CN104726758A - 一种利用偏钒酸铵和五氧化二钒搭配制备钒氮合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于克服现有技术的缺点，提供一种利用偏钒酸铵和五氧化二钒搭配制备钒氮合金的方法，该方法以偏钒酸铵、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或竖式中频炉中生产钒氮合金，本发明的方法操作简单，偏钒酸铵和五氧化二钒搭配使用后原料中的含氧总量减少使反应速度加快，还原剂用量减少，偏钒酸铵中的氨部分替代高纯氮气节约氮气消耗量，主要含钒原料成本大幅降低，最终使生产总成本大幅低、极大地提高了产品竞争力，同时实现了工艺控制准确、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

一种利用偏钒酸铵和五氧化二钒搭配制备钒氮合金的方法

技术领域

本发明属于粉末冶金技术领域，具体涉及一种利用偏钒酸铵和五氧化二钒搭配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，但所使用的原料主要为五氧化二钒和三氧化二钒，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（CN200710054260.7）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2-3.5h，氮化反应温度为1000-1150℃，反应时间0.5-1.5h，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三氧化二钒、铁粉及碳粉在真空炉内于1350℃下保温60h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。

这两种生产方法普遍存在以下缺点：

1、所用原料五氧化二钒、三氧化二钒价格昂贵，且三氧化二钒稳定性差，极易氧化生成五氧化二钒，导致生产原料成本高、产品竞争力；

2、由于五氧化二钒含有五个氧原子所需还原剂多且反应速度慢，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；

3、高纯氮气需要量大；

4、产品含氮量低，一般氮含量在7-14%左右，不能称之为高氮化钒，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，提供一种利用偏钒酸铵和五氧化二钒搭配制备钒氮合金的方法，该方法以偏钒酸铵、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或竖式中频炉中生产钒氮合金，本发明的方法操作简单，偏钒酸铵和五氧化二钒搭配使用后原料中的含氧总量减少使反应速度加快，还原剂用量减少，偏钒酸铵中的氨部分替代高纯氮气节约氮气消耗量，主要含钒原料成本大幅降低，最终使生产总成本大幅低、极大地提高了产品竞争力，同时实现了工艺控制准确、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：

一种利用偏钒酸铵和五氧化二钒搭配制备钒氮合金的方法，包含以下步骤：

S1.配料：按照重量份称取以下原料，备用，

五氧化二钒粉末：0~50份，   

偏钒酸铵：50~100份，   

石墨粉：20~30份，

硅酸钠水溶液： 0~7份，

铁粉： 1~3.5份；

S2.预处理：将步骤S1中称取的原料放入搅拌机中混合均匀然后放入熟化装置中进行熟化处理，之后采用对辊式压球设备将物料压制成扁球状，最后将扁球状物料置于干燥装置中进行干燥，干燥温度300℃，烘干至扁球状物料含水量＜3%；

S3.加料：将步骤S2中经过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或竖式中频炉内，用真空泵将炉内抽至真空度100Pa以下，然后向炉内通入纯度≥99.99%高纯氮气；

S4.氮化烧结：快速升温，2.5~3.5h内使炉膛温度达到1400~1500℃，在此温度下进行深度碳化、氮化反应，反应时间2.8~3.5h，反应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5~15m³/h；

S5.出料：氮化烧结后，停止加热，继续通入氮气，物料冷却降至190~210℃，开启炉门，取出石墨料框，即制得钒氮合金。

进一步地，所述偏钒酸铵和五氧化二钒粉末粒度≤100目。

进一步地，所述偏钒酸铵和五氧化二钒的纯度≥98%。

进一步地，所述石墨粉粒度≤60目。

本发明的有益效果是：

1. 本发明以偏钒酸铵、五氧化二钒为原料，石墨粉为还原剂、铁粉为催化剂、微量硅酸钠水溶液为粘结剂，采用氮化烧结法在真空炉或竖式中频炉中生产钒氮合金，制得的产品氮含量可达14~22%，碳含量＜6%。

