CN102888548A - 一种氮化硅钒及其生产方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种氮化硅钒合金，其组成为：钒52~55wt%，氮13~15wt%，硅6%~10wt%，余量为铁和不可避免的杂质，并且钒和氮的质量比为3.6-4.5。所述的氮化硅钒合金可以通过高温自蔓延反应制备得到。本发明所述的氮化硅钒合金通过在合金中添加和控制元素硅的含量，并控制作为主要元素的钒和氮的含量及其比例，显著提高了其吸收率及其稳定性，而且是目前最节钒的钒系微合金，具有优异的市场竞争力。

Description

一种氮化硅钒及其生产方法

技术领域

本发明属于铁合金制备技术领域，更具体的说，本发明涉及一种氮化硅钒及其生产方法。 

背景技术

钢的合金化通常以锰系、硅系为主；微合金是指在主铁合金的基础上再添加微量的铌、钒、钛等碳氮物形成元素的铁合金，广泛应用生产高强度钢筋、低合金高强度钢、管线钢、H型钢、中厚板等。 

微合金一般具有以下特征：（1）添加的碳氮化物形成元素，在钢的加热和冷却过程中通过“溶解—析出”行为强化钢的力学性能；（2）加入量很少，钢的强化机制主要是细晶强化和沉淀强化；（3）钢的微合金化和控轧控冷技术相辅相成，是微合金化钢设计和生产的重要前提。 

大量钒氮微合金化钢工业规模应用表明：增加氮含量能提高钢的屈服强度，主要原因在于钢中氮含量的增加能够降低析出相长大的趋势，从而能够使得析出相颗粒变细，从而充分发挥钒在钢中的强化作用。在高强度低合金钢中，氮化钒铁的使用可以有效强化和细化晶粒。 

现有技术中钒系微合金主要有钒铁（FeV50、FeV80）、钒氮合金（V78N12）、氮化钒铁（FeV55N11、FeV45N9）三大类。 

目前，钒氮合金和氮化钒铁已成为高强度钢筋普遍采用的微合金化工艺。当前我国钢筋的年产量约1.3亿吨，其中45%为400 MPa以上高强钢筋。国家钢铁工业十二五规划中提出推动产品升级，高强度钢筋使用比例要超过80%的目标。按80%的比例预测400MPa以上高强钢筋年产量1.2亿以上，按微合金平均耗量0.5kg/t，仅高强钢筋新增微合金需求约3万吨/年。面对如此巨大的微合金需求，我国冶金工作者必须高度关注微合金发展战略，扬长避短，依托钒资源优势发展钒系微合金。牢固树立发展节钒微合金的技术路线，开发更为经济和节钒的钒系微合金迫在眉睫。 

中国发明专利ZL200510031680.4公开了一种氮化钒铁合金，其成分为：含47-81%的钒，8-16%的氮，4-44%的铁，1.50%以下的硅，1%以下的铁，0.50%以下的锰；所得产品质量稳定，收得率较高；但是其中的钒含量大而且钒氮比高，不能有效发挥其中钒、氮的综合强化效果。 

中国发明201110000948公开了一种氮化硅钒铁，其成分为：15~50%的钒、10~40%的硅、8~30％的氮、4~30%的铁、1%以下的碳、0.01%以下的铝、0.05%以下的硫、0.05%以下的磷。所得产品容易粉化，收得率不稳定。 

发明内容

针对现有技术存在上述不足之处，本发明的目的在于提供了一种氮化硅钒合金，其通过在合金中添加和控制元素硅的含量，并控制作为主要元素的钒和氮的含量及其比例关系得到了一种产品质量稳定、钒的收得率高、利用率高的氮化硅钒合金。  

为了解决上述技术问题并实现上述目的，本发明的第一方面在于提供一种氮化硅钒合金，其组成为：钒52~55 wt%，氮13~15 wt%，硅6%~10wt%，余量为铁和不可避免的杂质，并且其中钒和氮的质量比为3.6-4.5。 

优选地，所述的氮化硅钒合金，其组成为：钒52.5~53.5wt%，氮13.0~14.5wt%，硅6%~9wt%，余量为铁和不可避免的杂质，并且其中钒和氮的质量比为3.6-4.5。 

