一種氮化錳產(chǎn)品的生產(chǎn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種氮化錳產(chǎn)品的生產(chǎn)方法，所述物料升溫階段或/和最高溫反應(yīng)階段結(jié)束后的降溫過(guò)程均分為兩個(gè)階段。進(jìn)一步具體地，具有以下任意一點(diǎn)或多點(diǎn)的結(jié)合：1）物料升溫分為兩個(gè)階段：初始升溫階段和持續(xù)加熱的階段；2）初始升溫階段在體系達(dá)到650℃～700℃時(shí)，就通入氮?dú)猓?）最高溫反應(yīng)階段結(jié)束后的降溫過(guò)程分為兩個(gè)階段，溫度高于650℃時(shí)的降溫速率為1～3℃/min，氮?dú)鈮毫Ρ３衷?.4MPa～1.0MPa，溫度降至650℃以下后，降溫速率為3℃/min～10℃/min，并關(guān)閉氮?dú)忾y門。通過(guò)該工藝生產(chǎn)的氮化錳產(chǎn)品的氮含量在8%～12%之間，且單批產(chǎn)品氮含量波動(dòng)小于±0.5%。
【專利說(shuō)明】一種氮化猛產(chǎn)品的生產(chǎn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氮化錳合金的冶煉工藝，具體屬于鐵合金冶金工程的【技術(shù)領(lǐng)域】?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]眾所周知:“無(wú)錳不成鋼”。鋼鐵工業(yè)對(duì)錳的需求量占到錳產(chǎn)量的909^95%。錳是煉鋼過(guò)程中重要的脫氧劑、脫硫劑以及合金化元素。錳能強(qiáng)化鐵素體和細(xì)化珠光體，故能提高鋼的強(qiáng)度和淬透性，因而可作為鋼的合金元素。錳主要以鐵合金的方式在冶煉過(guò)程中加入鋼液。近些年來(lái)，氮的作用也越來(lái)越受到人們的重視。比如:1、在多組分不銹鋼中，氮可以部分替代鎳的作用形成穩(wěn)定的奧氏體組織，改善鋼的宏觀組織，并與合金元素形成氮化物，從而提高鋼的強(qiáng)度、硬度、抗腐性和焊接性能；2、在新材料高氮鋼中，隨著氮含量的增加，鋼的屈服強(qiáng)度增加，加工硬化也顯著增加，高氮鋼的力學(xué)及腐蝕性能遠(yuǎn)優(yōu)于無(wú)氮鋼。由于氮?dú)庵苯蛹尤脘撍浅＠щy，而氮化錳產(chǎn)品能夠同時(shí)往鋼水中加入錳元素和氮元素，因此氮化錳產(chǎn)品越來(lái)越受到鐵合金行業(yè)的重視。
[0003]目前國(guó)內(nèi)氮化錳的生產(chǎn)工藝主要采用真空電熱爐批量加工的方式。例如CN102080169A、CN101082088A、CN1799991A、CN1803585A 等公布了的氮化錳系合金的制備方法，其共同的特點(diǎn)是:采用真空氮化爐，無(wú)內(nèi)膽框式批量裝入，控制過(guò)程中的溫度、壓力等參數(shù)來(lái)獲得氮化錳產(chǎn)品。這些方法的一個(gè)共同點(diǎn)是:大批量裝料，長(zhǎng)時(shí)間反應(yīng)及冷卻。這種方法的缺點(diǎn)是:1、因?yàn)榻饘馘i的氮化全程采用電加熱，所以能耗很高；2、由于在真空爐里有保溫層及耐火材料，導(dǎo)致爐內(nèi)裝料率低，設(shè)備龐大，氮?dú)鈮毫μ岣呃щy；3、冷卻時(shí)由于無(wú)法打開爐門(防止錳高溫氧化)，所以冷卻時(shí)間長(zhǎng)，效率低；4、爐體每次必須經(jīng)過(guò)冷卻才能再次裝料，導(dǎo)致爐體升溫 能量浪費(fèi)。
