氮化钒合金生产

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1、氮化钒合金生产（钒渣-五氧化二钒-三氧化二钒-金属钒-钒铁-钒铝合金-碳氮化钒-钒电池）原创 邹建新 崔旭梅 李俊翰 教授等1 产品性能及用途碳化钒、氮化钒可用于结构钢、工具钢、管道钢、钢筋、普通工程钢以及铸铁中，是 两种重要的钒合金添加剂。钒产量的 80-90用于钢铁工业，其主要原因是钒同碳、氯 反应形成耐熔性碳、氮化物，根据钢的成分和钢处理过程的温度情况，这些化合物在钢中 能起沉淀硬化和晶粒细化的作用。因此，碳化钒、氮化钒合金在钒钢生产中起着日趋重要 的作用。已有的研究表明：碳化钒、氯化钒添加于钢中能提高钢的耐磨性、耐腐性、韧 性、强度、延展性和硬度以及抗热疲劳性等综合力学性能，并使钢具有

2、良好的可焊接性 能，而且能起到消除夹杂物延伸等作用。尤其是在高强度低合金钢中，氮化钒中含有碳， 比碳化钒更有利于促进富氮的碳、氯化钒的析出，从而更有效地强化和细化晶粒，节约含 钒原料，降低生产成本。另外，碳化钒还可作为制取金属钒的原料。由于氮化钒与碳化钒 在制造上存在较大难度，尚处于发展阶段，目前只有美国、南非、中国等可以生产，国内 仍处于进一步研发阶段。氮化钒又称“NITROVAN”，是一种既含钒，又含氮和碳的复合合金，是一种优良的 炼钢添加剂。氮化钒铁通过细化晶粒和沉淀强化作用，大幅度提高钢的强度和改善钢的韧 性等综合特性；加入氮化钒铁的钢筋具有成本低、性能稳定、强度波动小、冷弯、焊接性

3、能优良、基本无时效等特点；加入氮化钒铁无需改变国内钢铁企业目前 II 级螺纹钢的生产 工艺，对控温、控轧无特殊要求，尤其适合我国钢铁企业在现有生产设备和工艺条件下， 迅速实现螺纹钢产品由II级向III级、W级乃至V级螺纹钢的升级换代。氮化钒铁还广泛应 用与薄板坯连铸连轧高强度带钢、非调质钢、高强度H型钢、高速工具钢、高强度管线钢 等产品中，是通过微合金化提高钢的强度，改善和提高钢的韧性等综合性能的一条经济有效途径。 碳化钒熔点高、化学性能稳定性好，主要用来制造金属陶瓷、耐热合金和硬质合金。在 WC-CO 系硬质合金中加入 6%30%的碳化钛，愈 WC 形成 Ti-WC 固溶体，可明显提高 合金

4、的红热性、耐磨性、抗氧化性、抗腐蚀性等性能，逼 WC-Co 硬质合金更适于加工钢 材。也可以用 Ni-Mo 等合金做粘结剂制成无钨硬质合金，能提高车削速度和加工件的精 度、光洁度。钒和氮直接加入到低合金和高强度钢中，可降低成本，可靠的方法是加氮化钒。在氮气存在的条件下，钒形成富氮的碳氮化钒，与钒铁相比使用碳氮化钒有如下优点：a.比钒 铁更有效地强化和细化晶粒；b.减少钒的加入量可降低成本；c.有利钒和氮的利用；c.纯度 高；d.粒度均匀并便于包装。因此，由于它价格低廉而适用于作为许多含碳高强度钢的添加剂。工业上生产的氮化 钒和碳化钒产品如图5.7.1 所示。（a）煤球状氮化钒（b）碳化钒图 5

