[發明專利]一種微波加熱MnO2制備氮化錳的方法和裝置

有效

• 申請號: 201410150627.5
• 申請日: 2014-04-16
• 公開（公告）號: CN103950970A
• 公開（公告）日: 2014-07-30
• 發明（設計）人: 葉乾旭;彭金輝;陳菓;張利波;朱紅波
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: C01G21/06
• 分類號: C01G21/06
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

技術領域

本發明涉及一種微波加熱MnO₂制備氮化錳的方法和裝置，屬于微波冶金技術領域。

背景技術

氮化錳主要用于制備特種鋼。錳在鋼中起到脫氧，脫硫和合金化的作用，可改善鋼的熱加工性能，提高鋼的硬度、強度和淬透性，降低鋼臨界轉變溫度等。氮在鋼中可起到固溶強化、時效沉淀強化；形成和穩定奧氏體組織的能力是鎳的10倍；與鋼中Cr、Al、V等合金元素化合可提高鋼的硬度、強度、耐磨性和抗蝕性。但是因為錳極易氧化和氮比重極小溶解度小而均難以單獨有效的加入鋼中，而氮化錳不僅易加入鋼中而且兩者利用率都高，所以氮化錳的生產具有不可替代性。

氮化錳的生產有液相滲氮法和固相滲氮法，但前者所得產品氮含量較低。目前氮化錳的制備都是以金屬錳粉為原料，或粉狀或壓成塊狀，在馬弗爐或在真空爐內，經高溫長時間（5~10h）的N₂(g)或NH₃(g)氮化而得到氮化錳。其所得產品的含氮量在4-10%之間。

目前直接采用MnO₂制備氮化錳的方法有專利申請號為200710050180.4，名稱為“一種制備氮化錳的方法”的發明專利申請提供的技術方案。該技術方案中，用于營造“還原性氫氣氣氛”的物料為氫氣、聯二脲和三聚氰胺，首先三者的價格較高，其次三聚氰胺受熱易分解出劇毒的氰化物氣體，因而該法具有成本高，有一定的安全隱患的特點。

隨著微波優越的加熱效果和對化學反應極大地促進效果的發現和利用，對微波加熱的實驗設備和工業設備的完善日趨迫切。

現有的微波高溫管式反應器存在諸多方面不能滿足實驗要求。第一，目前主要使通過測定管外壁的溫度來間接測定物料溫度(專利申請號為“200920253863.4”、“200920111951.0”的專利申請，爐體結構復雜，沒有說明測溫方法，沒有標示測溫元件伸入管內所需的孔)，以有利于保證管的氣密性，因而測溫不準確；第二，對于反應管兩端的密封，采用的是蓋板，連接方式和操作都復雜，氣密性不能完全保證；第三，管內保溫措施復雜（專利201320045891.3），導入氣體難與原料有效接觸。

發明內容

本發明針對上述現有技術存在的問題及不足，提供一種微波加熱MnO₂制備氮化錳的方法和裝置。該方法采用MnO₂直接制備得到氮化錳，且該方法中氮性還原氣氛的控制要求條件較簡單，制備氮化錳的生產成本降低，該裝置既保證微波高溫管式反應器氣密性，又能進行準確的直接測溫，整個設備結構簡單，操作方便，本發明通過以下技術方案實現。

本發明的原理為：

第一步加熱過程中的反應為：???????????????????????????????????????????????；

第二步加熱過程中的反應為：；

總反應為：5MnO₂+10C+N₂(g)=Mn₅N₂+10CO?(g)??。

溫度為1300℃（1573K）時，MnO₂制備氮化錳的熱力學圖，如圖2所示。并得出生成氮化錳所需的N₂(g)?壓力與溫度的關系為：

據上式計算知道，在900℃（1173K）、1200℃（1473K）、1300℃（1573K）時，N₂(g)的平衡分壓分別為3個大氣壓、0.158個大氣壓、0.084個大氣壓。而本工藝過程中N₂(g)的壓力衡為1個大氣壓，因此在1200℃（1473K）以上制備氮化錳在熱力學上式可行的，并具有良好的動力學條件。

一種微波加熱MnO₂制備氮化錳的方法，其具體步驟如下：

（1）首先將MnO₂、還原劑粉碎至粒度為100~200目，然后將細磨后的MnO₂、還原劑粉按照質量比（65~72）：（35~28）混合均勻得到混合物料；

（2）兩段加熱：第一段加熱過程：首先將步驟（1）制備得到的混合物料放入微波管式高溫反應器內，然后在溫度為700℃~800℃（973K~1073K）條件下保溫20~50min，第二段加熱過程：向微波管式高溫反應器內通入氮氣，將經過第一段加熱后的混合物料升溫至1200~1350℃(1473K~1623K)保溫40~70min得到產物；

（3）將產物冷卻、粉碎后得到氮化錳粉。