优选地，所述的氮化硅钒合金，其组成为：钒55 wt%，氮15 wt%，硅10wt%，余量为铁和不可避免的杂质。 

优选地，所述的氮化硅钒合金，其组成为：钒53.0 wt%，氮13.0 wt%，硅6.9wt%，余量为铁和不可避免的杂质。 

本发明的第二方面在于提供一种所述氮化硅钒合金的生产方法，该方法以钒铁、硅铁以及氮气为原料，将钒铁以及硅铁破碎球磨并按照质量配比进行配料和混料，然后在高压反应器中充入6-10MPa的氮气，启动点火装置引燃原料进行合成反应得到所述的氮化硅钒合金。 

其中，所述的原料为钒铁FeV80，钒铁FeV50，硅铁FeSi70，氮气的纯度为99.999%。 

其中，破碎球磨过程中以纯度为99.999%的氮气作为保护气体，并且将钒铁球磨至粒度达到60目以上，硅铁球磨至粒度达到80目以上。 

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果： 

（1）本发明通过添加适量的硅以及控制钒和氮的含量比制备得到的氮化硅钒合金吸收率高而且稳定，从吸收率上比较，其与氮化钒铁基本一致，能稳定的达到95%以上，并且比其它钒系合金高约5%。 

（2）工业对比试验表明：同比其它钒系微合金化和铌微合金化成本（均按目前市场价格和对应单耗计算），氮化硅钒是目前最为经济的微合金化工艺。 

（3）钒氮合金、氮化钒铁和氮化硅钒的单耗折合FeV50对应分别为0.86 kg/t、0.70 kg/t、0.61 kg/t，以FeV50为基数计算节钒率对应分别为46.25%，56.25%，62.19%，故氮化硅钒的钒氮综合强化效果最显著，是目前最节钒的钒系微合金。 

具体实施方式

本发明所述的氮化硅钒合金的组成为：钒52~55 wt%，氮13~15 wt%，硅6%~10wt%，余量为铁和不可避免的杂质，并且其中钒和氮的质量比为3.6-4.5。优选地，所述钒和氮的质量比为3.8-4.2。实验研制表明：当所述的氮化硅钒合金中添加6%以上的硅的时候，可以降低合金中钒与氮的质量配比，从而最大限度的发挥钒氮的综合强化效果。但是当Si的含量大于10%的时候，虽然可降低V/N比，但制备得到的氮化硅钒合金质地松散，容易出现严重的粉化现象；同时，由于比重小，在微合金化过程中不容易穿过钢渣层（比重约为3.0）。粉化和比重小将导致收得率极不稳定，必将造成不必要的浪费，达不到最经济和节钒的使用效果甚至无法正常使用。 

本发明所述的氮化硅钒合金可以通过自蔓延高温合成工艺生产，其主要按照：原料准备—原料球磨—配料以及混料—装料—高温自蔓延合成—冷却—破碎—筛分—成品检验—包装的工艺步骤制备得到。为了控制氮化硅钒合金中的杂质含量以及各组分的含量在规定的范围之内，需要对原料的主元素品位进行分析和控制，另外选择的氮气的纯度应高于99.999%。另外在蔓延合成工艺中需要调节和保持氮气的压力在8-10MPa，并且监控氮化硅钒合金中氮的含量。 

本发明的具体实施方式以40L高温自蔓延反应器为例，介绍本发明所述的自蔓延高温生产方法的工艺，其包括以下工艺步骤： 

1）原料及其品位：钒铁FeV80（钒品位约80%），钒铁FeV50（钒品位约51%），硅铁FeSi70（硅品位约70%），高纯氮气（纯度99.999%）； 

2）原料球磨：高纯氮气保护的条件下将FeV80、FeV50 球磨至60目-200目，硅铁球磨至80目-200目，并分析其中铁、钒以及硅的元素品位； 

3）配料及混料：根据主元素品位按计算模型，按所需的配比计算FeV80、FeV50以及FeSi75配料比例，并利用混料机混合均匀； 

4）装料及计重：将混合均匀的原料装入高温自蔓延反应器中，装料量为16.0kg；将高温自蔓延反应器抽真空至10^-2 Pa，充入高纯氮气。 

5）高温自蔓延合成：高温自蔓延反应器充高纯氮气达到6MPa后点火，钒铁粉和硅铁粉的渗氮反应所产生的化学热在自加热和自传导作用下向尚未反应的区域传播，直至反应完全停止；高温自蔓延合成时，保持高温自蔓延反应器内相对压力为6-10 MPa可调，合成时间为30-45 min；反应完成以后冷却15min后出炉； 

6）破碎：将合成的氮化硅钒合金破碎至10~50 mm，得到成品。 

本发明所得到的氮化硅钒合金具有特定的V/N比，其质量比为3.6-4.5之间，通常为3.8-4.2之间。所述的氮化硅钒合金的密度为4.4 g/cm ³左右，是目前最经济和节钒的钒系微合金。 

