一種制備高氮高純釩氮合金的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種制備高氮高純釩氮合金的方法，屬于冶金技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]我國(guó)是世界上最大的鋼鐵生產(chǎn)國(guó)，也是世界上最大的鋼材消費(fèi)國(guó)。但是在鋼材中使用最多的是低碳結(jié)構(gòu)鋼，約占鋼材使用量的70%，因此提高普碳鋼的強(qiáng)度是促進(jìn)我國(guó)鋼鐵工業(yè)技術(shù)進(jìn)步，進(jìn)行鋼鐵結(jié)構(gòu)調(diào)整的重要方向。其解決的方法是加大合金化鋼一添加高氮高純釩氮合金。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(qiáng)度為550?600Mpa級(jí)的高強(qiáng)度鋼，因此在高強(qiáng)度鋼筋等長(zhǎng)材和鋼板(帶)、厚板、厚壁型鋼、無(wú)縫鋼管、CSP等產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中獲得了廣泛的應(yīng)用。
[0003]1998年美國(guó)戰(zhàn)略礦物公司在我國(guó)的鋼鐵行業(yè)進(jìn)行釩氮合金化技術(shù)開(kāi)發(fā)及其專(zhuān)利產(chǎn)品釩氮合金的推廣應(yīng)用，國(guó)內(nèi)一些鋼廠在生產(chǎn)HRB400級(jí)鋼筋生產(chǎn)中進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)，國(guó)內(nèi)的研究單位及一些大鋼廠對(duì)鋼中添加釩氮合金對(duì)鋼材力學(xué)性能的影響及強(qiáng)化機(jī)制進(jìn)行了大量研究，結(jié)果表明:釩氮合金中的氮作為廉價(jià)的合金元素與釩一起加入鋼中后，不但可以生產(chǎn)出性能更好，更穩(wěn)定的HRB400MpaIII級(jí)螺紋鋼筋及V-N鋼材，同時(shí)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(chēng)，美國(guó)是唯一可商業(yè)生產(chǎn)釩氮合金的國(guó)家，但此項(xiàng)技術(shù)不外傳。國(guó)內(nèi)企業(yè)經(jīng)過(guò)攻關(guān)試驗(yàn)后，目前已可大批量生產(chǎn)釩氮合金，但目前我國(guó)釩氮合金產(chǎn)品的產(chǎn)量滿(mǎn)足不了國(guó)內(nèi)生產(chǎn)高強(qiáng)度鋼筋等鋼材所需。我們從2003年開(kāi)始采用自蔓延高溫合成技術(shù)研制與生產(chǎn)氮化釩鐵，并在國(guó)內(nèi)一些大鋼廠成功應(yīng)用于V-N鋼的生產(chǎn)，使用效果相當(dāng)或優(yōu)于美國(guó)釩氮合金。
[0004]自蔓延高溫合成技術(shù)是前蘇聯(lián)科學(xué)院化學(xué)物理所在1967年研究火箭固體燃料時(shí)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(lèi)物質(zhì)間的高放熱化學(xué)反應(yīng)，以形成反應(yīng)前緣的燃燒波，此后的合成反應(yīng)在自身放熱的支持下再誘發(fā)鄰近物料的繼續(xù)化學(xué)反應(yīng)自持燃燒，直到全部物料反應(yīng)完畢而合成所需成分和結(jié)構(gòu)的化合物材料。自蔓延高溫合成技術(shù)的優(yōu)勢(shì)是節(jié)能(合成過(guò)程不需外加能源)、高效(合成速度極快)、環(huán)保(合成過(guò)程無(wú)污染物排出)、高質(zhì)(成分穩(wěn)定、純度高)。自蔓延高溫合成技術(shù)是當(dāng)前合成領(lǐng)域的高技術(shù)，在上世紀(jì)80年代末，我國(guó)許多單位開(kāi)展了這方面的研究。
[0005]自蔓延高溫合成在合成過(guò)程中無(wú)需外部熱源，故熱力學(xué)計(jì)算的重點(diǎn)在于討論其反應(yīng)的可能性，它是討論自蔓延高溫合成過(guò)程的基礎(chǔ)，而根據(jù)熱力學(xué)公式直接計(jì)算出的該合成反應(yīng)絕熱燃燒溫度(Tad)，又是表征燃燒合成的重要參數(shù)，對(duì)于自蔓延高溫合成的理論研究及應(yīng)用都有重要意義。預(yù)測(cè)自蔓延高溫合成過(guò)程實(shí)現(xiàn)可能性最可信賴(lài)的方法是計(jì)算給定混合體系的絕熱燃燒溫度，它是判斷燃燒合成反應(yīng)能否自我維持的定性依據(jù)。自蔓延高溫合成工藝創(chuàng)始人Merzhanov等提出一些通用的經(jīng)驗(yàn)判據(jù)[《燃燒合成》1999:P.56]:只有Tad> 1800K時(shí)，自蔓延高溫合成反應(yīng)才能自持續(xù)進(jìn)行。