CN108018474A

CN108018474A - 一种用偏钒酸铵连续化制备氮化钒的方法

Info

Publication number: CN108018474A
Application number: CN201711097942.6A
Authority: CN
Inventors: 谭超; 刘秋生
Original assignee: CETC 48 Research Institute
Current assignee: CETC 48 Research Institute
Priority date: 2017-11-09
Filing date: 2017-11-09
Publication date: 2018-05-11

Abstract

本发明公开了一种用偏钒酸铵连续化制备氮化钒的方法，包括以下步骤：将偏钒酸铵粉末与碳质粉剂、粘结剂、添加剂、水混合制成料球；将料球连续放入推板窑中进行烧结，得到氮化钒。本发明，以偏钒酸铵作为氮化钒生产的直接原料，通过将偏钒酸铵料球连续放入到推板窑中进行烧结，实现了氮化钒的连续化制备。本发明方法具有能耗低、生产成本低、生产效率高、制备工艺简单等优点，且制得的产品质量稳定，表观密度高。

Description

一种用偏钒酸铵连续化制备氮化钒的方法

技术领域

本发明属于氮化钒制备技术领域，涉及一种用偏钒酸铵制备氮化钒的方法，具体涉及一种用偏钒酸铵连续化制备氮化钒的方法。

背景技术

氮化钒作为钢铁生产的添加剂，能显著提高钢的强度、耐磨性、韧性、延展性和硬度以及抗热疲劳性等综合机械性能。目前，氮化钒的生产工艺中大多采用五氧化二钒或者三氧化二钒作为原料，经连续式推板炉1500摄氏度左右高温烧结18h左右，生成氮化钒。此方法存在以下几个缺点：(1)原料五氧化二钒、三氧化二钒的价格高，造成生产成本高；(2)氮气的消耗量达250m³/h，这是因为氮化钒连续式烧结设备的烧结温度高，需要足够的氮气在烧结时起到保护耐火材料以及参与氮化反应的作用，而目前采用的工艺中氮气消耗量低于250m³/h时会造成产品氮含量不达标情况。另外，五氧化二钒、三氧化二钒都是用原料偏钒酸铵经过500-600摄氏度焙烧、还原生成，其中还原过程一般采用回转炉或电弧炉加热单次坯料，然后在有氧环境下快速冷却得到五氧化二钒，再从炉内取出产品。现有技术中先采用偏钒酸铵制备五氧化二钒或三氧化二钒，再以五氧化二钒或三氧化二钒为原料制备氮化钒的间歇性生产方法存在升降温时间长、热量损失大、工人劳动强度大、生产效率低、生产成本高等问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能耗低、生产成本低、生产效率高的用偏钒酸铵连续化制备氮化钒的方法。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案：

