CN106222472A - 一种低碳高氮钒氮合金制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低碳高氮钒氮合金的制备方法，该方法采用向由含钒氧化物、碳化剂、催化剂、粘结剂、氮化促进剂并制成坯料，对坯料加热，使氮化促进剂气化或者分解产生气体，在坯料中形成纵横交错的微观孔洞或通道，氮化反应中的氮通过这些孔洞或通道进入到坯料内部参与反应，使氮化反应更加完全，氮含量大幅增加；本发明从钒氮合金的碳化、氮化机理入手，通过在配料中添加氮化促进剂，解决了加速碳化、强化氮化的难题，与现有技术相比，显著提高了钒氮合金的氮含量，降低了钒氮合金的综合生产成本和能耗；再则，改变装坯操作，便于气体的释放和进入过程，提高反应效果。

Description

一种低碳高氮钒氮合金制备方法

技术领域

本发明属于钢铁冶金技术领域，涉及一种炼钢生产过程中添加的低碳高氮钒氮合金的制备方法。

背景技术

80%-90%的钒用于钢铁工业，其主要原因是钒同碳、氮反应形成难熔的碳、氮化物，这些化合物在钢中能起沉淀硬化和晶粒细化的作用。因此，碳化钒、氮化钒组成的钒氮合金在含钒钢生产中起着日趋重要的作用。钒氮合金可用于结构钢、工具钢、管道钢、钢筋、普通工程钢以及铸铁中。已有的研究表明：钒氮合金添加于钢中能提高钢的耐磨性、耐腐蚀性、韧性、强度、延展性和硬度以及抗热疲劳性等综合机械性能，并使钢具有良好的可焊接性能，而且能起到消除夹杂物延伸等作用。在低合金高强度钢中直接添加钒氮合金与使用钒铁相比有如下优点：比钒铁更有效地起沉淀强化和细化晶粒；降低钒的加入成本～40%；有利于钒和氮的综合利用，显著提高钢材的综合机械性能。钒氮合金化钢筋比普通钢筋用量减少14%左右。钒氮合金化在非调质钢和薄板坯连铸连轧高强度带钢中得到广泛的应用，并且钒氮合金化与TMCP工艺相结合在我国高强度H型钢生产中已得到应用。

目前，钒氮合金大多采用钒氧化物加石墨还原氮化的方式生产，采用此种方式生产的钒氮合金存在着产品质量波动较大，工艺不稳定造成碳含量过高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种低碳高氮钒氮合金的制备方法，在现有技术的基础上，从氮化反应的过程进行研究，解决反应产生气体的排出与参与反应气体的进入问题，并通过在配料中配加氮化促进剂来强化碳化、氮化的动力学条件，促进碳化反应与氮化反应，最终达到提高钒氮合金的氮含量，得到含氮稳定以及氮含量更高的钒氮合金产品的目的。

本发明采用的技术方案是：

一种低碳高氮钒氮合金的制备方法，其特征在于包含以下步骤：

S1 原料研磨

将含钒氧化物采用雷蒙磨研磨成细度为100~200目的粉末状，将石墨采用雷蒙磨研磨成细度为30~60目的粉末；

S2 配料混合

按照含钒氧化物：粘接剂：催化剂：碳化剂：固氮剂：氮化促进剂=100：0.5~2：0.5~1.5：25~35：0.5~2：0.5~1的重量比将上述原料加入到搅拌机内，进行搅拌混合，得到混合均匀的混合料， 70~80°干燥处理12h备用；

S3 压坯陈化

采用制坯机将上一步骤中得到的混合料压制成扁球状的坯料，然后置于通风阴凉环境中进行陈化处理，陈化时间7d；

S4 装坯

将上一步骤中的坯料均匀放置在呈笼屉结构石墨坩埚内，上下两层坯料之间的间隙为3~5cm，同层相邻两个坯料之间的间隙为1~3cm；

S5 烧制

将装有坯料的石墨坩埚放入煅烧窑内，先升温至200~300℃，保温10~12h，然后向煅烧窑内通入氮气，保持煅烧窑内的气压控制在0.1~0.5MPa，升温至650~660℃，保温4~5h，然后继续升温至1200~1250℃，保温4~5h；

S6 降温冷却

停止加热，持续向煅烧窑内通入氮气，自然冷却至100℃以下后，移出煅烧窑得到钒氮合金。

进一步地，所述含钒氧化物为三氧化二钒、四氧化二钒、五氧化二钒以及偏钒酸铵、多钒酸铵中的一种或多种混合物。

进一步地，所述含钒氧化物为五氧化二钒。

进一步地，所述粘接剂为为面粉、木薯粉、纸浆废液、糖浆、聚乙烯醇中的一种或多种混合物。

进一步地，所述催化剂为氧化铁粉、铁粉、钒铁粉、钒粉中的一种或多种混合物。

进一步地，所述的碳化剂由电极石墨、鳞片石墨和炭黑组成，其中，电极石墨的重量百分比为30~60%，鳞片石墨的重量百分比为20~40%，炭黑的重量百分比为10~30%。

