CN108823452A - 一种制备氮化钒铁的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种制备氮化钒铁的方法，其特征在于：以含氧和高价钒的物质为钒原料，以含铁物质为铁原料，第一步在1100℃以下在含氢和/或氮的还原气氛中将钒原料预还原氮化得到氮氧化钒中间产物，第二步在1150℃~1850℃温度区间在含氮和/或氢的保护气氛中将中间产物和铁原料高温处理得到氮化钒铁；钒原料和铁原料按铁和钒的质量比0.001~1.2的比例配料。本发明的优点在于预还原氮化可在低温下进行、过程无碳排放、产品密度高、碳和氧含量低、氮含量高。

Description

一种制备氮化钒铁的方法
技术领域
本发明属于氮化钒、氮化钒铁、钒氮合金领域，涉及氮化钒铁的制备方法。
背景技术
氮化钒(又名钒氮合金)或氮化钒铁是一种优良的炼钢添加剂，能显著地提高和改善钢材的综合机械性能和焊接性能，与使用钒铁相比可以节约20％～40％的钒资源，从而降低炼钢成本。以建筑业为例，使用氮化钒或氮化钒铁合金化技术生产的新三级钢筋因其强度提高，不仅增强了建筑物的安全性、抗震性、强韧性、焊接性能，还可以较使用普通钢筋节约钢材10％至12％等优点。
1967年J.H.Downing等人在US3334992中披露，将181Kg的V2O5，62Kg 碳粉，4.1Kg树胶脂和3Kg铁粉混匀后，在20.68MPa下压制成型，样品尺寸为 51×51×38mm。在1385℃和22.7Pa真空下进行碳还原，还原时体系真空度降到 2666Pa再保持60h，体系真空度又还原到22.7Pa，即标志还原过程结束。此时将 炉子停止加热，冷却至室温时样品出炉，得到的是碳化钒(VCx)。当真空度恢复至22.7Pa，炉子不停止加热而温度降至1100℃时，将氮气送至炉内并保持氮的分压为PN2＝700～1000Pa。先恒温渗氦2h，然后将炉温调至1000℃再渗氦6h电炉停止加热，在氦气氛下冷至室温出炉，其产品的化学组成为：
78.75％V-10.5％C-7.3％N，所以又称这种VN为VCN。
1977年美国联合碳化物公司在美国专利US4040814中披露，将V2O3和碳在1100～1500℃下还原氮化制备得到了含氮12％的氮化钒。
1985年联合碳化物公司的J.B.Goddard等人在美国专利US4562057中披露， 以钒的高价氧化物V2O5或钒酸铵为原料，以混合气体(氮气+氨气)为还原剂及氮化剂，先在675～700℃下预还原1h，将低熔点高价钒氧化物还原至高熔点的低价钒氧化物，之后在950℃下同时进行还原和渗氮3～4h，可获得73.3％V、 12.6％N、15.3％O的产品，然后再用碳热还原法在1400℃左右除去其中大量的氧得碳氮化钒产品。
2000年，Prabhat Kumar Tripathy在J.Mater.Chem.，2001，11，691～695中披露了在1500℃以V2O5为原料碳热还原和N2渗氮制备得到了氮化钒。
1988年王功厚等人，用V2O5与活性碳压块成型，在实验条件下进行碳热还 原，在1673K和1.333Pa真空下先还原生成VC，随后通入氮气，在PM＝101325Pa 下渗氮1.5小时，可获得86％V、7％C、9.069％～9.577％N、2％O样品。为了提高氮化钒强度，在原料中加入3％铁粉。
2001年孙朝晖等人在中国专利CN1422800A中披露，将粉末状的钒氧化物， 碳质粉剂和粘结剂混匀后压块，成型，再将成型后的物料连续加入制备炉，同时 向制备炉通入氨气或氮气做为反应和保护气体，制备炉加热到1000～1800℃，该 物料在炉内发生了碳化和氮化反应，持续时间小于6小时，出炉前要在保护气氛 下冷却到100～250℃，出炉即得氮化钒产品。