 2. 本发明生产钒氮合金，因偏钒酸铵和五氧化二钒搭配使用后原料中的含氧总量减少使反应速度加快、还原剂用量减少、偏钒酸铵中的氨部分替代高纯氮气节约氮气消耗量、主要含钒原料成本大幅降低，最终使生产总成本大幅低、极大地提高了产品竞争力。

3、采用本发明方法制备的钒氮合金，具有操作简单、工艺控制准确、制备快速、耗能低、产品质量稳定且杂质含量低。

3、本发明将原料进行了预处理，在炉内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7~8h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。

4、采用本发明方法制备的钒氮合金，充分利用了偏钒酸铵含水量高（含水量>30%）的优势，通过恰当的搭配比例，使其成为粘接剂稀释用水，做到了不用外加水即可以实现稀释粘接目标。

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，以下结合实例，对本发明进行进一步详细说明。

具体实施例1

一种利用偏钒酸铵和五氧化二钒搭配制备钒氮合金的方法，包含以下步骤：

S1.配料：按照重量份称取原料，备用，

五氧化二钒粉末，纯度98.5%，粒度100目： 50份，

偏钒酸铵，纯度98%，粒度100目：50份，

石墨粉，粒度60目：25份，

硅酸钠水溶液： 1份，

铁粉：2.5份。

S2.预处理：将步骤S1中称取的原料放入搅拌机中混合均匀然后放入熟化装置中进行熟化处理，之后采用对辊式压球设备将物料压制成扁球状，最后将扁球状物料置于干燥装置中进行干燥，干燥温度300℃，烘干至扁球状物料含水量＜3%。

S3.加料：将步骤S2中经过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或竖式中频炉内，用真空泵将炉内抽至真空度100Pa以下，然后向炉内通入纯度≥99.99%高纯氮气，彻底排除氧的存在，避免对氮化反应和碳化反应的影响。

S4.氮化烧结：快速升温，3.5h内使炉膛温度达到1400℃，在此温度下进行深度碳化、氮化反应3h，反应过程中持续充入纯度≥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：氮化烧结后，停止加热，继续通入氮气，物料冷却降至200℃，开启炉门，取出石墨料框，即制得钒氮合金。

 具体实施例2

一种利用偏钒酸铵和五氧化二钒搭配制备钒氮合金的方法，包含以下步骤：

S1.配料：按照重量份称取原料，备用，

五氧化二钒粉末，纯度98.5%，粒度100目： 40份，

偏钒酸铵，纯度98%，粒度80目：60份，

石墨粉，粒度50目：23份，

硅酸钠水溶液： 3份，

铁粉：2份。

S2.预处理：将步骤S1中称取的原料放入搅拌机中混合均匀然后放入熟化装置中进行熟化处理，之后采用对辊式压球设备将物料压制成扁球状，最后将扁球状物料置于干燥装置中进行干燥，干燥温度300℃，烘干至扁球状物料含水量＜3%。

S3.加料：将步骤S2中经过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或竖式中频炉内，用真空泵将炉内抽至真空度100Pa以下，然后向炉内通入纯度≥99.99%高纯氮气。

S4.氮化烧结：快速升温，3h内使炉膛温度达到1500℃，在此温度下进行深度碳化、氮化反应3h，反应过程中持续充入纯度≥99.99%氮气，氮气压力控制在0.06MPa，氮气流量控制在10m³/h。

S5.出料：氮化烧结后，停止加热，继续通入氮气，物料冷却降至210℃，开启炉门，取出石墨料框，即制得钒氮合金。

 具体实施例3

一种利用偏钒酸铵和五氧化二钒搭配制备钒氮合金的方法，包含以下步骤：

S1.配料：按照重量份称取原料，备用，

五氧化二钒粉末，纯度99.2%，粒度60目： 30份，

偏钒酸铵，纯度98.5%，粒度80目：70份，

石墨粉，粒度45目：26份，

硅酸钠水溶液： 7份，

铁粉：1.2份。

S2.预处理：将步骤S1中称取的原料放入搅拌机中混合均匀然后放入熟化装置中进行熟化处理，之后采用对辊式压球设备将物料压制成扁球状，最后将扁球状物料置于干燥装置中进行干燥，干燥温度300℃，烘干至扁球状物料含水量＜3%。

