CN106834775A - 一种碳热还原及氮化合成氮化钒铁的方法 - Google Patents

一种碳热还原及氮化合成氮化钒铁的方法 Download PDF

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Abstract

一种采用碳热还原及氮化合成氮化钒铁的方法，根据成分不同分为FeV45N10,FeV55N11,FeV65N13三个牌号，FeV45N10产品为含钒43‑49％，含氮10‑13％,FeV55N11产品为含钒53‑58％，含氮11‑14％,FeV65N13产品为含钒63‑69％，含氮12‑15％,三种牌号的氮化钒铁均为致密块状物，其密度均达到5.0‑6.5g/cm3。本发明直接以钒的氧化物、铁的氧化物或铁单质、粘结剂以及炭质还原剂为主要原料，原料混合、混匀后，压块成型，然后将其放入推板窑中，以氮气气氛保护，依次进入预还原区、中温碳热还原及氮化区，高温烧结区和冷却区四个区域，得到最终氮化钒铁。本发明合成的产品致密性好，氮含量均匀。相比于传统以钒铁制备氮化钒铁的工艺，本产品以钒氧化物为原料直接制备氮化钒铁，能够大幅度缩减工艺流程和成本；产品的强度较大，在运输使用中的磨损率低，损失小。

Description

一种碳热还原及氮化合成氮化钒铁的方法
技术领域
本发明属于铁合金制备领域，具体涉及一种氮化钒铁及其制备的方法。
背景技术
我国是钒资源大国，拥有丰富的含钒页岩资源，总蕴藏量居世界首位。随着我国钢铁行业的快速发展，对于高品质钢种的需求也日益提高，氮化钒铁作为高强度微合金钢的一种重要合金添加剂，其需求量也随之提高。氮化钒铁能够有效地使用氮元素来优化钒的析出状态，增强析出强化和细晶强化的作用，因此能够优化钢的性能。目前研究发现，向钢中加入氮化钒铁合金可以提高钢的强度、韧性、耐磨性、耐腐蚀性以及抗热疲劳性，并使钢材具备优异的可焊接性能。相比于钒铁合金、氮化钒，氮化钒铁能够提高钒的利用，以及回收率，能够减少30％左右的钒加入量，大大降低了高强度微合金钢的成本。
目前生产氮化钒铁的主要方法为固态渗氮法，液态渗氮法和燃烧合成法。前两种方法都是以钒铁合金为原料，在一定温度和压力下通入氮气进行渗氮反应，但是该方法反应时间过长，渗氮量较低，能耗过大，导致生产氮化钒铁流程复杂，成本过高，提高了生产高强度钢种的成本。燃烧合成法生产氮化钒铁，是将钒铁破碎后置于密闭高压容器内，通入高压氮气，利用氮化钒铁放出的热量使钒铁粉氮化，不需要另从外面再补充能源。产品在氮气中冷却，可获得氮含量为8-12％的致密块状产品，但是该工艺同样是基于钒铁为原料，成本自然不低。
发明内容
本发明目的是为了以钒氧化物为原料直接制备氮化钒铁，大幅度缩减工艺流程和成本。
一种碳热还原及氮化合成氮化钒铁铁的方法，其特征在于以钒的氧化物、铁的氧化物或铁、粘结剂以及炭质还原剂为主要原料，将以上所述原料混合后，将其混匀，压块成型，然后将其放入充满氮气气氛的推板窑中进行高温碳热还原及氮化反应，制备获得所述氮化钒铁，合成的氮化钒铁分3个牌号；FeV45N10氮化钒铁包括钒43-49％，氮11-13％，碳0-1％，氧0-1％，余量为Fe；FeV55N11氮化钒铁含钒53-58％，含氮11-14％，碳0-1％，氧0-1％，余量为Fe；FeV65N13氮化钒铁含钒63-69％，含氮12-15％，碳0-1％，氧0-1％，余量为Fe。该产品为致密块状，密度达到5.0-6.5g/cm3，强度高，其他杂质含量能够控制在极低水平。另外，由于本方法直接利用钒氧化物为原料，跳过了制备钒铁的生产过程，能够大大缩短氮化钒铁的生产时间，降低生产成本，提高生产效率。本工艺在生产过程中产生的CO气体可用于发电或供暖，实现能源的二次利用。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种碳热还原及氮化合成氮化钒铁的方法，本发明以钒的氧化物、铁单质或其氧化物、粘结剂以及炭质还原剂为主要原料，将以上所述原料混合后，将其混匀，压块成型，然后将其放入推板窑中，通入氮气气氛，先后经历推板窑的预还原区、中温碳热还原及氮化区，高温烧结区和冷却区四个区域，制备所述氮化钒铁。
进一步地，所述制备氮化钒铁的原料仅有钒的氧化物、铁单质或其氧化物、粘结剂以及炭质还原剂，并无添加其他影响产品品质的原料。其中钒的氧化物包括V2O3、V2O5和VO、偏钒酸铵和多钒酸铵；铁的氧化物包括FeO、Fe2O3和Fe3O4；炭质还原剂包括石墨、炭黑，活性炭、石油焦、焦炭及其它含碳还原剂；粘结剂包括面粉、聚乙烯醇、淀粉、纤维素、糖浆等。
