一种微波加热MnO2制备氮化锰的方法和装置

摘要

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。该方法为首先将MnO2、还原剂粉碎，然后混合均匀得到混合物料；两段加热：第一段加热过程：首先将上述步骤制备得到的混合物料放入微波管式高温反应器内，温度为700℃~800℃，第二段加热过程：向微波管式高温反应器内通入氮气，继续升温至1200~1350℃得到产物；将产物冷却、粉碎后得到氮化锰粉。该装置为微波炉腔体本体，在该微波炉腔体本体上设有热电偶和控温装置。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。

权利要求

1.一种微波加热MnO2制备氮化锰的方法，其特征在于具体步骤如下：（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℃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继续升温至1200~1350℃，保温

40~70min得到产物；

（3）将产物冷却、粉碎后得到氮化锰粉；

所述步骤（1）中的还原剂为木炭、石油焦、石墨或煤。

2.一种微波加热MnO2制备氮化锰的装置，其特征在于：包括胶塞（1）、石英管（2）、热电偶（3）、内保温体（5）、铝箔（6）、金属丝网（7）、出气管（8）、进气管（9）、微波炉腔体（10）、控温装置（11）、磁控管（13）和气体管道（14），所述微波炉腔体（10）内部的中间位置设有石英管（2），微波炉腔体（10）两侧设有气体管道（14），石英管（2）与气体管道（14）连通，微波炉腔体（10）上设有磁控管（13），微波炉腔体（10）顶部的中间位置热电偶（3）并使热电偶（3）的底部插入物料（4）中，物料（4）放置到内保温体（5）中，气体管道（14）表面从里至外依次设有铝箔（6）、金属丝网（7），气体管道（14）两侧设有胶塞（1）其中一端胶塞（1）上设有进气管（9）、另一端胶塞设有出气管（8），热电偶（3）、磁控管（13）分别与控温装置（11）连接。

3.根据权利要求2所述的微波加热MnO2制备氮化锰的装置，其特征在于：所述热电偶（3）通过胶塞（1）设置在微波炉腔体（10）的顶端。

4.根据权利要求2所述的微波加热MnO2制备氮化锰的装置，其特征在于：所述气体管道（14）两侧的胶塞（1）内部表面设有铝箔（6）。

5.根据权利要求2所述的微波加热MnO2制备氮化锰的装置，其特征在于：所述该装置还设有推料器（12）。

说明书

一种微波加热MnO2制备氮化锰的方法和装置

技术领域

[0001] 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

[0002] 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。

[0003] 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。

[0004] 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。

[0005] 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。

[0006] 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

[0007] 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。

[0008] 本发明的原理为：

[0009] 第一步加热过程中的反应为： ；

[0010] 第二步加热过程中的反应为： ；

[0011] 总反应为：5MnO2+10C+N2(g)=Mn5N2+10CO (g) 。

[0012] 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：

[0013] 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。

[0014] 一种微波加热MnO2制备氮化锰的方法，其具体步骤如下：

[0015] （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；

[0016] （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；

[0017] （3）将产物冷却、粉碎后得到氮化锰粉。

[0018] 所述步骤（1）中的还原剂为木炭、石油焦、石墨或煤。

[0019] 一种微波加热MnO2制备氮化锰的装置，包括胶塞1、石英管2、热电偶3、内保温体5、铝箔6、金属丝网7、出气管8、进气管9、微波炉腔体10、控温装置11、磁控管13和气体管道14，所述微波炉腔体10内部的中间位置设有石英管2，微波炉腔体10两侧设有气体管道
14，石英管2与气体管道14连通，微波炉腔体10上设有磁控管13，微波炉腔体10顶部的中间位置热电偶3并使热电偶3的底部插入物料4中，物料4放置到内保温体5中，气体管道
14表面从里至外依次设有铝箔6、金属丝网7，气体管道14两侧设有胶塞1其中一端胶塞1上设有进气管9、另一端胶塞设有出气管8，热电偶3、磁控管13分别与控温装置11连接。

[0020] 所述热电偶3通过胶塞1设置在微波炉腔体10的顶端。

[0021] 所述气体管道14两侧的胶塞1内部表面设有铝箔6。

[0022] 所述该装置还设有推料器12。

[0023] 该微波加热MnO2制备氮化锰的装置的使用方法为：将混合好的物料4置入内保温体5内，再用推料器12将内保温体5推入石英管2内，插入热电偶3，将对应的胶塞1旋紧密封，将气体管道14两侧的胶塞1旋紧密封，向进气管9中通入气体，打开磁控管13通过控温装置11调整磁控管13的功率进行微波加热，当到达物料4所需的温度值时（通过热电偶3测得实时温度值），控温装置11调整磁控管13的功率，当物料4保持该温度值的时间到达设定的时间，最后通过控温装置11关闭磁控管13停止微波加热。

