분말 야금용 소재 - 철분말

분말 야금의 기본 원료인 금속 분말 제조 산업도 제품 구조를 적극적으로 조정해 왔습니다. 분말 생산량은 꾸준히 증가했고 품질은 더욱 향상되었으며 종류도 다양해졌습니다. 초미세 철분은 분말 야금 산업의 기본 원료 중 하나입니다. 비표면적과 활성이 크기 때문에 전기, 자기, 광학, 촉매, 흡착 및 화학 반응과 같은 특수한 특성을 지닙니다.

따라서 초미세 철분은 용도가 매우 다양하며, 주로 분말 야금, 기계 부품 제조, 마찰 재료, 내마모 재료, 초경질 재료, 자성 재료, 윤활제 및 기타 제품의 생산에 사용됩니다. 또한 초미세 철분은 화학 산업, 절삭, 발열 재료, 용접봉 등에도 널리 사용됩니다. 최근에는 전자기학, 생물학, 의학, 광학, 야금 등 다양한 분야에서도 철분의 응용 전망이 밝습니다.

철분의 생산 방법:

1. 선철분: 주철 또는 금속 가공 산업에서 남은 재료를 분쇄하여 만듭니다. 탄소 함량은 약 2-4%입니다. 철의 합금 분말이며 일반적으로 하수 처리 산업에서 사용됩니다. 갈바니 전지 반응을 이용해 하수를 탈색합니다.
2. 환원철분: 환원철분은 화학적 환원법으로 생산됩니다. 즉, 제강 과정에서 생성된 산화철을 일산화탄소로 환원합니다. 이 방법으로 생산된 원소 철분을 "환원철분"이라고 합니다. 우수한 공극 구조와 스펀지 같은 미세 구조를 가지므로 "스펀지 철분"이라고도 합니다. 철 함량은 일반적으로 96.0% 이상입니다. 화학적 환원, 분말 야금 및 기타 산업에 사용할 수 있지만 산화철 함량이 높기 때문에 압축 성형 제품의 밀도는 일반적으로 5.8g/cm3에 불과하고 경도가 비교적 높아 재가공이 어렵습니다.
3. 전해 철분    황산철 수용액에서 고철을 전기분해하여 생산한 고순도 철을 "전해 철분"이라고 합니다. 이 원소 철분은 순도가 매우 높고 입자가 매우 미세하며 형태가 불규칙하고 표면적이 큽니다. 연구에 따르면 이 원소 철분은 모든 종류의 철분 중 화학적 활성과 인체 흡수율이 가장 높습니다. 그러나 생산 비용이 높아 널리 보급하기 어렵습니다.
4. 하이드록실 철분    하이드록실 철분은 철과 하이드록실기가 결합해 형성된 Fe-OH 화합물입니다. 물리적 특성은 구형 입자입니다. 모든 종류의 원소 철분 중 입자가 가장 작지만 공극 밀도가 매우 낮습니다. 산업의 탈황 공정에 사용할 수 있으며 탈황 효과가 우수합니다. 특정 상황에서는 ZnO를 대체할 수 있습니다. 비용은 ZnO보다 낮고 탈황 효과는 더 좋습니다. 그러나 생산 비용이 높아 아직 널리 사용되지는 않습니다.
5. 분무 철분
(1) 물 분무 철분: 저탄소강 용탕 물 분무법과 QMP법의 두 가지 생산 공정으로 나뉩니다.
(2) 고압 가스를 사용해 용철의 물 흐름에 충격을 가하지만, 가스 분무 철분은 철분이 추가로 산화됩니다. 분무 냉각 후에는 탈산 및 완제품화를 위해 다시 환원해야 합니다. 물 분무 철분과 비교하면 가스 분무 철분에는 환원 공정이 하나 더 필요합니다. 현재는 대부분 물 분무 철분이 사용됩니다.

그렇다면 철분은 어떤 종류의 화물이며, 어떤 위험 특성이 있을까요?
해상 운송 중에는 어떤 주의사항을 지켜야 할까요? 함께 살펴보겠습니다. 위험물 운송에서 말하는 환원철분은 주로 원소 철을 함유한 회색 또는 검은색 분말로, 입자 크기는 일반적으로 1mm 미만이며 흔히 "이중 흡수제"라고 불립니다. 일반적으로 고체 또는 기체 환원제(코크스, 목탄, 무연탄, 수성 가스, 개질 천연가스, 분해 암모니아, 수소 등)를 사용해 산화철(사산화삼철, 철 정광 등)을 환원하여 제조합니다. 입자 크기에 따라 조분, 중분, 미분, 초미분 및 극초미분의 5등급으로 나뉩니다. 입자 크기가 150-500μm인 철분은 조분, 44-150μm는 중분, 10-44μm는 미분, 0.5-10μm는 초미분, 0.5μm 미만은 극초미분입니다.

