金属冷凝法制取高纯镁粉

金属冷凝法制取高纯镁粉第1页，共19页，2023年，2月20日，星期四前言为满足国家对高纯镁粉的迫切需要,我们采用金属蒸气冷凝法以Mg-04高纯镁为原料制得了高纯镁粉并进行了批量生产。在大型蒸发冷凝装置中粉末产率达到200g/h,粉末化学纯度99.9~99.99%,物理化学性能好,粒度组成广泛。研究结果表明,采用该法可以实现一定规模工业批量生产,产品质量好,经济效益高。第2页，共19页，2023年，2月20日，星期四二、工艺金属蒸气冷凝法制取镁粉的基本原理是:利用金属镁具有较低熔点、较高蒸气压的特点,使固态镁在一定温度和剩余氨气压力条件下在蒸发区熔化成液态,使产生的蒸气不断上升至同一体系中的冷凝区,在处于该区域的冷凝结晶器表面冷凝沉积成粉末。第3页，共19页，2023年，2月20日，星期四研制高纯镁粉系采用现有生产Mg-04的设备第4页，共19页，2023年，2月20日，星期四三、成粉机理初探1.成粉的物态变化1）蒸发过程在现有制粉装置中,将固态棒状、块状高纯镁装入大罐,在制粉全过程结束后,开罐发现罐内剩余料凝固成具有罐底形状表面平坦酌镁沱,勿庸置疑,在变化过程中,固态镁首先熔化成液态进而不断产生蒸气。当熔点在651℃时镁的蒸气压为350.55Pa。生产时蒸发区温度为800℃,罐内剩余压力在14661.8~22659.2Pa。依镁三相点图,产生蒸气过程确系)固→液→气三态变化。第5页，共19页，2023年，2月20日，星期四2）冷凝成粉过程镁蒸气由蒸发区上升至罐上部冷凝区后,经变化最终在冷凝区中央的圆盘平板结晶器的平面上冷凝成粉末。在由蒸气最终形成粉末的过程中,是气态直接转变成固态？还是呈气→液→固三态变化？或两种形式兼有？由于大型装置的限定,无法设观察孔获得直观结果,故仅以如下实际数据做初步探讨。第6页，共19页，2023年，2月20日，星期四由图3可知,饱和蒸气压与温度处于对应平衡关系。第7页，共19页，2023年，2月20日，星期四当外压是时其镁饱和蒸气压亦为此值,其平衡温度为1107℃,即镁沸点；若降低外压至真空（亦即较低的剩余压力)。则饱和蒸气压等于外压时的温度也就是此时的沸点,显然沸点降低。例如,罐内外压（剩余压力）为帕，则沸点为725

℃。另一方面,罐内外压（剩余压力）保持定值,而使蒸发温度改变,则可使物态转变形式发生变化。如,剩余压力为1.33Pa时,蒸发温度为800℃;则镁由固态直接变为气态。相反的过程,同样可以依据三相点图分析。总之,在一定温度下,金属镁具有相对应的蒸气压,若改变体系外压,则可改变在一定温度下镁所呈现的状态和三态变化形式。第8页，共19页，2023年，2月20日，星期四

镁蒸气的冷凝条件以及冷凝物的聚集状态取决于冷凝区的温度与压力。如冷凝器内镁蒸气分压大于在冷凝器温度下饱和蒸气压,镁蒸气就冷凝下来∋或者具有一定实际分压的镁蒸气进入冷凝器后,由于冷凝器温度降低到=的温度时,镁蒸气立即开始冷凝。如温度更低,则镁蒸气呈过饱和状态,就完全冷凝下来。进一步研究表明,进入冷凝器的镁蒸气>

350.55Pa,镁蒸气首先冷凝成液态,继续冷却才由液态变为固态。第9页，共19页，2023年，2月20日，星期四进一步研究表明,进入冷凝器的镁蒸气>

350.55Pa时,镁蒸气首先冷凝成液态,继续冷却才由液态变为固态。

由试制过程工艺条件可阐明的成粉过程是:

（1）罐内初始充氨使剩余氨气压666.5~7331.5Pa,入炉升温使蒸发区升温至800℃并保持不变,而冷凝区温度在近500℃,产粉过程中罐内剩余压力为22661Pa左右，临近出炉时为18662~22331Pa。依镁三相点图,镁蒸气应由气相经液相最终成为固相粉末。

