微波場下還原鈦鐵氧化物制備TiFe合金的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明設及一種Ti化合金的方法，特別是一種微波場下還原鐵鐵氧化物制備 Ti化合金的方法。
【背景技術】
[0002] 隨著環(huán)境污染的日趨嚴重W及化石能源的逐漸枯竭，新能源尤其是氨能作為一種 干凈、無污染的綠色能源引起了人們的極大興趣，對其進行了廣泛的開發(fā)和研究。限制氨能 應用的關鍵問題是安全可靠的儲氨技術。儲氨技術主要分為氣態(tài)儲氨、液態(tài)儲氨和固態(tài)儲 氨。固態(tài)儲氨因其安全性和儲氨密度高而研究最為廣泛。在固態(tài)儲氨材料中，TWe系膽氨 合金因具有膽氨量大、價格便宜、吸放氨溫度低等優(yōu)點而受到廣泛關注，但也存在烙煉溫 度高、能耗大和活化條件苛刻等問題。為了解決上述問題，目前研究者主要通過元素置換或 者添加、表面改性、機械球磨W及塑性變形等途徑，使其活化性能得到一定的改善。但其冶 煉難、能耗大等問題尚未解決。最近Tsuchiya等設計了一種利用金屬巧作為還原劑，Ti化和 化作為原材料，采用自蔓延燃燒法制備鐵鐵儲氨合金的方法（InternationalJournalof Hy化ogen化ergy，38, 6681-6686, 2013)。該方法采用Ti〇2代替Ti，降低了原材料的成本； 利用自蔓延燃燒法減少了TWe合金制備的能耗，為TWe合金的冶煉提供了新的途徑。但是 該方法利用常規(guī)電阻爐作為加熱容器，爐內樣品依靠爐壁的福射傳熱升溫，大部分的能量 消耗在爐體自身的加熱和保溫上，而且金屬氧化物粉末的導熱性能較差，能量利用率較低； 此外，采用的還原劑金屬巧由于本身物理性質較軟，不能被制成粉末使用，故而需要兩倍的 化學反應當量的巧才能促使反應進行得更充分，原料成本較高。
[0003] 微波加熱是通過物質吸收微波的能量進行自身加熱的一種全新的熱能技術。與 傳統(tǒng)加熱技術相比，微波加熱具有加熱效率高、加熱速度快、選擇性加熱、整體性加熱等特 點。1967年，^rd和Pei就用微波對炭和17種氧化物和硫化物進行福照，其中發(fā)現化2〇3 在幾分鐘內就能被加熱到 1273K(llieJournalofMicrowavePowder,2 (2), 61-64, 1967 );Wa化iewiez等發(fā)現利用微波加熱可W用于鐵鐵礦的碳熱還原（Mineralsand MetallurgicalProcessing, 28 (2), 39-42, 1988)，其中鐵鐵礦在 3. 5min內可W被加熱到 1653K。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種微波場下還原鐵鐵氧化物制備Ti化合金的方法。
[0005] 該方法采用的化學反應方程式為： 2Ti〇2+Fe2〇3巧CaH2=7Ca0 巧化Ti巧& 化Ti〇3+3CaH2=3CaO+FeTi+3H2。
[0006] 為了實現上述目的，本發(fā)明采用如下技術方案： 一種微波場下還原鐵和鐵的氧化物制備Ti化合金的方法，其特征在于該方法的具體 步驟為： a. 將CaHz粉末、鐵和鐵的氧化物混合物或者鐵鐵礦粉末混合，其中鐵離子、鐵離子和 CaHz的摩爾比為：1. 0 :1. 0 :3. 0~1. 0 :1. 0 :7. 0 ;然后在惰性氣體保護下進行球磨，其中球料 重量比為10 :1，球磨至充分混合均勻； b. 將步驟a所得球磨均勻的樣品在惰性氣氛保護下，在1000W微波功率子下，使樣品 升溫至1273~1473K，并保溫40min~80min; C.將步驟b所得樣品用乙酸水溶液清洗后得到TWe粉末。
