CN1297677C - 氮化钒合金连续生产的工艺及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于钢铁冶金领域，涉及氮化钒合金的生产。本发明氮化钒合金连续生产的工艺，其工艺流程包括配料、混碾料、压制成型、烘干、还原氮化，成品精整加工。原料组成配比为V₂O₅60-85%，碳质还原料12-30%，液态粘结剂3-15%。原料经混合、成型和烘干后，装入还原氮化竖式电炉中。先后通过预热、预还原、还原氮化，使V₂O₅加碳球团料最终还原氮化生成氮化钒合金。由于本发明可由V₂O₅加碳球团连续生产出氮化钒合金，故产品质量稳定，生产效率高，成本低。

Description

氮化钒合金连续生产的工艺及其装置

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，涉及氮化钒合金的生产方法及其装置。

背景技术

钒是生产微合金化钢最常用的也是最有效的强化元素之一，氮是含钒钢中一种经济有效的合金化元素。

钒、氮微合金化技术充分地利用了廉价的氮元素，并优化了钒的析出，更好地发挥了细晶强化和沉淀强化作用，显著地提高了钢的强度。更具有实用众值的是采用钒、氮微合金化，在低钒量下获得较高的强度，明显地节约了含钒量，降低了钢的生产成本。钒氮微合金化技术在高强度钢筋、非调质钢等长形材产品开发中已得到成熟的应用。如在3级钢筋生产中，通过采用钒氮微合金化技术，已批量制得了HRB400一级抗震钢筋，产品质量优良，合金化成本降低了40％。钒氮合金作为一种高强度低合金钢最经济有效的钒、氮添加剂，具有很好的应用价值，因而倍受人们的关注。

在现有技术中，钒氮合金的制备均以V₂O₃为原料，采用真空还原方法制备出碳化钒，生产的碳化钒再进行渗氮，或非真空法制备出氮化钒，即钒氮合金。南非的Vametco Minerals Corpration和我国攀枝花钢铁公司均是采用上述原料和方法生产氮化钒的，这些方法能生产出合格的氮化钒，但存在如下不足之处：

1、V₂O₃不是提钒加工的原始钒氧化物。它是将以V₂O₅为主要成分的黑钒和红钒(粉钒)或多钒酸铵预先还原成V₂O₃。然后以V₂O₃作为制备氮化钒的原料。即整个氮化钒是在两套设备中分别完成的，因其效率低，设备投资大，制造成本高。

2、上述两个公司所采用的制备氮化钒的方法，从严格的冶金过程概念讲，都不是连续的生产方法。而是单炉式的或遂道窑中单罐式的生产过程。不仅生产效率低，而且产品的成分很难控制严格一致(即很不稳定)，特别是经常出现设备故障时，更为如此。

上述两个公司为什么不直接使用V₂O₅原料呢？因为V₂O₅在升温条件下被气体还原成V₂O₃的过程中，难于克服V₂O₅的熔化及由此带来的球团烧(粘)结技术难题。但却可利用制备氮化钒过程中，V₂O₃原料中残存的V₂O₅熔化烧结来提高合金球团的密度和强度。以致没有连续化生产氮化钒生产工艺。

发明内容

本发明的目的在于提供一种投资小，设备简单，生产效率高，产品成分稳定的氮化钒合金连续生产的工艺及装置。

针对上述目的，本发明的技术方案如下：

本发明氮化钒合金连续生产的工艺，其工艺流程包括粉料配料、混碾、压块成型、烘干、还原碳化和氮化，产物的精整加工。现分述如下：

(1)粉状原料配料

原料由V₂O₅(即黑钒粉料或红钒)、碳质还原料、液态粘结剂组成。

原料的组成配比(wt％)为：V₂O₅60-g5％，碳质还原料12-30％，液态粘结剂3-15％。

在上述原料中，V₂O₅采用常用的黑钒粉(V₂O₅≥98.5％)、红钒(V₂O₅≥99％)中任一种或两者之和。

碳质还原料为石墨粉、本炭粉、优质石油焦中一种或任两种以上之和。

粘结剂选用用水稀释或溶解的糖浆原液、水玻璃、腐蚀酸类型多功能粘结剂、聚乙烯醇树脂或糖浆废液中任一种或任两种以上之和。

(2)混碾

按生产技术工艺配比要求，将分别称重的粉状V₂O₅、石墨粉装入混碾机初步混合，并在加入粘结剂后完成混匀搅拌、润湿闷料的工序加工。

(3)压制成型

将混匀闷好的混合料，利用强力压制成型机将其压制成扁球团，球团直径φ20-50mm、高度15-35mm。

(4)烘干

将压制成型的球团放入烘干炉中进行烘干，烘干温度100-200℃，烘干时间0.5-3小时。成型的生球团经烘干处理，干球团的抗压强度达到80kg/球以上，以适合于在还原氮化竖式电炉中还原氮化过程的工艺要求。

