专利名称：一种用于钢水氮合金化处理的硅基氮化合金及其生产工艺的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种硅基氮化合金及其生产方法，尤其涉及一种为钢铁生产提供高效氮微合金化处理的含氮合金及其生产方法。
背景技术：
目前，氮化物有多种如氮化硅、氮化铝、氮化硼、氮化钛、氮化锆、氮化锰、氮化硅铁、氮化硅锰铁、氮化铬铁、氮化钒铁等。其中氮化硅、氮化铝、氮化硼、氮化钛、氮化锆因具有较高的熔点、硬度及耐磨性好主要用于耐火材料、耐磨颜料及耐磨机械或耐磨件等领域， 其合成工艺主要包括高压烧结和常压烧结合成和自蔓延燃烧合成工艺。该类氮化物具有如下特点①合成温度高，能耗高，尤其是电耗较高；②对原料质量要求较高，既要求原料纯度要高，又要求原料粒度分布合适；③生产周期长，单炉产量低，单位成本高；④该类氮化物熔点很高，高温稳定性好，在钢水温度下很难快速溶化而被钢水吸收，不适宜作为钢水进行氮合金化处理的氮化合金。⑤该类氮化物主要用于耐火材料、耐磨材料、机械加工如刀具和轴承等行业。氮化硅铁、氮化硅锰铁、氮化锰铁、氮化铬铁、氮化钒铁等氮化物可用于含氮钢进行氮合金化处理，为较为常见的氮化合金，尤其是氮化硅铁、氮化硅锰铁、氮化锰铁、氮化铬铁在含氮不锈钢中广泛应用。主要生产工艺包括烧结和自蔓延燃烧合成。这些含氮合金虽可作为含氮合金对钢水进行氮合金化处理，但也存在如下明显不足①氮化硅铁、氮化硅锰铁虽然氮含量较高，但该类氮化合金熔点高，在1500-170(TC温度下溶解速率较慢，需要将钢水温度升高到1800°C甚至更高的温度，才能确保氮溶解到钢中，这样造成一方面， 能耗增加，吨钢耐火材料消耗增加，钢的洁净度控制困难；另一方面，生产工艺复杂，控制难度加大，生产效率低，吨钢制造成本增加；同时造成钢中氮含量不稳定，造成钢中氮量命中率降低，因氮未达标成为废品。②氮化锰铁、氮化铬铁已经成为冶炼含氮不锈钢主要增氮合金，广泛于不锈钢生产中。具有如下特点熔点虽然比氮化硅铁、氮化硅锰铁低，但也在 1600°C以上；该类氮化物含氮量一般不会超过10%，含氮量较低，冶炼含氮钢时该类合金加入量大，合金成本增加；氮化铬因含铬较高，限制了其在低铬钢中的使用。③氮化硅铁、氮化硅锰铁和氮化锰铁等合金中本身存在Mn-N和i^e-N健，加入到含锰较高的钢中，在凝固、 加热、变形和冷却过程中极易生成布氏体相(Mn4N* !^e4N)，布氏体相为时效脆性相，其时效潜伏期不确定，因此，采用这三种常规氮化合金生产钢存在不确定的时效和脆性断裂风险。 ④钒氮合金其熔点不高，且在钢液温度下容易完全与铁基体互溶，在钢液凝固、加热、轧制极易析出碳氮化钒或固溶在钢中起到强化钢的重要作用，已经成为钒、氮微合金化的重要合金原料，但该合金属贵重金属和战略资源，价格昂贵、资源紧张。该氮合金在普通结构钢中作为高效强化合金，受成本压力已经成为解决提高钢的强度级别和降低生产成本的“鸡肋”。
发明内容
本发明的目的在于提供一种资源丰富、廉价、增氮效率更高的硅基氮化合金及其生产工艺，采用该材料以实现低成本改造传统钢铁产品，以期达到在减量前提下提高钢材的性能级别。为实现上述目的，本发明采用的技术方案是一种用于钢水氮合金化处理的硅基氮化合金的制备方法，包括以下步骤1)将金属硅30-80%，单晶硅0.5-20%，多晶硅0.5-30%，钒合金和金属钒中的一种或几种0. 5-5%，铌合金和金属铌中一种或几种0-10%及铁10-35%按质量百分比混合均勻后，装入到真空氮化炉中；钒合金包括钒铁合金、钒氮合金等含有金属钒的合金；铌合金包括铌铁合金、铌钽合金等含有金属铌的合金；2)在微波条件下，向炉内吹氮气，将炉内温度以每分钟升温3-10°C的升温速率进行升温控制，在800-1450°C之间进行保温8-36小时，并向炉内喷吹反应催化剂，占总装入原料重量的1-5% ；然后在氮气保护下以每分钟降低1_5°C的降温速率进行降温处理，温度降低到700-900°C时保温6-10小时，然后将产物随炉冷却到400°C以下出炉；3)将出炉产物磨成细粉并加入活性剂，活性剂占出炉产物总量的0. 5-5%，混合均勻，直接进入氩气保护条件下的活化炉，或加入粘接剂，粘接剂占出炉产物和活性剂混合物的0. 5-3%，成型为固体颗粒后进入氩气保护条件下的活化炉，300-600°C之间活化处理 1-8小时；随后冷却后即可。所述的步骤2)中的反应催化剂包括V205、Mn02或纯铁；粒度为-320目至-100目。所述的步骤3)中的出炉料产物磨成-320目至-100目的细粉。所述的步骤3)中的活性剂包括活性碳粉、金属锰、碱金属氧化物或萤石粉。所述的步骤幻中的粘接剂包括树脂或水玻璃。一种用于钢水氮合金化处理的硅基氮化合金是由上述的方法制备而成的硅基氮
