朱二濤，羊建高, , 3，戴 煜，張 翔，鄧軍旺，郭圣達, 3，吳 杰

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噴霧干燥?煅燒制備鎢鈷氧化物粉末的反應機理

朱二濤1，羊建高1, 2, 3，戴 煜2，張 翔4，鄧軍旺2，郭圣達1, 3，吳 杰1

(1. 江西理工大學材料科學與工程學院，贛州341000；2. 湖南頂立科技有限公司, 長沙 410118；3. 江西理工大學工程研究院，贛州341000；4. 中南大學粉末冶金國家重點實驗室，長沙 410083)

以偏鎢酸銨(AMT)、醋酸鈷Co(CH3COO)2?4H2O、有機碳為原料，通過噴霧干燥得到前驅體粉末，然后在氮氣氛下煅燒制備鎢鈷氧化物復合粉末；并對AMT、醋酸鈷及前驅體粉末進行TG-DSC-DTA分析，用XPS對鎢鈷氧化物粉末進行價態(tài)分析，以X射線衍射對鎢鈷氧化物粉末進行物相分析，用SEM對粉末進行形貌分析。結果表明：煅燒溫度550 ℃、氮氣流量6.5 m3/h、煅燒時間20 min制備的鎢鈷氧化物粉末粒度為10～125 μm，平均粒度為50 μm，產(chǎn)物為裂解碳、WO3、Co3O4。此溫度可避免AMT分解生成的WO3在水蒸氣作用下生成鎢水化物WO2(OH)2；避免WO2(OH)2在H2作用下還原成W粉；及避免W粉沉積在早先被還原的W核上使W粉顆粒長大。

偏鎢酸銨；有機碳；噴霧干燥；TG-DSC-DTA；XPS；鎢鈷氧化物

機械合金化法[1]、等離子體法[2]、化學沉淀法[3]、氧化?還原法[4]、溶膠?凝膠法[5]、原位滲碳法[6]、原位反應法[7]、直接碳化法[8]等方法制備納米WC-Co復合粉末時，存在工藝流程長、組元分布不均勻、晶粒不均勻長大、產(chǎn)品性能波動大、質量不易控制、生產(chǎn)效率低、制造成本高、難以產(chǎn)業(yè)化等缺點。世界各國研究者提出多種制備WC-Co復合粉末的技術。其中，噴霧轉換法是目前較為成熟和先進的方法。噴霧轉換法(即熱化學合成法)由美國Nanodyne公司于90年代實現(xiàn)半工業(yè)化生產(chǎn)[9]，受此影響，研究機構及大型企業(yè)對噴霧轉化法進行深入研究，在噴霧轉化法基礎上衍生出噴霧干燥?固定床反應法[10]、噴霧熱解?流態(tài)化連續(xù)還原碳化法[11]、噴霧干燥-原位滲碳法[12?14]、噴霧干燥?煅燒?碳化法等方法[15?17]。

噴霧干燥-固定床反應法，因固定床是靜止的，反應靠擴散進行，反應速度慢，反應時間長，粉末成分不均勻；噴霧干燥?流態(tài)化連續(xù)還原碳化法，采用的流化床設備復雜、還原碳化時間長，產(chǎn)業(yè)化成本高；噴霧干燥?原位滲碳法，引入內部碳源，擴散路徑縮短，碳化速率提高，碳化溫度降低，但存在碳化溫度區(qū)間大、反應過程復雜、碳含量難以控制等問題。因此在噴霧干燥?原位滲碳法基礎上增加煅燒工序(即噴霧干燥?煅燒?碳化法)將有利于粉末質量的控制。噴霧干燥?煅燒?碳化法制備納米WC-Co復合粉的研究目前主要停留在制備工藝的研究，關于煅燒過程反應機理少有研究。要想制備出性能優(yōu)異、成分穩(wěn)定、質量可控的納米WC-Co復合粉末，必須精確控制前驅體粉末煅燒形成鎢鈷氧化物粉末的成分及含量。本文將研究噴霧干燥?煅燒過程中偏鎢酸銨(AMT)、醋酸鈷(Co(CH3COO)2?4H2O)、有機碳的反應機理。分析550 ℃煅燒生成的產(chǎn)物，為后續(xù)還原碳化提供定量計算依據(jù)。