[0004]根據(jù)Mn-N相圖，氮在高溫(相中的溶解度是隨著溫度的降低而升高的，反之溫度升高而氮含量降低。另外根據(jù)Mn-N反應(yīng)動(dòng)力學(xué)理論，溫度的升高可以加快Mn-N體系的反應(yīng)速度。因此上述有些專利認(rèn)為一旦到達(dá)最高反應(yīng)溫度就是反應(yīng)結(jié)束的標(biāo)志，甚至有的在800°C就切斷了氮?dú)庠矗瑥亩斐捎捎诶鋮s過(guò)程中沒(méi)有充分的時(shí)間吸收氮，所以氮含量不高。一般這些工藝能夠達(dá)到的氮含量均低于7%。同樣由于沒(méi)有充分的反應(yīng)時(shí)間，導(dǎo)致反應(yīng)容器內(nèi)不同位置的金屬錳氮含量也不同，一般波動(dòng)范圍為49T7%。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是針對(duì)【背景技術(shù)】中的不足，本發(fā)明目的在于提供一種生產(chǎn)效率高、氮含量高、工藝可靠性高、能耗低的氮化錳產(chǎn)品的新方法。
[0006]為達(dá)到上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，本發(fā)明所述的一種氮化錳產(chǎn)品的生產(chǎn)方法，其特征在于，所述物料升溫階段或/和最高溫反應(yīng)階段結(jié)束后的降溫過(guò)程均分為兩個(gè)階段。
[0007]進(jìn)一步地，所述氮化錳產(chǎn)品的生產(chǎn)方法，其特征在于，具有以下任意一點(diǎn)或多點(diǎn)的
結(jié)合:1)物料升溫分為兩個(gè)階段，初始升溫階段和持續(xù)加熱階段:初始升溫階段采用的方式為:將金屬錳原料作為待反應(yīng)的物料裝入反應(yīng)罐中，并密閉反應(yīng)罐，把反應(yīng)罐裝入常壓天然氣加熱爐，控制爐溫1000±10°c ;當(dāng)物料溫度達(dá)到800°C、oo°c時(shí)，開始持續(xù)加熱階段，持續(xù)加熱階段的方式為:把反應(yīng)罐從天然氣爐取出并裝入壓力電熱爐并密封固定，持續(xù)加熱到 950 0C ~1000。。； 2)初始升溫階段在物料達(dá)到650°C~700°C時(shí)，就通入氮?dú)猓?br> 3)最高溫反應(yīng)階段結(jié)束后的降溫過(guò)程分為兩個(gè)階段，溫度高于650°C時(shí)的降溫速率為1~3°C /min，氮?dú)鈮毫Ρ３衷?.4MPa~1.0MPa，溫度降至650°C以下后，降溫速率為3°C /min~10°C /min,并關(guān)閉氮?dú)忾y門。
[0008]通過(guò)大功率升溫采用廉價(jià)的天然氣，而小功率保溫采用電，并且物料一達(dá)到氮化初始溫度就通入氮?dú)?，利用氮化反?yīng)熱幫助體系升溫，節(jié)約了能量；同時(shí)這種兩段式升溫也使得批量連續(xù)生產(chǎn)得以實(shí)現(xiàn)。
[0009]所述一種氮化錳產(chǎn)品的生產(chǎn)方法，具體包括如下步驟:
1)將金屬錳原料裝入反應(yīng)罐中，并密閉反應(yīng)罐，同時(shí)對(duì)反應(yīng)罐抽真空至絕對(duì)壓力50Pa~100Pa。這一步的特點(diǎn)是:金屬錳原料可以直接裝入密閉反應(yīng)罐中，不需要額外的托盤和框架；
2)通過(guò)初始升溫階段的方式使反應(yīng)罐內(nèi)的物料溫度升至650°C~70(TC，通入氮?dú)?，并保持反?yīng)罐內(nèi)壓力范圍為0.01MPa^0.03MPa。在金屬錳原料達(dá)到氮化反應(yīng)起始溫度時(shí)(6500C IO(TC)就通入氮?dú)?，充分利用氮化反?yīng)熱提高體系溫度，節(jié)約能源和縮短加熱時(shí)間，提高生產(chǎn)效率。選擇低壓可以避免損壞密閉反應(yīng)罐，延長(zhǎng)其使用壽命；
