[发明专利]一种制备碳化铬或氮化铬的方法

说明书

本发明提供了一种制备碳化铬或氮化铬的方法，是将金属铬或含铬和氧的化合物或这些化合物的混合物(以下称为铬原料)与碳质还原剂混合形成原料，然后在中国专利CN103335513A披露的电加热回转窑(下称直热式回转窑)中直接对原料或其化学反应的中间产物或产物自身通电使其发热并逐步升温到750℃以上，还原碳化或氮化生成碳化铬或氮化铬。本发明的优点是热效率高，电耗低，产品一致性好，工艺稳定，生产能力大。

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，涉及碳化铬或氮化铬的制备方法。

背景技术

碳化铬或氮化铬具有熔点高，硬度大，作为超硬材料、炼钢添加剂、耐磨材料、耐腐蚀材料、催化剂等，应用广泛。

氮化铬是具有反铁磁性的材料，而且由于其具有如硬度高、耐酸碱腐蚀性好、化学稳定性高、耐磨性能好、高熔点等，使其在磁学、电子工业、耐高温结构陶瓷等方面得到广泛应用。

氮化铬的制备方法一般用金属铬、氯化铬或氢氧化铬与氨气或氮气和氢气反应，反应温度一般为1000℃左右。都需要在高温且保护气氛或还原气氛中进行,而且反应时间可能长达10天(氧化铬或氢氧化铬为原料时)。近年来，发展了一种新的制备氮化铬的方法，其以三氧化二铬为原料，以碳粉为还原剂，在氮气气氛下，在立式窑炉或者电弧炉中对用电弧加热碳热还原氮化。该过程需要精确配碳或者第一次反应后，将产物磨粉分析碳和氧含量，再第二次配碳后配铬原料进行高温反应。反应过程中，物料结块或者板结严重，出料困难，无法连续化生产，能耗高，生产效率低。另外比如高能球磨法制备氮化铬，也需要10天左右的球磨时间，能耗高、时间长、产能低。通过铬氧化物或者氢氧化物与氨气氨解反应制备氮化铬，需要在800℃以上长时间加热并且氨气需要大大过量，同样造成成本高、能耗高。实际上，在0.1MPa氮气或者氨气气氛下，氮化铬的分解温度低于800℃，所以在800℃以上，氨解合成氮化铬在热力学上是不利的，但是反应动力学的原因，温度低于800℃反应非常缓慢。所以只能在800℃以上通入大量过量的氨气，且反应很长时间来解决。

可以用金属铬或者铬氧化物与活泼金属单质在氮气中自蔓延燃烧合成氮化铬，但是金属铬或活泼金属原料成本高。而且自蔓延燃烧合成一般需要在高温高压下进行，而且只能间歇式反应，操作异常不方便，整个降温出料装料的周期也比较长。

碳化铬一般以金属铬粉和石墨粉高温渗碳得到，该法采用金属铬，成本比较高。用氧化铬或者氢氧化铬碳热还原生产碳化铬，热力学上在100~1200℃可以生成Cr₇C₃、Cr₂₃C₆、Cr₃C₂，在碳充足的情况下以生成Cr₃C₂为主。碳化铬的应用也以Cr₃C₂为主，Cr₇C₃有一些应用。实际生产过程中，为了提高反应速度，往往需要加热到1450℃进行碳热还原。吉林铁合金厂曾经有研究用中频炉，在低温下碳热还原三氧化二铬制备得到Cr₇C₃和Cr₃C₂，然后升温到2000℃左右熔融状态下出炉。显然该过程无谓的把物料加热到2000℃，能耗高，而且得到的产品碳含量只有10%左右，主要成分估计是Cr₂C，而不是用量大的Cr₃C₂。从该过程可以看出，为什么不在1400℃左右出炉的原因为: 因为碳热还原制备碳化铬的过程，跟制备氮化铬的过程一样，反应过程中，物料会在微小区域内严重软化甚至熔化，造成物料严重板结，没法在1400℃左右出炉。那么不用中频炉，用隧道窑或者推板窑，将原料放入石墨坩埚里面，用硅碳棒、硅钼棒或者钼丝等电阻炉加热，也还是与中频炉和电弧炉一样会遇到物料板结、传质困难因此反应速度慢、反应不彻底(因此需要磨粉二次高温加热处理)、出料困难或者粘接损坏坩埚等问题。用推板窑、隧道窑或者钼丝炉等电阻炉的情况下，还有传热问题，导致电热效率低，电耗高。