利用硫酸鎳制備超細(xì)球形鎳粉的實(shí)驗(yàn)研究*

趙家春 ，范興祥 ，李博捷 ，董海剛 ，吳躍東 ，吳曉峰 ，劉 楊 ，童偉鋒

（1.貴研鉑業(yè)股份有限公司，稀貴金屬綜合利用新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，云南昆明 650106；2.昆明理工大學(xué)）

超細(xì)鎳粉作為金屬添加劑在金剛石工具、硬質(zhì)合金、電工合金、屏蔽材料、電池材料等行業(yè)中廣泛應(yīng)用。制備超細(xì)鎳粉的方法有很多，如羰基鎳熱分解法［1］、微乳液法［2］、電解法［3］、多元醇法［4］、聯(lián)氨還原法［5］等。采用硫酸鎳調(diào)堿后液相通氫加壓還原的方法［6-8］，可制得品位在95%～98%的球狀超細(xì)鎳粉。經(jīng)過(guò)中間氫還原可以使超細(xì)鎳粉品位提升至99.5%以上。筆者使用相同的液相通氫還原所得鎳粉，采用不同的二次氫還原溫度、還原時(shí)間、料層厚度、氫氮比及二次團(tuán)聚粉碎工藝條件，考察最后所得超細(xì)鎳粉的品位、氧含量、粒度、松裝密度及比表面積等性能指標(biāo)，以得到中間還原工藝的最佳條件來(lái)生產(chǎn)高品位超細(xì)鎳粉。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)備、原料與試劑

主體設(shè)備為3 L高壓釜、管式爐、真空泵、抽濾漏斗等。

原料采用吉恩鎳業(yè)產(chǎn)品硫酸鎳，經(jīng)分析w（Ni）約為22.2%；堿液采用氫氧化鈉（分析純）調(diào)制；氫氣使用瓶裝工業(yè)氫，H2體積分?jǐn)?shù)≥99.95%；氮?dú)馐褂闷垦b工業(yè)氮，N2體積分?jǐn)?shù)≥99.2%。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)主要在3 L高壓釜及管式爐內(nèi)進(jìn)行。將硫酸鎳加水溶解，加入堿液調(diào)漿后加入催化劑，攪拌均勻后加入高壓釜內(nèi)。封嚴(yán)后用氮?dú)鈱⒏獌?nèi)空氣置換除去，升溫。達(dá)到預(yù)定溫度后液相通入氫氣至預(yù)定壓力，進(jìn)行氫還原反應(yīng)。在反應(yīng)過(guò)程中，根據(jù)氫氣的消耗速度及消耗量判斷還原速率。反應(yīng)結(jié)束后，取出反應(yīng)產(chǎn)物，使用真空泵、抽濾漏斗過(guò)濾，烘干得鎳粉。

將鎳粉放入石英舟，置入管式爐內(nèi)，密封后使用氮?dú)鈱⑹⒐軆?nèi)空氣置換除去，升溫。達(dá)到預(yù)定溫度后用通過(guò)流量計(jì)控制通入的氫氣和氮?dú)獾幕旌蠚怏w進(jìn)行中間氫還原工藝，還原預(yù)定時(shí)間后降溫取出物料。將還原后物料放入高速粉碎機(jī)內(nèi)，進(jìn)行二次團(tuán)聚粉碎，待物料冷卻后取出，分析鎳品位、氧含量、粒度、松裝密度、比表面積等鎳粉的性能指標(biāo)。

2 結(jié)果與討論

將硫酸鎳加堿調(diào)漿后轉(zhuǎn)入3 L高壓釜，經(jīng)通氫氣加壓反應(yīng)得鎳粉。檢測(cè)分析后得鎳品位為97.8%，w（氧）=2.1%。

2.1 還原溫度

取部分鎳粉按照不同溫度進(jìn)行中間氫還原實(shí)驗(yàn)，控制還原時(shí)間為2 h、料層厚度為10 mm、氫氮體積比（簡(jiǎn)稱氫氮比）為1∶1。實(shí)驗(yàn)所得超細(xì)鎳粉分析結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可看出，在同樣的還原時(shí)間、料層厚度及氫氮比下，還原溫度為400℃時(shí)所得超細(xì)鎳粉品位最高、氧含量最低。

表1 不同還原溫度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.2 還原時(shí)間

取部分鎳粉按照不同時(shí)間進(jìn)行中間氫還原實(shí)驗(yàn)，控制還原溫度為400℃、料層厚度為10 mm、氫氮比為1∶1，實(shí)驗(yàn)所得超細(xì)鎳粉分析結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可看出，在同樣的還原溫度、料層厚度及氫氮比下，還原時(shí)間為2，2.5，3 h時(shí)所得超細(xì)鎳粉品位均在99.5%以上、氧含量較低。從生產(chǎn)周期及成本考慮，選用還原時(shí)間為2 h。

表2 不同還原時(shí)間的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.3 料層厚度

取部分鎳粉按照不同料層厚度進(jìn)行中間氫還原實(shí)驗(yàn)，控制還原溫度為400℃、還原時(shí)間為2 h、氫氮比為1∶1。實(shí)驗(yàn)所得超細(xì)鎳粉分析結(jié)果見(jiàn)表3。由表3可看出，在同樣的還原溫度、還原時(shí)間及氫氮比下，料層厚度為 3，5，10，15，20 mm 時(shí)還原所得超細(xì)鎳粉品位均高于99.5%，其中以料層厚度為3 mm時(shí)品位最高、氧含量最低。從產(chǎn)量及生產(chǎn)成本考慮，料層厚度為10 mm較為合適。