1 實驗

采用的實驗原料為：偏鎢酸銨，等效計算WO3≧90%(質量分數(shù))；醋酸鈷，Co≧23.5%，溶于水；有機碳，含碳量≧40%。實驗設備為：湖南頂立科技有限公司的PGZ-50KL噴霧干燥塔，參數(shù)如下：水分蒸發(fā)50 Kg/h，最大轉速18 000 r/min，粒度50～150 μm；高溫鉬絲推舟爐TSJ-120/110-1-1，額定加熱溫度1 400 ℃，加熱功率24 kW，舟皿尺寸195 mm×92 mm× 56 mm。

以WC-6%Co為基本成分，計算原料偏鎢酸銨、醋酸鈷及有機碳源配比，稱量后加入裝有適量純凈水的容器中，不斷攪拌，直至物料全部溶解，形成鎢酸鈷復合鹽料漿。然后充分攪拌，用PGZ-50KL噴霧干燥，進風溫度240 ℃，出風溫度120～125 ℃，給料量100 mL/min，離心器轉速12 000 r/min。將噴霧干燥好的粉末裝舟(100 g)，推入高溫鉬絲爐，通入6.5 m3/h氮氣，煅燒溫度550 ℃，煅燒時間20 min，制備鎢鈷復合氧化物粉末，然后過140目篩網(wǎng)，篩分。

采用D/max 2550VB 18 kW轉靶X射線衍射儀分析物相；用JSM-7001F型掃描電子顯微鏡分析形貌；采用氣體容量法分析總碳含量，101鋼鐵定碳儀分析游離碳含量；采用LECO-TC600氮氧儀分析氧含量；用EDTA滴定法分析鈷含量。

2 結果與討論

2.1 噴霧干燥?煅燒制備的粉末形貌分析

將AMT、Co(CH3COO)2?4H2O、有機碳攪拌均勻形成料漿，在離心盤上將料漿以300 m/s的速度甩出形成液滴，液滴在飛行中受重力、離心力、空氣阻力及自身擾動的作用被拉長、撕裂形成細小液滴，由其表層與熱空氣之間的傳熱、傳質，使料漿干燥。噴霧干燥過程中細小液滴在結晶形核過程中形成球狀，所需驅動力最小，因此，常用噴霧干燥進行球化造粒。

圖1為噴霧干燥制備的前驅體粉末的SEM圖，可以看出：粉末粒度100～200 μm，平均粒度為 150 μm，部分粉末破碎，粉末含結晶水，不導電，表面光滑。粉末的球化率、殼厚、粒徑受塔內溫度、料漿黏度、液固比、給料頻率、離心器轉速、離心噴嘴孔徑等參數(shù)控制。

圖2為噴霧干燥?煅燒制備的鎢鈷氧化物粉末SEM圖，可以看出：粉末基本保持球形骨架，部分球殼破碎，球殼表面出現(xiàn)孔隙，粉末粒度在10～125 μm，平均粒度為50 μm。噴霧干燥粉末含有20%左右的結晶水，結晶水包覆在粉末表面，550 ℃煅燒時顆粒外表面的結晶水優(yōu)先蒸發(fā)，顆粒內部水蒸發(fā)速率、有機碳分解速率及氣體溢出速率小于或等于水分擴散速率、氣體擴散速率，有利于獲得表面密實、球形度好的中空型顆粒。

2.2 煅燒作用

噴霧干燥制備的前驅體粉末中含結晶水，其H2還原碳化，將使AMT在高溫下還原成W粉。高溫、鈷金屬催化作用則使中間氧化鎢和水蒸氣化合成氣態(tài)水化物WO2(OH)2及氧化鎢揮發(fā)，揮發(fā)氧化的鎢蒸汽和氣態(tài)水化物WO2(OH)2也被H2還原，生成的W粉沉積在早先被還原成的W核上或低價氧化鎢上使得W粉顆粒長大。