隋智通等在中国专利CN1944243A、CN101717883A、CN1212416A、CN1480548A、CN1212416C中披露，在密度强化剂存在下，制备钒(铁)碳氮化物的方法，将粉状钒化合物、铁氧化物或铁粉、碳质还原剂混合后加入粘结剂，造粒烘干后连续加入回转反应器中，进行碳热还原、氮化反应，连续制成钒(铁)碳氮化物。
还有中国专利CN1478915A、CN1297677C、CN1644510、CN102040202A、CN101693529A、CN103466569A、CN101372321A、CN101172585A、CN108018474A、CN107610938A、CN107699779A、CN107058855A、CN106399785A、CN106222472A、CN105858624A、CN105734320A、CN105734319A、CN105063398A、CN103952512A、CN103708429A、CN103303880A、CN103243254A、CN102277522A、CN101921941A、CN101693975A、CN102040202A、CN101693529A、CN103466569A、CN101597036A、CN101638733B、CN101372321A、CN101319282A、CN101172585A、CN101082089A、CN101003867A、CN100447266C、CN1644510A、等披露的制备氮化钒的方法，都是采用含碳固体原料作为还原剂在高温下将含钒和氧的化合物碳热还原为氮化钒。
美国专利US3745209、中国专利CN106048279A中披露，以五氧化二钒为原料，在氨气和天然气(甲烷)中还原氮化合成了氮化钒。
以上方法，有的虽然在钒原料中加入了部分密度强化剂或者铁粉或者氧化铁，但它们的共同缺点是都在气相或者固相物料中加入碳还原剂，最后产品中难免含有剩余的碳元素，因为如果没有剩余碳元素，则很难将产品中的氧元素降低到2%以下。
2002年郑臣谋等在中国专利CN1380247A、CN1233549C中以 (NH4)5[(VO)6(CO3)4(OH)9]10H2O为原料，在750～1100℃下合成了氮化钒。
2003年高濂等人在中国专利CN1431146A中披露，以特殊方法制备的含一 个结晶水的五氧化二钒(V2O5·H2O，结晶水质量百分比约为9％)为原料，在 500～800℃保温3～5小时制备得到了氮化钒。
1991年Arai，Tohru在EP471276中披露了700℃下在金属表面气相沉积了氮化钒。
以上三种方法采用专门合成的特殊原料，原料获得困难，价格高，产品密度低。
2002年Christopher Allen Bennett在其博士论文中及H.Kwon，S.Choi等在Journal of Catalysis 184，236-246(1999)上的论文中披露，在800～1000℃下微量制备了用作催化剂的高比表面积的氮化钒。该方法的缺点是在热分析仪器上制备，其制备量非常小，只有克甚至毫克级。
中国专利CN1775661A披露了一种制备氮化钒的方法，含钒和氧的原料或钒铁合金，或以上含钒原料的混合物在含氮或含氮和碳元素的还原气氛中升温到400～800℃反应0.5～48小时，得到氧含量小于3％的氮化钒产品。通过等静压压块，将氮化钒粉末压制成表观密度大于3.0g/ml的球状或块状，以便用于含钒合金钢或其它含钒合金的添加剂。该工艺制备的是低密度的氮化钒产品，最后用等静压提高密度。中国专利CN105087994B用氢气与偏钒酸铵自蔓延燃烧制备得到了高纯高密度的氮化钒产品(该专利披露的信息可信度不高，因为其中声称，制备得到的氮化钒密度可达6.5g/cm3，但是氮化钒真密度只有6.13g/cm3，金属钒的真密度也只有6.0g/cm3)。
