氮氣知識

1、1序言磁性材料中高性能MnZn鐵氧體（高μi和功率鐵氧體）的燒結(jié)和NdFeB等稀土永磁合金生產(chǎn)中的細(xì)粉碎工序都需要高純氮氣進行保護，以防止磁體（粉）在工藝過程中的氧化。眾所周知，MnZn鐵氧體是由Fe、Mn、Zn的氧化物在高溫?zé)Y(jié)時產(chǎn)生固相反應(yīng)生成的。Mn、Fe極易變價，在不同的溫度和氣氛（氧分壓）條件下，Mn、Fe的價態(tài)是不同的，要使MnZn鐵氧體達到所要求的磁性能，必須保證其中各金屬離子處于特定的價態(tài)和適宜的晶體結(jié)構(gòu)，除有合適的配方

2、外，關(guān)鍵是應(yīng)在平衡氣氛條件下進行燒結(jié)，而保護氣體則是實施平衡氣氛燒結(jié)的基本物質(zhì)條件之一。氮窯清洗倉的氮中氧含量希望在5010－6以下，故要求氮氣的純度在99995％以上，且對雜質(zhì)氣（O2、H2）的量有較嚴(yán)格的限制：一條年產(chǎn)1000噸左右的MnZn鐵氧體生產(chǎn)線，一般氮耗量在100～120Nm3／h。NdFeB等稀土永磁合金中的稀土金屬即使是在常溫條件下，也很易氧化而導(dǎo)致稀土永磁合金性能降低，過量氧化將使合金性能大為惡化。因為1份氧能使6份

3、（重量）的稀土元素氧化而失去作用。以NdFeB為例，要制得N45的磁體必須保證其生產(chǎn)工藝環(huán)境中的氧含量≤001％，最終產(chǎn)品中的氧含量為009002％（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）〔1〕。若用氮氣作為工藝環(huán)境氣體其氮氣純度必須在9999％以上。目前國內(nèi)外大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)稀土永磁合金的制（細(xì)）粉工序都采用一種名為“氮氣流磨”的設(shè)備，它是利用高速氮氣流帶動物料相互碰撞而達到研磨效果的，制得的粉料粒徑要求在3～5μm，有很大的表面積，極易氧化，故氮氣必須是高純級

4、，對O2、H2等雜質(zhì)氣量也有嚴(yán)格要求。年生產(chǎn)100噸左右的NdFeB生產(chǎn)線通常要消耗60Nm3／h左右的高純氮氣。2磁性材料生產(chǎn)用氮氣的技術(shù)要求從使用著眼，氮氣有四個基本參數(shù)需要注意，即純度、流量、露點和壓力，參數(shù)值因用途不同而異，供需雙方為取得共識，有必要先簡單介紹一下四個技術(shù)參數(shù)的概念。21純度純度是氮氣的一個重要技術(shù)參數(shù)，按國標(biāo)氮氣的純度分為工業(yè)用氮氣、純氮和高純氮三級，它們的純度分別為995％（O2≤05％），9999％（O2≤

5、001％）和99999％（O2≤0001％）。22流量它是指氣體流動過程中，單位時間內(nèi)通過任一截面的氣體量。流量有兩種方式來表示，即體積流量和質(zhì)量流量。前者指通過管路任一截面的氣體體積，后者為通過的氣體質(zhì)量，在氣體工業(yè)中一般均采用體積流量以m3／h（或L／h）為度量單位。因氣體體積與溫度、壓力和濕度有關(guān)，為便于比較通常所說的體積流量是指標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)（溫度為20℃，壓力為0101MPa，相對濕度為65％）而言，此時的流量以Nm3／h為單位，“

6、N”即表示標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)。23壓力壓力有表壓和絕對壓力之分，工程上把大于大氣壓力并以大氣壓力為起點（零點）來表示的壓力稱為“表壓”，把壓力為零時稱為“絕對壓力”，在氣體行業(yè)33現(xiàn)場制氮現(xiàn)場制氮是指氮氣用戶自購制氮設(shè)備制氮，目前國內(nèi)外，工業(yè)規(guī)模制氮有三類：即深冷空分制氮、變壓吸附制氮和膜分離制氮。331深冷空分制氮它是一種傳統(tǒng)的空分技術(shù)，已有九十余年的歷史，它的特點是產(chǎn)氣量大，產(chǎn)品氮純度高，無須再純化便可直接應(yīng)用于磁性材料，但它工藝流程復(fù)雜，占

7、地面積大，基建費用高，需專門的維修力量，操作人員較多，產(chǎn)氣慢（18～24h），它適宜于大規(guī)模工業(yè)制氮，氮氣成本在07元／m3左右。332變壓吸附制氮與氮氣純化裝置相組合變壓吸附（PressureSwingAdsption，簡稱PSA）氣體分離技術(shù)是非低溫氣體分離技術(shù)的重要分支，是人們長期來努力尋找比深冷法更簡單的空分方法的結(jié)果。七十年代西德埃森礦業(yè)公司成功開發(fā)了碳分子篩，為PSA空分制氮工業(yè)化鋪平了道路。三十年來該技術(shù)發(fā)展很快，技術(shù)日趨

8、成熟，在中小型制氮領(lǐng)域已成為深冷空分的強有力的競爭對手。變壓吸附制氮是以空氣為原料，用碳分子篩作吸附劑，利用碳分子篩對空氣中的氧和氮選擇吸附的特性，運用變壓吸附原理（加壓吸附，減壓解吸并使分子篩再生）而在常溫使氧和氮分離制取氮氣。變壓吸附制氮與深冷空分制氮相比，具有顯著的特點：吸附分離是在常溫下進行，工藝簡單，設(shè)備緊湊，占地面積小，開停方便，啟動迅速，產(chǎn)氣快（一般在30min左右），能耗小，運行成本低，自動化程度高，操作維護方便，撬裝方

9、便，無須專門基礎(chǔ)，產(chǎn)品氮純度可在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，產(chǎn)氮量≤2000Nm3／h。但到目前為止，除美國空氣用品公司用PSA制氮技術(shù)，無須后級純化能工業(yè)化生產(chǎn)純度≥99999％的高純氮外（進口價格很高），國內(nèi)外同行目前一般用PSA制氮技術(shù)只能制取氮氣純度為999％的普氮（即O2≤01％），個別企業(yè)可制取9999％的純氮（O2≤001％），純度更高從PSA制氮技術(shù)上是可能的，但制作成本太高，用戶也很難接受，所以用非低溫制氮技術(shù)制取高純氮還必須加后

10、級純化裝置。氮氣純化方法（工業(yè)規(guī)模）目前有三種：（1）加氫除氧法。在催化劑作用下，普氮中殘余氧和加入的氫發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水，其反應(yīng)式：2H2＋O2＝2H2O，再通過后級干燥除去水份，而獲得下列主要成份的高純氮：N2≥99999％，O2≤510－6，H2≤150010－6，H2O≤10710－6。制氮成本在05元／m3左右。（2）加氫除氧、除氫法。此法分三級，第一級加氫除氧，第二級除氫，第三級除水，獲得下列組成的高純氮：N2≥99999％