自蔓延高温合成MnS粉末.pdf

有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年5 剃 d 3 自蔓延高温合成M n S 粉末 李成威1 ，亢淑梅1 ，李慧玉1 ，孙源龙1 ，王贵玉1 ，赵蓉蓉- ，薛娟琴2 1 ．辽宁科技大学材料辩学与工程学院，鞍山 1 1 4 0 4 4 ；2 ．西安建筑辩技大学冶金工程学跪，西安 7 1 0 0 5 5 摘要通过热力学计算证明了自蔓延合成硫化锰反应的可行性。根据自蔓延反应所提出的环境要求，自 行设计了自蔓延高温反应釜。应用所设计的自蔓延高温反应釜进行了合成硫化锰实验，得到的硫化锰 粉末通过x 衍射分析、粒度分析及显微镜观察，证明产品纯度及粒度均可达到粉末冶金使用要求。 关键词自蔓延；反应釜；硫化锰 中图分类号T F l 2 3 ．2文献标识码A 文章编号1 0 0 7 7 5 4 5 2 0 0 7 } 0 5 - - 0 0 4 3 ～0 3 S t u d yo nS e l f - - p r o p a g a t i n gH i g hT e m p e r a t u r e S y n t h e s i so fM n S L IC h e n g - w e i l ，K A N GS h um e i l ，L IH u i y u l ，S U NY u a nl o n 9 1 ，W A N GG u i y u ， Z H A OR o n gr o n 9 1 ，X U EJ u a n - q i n 2 1 ．S c h o o lo fM a t e r i a l sS c i e n c ea n dE n g i n e e r i n g 。U n i v e r s i t yo fS c i e n c ea a dT e c h n o l o g yI A a o n l n g ，A n s h a n1 1 4 0 4 4 ，C h i n a 2 - S c h o o lo fM e t a l l u r g i c a lE n g i n e e n n g ，X i a nU n i v e r s i t yo fA r c h i t e c t u r e ＆T e c h n o l o g y ，X h n7 1 0 0 5 5 ．C h i n a A b s t r a c t I ti sf e a s i b l et op r o d u c em a n g a n e s es u l f i d eb ys e l f p r o p a g a t i n gh i g ht e m p e r a t u r es y n t h e s i s t h r o u g ht h e r m o d y n a m i c sc o m p u t a t i o n ．A c c o r d i n gt ot h ee n v i r o n m e n t a ld e m a n d so fs e l f p r o p a g a t i n gh i g h t e m p e r a t u r er e a c t i o n ，w eh a v ed e s i g n e ds e l f _ p f o p a g a t i n gh i g ht e m p e r a t u r er e a c t o r ，w h i c hc a nb ec a r r i e d o nm a n yk i n d so fs e l f p r o p a g a t i n gh i g ht e m p e r a t u r er e a c t i o n s ，t h u sr e m e d i e dt h ed e f i c i e n c yo ft h eo n eu s e d s i n g l er e s p o n s e ．T h em a n g a n e s es u l f i d ep o w d e rp r o d u c e db yi n d e p e n d e n t l yd e s i g n e dr e a c t o rw a sa n a l y z e d b yXd i f f r a c t i o n ，p a r t i c l es i z ea n a l y z e ra n dt h ee l e c t r o nm i c r o s c o p e ．T h er e s u l t ss h o wt h a tt h ep u r i t yr a t e a n dp a r t i c l es i z em e e tp o w d e rm e t a l l u r g ys p e c i f i c a t i o n ． K e y w o r d s S e l f l p r o p a g a t i n gh i g ht e m p e r a t u r es y n t h e s i s ；R e a c t o r ；M a n g a n e s es u l f i d e M n S 粉末性能稳定，易于混合，对产品的强度、 硬度、精度等无明显影响，且能显著提高材料的加工 性能，因此在粉末冶金制品中得到广泛应用”“。 国外M n S 在铁基材料粉末冶金中已广泛应用。瑞 舆H g a n s 公司及加拿大Q M P 等公司均在多年前就 开始供应用于粉末冶金的M n S 粉末添加剂。在国 内，生产类似M n S 粉末的厂家几乎是空白。因此， 研究一种工艺简单．可靠的生产硫化锰的方法成为 当务之急。制备M n S 粉末的常用方法是元素化台 基金项目陕西省自然科学基金资助项目 E 1 0 6 作者简介李成威 1 9 6 5j ，男，酗教授 法和反应沉淀法D 。。