[0007] 上述步驟b中所采用的微波頻率為2. 45GHz，微波的場型為多模場型。
[000引本發(fā)明方法的特點及機理如下所述： 微波加熱不同于傳統(tǒng)加熱，傳統(tǒng)加熱方式是外部熱源通過傳導對流和福射由表及里進 行加熱，對熱的不良導體，存在加熱不均勻和加熱效率低等問題。而微波加熱是通過微波與 介電物質相互作用產生的，具有加熱均勻、升溫速率快、加熱效率高等優(yōu)點。此外微波通過 與原子和分子的相互作用，為化學反應創(chuàng)造有利條件，對化學反應具有催化作用。本發(fā)明利 用鐵和鐵的氧化物易于與微波場相互作用的特性，采用CaHz作為還原劑，實現了微波場下 直接還原鐵和鐵的氧化物混合物（Ti02+Fe203)或者鐵鐵礦（FeTi03)制備Ti化儲氨合金，該 方法既克服了常規(guī)懸浮烙煉制備鐵鐵合金高能耗和高原料成本的問題，又充分利用了微波 加熱快速高效的優(yōu)勢。
[0009] 基于微波加熱的優(yōu)點和鐵和鐵的氧化物的吸波性能，本發(fā)明提出一種利用CaHz 做還原劑，通過微波加熱直接還原鐵和鐵的氧化物制備Ti化合金的方法。該方法采用了 2種鐵鐵氧化物原料，一種為氧化鐵和氧化鐵的混合物（Ti化+Fe2〇3)，另一種為鐵鐵礦鐵 (化Ti〇3)。運2種原料可W被直接還原為Ti化合金，減少了傳統(tǒng)冶煉法所需的金屬單質Ti 和化的制備工序，顯著降低了原材料的能耗和成本；采用微波加熱可W實現原材料整體高 效快速加熱，減少常規(guī)電阻爐福射傳熱過程的能耗；通過酸洗過濾后得到的鐵鐵粉末粒度 可W達到微米級別，改善了合金的活化性能，減少了常規(guī)方法烙煉得到的合金進行活化所 需要的能量和時間，為Ti化合金提供了新的制備工藝和性能改善途徑。
[0010] 該方法簡單易行，既克服了常規(guī)懸浮烙煉制備鐵鐵合金高能耗和高原料成本的問 題，又充分利用了微波加熱快速、高效的優(yōu)勢。
[0011] 本發(fā)明的優(yōu)點如下所述： (1)采用CaHz粉末作為還原劑直接還原鐵和鐵的氧化物（TiO2+Fe2〇3\ ^Ti〇3)，減少了 傳統(tǒng)冶煉法所需的金屬單質Ti和化的制備工序，顯著降低了原材料的能耗和成本。
[0012] (2)采用微波加熱實現原材料的均勻高效快速加熱，減少常規(guī)電阻爐福射傳熱過 程的能耗，避免了金屬氧化物粉末導熱性能差的問題，促進還原反應的進行。
[0013] (3)采用CaHz粉末為還原劑，可與鐵和鐵的氧化物球磨混合均勻，保證反應時各反 應物間充分接觸，利于反應進行完全。
[0014] (4)通過酸洗過濾后得到的鐵鐵粉末粒度可W達到微米級別，改善了合金的活化 性能。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本發(fā)明實施例1中試樣在微波場下的溫度-時間曲線，其它樣品升溫曲線 與此類似，不再寶述。如圖所示為1000W初始微波功率下升溫迅速至1423K后，調整微波功 率在100~600W范圍內，保溫65min。
[0016] 圖2為本發(fā)明實施例1中試樣經過酸洗后得到產物的XRD圖譜。
【具體實施方式】