(5)还原氮化处理

经烘干处理的成型球团，可连续地进入还原氮化竖式电炉中，进行还原氮处理。该还原氮化竖式电炉分为两段，前段为V₂O₅的预还原段，后段为V₂O₃的还原氮化段。V₂O₅加碳球团首先预热段进入预还原段。该球团中的V₂O₅被炉气中的CO进行预还原反应，预还原区的温度为400-800℃。预还原过程的反应方程式为：

                 ，

其中CO来自还原氮化段球团在还原氮化过程中的产物。

通过上述反应后，V₂O₅直至生成V₂O₃。此后V₂O₃球团在运行中逐步被加热，并进入还原氮化段，该段的温度范围为1000-1500℃。预还原段和还原氮化段之间存在一个温度过渡区。

球团中的V₂O₃与C发生碳热还原反应生成碳化钒，其反应式为：

             

             

在还原氮化段下部不断通入氮气的条件下，V₂O₃可按下面反应式生产VN化合物。

             

在还原氮化段的下部，由于温度高，且有足量的C和N₂存在，上述三个反应均能快速进行。已经生成的V₂C也能与N₂反应，并可生成VC和VN。直至完成整个氮化钒的生成。氮化钒合金是氮化钒和碳化钒的共生体的统称，其化学式为VCxNy(x+y＝1)。

整个预还原和还原氮化过程所需热能，由炉内安放的电阻合金丝及感应圈通过电加热转化的热能提供。

本发明氮化钒合金连续生产的装置由料仓、混碾机、压制成型机、烘干炉、料斗、还原氮化竖式电炉、炉外冷却排料装置，成品精整加工设备、耐火材料内衬、电阻合金丝(22)和感应圈(23)电加热体，组成。其中料仓，混碾机、压制成型机、烘干机和料斗通过传送带顺序相连。料斗与还原氮化竖式电炉的入料口相对相通。炉外冷却排料装置与还原氮化竖式电炉的强制冷却段相连相通。排料口紧接炉外冷却排料装置，并通过传送带与成品精加工设备相连。还原氮化竖式电炉设有排气口。将炉内残余N₂、CO和CO₂引出炉外。炉外冷却排料装置上设有N₂入口，将N₂引入连续还原氮化竖式电炉，用于合金氮化的气源。

还原氮化竖式电炉包括入料口、耐火材料内衬、电阻合金丝(22)和感应圈(23)电加热体、预热区、预还原区、还原氮化区、强制冷却区。入料口设在该炉的上部，并与料斗相通，预热区紧邻入料口，预热区下方则是预还原区，其后紧接还原氮化区，下方则是强制冷却区，强制冷却区与炉外冷却排料装置相接相通。

采用本发明所述的氮化钒合金连续生产的工艺及装置，能生产质优价廉的氮化钒合金，而且由于可实现连续化生产，故生产效率高，成本低。

与现有技术相比，本发明具有如下优点：

1、本发明直接以V₂O₅为原料，省去了现有技术中以V₂O₃为原料时，先将V₂O₅还原成V₂O₃的工艺及设备，大大地节约了热能和省去了还原气体的额外消耗，降低了消耗和生产成本。

2、本发明是连续生产氮化钒合金，其生产工艺易于控制，不仅氮化钒合金成分均匀稳定，而且产品质量更稳定，令用户放心使用。

3、生产效率提高。

4、设备投资少，有利于合金生产企业采用。

现结合附图对本发明作进一步说明。

附图说明

图1为本发明氮化钒合金连续生产的装置的结构示意图。

具体实施方式

从图1可看出，本发明氮化钒合金连续生产的装置由料仓1、2、3、混碾机4、压制成形机5、烘干炉6、料斗7、还原氮化竖式电炉8，炉外冷却排料装置14，成品精整加工设备16、传递带19和20组成。其中还原氮化竖式电炉8包括入料口9、预热段10、预还原段11、还原氮化段12、强制冷却段13、耐火材料内衬(21)、电阻合金丝22和感应圈23电加热体，。入料口9设在该炉的上部，与料斗7相对相通，预热段10紧邻入料口9，预热段10下方则是预还原段11，其后紧接还原氮化段12，下方则是强制冷却段13。在整个氮化钒合金的连续生产装置中，料仓1、2、3、混碾机4、压制成型机5、烘干炉6和料斗7通过传递带19顺序相连。其中料斗7与连续还原氮化竖式电炉8的入料口9相通。炉外冷却排料装置14与还原氮化炉8的强制冷却区段13相连相通，排料口15处于炉外冷却排料装置14的下方，并通过传送带20与成品精整设备16相连。另外，在还原氮化竖式电炉8的顶部设有排气口。炉外冷却排料装置14处设有N₂入口。料仓1、2、3均在出口处设有计量器具，其中料仓1存放V₂O₅。料仓2设有3个料斗，分别存放碳质还原料中的石墨、木炭、石油焦，而料仓3设有多个罐式容器，分别存放各种类型的液态粘结剂。

