專利名稱：一種利用鉻鐵礦粉直接制備鉻鐵合金的方法
技術領域：
本發明屬于金屬材料的制備領域，涉及一種利用鉻鐵礦粉為原料通過熔鹽電脫氧方法 直接制備鉻鐵合金的方法。
背景技術：
傳統的鉻鐵合金按含碳量不同可分為高碳、中碳、低碳、微碳鉻鐵四大類別，并廣泛 應用于各類行業中，例如作為生產滾珠鋼、工具鋼等鋼種的合金添加劑，用作吹氧法生產 不銹鋼的原料，還可用于冶煉原子能工業、化學工業及航空工業等等。高碳鉻鐵及再制鉻鐵的生產是使用碳在高溫下(160(TC以上)還原鉻精礦，通過適當 的配料設計，添加硅石造渣，從而得到鉻鐵產品。該傳統工藝要求溫度很高，導致能耗偏 高，粉塵煙塵揮發十分嚴重，同時排放大量廢渣，對環境的危害也較大。從熱力學角度來 看，由于在還原過程中C將首先與Cr203反應生成各種比例的鉻碳化合物,如Cr3C2， Cr7C3， Cf23C6等，預先經過氧化物與碳化物的升華來還原鉻的數量是很少的，這使得中間合金的 成分并不均勻，通過碳熱還原方法無法得到高純絡鐵。而制備低碳鉻鐵則是通過硅鉻鐵合金中的硅來還原鉻礦中的鐵和鉻氧化物，還有一些 使用代價很高的鋁熱法生產。制備超低碳鉻鐵則是在真空下進行液態鉻鐵氧化脫碳，成本很高。高純鉻鐵的生產一般通過兩種金屬的熔融制得。由于金屬鉻是絡鹽工業的終端產品， 其歷經無鈣或有鈣、少鈣焙燒氧化，再經歷冗長的水浸、還原、煅燒、鋁熱還原等過程方 才得到，使得高純鉻鐵的生產成本很高，流程長且復雜。因此，探索一種低溫下低成本生產鉻鐵的工藝對取代傳統工藝，提高資源利用率是迫 切必要的。從熔鹽中直接電解鉻鐵礦，磁分離得到高純鉻鐵的方法，其工藝流程短，反應 溫度低，成本低廉，未反應物質可作為二次資源利用，而非廢渣。尤其是若使用惰性材料 作為陽極使用時，只排出02，不會造成大氣污染，是一種零排放的綠色格鐵冶煉新技術。發明內容本發明的目的是提出一種利用熔鹽電脫氧方法，以鉻鐵礦粉為原料直接生產鉻鐵合金 的方法，以解決傳統碳熱還原方法中碳脫除困難，反應溫度極高，大氣污染嚴重以及廢渣 排放量大的問題。本發明方法選用的鉻鐵礦粉中，氧化鉻的質量百分數在1%到90%的范圍內，氧化鐵的 質量百分數在99%到10%的范圍內。本發明方法優選在鉻鐵礦粉中添加適量的聚乙烯醇(優選為lwt.% — 10wt.%)，更優 選添加適量的碳酸鈣(優選為lwt.%—10wt.%)并壓制成柱狀或板狀的塊體，在800— 140(TC溫度范圍內燒結l一6小時作為陰極。對陰極進行燒結有助于提高陰極強度、顯微 結構及孔隙率，對電脫氧效率有重要提高效果；添加粘結劑聚乙烯醇可以提高陰極的強度， 添加碳酸鈣能在一定程度上進一步增加陰極孔隙率從而進一步提高電脫氧效率。本發明使用的電解陽極材料優選為石墨或金屬陶瓷、金屬合金等惰性電極。當陽極材 料使用石墨時，若電解時間過長，碳脫落引起微區短路，不僅降低了電流效率，還可能與 陰極產物反應生成鉻鐵中間化合物，使產物不純，可使用固體透氧膜，如Zr02管套在陽極 上加以保護，從而避免該問題。如果陽極材料選用惰性陽極，如金屬合金陽極，金屬氧化 物陶瓷(Sn02基，Ce02基等)等，貝U陽極將只排放02，不會對環境造成任何污染，從而 成為一種綠色零排放的新型冶煉工藝。本發明使用的電解質為氯化鈣熔鹽體系，可在其中摻入占電解質總量的摩爾百分數為 5-95%的氯化鈉、氯化鋰或氯化鈉與氯化鋰的混合物；電解溫度需在熔鹽熔化溫度之上， 即600—1100。C范圍內；電解槽電壓需低于CaCl2或其他熔鹽的分解電壓，即2.5—3.2V范 圍內；電解后將陰極烘干，破碎，在DMSO溶劑中超聲洗滌，利用磁分離手段收集得到的粉 末，即可得到鉻鐵合金粉，剩余非磁性物質，為鉻鐵礦中八1203， MgO， Si02等雜質組分， 可用做其他工藝制備相應產品的二次資源進行回收再利用，而非廢渣排放。和現有技術相比，本發明方法具有如下突出特點當陽極使用石墨電極時，本方法相當于將傳統的碳熱還原法分解為兩個電極反應，使 得碳質材料不與鉻鐵礦粉直接接觸，從而避免了各種鉻碳中間化合物的生當陽極使用惰性陽極時，可實現由氧化物直接分解為相應金屬或合金和氧氣的過程， 是一種新型綠色無污染的冶煉工藝。此外，使用碳酸鈣做陰極添加料，增強了多孔陰極的孔隙率，提高了電脫氧效率；使 用氯化鈣與氯化鋰、氯化鈉或它們的混合物的混合熔鹽，可降低熔鹽融化溫度，從而降低 反應溫度，進一步降低了能耗。
