一種可規(guī)模生產高純釩氮合金的工藝的制作方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種可規(guī)模生產高純釩氮合金的工藝，屬于冶金技術領域。
【背景技術】
[0002]我國是世界上最大的鋼鐵生產國，也是世界上最大的鋼材消費國。但是在鋼材中使用最多的是低碳結構鋼，約占鋼材使用量的70%，因此提高普碳鋼的強度是促進我國鋼鐵工業(yè)技術進步，進行鋼鐵結構調整的重要方向。其解決的方法是加大合金化鋼一添加高純釩氮合金。采用釩氮合金化，不需要再添加其它貴重的合金元素，在一般熱乳條件下就可獲得屈服強度為550?600Mpa級的高強度鋼，因此在高強度鋼筋等長材和鋼板(帶)、厚板、厚壁型鋼、無縫鋼管、CSP等產品的開發(fā)中獲得了廣泛的應用。
[0003]1998年美國戰(zhàn)略礦物公司在我國的鋼鐵行業(yè)進行釩氮合金化技術開發(fā)及其專利產品釩氮合金的推廣應用，國內一些鋼廠在生產HRB400級鋼筋生產中進行了應用試驗，國內的研究單位及一些大鋼廠對鋼中添加釩氮合金對鋼材力學性能的影響及強化機制進行了大量研究，結果表明:釩氮合金中的氮作為廉價的合金元素與釩一起加入鋼中后，不但可以生產出性能更好，更穩(wěn)定的HRB400MpaIII級螺紋鋼筋及V-N鋼材，同時還可以節(jié)約30-40 %釩的加入量，大大降低了鋼材成本。美方宣稱，美國是唯一可商業(yè)生產釩氮合金的國家，但此項技術不外傳。國內企業(yè)經過攻關試驗后，目前已可大批量生產釩氮合金，但目前我國釩氮合金產品的產量滿足不了國內生產高強度鋼筋等鋼材所需。我們從2003年開始采用自蔓延高溫合成技術研制與生產氮化釩鐵，并在國內一些大鋼廠成功應用于V-N鋼的生產，使用效果相當或優(yōu)于美國釩氮合金。
[0004]自蔓延高溫合成技術是前蘇聯(lián)科學院化學物理所在1967年研究火箭固體燃料時發(fā)現(xiàn)的，其合成原理是先利用外部所提供的極少量能量，誘發(fā)粉末或粉末坯塊中異類物質間的高放熱化學反應，以形成反應前緣的燃燒波，此后的合成反應在自身放熱的支持下再誘發(fā)鄰近物料的繼續(xù)化學反應自持燃燒，直到全部物料反應完畢而合成所需成分和結構的化合物材料。自蔓延高溫合成技術的優(yōu)勢是節(jié)能(合成過程不需外加能源)、高效(合成速度極快)、環(huán)保(合成過程無污染物排出)、高質(成分穩(wěn)定、純度高)。自蔓延高溫合成技術是當前合成領域的高技術，在上世紀80年代末，我國許多單位開展了這方面的研究。
[0005]自蔓延高溫合成在合成過程中無需外部熱源，故熱力學計算的重點在于討論其反應的可能性，它是討論自蔓延高溫合成過程的基礎，而根據熱力學公式直接計算出的該合成反應絕熱燃燒溫度(Tad)，又是表征燃燒合成的重要參數(shù)，對于自蔓延高溫合成的理論研究及應用都有重要意義。預測自蔓延高溫合成過程實現(xiàn)可能性最可信賴的方法是計算給定混合體系的絕熱燃燒溫度，它是判斷燃燒合成反應能否自我維持的定性依據。自蔓延高溫合成工藝創(chuàng)始人Merzhanov等提出一些通用的經驗判據[《燃燒合成》1999:P.56]:只有Tad> 1800K時，自蔓延高溫合成反應才能自持續(xù)進行。對于銀金屬或銀合金原料的氮化，主要是通過銀和氮的反應來計算絕熱燃燒溫度，鑰^氮化合物合成反應的絕熱燃燒溫度為3500K，即使是銀鐵原料其絕熱燃燒溫度也接近Merzhanov等提出Tad > 1800K經驗值的要求。