[0024] 上述得到的氮化锰粉的氮含量为4.11wt%~6.03wt%。

[0025] 本发明的有益效果是：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，其原料成本极大的减少，制备氮化锰的生产成本降低并可进行清洁生产；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。

附图说明

[0026] 图1是本发明微波加热MnO2制备氮化锰的装置的结构示意图，

[0027] 图2是本发明MnO2直接制备得到氮化锰的热力学分析图。

[0028] 图中各标号为：1-胶塞，2-石英管，3-热电偶，4-物料，5-内保温体，6-铝箔，7-金属丝网，8-出气管，9-进气管，10-微波炉腔体，11-控温装置，12-推料器，13-磁控管，
14-气体管道。

具体实施方式

[0029] 下面结合具体实施方式，对本发明作进一步说明。

[0030] 实施例1

[0031] 该微波加热MnO2制备氮化锰的方法，其具体步骤如下：

[0032] （1）首先将MnO2、还原剂粉碎至粒度为200目，然后将细磨后的MnO2、还原剂粉按照质量比72：28混合均匀得到混合物料，其中还原剂为木炭；

[0033] （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布好物料后放入到微波管式高温反应器内，然后在温度为750℃条件下保温40min，第二段加热过程：向微波管式高温反应器内通入氮气，将经一段加热后的混合物料升温至1200℃保温40min得到产物；

[0034] （3）将产物冷却、粉碎后得到氮化锰粉，氮化锰粉中氮含量为4.11wt%。

[0035] 该微波加热MnO2制备氮化锰的装置，包括胶塞1、石英管2、热电偶3、内保温体5、铝箔6、金属丝网7、出气管8、进气管9、微波炉腔体10、控温装置11、磁控管13和气体管道14，所述微波炉腔体10内部的中间位置设有石英管2，微波炉腔体10两侧设有气体管道14，石英管2与气体管道14连通，微波炉腔体10上设有磁控管13，微波炉腔体10顶部的中间位置热电偶3并使热电偶3的底部插入物料4中，物料4放置到内保温体5中，气体管道
14表面从里至外依次设有铝箔6、金属丝网7，气体管道14两侧设有胶塞1其中一端胶塞1上设有进气管9、另一端胶塞设有出气管8，热电偶3、磁控管13分别与控温装置11连接。

[0036] 其中热电偶3通过胶塞1设置在微波炉腔体10的顶端；气体管道14两侧的胶塞1内部表面设有铝箔6；该装置还设有推料器12。

[0037] 实施例2

[0038] 该微波加热MnO2制备氮化锰的方法，其具体步骤如下：

[0039] （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71：29混合均匀得到混合物料，其中还原剂为石油焦；

[0040] （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布好物料后放入到微波管式高温反应器内，然后在温度为750℃条件下保温40min，第二段加热过程：向微波管式高温反应器内通入氮气，将经一段加热后的混合物料升温至1300℃保温50min得到产物；

[0041] （3）将产物冷却、粉碎后得到氮化锰粉，氮化锰粉中氮含量为4.35wt%。

[0042] 该微波加热MnO2制备氮化锰的装置，包括胶塞1、石英管2、热电偶3、内保温体5、铝箔6、金属丝网7、出气管8、进气管9、微波炉腔体10、控温装置11、磁控管13和气体管道14，所述微波炉腔体10内部的中间位置设有石英管2，微波炉腔体10两侧设有气体管道14，石英管2与气体管道14连通，微波炉腔体10上设有磁控管13，微波炉腔体10顶部的中间位置热电偶3并使热电偶3的底部插入物料4中，物料4放置到内保温体5中，气体管道
14表面从里至外依次设有铝箔6、金属丝网7，气体管道14两侧设有胶塞1其中一端胶塞1上设有进气管9、另一端胶塞设有出气管8，热电偶3、磁控管13分别与控温装置11连接。

[0043] 其中热电偶3通过胶塞1设置在微波炉腔体10的顶端；气体管道14两侧的胶塞1内部表面设有铝箔6；该装置还设有推料器12。

[0044] 实施例3

[0045] 该微波加热MnO2制备氮化锰的方法，其具体步骤如下：

[0046] （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71：29混合均匀得到混合物料，其中还原剂为石墨；