进一步地，所述固氮剂为氟化钙、碳酸钙、氯化钙中的一种或多种混合物。

进一步地，所述氮化促进剂为为硫酸铵、硫酸氢铵、碳酸铵、碳酸氢铵、硝酸铵、氯化铵、多钒酸铵、偏钒酸铵；重油、轻油、碳酸亚铁中的一种或多种混合物，在500℃下，氮化促进剂受热发生分解，在坯料上纵横交错的通道或者孔洞，这些通道活或孔洞成为后续气体进出的路径。

进一步地，所述步骤S4中采用的石墨坩埚由底面封闭的圆柱型的底座和若干个底面封闭的圆柱型的托盘组成，在所述底座和托盘上开有若干通气孔，在所述底座侧壁顶部以及托盘侧壁的顶部和底部设有配合的台阶使得托盘能够叠放在底座上，所述底座和托盘的深度为5~10cm，使得装坯操作简单快捷，坯料排列整齐有序，便于气体排放和进入。

进一步地，所述步骤S4中采用的石墨坩埚有坩埚本体和放置在坩埚本体内的若干个隔板且在坩埚本体和隔板上开有开头若干个通气孔，在所述隔板的边缘下方设有均匀设有若干个支撑块且支撑块的高度为5~10cm，使得装坯操作简单快捷，坯料排列整齐有序，便于气体排放和进入。

本发明的有益效果是：

与现有技术相比，通过在配料中添加氮化促进剂，改善和强化了碳化、氮化的动力学条件，解决了用现有方法生产含氮合金氮含量低且不稳定的问题；采用氮化促进剂具有制作简单，价格低廉等优点；本发明的制备成本和能耗都很低，可实现高含氮量的含氮合金的规模化制取，满足市场对高含氮量产品的需要。同时，在本发明中装坯过程，相比于传统的凌乱堆放，在本发明中坯料排列有序，利用坯料中气体挥发，氮气将坯料包裹，利于氮化反应过程。

附图说明

图1是本发明工艺流程示意图。

图2是本发明中石墨坩埚装配结构示意图。

图3是发明中石墨坩埚另一结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的及技术方案的优点更加清楚明白，以下结合附图及实例，对本发明进行进一步详细说明。

附图1所示，一种低碳高氮钒氮合金的制备方法，包含以下步骤：

S1 原料研磨

将含钒氧化物采用雷蒙磨研磨成细度为100~200目的粉末状，将石墨采用雷蒙磨研磨成细度为30~60目的粉末；

S2 配料混合

按照含钒氧化物：粘接剂：催化剂：碳化剂：固氮剂：氮化促进剂=100：0.5~2：0.5~1.5：25~35：0.5~2：0.5~1的重量比将上述原料加入到搅拌机内，进行搅拌混合，得到混合均匀的混合料， 70~80°干燥处理12h备用；

S3 压坯陈化

采用制坯机将上一步骤中得到的混合料压制成扁球状的坯料，然后置于通风阴凉环境中进行陈化处理，陈化时间7d；

S4 装坯

将上一步骤中的坯料均匀放置在呈笼屉结构石墨坩埚内，上下两层坯料之间的间隙为3~5cm，同层相邻两个坯料之间的间隙为1~3cm；

S5 烧制

将装有坯料的石墨坩埚放入煅烧窑内，先升温至200~300℃，保温10~12h，然后向煅烧窑内通入氮气，保持煅烧窑内的气压控制在0.1~0.5MPa，升温至650~660℃，保温4~5h，然后继续升温至1200~1250℃，保温4~5h；

S6 降温冷却

停止加热，持续向煅烧窑内通入氮气，自然冷却至100℃以下后，移出煅烧窑得到钒氮合金。

如附图2所示，所述步骤S4中采用的石墨坩埚由底面封闭的圆柱型的底座和若干个底面封闭的圆柱型的托盘2组成，在所述底座1和托盘2上开有若干通气孔3，在所述底座1侧壁顶部以及托盘2侧壁的顶部和底部设有配合的台阶4使得托盘2能够叠放在底座1上，所述底座1和托盘2的深度为5~10cm。

石墨坩埚还可以采用另一种结构。如附图3所示，所述步骤S4中采用的石墨坩埚有坩埚本体5和放置在坩埚本体5内的若干个隔板6且在坩埚本体5和隔板6上开有开头若干个通气孔3，在所述隔板6的边缘下方设有均匀设有若干个支撑块7且支撑块的高度为5~10cm。

实施例一

采用的原料为五氧化二钒100kg，聚乙烯醇0.5kg，铁粉0.5kg，电极石墨15kg，鳞片石墨2.5kg，炭黑7.5kg，氟化钙0.5kg，硫酸铵0.5kg，钒氮合金含氮量15.5%，含炭量5.1%。