[0017] 現將本發(fā)明的具體實施例敘述于后。W實施例1為例進行詳細介紹，其他實施例 情況詳見表1，不再寶述。W下實施例不構成對本發(fā)明的限定。
[001引實施例1 按鐵離子、鐵離子和〔曰&的摩爾比為：1.0:1.0:5.2的配比稱取11〇2(純度99.8%)、 化2〇3 (純度99%)和CaHz(純度98. 5%)粉末，將上述原料共同置于球磨機中充分混合。球 磨機中的球料重量比為10:1，即每1g重的粉料需要10g重的磨球，球磨機的主軸轉速 為300轉/分，副軸轉速為-450轉/分代表轉向相反)，球磨時間為也磨30min停 止30min;為防止粉末氧化，樣品稱量、球磨罐裝樣及取樣均在Ar氣氛保護下的手套箱中 進行。將上述球磨均勻的樣品置于微波管式爐中，抽真空并通入高純氣氣99. 999%)保 護，開啟微波電源，W1000W微波福射使樣品在5分鐘內升溫至1423K，然后降低微波功率 在200~600W間連續(xù)調節(jié)，保溫60min;關閉微波，樣品隨爐冷卻。將上述微波加熱保溫后的 樣品用lOwt. %的乙酸水溶液清洗，過濾得到顆粒尺寸為10微米左右的粉末，其XRD衍射圖 譜如圖2所示。從圖2可W看出，微波合成前的樣品為Ti〇2、化2〇3和C址2相的混合物，微 波合成+酸洗后的產物主要為TiFe相和少量FezTi相。該產物不需高溫活化即可吸氨，在 25°C、2MPa氨壓下吸氨量為1. 3wt. %，因此制得的Ti化合金純度為72%。
【主權項】
1. 一種微波場下還原鈦和鐵的氧化物制備TiFe合金的方法，其特征在于該方法的具 體步驟為： a. 將CaH2粉末、鈦和鐵的氧化物混合物或者鈦鐵礦粉末混合，其中鈦離子、鐵離子和 CaH2的摩爾比為：1. O :1. O :3. 0~1. O :1. O :7. O ;然后在惰性氣體保護下進行球磨，其中球料 重量比為10 :1，球磨至充分混合均勻； b. 將步驟a所得球磨均勻的樣品在惰性氣氛保護下，在1000W微波功率下，使樣品升 溫至 1273~1473K，并保溫 40min~80min ; c. 將步驟b所得樣品用乙酸水溶液清洗后得到TiFe粉末。2. 根據權利要求1所述的微波場下直接還原鈦\鐵氧化物制備TiFe合金的方法，其特 征在于，步驟b中所采用的微波頻率為2. 45GHz，微波的場型為多模場型。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種微波場下還原鈦鐵氧化物制備TiFe合金的方法，該方法利用微波加熱使鈦和鐵的氧化物與添加的還原劑迅速升溫，經過還原反應合成TiFe合金。本發(fā)明的特點是：采用CaH2為還原劑，與鈦和鐵的氧化物混合物（TiO2+Fe2O3）或者鈦鐵礦（FeTiO3）球磨混合均勻，利用鈦和鐵的氧化物易于與微波場相互作用的特性，將原料均勻快速加熱到1273~1473K并保溫40~80min，使原料在高溫下發(fā)生還原反應。然后將樣品用乙酸水溶液清洗后得到純度為70~85%的TiFe粉末。該方法簡單易行，既克服了常規(guī)懸浮熔煉制備鈦鐵合金高能耗和高原料成本的問題，又充分利用了微波加熱快速、高效的優(yōu)勢。
【IPC分類】B22F9/20
【公開號】CN105014090
【申請?zhí)枴緾N201510393918
【發(fā)明人】冷海燕, 于之剛, 李謙, 周國治
【申請人】上海大學
【公開日】2015年11月4日
【申請日】2015年7月8日