CN1562770A - 一种氮化钒的生产方法及设备 - Google Patents
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Abstract
一种氮化钒的生产方法及设备。本发明属于钒合金技术领域，特别是涉及一种在工业上间歇式生产氮化钒的方法及其设备。目的是提供一种用研磨后成粉末状的钒氧化物和碳质粉剂为原料加入粘结剂，采用工业微波炉加热生产氮化钒，这种新的生产方法和设备热效率高，加热时间短，易于控制，能显著降低生产过程的能耗。特征是将含钒氧化物与活性碳或石墨粉、粘结剂按比例混匀、压块、成型，将成型后物料置入特制的工业微波加热炉中，不断抽气，保持真空度，预还原，碳化，氮化，自然冷却后出炉为产品，产品主要用作各种含钒合金钢的添加剂。主要优点是采用微波加热，间歇式生产。热效率高，耗能少。
Description
技术领域
本发明属于钒合金技术领域，特别是涉及一种在工业上间歇式生产氮化钒的方法及设备。
背景技术
国内外已有的氮化钒制备方法有：(1)美国专利US3745209提出，以五氧化二钒或偏钒酸铵为原料，氢气、氮气和天然气的混合气体，或氨、氮气与天然气，氨与一氧化碳的混合气体为还原气体和渗氮气体，在流动床或回转管中连续制得含V74.2-78.7％，N4.2-16.2％，C6.7-18.0％的氮化钒。还原温度为800-1200℃，900-1100℃最佳。此方法的缺点是：还原效率低，还原和氮化气体消耗大；产品为粉状，不能直接加入炼钢炉中。(2)P·K·Tripathy等人在“preparation of vanadium nitride and itssubsequent metalliazation by thermal decomposition”(《Journal of Alloys andCompounds》V209，№1-2，Jul 1994，page175-180)一文中提出，以VC与V2O5或V2O5与碳粉为原料，加粘结剂在180Mpa下压块成型，在700-800℃下预还原，然后在1500℃和0.1pa真空度下还原，最后通入氮气渗氮制得氮化钒。缺点为加热时间长，能耗较高。(3)美国专利US3334992提出，将V2O3和铁粉及碳粉混匀后压成块，在1385℃和22.7pa真空度下还原60小时，先得到碳化钒，再分别在1100℃和1000℃下分别渗氮2小时和6小时，制得含V78.7％，N7.3％，C10.5％的氮化钒。此方法的缺点是：生产周期长，产量低，能耗大。(4)美国专利US4562057提出，将五氧化二钒或偏钒酸铵在氨与氮气或氢气的混合气氛下，于675-700℃下预还原1小时得到低价钒氧化物，再在950℃下同时进行还原和渗氮3-4小时得到含氧3-20wt％的氮氧钒。将氮氧钒与磨碎的含碳物料混合，在惰性或含氮气氛下或真空炉内高温处理，得到含C2-6％的氮化钒，此方法的缺点是：要将生成的中间物氮氧钒取出与含碳物料混合后再还原渗氮得到氮化钒，工序较长，生产效率低，相应能耗高。(5)北京科技大学王功厚等人用五氧化二钒和活性炭在实验室用高温真空钼丝炉内先制得碳化钒，再在1400℃下渗氮1.5小时，得到含V81.22％，N9.069％，C6.65％的氮化钒。该方法仅为实验室结果。(6)攀枝花钢铁集团公司以粉末状的三氧化二钒和石墨为原料，加聚乙烯醇水溶液为粘结剂，混匀后压块、成型。再将成型后的物料连续加入推板窑中，同时通入氮气或氨气作反应和保护气体，于1000-1800℃反应2-6小时制得含V77-81％，N1-8％的氮化钒。此外由于高温下炉衬易变形和发生氮化而损坏，导致生产不稳定。(7)南非Vametco矿物公司的氮化钒(Nitrovan)生产工艺是将三氧化二钒与碳和粘结剂混合制成团，在真空炉内先制成碳化钒，再通入氮气渗氮。最后在真空或惰性气氛下冷却，得到化学式为VCxNy(x+y＝1)的“Nitrovan”产品。该工艺为国外唯一商业化生产氮化钒的方法。采用真空电加热炉，能耗较高。同时，在氮化钒的生产设备方面，还没有采用工业微波炉的先例。
