专利名称：氮化钒铁合金及其制备方法
技术领域：
本发明属于铁合金制备技术领域，特别涉及一种制备氮化钒铁合金的方法。
背景技术：
钒的主要用途是作为冶炼合金钢的合金元素，大量含钒钢的工业规模应用数据表明增加氮含量能提高钢的屈服强度，主要原因是钢中氮含量的增加降低了析出相长大与粗化的趋势，钢中增氮后，析出相颗粒变细，从而充分发挥钒在钢中的强化作用。在高强度低合金钢中，氮化钒铁的使用，可以有效强化和细化晶粒。在规定强度水平下，钢中增氮可以节省钒用量，氮化钒铁与钒铁相比可节约钒用量高达15％～30％，降低炼钢成本25～45元/吨。
钢中增氮的方法通常有(1)添加氮化钒；(2)添加氰氨化钙；(3)吹氮；(4)使用传统氮化钒铁。这些方法的不足之处有方法(1)的氮化钒密度低，易浮在钢液表面，钒的有效收率低且熔化温度高于钒铁，冶炼时炉后加入不易；方法(2)的不足之处是氮的收率低且不稳定；采用方法(3)时，吹氮需要特殊装置，而且氮的收率极低；方法(4)应用传统氮化钒铁炼钢时钒的有效收率较高，但氮化钒铁制备时钒的有效收率较低，要先生产钒铁再破碎、压块、真空固态渗氮得到氮化钒铁，制备工序长而且复杂，生产成本高，难于推广。
2002年专利CN1343794A中提出了V2O3电铝热法冶炼FV80工艺方法，2004年专利CN1343795中提出了V2O3电铝热法冶炼FV50工艺方法。采用V2O3、铝粉、铁粒及石灰混料后放入电炉冶炼，冶炼出钒的合金混合物出炉分离出炉渣后进行水淬，最后进行砸铁、破碎、筛分、包装处理，成品钒的收率仅达到94.5％。优点是密度高，钒铁在钢中应用时熔化温度低于氮化钒。缺点是钒铁产品生产过程中钒的收率相对氮化钒较低，后处理工序多，钒铁在钢中应用时钒的强化作用低于氮化钒。
1982年В.П.нещченко等人将电炉内冶炼的合格钒铁熔体放入带有底气孔砖的钢包中，同时通入氮气进行液态渗氮。钒铁的化学组成为Fe～35％，V～45％，Mn5％～6％，Si1.2％～1.7％，C0.3％～0.5％。在生产规模下进行了5炉试验，结果表明液态渗氮后产品的含氮量较低，平均为1％～1.2％。
1983年，С.Γ.Γрищенко等人采用钒铁粉进行固态渗氮。将含37％～50％V的钒铁，经球磨机磨至1～0.7mm粒度的细粉，在600kW电阻炉内，于1050℃下通入氮气进行渗氮。渗氮工艺要点是将钒铁粉装入6个铁质盘中，装入炉内，边抽真空边升温，约经3h后炉温可达1050℃，真空度可达40Pa，之后向炉内通入氮气，在1050℃下渗氮17h后，电阻炉开始降温，约经22h降至室温，样品出炉。经上述渗氮处理后获得含钒37％～38％，含氮5.0％～6.6％的钒铁。
1983年锦州铁合金厂在国家“七.五”重大攻关计划项目的支持下，开发了碳氮化钒和氮化钒铁。用FeV50钒铁粉进行固态渗氮，较系统地研究了渗氮时气相中氮的分压、渗氮温度、钒铁粉粒度和渗氮时间的影响，指出最佳的渗氮条件是粒度为0.1～0.5mm，时间为1～15h，温度为1050℃和PN2为101325Pa，在这种条件下得到的氮化钒铁含氮量为6％～9％(含钒44％～47％V)。
1984年，张显鹏等人在实验室条件下，研究了粒度为1mm～100目；100～200目；200目以下的钒铁粉(Fe54％V43％)，在1373K、1473K和1573K温度下，炉内氮的分压PN2101325Pa和渗氮时间为10、20、30和40min时钒铁粉的渗氮情况。实验指出，在1473K下钒铁中含氮量为8.2％，在1573K下钒铁中含氮量为8.47％。同时还研究了固态钒铁粉渗氮时的动力学特征。
1990年穆宏波等人用含78.45％～78.51％V的钒铁大块粉碎时的下角料磨成粉，水玻璃作粉结剂，在80MPa压力下成型(φ20*44mm)，脱模后在120℃下烘干脱水。渗氮的氮化条件为1000～1200℃；0.5～1.0h，氮气流量为10L/min。所得渗氮样品成分66％～67％V 6％～8％N。
美国西尔德合金公司，用钒铁粉渗氮生产氮化钒铁，其典型产品成分为V65％～67％N11％～13％。