3)當(dāng)反應(yīng)罐內(nèi)的物料溫度達(dá)到800°C、00°C時(shí)，采用持續(xù)加熱階段的方式持續(xù)加熱至9500C~1000°C，同時(shí)讓壓力電熱爐內(nèi)壓力和反應(yīng)罐的壓力相同，并控制在0.4MPa^l.0MPa。較高的物料溫度和較高的氮?dú)鈮毫l件促進(jìn)氮化反應(yīng)快速進(jìn)行，從而提高生產(chǎn)效率。
[0010]4)在反應(yīng)罐內(nèi)物料溫度達(dá)到950°C~1000°C，氮?dú)鈮毫?.4MPa~1.0MPa時(shí)，且通入反應(yīng)罐的氮?dú)饬髁啃∮诜逯盗髁康?%時(shí)，控制溫度按照f(shuō) 3°C /min的降溫速率降溫，氮?dú)鈮毫θ匀槐３衷?.4MPa^l.0MPa的范圍。在穩(wěn)定的高溫壓力狀態(tài)下，當(dāng)流量下降至峰值流量的1%，說(shuō)明氮化反應(yīng)已經(jīng)基本趨于停止。以此流量值作為判定依據(jù)，觸發(fā)爐加熱程序開始按照f(shuō)3°C /min降溫速率降溫，經(jīng)過(guò)約2~4hr的降溫，氮含量仍然有廣2%的增重。這一步讓本發(fā)明的新工藝比傳統(tǒng)工藝的氮含量提高了廣2%。
[0011]5)當(dāng)反應(yīng)罐內(nèi)的物料的溫度降到650°C時(shí)，關(guān)閉氮?dú)忾y門，釋放壓力電熱爐的壓力至常壓，并把反應(yīng)罐取出，裝入冷卻井進(jìn)行水霧風(fēng)冷，控制降溫速率在:TC /mirTl(TC /min之間。在氮化反應(yīng)基本停止的650°C關(guān)閉氮?dú)?，并讓反?yīng)罐與壓力電熱爐分離，使得反應(yīng)罐在該溫度能夠很好的進(jìn)行快速冷卻，而不至于損壞容器影響壽命。而在冷卻井內(nèi)以水霧風(fēng)冷卻，相比傳統(tǒng)工藝的隨爐冷卻大大提高了降溫速度，從而顯著提高了生產(chǎn)效率。
[0012]6)當(dāng)反應(yīng)罐內(nèi)的物料的溫度降低到200°C以下時(shí)，泄壓打開反應(yīng)罐。全過(guò)程保持正壓避免了氧氣進(jìn)入反應(yīng)罐，提高了工藝的穩(wěn)定性。
[0013]7)倒出物料獲得氮化錳產(chǎn)品，精整入庫(kù)。
[0014]步驟2)中所用的升溫方式為把反應(yīng)罐裝入常壓天然氣加熱爐，控制爐溫1000±10°C，優(yōu)勢(shì)是:1、采用天然氣加熱，相比于電加熱降低了生產(chǎn)成本；2、該天然氣爐采用蓄熱式或者預(yù)熱式的方式進(jìn)行了熱能回收，進(jìn)一步降低了能耗，提高了能源利用率；3、由于反應(yīng)罐不需要隨爐冷卻，該天然氣爐可以一直保持高溫狀態(tài)，連續(xù)加熱后續(xù)反應(yīng)罐，所以爐子不需要為自身升降溫消耗能量和時(shí)間，大大提高了工藝的經(jīng)濟(jì)性和效率；
步驟3)中的溫度達(dá)到800°C、00°C時(shí)，持續(xù)加熱的方式為:把反應(yīng)罐從天然氣爐取出并裝入壓力電熱爐并密封固定，持續(xù)加熱到950°C~1000°C，優(yōu)勢(shì)是:當(dāng)體系溫度達(dá)到800°C以上，氮化反應(yīng)明顯增速，體系氮化反應(yīng)放出的熱量明顯增加，所需加熱功率明顯下降，此時(shí)只需要較低的保溫功率，此時(shí)反應(yīng)罐從大功率的天然氣爐轉(zhuǎn)入小功率的電熱爐，對(duì)應(yīng)的過(guò)程就是大功率升溫轉(zhuǎn)入小功率保溫，該過(guò)程設(shè)備利用合理，能源節(jié)約。