发明内容
本发明的目的是提供一种用研磨后成粉末状的钒氧化物和碳质粉剂为原料加入粘结剂，采用工业微波炉加热生产氮化钒，这种新的生产方法和设备热效率高，加热时间短，易于控制，能显著降低生产过程的能耗。本发明是通过如下方式实现的：一种氮化钒的生产方法，是先将片状的V2O5或V2O3和石墨或活性碳磨至120目90％以下，混匀后再加入粘结剂搅拌均匀；混合物料经压块成型后加热，保持真空，在控制温度条件下，经预还原、碳化、氮化三个阶段，最终制得氮化钒的方法，其特征在于：(a)混合物料经压块成型后是采用工业微波炉加热；(b)是间歇式生产；(c)加热过程分为三段，即预还原、碳化、氮化三个阶段：相应过程控制条件为：预还原阶段：温度保持在600-700℃，真空度保持在1.067×104-25pa，时间0.5-1小时；碳化阶段：温度1300-1500℃，真空度保持在1.067×104-25pa，时间1-3小时；氮化阶段：温度900-1250℃，压力105pa，时间2-4小时；加热完后产品在炉内自然冷却至200℃以下出炉。氮化钒生产中加热设备工业微波炉，它具有保温砖砌成的炉体1，其内为微波炉膛4，顶部有微波输入导管2，炉体1侧有观察口3，其特征在于该炉膛4内有盛物料的活动坩埚5，该坩埚5的底部有氮气分布板6，移动小车8上有充氮气管7伸入坩埚5底部，炉体1外一侧有推动装卸物料的移动小车8及其轨道。氮化钒生产所用粘结剂为水玻璃或1-5％的羧甲基纤维素水溶液。生产原料采用V2O3时省去预还原阶段。加热完后产品在炉内是在N2保护下自然冷却至200℃以下。所述的氮化钒的生产中加热设备工业微波炉，其特征在于炉体1所用保温砖和坩埚5所用耐火砖是采用不吸收微波材料；上述保温砖为硅酸盐或高铝泡沫砖，耐火砖为高铝空心球或刚玉砖。充氮气管7所用渗氮气体为N2。它有氮化钒生产的加料、出料及加热温度时间、炉内压力等工艺参数的PLC自动控制系统；和坩埚5置于活动的移动小车8上，进出炉体1、装卸料在炉体1外进行的自动控制系统。本发明的优点如下：(1)由于微波加热是通过电磁能量以波的形式渗透到介质的内部引起介质损耗而发热，无须经过热传导，因此热效率高，耗电量只有普通真空电加热炉的十分之一。(2)微波加热升温速率快，加热时间大幅缩短，因此节省能源，生产效率也显著提高。(3)由于微波加热为介质内部损耗而发热，因此只有与物料接触的局部区域为高温区，其余地方温度显著降低，因此采用较薄的保温层即可使炉壁温度保持在常温，无须冷却措施。设备使用寿命显著延长。(4)由于无须经过热传导加热，因此炉体制作可以简化，真空易于维持，设备易于操作和控制。本发明最大特点是采用微波加热，其次是间歇式生产。采用微波加热热效率高，加热时间与以往采用的间歇式真空加热炉相比，可从十几小时至数十小时减少至3.5-8小时，耗电量是普通真空加热炉的十分之一。采用间歇式生产易于真空条件的实现，有利于碳化和氮化的进行。产品主要用作各种含钒合金钢的添加剂。
附图说明
图1是本发明设备工业微波炉的结构示意图。
具体实施方式
现结合附图对本发明作进一步的详细说明。参照图1，
实施例1：
将900kg纯度为98.56％的已磨成120目的90％的V2O5粉、332kg石墨粉及1％的羧甲基纤维素水溶液125kg混匀后压成φ80×30mm的块。再将料块放入坩埚5中，由控制系统自动推入微波炉中。炉门关闭、密封后，真空系统开始启动、抽气。当真空度达到40pa时，开始加热，在650℃预还原1小时，然后在1400℃碳化2小时。碳化结束后停止抽气，通入氮气，在1000℃渗氮2小时。加热结束后，产品在炉内自然冷却至180℃时自动出炉，得到617kg表观密度为3810g/cm3，含V78.32％，N12.22％，C6.41％，O1.55％的氮化钒。
