一种金属铁及其制备方法
阅读说明：本技术 一种金属铁及其制备方法 (Metallic iron and preparation method thereof ) 是由 黄博 谭喆 高俊云 佘威岑 于 2021-09-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种金属铁及其制备方法,其中,一种金属铁的制备方法以γ-Fe-(2)O-(3)和碳为主要原料,制备获得金属铁,制备方法具体包括以下步骤,配入预设摩尔比的γ-Fe-(2)O-(3)和碳,将γ-Fe-(2)O-(3)和碳进行混料,充分混匀,将充分混匀的γ-Fe-(2)O-(3)和碳放入高温真空炉中进行保温和固相反应,反应完成后在惰性气体中进行冷却,以得到金属铁。该制备方法需要的温度条件远远低于现有技术中的1200℃,反应的温度要求越低,需要消耗的能源就越少,从而极大降低了能耗,且该反应减少了危险气体的排放量,减少对环境的污染。(The invention discloses metallic iron and a preparation method thereof, wherein the preparation method of the metallic iron is gamma-Fe 2 O 3 And carbon as main material to obtain iron metal, and the preparation process includes the following steps of compounding gamma-Fe in certain molar ratio 2 O 3 And carbon, with gamma-Fe 2 O 3 Mixing with carbon, mixing well, and mixing well gamma-Fe 2 O 3 And putting the carbon and the carbon into a high-temperature vacuum furnace for heat preservation and solid-phase reaction, and cooling in inert gas after the reaction is finished to obtain the metallic iron. The temperature condition required by the preparation method is far lower than 1200 ℃ in the prior art, and the lower the temperature requirement of the reaction is, the less energy is required to be consumed, so that the energy consumption is greatly reduced, the discharge amount of dangerous gas is reduced by the reaction, and the pollution to the environment is reduced.)
技术领域
本发明涉及铁合金技术领域，特别涉及一种金属铁及其制备方法。
背景技术
炼铁技术是维持钢铁工业的一项关键技术，其中以高炉为设备的高炉炼铁又是钢铁生产的重要环节。高炉冶铁是一种应用焦炭、含铁矿石和熔剂在竖式反应器—高炉内连续生产液态生铁的方法，其操作温度需要达到1200℃，需要消耗大量的能源，存在能量效率低的问题，且在生产过程中会产生大量的危险气体，导致危险气体的排放量高的问题。因此，如何在低温下制备金属铁成为亟需解决的技术问题。
发明内容
基于此，有必要提供一种金属铁及其制备方法，以解决现有技术中需要高温下才能制备金属铁，需要消耗大量能源的技术问题。
本发明提供的一种金属铁的制备方法，所述制备方法以γ-Fe2O3和碳为主要原料，制备获得所述金属铁，所述制备方法具体包括以下步骤：
步骤1：配入预设摩尔比的所述γ-Fe2O3和所述碳；
步骤2：将所述γ-Fe2O3和所述碳进行混料，充分混匀；
步骤3：将充分混匀的所述γ-Fe2O3和所述碳放入高温真空炉中进行保温和固相反应；
步骤4：反应完成后在惰性气体中进行冷却，以得到金属铁。
进一步地，步骤1中所述γ-Fe2O3和所述碳的预设摩尔比为1:50～1:3。
进一步地，步骤2中所述混料方式包括研磨、搅拌、球磨。
进一步地，步骤3中的保温和反应条件为：在430℃～700℃温度范围内保温18h～80h。
进一步地，步骤3中的保温和反应条件为：在430℃中保温80h。
进一步地，步骤4中冷却条件为：在惰性气体中冷却至20℃～50℃。
进一步地，步骤4中所述的惰性气体包括氮气和/或氮气。
进一步地，所述步骤4中反应完成后在惰性气体中进行冷却包括：
用惰性气体对反应完成后的物质进行吹扫。
在另一个实施例中，本发明还提供一种金属铁的制备方法，所述制备方法以Fe-MOF-74为原料，制备获得所述金属铁，所述制备方法具体包括以下步骤：
步骤1：将所述Fe-MOF-74放入高温真空炉中进行18h～80h的热处理，其中，所述热处理的温度为430℃～700℃温度范围；
步骤2：反应完成后在惰性气体中进行冷却，以得到金属铁。
在另一个实施例中，本发明还提供一种根据上述方法制备的金属铁，所述制备的金属铁中，Fe含量为90％～95％，Fe2O3含量为3％～7％，碳含量为3％～7％。
本发明提供的一种金属铁的制备方法，将预设摩尔比的γ-Fe2O3和碳进行混料，充分混匀后放入高温真空炉中进行保温和固相反应，反应完成后在惰性气体中进行冷却，从而得到金属铁，该反应在高温真空炉中进行，需要的温度条件远远低于现有技术中的1200℃，反应的温度要求越低，需要消耗的能源就越少，从而大大降低了能耗，且该反应减少了危险气体的排放量，减少对环境的污染。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
