CN105039772B

CN105039772B - 连续高效生产高含氮量钒氮合金的方法

Info

Publication number: CN105039772B
Application number: CN201510384509.5A
Authority: CN
Inventors: 李东明; 贾立根; 卢永杰; 祁健; 杨亚明; 王方
Original assignee: Hebei Iron and Steel Group Co Ltd Chengde Branch
Current assignee: Hebei Iron and Steel Group Co Ltd Chengde Branch
Priority date: 2015-06-30
Filing date: 2015-06-30
Publication date: 2018-01-19
Anticipated expiration: 2035-06-30
Also published as: CN105039772A

Abstract

本发明公开了一种连续高效生产高含氮量钒氮合金的方法，其将含钒原料、碳质还原剂、铁粉和粘结剂混合压球，得到成球物料；所述成球物料在隧道窑内进行碳化还原，得到碳化物料；所述碳化物料在竖式窑内进行氮化还原，即可得到所述的高含氮量钒氮合金。本方法在碳化还原阶段，在隧道窑内实现球团的固化收缩定型，可抑制隧道窑和中频竖炉内氮化还原反应时的粘连现象；在氮化还原阶段，利用碳化钒自身导磁性，直接作为热源使用，使已固化定型的碳化钒球料，受热为均匀，质量稳定。本方法无需额外的添加剂，使炉内氮气流分布更为平稳均匀；提高了竖式炉炉膛的利用效率，缩短了在竖式炉内的保留时间，极大地促进了竖式炉产能的提高，降低了生产成本。

Description

连续高效生产高含氮量钒氮合金的方法

技术领域

本发明涉及一种钒氮合金的生产方法，尤其是一种连续高效生产高含氮量钒氮合金的方法。

背景技术

钒氮合金作为一种优良的炼钢添加剂，可显著提高钢材的耐磨性、耐腐性以及抗热疲劳性、可焊接性等综合机械性能，并且起到消除夹杂物延伸等作用。研究表明，提高钒氮合金含氮量可显著增强钒元素的沉淀强化和细化晶粒的效果，在有效节省了钒的用量、降低生产成本的同时，可进一步提升含钒钢的强度和焊接等性能。因此，在稳定高产的前提下，尽可能提高钒氮合金中氮元素的含量，已成为国内外各生产企业的研究热点。

然而，当前主流的推板窑、竖式窑生产工艺，在连续、高效生产高含氮量钒氮合金问题上，均存在较大瓶颈。

传统推板窑生产工艺，由于氮气本身密度接近空气，受热后自然产生自下而上气流，与置于石墨料罐中物料的水平位移相矛盾，物料周围氮气分压较低，使得吸附于物料表面的CO、CO₂等有害气体难于脱附，氮化反应难于进行。通常推板窑工艺钒氮合金成品含氮量仅在12%～16%之间。另外，推板窑生产工艺还存在设备占地面积大、维修频率高、维修成本高、耗电量大等问题。

竖式炉工艺无疑解决了氮气流与物料走向存在矛盾的技术难题，同时，兼具空间利用率高、维修成本低廉、能耗低等优点。但在竖式炉体系下，球团周围物料受到的挤压力远远大于推板窑，同时钒氧化物原料引入的K、Na 低熔点化合物可以在球团表面熔化聚集，球团之间不可避免的产生烧结粘连，极易造成“堵料”现象，致使生产无法连续进行；竖式炉通常采用的中频炉加热方式，其原理是利用石墨内胆的导磁性，自外而内加热物料，使得反应物料受热不均，产品质量不均匀。为解决上述问题，专利公开号为CN 102115046 A的一种保障竖炉装置能够连续生产氮化钒的方法，提出生料球团入炉前，将生料球团与石墨块、焦炭块等耐高温添加材料混匀，混匀后从炉体顶部连续加入到竖炉装置中进行加热反应。采取上述隔离措施，阻止或动态断开了钒氮合金反应物料球团之间的相互接触，从而保障竖式窑进行连续生产，同时加入的石墨块、焦炭块可作为热源加热球团，使物料受热均匀程度大大提高。但由于石墨块、焦炭块的粉末在反应过程中不可避免的粘连到球团表面，除影响成品外观外，又增加了其钒氮合金碳元素含量。石墨块、焦炭块等添加剂透气性差，抑制了炉膛内形成稳定均匀氮气流等因素共同作用，致使单纯采用竖式窑工艺钒氮合金成品含氮量上限仅为17%左右。另外，石墨块、焦炭块等非反应物料占据了接近一半的炉膛体积，极大限制了竖式窑的单位产量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可高效地将钒氮合金成品含氮量稳定提高至18%以上的连续高效生产高含氮量钒氮合金的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：其将含钒原料、碳质还原剂、铁粉和粘结剂混合压球，得到成球物料；所述成球物料在隧道窑内进行碳化还原，得到碳化物料；所述碳化物料在竖式窑内进行氮化还原，即可得到所述的高含氮量钒氮合金。

本发明所述碳化还原过程为：在碳化气体气氛、1000～1200℃下，使成球物料完全或部分生成碳化钒。所述碳化气体为高炉煤气、焦炉煤气、混合煤气和氮气中的一种或几种，成球物料在隧道窑内的保留时间为5～10h。