中国专利CN108018474A、CN103754839A、CN101597035A、CN101077772A、CN100515930C、CN1562769A、CN1431146A、CN1187261C等将钒氧化物或偏钒酸铵在氨气气氛中低温(低于1000℃)还原，制备了多孔(低密度)氮化钒或者纳米粉体氮化钒材料。CN107256956A、CN104505509A、CN104229759A制备了碳包覆的氮化钒复合材料。CN106986316A制备了多孔氮化钒-锌复合材料。CN106744731A制备了氮化钒纳米带气凝胶。CN105742633A制备了多孔富氧氮化钒，CN105895382B制备了石墨-多孔氮化钒复合电极材料，CN104016314A以水热法制备得到了高纯氮化钒。这些工艺都是以制备氮化钒粉体、多孔材料、复合材料为目的，产品比表面积大、微孔发达，密度比较小，主要用于催化剂或者电池电极材料等。
中国专利CN108048686A、CN107904425A、CN107385265A、CN105986163A、CN103938062A、CN103834849A、CN103866175A、CN103436770A、CN102644015A、CN102534219A、CN102477511A、CN101824556A、CN1873036A、CN100485070C等用钒铁合金为原料，高温氮化或者自蔓延燃烧氮化制备得到氮化钒铁。虽然以钒铁合金氮化制备氮化钒铁，可以得到碳含量和氧含量都非常低的氮化钒铁产品。但是与以钒氧化物和碳质还原剂为原料相比，以钒铁合金为原料的成本比较高。因为钒铁合金本就以钒氧化物原料硅热或者铝热还原而来，钒铁合金的加工成本已经高于了以钒氧化物为原料制备氮化钒或氮化钒铁的成本。而且钒铁合金块需要磨细到100目以下，磨粉非常困难，且在磨粉过程中容易被空气氧化，造成氮化钒铁产品中氧含量达到1%左右甚至更高。
中国专利CN108048686A、CN107937797A、CN107974608A、CN107881403A、，CN107829018A、CN107699780A、CN107287493A、CN106987748A、CN106834775A、CN105483507A、CN104862518A、CN104046824A、CN104018056A、CN102976290A、CN102477510A、CN1876873A、CN100378238C、等以钒氧化合物、铁粉(或氧化铁)和碳质还原剂为原料，在高温下还原氮化合成氮化钒铁。该工艺的优点是，与以钒铁为原料的工艺相比，成本比较低。但是该工艺会得到的氮化钒铁产品里面残留有少量碳和氧。产品达不到氮化钒铁国家标准规定的A级产品（含碳0.5%以下）标准。而且氧含量一般在1%左右，相应的加入钢水里面的氮化钒铁有1~3%左右的会以钒氧化物的形式随钢渣流失，降低了钒的利用率。
中国专利CN106591687A以碳热还原法制备得到的碳热还原的氮化钒(或钒氮合金)，配以铁粉和氧化钒粉为原料，在氮气气氛中制备得到了氮化钒铁，其优点是碳含量低，缺点是必须精确配料，工艺过程复杂。
