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1、(10)申请公布号 CN 102963872 A (43)申请公布日 2013.03.13 CN 102963872 A *CN102963872A* (21)申请号 201110257858.2 (22)申请日 2011.09.02 C01B 21/06(2006.01) (71)申请人 浩华科技实业有限公司 地址 100176 北京市延庆县八达岭经济开发 区康西路 1041 号 (72)发明人 王家松 白安洋 徐教仁 张东南 孙文亮 邹乐平 韩跃 余勇 雷卫武 (54) 发明名称 一种制备氮化铁系微粉的装置及方法 (57) 摘要 一种制备氮化铁系微粉的装置及方法， 制备 出的氮化铁粉粒度可。
2、控， 粒径分布均匀、 氮化程度 高、 球形度好、 球化率高、 且制成温度较低、 能耗 少， 用其制备的磁流变液有较高的饱和磁化强度 和屈服应力。技术方案采用羰基铁液体作为反应 初始物， 通过氨化反应和热分解反应两步制备氮 化铁粉。首先将羰基铁液体和氨气加入到螺旋管 式氨化炉中， 进行氨化反应， 生成氨化羰基铁络合 物 ； 生成的氨化羰基铁络合物泵入到气化器中， 然后在压力作用下自行沿管路进入热解炉， 生成 氮化铁粉， 通过调控氨化羰基铁络合物流量、 热解 温度、 气化温度来调控氮化铁系微粉的粒度， 通过 调控羰基铁流量、 氨气流量、 氨化温度来控制氨化 羰基铁络合物的生成比率， 由此控制氮化铁。
3、粉成 分。 (51)Int.Cl. 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 1 页 (19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 权利要求书 2 页 说明书 4 页 附图 1 页 1/2 页 2 1. 一种制备氮化铁系微粉的装置， 其特征在于由管式氨化炉系统 I、 氨化中间物气化 系统 II、 热解系统 III、 粉体收集系统 IV 组成。 2. 根据权利要求 1 所述的管式氨化反应系统 I， 其特征在于由恒温油浴锅 (1)、 管式反 应器 (2)、 搅拌器 (3)、 加热器 (4)、 气液分离器 (5) 和氨化 PID 温控器 (6) 组成。恒温油浴 锅 (1) 内注入导热油。
4、， 加热器置入导热油中， PID 温控器 (6) 控制恒温油浴锅 (1) 的温度， 搅拌器 (3) 通过搅拌导热油使得油浴锅内温度分布均匀， 保证管式反应器 (2) 和导热油热 交换顺利进行。管式反应器 (2) 前端通过不锈钢钢管将反应初始物氨气和羰基铁液导入， 后端通过不锈钢管与气液分离器 (5) 相连。 3. 根据权利要求 1 所述的氨化中间物气化系统 II， 其特征在于由恒温油浴槽 (7)、 加 热器 (8)、 微型泵 (9)、 气化器 (10)、 搅拌器 (11)、 气化 PID 温控器 (12)、 换向阀 (13) 组成。 恒温油浴槽 (7) 内注入导热油， 加热器 (8) 置入导热。
5、油中， 气化 PID 温控器 (12) 控制恒温 油浴槽 (7) 的温度， 搅拌器 (11) 通过搅拌导热油使得油浴槽内温度分布均匀， 保证气化器 (10)和导热油热交换顺利进行。 微型泵(9)将气液分离器(5)中的氨化羰基铁络合物液体 泵入气化器 (10) 中。换向阀 (13) 能使氨化羰基铁络合物液体和 Ar 保护气交替进入气化 器 (10) 内。 4. 根据权利要求 1 所述的热分解反应系统 III， 其特征在于由换向阀 (14)、 加热丝 (15)、 热解炉 (16)、 和热分解 PID 温控器 (17) 组成。权利要求 3 中所述气化器 (10) 内的氨 化羰基铁络合物气体， 在压力。
