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碳化钨粉末的生产

时间:2015-10-20 22:19:12来源:本站人气:1300

      碳化钨是由钨的碳化而形成的化合物,是硬质合金最主要的组分。碳化钨的工业化生产方法是:将钨粉与碳粉混合,然后在石墨管状炉或感应电炉中加热至一定的温度进行化合反应,即可得到碳化钨粉末。

     (1)钨粉的生产  工业上钨粉是采用氧化钨还原法生产的,其还原的主要原料是三氧化物(Wo3),还原剂一般采用氢气。用氢还原的反应为:

     WO₃+3H₂=W+3H₂O

     钨有四种稳定的氧化钨,即WO₃、WO2.9、WO2.72和WO2.0,实际的还原可分为四个阶段:

     WO₂+0.1H₂=WO2.9+0.1H₂O

     WO2.9+0.18H2=WO2.72+0.18H2O

     WO2.72+0.72H2=WOz+0.72H2O

     WO2+2H2=W+2H2O

     钨粉的生产可以由wo3直接还原成钨粉,也可以分阶段进行,取决于所要求的粉末粒度。钨粉粒度分为粗颗粒、中颗粒和细颗粒,其大小的划分并没有统一的定义,一般的概念是1.5μm以下为细颗粒,1.5~3.5μm是中颗粒,3.5μm以上则为粗颗粒。根据研究还原钨粉的粒度除了与还原温度、氢气流量和氧化钨本身粒度有关之外,还与还原的阶段性有关。上述四PH n个阶段的还原特点是还原反应的平衡常数,即Kp=ph20/ph2二坐随氧化钨化合价降低而降低,说明低价氧化钨比高价氧化钨更难还原,还原反应对氢分压的要求更高。因此生产中如果采用两个阶段,即先将WO₃还原成WO₂,然后再将W02还原成w粉。这样可以分别调整各个阶段的氢气流量,即加大第二阶段的氢气流量,促进还原反应的进行,两阶段还原的优点还在于降低WO₃还原阶段的挥发性长大,因为WO₃易挥发,在还原中会发生沉积长大,如采用两阶段还原,在第一阶段降低还原的温度,可降低WO₃的挥发性,并且只还原到WO₂,可缩短还原的行程,及时将还原产物H2O排除,进一步降低挥发长大的趋势和加速还原反应的进行。所以在钨粉生产中多采用丙阶段还原法生产中、细颗粒的钨粉。

     (2)钨粉的碳化反应  钨粉的碳化是将钨粉与炭黑混合,然后在高温下使其发生反应,生成碳化钨,其总反应为:

     W+C=WC

     钨粉的碳化有两种工艺,一是向炉子中通入氢气,在氢气气氛下进行反应,二是不通氢进行碳化反应。在通氢的条件下,实际发生的反应为:

     C+2H₂=CH4

     W+CH4=WC+2H₂

     由上述反应式可知,氢其实起着碳载体的作用,通氢碳化反应并不消耗氢,但是由于碳氢形成的甲烷气体具有很大的活性,所以碳化反应活性增强,可提高碳化速度、降低反应温度和细化碳化钨粉末粒度。

     在不通氢的条件下,当炉温升到400℃以上,炭黑会发生气化反应,结果钨粉与炭黑的混合物将会发生如下反应:

     C+O₂=CO₂

     2C+O=2CO

     W+2CO=WC+CO₂

     CO₂+C=2CO

     由反应体系中发生的反应可见,在不通氢的条件下,实际发生碳化反应的是一氧化碳,而二氧化碳也只是起着载体的作用。

     (3)钨粉碳化的影响因素  对碳化钨粉有成分的要求和粉末粒度的要求。成分要求为总碳量和游离碳量,游离碳为未化合的残余碳,而总碳为化合碳和游离碳的总量。在碳化生产中由于配碳量和碳化反应彻底不彻底的原因,会影响到化合碳的含量。在一定的碳配比下,碳化越完全,化合碳含量越高,游离碳含量越少,另一方面,配碳多了,游离碳含量也增加。碳化反应温度越高反应越彻底。碳化反应的温度根据粒度的要求而确定,细颗粒在1300℃左右,中颗粒在1350~1500℃之间,粗颗粒在1800℃左右。碳化反应除了受反应温度和时间影响外,还受钨碳粉末的粒度、混合均匀程度等影响,粉末粒度越细、混合越均匀,则反应越完全。生产中往往采用球磨混合钨碳粉末并压成柱状块碳化,这样更有利于碳化反应。生产中游离碳一般控制在0.1%以下,总碳根据用户的要求生产。

     影响碳化钨粉末粒度的因素除了碳化温度、时间之外,主要受原始钨粉粒度的影响。钨粉颗粒细易发生聚集再结晶长大,粗颗粒钨粉不易长大,相反会细化。这是因为粗颗粒钨粉内部的微孔和缺陷,将会导致碳化反应形成的气体膨胀和应力作用而爆炸,使颗粒发生碎裂而细化。


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