图1为本发明实施例中430℃下不同时间热处理后的XRPD谱图；
图2为本发明实施例中430℃、80h热处理后经精修得到的XRPD谱图；
图3为本发明实施例中200℃、300℃、400℃下热处理36h的XRPD谱图；
图4为本发明实施例中200℃、300℃、400℃下热处理36h的TEM图像；
图5为本发明实施例中700℃下热处理24h的XRPD谱图；
图6为本发明实施例中700℃下热处理24h的TEM图像。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
另外，在本发明中涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。另外，全文中的“和/或”包括三个方案，以A和/或B为例，包括A技术方案、B技术方案，以及A和B同时满足的技术方案；另外，各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围之内。
根据本发明的制备金属铁的方法以γ-Fe2O3和碳为主要原料，将上述的原料按照预设比例混合均匀，并将充分混匀的样品放入高温炉中进行保温和固相反应，反应完成后在惰性气体中进行冷却，最终制备获得金属铁。该方法能够在低温下将γ-Fe2O3还原为铁，相对于现有技术中的高炉冶铁技术，大大降低了操作温度，减少能量消耗。由于反应在较为温和的环境下进行，其产生的有害气体相对于现有技术中的高炉炼铁较少，且容易收集起来并处理，因此能够减少对环境的污染。该方法能提高氧化铁的转化率，能够降低金属铁的生产成本，具有较高的商业价值，适合大规模工业生产。
所述方法包括以下步骤：
步骤1：配入预设摩尔比的所述γ-Fe2O3和所述碳；
步骤2：将所述γ-Fe2O3和所述碳进行混料，充分混匀；
步骤3：将充分混匀的所述γ-Fe2O3和所述碳放入高温真空炉中进行保温和固相反应；
步骤4：反应完成后在惰性气体中进行冷却，以得到金属铁。
具体地，在步骤1中所述γ-Fe2O3和所述碳的摩尔比为1:50～1:3。步骤2中所述混料方式包括研磨、搅拌、球磨。
更具体地，步骤3中的保温和反应条件为：在430℃～700℃温度范围内保温18h～80h。步骤3中的保温和反应条件为：在430℃中保温80h。
进一步地，步骤4中冷却条件为：在惰性气体中冷却至20℃～50℃。步骤4中所述的惰性气体包括氮气和/或氮气。所述步骤4中反应完成后在惰性气体中进行冷却包括：
用惰性气体对反应完成后的物质进行吹扫。例如，用高纯度的氮气吹扫反应完成后的物质。
进一步地，一种制备金属铁的方法，以Fe-MOF-74为原料，制备获得所述金属铁，所述方法具体包括以下步骤：
步骤1：将所述Fe-MOF-74放入高温真空炉中进行18～80h的热处理，其中，所述热处理的温度为430℃～700℃温度范围；
步骤2：反应完成后在惰性气体中进行冷却，以得到金属铁。
具体地，所述γ-Fe2O3和所述碳的前驱体(包含金属有机框架MOF-74，MIL-101，MIL-100，MIL-88B，MIL-53，MOF-101，MOF-199，MOF-235，MOF-525，MOF-535，MOF-545等及其他可能通过各种条件转化为所述γ-Fe2O3和所述碳)的制备，以MOF-74为例：将无水FeCl2(2.20g)和1,4-二羟基对苯二甲酸(1.42g)溶解在500ml脱氧N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中。溶液在氩气保护下在120℃下反应5天。产物用脱氧DMF洗涤3次，脱氧甲醇浸泡3天，将样品在60℃下真空干燥获得所述γ-Fe2O3和所述碳的前驱体。
根据本发明的方法所制备的金属铁中，Fe含量为90％～95％，Fe2O3含量为3％～7％，碳含量为3％～7％，其他微量元素可忽略不计。
如图1所示，在430℃、真空条件下对Fe-MOF-74进行18-80h的热处理，得到相应的XRPD谱图。
通过衍射峰可以分析得到，18h后，样品包含γ-Fe2O3和Fe3C的混合物。36h后，Fe3C消失，α-Fe(体心立方晶格)出现。由此可知，通过Fe-MOF-74的热分解生成γ-Fe2O3是一个Fe3C介导的过程，热处理80小时后，大部分γ-Fe2O3已被还原为α-Fe。
如图2所示，对80h下得到的XPRD谱图进行精修，得到α-Fe和γ-Fe2O3的重量比为86.9：13.1，从而计算出Fe2O3向Fe的转化率为91.2％。
实施例1
分别在200℃和300℃、真空条件下对Fe-MOF-74进行热处理36小时，分别得到其XRPD谱图(如图3所示)和透射电镜图像(如图4a、b所示)。分析XRPD谱图可知，在这两种条件下，Fe-MOF-74样品的晶体结构基本消失(仅在个别位置有微弱的衍射峰)。由TEM图像可知，200℃下未发现明显颗粒存在，300℃下只有少量微小粒子存在，与谱图分析结果一致。
实施例2
在400℃、真空条件下对Fe-MOF-74进行热处理36小时，得到其XRPD谱图(如图3所示)和透射电镜图像(如图4c所示)。分析XRPD谱图可知，400℃下有γ-Fe2O3存在。由TEM图像可知，γ-Fe2O3 NPs的聚集体与Fe-MOF-74的分解后剩余的碳共存，与谱图分析结果一致，但并未发现α-Fe存在。
实施例3
在700℃、真空条件下对Fe-MOF-74进行热处理24小时，产物的XRPD谱图(如图5所示)，有明显的α-Fe存在，且透射电镜图像显示(如图6所示)，α-Fe粒径大于200nm。
实施例4
在600℃、真空条件下对Fe-MOF-74进行热处理36小时，产物的XRPD谱图显示，有明显的α-Fe存在。
实施例5
在500℃、真空条件下对Fe-MOF-74进行热处理48小时，同样在产物的XRPD谱图中发现有明显的α-Fe存在。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。