6、作用下， 通过管路被输送到热解炉 (16) 内， 通过加热丝 (15) 加热热解炉 (16) 内的氨化羰基铁络合物气体， 热分解 PID 温控器 (17) 控制热解炉 (16) 加 热升温速率和热分解恒温温度。换向阀 (14) 能使氨化羰基铁络合物气体和 Ar 保护气交替 进入热解炉 (16) 内。 5. 根据权利要求 1 所述的粉体搜集系统 IV， 其特征在于由粉体冷却室 (18)， 连接卡 箍 (19)， 粉体收集瓶 (20) 组成。粉体冷却室 (18) 其特征在于前后对称安装了玻璃窥视孔 (21)， 左右对称安装了操作手套 (22)， 窥视孔 (21) 的作用在于可以观察氮化铁粉末的生产。
7、 情况， 操作手套 (22) 的作用在于清扫冷却室壁上聚集的氮化铁粉末。根据权利要求 1 5 所述装置， 其特征在于整套装置和连接管道均采用 304 不锈钢制作 ； 6. 根据权利要求 1 所述的制备氮化铁系微粉的装置制备氮化铁微粉的方法， 其特征在 于工艺步骤如下 ： 第一步， 启动搅拌器 (3)、 加热器 (4)、 和氨化 PID 温控器 (6)， 将恒温油浴 锅 (1) 内的温度升至 75 95， 搅拌器 (3) 的转速为 50 200r/min， 保持恒温 3 分钟后， 将氨气和羰基铁液通入到管式反应器 (2) 中进行氨化反应。羰基铁液输入管式反应器 (2) 中的输入速度为10mL1L。
8、/h， 氨气通入速度为100mL10L/min ； 第二步， 在完成第一步所 述操作后， 通过换向阀 (13) 向气化器 (10) 内输入 Ar 保护气体， Ar 气的输入速度为 10 100mL/min ； 启动搅拌器 (11)、 加热器 (8)、 和气化 PID 温控器 (12)， 将恒温油浴槽 (7) 内的 温度升至 90 140， 搅拌器 (11) 的转速为 50 200r/min ； 第三步， 在完成第二步所述操 作后， 通过换向阀(14)向热解炉(16)内输入Ar保护气体， Ar气的输入速度为10100mL/ min， 启动热分解 PID 温控器 (17) 和加热丝 (15)， 控。
9、制升温速率 3 5 /min， 使热解炉 (16) 内部温度升至 180 360 ； 第四步， 60 分钟后， 通过换向阀 (13) 停止向气化器 (10) 内输入 Ar 保护气体， 启动微型泵 (9) 将气液分离器 (5) 内收集贮存的氨化羰基铁络合物液 体泵入气化器(10)中 ； 氨化羰基铁络合物液体泵入气化器(10)中的输入速度为5mL1L/ 权 利 要 求 书 CN 102963872 A 2 2/2 页 3 h ； 第五步， 通过换向阀 (14) 停止向热解炉 (16) 内输入 Ar 保护气体， 将气化器 (10) 内的 氨化羰基铁络合物气体经换向阀 (14) 导入热解炉 (16) 。
10、内进行热分解反应， 反应温度控制 在 180 360范围， 热分解时间为 3 20 小时， 热分解反应过程中， 可以通过窥视孔 (21) 观察氮化铁粉末的生产情况 ； 第五步， 将制备的氮化铁粉通过操作手套 (22) 从粉末冷却室 (18) 内扫至粉末收集瓶 (20)。制得的氮化铁粉体可用球磨机或研磨机处理， 使之分散。 权 利 要 求 书 CN 102963872 A 3 1/4 页 4 一种制备氮化铁系微粉的装置及方法 技术领域 0001 本发明涉及磁性材料技术领域， 具体地说涉及氮化铁材料的制备方法和装置。 背景技术 0002 氮化铁 (FexN) 磁粉是近年来发展起来的新型磁性材料， 。
