CN104004934A

CN104004934A - 一种快速制备钒氮合金的方法

Info

Publication number: CN104004934A
Application number: CN201410182615.0A
Authority: CN
Inventors: 张平俊
Original assignee: Sichuan Zhanxiang Special Alloy Technical Ltd Co
Current assignee: Sichuan Zhanxiang Special Alloy Technical Ltd Co
Priority date: 2014-04-30
Filing date: 2014-04-30
Publication date: 2014-08-27

Abstract

本发明公开了一种快速制备钒氮合金的方法，包括以下步骤：S1.配料：称取五氧化二钒粉末、石墨粉、硅酸钠水溶液、铁粉，备用；S2.预处理：将上述原料混合均匀压制成扁球状并干燥；S3.加料：将干燥过的扁球状物料放于石墨料框中，用转载器将其送至真空炉内，密闭真空炉启动真空泵；S4.真空氮化烧结：5小时内使炉内温度达到1400～1500℃后停真空泵，进行深度碳化、氮化反应，反应中持续充氮气；S5.出料：真空处理后，继续充氮，停电冷却真空炉，当温度降至190～210℃，停止供氮，开炉取出石墨料框。本发明方法具有操作简单、生产成本低、工艺控制准确、制备快速、耗能低、产品生产稳定的优点，采用本发明方法制备的钒氮合金氮含量高，且杂质含量低。

Description

一种快速制备钒氮合金的方法

技术领域

本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种快速制备钒氮合金的方法。

背景技术

钒氮合金是一种新型合金添加剂，可以替代钒铁用于微合金化钢的生产，氮化钒添加于钢中能提高钢的强度、韧性、延展性及抗热疲劳性等综合机械性能，并使钢具有良好的可焊性，在达到相同强度下，添加氮化钒节约钒加入量30-40％，进而降低了成本。近年来，由于钒氮微合金化技术明显的技术与经济优势，使得钒氮微合金在高强度钢筋、非调质钢、高强度板带、CSP产品、高强度厚板和厚壁H型钢、无缝钢管、工具钢等产品的研发生产中得到了广泛的应用。尤其是在我国的逐渐推广，钒氮合金化技术的发展也取得了明显的成效。

目前，钒氮合金生产的工业方法多种多样，但从直接原料上来分，主要有两种工艺：第一种是以五氧化二钒加碳质还原剂高温还原氮化合成钒氮合金，如中国专利200710054260.7公开的一种钒氮合金的生产方法，是将五氧化二钒磨细后，加入铁粉、碳粉、粘结剂混合均匀后制成球状物，将球状物送入卧式推板窑内，推板窑内通入氮气，并使窑内始终保持微正压，球状物在窑内进行炭化和氮化反应，炭化反应的温度为1350-1500℃，反应时间2-3.5小时，氮化反应温度为1000-1150℃，反应时间0.5-1.5小时，逐渐冷却至100℃以下出炉；第二种是以三氧化二钒加碳质还原剂高温还原氮化合成钒氮合金，如美国战略矿物公司用V₂O₃、铁粉及碳粉在真空炉内于1350℃下保温60小时得到炭化钒，然后将温度降至1100℃时通入氮气渗氮，并在氮气气氛中冷却，得到含钒78.7％、碳10.5％、氮7.3％的氮化钒。但现有技术生产氮化钒的方法普遍存在以下缺点：反应速度慢，生产周期长，生产率低，能耗高，工艺较复杂，设备的可靠性较低，可控性较差，而且，产品含氮量低，一般氮含量在：7-14％左右，不能称之为高氮氮化钒，杂质含量高，碳含量在：4-10％之间，不能满足客户对产品低碳的要求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种快速制备钒氮合金的方法，该方法以五氧化二钒为原料，石墨粉为还原剂、铁粉为催化剂、硅酸钠水溶液为粘结剂，采用氮化烧结法在真空炉中生产钒氮合金，具有操作简单、生产成本低、工艺控制准确、制备快速、耗能低、产品生产稳定的优点，采用本发明方法制备的钒氮合金氮含量高，且杂质含量低。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：一种快速制备钒氮合金的方法，它包括以下步骤：

S1.配料：称取下述重量份的原料，备用；

五氧化二钒粉末：90～110；石墨粉：20～30；

硅酸钠水溶液：5～10；铁粉：1～1.5；

S2.预处理：将上述原料放入搅拌机中混合均匀，之后放入对辊式压球设备中，将物料压制成扁球状，放入烘箱中进行干燥处理，所述干燥温度为250～350℃，至扁球状物料含水量＜3％；