一种用偏钒酸铵连续化制备氮化钒的方法，包括以下步骤：

S1、将偏钒酸铵粉末与碳质粉剂、粘结剂、添加剂、水混合制成料球；

S2、将步骤S1中制得的料球连续放入推板窑中进行烧结，得到氮化钒。

上述的方法中，进一步改进的，步骤S2中，所述烧结包括以下阶段：

(a)预热阶段：将窑内温度升温到550℃～580℃，停留时间为2.5h～3.5h；

(b)一级还原阶段：在氮气气氛下将窑内温度升温到610℃～630℃，停留时间为0.8h～1.2h；

(c)快速升温阶段：在氮气气氛下将窑内温度升温到1200℃～1500℃；

(d)恒温阶段：在氮气气氛下保持窑内温度为1200℃～1500℃，停留时间为15h～18h；

(e)降温阶段：恒温阶段结束后，降温至80℃以下。

上述的方法中，进一步改进的，所述预热阶段中，升温速度为5℃/min～8℃/min；

和/或，所述一级还原阶段中，升温速度为1℃/min～3℃/min；

和/或，所述快速升温阶段中，升温速度为3℃/min～7℃/min；

和/或，所述降温阶段中，降温速度为2℃/min～4℃/min。

上述的方法中，进一步改进的，所述预热阶段中，偏钒酸铵经热分解反应产生氨气；所述氨气经干燥处理后进入快速升温阶段，参与反应。

上述的方法中，进一步改进的，所述降温阶段中，采用水冷和/或风冷的方式进行降温。

上述的方法中，进一步改进的，所述步骤S1包括以下步骤：

S1-1、将偏钒酸铵粉末与碳质粉剂、粘结剂、添加剂进行干混，得到干物料；

S1-2、将水加入到步骤S1-1的干物料中进行湿混，得到湿物料；

S1-3、将步骤S1-2中的湿物料压制成球，筛选，得到料球。

上述的方法中，进一步改进的，步骤S1-3中，所述料球中各组分按照重量份计为：

上述的方法中，进一步改进的，所述偏钒酸铵粉末为200目以下的粉末；

和/或，所述碳质粉剂为碳粉；所述碳粉为180目以下的粉末；所述碳粉的纯度≥98％；

和/或，所述粘结剂为黄糊精或小麦粉；

和/或，所述添加剂为精铁粉；所述精铁粉为200目以下的粉末；所述精铁粉的纯度≥99％。

上述的方法中，进一步改进的，步骤S1-3中，所述料球的质量为45g/个～55g/个；所述料球的直径为25mm～35mm。

上述的方法中，进一步改进的，所述步骤S2中，将料球放入到推板窑的石墨坩埚内，利用推板窑的推进系统自动进出推板窑；所述料球的进料速度为70kg/min～80kg/min；所述石墨坩埚的前进速率为1100mm/h～1400mm/h。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明中提供了一种用偏钒酸铵连续化制备氮化钒的方法，以偏钒酸铵作为氮化钒生产的直接原料，通过将偏钒酸铵料球连续放入到推板窑中进行烧结，实现了氮化钒的连续化制备。本发明中，以偏钒酸铵作为氮化钒生产的直接原料，可以省去制备五氧化二钒或三氧化二钒时的降温过程，避免了因降温而造成的热损失，降低了生产能耗；同时，由于无需对五氧化二钒或三氧化二钒进行降温，节省了降温所需时间，不仅能够降低工人的劳动强度和生产成本，而且能够提高生产效率，解决了现有间歇性生产方法中存在的升降温时间长、热量损失大、工人劳动强度大、生产效率低、生产成本高等问题。本发明用偏钒酸铵连续化制备氮化钒的方法，具有能耗低、生产成本低、生产效率高、制备工艺简单等优点，实现了偏钒酸铵制备氮化钒的连续式生产，且制得的产品质量稳定，表观密度高。

2、本发明方法中，将料球的烧结分为五个阶段，包括预热阶段、一级还原阶段、快速升温阶段、恒温阶段和降温阶段，通过控制各个阶段的温度、停留时间以及升温速率或降温速率，进一步降低了生产能耗和生产成本，提高了生产效率，从而使得本发明的方法更适用于工业上大批量生产氮化钒；同时通过控制各个阶段的温度、停留时间以及升温速率或降温速率，进一步提高了氮化钒产品中的氮含量，使制得的氮化钒产品表观密度更高，质量更加稳定。

3、本发明方法中，偏钒酸铵热解时生成氨气，该氨气在高温条件下转化成氮气，由此产生的氮气可参与到后续氮化反应及高温区耐材保护，从而降低了制备过程中氮气使用量，降低了生产成本。本发明充分利用了偏钒酸铵热解时生成的氨气，通过将氨气热解转化为氮气，使得本发明方法中氮气的消耗量降低至140m³-160m³/h(标准状态下)，于此同时，本发明制得的氮化钒中氮含量仍高达16.1％，表观密度高达4.4g/cm³，达到了产品的质量要求，

4、本发明方法中，优化了料球中各组分的配比，其中料球中各组分按照重量份计为：偏钒酸铵粉末1750份～1850份，碳质粉剂280份～300份，粘结剂40份～60份，添加剂8份～12份，水50份～100份，通过优化料球各组分的配比，不仅可以减少废气的排放量，降低对环境的污染，同时还可以降低因烧结过程中原料损失所造成的电耗，减少原料及电耗成本。

附图说明

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。

图1为本发明实施例1中用偏钒酸铵连续化制备氮化钒的工艺流程图。

图2为本发明实施例1中用偏钒酸铵连续化制备氮化钒的烧结曲线。

具体实施方式

以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。

以下实施例中所采用的原料和仪器均为市售。

实施例1

一种用偏钒酸铵连续化制备氮化钒的方法，其制备工艺流程如图1所示，包括以下步骤：

(1)制备料球：

(1.1)将偏钒酸铵送入磨粉机，通过磨粉制备200目以下的偏钒酸铵粉末。

(1.2)将步骤(1.1)中的偏钒酸铵粉末与碳粉(180目以下的粉末，含碳量大于99％)、黄糊精、精铁粉(180目以下的粉末，纯度为99％)送入干混机中进行干混，得到干物料。

(1.3)将步骤(1.2)的干物料送入湿混机中，加水进行湿混，得到湿物料。

(1.4)将步骤(1.3)的湿物料送入压球机中进行两次压球。

(1.5)将步骤(1.4)中经两次压球后得到的料球进行筛选，选出质量为45g/个～55g/个，且直径为25mm～35mm的料球，作为合格料球；不合格料球送回到步骤(1.4)的压球机中，再次压制。

步骤(1.5)中选出的合格料球中各组分按照重量份计为：

(2)烧结：

将步骤(1.5)中筛选得到的合格料球连续放入到推板窑的石墨坩埚内，利用推板窑的推进系统自动进出推板窑，其中料球的进料速度为75kg/min，石墨坩埚的前进速率为1250mm/h；同时升温进行烧结，烧结曲线如图2所示，包括以下阶段：