按照上述方法制备实施例1-3以及比较例1-2所述的钒系合金。 

实施例1： 

一种氮化硅钒合金，其组成为：钒53.00 wt%，氮13.00 wt%，硅6.86wt%，余量为铁和不可避免的杂质。 

实施例2： 

一种氮化硅钒合金，其组成为：钒55.00 wt%，氮15.00 wt%，硅9.89wt%，余量为铁和不可避免的杂质。 

实施例3： 

一种氮化硅钒合金，其组成为：钒52.00 wt%，氮13.00 wt%，硅7.58wt%，余量为铁和不可避免的杂质。 

比较例1： 

一种氮化硅钒合金，其组成为：钒50.00 wt%，氮21.00 wt%，硅18.25wt%，余量为铁和不可避免的杂质。 

比较例2： 

一种氮化钒合金，其组成为：钒60.00 wt%，氮16.00 wt%，硅1.32wt%，余量为铁和不可避免的杂质。 

将实施例1-2、比较例1-2以及目前常用的钒系合金生产钢筋HRB400，进行比较，结果如表1所示，可知氮化硅钒是目前最为经济的微合金化工艺。 

表1 不同微合金化工艺生产HRB400E对比 

应用实例 

（1）氮化硅钒微合金化工艺生产余热处理钢筋 

某钢铁公司采用氮化硅钒微合金化工艺试验生产余热处理钢筋HRB400，耗量0.24kg/t（总用量5000kg,生产385炉次约2.08万吨），微合金化成本约30元/t，较原工艺“氮化硅+钒铁”降低微合金化成本约10元/t。按其年产100万吨计算，节约成本约1000万元。  

（2）氮化硅钒微合金化工艺生产抗震钢筋 

某钢铁公司采用氮化硅钒微合金化工艺试验生产抗震钢筋HRB400E，耗量0.55kg/t（总用量2000kg,生产1039炉次约0.36万吨），微合金化成本约66元/t，较原氮化钒铁微合金化工艺降低成本约10.8元/t。按其年产150万吨计算，节约成本约1620万元。 

除非另有定义，本申请文件中所述的所有技术术语和科学术语均为本领域的普通技术人员一般所理解的含义，并且其含义与常用字典或者技术词典中的含义基本一致，除非另有定义，对其内涵不应作缩小或过度扩大其含义的解释。 

虽然具体实施方式部分已经通过具体实施方式对本发明的技术方案进行了详细阐述，但本领域的普通技术人员应当理解可以在不脱离本发明公开的范围以内，可以采用等同替换或 等效变换形式实施。因此，本发明的保护范围并不限于具体实施方式部分的具体实施例，只要没有脱离发明实质的实施方式，均应理解为落在了本发明要求的保护范围之内。 

Claims (8)

1.一种氮化硅钒合金，其特征在于组成为：钒52~55 wt%，氮13~15 wt%，硅6%~10wt%，余量为铁和不可避免的杂质，并且钒和氮的质量比为3.6-4.5。

2.权利要求1所述的氮化硅钒合金，其特征在于所述的钒和氮的质量比为3.8-4.2。

3.权利要求1所述的氮化硅钒合金，其特征在于组成为：钒52.5~53.5wt%，氮13.0~14.5wt%，硅6%~9wt%，余量为铁和不可避免的杂质。

4.权利要求1所述的氮化硅钒合金，其特征在于组成为：钒55 wt%，氮15 wt%，硅10wt%，余量为铁和不可避免的杂质。

5.权利要求1所述的氮化硅钒合金，其特征在于组成为：钒53.0 wt%，氮14.0 wt%，硅6.9wt%，余量为铁和不可避免的杂质。

6.一种权利要求1所述氮化硅钒合金的生产方法，其特征在于以钒铁、硅铁以及氮气为原料，将钒铁以及硅铁破碎球磨并按照质量配比进行配料和混料，然后在高压反应器中充入6-10MPa的氮气，启动点火装置引燃原料进行合成反应得到所述的氮化硅钒合金。

7.权利要求6所述的氮化硅钒合金的生产方法，其特征在于所述的原料为钒铁FeV80，钒铁FeV50和硅铁FeSi70，氮气的纯度为99.999%。

8.权利要求7所述的氮化硅钒合金的生产方法，其特征在于破碎球磨过程中以纯度为99.999%的氮气作为保护气体，并且将钒铁球磨至粒度达到60目以上，硅铁球磨至粒度达到80目以上。