[0015]進(jìn)一步地，步驟I)所述金屬錳原料是電解金屬錳片、金屬錳粉、金屬錳球或金屬錳塊中的任意一種或多種的混合。
[0016]進(jìn)一步地，所述的金屬錳料，其特征在于:金屬錳球是由金屬錳片破碎后添加水玻璃壓力成型而成。
[0017]進(jìn)一步地，所述方法生產(chǎn)的氮化錳產(chǎn)品，其特征在于:氮的質(zhì)量含量范圍為89^12%，且單批產(chǎn)品氮含量波動(dòng)小于±0.5%。
[0018]本發(fā)明所述的氮化錳產(chǎn)品生產(chǎn)方法，相比于現(xiàn)有技術(shù)，具有如下優(yōu)勢(shì):
I)在氮化到達(dá)最高溫度后，開始冷卻過(guò)程中，采用受控冷卻的工藝控制冷卻速率和氮?dú)鈮毫?，從而保證在合適的溫度有足夠的時(shí)間吸收足夠的氮?dú)猓瑥亩沟i中的氮含量有提高的余地。相比傳統(tǒng)的冷卻不受控的工藝，提高了成品氮的含量，縮小了氮含量的波動(dòng)范圍，從而顯著提高了效益和質(zhì)量。
[0019]2)采用天然氣作為燃料，密封反應(yīng)罐作為載體，`實(shí)現(xiàn)了在常壓下隔絕氧氣預(yù)熱金屬錳原料至氮化反應(yīng)溫度800°C。相比傳統(tǒng)的全過(guò)程電加熱，大大降低了能源成本。
[0020]3)工藝設(shè)計(jì)緊湊合理，效率和效益顯著提高。物料預(yù)熱和高溫壓力氮化兩個(gè)階段通過(guò)天然氣爐和壓力電熱爐巧妙的實(shí)現(xiàn)了分離。大功率常壓預(yù)熱和小功率高溫壓力保溫，分工明確，工藝緊湊，可實(shí)現(xiàn)批量連續(xù)緊湊的生產(chǎn)，小時(shí)產(chǎn)量高，同時(shí)引入天然氣加熱降低了氮化成本。相比傳統(tǒng)工藝，在生產(chǎn)過(guò)程中，熱態(tài)設(shè)備不需要冷卻，所以節(jié)約能量。
[0021]4)冷卻快速，效率大增。由于采用密閉反應(yīng)罐，所以可以把反應(yīng)罐放入冷卻井采取快速冷卻，大大縮短了冷卻時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率。
[0022]5)本發(fā)明采用的是不添加添加劑的方法，所以更容易實(shí)現(xiàn)，而且沒(méi)有成本的增加和物料的污染的缺點(diǎn)。
【具體實(shí)施方式】
[0023]實(shí)施例1
一噸猛球原料裝入反應(yīng)罐中并密封，抽真空至絕對(duì)壓力IOOPa,并放入天然氣加熱爐，爐溫控制在1000± 10°C。經(jīng)過(guò)I小時(shí)，當(dāng)錳球中心溫度達(dá)到650°C時(shí)，破真空通入氮?dú)?，并控制氮?dú)鈮毫?.01MPa0當(dāng)錳球溫度達(dá)到800°C，把反應(yīng)罐裝入壓力電熱爐，密閉連接并固定，控制爐子功率使錳球中心溫度在950°C、60°C范圍之內(nèi)，同步控制壓力電熱爐和反應(yīng)罐內(nèi)壓力達(dá)到0.4MPa，1.0小時(shí)后氮?dú)饬髁拷禐榉逯盗髁康?.8%,開始降溫?？刂平禍厮俾蕿?.(TC /min，壓力仍然保持0.4MPa，經(jīng)過(guò)1.8小時(shí)后，溫度降至650°C。釋放壓力電熱爐壓力至常壓，并解除反應(yīng)罐連接，吊運(yùn)反應(yīng)罐至水霧冷卻井，高速冷卻。經(jīng)過(guò)0.8小時(shí)冷卻，物料中心溫度達(dá)到200度以下，泄壓開反應(yīng)罐，倒出物料，破碎裝箱。經(jīng)檢測(cè)，產(chǎn)物平均氮含量為8.1%，爐罐中心處氮含量為8.3%，爐罐壁處氮含量為8.0%，氮含量波動(dòng)小于±0.5%。
