分析儀；掃描電鏡JSM-IT200； AVIO 200電感耦合等離子體發射光譜儀；FT-101斯科特容量計松裝密度測試儀；15管多管式還原爐；ATOMIC ABSORPTION SPECTROPHOTOMETER A3原子吸收儀。

1.2 試驗原料

采用WLP-205費氏粒度儀、Malvern-3000激光粒度儀以及鋼研納克CS-2800碳硫分析儀、FT-101斯科特容量計松裝密度測試儀對四氧化三鈷原料進行費氏粒度、激光粒度、碳含量、松裝密度測試，結果如表1所示。

表1 四氧化三鈷測試結果

掃描電鏡JSM-IT200對四氧化三鈷形貌分析，結果如圖1所示。

圖1 四氧化三鈷形貌(a×1000 ，b×5000)

分析表明：四氧化三鈷Fsss為0.39 μm，C%含量為490 ppm，PSDD50為3.07 μm，D90為6.33 μm，形貌為類球形。

1.3 試驗過程

上、下舟均為尺寸500 mm×150 mm×60 mm、壁厚4 mm的耐高溫不銹鋼槽。上、下舟均放入1.4 kg四氧化三鈷并平鋪在舟皿中。將上舟疊放在下舟皿上，間隙為15 mm。在15管多管式還原爐中用氫氣還原，采用連續推舟方式，推舟速度13 min，氫氣流量30 m3/h，每舟總還原時間為390 min。還原工藝溫度如圖2所示。每間隔1 h取樣，共計取樣5次。還原后的海綿鈷粉采用二氧化碳保護，擦篩250目后檢測其相關性能。

圖2 5管多管式還原爐還原工藝

2 試驗測試及結果

2.1 氧含量測試

根據YS/T 281.20-2011《氧量的測定 脈沖紅外吸收法》，采用鋼研納克ONH-3000氧測量儀對不同工藝條件下鈷粉氧含量進行測試，結果如圖3所示。

圖3 鈷粉氧含量測試結果

2.2 FSSS粒度測量

根據GB/T 3249-2009《金屬及其化合物費氏粒度的測定方法》，采用WLP-205費氏粒度儀對不同工藝條件下鈷粉FSSS粒度進行測試，結果如圖4所示。

2.3 PSD、松裝密度檢測

采用Malvern-3000激光粒度、FT-101斯柯特容量計松裝密度測試儀對不同工藝條件下鈷粉PSD和松裝密度進行測試。松裝密度根據GB/T 1479.2-2011《松裝密度的測定-第2部分：斯柯特容量計法》測量。PSD根據GB/T 19077-2016《粒度分布 激光衍射法》結果如表2所示。

圖4 鈷粉FSSS測試結果

表2 PSD、松裝密度檢測結果統計表

2.4 形貌分析

采用掃描電鏡JSM-IT200對不同工藝條件下鈷粉形貌進行測試，結果如圖5所示。

2.5 成分分析

根據YS/T 281-2011中相關標準，采用AVIO 200電感耦合等離子體發射光譜儀、ATOMIC ABSORPTION SPECTROPHOTOMETER A3原子吸收儀對不同工藝條件下鈷粉中(Ni，Fe、Mn、Cu、Pd、Zn、Si、Ca、Mg、Na、Al、Cd、S)進行測試，結果如表3所示。

圖5 鈷粉形貌×5000(c，d，e分別對應1-1,1-3,1-5；f，g，h分別對應2-1,2-3,2-5)

3 討論及分析

3.1 氧含量

氧含量測試結果如圖3所示，1#試驗組上舟皿平均氧含量0.232%，下舟皿平均氧含量為0.275%。2#試驗組上舟皿平均氧含量0.376%，下舟皿平均氧含量為0.408%。上舟皿鈷粉氧含量均低于下舟皿。經過分析這是由四氧化三鈷在還原過程造成的，因為上、下舟從出爐到卸舟，上舟皿一直裸露在“氣氛”中，下舟雖距離上舟皿有一定距離，但有著上舟皿的掩蓋，吸氧的風險較下舟皿小，氧含量從理論來說比上舟皿氧含量低。但實際情況是上舟皿氧含量更低，說明造成該情況原因主要是在還原階段工藝造成的。還原溫度越低，鈷粉越細、氧含量越高[12]。

3.2 FSSS粒度和PSD

從圖4可知，試驗組1#，2#鈷粉的FSSS粒度較下舟皿FSSS大且PSD D50上舟皿較下舟皿大，FSSS測量結果和PSD D50情況吻合。正旋峰(D90-D10)/D50上舟皿比下舟皿小，說明上舟皿鈷粉還原粒度均勻，穩定性較下舟強。

表3 鈷粉化學元素檢測結果統計表(%)

3.3 形貌和松裝密度

圖5分析發現，1#、2#鈷粉形貌均為類球形，上舟皿和下舟皿鈷粉形貌及尺寸接近。1#試樣上舟皿平均松裝密度為0.492 g/cm3，平均偏差為0.96%；1#試樣下舟皿平均松裝密度為0.484 g/cm3，平均偏差為1.12%。2#試樣上舟皿平均松裝密度為0.414 g/cm3，平均偏差為0.48%；2#試樣下舟皿平均松裝密度為0.41 g/cm3，平均偏差為0.8%。可以看出上舟皿鈷粉松裝更穩定。

3.4 化學成分

從表3可以看出，不同工藝下，還原鈷粉成分符合YS/T 673-2013《還原鈷粉》中a等級標準，各試驗組的元素含量基本接近。1#試驗組的Fe和Ni元素略高于2#，造成的可能原因是由于1#還原溫度高于2#，舟皿中的Fe、Ni元素擴散至鈷粉所致，該問題需要進一步研究。

4 結論

1)還原工藝是影響鈷粉粒度，氧含量的重要因素之一，還原溫度越低，鈷粉FSSS及PSDD50越小，鈷粉氧含量越高。

2)同一原料還原，鈷粉的雜質元素含量基本一致，鈷粉的成分相近。

3)上舟皿的氧含量均低于下舟皿，FSSS、松裝密度及PSDD50均高于下舟皿。上舟皿粒度分布、松裝密度穩定性均高于下舟皿。

4)同一還原工藝下，上、下舟皿還原鈷粉的形貌基本一致，均為類球形。不同工藝條件下鈷粉顆粒尺寸差距較大。還原溫度越高、鈷粉越粗。