本发明氮化钒合金连续生产的过程如下：

首先，通过料仓1、2、3出口处的计量器，并按照氮化钒的原料组成和配比配备原料，原料配备好后经传送带进入混碾机4中，边混合、边碾湿闷料，直至原料混合均匀，湿混合料送入压制成型机5，压制成扁球团，压制好的球团经烘干炉6进行烘干，烘干后的球团经传送带进入料斗7中，料斗7中的球团通过入料口9进入还原氮化竖式电炉8中，球团处于紧邻入料口9的预热段10，在此被炉内上升的热气流预热；球团经预热后紧接着进入预还原段11，由下部还原氮化段12上升的CO和N₂组成混合气体，对球团进行预还原，将V₂O₅还原成V₂O₃；V₂O₅还原成的V₂O₃加碳球团随后进入高温还原氮化段。在这里，球团中V₂O₃被球团内与之紧密接触的碳质还原料进行直接还原。同时被由炉外冷却排料装置14进入的氮气N₂氮化，最终生成氮化钒合金VCxNy，完成全部氮化钒合金的生产过程。制取氮化钒时N₂的消耗量，约700nm³/t。还原氮化竖式电炉的下部，N₂始终维持正压，以便克服料层阻力、能顺利穿过炉内料柱。整个预还原和还原氮化过程中产生的废气(较大量的N₂，CO₂和少量的CO)从炉顶的排气口排出，进入回收系统。

实施例

根据本发明所述的生产工艺，在本发明所述氮化钒合金连续生产的装置上，试制了4批氮化钒合金。所配备的4批原料组成及配比如表1所示。原料配备后，经混碾、压制成型和烘干，球团进入料斗。球团的尺寸，烘干参数列入表2中，球团从料斗经入料口进入还原氮化竖式电炉，先后经预热段、预还原段进入还原氮化段。预还原段、还原氮化段的温度范围，以及进入还原氮化竖式电炉的氮气流量列入表3中。最终经还原氮化段的还原氮化制取氮化钒。氮化钒经强制冷却段并通过炉外冷却排料装置进行冷却成为氮化钒合金料。四批成品合金料中3批精整加工成合金压块，1批则制成合金包芯线。4批成品形式也列入表3中。对4批成品进行了取样化验，测出的氮化钒合金的化学成分如表4所示。

表1  实施例原料组分及配比(wt％)

注：红钒中V₂O₅≥99％，黑钒中V₂O₅≥98.5％

表2  实施例球团尺寸和烘干参数

表3  实施例预还原区，还原氮化区温度范围

表4  实施例氮化钒成品的化学成分(wt％)

注：其它包括氧、铁、镁等

Claims (6)

1、一种氮化钒合金连续生产的工艺，其工艺流程包括粉状原料配料、混碾、压块成型、烘干、还原氮化处理，成品精整加工几个工序，其特征在于：

(1)原料由V₂O₅、碳质还原料、液态粘结剂组成，原料的组成配比(wt％)为：V₂O₅60-85％，碳质还原料12-30％，液态粘结剂3-15％；

(2)压制成型的混合料扁球团，其直径为φ20-50mm，高度H15-35mm；

(3)混合料压制球团需进行烘干处理，烘干温度100-200℃，烘干时间0.5-3小时；

(4)还原处理是在一个两段式可连续生产的还原氮化竖式电炉中进行，前段为V₂O₅的预还原段，后段为V₂O₃的还原氮化段。预还原段的温度范围为400-800℃，还原氮化段的温度范围为1000-1500℃，两段之间存在一个温度过渡区；

(5)预还原段V₂O₅还原为V₂O₃利用了还原氮化段还原氮化过程中所产生的CO；

(6)终还原成品VCxNy可压制成块状或包制成合金芯线。

2、根据要求1所述的生产工艺，其特征在于V₂O₅为黑钒或红钒中任一种或两者的混合物。

3、根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于碳质还原料为石墨粉、木炭粉或优质石油焦中任一种或任两种以上的混合物。

4、根据权利要求1所述的生产工艺，其特征在于粘结剂选用糖浆原液、水玻璃、腐蚀酸类型的多功能粘结剂、聚乙烯醇树脂或糖浆废液中任一种或任两种以上的混合物。

5、如权利要求1所述的一种氮化钒合金的连续生产装置，其特征在于它由料仓(1、2、3)、混碾机(4)、压制成型机(5)、烘干炉(6)、料仓(7)、还原氮化竖式电炉(8)、炉外冷却排料装置(14)、成品精整加工设备(16)、和传送带(19、20)组成，料仓(1、2、3)、混碾机(4)、压制成型机(5)、烘干炉(6)和料斗(7)通过传送带(19)顺序相连，其中料斗(7)与还原氮化竖式电炉(8)的入料口(9)相通，炉外冷却排料装置(14)与还原氮化竖式电炉(8)下部的强制冷却区(13)相连相通，炉外冷却排料装置(14)的下方设有排料口(15)，并通过传送带(20)与成品精整加工设备(16)相连。

6、根据权利要求5所述的连续生产装置，其特征在于还原氮化竖式电炉(8)包括入料口(9)、预热区(10)、预还原区(11)、还原氮化区(12)、强制冷却区(13)、耐火材料内衬(21)、电阻合金丝(22)和感应圈(23)电加热体，预热区(10)紧邻入料口(9)，还原氮化竖式电炉的下方则是强制冷却区(13)、它与炉外冷却排料装置(14)相连。

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