환원철분의 주요 용도는 다음과 같습니다. ① 분말 야금 제품의 원료로 사용되며, 소비량은 전체 철분 소비량의 약 60-80%를 차지합니다. ② 용접봉의 원료로 사용됩니다. 피복재에 철분을 10-70% 첨가하면 용접봉의 용접 공정을 개선하고 용착 효율을 크게 높일 수 있습니다. ③ 화염 절단용 분사제로 사용됩니다. 철강 제품을 절단할 때 철분을 산소-아세틸렌 화염에 분사하면 절단 성능을 향상시키고 절단 가능한 강종의 범위를 넓히며 절단 가능한 두께를 늘릴 수 있습니다. ④ 유기 화학 합성의 환원제, 복사기 잉크의 담체 등으로도 사용할 수 있습니다. 환원성과 흡착성을 이용해 산업 고형 폐기물과 산업 폐수를 처리하며, 신에너지 산업의 리튬 배터리 재료 생산 공정에도 널리 사용됩니다.

환원철분의 생산 공정
환원철분은 일반적으로 철광석 환원법과 분무법으로 생산됩니다.
1. 철광석 환원법은 일반적으로 고온 조건에서 수소 또는 일산화탄소 기류 속의 산화철을 환원하여 생성합니다. 이 공정으로 생산된 환원철분은 입자가 불규칙하고 유동성이 낮으며 압축성이 떨어지지만 가격이 저렴해 구조 부품, 용접봉, 금속 절삭 등 대규모 용도에 자주 사용됩니다. 순도 요구 사항에 따라 1차 환원철분(직접 환원철분)과 2차 환원철분으로 나뉩니다.
2. 분무법(물 분무, 가스 분무)에서는 가스 분무와 물 분무가 가장 널리 사용됩니다. 철분을 분무할 때 철 금속 원료를 먼저 용융시킨 후(일반적으로 100~150℃ 과열), 노즐을 통과하며 고속 기류 또는 물 흐름과 만나면 미세한 액적 상태로 분무합니다. 분무된 액적은 밀폐된 분무 실린더 안에서 빠르게 응고되어 환원철분이 됩니다.

분무 철분의 생산 공정에는 불순물이 혼입되지 않아 순도가 높고 압축성이 우수하며, 입자 형태와 입자 크기를 제어할 수 있습니다. 따라서 고밀도 기계 부품과 같이 높은 성능이 요구되는 분야에 자주 사용됩니다. 철분의 주요 위험은 자기 발열입니다. 환원철분은 물 또는 공기와 쉽게 반응해 열을 방출하고 자기 발열합니다. 자기 발열 반응은 실온에서는 매우 느리지만, 온도가 200℃ 이상에 이르면 반응 속도가 크게 빨라져 많은 열과 수소가 발생합니다. 주변 온도가 계속 상승하거나 수분이 많으면 쉽게 자연 발화할 수 있습니다. 화물창에 물이나 습한 수증기가 있으면 환원철분이 물과 반응해 수소와 열을 방출하기 쉽고, 수소와 공기의 부피 비율이 4%를 초과하면 격렬한 폭발이 발생할 수 있습니다. 특히 염수와 접촉하거나 해수에 닿으면 반응이 더욱 심해집니다.

가연성 환원철분은 적절한 조건에서 공기 중 산소와 반응하여 발화 및 연소하고 많은 열을 방출합니다. 환원철분 입자는 비표면적이 크고 활성이 높습니다. 입자 크기가 작아질수록 위험성은 증가합니다. 생산 과정에서는 가장 작은 철분 입자를 1~5미크론까지 가공할 수 있습니다. 일반적으로 -200메시(75미크론 미만)는 더 위험하고 쉽게 연소됩니다.

흡입 위험: 환원철분의 생산 및 보관 단계에서 주요 위험은 흡입입니다. 짧은 시간 동안 과도한 철분 또는 산화철 연무와 분진을 흡입하면 호흡기를 자극해 인두염, 기침, 호흡 곤란, 쇠약, 피로, 오한, 발한, 근육통 및 관절통을 유발할 수 있습니다. 장기간 노출되거나 과도하게 흡입하면 폐, 비장 및 림프계에 철이 침착될 수 있으며, 분진을 흡입하면 폐에 색소 반점이 생길 수 있습니다. 따라서 환원철분을 생산하거나 장기간 사용하는 경우, 환원철분을 생산 및 사용하는 밀폐된 장소에는 반드시 집진 및 배기 시스템을 설치해야 하며 개인은 완전한 호흡 보호 장비를 착용해야 합니다.