例如2010年09月08日，中國發(fā)明專利申請公布號CN101824556A，公開了一種采用自蔓延高溫合成工藝生產氮化銀鐵的方法，原料為銀鐵及氮氣，首先將原料銀鐵在磨料設備內破碎，將破碎好的釩鐵原料干燥后散裝于坩鍋內，將坩鍋置于高壓合成器內并充入6-12MPa的氮氣，啟動點火裝置引燃原料進行合成反應，燃燒合成反應自持續(xù)進行，燃燒合成的氮化釩鐵在氮氣中冷卻后取出，破碎成塊。但合成產品中氮含量僅為9.0?17.0%，存在氮含量低17%)，碳硫硅等雜質含量高等問題，嚴重影響鋼材增氮量及性能。而氮含量(彡17%)釩氮合金與普通的低氮釩氮合金相比可以更有效促進提高鋼材的強度、韌性、延展性、抗疲勞性等性能及進一步降低銀的使用量節(jié)省成本。而降低銀氮合金中的碳硫娃等雜質則可降低在煉鋼添加釩氮合金時帶入過多外在雜質，影響鋼材的性能。

【發(fā)明內容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術問題是:提出一種可規(guī)模生產高純釩氮合金的工藝，將粗級偏釩酸銨直接為釩氮合金原料而不以釩鐵等高價釩產品為原料，利用自蔓延低溫燃燒反應自身放熱進行氮化，反應時間短，能耗與成本低，可以大規(guī)模生產；生產的氮釩合金高氮高純，氮含量多17%。氮含量優(yōu)于美國VN合金。
[0007]根據本發(fā)明提出的要求，本發(fā)明所采用的技術方案是:一種可規(guī)模生產高純釩氮合金的工藝，利用自蔓延高溫合成技術，以粗級偏釩酸銨為原料，直接摻混炭粉，點火，由NH4VO3中的NH 4+促進氮合，在高溫下滲氮；具體步驟是:反應前，將粗級偏釩酸銨和炭粉混合充分，裝入一個個石墨坩禍中；這些石墨坩禍成層疊狀態(tài)放入密閉合成容器中；啟動點火裝置引燃原料進行合成反應，燃燒合成高純釩氮合金；所產生的水蒸氣和一氧化碳從密閉合成容器的上方經排氣閥排出；當釩氮化反應溫度達到1500°C -1520°C ;調節(jié)控制排氣閥使密閉合成容器中的氣體壓力為2-3Mpa，燃燒合成反應自持續(xù)進行；反應完全后，高純釩氮合金在石墨坩禍中通氮氣冷卻后取出，破碎成塊。
[0008]上述的粗級偏釩酸銨和炭粉混合中，炭粉加入量為粗級偏釩酸銨總重量的11%-15%ο
[0009]本發(fā)明的創(chuàng)新點和有益效果是:
本發(fā)明為高純釩氮合金的生產提供了一種新的選擇，本發(fā)明直接利用粗級偏釩酸銨為原料摻混炭粉，由NH4VO3中的NH4+促進氮合，在高溫下滲氮；本發(fā)明利用排氣閥控制密閉合成容器中的合成壓力為2-3Mpa，合成過程中釩氮合金內的H2O和CO的排出受限，而變得緩慢，不會連續(xù)從釩氮合金體表面同一位置涌出而形成氣縫，因此本發(fā)明最終產品釩氮合金的表面裂紋少，改善其表面質量，從而提高其產品質量。
[0010]與CN101824556A工藝相比，本發(fā)明方法具有如下優(yōu)點:
1、本發(fā)明將粗級NH4VO3直接為釩氮合金原料而不以V205等高價釩產品為原料，原料來源較易獲得；既可利用顯^03中的NH 4+促進氮合，又節(jié)省大量成本；
2、本發(fā)明合成過程中除炭粉外，無其它助還原或加熱的物料加入，可大大降低產品中的雜質，且無三廢排放，產品質量高；
3、本發(fā)明利用自蔓延低溫燃燒反應自身放熱可以實現(xiàn)釩與氮兩物料反應充分，從而實現(xiàn)合金的高含氮量，并保證產品質量均勻、穩(wěn)定。而且整個反應合成過程不用電加熱和保溫，節(jié)約了能源和工序，易于控制，設備加工和安裝方便。使用自蔓延低溫燃燒新技術還可以使合成周期不足50分鐘，遠短于現(xiàn)有技術反應時間，大大提高生產效率，可以大規(guī)模生產；