化合金。以金属硅为基体，以单晶硅、多晶硅调节该氮化合金的内在组织结构，利用微波场向高温氮化炉内喷吹氮，通过控制氮化反应温度和时间及其它辅助添加剂的加入工艺制备高效的硅基氮化合金。该氮化合金氮含量为12-45%，熔点在1480-1550°C之间，密度在 3. 5-6. 5t/m3之间，作为氮微合金化合金广泛用于钢铁冶金领域冶炼含氮钢，具有氮在钢中吸收率超过80 %，钢中氮控制命中率可达100 %，节约钢铁生产成本10-60元/吨等多重优点；具有广阔的应用前景。
具体实施例方式下面结合实施例对本发明作进一步的详细描述，而不会限制本发明。实施例11)将金属硅31 %，单晶硅9%，多晶硅15%，金属钒3%，金属铌8%及铁；34%按质量百分比混合均勻后，装入到真空氮化炉中；2)通过微波场向炉内吹氮气，将炉内温度以每分钟升温90C的升温速率进行升温控制，在850-900°C之间进行保温35小时，并向炉内喷吹粒度为-320目的反应催化剂V2O5， 占总装入原料的5%。然后在氮气保护下以每分钟降低1. 5°C的降温速率进行降温处理，温度降低到750°C时保温6小时，然后将产物随炉冷却到400°C以下出炉；3)将出炉料产物磨成-300目的细粉并加入活性剂活性碳粉和碱金属氧化物，活性剂占出炉产物总量的0. 8%，混合均勻直接进行入氩气保护活化炉，在400°C，活化处理2 小时，随后冷却后，按重量进行分袋包装。生产的氮化合金氮含量33.6%，熔点1495°C，密度5.95t/m3，用于钢铁冶金领域冶炼含氮钢，氮在钢中吸收率为83. 3 %，钢中氮控制命中率为100 %，节约钢铁生产成本 32. 85 元 / 吨。实施例21)将金属硅76%，单晶硅2%，多晶硅1%，钒铁合金1%，铌铁合金2%及铁18% 按质量百分比混合均勻后，装入到真空氮化炉中；2)通过微波场向炉内吹氮气，将炉内温度以每分钟升温6°C的升温速率进行升温控制，在1100-1200°C之间进行保温20小时，并向炉内喷吹-120目的反应催化剂MnO2,占总装入原料的3%。然后在氮气保护下以每分钟降低4. 5°C的降温速率进行降温处理，温度降低到800°C时保温8小时，然后将产物随炉冷却到400°C以下出炉；3)将出炉料产物磨成-200目的细粉并加入活性剂金属锰，活性剂占出炉产物总量的2. 5 %，加入粘接剂水玻璃，粘接剂占出炉产物和活性剂混合物的3 %，利用成型设备将其制成一定形状的固体颗粒后进入氩气保护活化炉，在500°C，活化处理5小时，随后冷却后，按重量进行分袋包装。生产的氮化合金氮含量14. 65%，熔点1549°C，密度3. 87t/m3，用于钢铁冶金领域冶炼含氮钢，氮在钢中吸收率超过85. 32 %，钢中氮控制命中率可达100 %，节约钢铁生产成本12. 11元/吨。实施例31)将金属硅57%，单晶硅15%，多晶硅1 %，钒氮合金1 %及铁沈%按质量百分比混合均勻后，装入到真空氮化炉中；2)通过微波场向炉内吹氮气，将炉内温度以每分钟升温3°C的升温速率进行升温控制，在1000-1050°C之间进行保温25小时，并向炉内喷吹粒度为_320目的反应催化剂纯铁，占总装入原料的3%。然后在氮气保护下以每分钟降低3°C的降温速率进行降温处理， 温度降低到850°C时保温10小时，然后将产物随炉冷却到400°C以下出炉；3)将出炉料产物磨成-100目的细粉并加入活性剂活性碳粉，活性剂占出炉产物总量的4. 7%，混合均勻直接进行入氩气保护活化炉，在550°C，活化处理8小时，随后冷却后，按重量进行分袋包装。生产的氮化合金氮含量37. 12%，熔点1512°C，密度4.91t/m3，用于钢铁冶金领域冶炼含氮钢，氮在钢中吸收率超过96. 16 %，钢中氮控制命中率可达100 %，节约钢铁生产成本58. 94元/吨。实施例41)将金属硅35%，单晶硅1%，多晶硅，钒铁合金15%，铌铁合金6%及铁 14%按质量百分比混合均勻后，装入到真空氮化炉中；2)通过微波场向炉内吹氮气，将炉内温度以每分钟升温10°C的升温速率进行升温控制，在1300-1350°C之间进行保温8小时，并向炉内喷吹粒度为-320目的反应催化剂 V2O5，占总装入原料的2%。然后在氮气保护下以每分钟降低3°C的降温速率进行降温处理， 温度降低到700°C时保温7小时，然后将产物随炉冷却到400°C以下出炉；
