[发明专利]一种微波加热MnO2制备氮化锰的方法和装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种微波加热MnO₂制备氮化锰的方法和装置，属于微波冶金技术领域。

背景技术

氮化锰主要用于制备特种钢。锰在钢中起到脱氧，脱硫和合金化的作用，可改善钢的热加工性能，提高钢的硬度、强度和淬透性，降低钢临界转变温度等。氮在钢中可起到固溶强化、时效沉淀强化；形成和稳定奥氏体组织的能力是镍的10倍；与钢中Cr、Al、V等合金元素化合可提高钢的硬度、强度、耐磨性和抗蚀性。但是因为锰极易氧化和氮比重极小溶解度小而均难以单独有效的加入钢中，而氮化锰不仅易加入钢中而且两者利用率都高，所以氮化锰的生产具有不可替代性。

氮化锰的生产有液相渗氮法和固相渗氮法，但前者所得产品氮含量较低。目前氮化锰的制备都是以金属锰粉为原料，或粉状或压成块状，在马弗炉或在真空炉内，经高温长时间（5~10h）的N₂(g)或NH₃(g)氮化而得到氮化锰。其所得产品的含氮量在4-10%之间。

目前直接采用MnO₂制备氮化锰的方法有专利申请号为200710050180.4，名称为“一种制备氮化锰的方法”的发明专利申请提供的技术方案。该技术方案中，用于营造“还原性氢气气氛”的物料为氢气、联二脲和三聚氰胺，首先三者的价格较高，其次三聚氰胺受热易分解出剧毒的氰化物气体，因而该法具有成本高，有一定的安全隐患的特点。

随着微波优越的加热效果和对化学反应极大地促进效果的发现和利用，对微波加热的实验设备和工业设备的完善日趋迫切。

现有的微波高温管式反应器存在诸多方面不能满足实验要求。第一，目前主要使通过测定管外壁的温度来间接测定物料温度(专利申请号为“200920253863.4”、“200920111951.0”的专利申请，炉体结构复杂，没有说明测温方法，没有标示测温元件伸入管内所需的孔)，以有利于保证管的气密性，因而测温不准确；第二，对于反应管两端的密封，采用的是盖板，连接方式和操作都复杂，气密性不能完全保证；第三，管内保温措施复杂（专利201320045891.3），导入气体难与原料有效接触。

发明内容

本发明针对上述现有技术存在的问题及不足，提供一种微波加热MnO₂制备氮化锰的方法和装置。该方法采用MnO₂直接制备得到氮化锰，且该方法中氮性还原气氛的控制要求条件较简单，制备氮化锰的生产成本降低，该装置既保证微波高温管式反应器气密性，又能进行准确的直接测温，整个设备结构简单，操作方便，本发明通过以下技术方案实现。

本发明的原理为：

第一步加热过程中的反应为：                                               ；

第二步加热过程中的反应为：；

总反应为：5MnO₂+10C+N₂(g)=Mn₅N₂+10CO (g)  。

温度为1300℃（1573K）时，MnO₂制备氮化锰的热力学图，如图2所示。并得出生成氮化锰所需的N₂(g) 压力与温度的关系为：

据上式计算知道，在900℃（1173K）、1200℃（1473K）、1300℃（1573K）时，N₂(g)的平衡分压分别为3个大气压、0.158个大气压、0.084个大气压。而本工艺过程中N₂(g)的压力衡为1个大气压，因此在1200℃（1473K）以上制备氮化锰在热力学上式可行的，并具有良好的动力学条件。

一种微波加热MnO₂制备氮化锰的方法，其具体步骤如下：

（1）首先将MnO₂、还原剂粉碎至粒度为100~200目，然后将细磨后的MnO₂、还原剂粉按照质量比（65~72）：（35~28）混合均匀得到混合物料；

（2）两段加热：第一段加热过程：首先将步骤（1）制备得到的混合物料放入微波管式高温反应器内，然后在温度为700℃~800℃（973K~1073K）条件下保温20~50min，第二段加热过程：向微波管式高温反应器内通入氮气，将经过第一段加热后的混合物料升温至1200~1350℃(1473K~1623K)保温40~70min得到产物；

（3）将产物冷却、粉碎后得到氮化锰粉。