[0024]實(shí)施例2
一噸電解錳片原料裝入反應(yīng)罐中并密封，抽真空至絕對(duì)壓力50Pa，并放入天然氣加熱爐，爐溫控制在1000±10°C。經(jīng)過(guò)1.2小時(shí)，當(dāng)錳片中心溫度達(dá)到700°C時(shí)，破真空通入氮?dú)猓⒖刂频獨(dú)鈮毫?.02MPa。當(dāng)錳片溫度達(dá)到900°C，把反應(yīng)罐裝入壓力電熱爐，密閉連接并固定，控制爐子功率使錳球中心溫度在990°C~1000°C范圍之內(nèi)，同步控制壓力電熱爐和反應(yīng)罐內(nèi)壓力達(dá)到0.7MPa，2.0小時(shí)后氮?dú)饬髁拷禐榉逯盗髁康?%，開始降溫?？刂平禍厮俾蕿?.(TC /min，壓力仍然保持0.7MPa，經(jīng)過(guò)2.8小時(shí)后，溫度降至650°C。釋放壓力電熱爐壓力至常壓，并解除反應(yīng)罐連接，吊運(yùn)反應(yīng)罐至水霧冷卻井，高速冷卻。經(jīng)過(guò)1.5小時(shí)冷卻，物料中心溫度達(dá)到200度以下，泄壓開反應(yīng)罐，倒出物料，破碎裝箱。經(jīng)檢測(cè)，產(chǎn)物氮含量為10.2%。爐罐中心處氮含量為10.4%，爐罐壁處氮含量為9.8%，氮含量波動(dòng)小于±0.5%o
[0025]實(shí)施例3
一噸電解錳粉原料裝入反應(yīng)罐中并密封，抽真空至絕對(duì)壓力75Pa，并放入天然氣加熱爐，爐溫控制在1000±10°C。經(jīng)過(guò)1.3小時(shí)，當(dāng)錳粉中心溫度達(dá)到675°C時(shí)，破真空通入氮?dú)?，并控制氮?dú)鈮毫?.03MPa。當(dāng)錳片溫度達(dá)到850 V，把反應(yīng)罐裝入壓力電熱爐，密閉連接并固定，控制爐子功率使錳球中心溫度在970°C、80°C范圍之內(nèi)，同步控制壓力電熱爐和反應(yīng)罐內(nèi)壓力達(dá)到1.0MPa，3.0小時(shí)后氮?dú)饬髁拷禐榉逯盗髁康?.9%，開始降溫?？刂平禍厮俾蕿?.50C /min，壓力仍然保持1.0MPa，經(jīng)過(guò)3.5小時(shí)后，溫度降至650°C。釋放壓力電熱爐壓力至常壓，并解除反應(yīng)罐連接，吊運(yùn)反應(yīng)罐至水霧冷卻井，高速冷卻。經(jīng)過(guò)2.0小時(shí)冷卻，物料中心溫度達(dá)到200度以下，泄壓開反應(yīng)罐，倒出物料，破碎裝箱。經(jīng)檢測(cè)，產(chǎn)物氮含量為11.5%。爐罐中心處氮含量為11.8%，爐罐壁處氮含量為11.2%，氮含量波動(dòng)小于±0.5%o`
【權(quán)利要求】
1.一種氮化錳產(chǎn)品的生產(chǎn)方法，其特征在于，所述物料升溫階段或/和最高溫反應(yīng)階段結(jié)束后的降溫過(guò)程均分為兩個(gè)階段。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氮化錳產(chǎn)品的生產(chǎn)方法，其特征在于，具有以下任意一點(diǎn)或多點(diǎn)的結(jié)合: 1)物料升溫分為兩個(gè)階段，初始升溫階段和持續(xù)加熱階段；其中，初始升溫階段采用的方式為:將金屬錳原料作為待反應(yīng)的物料裝入反應(yīng)罐中，并密閉反應(yīng)罐，把反應(yīng)罐裝入常壓天然氣加熱爐，控制爐溫1000±10°c ;當(dāng)物料溫度達(dá)到800°C、00°C時(shí)，進(jìn)行持續(xù)加熱階段，持續(xù)加熱階段的方式為:把反應(yīng)罐從天然氣爐中取出并裝入壓力電熱爐并密封固定，持續(xù)加熱到9500C~1000。。