圖1是本發明實施例方法的流程圖； 圖2是本發明實施例1陰極電解產物X射線衍射圖； 圖3是本發明實施例1陰極電解產物掃描電鏡圖； 圖4是本發明實施例2陰極電解產物X射線衍射圖； 圖5是本發明實施例2陰極電解產物掃描電鏡圖。
具體實施方式
下面結合附圖和實施例對本發明方法作進一步說明。 本發明下述實施例方法流程如圖1所示。 實施例1以三氧化二鉻粉末和三氧化二鐵粉末等質量混合的混合物作為陰極材料，在其中摻入 占陰極總重量5%的碳酸鈣和5%的聚乙烯醇，在1750kg/ci^左右的壓力下壓制成圓柱狀電 極，壓制后的電極重1.5g;在95(TC下燒結3小時得到多孔陰極；選用石墨棒作為陽極，使用分析純無水氯化鈣作為熔鹽，在3.0V的電解電壓和90(TC 的電解溫度下電解6小時；取陰極破碎，在DMSO中洗滌，烘干，并利用磁分離得到粉末，對得到的粉末進行XRD 分析，結果顯示為鉻鐵合金，如附圖2， 3所示。實施例2以鉻鐵礦粉作為陰極材料，在其中摻入占陰極總重量5%碳酸鈣和10%的聚乙烯醇， 在1750kg/cr^左右的壓力下壓制成圓柱狀電極，壓制后的電極重1.5g;在115(TC下燒結3小時得到多孔陰極；選用惰性電極作為陽極，使用等摩爾分析純無水氯化鈣和氯化鈉作為熔鹽，在3.0V 的電解電壓和90(TC的電解溫度下電解6小時；取陰極破碎，在DMSO中洗滌，烘干，利用磁分離得到粉末，對得到的粉末進行XRD 分析，結果顯示除少量熔鹽外，為鉻鐵合金，如附圖4， 5所示。
權利要求
1. 一種利用鉻鐵礦粉直接制備鉻鐵合金的方法，包括a)以鉻鐵礦粉作為陰極，以石墨或惰性電極作為陽極，以熔鹽體系作為電解質進行電解，電解溫度高于熔鹽體系的熔點，電解電壓低于熔鹽體系的分解電壓；b)電解后收集陰極得到的粉末，獲得鉻鐵合金粉。
2. 如權利要求1所述的生產方法，其特征在于，所述鉻鐵礦粉中氧化鉻的質量百分數在 1%到90%的范圍內，氧化鐵的質量百分數在99%到10%的范圍內。
3. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，鉻鐵礦粉在壓制或燒結成塊體后作為陰極。
4. 如權利要求3所述的方法，其特征在于，所述燒結在80(TC到140(TC的溫度范圍內進 行，燒結過程持續1到6個小時。
5. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，在陰極中摻入相對于陰極總重量1%到10%范 圍內的聚乙烯醇。
6. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，在陰極中摻入相對于陰極總重量1%到10%范 圍內的碳酸鈣。
7. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述陽極為石墨電極或套有固體透氧膜管的 石墨電極或金屬陶瓷電極或金屬合金電極。
8. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述熔鹽體系為氯化鈣熔鹽體系，或摻有氯 化鈉、氯化鋰或它們的混合物的氯化鈣熔鹽體系，所述氯化鈉、氯化鋰或它們的混合物在 熔鹽體系中的摩爾百分數為5-95%。
9. 如權利要求l所述的方法，其特征在于，所述電解溫度在60(TC到120(TC范圍內，電 解電壓在2.5V到3.2V范圍內，電解持續1到12小時。
10. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，電解后將陰極破碎，洗滌，烘干后，利用磁 分離收集得到的粉末，獲得鉻鐵合金粉。
全文摘要
本發明公開了一種利用鉻鐵礦粉直接制備鉻鐵合金的方法。本發明方法的步驟包括a)以鉻鐵礦粉作為陰極，以石墨或惰性電極作為陽極，以熔鹽體系作為電解質進行電解，電解溫度高于熔鹽體系的熔點，電解電壓低于熔鹽體系的分解電壓；b)電解后收集陰極得到的粉末，獲得鉻鐵合金粉。本發明方法優選在鉻鐵礦粉中添加適量的聚乙烯醇，更優選添加適量的碳酸鈣，并壓制成柱狀或板狀的塊體作為陰極。本發明使用的電解陽極材料優選為石墨或金屬陶瓷、金屬合金等惰性電極。本發明使用的電解質為氯化鈣熔鹽體系，可在其中摻入氯化鈉、氯化鋰或它們的混合物。本發明屬于金屬材料的制備領域，可用于制備鉻鐵合金。
文檔編號C25C5/00GK101280438SQ20081010616
公開日2008年10月8日 申請日期2008年5月9日 優先權日2008年5月9日
發明者馮英杰, 梅 張, 王習東, 蓋鑫磊, 敏 郭 申請人:北京大學