S3.加料：将步骤S2中经过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或竖式中频炉内，用真空泵将炉内抽至真空度100Pa以下，然后向炉内通入纯度≥99.99%高纯氮气。

S4.氮化烧结：快速升温，3.5h内使炉膛温度达到1400℃，在此温度下进行深度碳化、氮化反应3h，反应过程中持续充入纯度≥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：氮化烧结后，停止加热，继续通入氮气，物料冷却降至200℃，开启炉门，取出石墨料框，即制得钒氮合金。

 具体实施例4

一种利用偏钒酸铵和五氧化二钒搭配制备钒氮合金的方法，包含以下步骤：

S1.配料：按照重量份称取原料，备用，

五氧化二钒粉末，纯度98.5%，粒度80目： 1份，

偏钒酸铵，纯度98%，粒度80目：99份，

石墨粉，粒度60目：25份，

硅酸钠水溶液： 1份，

铁粉：2.5份。

S2.预处理：将步骤S1中称取的原料放入搅拌机中混合均匀然后放入熟化装置中进行熟化处理，之后采用对辊式压球设备将物料压制成扁球状，最后将扁球状物料置于干燥装置中进行干燥，干燥温度300℃，烘干至扁球状物料含水量＜3%。

S3.加料：将步骤S2中经过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或竖式中频炉内，用真空泵将炉内抽至真空度100Pa以下，然后向炉内通入纯度≥99.99%高纯氮气。

S4.氮化烧结：快速升温，2.5h内使炉膛温度达到1500℃，在此温度下进行深度碳化、氮化反应3h，反应过程中持续充入纯度≥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：氮化烧结后，停止加热，继续通入氮气，物料冷却降至200℃，开启炉门，取出石墨料框，即制得钒氮合金。

检测结果如下表所示：

实施例指标都符合GB/T20567-2006规定的V16牌号指标要求，且氮含量平均值都大大高于V16规定的的含量标准，因此，采用本发明方法不仅可以生产出合格的钒氮合金，而且也可以生产有特别要求的高含氮钒氮合金产品。

Claims (4)

1.一种利用偏钒酸铵和五氧化二钒搭配制备钒氮合金的方法，其特征在于包含以下步骤：

S1.配料：按照重量份称取以下原料，备用，

五氧化二钒粉末：0~50份；   

偏钒酸铵：50~100份；

石墨粉：20~30份；

硅酸钠水溶液： 0~7份；

铁粉： 1~3.5份；

S2.预处理：将步骤S1中称取的原料放入搅拌机中混合均匀然后放入熟化装置中进行熟化处理，之后采用对辊式压球设备将物料压制成扁球状，最后将扁球状物料置于干燥装置中进行干燥，干燥温度300℃，烘干至扁球状物料含水量＜3%；

S3.加料：将步骤S2中经过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或竖式中频炉内，用真空泵将炉内抽至真空度100Pa以下，然后向炉内通入纯度≥99.99%高纯氮气；

S4.氮化烧结：快速升温，2.5~3.5h内使炉膛温度达到1400~1500℃，在此温度下进行深度碳化、氮化反应，反应时间2.8~3.5h，反应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5~15m³/h；

S5.出料：氮化烧结后，停止加热，继续通入氮气，物料冷却降至190~210℃，开启炉门，取出石墨料框，即制得钒氮合金。

2.根据权利要求1所述的一种利用偏钒酸铵和五氧化二钒搭配制备钒氮合金的方法，其特征在于：所述偏钒酸铵和五氧化二钒粉末粒度≤100目。

3.根据权利要求1所述的一种利用偏钒酸铵和五氧化二钒搭配制备钒氮合金的方法，其特征在于：所述偏钒酸铵和五氧化二钒的纯度≥98%。

4.根据权利要求1所述的一种利用偏钒酸铵和五氧化二钒搭配制备钒氮合金的方法，其特征在于：所述石墨粉粒度≤60目。