CN1422800A - 氮化钒的生产方法 - Google Patents
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Abstract
一种氮化钒的生产方法,是将粉末状的钒氧化物、碳质粉剂和粘结剂混合均匀后压块、成型,再将成型后的物料连续加入制备炉中,同时向制备炉通入氮气或氨气作反应和保护气体,制备炉需要加热到1000～1800℃,物料在该温度区域发生碳化和氮化反应,持续时间小于6h,出炉前要在保护气氛下冷却到100～250℃,出炉后即获得氮化钒产品,该产品为块状或颗粒状,其表观密度大于3000g/cm3。本发明制得的氮化钒可用作含钒合金钢和其它含钒合金的添加剂,与使用钒的铁合金相比,可以节约20～40%的钒,从而降低炼钢的生产成本。本发明具有下列优点:物料能连续式进出制备炉,提高了设备作业率和劳动生产率,降低了能耗,更适合于工业上大批量生产；制备炉在常压下工作,省去了真空设备。
Description
本发明属于钒合金技术领域，特别是涉及一种在工业上连续制取氮化钒的方法。
在制取氮化钒方法的现有技术中：1967年J.H.Downing等人在专利US3334992中提出的氮化钒制取方法是，在1385℃和22.7Pa真空度下进行碳还原60h，降温到1100℃，再向炉内送入氮气，并保持氮分压为P(N2)＝700～1000Pa。先恒温渗氮2h，然后将炉温调至1000℃再渗氮6h，在氮气氛中冷却到室温出炉，其产品的化学组成为：78.7％V、10.5％C、7.3％N。
1977年R.F.Merkert在专利US4040814中提出的氮化钒制取方法是：将V2O3与碳粉再配入适量的粘结剂压制成型，在1100～1500℃和13～40Pa真空度下进行还原，之后向炉内送入氮气，并保持炉内P(N2)＝101325Pa下进行氮化处理。为加速氮化过程，可采用炉内P(N2)由101325Pa到真空度13～40Pa反复五次处理方式，所得到产品的化学成分为：10.9％N、0.95％C、0.64％O。
1988年王功厚等人在“碳化钒、碳氮化钒生产工艺条件的实验室研究”，《钢铁钒钛》，1988，No.2，P.19文献中，提出了氮化钒制取方法，即用V2O5和活性炭压制成型，在1400℃和1.333Pa真空度条件下，用实验室的高温真空钼丝炉内先进行碳热还原制得碳化钒，随后通入氮气，在P(N2)＝101325Pa下渗氮1.5h，可得到86％V、7％C、9.069～9.577％N和2％O的氮化钒。
1994年P.K.Tri pathy等人在“Preparation of vanadium nitride and itssubsequent metallization by thermal decomposition”，《Journal of Alloysand Compounds》V209，No.1～2，Jul 1994，P 175～180文献中，提出的氮化钒制取方法是，将VC+V2O5或V2O5+碳粉粉混合均匀，加入粘结剂，在180MPa下压制成型，其样品尺寸10×10×10mm或20×20×20mm，在700～800℃下预还原，之后在1500℃和0.1Pa真空度下还原，在氮气氛下再渗氮制取氮化钒。
上述几种方法的缺点是：(1)需要真空系统，设备投资高，操作复杂；(2)间歇式一炉一炉地生产，生产周期长，劳动效率低。
1973年S.Middelhoek等人在专利US3745209中提出的氮化钒制取方法是：以V2O5或NH4VO3为原料，还原剂和氮化剂为H2、NH。天然气、CO和N2，按适当比例混合，在流动床或回转管中800～1200℃下边还原边氮化而制备含74.2～78.7％V，4.2～16.2％N，6.7～18.0％C，0.5～1.4％O的氮化钒。这种方法的缺点是：还原剂的利月率非常低，消耗大，还原效率低；产品为粉末状；表观密度低，不能直接用来作为炼钢添加剂。
1985年J.B.Goddard等人专利US4562057中提出的氮化钒制取方法是，以高价钒氧化物V2O5或NH4VO3等为原料，以混合气体(N2+NH3或N2+H2)为还原剂及氮化剂，先在675～700℃下预还原1h，将低熔点的高价钒氧化物还原成低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，可获得含氧为3～20wt％氮氧钒产品。再将之与含碳物料混合，在惰性或氮气氛下或真空炉内1400℃高温处理，制得含碳7％的氮化钒。这种方法的缺点是：要先制取含氧为3～20wt％氮氧钒产品，工序长；间歇式一炉一炉地生产，生产周期长，劳动效率低。
本发明的目的是，提供一种用粉末状的钒氧化物和碳质粉剂为原料，物料能连续进入一座制备炉中，从而连续生产氮化钒的方法。该方法可以缩短生产周期，充分利用能源，大幅度提高生产效率，降低生产成本。
本发明是通过下述的技术方案实现的：
氮化钒的生产方法，是先将粉末状的钒氧化物、碳质粉剂和粘结剂混合均匀后压块、成型再将成型后的物料加入制备炉中，同时制备炉中通入保护气体，制备炉需加热到一定的温度区域，物料在该温度区域发生碳化和氮化反应，最终生成氮化钒的方法，其特征在于：物料是连续式进出制备炉的；制备炉内部是用含氮的中性或还原性气体作为反应和保护气体，并使该炉内始终保持微正压，即炉内压力稍高于大气压；把物料加热到1000～1800℃，物料在此温度区域运动时间为2～6h，随后冷却到一定的温度以下自动出炉。
