金属冷凝法制取高纯镁粉.ppt

金属蒸气冷凝法制取高纯镁粉前言w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 益高二、工艺w金属蒸气冷凝法制取镁粉的基本原理是: w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 成粉末研制高纯镁粉系采用现有生产Mg-04的设备三、成粉机理初探w1.成粉的物态变化w1） 蒸发过程 w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由图3可知, 饱和蒸气压与温度处于对应平衡 关系当外压是时 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。

￿￿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。

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: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、颗粒形状较为单一四、工艺条件时成粉的影响w 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w1. 温度w1）提高蒸发温度可提高产率, 减小颗粒分散度, 改善颗粒 形状w根据物质蒸气压与温度关系克一克方程：w可求出一定温度时的镁蒸气压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4.预抽真空度w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：w1）蒸发温度：800 ℃恒温，冷凝区温度,600 ℃（仪表数 ）； w2）剩余氩气压：w3） 冷却水温度：进水口——10~20 ℃w 出水口——20~30 ℃w4）预抽真空度 4.66Pa,蒸发过程24h/罐五、粉末特性w1.化学纯度w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（ 10~40um), 极少量为中等粉末(40~150um)3.粉未颗粒形状 对获得的粉末进行了颗粒形状的研究, 从微 细粉末的显微照片可看出, 粉末呈球状。

有 关科研所也曾鉴定为球形粉末1,2两级粒 度较大的粉末有部分呈无定形结晶或六角形 结晶。