； 2)初始升溫階段在物料達(dá)到650°C~700°C時(shí)，通入氮?dú)猓? 3)最高溫反應(yīng)階段結(jié)束后的降溫過(guò)程分為兩個(gè)階段，溫度高于650°C時(shí)的降溫速率為f 3°C /min，氮?dú)鈮毫Ρ３衷?.4MPa~1.0MPa，溫度降至650°C以下后，降溫速率為3°C /min~10°C /min,并關(guān)閉氮?dú)忾y門。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的氮化錳產(chǎn)品的生產(chǎn)方法，其特征在于，包括如下步驟: 1)將金屬錳原料裝入反應(yīng)罐中，并密閉反應(yīng)罐，同時(shí)對(duì)反應(yīng)罐抽真空至絕對(duì)壓力為50Pa~IOOPa； 2)通過(guò)初始升溫階段的方式使反應(yīng)罐內(nèi)的物料溫度升至650°C~70(TC，通入氮?dú)猓⒈３址磻?yīng)罐內(nèi)壓力范圍為0.01MPa~0.03MPa ； 3)當(dāng)反應(yīng)罐內(nèi)的物料溫度達(dá)到800°C、00°C時(shí)，采用持續(xù)加熱階段的方式持續(xù)加熱至9500C~1000°C，同時(shí)讓壓力電熱爐內(nèi)壓`力和反應(yīng)罐的壓力相同，并控制在0.4MPa^l.0MPa ； 4)在反應(yīng)罐內(nèi)物料溫度達(dá)到950`°C~1000°C，氮?dú)鈮毫?.4MPa~1.0MPa時(shí)，且通入反應(yīng)罐的氮?dú)饬髁啃∮诜逯盗髁康?%時(shí)，控制溫度按照f(shuō)3°C /min的降溫速率降溫，氮?dú)鈮毫θ匀槐３衷?.4MPa^l.0MPa的范圍； 5)當(dāng)反應(yīng)罐內(nèi)的物料的溫度降到650°C時(shí)，關(guān)閉氮?dú)忾y門，釋放壓力電熱爐的壓力至常壓，并把反應(yīng)罐吊出，裝入冷卻井進(jìn)行水霧風(fēng)冷，控制降溫速率在:TC /mirTl(TC /min之間； 6)當(dāng)反應(yīng)罐內(nèi)的物料的溫度降低到200°C以下時(shí)，泄壓打開反應(yīng)罐； 7)倒出物料獲得氮化錳產(chǎn)品，精整入庫(kù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的氮化錳產(chǎn)品的生產(chǎn)方法，其特征在于，步驟I)所述金屬錳原料是電解金屬錳片、金屬錳粉、金屬錳球或金屬錳塊中的任意一種或多種的混合。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氮化錳產(chǎn)品的生產(chǎn)方法，其特征在于，所述的金屬錳球是由金屬錳片破碎后添加水玻璃壓力成型而成。
6.根據(jù)權(quán)利1-5任一種方法所制備的氮化猛產(chǎn)品。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的氮化錳產(chǎn)品，其特征在于:氮的質(zhì)量含量范圍為89^12%，且單批產(chǎn)品氮含量波動(dòng)小于±0.5%。
【文檔編號(hào)】C22C29/18GK103614582SQ201310677353
【公開日】2014年3月5日 申請(qǐng)日期:2013年12月13日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月13日
【發(fā)明者】朱翔鷹, 翟玉春, 梅澤鋒, 梅平, 林一飛 申請(qǐng)人:東北大學(xué), 江蘇江南鐵合金有限公司