本发明所述氮化还原过程为：保持氮化气体流速80～150m³/h，碳化物料从入窑到出料的保留时间为10～16h。所述竖式窑分为高温段及低温冷却段；所述高温段保持1400～1600℃，碳化物料在高温段的保留时间为8～10h；低温冷却段保持100～200℃，碳化物料在低温冷却段的保留时间为2～6h；所述高温段与低温冷却段的高度比为1.5:1～3:1。所述氮化气体为N₂和/或NH₃。

本发明的设计思路为：钒氮合金的冶炼分为两步进行，第一步为碳化还原：球团中钒氧化物与碳质还原剂反应完全或部分生成碳化钒；第二步为氮化还原：碳化钒完全氮化，生成钒氮合金。其具体反应方程式如式（1）和式（2）所示：

V₂O₃+5C＝2VC+3CO （1），

式（1）中：ΔG＝-655500-304.14T；

VC+1/2N＝VN+C （2），

式（2）中：ΔG＝-112540+72.85T。

本发明利用两种常规煅烧设备，分步实现钒氮合金反应过程，在隧道窑碳化，在竖式窑中氮化；利用两种煅烧设备的特点，提高竖式炉炉膛的有效利用率，降低（缩短）反应物料在竖式炉内的氮化时间，从而有效地提高了竖式炉的单位产量，降低了生产成本。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明在碳化还原阶段，在隧道窑内实现球团的固化收缩定型，可抑制隧道窑和中频竖炉内氮化还原反应时的粘连现象；在氮化还原阶段，利用碳化钒自身导磁性，在中频竖式炉中，直接作为热源使用，使已固化定型的碳化钒球料，受热为均匀，质量稳定。本发明优化了碳化钒氮化反应的动力学环境，无需额外补充石墨块或焦炭块等透气性差的添加剂，使炉内氮气流分布更为平稳均匀；提高了竖式炉炉膛的利用效率，缩短了反应物料在竖式炉内的保留时间，极大地促进了竖式炉产能的提高，降低生产成本效果明显。本发明可有效提高钒氮合金成分中氮的含量，并使其连续稳定产出氮含量在18%以上的钒氮合金。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的工艺流程示意图。

具体实施方式

图1所示，本连续高效生产高含氮量钒氮合金的方法的工艺步骤如下所述：

（1）混料压球：将含钒原料、碳质还原剂、铁粉、粘结剂混匀，压制成型，得到成球物料；其中，按重量配比含钒原料:碳质还原剂=4.6:1～3.5:1，粘结剂加入量为碳质还原剂重量的1%～3%；所述的含钒原料为偏钒酸铵、多聚钒酸铵、五氧化二钒、二氧化钒和三氧化二钒中的一种或几种；所述成球物料的压制密度大于2500kg/m³。

（2）碳化还原：将成球物料置于隧道窑内，保持无氧条件，在碳化气体气氛、1000～1200℃的条件下，成球物料在隧道窑内保留5～10h，使成球物料完全或部分生成碳化钒，得到碳化物料；所述碳化气体为高炉煤气、焦炉煤气、混合煤气和氮气中的一种或几种。

（3）氮化还原：得到碳化物料出料后无需冷却，直接加入至竖式窑中，保持氮化气体流速80～150m³/h，所述氮化气体为N₂和/或NH₃；碳化物料从入窑到出料保留时间10～16h，具体为：所述竖式窑分为高温段及低温冷却段，高温段保持1400～1600℃，碳化物料在高温段的保留时间为8～10h，低温冷却段保持100～200℃，碳化物料在低温冷却段的保留时间为2～6h，所述高温段与低温冷却段的高度比为1.5:1～3:1；连续出料，出料后即可得到所述的高含氮量钒氮合金。

实施例1：本连续高效生产高含氮量钒氮合金的方法的具体工艺如下所述。

（1）混料压球：含钒原料:碳质还原剂=4.6:1（重量），粘结剂加入量为碳质还原剂重量的3%；所述的含钒原料为五氧化二钒；所述成球物料的密度大于2500kg/m³。

（2）碳化还原：隧道窑的窑体内气氛为高炉煤气，温度1200℃下，成球物料的保留时间8h。

（3）氮化还原：竖式窑内保持N₂流速120m³/h，碳化物料从入窑到出料保留时间14h；

其中，高温段保持1500℃，高温段保留时间10h；低温冷却段保持150℃，低温冷却段保留时间4h；高温段与低温冷却段高度比2.5:1。

经检验，所得钒氮合金的检验结果为：V 77.29%，C 0.89%，S 0.014%，P 0.013%，N18.75%。检验结果符合国标GB/T20567-2006要求，且含氮量为18.75%，高于标准要求的18%。

实施例2：本连续高效生产高含氮量钒氮合金的方法的具体工艺如下所述。

（1）混料压球：含钒原料:碳质还原剂=4:1（重量），粘结剂加入量为碳质还原剂重量的2.2%；所述的含钒原料为三氧化二钒；所述成球物料的密度大于2500kg/m³。