进一步的是，所述的钒氧化物是V2O5、VO2、V2O3或VO的一种或者是它们的混合物。
进一步的是，所述的制备炉为推板窑或隧道窑，窑的内衬、推板或推车是由碳质材料制成。
更进一步的是，所述的碳质材料是石墨。
进一步的是，所述的粘结剂是含2％聚乙烯醇的水溶液。
进一步的是，所述的制备炉内的压力为latm+10～100Pa。
进一步的是，所述的物料能连续式进入制备炉中是由PLC或PC机控制的，同时由PC机自动采集、记录与存储生产及相关工艺参数。
进一步的是，所述的保护气体是N2或NH3或者是它们的混合气。
进一步的是，所述的物料出炉前的冷却方法是在保护气氛下自然冷却或用水在设备外壳间接冷却，冷却到100～250℃。
利用本发明的技术方案制备的氮化钒产品含77～81％V，1～8％N，0.1～0.5％O，其表观密度达到3000～4300g/cm3。
与已有技术相比，本发明具有如下明显的优点：
1、物料是连续式进出电加热设备的，提高了设备作业率和劳动生产效率，降低了能耗，更适合于工业上大批量生产。
2、所用的推板窑或隧道窑等加热设备工作在常压下，省去了真空设备。
3、工艺、设备进一步简化，操作进一步简单，显著降低了投资和生产成本。
4、产品质量稳定。
现结合实施例说明本发明的具体技术解决方案：
实施例1
把744kg含钒62.26％的钒氧化物粉、217kg碳粉、145L含2％聚乙烯醇的水溶液混合均匀后压块、成型，再将成型后的物料置于推板窑的进料仓里，这样物料由PLC控制、自动进出推板窑，同时向推板窑内部通入氮气，使推板窑压保持10～30Pa的微正压，物料在1530℃温度区域停留3h后随炉温冷却段冷却到150℃自动出炉，得到了含78.5％V、14.65％N、4.996％C、0.35％O、S＜0.01％、0.008％P的587Kg氮化钒，其产品表观密度3850g/cm3。
实施例2
把1050kg含钒64.90％的钒氧化物粉、284kg碳粉、201L含2％聚乙烯醇的水溶液混合均匀压块、成型，再将成型后的物料置于推板窑的进料仓里，这样物料由PLC控制、自动进出推板窑，同时向推板窑内部通入氮气，使推板窑压保持20～40Pa的微正压，物料在1480℃温度区域停留3.5h后随炉温冷却段冷却到130℃自动出炉，得到了含78.41％V、11.03％N、7.54％C、0.42％0、S＜0.01％、0.008％P的856Kg氮化钒，其产品表观密度3630g/cm3。
实施例3
把800kg含钒60.71％的钒氧化物粉、258kg碳粉、160L含2％聚乙烯醇的水溶液混合均匀压块、成型，再将成型后的物料置于推板窑的进料仓里，这样物料由PLC控制、自动进出推板窑，同时向推板窑内部通入氮气，使推板窑压保持30～50Pa的微正压，物料在1450℃温度区域停留5.5h后随炉温冷却段冷却到110℃自动出炉，得到了含79.33％V、13.16％N、6.12％C、0.21％O、S＜0.01％、0.010％P的609Kg氮化钒，其产品表观密度3210g/cm3。
实施例4
把1080kg含钒63.83％的钒氧化物粉、347kg碳粉、217L含2％聚乙烯醇的水溶液混合均匀压块、成型，再将成型后的物料置于推板窑的进料仓里，这样物料由PLC控制、自动进出推板窑，同时向推板窑内部通入无水NH3(氨气)，使推板窑压保持30～50Pa的微正压，物料在1600℃温度区域停留3h后随炉温冷却段冷却到250℃自动出炉，得到了含77.71％V、10.19％N、8.81％C、1.35％O、S＜0.01％、0.010％P的880Kg氮化钒，其产品表观密度4300g/cm3。
Claims (9)
1、氮化钒的生产方法，是先将粉末状的钒氧化物、碳质粉剂和粘结剂混合均匀后压块、成型，再将成型后的物料加入制备炉中，同时制备炉通入保护和反应气体，制备炉需加热到一定的温度区域，物料在该温度区域发生碳化和氮化反应，最终生成氮化钒的方法，其特征在于：
(1)物料是连续式进出制备炉的；
(2)制备炉内部是用含氮的中性或还原性气体作为反应和保护气体，并使该炉内始终保持微正压，即炉内压力稍高于大气压；
(3)把物料加热到1000～1800℃，物料在此温度区域反应的持续时间为2～6h，随后冷却到一定的温度以下自动出炉。
2、根据权利要求1所述的氮化钒的生产方法，其特征在于：所述的钒氧化物是V2O5、VO2、V2O3或VO的一种或者是它们的混合物。
3、根据权利要求1所述的氮化钒的生产方法，其特征在于：所述的制备炉为推板窑或隧道窑，窑的内衬、推板或推车是由碳质材料制成。
4、根据权利要求3所述的氮化钒的生产方法，其特征在于：所述的碳质材料是石墨。
5、根据权利要求1所述的氮化钒的生产方法，其特征在于：所述的粘结剂是含2％聚乙烯醇的水溶液。
6、根据权利要求1或3所述的氮化钒的生产方法，其特征在于：所述的制备炉内的压力为1atm+10～100Pa。
7、根据权利要求1所述的氮化钒的生产方法，其特征在于：所述的物料能连续式进入制备炉中是由PLC或PC机控制的，同时由PC机自动采集、记录与存储生产及相关工艺参数。
8、根据权利要求1所述的氮化钒的生产方法，其特征在于：所述的保护气体是N2或NH3或者是它们的混合气。
9、根据权利要求1所述的氮化钒的生产方法，其特征在于：所述的物料出炉前的冷却方法是在保护气氛下自然冷却或用水在设备外壳间接冷却，冷却到100～250℃。
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