5、.7.1 氮化钒和碳化钒产品直观图2氮化钒制备方法简介 国内外工业化制取氮化钒的方法主要有如下几种：（1）原料为V2O3或偏钒酸铵，还原气体为H2、n2和天然气的混合气体或n2与天然 气，NH3与天然气，纯NH3气体或含20%（体积）C0的混合气体等，在流动床或回转管中 高温还原制取氮化钒，物料可连续进出。（2）用 V2O3 及铁粉和碳粉在真空炉内得到碳化钒后，通入氮气渗氮，并在氮气中冷 却，得到氮化钒。(3) 将V2O3和碳混好，在推板窑内加热、通入氮气渗氮，制得氮化钒。( 4 )原料为钒酸铵或氧化钒，与炭黑混合，用微波炉加热含氮或氨气氛下高温处理， 制得氮化钒。(5)在国内，北京科技大学用

6、五氧化二钒和活性炭在高温真空钼丝炉内先制得碳化钒 后通入氮气渗氮，得到氮化钒。工业上生产氮化钒的整体情况如下：(1) 生产氮化钒的原料：v2o3或多钒酸铵。(2) 生产氮化钒的辅料：还原剂(H2、N2和天然气的混合气体，或NH3与天然气的 混合气体)。( 3)最终产品：钒合金添加剂-煤球状氮化钒。( 4)生产氮化钒的主体设备：真空炉、流动床等。(5)生产氮化钒的工艺：真空还原法。3 氮化钒的制备原理用V2O3制取VNV2O3+N2=2VN+1.5O2AG s = 77362-72.67TAGs =0 时，开始反应温度 T=10646K=10373CV2O3+3C+N2=2VN+3COAGs=

7、430420-329.98TAGs =0时，开始反应温度T=1304K=1031CAG =430420+(19.143lgp3CO/pN2-329.98)T(2)用金属V制取VNV+0.5N2=VN AGs= -214640+82.43TAGs =0时，截止反应温度T=2604K=2331 CAG =-214640+ (82.43-9.5715lgpN2)T温度越高反应越难进行，依据上式计算得到的pN2与截止反应温度关系如表5.7.1。表 5.7.1 用金属 V 制取 VN 的截止反应温度与 pN2 的关系pN/ Pa截止反应温度T/ KpN/ Pa截止反应温度T/ K1.013X101177

8、81.013X10423331.013X10219311.013X10526041.013X10321131.013X1062946(3) 用 V2C 制取 VNV C+0.5N=VN+VC AG = -170340+88.663T22AGS =0时，截止反应温度T=1921K=1648CAGT=-170340+88.663T+19.143T lg(1/p0.5N2)= -170340+(88.66-9.5715lgpN2) T温度越高反应越难进行，依据上式计算得到的pN2与截止反应温度关系如表5.7.2。表 5.7.2 用 V2C 制取 VN 截止反应温度与 pN2 的关系pN/ Pa截止反

9、应温度T/ KpN/ Pa截止反应温度T/ K1.013X10113411.013X10417341.013X10214511.013X10519211.013X10315801.013X10621544 氮化钒的工业生产4.1 攀钢集团生产钒氮合金攀钢钒公司钒制品厂钒氮合金生产线从投产以来，经过多年的生产实践，其钒氮合金冶炼技术日趋完善，工艺先进，产品成本低，各项技术经济指标稳定。攀钢的钒氮合金与 国际先进国家使用性能基本相当，其化学成分和表观密度稳定，产品早已具备了国际竞争 力。攀钢钒氮合金冶炼厂采用攀钢自行研发的传统单道TBY窑，同时采用1座生产能 高、低成本的双道氮气保护推板窑，年产能

10、5000 t/a以上。随着技术进步和扩能改造，下 述各种技术指标也随之变化，各种参数仅具有相对参考价值。（1）主要原辅材料的消耗量及来源 三氧化二钒。主要原料为v2o3，来源于钒制品厂自产。 还原剂粉。还原剂粉外购供应，采用汽车运入厂内。（2）工艺流程车间组成钒氮合金生产线主要由原料磨粉间、原料备料间（ 包括配料、干、湿混料） 、原料干 燥间（ 包括压球干燥） 、TBY 窑间组成。主要设备选型摆式磨粉机：2台2R2714型磨粉机，能力约10t /d 台。该设备主电机功率为18.5 kW。磨粉机设备负荷率90%，作业率82%。混料机：2台回转干式混料机，产能为9 t/d。设备负荷率78%，作业率