进一步地，所述制备氮化钒铁的方法具体步骤包括：原料配制、混匀及压块成型和推板窑高温反应步骤。
进一步地，所述制备氮化钒铁的方法具体是：以钒的氧化物、铁的氧化物以及炭质还原剂为主要原料，将以上所述原料按一定比例混合后，将其混匀，在10-50MP的压力下压块成型，然后将其放入推板窑中，通入氮气气氛，经历设备的四个反应区域，制备获得所述氮化钒铁。各个区域温度分别为500-650℃、650-1500℃、1500-1600℃和50-200℃，依次对应的时间分别为1h、3h、2h、1h。。
进一步地，所述制备氮化钒铁的反应过程是：先将反应物低温阶段进行预还原处理，反应物还原至低价钒氧化物，以防V2O5挥发损失，然后在中温区域内以碳直接还原反应为主，氮化反应同时进行。其次，在高温阶段，以烧结反应为主，深化脱氧反应，增加产品的氮含量，进一步脱氧、脱碳，提高产品质量。
本发明的有益技术效果：
(1)碳热还原及氮化合成氮化钒铁石在常压下进行的，对设备要求低，投资少，厂房占地面积小。
(2)本工艺合成以钒氧化物为原料，直接合成氮化钒铁，省去目前以钒氧化物制备钒铁合金的流程，且碳热反应和氮化反应快，大大缩短了生产周期，从能源、设备、原料上大大降低了生产成本。
(3)采用该合成工艺得到的氮化钒铁致密度高，比重大，可达5-6.5g/cm3，氮含量分布均匀，FeV45N10成分为含钒43-49％，氮11-13％，碳0-1％，氧0-1％，其余为Fe，FeV55N11产品为含钒53-58％，含氮11-14％，碳0-1％，氧0-1％,FeV65N13产品为含钒63-69％，含氮12-15％，碳0-1％，氧0-1％。国标中对于氧含量并没有严格要求，但是氧含量对于产品品质有着重要的影响，氧含量过高，会降低钒的收得率，使加入的钒部分进入到渣中。
(4)本工艺主要以钒氧化物为原料，纯度高，减少了生产过程中带入的杂质，产品中P、S、Si、Al、Mn含量均处于极低的水平。
(5)该产品与钢水比重接近易溶于钢水，提高了钢水对钒、氮的吸收率，促进了氮对合金元素对钢的强化作用，还可以省去钒的添加量以降低生产成本。
(6)采用该合成工艺得到的氮化钒铁强度大，在运输及使用过程中无破碎。
(7)本合成工艺使用推板窑设备，充分利用该设备优点，反应分为四个温度区域，充分碳热还原降低产品中氧含量，从而提高产品的氮含量。
(8)本工艺在生产过程中会产生CO气体可用于供暖或发电，实现能源的二次利用。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。
相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
实施例1
本发明以V2O5、Fe2O3和活性炭为原料，混匀，压块，将其放入推板窑中，充满氮气气氛，首先将块样推送至650℃预还原区域，保温2h，再推送至1400℃中温碳热还原区域，保温3h，再推送至1600℃高温烧结区域2h，最后将样品推送至冷却区冷却。本实施例得到的FeV45N10氮化钒铁中氮含量为12.08％，碳含量为0.67％。表一为本工艺产品与国标以及美国战略矿物公司来华推广的钒氮合金Nitrovan12的成分比较。从表中我们可以看出，本产品在较低地钒含量的基础下，得到较高的氮含量，成本比美国公司低很多，另外碳含量控制在较低地水平。由于本产品以高纯的钒氧化物为原料，所以Si、Al、P、S等元素的含量均很低，达到国家优级标准。
表一
实施例2
本发明以V2O3、Fe和石墨为原料，混匀，压块，将其放入推板窑中，充满氮气气氛，首先将块样推送至600℃预还原区域，保温2h，再推送至1300℃中温碳热还原区域，保温3h，再推送至1500℃高温烧结区域1h，最后将样品推送至冷却区冷却。本实施例得到的FeV55N11氮化钒铁中氮含量为13.47％，碳含量为0.23％。
实施例3
本发明以NH4VO3、Fe2O3和石墨为原料，混匀，压块，将其放入推板窑中，充满氮气气氛，首先将块样推送至450℃预还原区域，保温2h，再推送至1200℃中温碳热还原区域，保温3h，再推送至1550℃高温烧结区域2h，最后将样品推送至冷却区冷却。本实施例得到的FeV65N13氮化钒铁中氮含量为14.2％，碳含量为0.36。