[0047] （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布好物料后放入到微波管式高温反应器内，然后在温度为750℃条件下保温40min，第二段加热过程：向微波管式高温反应器内通入氮气，将经一段加热后的混合物料升温至1350℃保温50min得到产物；

[0048] （3）将产物冷却、粉碎后得到氮化锰粉，氮化锰粉的氮含量为6.03wt%。

[0049] 该微波加热MnO2制备氮化锰的装置，包括胶塞1、石英管2、热电偶3、内保温体5、铝箔6、金属丝网7、出气管8、进气管9、微波炉腔体10、控温装置11、磁控管13和气体管道14，所述微波炉腔体10内部的中间位置设有石英管2，微波炉腔体10两侧设有气体管道14，石英管2与气体管道14连通，微波炉腔体10上设有磁控管13，微波炉腔体10顶部的中间位置热电偶3并使热电偶3的底部插入物料4中，石英管2内部中间位置设有布满内保温体5并在保温体5中间位置设有放置物料4的空间，气体管道14表面从里至外依次设有铝箔6、金属丝网7，气体管道14两侧设有胶塞1其中一端胶塞1上设有进气管9、另一端胶塞设有出气管8，控温装置11、磁控管13分别与控温装置11连接。

[0050] 其中热电偶3通过胶塞1设置在微波炉腔体10的顶端；气体管道14两侧的胶塞1内部表面设有铝箔6；该装置还设有推料器12。

[0051] 实施例4

[0052] 该微波加热MnO2制备氮化锰的方法，其具体步骤如下：

[0053] （1）首先将MnO2、还原剂粉碎至粒度为100目，然后将细磨后的MnO2、还原剂粉按照质量比65：35混合均匀得到混合物料，其中还原剂为木炭；

[0054] （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布好物料后放入到微波管式高温反应器内，然后在温度为700℃条件下保温50min，第二段加热过程：向微波管式高温反应器内通入氮气，将经一段加热后的混合物料升温至1200℃保温70min得到产物；

[0055] （3）将产物冷却、粉碎后得到氮化锰粉。

[0056] 该微波加热MnO2制备氮化锰的装置，包括胶塞1、石英管2、热电偶3、内保温体5、铝箔6、金属丝网7、出气管8、进气管9、微波炉腔体10、控温装置11、磁控管13和气体管道14，所述微波炉腔体10内部的中间位置设有石英管2，微波炉腔体10两侧设有气体管道14，石英管2与气体管道14连通，微波炉腔体10上设有磁控管13，微波炉腔体10顶部的中间位置热电偶3并使热电偶3的底部插入物料4中，物料4放置到内保温体5中，气体管道
14表面从里至外依次设有铝箔6、金属丝网7，气体管道14两侧设有胶塞1其中一端胶塞1上设有进气管9、另一端胶塞设有出气管8，热电偶3、磁控管13分别与控温装置11连接。

[0057] 其中热电偶3通过胶塞1设置在微波炉腔体10的顶端；气体管道14两侧的胶塞1内部表面设有铝箔6；该装置还设有推料器12。

[0058] 实施例5

[0059] 该微波加热MnO2制备氮化锰的方法，其具体步骤如下：

[0060] （1）首先将MnO2、还原剂粉碎至粒度为100目，然后将细磨后的MnO2、还原剂粉按照质量比70：30混合均匀得到混合物料，其中还原剂为木炭；

[0061] （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布好物料后放入到微波管式高温反应器内，然后在温度为800℃条件下保温20min，第二段加热过程：向微波管式高温反应器内通入氮气，将经一段加热后的混合物料升温至1300℃保温40min得到产物；

[0062] （3）将产物冷却、粉碎后得到氮化锰粉。

[0063] 该微波加热MnO2制备氮化锰的装置，包括胶塞1、石英管2、热电偶3、内保温体5、铝箔6、金属丝网7、出气管8、进气管9、微波炉腔体10、控温装置11、磁控管13和气体管道14，所述微波炉腔体10内部的中间位置设有石英管2，微波炉腔体10两侧设有气体管道14，石英管2与气体管道14连通，微波炉腔体10上设有磁控管13，微波炉腔体10顶部的中间位置热电偶3并使热电偶3的底部插入物料4中，物料4放置到内保温体5中，气体管道
14表面从里至外依次设有铝箔6、金属丝网7，气体管道14两侧设有胶塞1其中一端胶塞1上设有进气管9、另一端胶塞设有出气管8，热电偶3、磁控管13分别与控温装置11连接。

[0064] 其中热电偶3通过胶塞1设置在微波炉腔体10的顶端；气体管道14两侧的胶塞1内部表面设有铝箔6；该装置还设有推料器12。