实施例二

采用的原料为偏钒酸铵100kg，面粉2kg，氧化铁粉1.5kg，电极石墨10.5kg，鳞片石墨14kg，炭黑10.5kg，氯化钙2kg，碳酸铵15kg，钒氮合金含氮量15.7%，含炭量4.8%。

实施例三

采用的原料为五氧化二钒50kg，多钒酸铵50kg，聚乙烯醇1.5kg，铁粉1.2kg，电极石墨9kg，鳞片石墨12kg，炭黑9kg，氟化钙1.3kg，硫酸铵0.8kg，钒氮合金含氮量16.0%，含炭量4.9%。

Claims (10)

1.一种低碳高氮钒氮合金的制备方法，其特征在于包含以下步骤：

S1 原料研磨

将含钒氧化物采用雷蒙磨研磨成细度为100~200目的粉末状，将石墨采用雷蒙磨研磨成细度为30~60目的粉末；

S2 配料混合

按照含钒氧化物：粘接剂：催化剂：碳化剂：固氮剂：氮化促进剂=100：0.5~2：0.5~1.5：25~35：0.5~2：0.5~1的重量比将上述原料加入到搅拌机内，进行搅拌混合，得到混合均匀的混合料， 70~80°干燥处理12h备用；

S3 压坯陈化

采用制坯机将上一步骤中得到的混合料压制成扁球状的坯料，然后置于通风阴凉环境中进行陈化处理，陈化时间7d；

S4 装坯

将上一步骤中的坯料均匀放置在呈笼屉结构石墨坩埚内，上下两层坯料之间的间隙为3~5cm，同层相邻两个坯料之间的间隙为1~3cm；

S5 烧制

将装有坯料的石墨坩埚放入煅烧窑内，先升温至200~300℃，保温10~12h，然后向煅烧窑内通入氮气，保持煅烧窑内的气压控制在0.1~0.5MPa，升温至650~660℃，保温4~5h，然后继续升温至1200~1250℃，保温4~5h；

S6 降温冷却

停止加热，持续向煅烧窑内通入氮气，自然冷却至100℃以下后，移出煅烧窑得到钒氮合金。

2.根据权利要求1所述的一种低碳高氮钒氮合金的制备方法，其特征在于：所述含钒氧化物为三氧化二钒、四氧化二钒、五氧化二钒以及偏钒酸铵、多钒酸铵中的一种或多种混合物。

3.根据权利要求2所述的一种低碳高氮钒氮合金的制备方法，其特征在于：所述含钒氧化物为五氧化二钒。

4.根据权利要求1所述的一种低碳高氮钒氮合金的制备方法，其特征在于：所述粘接剂为为面粉、木薯粉、纸浆废液、糖浆、聚乙烯醇中的一种或多种混合物。

5.根据权利要求1所述的一种低碳高氮钒氮合金的制备方法，其特在于：所述催化剂为氧化铁粉、铁粉、钒铁粉、钒粉中的一种或多种混合物。

6.根据权利要求1所述的一种低碳高氮钒氮合金的制备方法，其特征在于：所述的碳化剂由电极石墨、鳞片石墨和炭黑组成，其中，电极石墨的重量百分比为30~60%，鳞片石墨的重量百分比为20~40%，炭黑的重量百分比为10~30%。

7.根据权利要求1所述的一种低碳高氮钒氮合金的制备方法，其特征在于：所述固氮剂为氟化钙、碳酸钙、氯化钙中的一种或多种混合物。

8.根据权利要求1所述的一种低碳高氮钒氮合金的制备方法，其特征在于：所述氮化促进剂为为硫酸铵、硫酸氢铵、碳酸铵、碳酸氢铵、硝酸铵、氯化铵、多钒酸铵、偏钒酸铵；重油、轻油、碳酸亚铁中的一种或多种混合物。

9.根据权利要求1所述的一种低碳高氮钒氮合金的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中采用的石墨坩埚由底面封闭的圆柱型的底座（1）和若干个底面封闭的圆柱型的托盘（2）组成，在所述底座（1）和托盘（2）上开有若干通气孔（3），在所述底座（1）侧壁顶部以及托盘（2）侧壁的顶部和底部设有配合的台阶（4）使得托盘（2）能够叠放在底座（1）上，所述底座（1）和托盘（2）的深度为5~10cm。

10.根据权利要求1所述的一种低碳高氮钒氮合金的制备方法，其特征在于：所述步骤S4中采用的石墨坩埚有坩埚本体（5）和放置在坩埚本体（5）内的若干个隔板（6）且在坩埚本体（5）和隔板（6）上开有开头若干个通气孔（3），在所述隔板（6）的边缘下方设有均匀设有若干个支撑块（7）且支撑块的高度为5~10cm。