3)将出炉料产物磨成-280目的细粉并加入活性剂萤石粉，活性剂占出炉产物总量的3.5%，混合均勻直接进行入氩气保护活化炉在600°C，活化处理5小时，随后冷却后， 按重量进行分袋包装。生产的氮化合金氮含量31. 56%，熔点1501°C，密度4.67t/m3，用于钢铁冶金领域冶炼含氮钢，氮在钢中吸收率超过91.对％，钢中氮控制命中率可达100%，节约钢铁生产成本48. 75元/吨。
权利要求
1.一种用于钢水氮合金化处理的硅基氮化合金的制备方法，其特征在于，包括以下步骤1)将金属硅30-80%，单晶硅0.5-20%，多晶硅0. 5_30%，钒合金和金属钒中的一种或几种0. 5-5%，铌合金和金属铌中的一种或几种0-10%及铁10-35%按质量百分比混合均勻后，装入到真空氮化炉中；2)在微波场条件下，向炉内吹氮气，将炉内温度以每分钟升温3-10°C的升温速率进行升温控制，在800-1450°C之间进行保温8-36小时，并向炉内喷吹反应催化剂，占总装入原料重量的1-5% ；然后在氮气保护下以每分钟降低1_5°C的降温速率进行降温处理，温度降低到700-900°C时保温6-10小时，然后将产物随炉冷却到400°C以下出炉；3)将出炉产物磨成细粉并加入活性剂，活性剂占出炉产物总量的0.5-5%，混合均勻， 直接进入氩气保护条件下的活化炉，或加入粘接剂，粘接剂占出炉产物和活性剂混合物的 0. 5-3%，成型为固体颗粒后进入氩气保护条件下的活化炉，300-600°C之间活化处理1_8 小时；随后冷却后即可。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤2)中的反应催化剂包括 V2O5、MnA或纯铁。
3.根据权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤幻中的反应催化剂粒度为-320目至-100目。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤3)中的出炉料产物磨成粒度为-320目至-100目的细粉。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤幻中的活性剂包括活性碳粉、金属锰、碱金属氧化物或萤石粉。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述的步骤幻中的粘接剂包括树脂或水玻璃。
7.一种用于钢水氮合金化处理的硅基氮化合金，其特征在于，它是由权利要求1-6任意一项所述的方法制备而成的硅基氮化合金。
全文摘要
本发明公开了一种用于钢水氮合金化处理的硅基氮化合金的制备方法，按金属硅30-80％，单晶硅0.5-20％，多晶硅0.5-30％，钒合金或金属钒0.5-5％，铌合金或金属铌0-10％及铁10-35％混合在真空氮化炉中，在微波场以及氮气条件下，在800-1450℃进行保温，然后降温到700-900℃保温，随炉冷却后磨成细粉加入活性剂，或成型为固体颗粒后进入氩气保护活化炉内处理，冷却。本发明的氮化合金氮含量12-45％，熔点1480-1550℃，密度3.5-6.5t/m3，能广泛用于钢铁冶金领域冶炼含氮钢，氮在钢中吸收率超过80％，钢中氮控制命中率可达100％，节约钢铁生产成本10-60元/吨，具有广阔的应用前景。
文档编号C22C28/00GK102409186SQ20111035330
公开日2012年4月11日 申请日期2011年11月10日 优先权日2011年11月10日
发明者吴光亮 申请人:长沙东鑫环保材料有限责任公司