11、它不仅磁学性能优良， 而 且还具有较好的抗氧化和耐磨能力， 是一种很有潜力的新一代磁性材料， 在化学工业、 电子 工业和国防高科技研究领域中具有诸多重要的应用价值。 尤其是在新型智能材料磁流 变液生产中比之传统的磁粉有着更广泛的应用前景。 0003 氮化铁的品种有许多， 迄今为止， 以为人们所知的主要有 ： -Fe2N、 -Fe3N、 -Fe4N和Fe16N2等， 最早发现于钢铁表面渗氮处理的硬化层中。 当前氮化铁铁粉的制备 方法主要包括Fe(CO)5氮化法、 -FeOOH还原氮化法、 卤铁盐及铁氧化物还原氮化法和高纯 -Fe 氮化法等。 0004 中国专利 CN1670870A 公开了一种通。
12、过铁氧化物还原氮化法生产主相为 Fe16N2的 氮化铁磁粉的方法。该方法以含固溶 Al 的针铁矿作为氧化铁， 然后在 300 600温度范 围内， 通入氢气还原， 然后在不高于 200的温度下于含氮气流 ( 典型为氨气 ) 中保持几个 小时即可得到主要由 Fe16N2相组成的氮化铁粉。 0005 中国专利 CN101607701A 公开了一种通过氮化高纯 -Fe 制备氮化铁的方法。该 方法将纳米纯-Fe粉末或纳米纯-Fe薄膜装入强磁场气体氮化炉内， 通入氢气， 控制空 速为 0.5-5h-1， 在 300-450下保温 10 90 分钟， 然后停止加热， 自然冷却至 60 100 . 在该温度。
13、下通过磁场发生装置施加 6 20T 的磁场， 同时通入氨气， 控制空速为 0.5-5h-1， 将反应器内温度升高至120250并保温830小时， 然后自然冷却至室温， 或得氮化铁 粉末或薄膜产品。 0006 中国专利 CN1117020A 公开了一种激光气相合成氮化铁超细的方法。该方法以 Fe(CO)5为铁源， 以氨气为反应气通过加热的铁源， 进入连续二氧化碳激光气相反应室， 二 氧化碳激光诱发氨气和Fe(CO)5的气相热分解反应， 在Ar或N2气氛下一步合成氮化铁超细 粉。 0007 上述方法普遍存在制备成本较高， 粉末球形度不高， 粒度控制难等问题， 这使得磁 粉在形成磁流体或磁流变液时稳。
14、定性差， 影响氮化铁粉体的开发应用。 发明内容 0008 本发明的目的是提供一种制备氮化铁系微粉的装置及方法， 制备出的氮化铁粉粒 度可控， 粒径分布均匀、 氮化程度高、 球形度好、 球化率高、 且制成温度较低、 能耗少， 用其制 备的磁流变液有较高的饱和磁化强度和屈服应力。 0009 本发明的技术方案采用羰基铁液体作为反应初始物， 两步法制备氮化铁磁流变 液。即通过氨化反应和热分解反应两步制备氮化铁粉。首先将羰基铁液体和氨气加入到螺 旋管式氨化炉中， 进行 “气 - 液” 两相氨化反应， 生成氨化羰基铁络合物 ； 生成的氨化羰基铁 说 明 书 CN 102963872 A 4 2/4 页 5。
15、 络合物泵入到气化器中， 进行气化， 然后在压力作用下自行沿管路进入热解炉， 发生热分解 反应， 生成氮化铁粉， 通过调控氨化羰基铁络合物流量、 热解温度、 气化温度来调控氮化铁 系微粉的粒度， 通过调控羰基铁流量、 氨气流量、 氨化温度来控制氨化羰基铁络合物的生成 比率， 由此达到控制氮化铁粉成分的目的。 0010 现参考附图 1 对本发明详细说明如下 ： 0011 附图 1 为本发明氮化铁粉制备装置的结构示意图。 0012 如附图 1 所示， 本发明所述氮化铁系微粉制备装置由管式氨化炉系统 I、 氨化中间 物气化系统 II、 热解系统 III、 粉体收集系统 IV 统组成。 0013 管式。