對(duì)于銀金屬或銀合金原料的氮化，主要是通過(guò)銀和氮的反應(yīng)來(lái)計(jì)算絕熱燃燒溫度，鑰^氮化合物合成反應(yīng)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(jīng)驗(yàn)值的要求。例如2010年09月08日，中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利申請(qǐng)公布號(hào)CN101824556A，公開(kāi)了一種采用自蔓延高溫合成工藝生產(chǎn)氮化銀鐵的方法，原料為銀鐵及氮?dú)?，首先將原料銀鐵在磨料設(shè)備內(nèi)破碎，將破碎好的釩鐵原料干燥后散裝于坩鍋內(nèi)，將坩鍋置于高壓合成器內(nèi)并充入6-12MPa的氮?dú)猓瑔?dòng)點(diǎn)火裝置引燃原料進(jìn)行合成反應(yīng)，燃燒合成反應(yīng)自持續(xù)進(jìn)行，燃燒合成的氮化釩鐵在氮?dú)庵欣鋮s后取出，破碎成塊。但合成產(chǎn)品中氮含量?jī)H為9.0?17.0%，存在氮含量低17%)，碳硫硅等雜質(zhì)含量高等問(wèn)題，嚴(yán)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(jìn)提高鋼材的強(qiáng)度、韌性、延展性、抗疲勞性等性能及進(jìn)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(zhì)則可降低在煉鋼添加釩氮合金時(shí)帶入過(guò)多外在雜質(zhì)，影響鋼材的性能。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提出一種制備高氮高純釩氮合金的方法，將粗級(jí)偏釩酸銨直接為釩氮合金原料而不以釩鐵等高價(jià)釩產(chǎn)品為原料，利用自蔓延低溫燃燒反應(yīng)自身放熱進(jìn)行氮化，反應(yīng)時(shí)間短，能耗與成本低，生產(chǎn)的氮釩合金高氮高純，氮含量多17%。氮含量?jī)?yōu)于美國(guó)VN合金。
[0007]根據(jù)本發(fā)明提出的要求，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:
一種制備高氮高純釩氮合金的方法，利用自蔓延高溫合成技術(shù)；其特征在于以粗級(jí)偏釩酸銨為原料，直接通氫氣，由NH4VO3*的NH4+促進(jìn)氮合，在高溫下滲氮，NH4V03+H2=VN+3H20 ；
具體步驟是:先將粗級(jí)偏釩酸銨分別裝入一個(gè)個(gè)石墨坩禍中，再把這些石墨坩禍成層疊狀態(tài)放入密閉合成容器中，從最下層石墨坩禍的底部位置通入氫氣；啟動(dòng)點(diǎn)火裝置引燃原料進(jìn)行合成反應(yīng)，燃燒合成高氮高純銀氮合金；h2o從密閉合成容器的上方經(jīng)排氣閥排出；當(dāng)釩氮化反應(yīng)溫度達(dá)到1500°c -1520°C ;調(diào)節(jié)控制排氣閥使密閉合成容器中的水蒸氣壓力為2-3Mpa，燃燒合成反應(yīng)自持續(xù)進(jìn)行；反應(yīng)完全后，高氮高純釩氮合金在石墨坩禍中通氮?dú)饫鋮s后取出，破碎成塊。
[0008]本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)和有益效果是:
本發(fā)明為高氮高純釩氮合金的生產(chǎn)提供了一種新的選擇，本發(fā)明直接利用粗級(jí)偏釩酸銨為原料，直接通氫氣，由順^03中的NH 4+促進(jìn)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(guò)程中釩氮合金內(nèi)的H2O排出受限，而變得緩慢，不會(huì)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(chǎn)品釩氮合金的表面裂紋少，改善其表面質(zhì)量，從而提高其產(chǎn)品質(zhì)量。
[0009]與CN101824556A工藝相比，本發(fā)明方法具有如下優(yōu)點(diǎn):
1、本發(fā)明將粗級(jí)NH4VO3直接為釩氮合金原料而不以V205等高價(jià)釩產(chǎn)品為原料，原料來(lái)源較易獲得；既可利用顯^03中的NH 4+促進(jìn)氮合，又節(jié)省大量成本；
2、本發(fā)明合成過(guò)程中無(wú)其它助還原或加熱的物料加入，可大大降低產(chǎn)品中的雜質(zhì)，且無(wú)三廢排放，產(chǎn)品質(zhì)量高；
3、本發(fā)明利用自蔓延低溫燃燒反應(yīng)自身放熱可以實(shí)現(xiàn)釩與氮兩物料反應(yīng)充分，從而實(shí)現(xiàn)合金的高含氮量，并保證產(chǎn)品質(zhì)量均勻、穩(wěn)定。而且整個(gè)反應(yīng)合成過(guò)程不用電加熱和保溫，節(jié)約了能源和工序，易于控制，設(shè)備加工和安裝方便。使用自蔓延低溫燃燒新技術(shù)還可以使合成周期不足50分鐘，遠(yuǎn)短于現(xiàn)有技術(shù)反應(yīng)時(shí)間，大大提高生產(chǎn)效率；