实施例2：
将700kg纯度为98.32％的已磨成120目90％的V2O5粉、250kg石墨粉及1％的羧甲基纤维素水溶液88kg混匀后压成φ80×30mm的块。再将料块放入坩埚5中，由控制系统自动推入微波炉中。炉门关闭、密封后，真空系统开始启动、抽气。当真空度达到100pa时，开始加热，在600℃预还原0.5小时，然后在1300℃碳化1.5小时。碳化结束后停止抽气，通入氮气，在1100℃渗氮2.5小时。加热结束后，产品在炉内自然冷却至170℃时自动出炉，得到486kg表观密度3570g/cm3，含V77.89％，N9.05％，C8.15％，O3.25％的氮化钒。
实施例3：
将1000kg纯度为98.17％的已磨成200目80％的V2O5粉、333kg石墨粉及1％的羧甲基纤维素水溶液130kg混匀后压成φ80×30mm的块。再将料块放入坩埚5中，由控制系统自动推入微波炉中。炉门关闭、密封后，真空系统开始启动、抽气。当真空度达到30pa时，开始加热，在680℃预还原1小时，然后在1450℃碳化2小时。碳化结束后停止抽气，通入氮气，在1200℃渗氮3.5小时。加热结束后，产品在炉内自然冷却至150℃时自动出炉，得到682kg表观密度为4170g/cm3，含V79.28％，N13.34％，C5.07％，O0.81％的氮化钒。
上述应用本发明的生产方法及设备制得的氮化钒产品含V76-80％，N7-14％，C5-12％，表观密度为3100-4200g/cm3。
Claims (8)
1、一种氮化钒的生产方法，是先将片状的V2O5或V2O3和石墨或活性碳磨至120目90％以下，混匀后再加入粘结剂搅拌均匀；混合物料经压块成型后加热，保持真空，在控制温度条件下，经预还原、碳化、氮化三个阶段，最终制得氮化钒的方法，其特征在于：
(a)混合物料经压块成型后是采用工业微波炉加热；
(b)是间歇式生产；
(c)加热过程分为三段，即预还原、碳化、氮化三个阶段：相应过程控制条件为：预还原阶段：温度保持在600-700℃，真空度保持在1.067×104-25pa，时间0.5-1小时；碳化阶段：温度1300-1500℃，真空度保持在1.067×104-25pa，时间1-3小时；氮化阶段：温度900-1250℃，压力105pa，时间2-4小时；加热完后产品在炉内自然冷却至200℃以下出炉。
2、氮化钒生产中加热设备工业微波炉，它具有保温砖砌成的炉体[1]，其内为炉膛[4]，顶部有微波输入导管[2]，炉体[1]一侧有观察口[3]，其特征在于该炉膛[4]内有盛物料的活动坩埚[5]，该坩埚[5]的底部有氮气分布板[6]，移动小车[8]上有充氮气管[7]伸入坩埚[5]底部，炉体[1]外一侧有推动装卸物料的移动小车[8]及其轨道。
3、根据权利要求1所述的氮化钒的生产方法，其特征在于氮化钒生产所用粘结剂为水玻璃或1-5％的羧甲基纤维素水溶液。
4、根据权利要求1或3所述的氮化钒的生产方法，其特征在于生产原料采用V2O3时省去预还原阶段。
5、根据权利要求1或3或4所述的氮化钒的生产方法，其特征在于加热完后产品在炉内是在N2保护下自然冷却至200℃以下。
6、根据权利要求2所述的氮化钒的生产中加热设备工业微波炉，其特征在于炉体[1]所用保温砖和坩埚[5]所用耐火砖是采用不吸收微波材料；上述保温砖为硅酸盐或高铝泡沫砖，耐火砖为高铝空心球砖或刚玉砖。
7、根据权利要求2或6所述的氮化钒生产中加热设备工业微波炉，其特征在于充氮气管[7]所用渗氮气体为N2。
8、根据权利要求2或6或7所述的氮化钒生产中加热设备工业微波炉，其特征在于它有氮化钒生产的加料、出料及加热温度时间、炉内压力等工艺参数的PLC自动控制系统；和坩埚[5]置于活动的移动小车[8]上，进出炉体[1]、装卸料在炉体[1]外进行的自动控制系统。
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