（2）碳化还原：隧道窑的窑体内气氛为高炉煤气，温度1100℃，成球物料的保留时间9h。

（3）氮化还原：竖式窑内保持N₂流速150m³/h，碳化物料从入窑到出料保留时间15h；

其中，高温段保持1400℃，高温段保留时间9h；低温冷却段保持150℃，低温冷却段保留时间6h；高温段与低温冷却段高度比2:1。

经检验，所得钒氮合金的检验结果为：V 77.35%，C 1.20%，S 0.014%，P 0.014%，N18.17%。检验结果符合国标GB/T20567-2006要求，且含氮量为18.17%，高于标准要求的18%。

实施例3：本连续高效生产高含氮量钒氮合金的方法的具体工艺如下所述。

（1）混料压球：含钒原料:碳质还原剂=3.5:1（重量），粘结剂加入量为碳质还原剂重量的1%；所述的含钒原料为偏钒酸铵；所述成球物料的密度大于2500kg/m³。

（2）碳化还原：隧道窑的窑体内气氛为混合煤气，温度1000℃，成球物料的保留时间7h。

（3）氮化还原：竖式窑内保持NH₃流速100m³/h，碳化物料从入窑到出料保留时间10h；

其中，高温段保持1600℃，高温段保留时间8h；低温冷却段保持180℃，低温冷却段保留时间2h；高温段与低温冷却段高度比3:1。

经检验，所得钒氮合金的检验结果为：V 77.07%，C 0.42%，S 0.006%，P 0.011%，N18.56%。检验结果符合国标GB/T20567-2006要求，且含氮量为18.56%，高于标准要求的18%。

实施例4：本连续高效生产高含氮量钒氮合金的方法的具体工艺如下所述。

（1）混料压球：含钒原料:碳质还原剂=3.6:1（重量），粘结剂加入量为碳质还原剂重量的2%；所述的含钒原料为多聚钒酸铵和五氧化二钒，多聚钒酸铵:五氧化二钒=1:1（重量）；所述成球物料的密度大于2500kg/m³。

（2）碳化还原：隧道窑的窑体内气氛为氮气，温度1150℃，成球物料的保留时间10h。

（3）氮化还原：竖式窑内保持N₂和NH₃的混合气体的流速80m³/h，其中N₂:NH₃=1:1（体积），碳化物料从入窑到出料保留时间12h；

其中，高温段保持1450℃，高温段保留时间8.5h；低温冷却段保持200℃，低温冷却段保留时间3.5h；高温段与低温冷却段高度比1.5:1。

经检验，所得钒氮合金的检验结果为：V 77.01%，C 1.09%，S 0.005%，P 0.013%，N18.11%。检验结果符合国标GB/T20567-2006要求，且含氮量为18.11%，高于标准要求的18%。

实施例5：本连续高效生产高含氮量钒氮合金的方法的具体工艺如下所述。

（1）混料压球：含钒原料:碳质还原剂=3.5:1（重量），粘结剂加入量为碳质还原剂重量的1.6%；所述的含钒原料二氧化钒；所述成球物料的密度大于2500kg/m³。

（2）碳化还原：隧道窑的窑体内气氛为氮气和焦炉煤气的混合气体，体积比1:1；温度1050℃，成球物料的保留时间5h。

（3）氮化还原：竖式窑内保持NH₃流速110m³/h，碳化物料从入窑到出料保留时间16h；

其中，高温段保持1550℃，高温段保留时间10h；低温冷却段保持100℃，低温冷却段保留时间6h；高温段与低温冷却段高度比2:1。

经检验，所得钒氮合金的检验结果为：V 77.33%，C 2.14%，S 0.031%，P 0.019%，N18.02%。检验结果符合国标GB/T20567-2006要求，且含氮量为18.02%，高于标准要求的18%。

Claims

1.一种连续高效生产高含氮量钒氮合金的方法，其特征在于：其将含钒原料、碳质还原剂、铁粉和粘结剂混合压球，得到成球物料；所述成球物料在隧道窑内进行碳化还原，得到碳化物料；所述碳化物料在竖式窑内进行氮化还原，即可得到所述的高含氮量钒氮合金；

所述碳化还原过程为：在碳化气体气氛、1050～1200℃下，使成球物料完全或部分生成碳化钒；

所述竖式窑分为高温段及低温冷却段；所述高温段保持1550～1600℃，碳化物料在高温段的保留时间为8～10h；低温冷却段保持100～200℃，碳化物料在低温冷却段的保留时间为2～6h；所述高温段与低温冷却段的高度比为1.5:1～3:1；

所述氮化还原过程为：保持氮化气体流速80～150m³/h，碳化物料从入窑到出料的保留时间为10～16h。

2.根据权利要求1所述的连续高效生产高含氮量钒氮合金的方法，其特征在于：所述碳化气体为高炉煤气、焦炉煤气、混合煤气和氮气中的一种或几种，成球物料在隧道窑内的保留时间为5～10h。

3.根据权利要求2所述的连续高效生产高含氮量钒氮合金的方法，其特征在于：所述氮化气体为N₂和/或NH₃。