16、氨化反应系统I， 由恒温油浴锅(1)、 管式反应器(2)、 搅拌器(3)、 加热器(4)、 气液分离器(5)和氨化PID温控器(6)组成。 恒温油浴锅(1)内注入导热油， 加热器置入导 热油中， PID 温控器 (6) 控制恒温油浴锅 (1) 的温度， 搅拌器 (3) 通过搅拌导热油使得油浴 锅内温度分布均匀， 保证管式反应器 (2) 和导热油热交换顺利进行。管式反应器 (2) 前端 通过不锈钢钢管将反应初始物氨气和羰基铁液导入， 后端通过不锈钢管与气液分离器 (5) 相连。 0014 氨化中间物气化系统II， 由恒温油浴槽(7)、 加热器(8)、 微型泵(9)、 气化器(10)、 搅拌器 (。
17、11)、 气化 PID 温控器 (12)、 换向阀 (13) 组成。恒温油浴槽 (7) 内注入导热油， 加 热器 (8) 置入导热油中， 气化 PID 温控器 (12) 控制恒温油浴槽 (7) 的温度， 搅拌器 (11) 通 过搅拌导热油使得油浴槽内温度分布均匀， 保证气化器 (10) 和导热油热交换顺利进行。微 型泵 (9) 将气液分离器 (5) 中的氨化羰基铁络合物液体泵入气化器 (10) 中。换向阀 (13) 能使氨化羰基铁络合物液体和 Ar 保护气交替进入气化器 (10) 内 ； 0015 热分解反应系统 III， 由换向阀 (14)、 加热丝 (15)、 热解炉 (16)、 和热分解。
18、 PID 温 控器 (17) 组成。权利要求 3 中所述气化器 (10) 内的氨化羰基铁络合物气体， 在压力作用 下， 通过管路被输送到热解炉 (16) 内， 通过加热丝 (15) 加热热解炉 (16) 内的氨化羰基铁 络合物气体， 热分解PID温控器(17)控制热解炉(16)加热升温速率和热分解恒温温度。 换 向阀 (14) 能使氨化羰基铁络合物气体和 Ar 保护气交替进入热解炉 (16) 内 ； 0016 粉体搜集系统IV， 由粉体冷却室(18)， 连接卡箍(19)， 粉体收集瓶(20)组成。 粉体 冷却室(18)其特征在于前后对称安装了玻璃窥视孔(21)， 左右对称安装了操作手套(22)。
19、， 窥视孔 (21) 的作用在于可以观察氮化铁粉末的生产情况， 操作手套 (22) 的作用在于清扫 冷却室壁上聚集的氮化铁粉末。 0017 整套装置和连接管道均采用 304 不锈钢制作 ； 0018 本发明所述的制备氮化铁微粉的方法包括如下工艺步骤 ： 0019 实施过程在本发明所述的氮化铁微粉制造装置中进行。 0020 (1) 第一步， 启动搅拌器 (3)、 加热器 (4)、 和氨化 PID 温控器 (6)， 将恒温油浴锅 (1) 内的温度升至 75 95， 搅拌器 (3) 的转速为 50 200r/min， 保持恒温 3 分钟后， 将 氨气和羰基铁液通入到管式反应器 (2) 中进行氨化反应。
20、。羰基铁液输入管式反应器 (2) 中 的输入速度为 10mL 1L/h， 氨气通入速度为 100mL 10L/min ； 0021 (2) 第二步， 在完成第一步所述操作后， 通过换向阀 (13) 向气化器 (10) 内输入 Ar 保护气体， Ar气的输入速度为10100mL/min ； 启动搅拌器(11)、 加热器(8)、 和气化PID温 控器 (12)， 将恒温油浴槽 (7) 内的温度升至 90 140， 搅拌器 (11) 的转速为 50 200r/ 说 明 书 CN 102963872 A 5 3/4 页 6 min ； 0022 (3) 第三步在完成第二步所述操作后， 通过换向阀 (1。
