等离子技术与钼冶金

等离子技术与钼冶金 朱兆鹏 枣庄市化学冶金研究所 山东 枣庄 277103 摘 要 等离子技术是60年代发展起来的一门高新技术 它具有温度高 热流密度大 气氛可控等 特 点 它为钼的提取及冶炼提供了一个新的的热源 通过在钼冶炼中采用等离子技术进行了多项科 研和探索 取得了突破性进展 关键词 等离子体 钼 提取 冶炼 PLASMA TECHNIQUES AND MOLYBDENUM METALLURGY Zhu Zhaopeng Zaozhuang Institute for Chemistry Metallurgy Research Shandong 277103 Abstract The plasma technique is a high new technique which has developed since 1960s It has much charac2 teristic such as high temperature large density of heat discharge and controlled atmosphere and it supplied a new heat source The study has made considerable headway by using plasma technique in molybdenum smelting Key words Plasmas Molybdenum Purification Smelting 1 引 言 等离子体是固态 液态 气态之外的物质的第4 态 冶金方面首先涉及的是温度为103 104K的低 温等离子体 低温等离子体具有温度高 热流密度 大 气氛可控等特点 为冶金过程中的重熔 精炼 还 原 热分解等提供了一个理想的高温热源 像等离 子体熔融还原 KR 法 等离子炉炼钢 等离子体钢 包加热 等离子体钢包精炼 等离子炉冶炼铁合金都 相继实现了工业化 取得可喜进展 现将其列出作为 借鉴 2 等离子弧分解法 2 1 氮转移弧分解法生产钼铁 用等离子体分离钼精矿生产钼铁是加拿大No2 randa研究中心多年的研究课题 1 他们采用氮转 移弧和钼精矿粉 Mo 58 S 39 H2O 7 连续 加料的办法 获得较高的冶炼温度 使硫的最佳转换 率达99 96 产品含S 0 03 0 15 单位电耗 12 kWh kg Mo 炼出合格钼铁 其试验工艺流程见 图1 该法用氮等离子弧高温热分解MoS2 用感应炉 进行精炼 该法申请了美国专 利US4466824 US4519835 2 2 三相交流氢等离子体生产钼铁 中国科学院力学研究所 采用三相交流氢等离 图1 氮转移弧分解法生产钼铁试验工艺流程 气体走向 固体走向 图2 三相交流氢等离子体生产钼铁装置 子体 直接用钼精矿生产钼铁 2 第24卷 第1期 2000年2月 中 国 钼 业 CHINA MOL YBDENUM INDUSTRY Vol 24 No 1 February 2000 试验装置功率为150 kW 3根呈放射状安装的 中空石墨电极作为电极 见图2 纯氢作为工作气 体 将氢加热到6 000 左右 生成氢等离子体 石 墨电极在高温下升华 生成碳粒子和碳离子 作为载 热剂及还原剂参加反应 坩埚采用石墨坩锅 在高温 下钼精矿得到分解和还原 试验所用钼精矿化学成 分见表1 表1 试验所用钼精矿化学成分 MoSiO2Al2O3CaOTFeCuPbMnPAS 463 741 170 67 6 19 2 920 0921 52 0 017 0 01 将钼精矿加粘结剂制成团块 直接从等离子体 发生器上部的投料口投入 经过等离子体区进行分 解和还原 得到的产品便是钼铁 其化学成分见表 2 表2 钼铁化学成分 MoFeSiMnCuAlCSP 86 35 780 210 0140 150 587 650 010 01 