4、本發(fā)明采用排氣閥控制密閉合成容器中的合成壓力而控制最終產品釩氮合金的表面氣縫；使燃燒合成工藝制備的產品強度較大，在材料運輸及使用中幾乎無破碎，從而降低了材料的損耗率；
5、采用燃燒合成工藝，無論是初合成爐料還是最終產物都不需要壓塊。合成產品致密，比重大，可達6.5g/cm3，氮含量分布均勾，該產品高純f凡氮合金組成為:銀氮合金含V量^ 78%，釩氮合金含N量多17%，釩氮合金C含量< 5%，釩氮合金S含量< 0.1%，釩氮合金硅含量彡0.1%。
【具體實施方式】
[0011]本發(fā)明一種可規(guī)模生產高純釩氮合金的工藝:
一種可規(guī)模生產高純釩氮合金的工藝，利用自蔓延高溫合成技術，以粗級偏釩酸銨為原料，直接摻混炭粉，點火，由順^03中的NH 4+促進氮合，在高溫下滲氮；
NH4V03+C=VN+2H20 +CO ；
本發(fā)明炭粉加入量為粗級偏釩酸銨總重量的11%_15% ;反應前充分混合；裝入一個個石墨坩禍中，這些石墨坩禍成層疊狀態(tài)放入密閉合成容器中，啟動點火裝置引燃原料進行合成反應，燃燒合成高純釩氮合金；H20和CO從密閉合成容器的上方經排氣閥排出；當釩氮化反應溫度達到1500°C -1520°C ;調節(jié)控制排氣閥使密閉合成容器中的氣體壓力為2-3Mpa，燃燒合成反應自持續(xù)進行；反應完全后，高純釩氮合金在石墨坩禍中通氮氣冷卻后取出，破碎成塊。
[0012]如上所述，本發(fā)明提供一種可規(guī)模生產高純釩氮合金的工藝，現(xiàn)依法提出發(fā)明專利的申請；然而，以上的實施說明是本發(fā)明較佳實施例之一，并非以此局限本發(fā)明，是以，舉凡與本發(fā)明的特征等近似、雷同者，均應屬本發(fā)明的申請專利范圍之內。
【主權項】
1.一種可規(guī)模生產高純釩氮合金的工藝，利用自蔓延高溫合成技術，其特征是以粗級偏釩酸銨為原料，直接摻混炭粉，點火，由NH4VOA的NH 4+促進氮合，在高溫下滲氮；具體步驟是:反應前，將粗級偏釩酸銨和炭粉混合充分，裝入一個個石墨坩禍中；這些石墨坩禍成層疊狀態(tài)放入密閉合成容器中；啟動點火裝置引燃原料進行合成反應，燃燒合成高純釩氮合金；所產生的水蒸氣和一氧化碳從密閉合成容器的上方經排氣閥排出；當釩氮化反應溫度達到1500°C -1520°C ;調節(jié)控制排氣閥使密閉合成容器中的氣體壓力為2-3Mpa，燃燒合成反應自持續(xù)進行；反應完全后，高純釩氮合金在石墨坩禍中通氮氣冷卻后取出，破碎成塊。2.根據權利要求1所述的一種可規(guī)模生產高純釩氮合金的工藝，其特征在于:所述的粗級偏釩酸銨和炭粉混合中，炭粉加入量為粗級偏釩酸銨總重量的11%_15%。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種可規(guī)模生產高純釩氮合金的工藝，屬于冶金技術領域。本發(fā)明利用自蔓延高溫合成技術，以粗級偏釩酸銨為原料，直接摻混炭粉，點火，由NH4VO3中的NH4+促進氮合，在高溫下滲氮；反應完全后，高純釩氮合金在石墨坩堝中通氮氣冷卻后取出，破碎成塊。本發(fā)明反應時間短，能耗與成本低，可以大規(guī)模生產；生產的氮釩合金高氮高純，氮含量≥17%。氮含量優(yōu)于美國VN合金。
【IPC分類】C22C27/02, C22C35/00, C22C1/05
【公開號】CN105002386
【申請?zhí)枴緾N201510558364
【發(fā)明人】張春雨
【申請人】湖南眾鑫新材料科技股份有限公司
【公開日】2015年10月28日
【申請日】2015年9月6日