11、82%。湿混料机：一台XLH-1000型行星式轮碾混料机（产能约7. 5 t/d），1台XLH1600 型行星式轮碾混料机（ 产能约11 t/d） ，设备总负荷率100%，作业率 82%。成型设备：采用6台强力压球，单台成型产能为3.5 t /d。设备负荷率85. 7%,作业率 82% 。干燥设备：干燥设备隧道式两孔干燥窑2座，工作温度为150180C。其结构特点为 由于原料在干燥过程中不宜翻动及碰撞，同时干燥时间较长，故选用隧道干燥窑。隧道干 燥窑具有操作连续、炉温易控制、产品质量好、产量大等优点，同时结构简单，劳动强度 低。根据产量要求，采用二孔隧道干燥窑。窑体为长方体，炉墙采用粘土砖（

12、N2a） 砌 筑，外层用耐火纤维绝热。炉顶采用钢筋混凝土盖板，上铺耐火纤维和红砖。窑内铺有轨 道，装有料球的小车由卷扬从窑尾拉入，向窑尾移动，在窑内逐渐被干燥，干燥好的物料 最后从窑尾拉出。干燥窑采用电阻加热，加热器选用波形电阻带，分组安装。每孔窑在炉 顶设 8 个排气孔，产生的水汽由设在炉顶的排气风机排除。每孔窑设测温点12 个，炉温 进行分段自动调节控制。干燥窑主要尺寸：L x W x H = 30500 x 1290 x 1850 mm；二孔隧 道干燥窑砌体外廓尺寸为：LXWXH = 30500X3678X2190.5 mm。干燥能力0.7 t/h；加热 方式电加热；最大功率2 x 41

13、2 kW；干燥温度150180C ；干燥时间48h；保温及冷却时 间约36h。生产能力：16 t/d 座，可满足4000 t/a钒氮合金的生产需要。TBY窑：钒氮合金生产的主要工艺设备为4座TBY窑。3）主要工艺技术指标技术指标见表 5.7.3，攀钢钒氮合金产品技术性能见表5.7.4，单位产品综合能耗见表5.7.5。表 5.7.3 主要工艺技术指标(以钒氮合金产量 2000t/a 计算)项目单位数量项目单位数量V2O3氮气t/t1.247kWh/t11000还原剂催化剂Nm3/t9500t/t0.366t/t0.008生活水劳动定员年工作日t/t4069300表 5.7.4 攀钢钒氮合金产品技

14、术性能化学成分()牌号VNCWSiWPWSWAlWMnWVN1277-8110-14100.450.060.100.200.05VN1676-8014-1860.450.060.100.200.05表 5.7.5 单位产品综合能耗表序号耗能种类实际单耗折合标准煤1水40t/t3.427 kg/t2电11000 kWh/t1351.9 kg/t3氮气9500 Nm3/t3800 kg/t合计5155.3kg/t4.2南非瓦米特克(Vametco)矿物公司生产氮化钒其生产方法如下：(1) 将v2o3与碳和粘结剂混合制团；(2) 在真空炉内反应，由V2O3和CO反应生成VCx(Xv1)；(3) 通入

15、氮气，在真空或惰性气氛下冷却，得到“NITROVAN”。其化学式可表示为V(CxNy),其中x+y=1。其化学成份和物理特性分别如表5.7.7、表5.7.8 所示。表 5.7.7 Vametco 矿业公司生产的氮化钒成份(%)合金V N C Si Al Mn Cr Ni PSNitrovan780712.00.150.150.010.030.010.01Nitrovan1279127.00.070.100.010.030.010.02Nitrovan1679163.50.070.100.010.030.010.020.200.20表 5.7.8 Nitrovan12 的物理特性外观球重g/球标准尺寸/mm表观密度g cm-