21、4) 向热解炉 (16) 内输入 Ar 保护气体， Ar气的输入速度为10100mL/min， 启动热分解PID温控器(17)和加热丝(15)， 控制升温速率 3 5 /min， 使热解炉 (16) 内部温度升至 180 360 ； 0023 (4) 第四步， 60 分钟后， 通过换向阀 (13) 停止气化器 (10) 内输入 Ar 保护气体， 启 动微型泵 (9) 将气液分离器 (5) 内收集贮存的氨化羰基铁络合物液泵入气化器 (10) 中 ； 氨化羰基铁络合物液体泵入气化器 (10) 中的输入速度为 5mL 1L/h ； 第五步， 通过换向阀 (14)停止热解炉(16)内输入Ar保护气体，。
22、 将气化器(10)内的氨化羰基铁络合物气体经换 向阀 (14) 导入热解 炉 (16) 内进行热分解反应， 反应温度控制在 180 360范围， 热分 解时间为 3 20 小时， 热分解反应过程中， 可以通过窥视孔(21) 观察氮化铁粉末的生产情 况。 0024 (5)第五步， 将制备的氮化铁粉通过操作手套(22)从粉末冷却室(18)内扫至粉末 收集瓶 (20)。制得的氮化铁粉体可用球磨机或研磨机处理， 使之分散， 最终制得氮化铁微 粉。 0025 本发明制造金属磁流变液的实施过程中， 在管式氨化反应系统中进行如下的氨化 反应 . 0026 反应进行后的氨化羰基铁络合物气液， 经过气液分离器冷。
23、凝收集后， 由微型泵从 气化器上部泵入， 在气化器内转化为氨化羰基铁络合物的气体， 在压力作用下进入热解炉， 迅速进行热分解反应。热分解反应式如下 ： 0027 反应生成氮化铁 ( 如氮化铁 ) 磁性微粒， 并放出一氧化碳、 氨气、 氢气。 0028 羰基铁液进入热解炉内的流量决定了热解炉中油载液与羰基铁液混合液的浓度， 该浓度的高低、 热解温度的高低、 表面活性剂的加入量决定了热分解生成的氮化铁磁性微 粒的粒径大小， 热分解时间的长短决定了油载液中氮化铁磁性微粒的百分含量。 0029 采用本发明所述的装置及方法可获得含有亚微米级氮化铁磁性微粒的磁流变液， 其粒径可达 0.5 8m。 附图说明。
24、 0030 图 1 氮化铁系微粉制备装置示意图 0031 图中 ： (1) 恒温油浴锅、 (2) 管式反应器、 (3) 搅拌器、 (4) 加热器、 (5) 气液分离器、 (6) 氨化 PID 温控器、 (7) 恒温油浴槽、 (8) 加热器、 (9) 微型泵、 (10) 气化器、 (11) 搅拌器、 (12) 气化 PID 温控器、 (13) 换向阀、 (14) 换向阀、 (15) 加热丝、 (16) 热解炉、 (17) 热解 PID 温控器、 (18) 粉体冷却室、 (19) 连接卡箍、 (20) 粉体收集瓶、 (21) 玻璃窥视孔、 (22) 操作 手套。 0032 实施实例 0033 制备。
25、氮化铁材料的方法如下 ： 0034 将氨气和羰基铁液通入到管式反应器中进行氨化反应。 羰基铁液输入管式反应器 (2) 中的输入速度为 240mL/h， 氨气通入速度为 3.5L/min， 控制恒温油浴锅温度为 85， 维 持该过程4小时， 然后停止。 将气液分离器里集存的氨化 羰基铁络合物用微型泵以360mL/ h 的速度泵入气化器气化， 气化后的氨化羰基铁络合物沿管路进入热解炉， 进行热分解， 制 说 明 书 CN 102963872 A 6 4/4 页 7 备氮化铁系微粉， 在反应过程中控制热解炉温度稳定在 240， 直至反应生成的氨化羰基 络合物用尽。反应制得的粉末球磨 3 小时分散。经检测， 所得氮化铁粉末总重 200g， 其中 -Fe3N 含量为 40， -Fe4N 含量为 35， -Fe2N 含量为 25， 极少量的 Fe3O4； 粉末 粒度为 2 4m。 说 明 书 CN 102963872 A 7 1/1 页 8 图 1 说 明 书 附 图 CN 102963872 A 8 。