表3 不同料層厚度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.4 氫氮比

取部分鎳粉按照不同氫氮比進(jìn)行中間氫還原實(shí)驗(yàn)，控制還原溫度為400℃、還原時(shí)間為2 h、料層厚度為10 mm。實(shí)驗(yàn)所得超細(xì)鎳粉分析結(jié)果見(jiàn)表4。由表4可看出，在同樣的還原溫度、還原時(shí)間及料層厚度下，氫氮比為 1∶1、2∶1、3∶1 時(shí)還原所得超細(xì)鎳粉品位均高于99.5%、氧含量較低。從產(chǎn)量及生產(chǎn)成本考慮，氫氮比為1∶1較為合適。

表4 不同氫氮比的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.5 二次團(tuán)聚粉碎工藝實(shí)驗(yàn)

經(jīng)過(guò)中間還原后的鎳粉存在一定的團(tuán)聚現(xiàn)象，為保證超細(xì)鎳粉的粒度、松裝密度、比表面積等性能，使用高速粉碎機(jī)對(duì)鎳粉進(jìn)行二次團(tuán)聚粉碎。將中間還原后鎳粉放入高速粉碎機(jī)中，在粉碎過(guò)程中開(kāi)啟氮?dú)膺M(jìn)行防氧化保護(hù)，通過(guò)調(diào)節(jié)電機(jī)改變粉碎刀片轉(zhuǎn)速，改變給料速度進(jìn)行二次團(tuán)聚粉碎工藝實(shí)驗(yàn)。取粉碎后所得鎳粉分析氧含量、粒度、松裝密度、比表面積等性能指標(biāo)。對(duì)上述最佳條件下得到的鎳粉進(jìn)行低速和高速二次團(tuán)聚粉碎實(shí)驗(yàn)，結(jié)果分別見(jiàn)表5、表6。由表5、表6可以看出，經(jīng)二次團(tuán)聚粉碎后的鎳粉氧含量有所增高，但在氮?dú)猸h(huán)境保護(hù)下，粉碎后氧質(zhì)量分?jǐn)?shù)都不高于0.5%。低速粉碎后粒度都較粗，且松裝密度大，比表面積小。給料速度快的情況下，粉碎后粒度較小，松裝密度小，比表面積大，且處理量大。由以上分析可以得出，二次團(tuán)聚粉碎在12000 r/min高速粉碎、給料速度為50 kg/h時(shí)，所得超細(xì)鎳粉產(chǎn)品性能最好。

表5 低速二次團(tuán)聚粉碎實(shí)驗(yàn)結(jié)果

表6 高速二次團(tuán)聚粉碎實(shí)驗(yàn)結(jié)果

3 結(jié)論

由以上實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可以看出，通過(guò)二次還原工藝，可以使超細(xì)鎳粉產(chǎn)品性能得到提高。最佳的中間還原條件為：還原溫度為400℃、還原時(shí)間為2 h、料層厚度為10 mm、氫氮比為1∶1，在此條件下所得的鎳粉，經(jīng)過(guò)12000 r/min高速二次團(tuán)聚粉碎，在給料速度為50 kg/h時(shí)，所得超細(xì)鎳粉產(chǎn)品性能指標(biāo)最好，且生產(chǎn)成本及生產(chǎn)周期最為合適。

［1］伍賀東，陳為亮，孟德龍，等.超細(xì)鎳粉制備技術(shù)研究進(jìn)展［J］.冶金叢刊，2007，167（1）：37-41.

［2］高寶嬌，高建峰，周加其，等.超微鎳粉的微乳液法制備研究［J］.無(wú)機(jī)化學(xué)學(xué)報(bào)，2001，17（4）：491-495.

［3］張全勤，張繼文.納米技術(shù)新進(jìn)展［M］.北京：國(guó)防工業(yè)出版社，2005：59-88.

［4］īlkay Sisman，?agla Tütünoglu，Ali Osman Aydin.Surfactant-assisted polyol preparation of nickel powders with different morphologies［J］.Cent.Eur.J.Chem.， 2008，6（2）：253-257.

［5］Chen Ruiying，Zhou Kanggen.Preparation of ultrafine nickel powder by wet chemical process［J］.Trans.Nonferrous Met.Soc.China，2006，16（5）：1223-1227.

［6］Petit H，Doremieux J L，Dugleux P.Nickel powder production from nickel oxalate by autoclave reduction with hydrogen［M］∥Kahn W E.Fine Particles.Princeton：Electrochem.Soc.，1973：227-235.

［7］Dobrokhotov G N，Qnuchkina N I，Ratner A L.Autoclave reduction of nickel and cobalt hydroxides with hydrogen ［J］.Cvetn.Metall.，1962，35：44-47.

［8］Derry R，Whittemore R G.Nickel recovery from hydroxide slurries by pressure reduction ［M］∥ Evans D J I，Shoemaker R S.2nd Inter.Symp.Hydrometal..New York：AIME，1973：42-62.