综上所述，现有制备方法中，用氨气低温(1000℃以下)还原制备的氮化钒或者氮化钒铁，其表观密度一般都比较低，达不到冶金要求的3.0g/ml以上。而大批量制备的冶金用氮化钒铁，要么碳和氧含量高；要么以钒铁合金为原料，成本比较高。而在炼钢用的钒添加剂中，有氮化钒、氮化钒铁、钒铁，其中最优的是具有如下指标的氮化钒铁，氮：钒比例比较高(越高越好)，碳和氧含量尽可能低(以钒铁为原料的氮化钒铁碳含量几乎都小于0.1%以下，氧含量小于1%)。碳热还原的氮化钒，碳含量一般在2~6%，氧含量1%左右。氨气和氢气还原的氮化钒，产品密度低(低于3.0g/ml)，不能用作炼钢炉料。因此近年很多这方面的研究和专利申请，希望得到如上所述的优质氮化钒铁。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳含量≤0.5%，且密度高的氮化钒铁的制备方法。
本发明的目的是这样实现的：第一步将含氧和高价钒(化合价大于+2价)的钒原料，在1100℃以下，以氢气或氨气预还原和部分氮化，制备得到氮氧化钒。第二步，将第一步得到的氮氧化钒和铁原料在氮气和/或氨气和/或氢气组成的保护气氛下在1150℃~1850℃之间进一步还原氮化并密度强化得到氮化钒铁。
固体原料和还原气氛都不含碳，保证了氮化钒铁产品中不含碳。虽然可以用钒和铁的草酸盐或甲酸盐，但是草酸盐和甲酸盐在400℃以下就会分解放出二氧化碳或一氧化碳，固体物料中并不残留碳。
第一步将钒原料预还原氮化到氮氧化钒。比如用氨气(或氢气和氮气)，在850℃以下，可以方便的将五氧化二钒部分还原氮化到氮氧化钒，反应温度低，能耗低。通过低温(低于850℃)预还原和/或预氮化，避免了制备氮化钒铁过程中，在高温(1150℃以上)长时间的反应，总的电耗与未采用预还原氮化的钒原料的过程相差不大。但是低温预还原氮化的得到的氮氧化钒，即使其氧含量低于2%，但其密度也远低于3.0g/ml，不能用作炼钢炉料，必须经过第二步高温密度强化，使得产品球块的表观密度大于3.0g/ml才能加入钢水中使用。
铁元素作为氮化钒铁的组成成份和密度强化的催化剂，其加入是必须的。铁原料可以在第一步之前，或第一步之后第二步之前加入。无论是在哪个阶段加入，必须与钒原料或氮氧化钒充分混合。无论在第一步之前，或第一步之后第二步之前对钒原料或氮氧化钒与铁原料组成的物料进行压球，在所述物料进入第二步窑炉之前必须是压制成粒径1cm以上的球块的。
由于氮化钒或氮化钒铁中，碳氮氧三种元素占据晶体晶胞中相同的晶格位置，因此没有碳存在的情况下，再进一步降低氧含量，可以容易获得更高的氮含量。
本发明的具体方案如下：
将制备所述的氮化钒铁的整个还原、氮化和密度强化过程分为以下两步进行：
第一步在1100℃温度以下在通有还原气氛的窑炉中将钒原料预还原氮化得到氮氧化钒；
第二步在1150℃~1850℃温度区间在通有保护气氛的窑炉中将所述的氮氧化钒和铁原料高温处理得到氮化钒铁；
所述的钒原料为：钒化合价大于+2价的钒氧化物、钒酸铵、偏钒酸铵、多钒酸铵、红钒、草酸氧钒中的一种或一种以上的混合物，或以上一种或一种以上的混合物与其它无机钒化合物的混合物；
所述的铁原料为：铁单质、铁氧化物、无机铁盐、草酸铁或亚铁、甲酸铁或亚铁中的一种或一种以上的混合物；
所述的还原气氛为：氨气、氨气和氮气、氨气和氢气、氢气和氮气四种组合中的一种，或为含氢和氮的物质在所述的窑炉中分解生成的氨气、氨气和氮气、氨气和氢气、氢气和氮气四种组合中的一种；
所述的保护气氛为：氮气、氨气、氨气和氮气、氨气和氢气、氢气和氮气五种组合中的一种，或为含氮和/或氢的物质在所述的窑炉中分解生成的氮气、氨气、氨气和氮气、氨气和氢气、氢气和氮气五种组合中的一种；