S3.加料：将预处理过的扁球状物料放置于石墨料框中，用转载器将石墨料框运送至真空炉内，并密闭真空炉，启动真空泵，使真空炉内真空度≤100Pa；

S4.真空碳化氮化烧结：将真空炉快速升温，5小时内使炉内温度达到1400～1500℃，在此温度下停真空泵，进行深度碳化、氮化反应2.8～3.2h，在此过程中持续充入纯度≥99.99％氮气，氮气压力控制在0.04～0.06MPa，氮气流量控制在15～20m³/h；

S5.出料：真空氮化烧结后，继续充氮，停电冷却真空炉，当温度降至190～210℃，停止供氮，开启真空炉，取出石墨料框，即制得钒氮合金。

进一步地，所述五氧化二钒粉末粒度≤100目，五氧化二钒含量≥98.5％。

进一步地，所述石墨粉粒度≤60目。

本发明具有以下优点：

1.本发明以五氧化二钒为原料，石墨粉为还原剂、铁粉为催化剂、硅酸钠水溶液为粘结剂，采用氮化烧结法在真空炉中生产钒氮合金，制得的产品氮含量可达14～18％，碳含量<6％。

2.本发明将原料进行了预处理，在真空炉中进行氮化烧结时烧结、碳化、氮化同时进行，常压状态下实现了7.8～8.2小时内完成全部反应，较传统工艺，显著缩短了工艺时间，提高了生产效率，大幅降低了能耗，由于在常压下进行，也降低了设备制造维护成本。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步的描述，本发明的保护范围不局限于以下所述。

实施例1：一种快速制备钒氮合金的方法，它包括以下步骤：

S1.配料：称取下述重量份的原料，备用；

五氧化二钒粉末(含量98.5％，粒度100目)：90；石墨粉(粒度60目)：20；

硅酸钠水溶液：5；铁粉：1；

S2.预处理：将上述原料放入搅拌机中混合均匀，之后放入对辊式压球设备中，将物料压制成扁球状，放入烘箱中进行干燥处理，所述干燥温度为250℃，至扁球状物料含水量为2.5％；

S3.加料：将预处理过的扁球状物料放置于石墨料框中，用转载器将石墨料框运送至真空炉内，并密闭真空炉，启动真空泵，使真空炉内真空度为100Pa；

S4.真空碳化氮化烧结：将真空炉快速升温，5小时内使炉内温度达到1400℃，在此温度下停真空泵，进行深度碳化、氮化反应2.8h，在此过程中持续充入纯度为99.99％氮气，氮气压力控制在0.04MPa，氮气流量控制在15m³/h；

S5.出料：真空处理后，继续充氮，停电冷却真空炉，当温度降至190℃，停止供氮，开启真空炉，取出石墨料框，即制得钒氮合金。

实施例2：一种快速制备钒氮合金的方法，它包括以下步骤：

S1.配料：称取下述重量份的原料，备用；

五氧化二钒粉末(含量99％，粒度80目)：110；石墨粉(粒度50目)：30；

硅酸钠水溶液：10；铁粉：1.5；

S2.预处理：将上述原料放入搅拌机中混合均匀，之后放入对辊式压球设备中，将物料压制成扁球状，放入烘箱中进行干燥处理，所述干燥温度为350℃，至扁球状物料含水量为2％；

S3.加料：将预处理过的扁球状物料放置于石墨料框中，用转载器将石墨料框运送至真空炉内，并密闭真空炉，启动真空泵，使真空炉内真空度为90Pa；

S4.真空碳化氮化烧结：将真空炉快速升温，5小时内使炉内温度达到1500℃，在此温度下停真空泵，进行深度碳化、氮化反应3.2h，在此过程中持续充入纯度为99.99％氮气，氮气压力控制在0.06MPa，氮气流量控制在20m³/h；

S5.出料：真空处理后，继续充氮，停电冷却真空炉，当温度降至210℃，停止供氮，开启真空炉，取出石墨料框，即制得钒氮合金。

实施例3：一种快速制备钒氮合金的方法，它包括以下步骤：

S1.配料：称取下述重量份的原料，备用；

五氧化二钒粉末(含量99.2％，粒度60目)：100；石墨粉(粒度45目)：24；

硅酸钠水溶液：7；铁粉：1.2；

S2.预处理：将上述原料放入搅拌机中混合均匀，之后放入对辊式压球设备中，将物料压制成扁球状，放入烘箱中进行干燥处理，所述干燥温度为280℃，至扁球状物料含水量为1.5％；S3.加料：将预处理过的扁球状物料放置于石墨料框中，用转载器将石墨料框运送至真空炉内，并密闭真空炉，启动真空泵，使真空炉内真空度为80Pa；

S4.真空碳化氮化烧结：将真空炉快速升温，5小时内使炉内温度达到1450℃，在此温度下停真空泵，进行深度碳化、氮化反应3h，在此过程中持续充入纯度为99.99％氮气，氮气压力控制在0.05MPa，氮气流量控制在18m³/h；