圖1 噴霧干燥制備前軀體復合粉末的SEM圖

增加煅燒工藝有利于水蒸氣排出、氨揮發(fā)、碳含量控制。但煅燒工藝控制非常重要，煅燒溫度越高，反應速率越快，生成氣態(tài)水化物WO2(OH)2機會越多；氮氣流量越小，水蒸氣被帶走速率越慢，生成氣態(tài)水化物WO2(OH)2越多；煅燒時間越長，有利于水蒸氣的排出，但增加能耗。經(jīng)大量實驗發(fā)現(xiàn)：煅燒溫度550 ℃、氮氣流量6.5 m3/h、煅燒時間20 min時，氮氣能迅速帶走水蒸氣和中間氧化鎢，避免氧化鎢在水蒸氣作用下生成水化物WO2(OH)2，避免WO2(OH)2在H2作用下還原成W粉，并可避免沉積在W核上使W顆粒長大。

2.2.1 醋酸鈷在Ar氣下的多步分解機理

為了確定噴霧干燥粉末中Co(CH3COO)2?4H2O的煅燒產(chǎn)物，對其進行TG-DSC-DTA分析，圖3為醋酸鈷在Ar氣氛中的TG-DSC-DTA曲線，升溫速度 10 ℃/min，從曲線分步質量損失，可以看出：第一步：20～90.51 ℃，吸熱分解質量損失率為10.84%，失去1.5個結晶水，如反應式(1)所示；第二步：90.51～123.93 ℃，吸熱分解質量損失率為20.41%，失去2.5個結晶水和醋酸根分解，如反應式(1)～(2)；第三步：123.93～165.08 ℃，吸熱分解質量損失率為3.49%，分解生成有刺鼻氣味的醋酸和水蒸氣揮發(fā)；第四步：165.08～306.87 ℃，質量損失率為8.3%，出現(xiàn)266.95、268.97、360.89 ℃三個峰，分析C—C、C—O、C—H、C—Co鍵能強弱，甲基鍵能高，易斷裂，生成草酸鈷，如反應式(2)；第五步：360.89～800 ℃，質量損失率為27.9%，固體殘留物呈黑色，并由理論質量損失率計算可推測分解產(chǎn)物為Co3O4，如反應式(3)所示；與張克立[18]等人以乙酸鈷進行TG-DTA分析所得在369 ℃的一步分解產(chǎn)物為Co3O4，質量損失率為26.82%，得出的結論類似。從360.89～400 ℃出現(xiàn)的質量損失為Co3O4分解為CoO、Co2O3所致，因Co2O3是一種不穩(wěn)定、也不呈游離狀態(tài)的化合物，因此，分解產(chǎn)物為CoO，如反應式(4)所示。隨后在400～800℃增加相同質量損失率，表明CoO氧化成Co3O4，如反應式(5)所示，最終分解產(chǎn)物為Co3O4。楊毅湧等[19]將醋酸鈷在N2氣氛中于室溫至621 ℃進行TG-DSC分析，并將其分解產(chǎn)物采用X射線衍射進行分析，證實最終產(chǎn)物也為Co3O4。

Co(CH3COO)2?4H2O→Co(CH3COO)2+4H2O (1)

Co(CH3COO)2→CoC2O4+(CH3)2(2)

3CoC2O4→Co3O4+4CO+2CO2(3)

2Co3O4→6CoO+O2(4)

6CoO+O2→2Co3O4(5)