所述的铁原料，在所述的第一步之前加入钒原料中或在所述的第一步之后、所述的第二步之前加入所述的氮氧化钒中，铁元素和钒元素的质量配比在0.001~1.2之间；
压球过程：所述的钒原料或氮氧化钒和铁原料在进入第一步和/或第二步的窑炉之前被充分混合并压制成粒径大于1cm的球块。
进一步的是，所述的第一步在900℃温度以下在通有所述的还原气氛的窑炉中将钒原料预还原氮化1~48h得到所述的氮氧化钒。
进一步的是，所述的窑炉为推板窑、隧道窑、回转窑中的一种；或者所述的窑炉为中频炉、电弧炉、竖炉中的一种。
进一步的是，所述的铁元素和钒元素的质量配比优选的在0.01~1之间。
进一步的是，在所述的第一步或者第二步过程中，通过将电通入所述的铁原料和钒原料或氮氧化钒物料，利用所述的铁原料和钒原料或氮氧化钒物料料堆作为电阻发热进行加热以达到所述的温度。
进一步的是，在所述的第一步中得到的所述的氮氧化钒，其氧含量小于等于2%。
进一步的是，在所述的压球过程中，加入氧化钒、水玻璃、二氧化硅水凝胶中的一种或一种以上的混合物作为粘接剂。
与已有技术相比，本发明具有如下优点：
1) 对于高化合价钒氧化物原料，用氢气或氨气作为还原剂时，还原反应起始温度低，大概在300℃就开始反应，预还原效果好；在850℃以下，用氨气作为所述还原气氛的情况下，可以得到部分氮化的氮氧化钒中间产物，其中氧含量甚至可以低至2%以下。良好的预还原和氮化，使得高温处理时间可以大为缩短，提高第二步高温处理设备的产能，降低能耗。
2) 无碳质还原剂，因此也没有碳排放，避免了CO或CO2污染排放。
3) 产品兼具密度高、氮含量高、氧含量低、不含碳的优点。
4) 可以采用生产氮化钒用的推板窑或者直热式回转窑(中国专利ZL201310245310.5中披露的一种电加热回转窑)设备进行大批量生产；特别是铁含量比较高的时候，比如产品中铁含量超过10%的情况下，高温生产过程中，物料特别容易粘接和/或开裂，采用直热式回转窑可以避免这些问题。
下面结合实施例对本发明予以说明。
实施例1
将1000kg粉状五氧化二钒(纯度98.23％)、20kg氧化铁皮(过200目筛，铁含量~70%)加入混料机中混合30分钟，然后转入轮碾机中，加入150kg去离子水，搅拌碾压2h，用对滚压球机压制成直径约3cm的原料球块。将该原料球块装入竖炉中，竖炉最高温度控制在850℃左右，原料球块在300~850℃温度区间停留8h，得到含8.1%O、12.3%N的氮氧化钒中间产物。将此中间产物放入石墨坩埚中，然后将石墨坩埚推入推板窑中。推板窑中通入氨气和氮气作为保护气氛，气体流动方向与石墨坩埚移动方向相反。将装有氮氧化钒料球的石墨坩埚在2h内升温到1250℃以上，并在1250~1550℃温度区间停留6h，然后冷却到100℃以下出窑，制备得到的氮化钒铁，含77.3%V、17.5%N、1.9%Fe、1.0%O、0.01%C，其余未分析。
实施例2
将1000kg粉状五氧化二钒(纯度98.23％)、100kg氧化铁皮(过200目筛，铁含量~70%)加入混料机中混合30分钟，然后转入轮碾机中，加入150kg去离子水，搅拌碾压2h，用对辊压球机压制成直径约3cm的原料球块。将该原料球块装入竖炉中，竖炉最高温度控制在850℃左右，原料球块在300~850℃温度区间停留8h，得到含9.7%O、10.5%N的氮氧化钒中间产物。将该中间产物放入轮碾机中碾压1h，加入20kg水玻璃和100kg水，继续碾压30分钟，然后在对辊压制成约3cm大小的中间料球。将该中间料球加入直热式回转窑中，该中间料球以大致相同的运动速度依次经过直热式回转窑的升温段、加热段和降温段。