冶炼电耗 10 5 kWh kg Mo 钼回收率 95 氢气耗 200 NM3 t Mo 由于冶炼中没有配入其它含铁物质 炉衬是石 墨坩埚 所以钼铁产品的含钼量可达85 90 含碳量C 7 65 经查日本J ISG标准FMoH牌 号钼铁允许C 6 0 即高碳钼铁 在某些场合可 以使用 3 等离子弧重熔法 3 1 氩等离子弧重熔法生产钼铁 钼的熔点较高 T熔 2 610 属难熔金属 钼 的另一个特点 即当温度超过650 时 在空气中易 发生氧化生成MoO3并升华 所以用其它冶炼设备 不适合冶炼钼铁 等离子体具有温度高 热流密度 大 气氛可控等特点 重熔废钼料生产钼铁具有一定 优势 70年代起北京二 七机车车辆厂 首先用氩 等离子体重熔废钼生产钼铁 枣庄市化学冶金研究 所1978年起用500 kg等离子电弧炉重熔废钼料生 产钼铁 3 并先后出口到西德 荷兰 日本 美国 因 质量优异 有害杂质含量低一个数量级 受到用户好 评 等离子弧采用直流转移弧 等离子发生器功率 为400 kW 工作电压140 180 V 工作电流1 500 2 300 A 构成发生器的喷嘴 枪体 阴极焊均由 导热好的紫铜加工而成 并用压力水进行冷却 阴极 系发射电子好的铈钨电极 起弧时当阴极和辅助阳 极之间的氩气被高频电火花激发后产生的等离子弧 即非转移弧 在电场作用下导电的等离子弧使阴极 和底阳极导通 形成大功率的转移弧 在喷嘴的机械 压缩 热压缩和搅拌线圈的磁压缩作用下 使转移弧 的能量高度集中 形成温度高 弧中心可达20 000 K 能流密度大的等离子弧 见图 3 氩气既是工 作气体又是保护气体 它可保护钼废料在重熔过程 中不被氧化 因此钼回收率可达96 以上 冶炼电 耗 2 000 kWh t FeMo 氩气耗 20 NM3 t FeMo 图3 等离子发生器 关于废钼的回收利用 究竟采取什么方法最好 笔者认为 与化学回收法相比 用等离子弧重熔法生 产钼铁 其工艺路线短 有可取之处 尤其是对回收 利用MoSi2和含其它元素的废钼料更为有利 两种 回收工艺比较见图4 图4 等离子弧重熔法和化学回收法回收废钼工艺比较 72 第24卷 第1期 朱兆鹏 等离子技术与钼冶金 3 2 氩加氢等离子弧试验 在等离子体中 氩等离子体较为常见 作为惰性 气体的氩是单原子分子 电离电压低 容易电离 而 且氩等离子体具有低的O2和CO分压 其脱氧类似 于真空感应炉 根据大气压下各种等离子体的电离 电压曲线 见图 5 焓与温度的函数关系 见图 6 及 导热系数与温度的关系 见图7 我们可以知道氢 等离子体除了具有 还原气氛外 还具有电离电压 高 焓值高 导热系数大等特点 图5 大气压下气体电离电压曲线 图6 大气压下气体的焓值与温度的关系k 103 氢的焓值比其它气体高 原因是氢是双原子气 体 在高温下氢分子易分解 如在5 000 K时 95 5 的氢分解为原子氢 在3 000 4 000 K时氢 的焓值增加得很快 就是因为其分子在大量分解而 吸收能量 氢等离子体在同一温度下比氧 空气 氮 气的导热系数都大得多 尤其在4 000 K时有一峰 值 其原因是 第一 氢分子在高温下易分解 而在 低温区又重新复合 这种分解 复合反应 对加速热 传导起重要作用 第二 氢等离子体内的基本离子 分子 原子 离子 与其它气体相比质量均小 而扩 散速度与质量成反比 因此氢等离子体的扩散速度 大 4 图7 大气压下气体的导热系数与温度的关系k 103 由于氢等离子体具有功率大 温度高 焓值高 导热系数大等优点 所以是一个理想的高温热源 但纯H2等离子体一是难建立 不稳定 二是对安全 措施要求高 炉体密封及防爆 所以我们选用氩 85 加氢 15 等离子体 它在某种程度上也同 样具备这些优点 这样既保证了安全又提高了等离 子发生器的功率和功率因数 与氩等离子弧相比使 冶炼电耗降低10 取得满意效果 5 3 3 钨钼铁复合合金的研制 