圖2 噴霧干燥?煅燒制備鎢鈷復合氧化物粉末的SEM圖

2.2.2 AMT在Ar氣下的多步分解機理

為了確定噴霧干燥粉末中AMT煅燒的產(chǎn)物，將AMT進行TG-DSC-DTA分析，圖4為其在Ar氣氛下升溫速度為10 ℃/min的TG-DSC-DTA曲線。第一步：室溫～118.48 ℃，吸熱分解質量損失率2.1%，理論計算質量損失率1.8%，失去3個結晶水，如反應式(6)所示；第二步: 118.48～269.48 ℃，放熱合成反應，合成產(chǎn)物銨鎢青銅(ATB)，質量損失率2.5%，理論計算質量損失率2.44%，失去4個銨根及結晶水，如反應式(7)所示；第三步：118.48～300 ℃，為吸熱分解反應，總質量損失率3.38%，理論計算質量損失率3.67%，失去6個銨根，脫去結晶水，如反應式(8)所示；第四步：300～409.2 ℃，有兩個峰值對應溫度336.3 ℃和409.2 ℃，反應生成的NH3開始分解，分解成氫氣和氮氣，如反應式(9)所示。并伴隨著ATB的分解，生成氧化鎢，如反應式(10)所示。此過程中質量損失率3.23%，理論計算得到WO3的質量損失率4.0%，反應中可能存在氧化鎢煅燒不完全；第四步：從409.2～800 ℃，發(fā)現(xiàn)550 ℃左右出現(xiàn)一個尖銳放熱峰，并隨著溫度升高，質量損失率變化不大，表明ATB分解是由高價鎢向低價鎢轉變。圖5為鎢鈷氧化物粉末的XRD分析，可以看出：煅燒粉末中存在WO3，與熱重?差熱分析AMT煅燒分解生成為WO3的結果相吻合。

(NH4)6[(H2W12O40]?H2O→(NH4)6[H2W12O40]?

(?3)H2O + 3H2O且=2～4 (6)

(NH4)6[H2W12O40](?3)H2O→(NH4)2?O?12WO3+

4NH3+H2O (7)

(NH4)2?O?12WO3→12(NH4)WO3+(2?12)NH3+

H2O (8)

2NH3→3H2+N2(9)

2(NH4)WO3→2WO2.8?3+ 2NH3+H2(10)

圖3 醋酸鈷在Ar氣氛下的TG-DSC-DTA曲線

圖4 AMT在Ar氣氛下的TG-DSC-DTA曲線

圖5 噴霧干燥?煅燒制備的鎢鈷復合氧化物粉的X射線衍射圖

2.2.3前驅體復合粉末在煅燒過程中的反應機理

圖6為噴霧干燥法制備的前驅體復合粉末的TG- DSC-DTA分析結果，其升溫速度為5 ℃/min。第一個吸熱峰出現(xiàn)在100 ℃，此過程有機碳及AMT中自由水脫除，Co(CH3COO)2?4H2O中結晶水蒸發(fā)；第二階段：100～200 ℃，偏鎢酸銨失水和脫氨、有機碳熔化與分解，醋酸鈷分解和脫水，總質量損失率13.26%，與理論計算質量損失率14.3%接近；第三階段：200～300 ℃，AMT分解生成ATB、有機碳熔融產(chǎn)生CO2和低分子化合物、醋酸鈷熱解生成草酸鈷，質量損失率4.12%；第四階段：300～700 ℃，AMT分解成WO3、醋酸鈷熱解成Co3O4、有機碳分解成單質碳。從0～550 ℃反應總質量損失率23.55%，與實際生產(chǎn)中質量損失率為23%相近。表1為550 ℃煅燒粉末的性能檢測結果，通過元素含量計算得知，生成產(chǎn)物為Co3O4、WO3、裂解碳。圖7為與550 ℃煅燒鎢鈷氧化物的XPS譜及對衍射峰峰值進行查表的結果，并結合表2的峰值，結果表明：分解產(chǎn)物為裂解碳、WO3及Co3O4。550 ℃煅燒鎢鈷氧化物的X射線衍射存在WC相，是由于粉末比表面積大、氨分解生成H2對C、WO3進行預還原碳化，并伴隨Co3O4輕度還原成鈷金屬單質，在Co金屬催化作用下，降低碳化溫度，但碳化程度低，生成WC相少。