（2）由已鉴定镁粉呈球状颗粒也表明蒸气在冷凝区遇冷凝结过程中,是由于微小液滴表面张力的作用,凝聚的镁液滴有使自己的表面保持最小表面积的作用,因此继续凝固变为固相粉末时,保持原来形状,成为球状粉末。第10页，共19页，2023年，2月20日，星期四（3）在试制条件下,由于平板结晶器通以冷却水(出口水温为20℃,此结晶器周围冷凝区温度低很多,结晶器通水部分上表面温度在40~60℃左右,此处过冷度很大,镁液滴在其上迅速冷凝,保持独立颗粒形状并呈松散堆积的固相粉末,并不冷凝成其他固态结晶结构。综上所述,在由蒸发区上升至冷凝区的镁蒸气在遇冷后逐渐冷却饱和,即>,也就是冷却到露点以下,它将发生凝结,形成微小液滴悬浮在冷凝区域,而安装在罐内冷凝区中间的通水冷却的圆盘平板结晶器,温度比周围更低,这使雾状液滴得到进一步冷却,最后授成固相粉末,沉积在结晶器和罐壁上。由于冷凝器表面上的温度随金属蒸气的不断冷凝逐渐升高,因而后冷凝的粉末颗粒比先冷凝的颗粒稍大。由此推测,最初在冷凝器表面形成的少量粉末晶核不排除有镁蒸气直接冷凝成固相粉末的可能性。因此可以说:第11页，共19页，2023年，2月20日，星期四产生蒸气过程的主要形式为:固液气;成粉过程:气液固。2.成粉的微观行为由该工艺制粉装置可知,蒸发和冷凝处于同一体系内,蒸气在冷的结晶器表面上冷凝沉积成粉末是一个复杂的过程。金属形成蒸气后其原子与预先通入的惰性气体分子碰撞,随原子浓度的提高,其相互撞击的机率也越高。在其碰撞过程中,存在着一种复杂的机械粉碎作用,致使蒸气在结晶形成粉末过程中粒度较小。同时从收集粉末的平板结晶器及其罐壁来看,由于温度太低,过冷度很大,在形成结晶时其晶核形成率大大高于晶核成长率,因而形成的球形固态金属粉末颗粒均匀、粒度广泛、颗粒形状较为单一。第12页，共19页，2023年，2月20日，星期四四、工艺条件时成粉的影响外因条件可改变粉末的颗粒大小、形状等物理化学性能,也可改变产率等生产指标。预抽真空度、氟气纯度也分别是影响条件之一。1.温度1）提高蒸发温度可提高产率,减小颗粒分散度,改善颗粒形状。根据物质蒸气压与温度关系克一克方程：

可求出一定温度时的镁蒸气压。第13页，共19页，2023年，2月20日，星期四

2）扩大蒸发区和冷凝区温差有利于提高产量自建竖式电阻炉后实行上下两段分别送电制以控制蒸发区和冷却区温差。研究表明,在其他条件相同情况下,扩大罐内上下两部分温差有利于提高产量。产粉设备只下部送电,上部靠辐射热既有利于产粉,又节省电能。

2.剩余氦气压力选择合适的罐内剩余氢气压是提高粉末产量、控制粉末粒度的重要因素。实验表明,剩余氩气压高或低不仅产量不稳,而且均较低；氨气压高,成粉相对较粗；氩气压较低,成粉较细。多炉次实验表明,罐内剩余压力最佳值为3.冷凝结晶器表面温度冷凝结晶器表面温度是影响成粉的另一重要因素。试制生产时通过调节罐内结晶器和罐侧部的冷却水来实现一定的冷凝结晶器表面温度。第14页，共19页，2023年，2月20日，星期四4.预抽真空度蒸发罐在装料后充氢前需进行预抽真空,预抽真空度以较高为好。这可使罐内剩余气体中氧、氮含量均降低,从而使产品中气体杂质含量降低,粉末的外观颜色也与真空度有关。真空度高,粉末呈亮灰色,反之呈暗灰色。综上所述,成粉最佳工艺条件是：1）蒸发温度：800℃恒温，冷凝区温度,600℃（仪表数）；2）剩余氩气压：3）冷却水温度：进水口——10~20℃

出水口——20~30℃4）预抽真空度<4.66Pa,蒸发过程24h/罐第15页，共19页，2023年，2月20日，星期四五、粉末特性1.化学纯度采用。Mg-04高纯镁作原料,进行9项杂质分析,可获得99.9%~99.99%纯度的镁粉产品。因蒸发罐是钢罐,液态镁与其壁接触造成Fe杂质含量略有升高,其余杂质保持在原料纯度。由于该法本身也具有一定提纯作用,因而有些炉次杂质含量降低。镁粉中杂质元素含量范围列于表中。

第16页，共19页，2023年，2月20日，星期四2.粒度组成本方法制得粉末粒度较小,采用振动筛分粗略分级,其平均筛分粒度组成列于表3。本方法所产粉末,按粉末粒度分类级别大部分是细粉末（1