S5.出料：真空处理后，继续充氮，停电冷却真空炉，当温度降至200℃，停止供氮，开启真空炉，取出石墨料框，即制得钒氮合金。

实施例4：一种快速制备钒氮合金的方法，它包括以下步骤：

S1.配料：称取下述重量份的原料，备用；

五氧化二钒粉末(含量99.5％，粒度60目)：105；石墨粉(粒度50目)：28；

硅酸钠水溶液：8；铁粉：1.4；

S2.预处理：将上述原料放入搅拌机中混合均匀，之后放入对辊式压球设备中，将物料压制成扁球状，放入烘箱中进行干燥处理，所述干燥温度为300℃，至扁球状物料含水量为1％；

S3.加料：将预处理过的扁球状物料放置于石墨料框中，用转载器将石墨料框运送至真空炉内，并密闭真空炉，启动真空泵，使真空炉内真空度为75Pa；

S4.真空碳化氮化烧结：将真空炉快速升温，5小时内使炉内温度达到1480℃，在此温度下停真空泵，进行深度碳化、氮化反应3h，在此过程中持续充入纯度为99.99％氮气，氮气压力控制在0.06MPa，氮气流量控制在15m³/h；

S5.出料：真空处理后，继续充氮，停电冷却真空炉，当温度降至205℃，停止供氮，开启真空炉，取出石墨料框，即制得钒氮合金。

实施例5：对比实验

1.实验材料

A.实验组：采用实施例1-4制备的钒氮合金；

B.对照组：采用以下方法制备钒氮合金：

将高纯五氧化二钒(含量≥99.5％)2.72吨，还原剂石墨粉0.64吨，粘结剂聚乙烯醇水溶液0.48吨、高效氮化促进剂尿素0.2吨放入搅拌设备中进行混合，四种物料总重量为4吨，将均匀混合的物料放入四柱液压机中进行压制成型，压成的物料性状为圆柱形饼状，将物料装入输送物料小车，每台车放1吨，放4个车共计4吨，将4小车推入真空冶炼炉并密闭；将真空炉抽真空，至50-100Pa，加温至800℃并在次温度下保温3.5小时，使五氧化二钒与碳进行预还原，然后继续升温到1300℃持续4小时的深度还原和碳化，在过程中不断充入纯度99.9％以上的氮气；将炉内温度升温至1500℃进行5小时的氮化烧结，此过程压力控制在0.3MPa，反应完成后，停电冷却，缓冷温度降至246℃，开启炉门，去除物料。

2.实验方法

采用常规分析方法测定实验组和对照组氮化钒合金中钒、氮、碳的含量。

3.实验结果

如表1所示。

表1：实验组和对照组实验结果

名称	V含量(％)	N含量(％)	C含量(％)
				实施例1	77.70	17.43	3.33
实施例2	78.71	14.89	3.39
				实施例3	77.62	16.08	2.98
实施例4	78.65	15.91	3.07
				均值	78.17	16.08	3.19
对照组	78.79	15.93	3.10

由表1可知：实施例1-4制备的钒氮合金均符合GB/T20567-2006规定的V16牌号指标要求，且均值与对照组结果相近，因此，采用本发明方法可以生产出合格的钒氮合金。

Claims

1.一种快速制备钒氮合金的方法，其特征在于，它包括以下步骤：

S1. 配料：称取下述重量份的原料，备用；

五氧化二钒粉末： 90～110；石墨粉： 20～30；

硅酸钠水溶液： 5～10；铁粉： 1～1.5；

S2. 预处理：将上述原料放入搅拌机中混合均匀，之后放入对辊式压球设备中，将物料压制成扁球状，放入烘箱中进行干燥处理，所述干燥温度为250～350℃，干燥至扁球状物料含水量＜3%；

S3. 加料：将预处理过的扁球状物料放置于石墨料框中，用转载器将石墨料框运送至真空炉内，并密闭真空炉，启动真空泵，使真空炉内真空度≤100Pa；

S4. 真空碳化氮化烧结：将真空炉快速升温，5小时内使炉内温度达到1400～1500℃，在此温度下停真空泵，进行深度碳化、氮化反应2.8～3.2h，在此过程中持续充入纯度≥99.99%氮气，氮气压力控制在0.04～0.06MPa，氮气流量控制在15～20m³/h；

S5. 出料：真空氮化烧结后，继续充氮，停电冷却真空炉，当温度降至190～210℃，停止供氮，开启真空炉，取出石墨料框，即制得钒氮合金。

2.如权利要求1所述的一种快速制备钒氮合金的方法，其特征在于，所述五氧化二钒粉末粒度≤100目，五氧化二钒含量≥98.5%。

3.如权利要求1所述的一种快速制备钒氮合金的方法，其特征在于，所述石墨粉粒度≤60。