圖6 噴霧干燥法制備的前驅體復合粉末TG-DSC-DTA曲線

表1 550 ℃煅燒粉末性能檢測結果

圖7 550 ℃煅燒后的鎢鈷氧化物XPS圖譜

表2 550 ℃煅燒的鎢鈷氧化物XPS峰值及查找對應氧化物

3 結論

1) 噴霧干燥制備的前驅體粉末粒度為100～ 200 μm，平均粒度為150 μm，部分粉末破碎，粉末含結晶水、不導電、表面光滑。煅燒制備的鎢鈷氧化物粉末粒度10～125 μm，平均粒度為50 μm，粉末基本保持球形骨架，部分球殼破碎。

2) 在煅燒溫度550 ℃、氮氣流量6.5 m3/h、煅燒時間20 min條件下，氮氣可迅速帶走水蒸氣和中間氧化鎢，避免氧化鎢在水蒸氣作用下生成水化物WO2(OH)2，避免WO2(OH)2在H2作用下還原成W粉，并可避免W粉沉積在W核上使W顆粒長大。

3) 550 ℃煅燒的總質量損失率為23.55%，與實際生產(chǎn)的質量損失率23%接近。對煅燒粉末元素含量進行計算得知，分解產(chǎn)物為Co3O4、WO3、裂解碳。

4) 550 ℃煅燒的鎢鈷氧化物中存在WC相，是由于粉末比表面積大、氨分解生成氫氣對C、WO3進行預還原碳化，并伴隨Co3O4輕度還原成鈷金屬單質，在Co金屬催化作用下，碳化溫度降低，但碳化程度低，生成少量WC相。

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(編輯 高海燕)

Reaction mechanism of W-Co oxide powders prepared by spray drying-calcination method

ZHU Er-tao1, YANG Jian-gao1, 2, 3, DAI Yu2, ZHANG Xiang4, DENG Jun-wang2, GUO Sheng-da1, 3, WU Jie1

(1. School of Materials and Chemical Engineering, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China;2. Advanced Corporation for Materials & Equipment, Changsha 410118, China; 3. Project Research Institute, Jiangxi University of Science and Technology, Ganzhou 341000, China;4. State Key Laboratory of Powder Metallurgy, Central South University, Changsha 410083, China)

Using ammonium metatungstate (AMT), cobalt acetate (Co(CH3COO)2?4H2O) and organic carbon source as raw materials, precursor powder was prepared through spray drying, then was calcined in N2to prepare W-Co oxide composite powder. TG-DSC-DTA analysis was applied on AMT, cobalt acetate and precursor powder, XPS was used to analyse valence state of W-Co oxide composite powder; XRD was used to analuse phase composition of W-Co oxide composite powder, SEM was used to analyse morphology of the powder. The results show that, the particle size of W-Co oxide powder prepared at 550 ℃ with 6.5m3/h N2for 20 min is 10～125 μm, and average particle size is 50 μm. The products by calcining W-Co oxide are cracking carbon, WO3and Co3O4. It is at 550 ℃ that WO3generated by AMT decomposition can be avoided to produce WO2(OH)2under the effect of water vapor, WO2(OH)2can be avoided from reducing to W powder in H2, W powder can be avoided from depositing on W core, which makes W powder particles growing.

ammonium metatungstate; organic carbon; spray drying; TG-DSC-TDA; XPS; tungsten-cobalt oxide

TF123

A

1673-0224(2015)2-175-07

國家國際科技合作專項(2011DFR50970)；國家863計劃項目(2012AA061902)；國家自然科學基金(51174101)；湖南省科技重大專項(2012FJ1009)；江西省鎢與稀土重大科技專項(2010AZD00100)；江西省高等學校科技落地計劃項目(KJLD12072)；江西理工大學校級重點資助項目(NSFJ2015-K18)

2014-06-04；

2014-08-01

羊建高，教授，博士；電話：13548688859；E-mail: jiangaoyang@163.com