加热段温度范围为1350~1550℃，原料球块在加热段约停留3h，然后逐步降温到100℃以下出料。直热式回转窑中通入氨气和氮气作为保护气氛，氨气流量10m3/h、氮气流量40m3/h。在直热式回转窑内，保护气氛气体流动方向与原料球块移动方向相反。制备得到的氮化钒铁，含68.6%V，18.7%N，8.7%Fe，0.49%O，C未检出，其余未分析。产品球块的表观密度约4.0g/ml，产品球块之间无粘接现象，表面无明显裂纹。产品中氮和钒的质量比为N：V= 0.272，非常接近VN的0.275的理论比值，可能是分析误差或者是加入了20kg水玻璃的原因，因为水玻璃大部分成份为二氧化硅，可能在反应条件下生成了Si3N4，提高了产品中的氮含量。工艺过程中直热式回转窑部分吨产品电耗约1630kWh。

Claims (8)

1.一种制备氮化钒铁的方法，其特征在于：制备所述的氮化钒铁的整个还原、氮化和密度强化过程分为以下两步进行：
第一步在1100℃温度以下在通有还原气氛的窑炉中将钒原料预还原氮化得到氮氧化钒；
第二步在1150℃~1850℃温度区间在通有保护气氛的窑炉中将所述的氮氧化钒和铁原料高温处理得到氮化钒铁；
所述的钒原料为：钒化合价大于+2价的钒氧化物、钒酸铵、偏钒酸铵、多钒酸铵、红钒、草酸氧钒中的一种或一种以上的混合物，或以上一种或一种以上的混合物与其它无机钒化合物的混合物；
所述的铁原料为：铁单质、铁氧化物、无机铁盐、草酸铁或亚铁、甲酸铁或亚铁中的一种或一种以上的混合物；
所述的还原气氛为：氨气、氨气和氮气、氨气和氢气、氢气和氮气四种组合中的一种，或为含氢和氮的物质在所述的窑炉中分解生成的氨气、氨气和氮气、氨气和氢气、氢气和氮气四种组合中的一种；
所述的保护气氛为：氮气、氨气、氨气和氮气、氨气和氢气、氢气和氮气五种组合中的一种，或为含氮和/或氢的物质在所述的窑炉中分解生成的氮气、氨气、氨气和氮气、氨气和氢气、氢气和氮气五种组合中的一种；
所述的铁原料，在所述的第一步之前加入钒原料中或在所述的第一步之后、所述的第二步之前加入所述的氮氧化钒中，铁元素和钒元素的质量配比在0.001~1.2之间；
压球过程：所述的钒原料或氮氧化钒和铁原料在进入第一步和/或第二步的窑炉之前被充分混合并压制成粒径大于1cm的球块。
2.根据权利要求1所述的一种制备氮化钒铁的方法，其特征在于：所述的第一步在900℃温度以下在通有所述的还原气氛的窑炉中将所述的钒原料预还原氮化1~48h得到所述的氮氧化钒。
3.根据权利要求1和2中任意一项所述的一种制备氮化钒铁的方法，其特征在于：所述的窑炉为推板窑、隧道窑、回转窑中的一种。
4.根据权利要求1和2中任意一项所述的一种制备氮化钒铁的方法，其特征在于：所述的窑炉为中频炉、电弧炉、竖炉中的一种。
5.根据权利要求1~4中任意一项所述的一种制备氮化钒铁的方法，其特征在于：所述的铁元素和钒元素的质量配比优选的在0.01~1之间。
6.根据权利要求1~5中任意一项所述的一种制备氮化钒铁的方法，其特征在于：在所述的第一步或者第二步过程中，通过将电通入所述的铁原料和钒原料或氮氧化钒物料，利用所述的铁原料和钒原料或氮氧化钒物料料堆作为电阻发热进行加热以达到所述的温度。
7.根据权利要求1~6中任意一项所述的一种制备氮化钒铁的方法，其特征在于：在所述的第一步中得到的所述的氮氧化钒，其氧含量小于等于2%。
8.根据权利要求1~7中任意一项所述的一种制备氮化钒铁的方法，其特征在于：在所述的压球过程中，加入氧化钒、水玻璃、二氧化硅水凝胶中的一种或一种以上的混合物作为粘接剂。
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