(2.1)预热阶段：T1、T2为预热区，采用硅碳棒上下加热方式，将该区域的窑内温度从室温升高到577℃，其中该阶段中的升温速率为6.5℃/min，停留时间为3h。此段不通入氮气，在该阶段内，偏钒酸铵发生热解反应，化学反应为：

偏钒酸铵热解时产生的水气及氨气通过推板窑炉顶高温管道排出，经干燥剂吸附水气后，通入快速升温阶段的进气管中。

(2.2)一级还原阶段：T3、T4为一级还原区，采用硅钼棒上下加热方式，将该区域的窑内温度升高到627℃，并保持温度为627℃，其中该阶段中的升温速率为1.7℃/min，停留时间为1h。此段通入氮气，在该阶段内，偏钒酸铵热解所得的五氧化二钒发生一级还原反应，化学反应为：

由于预热阶段与一级还原阶段的温度很接近，这两个阶段实际上是同时发生的。

(2.3)快速升温阶段：T5到T10为快速升温区，采用硅钼棒上下加热方式，将该区域的窑内温度升高到1500℃，其中该阶段中的升温速率为5℃/min。此段通入氮气，在该阶段内，一级还原反应的产物继续进行碳化还原反应；同时，来源于预热阶段的氨气在该段进行高温分解，发生的化学反应为：

(2.4)恒温阶段：从T11到T18为恒温区，采用硅钼棒上下加热方式，将窑内温度保持在1500℃，停留时间为18h。此阶段通入氮气，在该阶段内，碳化还原的产物碳化钒发生氮化反应，生成钒氮合金，发生的化学反应为：

在恒温阶段，氮化时间的长短在一定程度上决定着产物的钒氮比。

(2.5)降温阶段：T18至窑尾为降温区，采用全密封水冷与风冷相结合的降温方式，按照降温速率为3℃/min，将温度冷却至80℃，出炉，得到氮化钒。

(3)化验：

将步骤(2)经烧结后得到的氮化钒样品进行化验，其结果是该样品中各成分的质量百分含量为V：77.8％，N：16.1％，C：4.2％，且该样品的密度为4.4g/cm³。

(4)包装、入库。

实施例2

一种用偏钒酸铵连续化制备氮化钒的方法，与实施例1中的方法基本相同，不同之处为：实施例2中，步骤(2.3)快速升温阶段将温度升高到1200℃，其中该阶段中的升温速率为3.5℃/min；步骤(2.4)恒温阶段将温度保持在1200℃；步骤(2.5)降温阶段中的降温速率为2.5℃/min。

实施例2制得的氮化钒样品中各成分的质量百分含量为V：81.2％，N：12.1％，C：6.3％，且该样品的密度为3.4g/cm³。

表1本发明方法中氮气消耗量、耗电量、生产效率的对比数据

	氮气消耗量(m³/h)	耗电量(kwh)	生产效率(t/天)
				实施例1	160	11760	2.8
实施例2	140	10400	2.6

由表1可知，本发明用偏钒酸铵连续化制备氮化钒的方法，在保证产品质量的同时降低了氮气消耗量和生产成本、提高了生产效率，是一种能耗低、生产成本低、生产效率高，可连续化制备氮化钒的方法。

以上实施例仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例。凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应该指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下的改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种用偏钒酸铵连续化制备氮化钒的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S2中，所述烧结包括以下阶段：

(e)降温阶段：恒温阶段结束后，降温至80℃以下。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预热阶段中，升温速度为5℃/min～8℃/min；

和/或，所述一级还原阶段中，升温速度为1℃/min～3℃/min；

和/或，所述快速升温阶段中，升温速度为3℃/min～7℃/min；

和/或，所述降温阶段中，降温速度为2℃/min～4℃/min。

4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述预热阶段中，偏钒酸铵经热分解反应产生氨气；所述氨气经干燥处理后进入快速升温阶段，参与反应。

5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述降温阶段中，采用水冷和/或风冷的方式进行降温。

6.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤S1包括以下步骤：

S1-3、将步骤S1-2中的湿物料压制成球，筛选，得到料球。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S1-3中，所述料球中各组分按照重量份计为：

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述偏钒酸铵粉末为200目以下的粉末；

和/或，所述粘结剂为黄糊精或小麦粉；

9.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤S1-3中，所述料球的质量为45g/个～55g/个；所述料球的直径为25mm～35mm。

10.根据权利要求1～5中任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，将料球放入到推板窑的石墨坩埚内，利用推板窑的推进系统自动进出推板窑；所述料球的进料速度为70kg/min～80kg/min；所述石墨坩埚的前进速率为1100mm/h～1400mm/h。