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(chǎn)品釩氮合金的表面氣縫；使燃燒合成工藝制備的產(chǎn)品強(qiáng)度較大，在材料運(yùn)輸及使用中幾乎無(wú)破碎，從而降低了材料的損耗率；
5、采用燃燒合成工藝，無(wú)論是初合成爐料還是最終產(chǎn)物都不需要壓塊。合成產(chǎn)品致密，比重大，可達(dá)6.5g/cm3，氮含量分布均勻，該產(chǎn)品高氮高純釩氮合金組成為:釩氮合金含V量多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%，釩氮合金娃含量< 0.1%。
【具體實(shí)施方式】
[0010]本發(fā)明一種制備高氮高純釩氮合金的方法:
一種制備高氮高純釩氮合金的方法，利用自蔓延高溫合成技術(shù)，以粗級(jí)偏釩酸銨為原料，直接通氫氣，由順^03中的NH4+促進(jìn)氮合，在高溫下滲氮；
NH4V03+H2=VN+3H20 ；
本發(fā)明為固一氣反應(yīng)，它屬于“滲透燃燒合成”類(lèi)型。滲透燃燒合成是氫氣滲入NH4VO3中與氮原子發(fā)生放熱化學(xué)轉(zhuǎn)變和結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的過(guò)程；按目前NH4VO3的燃燒合成工藝，NH4VO3*所存含的氮原子足以維持釩氮化反應(yīng)之所需；
本發(fā)明的粗級(jí)偏釩酸銨分別裝入一個(gè)個(gè)石墨坩禍中，將這些石墨坩禍成層疊狀態(tài)放入密閉合成容器中，從最下層石墨坩禍的底部位置通入氫氣；啟動(dòng)點(diǎn)火裝置引燃原料進(jìn)行合成反應(yīng)，燃燒合成高氮高純銀氮合金；H20從密閉合成容器的上方經(jīng)排氣閥排出；當(dāng)隹凡氮化反應(yīng)溫度達(dá)到1500°c -1520°C ;調(diào)節(jié)控制排氣閥使密閉合成容器中的水蒸氣壓力為2-3Mpa，燃燒合成反應(yīng)自持續(xù)進(jìn)行；反應(yīng)完全后，高氮高純釩氮合金在石墨坩禍中通氮?dú)饫鋮s后取出，破碎成塊。
[0011]如上所述，本發(fā)明提供一種制備高氮高純釩氮合金的方法，現(xiàn)依法提出發(fā)明專(zhuān)利的申請(qǐng)；然而，以上的實(shí)施說(shuō)明是本發(fā)明較佳實(shí)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(yīng)屬本發(fā)明的申請(qǐng)專(zhuān)利范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種制備高氮高純釩氮合金的方法，利用自蔓延高溫合成技術(shù)；其特征在于以粗級(jí)偏釩酸銨為原料，直接通氫氣，由NH4VO3中的NH4+促進(jìn)氮合，在高溫下滲氮；具體步驟是:先將粗級(jí)偏釩酸銨分別裝入一個(gè)個(gè)石墨坩禍中，再把這些石墨坩禍成層疊狀態(tài)放入密閉合成容器中，從最下層石墨坩禍的底部位置通入氫氣；啟動(dòng)點(diǎn)火裝置引燃原料進(jìn)行合成反應(yīng)，燃燒合成高氮高純釩氮合金；H20從密閉合成容器的上方經(jīng)排氣閥排出；當(dāng)釩氮化反應(yīng)溫度達(dá)到1500°C -1520°C ;調(diào)節(jié)控制排氣閥使密閉合成容器中的水蒸氣壓力為2-3Mpa，燃燒合成反應(yīng)自持續(xù)進(jìn)行；反應(yīng)完全后，高氮高純釩氮合金在石墨坩禍中通氮?dú)饫鋮s后取出，破碎成塊。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明涉及一種制備高氮高純釩氮合金的方法，屬于冶金技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明利用自蔓延高溫合成技術(shù)；以粗級(jí)偏釩酸銨為原料，直接通氫氣，由NH4VO3中的NH4+促進(jìn)氮合，在高溫下滲氮，本發(fā)明的合成過(guò)程中無(wú)其它助還原或加熱的物料加入，可大大降低產(chǎn)品中的雜質(zhì)，且無(wú)三廢排放，產(chǎn)品質(zhì)量高。本發(fā)明產(chǎn)品致密，比重大，可達(dá)6.5g/cm3，氮含量分布均勻，釩氮合金含V量≥78%，釩氮合金含N量≥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≤0.1%。
【IPC分類(lèi)】C22C27/02, C22C1/10
【公開(kāi)號(hào)】CN105087994
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510558272
【發(fā)明人】張春雨
【申請(qǐng)人】湖南眾鑫新材料科技股份有限公司
【公開(kāi)日】2015年11月25日
【申請(qǐng)日】2015年9月6日