Claims (7)

1.一种碳热还原及氮化合成氮化钒铁铁的方法，其特征在于以钒的氧化物、铁的氧化物或铁、粘结剂以及炭质还原剂为主要原料，将以上所述原料混合后，将其混匀，压块成型，然后将其放入充满氮气气氛的推板窑中进行高温碳热还原及氮化反应，制备获得所述氮化钒铁，合成的氮化钒铁分3个牌号；FeV45N10氮化钒铁包括钒43-49％，氮11-13％，碳0-1％，氧0-1％，余量为Fe；FeV55N11氮化钒铁含钒53-58％，含氮11-14％，碳0-1％，氧0-1％，余量为Fe；FeV65N13氮化钒铁含钒63-69％，含氮12-15％，碳0-1％，氧0-1％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的一种碳热还原及氮化合成氮化钒铁的方法，其特征在于：产品为致密块状，密度达到5.0-6.5g/cm3。
3.根据权利要求1所述的一种碳热还原及氮化合成氮化钒铁的方法，所述的钒氧化物是V2O3、V2O5、VO2、VO、偏钒酸铵和多钒酸铵。
4.根据权利要求1所述的一种碳热还原及氮化合成氮化钒铁的方法，其特征在于：所述的铁的化合物是Fe、FeO、Fe2O3和Fe3O4；工业生产过程中，直接使用废钢、氧化铁皮、铁屑为原料。
5.根据权利要求1所述的一种碳热还原及氮化合成氮化钒铁的方法，其特征在于：炭质还原剂包括石墨、炭黑、活性炭、石油焦、焦炭。
6.根据权利要求1所述的一种碳热还原及氮化合成氮化钒铁的方法，其特征在于：粘结剂包括面粉、聚乙烯醇、淀粉、纤维素、糖浆。
7.根据权利要求1所述的一种碳热还原及氮化合成氮化钒铁的方法，其特征在于：具体步骤包括：原料配制、混匀及压块成型和推板窑高温反应步骤；采用的合成设备为推板窑，内部充满氮气，将混匀后的原料连续输送至封闭仓进行反应，反应是在常压下进行；该推板窑工作分为4个区域，即预还原区、中温碳热还原及氮化区，高温烧结区和冷却区四个区域；各个区域温度分别为500-650℃、650-1500℃、1500-1600℃和50-200℃，依次对应的时间分别为1h、3h、2h、1h。
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