反应沉淀法制备M n S 工艺较 复杂，元素化合莹制各的M n S 粉末，因受原材料及 工艺本身的限制，产物中含有一定的残余游离硫及 氧。本次合成M n S 的实验是在元素化合法制备方 法的基础上进行了改进，用快速的自蔓延高温合成 反应代替了在高台金耐热舟中的长时间的高温化台 过程，并且由于自蔓延高温合成反应的温度很高．使 硫粉挥发，省去了除硫过程，简化了制备工艺。 本文所设计的自蔓延高温反应釜抗热冲击性 万方数据 4 4 有色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年5 期 好、冷却性能优越、密封性及安全性能可靠，适合各 种自蔓延高温反应，并且使用方法简单，便于操作， 实用性强。实验结果表明，所制备的硫化锰粉末粒 度，纯度达到粉末冶金添加剂标准。 1 自蔓延高温反应釜的设计 自行设计的自蔓延高温反应釜如图1 所示。 图1 反应釜示意图 F i g ．1 S c h e m a t i cp l a no fr e a c t o r 自蔓延高温合成反应过程会释放出瞬时强热， 为了使反应釜内壁材料的选择不至于过分苛刻，必 须使其处于水冷状态，因此将反应釜设计成双层结 构。在反应器的顶部有一个进气阀，接到氮气瓶，通 人保护气体氮气可以使反应器内的生成物与氧气隔 离开，避免被氧化。为了使反应釜内的热爆反应放 出的热量所产生的冲击波能够顺利地释放，因而必 须在反应釜后加入一个缓冲筒，以确保其热冲击能 量达到足够的缓冲。其中间加入隔板，使缓冲效果 达到最佳。内壳材料为1 5m m 厚的锅炉板，在反应 时将其内部垫上石墨板，以便保护内壁及易于收集 产物。外壳为5m i l l 锅炉板。点火装置由变压器、 导线和钼丝组成。 2 实验部分 2 ．1 实验方法 本实验所刚原料为粒度0 ．0 7 4m m 、纯度 9 9 ％的硫粉及同样粒度和纯度的锰粉。先将硫粉和 锰粉充分混合，之后将混合粉末压制成坯块，再将坯 块放人自蔓延高温合成反应釜中反应，将反应产物 研磨、干燥，即可得到硫化锰粉末。并通过M A X 一2 型X 射线衍射仪、G S L 一1 0 1 B I 激光粒度仪与B T 一 1 6 0 0 粒度分析仪分析产物。 2 ．2 实验原理 当发生S H S 反应时，由于时间极短，可认为是 一个绝热过程。苏联科学家提出下面的经验判据， 即仅当反应的绝热温度t 。 18 0 0K 时，S H S 反应 才能自我维持完成。。下面，通过热力学计算来判 断反应能否自我维持进行 通过查阅文献1 ’，可以得到以下数据 硫化锰的熔点T 。一18 0 3K ， 2 9 8K 时，硫化锰的生成熔 △H 2 。R 一2 1 3 ．3 8 k J ／t o o l 硫化锰的热容在固态时为 C 。一4 7 ．6 9 8 7 ．5 3 1 1 0 _ 3T J K ／t 0 0 1 在液态时为 C d 一6 6 ．9 4 4J K ／t o o l 1 假设此反应T 。d T 。，与假设不符。 2 假设此反应T 。一T 。。一18 0 3K 根据热力学原理 r T ， △H 2 9 8 一l “c 。d T 十y A H 。 J2 9 8 式中v 为产物处于熔融状态的分数，O ≤。≤l ， A H 。为产物的熔化热2 6 ．1 1k J ／t o o l “。 将已知数据代人式中，可得v 一4 ．9 6 7 计算结果v 是一个大于1 的数，假设也不成立。 3 假设此反应t d T 。 相应的关系式是 A I - { 2 9 8 一1 1 8 c ，d ’F 十j ‘“c ，I d T 一} △H 。 J 9 8 Jl “ 将已知数据代人公式中得T 。d 33 5 0 ．1 2 5K 计算结果符合热力学原理，由前面分析可知硫 粉和锰粉直接化合的自蔓延高温合成反应能够自我 维持完成。 2 ．3 实验结果及分析 实验所得M “暑粉末X R D 图谱如图2 所示a 。M n s O { 。．h ．1 1 L I 1 S2 02 53 【1 赫们幅5 f } 5 Sf m6 5 “ 7 5 2 0 ／f ’ 图2 硫化锰X R D 图谱 F i g ．2 T h eX R Ds p e c t r u mo fm u n g s l l C S es u l f i d e 万方数据 确色金属 冶炼部分 2 0 0 7 年5 期 4 j 对实验所得M n S 粉来用G S L 一1 0 1 B I 激光粒度 仪做激光粒度分析的结果如图3 所示，用B T 一1 6 0 0 粒度分析仪在16 0 0 倍下进行形貌观察结果如图4 所示。 图3 粒度分布曲线 F i g ．3 S i z ed i s t r i b u t i o nc u r v e 图4 硫化锰粒度分析图像 X 16 0 0 F i g ．4 S i z ea n a l y s i si m a g eo fm a n g a n e s e s u l f i d e X16 0 0 南图2 可知，当原料按比例混合后，经过S H S 工艺后，只得到硫化锰一种物质，无残余硫。从图3 中可以看出，制各出的硫化锰粉末的粒度分布在 0 ．1 3 ～1 ．6 6 “m 。 如图4 ，在显微镜倍数为倍F 观察，硫化锰粉末 颗粒呈圆形，外形光滑，且大小比较均匀，可见本实 验制备出的硫化锰粉末经过研磨、干燥后作为粉末 冶金添加剂是可行的。 3结论 1 由热力学计算可知．通过自蔓延反应直接 合成硫化锰是完全可行的，除引燃外不需要外部热 源提供热量，整个反应体系能够自行进行直到反应 结柬； 2 自行设计的反应釜性能可靠，操作简便，适 合各种自蔓延反应； 3 对经过球磨后的硫化锰粉束进行粒度分 析、形貌观察及X 衍射分析可知，所制备的硫化锰 粉末符合粉末冶金添加剂的使用要求。 参考文献 [ 1 j 孙世杰．添加硫化锰改善材料机械加工性能的机理广J ] 粉束冶金工业，2 0 0 4 ，1 4 3 4 5 - 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