鉴于钨和钼化学性质和用途非常接近 在许多 合金钢中钨和钼都是有用元素 并同时加入钢中 例 如 W6Mo5Cr4V2 W9Mo3Cr4V2 W4Mo3Cr4VSi W3Mo3Cr4VSi W2Mo9Cr4V W8Mo5CO3N等等 而 我国有一些矿是钨钼共生矿 象江西柿竹园钨矿 另 外在回收的废钼料中有一部分是含钨的钼废料 例 如 Mo 25W Mo 30W 为了合理利用资源 我们 利用等离子弧冶炼得到钨钼铁复合合金 6 4 等离子炉碳热法冶炼钼铁 等离子炉碳热法冶炼钼铁 是以等离子炉为冶 炼装置 以熟钼矿球团为原料 利用等离子体的高温 热源和碳热 以碳为主要还原剂 在短时间内将氧化 钼 MoO3 还原成低碳 低硫的钼铁合金 其工艺见 图8 该法与传统的金属热法相比具有操作简便 劳 动强度低 污染小等特点 由于有惰性气体保护 钼 的回收率 97 同时可以节约大量硅铁和铝粒等 金属 因此每吨钼铁的生产成本较金属热法低500 550元 有较好的经济效益 7 82 中 国 钼 业 2000年2月 图8 等离子煤碳热法冶炼钼铁工艺图 5 结 语 1 等离子体为钼的提取及冶炼提供了一个气 氛可控 热流密度大的高温热源 近年来国内外科 技工作者在热分解 重熔 还原等方面做了许多探索 和研究 2 钼精矿在等离子体中高温分解可以得到化 学成分符合规定要求的钼铁 由于S Mo S是很 强的共价键结合 即使在高温下要使硫的转化率达 到99 75 也是很困难的 所以要想获得低硫钼铁 必须具备的高温和能耗是不可忽视的 3 利用等离子体的高温 对废钼料进行重熔冶 炼生产钼铁或钨钼铁复合合金 在技术上是可行的 工艺上是合理的 其生产成本主要取决于废钼料的 价格 因其冶炼电耗仅占总成本的2 2 氩气消耗 占总成本的1 2 4 氩加氢等离子体具有功率大 温度高 焓值 高 导热系数大等优点 与氩等离子弧相比可使冶炼 耗降低10 5 等离子炉碳热法冶炼钼铁 是利用等离子体 的高温热源和碳热 将氧化钼还原冶炼成符合 GB3649 87的钼铁 与传统的金属热法相比具有 操作简便 劳动强度低 污染小 钼回收率高 经济效 益好等优点 参考文献 1 都元今 用等离子法生产钼铁 铁合金 1982 摘译自J Metals 1981 33 42 46 2 欧阳通 曹永仙 三相交流等离子体生产钼铁金属材料研 究 1985 2 3 朱兆鹏 500 kg等离子电弧炉 第2届全国等离子体科学 技术会议论文 4 叶龙基 应用于冶炼过程的氢等离子体 第2届全国等离 子体科学技术会议论文 5 朱兆鹏 氩加氢等离子弧熔炼试验小结 第3届全国等离 子体科学技术会议论文 6 朱兆鹏 王旨南 钨钼铁合金的研制 中国钼业 1996 2 7 朱兆鹏等 等离子炉碳热法冶炼钼铁 中国钼业 1994 6 1999209215收稿 作者简介 朱兆鹏 1968年毕业于重庆大学冶金系 高 级工程师 枣庄市冶金化学研究所总工程师 享受政府特殊 津贴的钼铁冶炼专家 烧结条件和添加钼对粗粒铁粉的影响 虽然未烧结坯是经烧结处理后而致密的 但烧 结态机械 切削 部件的精确尺寸则有时主要是通过 调整未烧结坯的相对密度Dg与烧结收缩和再加压 冷锻压 磨 削等后续处理而得以控制的 这些方 法已在硬质合金切削刀具 甚至MIM或PIM制造 行业沿用了15 20年之久 即二者未烧结坯的相对 密度Dg都很低 同为60 烧结坯的相对密度Ds 为100 烧结收缩率高达14 增大致密度对提 高烧结态机械 切削 部件的机械性能至关重要 研 究人员通过对制取高密度Ds粗粒Fe基金属粉末 45 150 m 的某些条件的研究 结果表明 粗粒 Fe粉坯块在真空或H2中 1 573 K温度下烧结1 4 h后 其密度Ds接近或等于未烧结坯密度Dg 如要使其达到97 的Ds密度 甚至达到90 的Dg 密度 则必须在1 743 K温度下经4 h烧结处理 添 加少量Mo 2 4 亦可增大其致密度 经1 573 K 温