2004年在CN1480548A中提出了“一种钒氮微合金添加剂及制备方法”，2003年CN1422800A专利“一种氮化钒的生产方法”，两专利都提出了用钒化合物加碳质还原剂和粘结剂混合均匀后压块成型，再在通保护气体的炉中发生碳化和氮化反应，制取氮化钒。该专利的优点在于工艺流程短，相对钒铁合金后处理制备工序少，产品中钒的收得率高于钒铁。在钢中应用时，同等强度效果相对钒铁用量较少。该专利的缺点是产品密度低，(一般在2.8-3.3克/立方厘米)，冶炼时钢液密度高氮化钒加入不方便，氮化钒在钢中的熔化温度高于钒铁160℃左右，在成分微调和炉后使用时也受限。
氮化钒铁使用上兼有钒铁和氮化钒的优点，而避免了上述两种产品的缺点，是钢铁冶金中一种非常适用的钒氮元素添加剂，但传统氮化钒铁的制备方法中钒的有效收率低、生产过程复杂、周期长、成本高、设备的一次性投入大，难以工业化应用。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，针对现有技术存在的不足，提出一种氮化钒铁合金及其制备方法，利用钒的化合物、碳、铁粉混合压块后在冶金炉中同时进行碳化、氮化及烧结反应，一次性获得氮化钒铁合金；所得氮化钒铁兼有钒铁和氮化钒的优点，产品质量稳定、钒的收得率高、密度大、在钢中应用熔点低，产品更具有市场竞争力。
本发明的技术解决方案之一是，所述氮化钒铁合金的重量百分比组成是钒47-81％；氮8-16％；铁4-44％；且所述氮化钒铁合金中，含碳≤1％、硅≤1.45％\铝≤0.01％，锰≤0.50％，硫≤0.05％，磷≤0.05％。
本发明的技术解决方案之二是，所述氮化钒铁合金的制备方法为(1)取粒度在-80目的钒化合物，按比例配加固态碳质还原剂、铁粉及粘结剂；(2)将上述物料混合均匀后压制成块，成型压力为800-2000Pa；(3)将成型后的压块经120-150℃、2-4小时干燥；(4)干燥后的压块装舟后步进式送入通保护气氛的冶金炉进行反应，保护气氛的流动方向与压块的运动方向相反，且气体流量始终保持冶金炉内气氛压力高于外界压力20-80Pa，气氛露点低于-40℃，；所述冶金炉至少有三段独立控制的加热区以完成还原、渗氮和烧结反应，还原段的温度为900℃～1200℃、渗氮段的温度为1200℃～1350℃、烧结段的温度为1350℃～1490℃，压块在冶金炉内反应时间为2～18小时；(5)压块在冶金炉内反应完成后，在氮气保护下冷却到250℃以下出炉，得到如下成份(重量百分比)的氮化钒铁合金；钒47-81％；氮8-16％；铁4-44％；且所述氮化钒铁合金中，含碳≤1％、硅≤1.45％、铝≤0.01％，锰≤0.50％，硫≤0.05％，磷≤0.05％。
本发明的氮化钒铁合金的制备方法中，所述钒化合物为偏钒酸铵、多聚钒酸铵、五氧化二钒、二氧化钒、三氧化二钒中的一种或一种以上；所述碳质还原剂为石墨、焦煤粉、石墨电极粉、炭黑中的一种或一种以上；所述铁粉为粒度-80目的金属铁粉；所述粘结剂可用纤维素、淀粉、糖浆等诸种之一制成水溶液按混合料重量的5-12％加入；冶金炉可用工业上使用的普通碳管炉、竖炉、推舟式烧结炉、遂道窑等；所述保护气氛可以是氮气、分解氨或其它还原性气氛。
本发明的原理是，所述制备方法简化了传统氮化钒铁合金的制备工艺过程，使分两种冶金炉中进行的生产过程在同一台冶金炉内实现；采用常压下还原、渗氮和烧结，避开了污染环境的电铝热法冶炼钒铁合金和真空渗氮处理过程，省掉了复杂的真空设备，使设备投入明显降低，还极大地缩短了反应周期，大幅度提高劳动生产率，更容易实现工业化，能耗因反应周期的缩短而降低，生产成本也大幅度降低，保护了环境；氮化钒铁合金产品中钒的收得率高于钒铁。
由以上可知，本发明为一种氮化钒铁合金及其制备方法，它简化了传统制备工艺过程、极大地缩短了反应周期、降低了设备投入和生产成本，所得氮化钒铁兼有钒铁和氮化钒的优点，产品质量稳定、钒的收得率高、密度大、在钢中应用熔点低，产品更具有市场竞争力。
具体实施例方式
实施例1把1000克含钒54.1％的钒氧化物、石墨粉250克、铁粉45克，加入球磨机粉碎混合，过80目筛网，加入1.5％的纤维素水溶液105毫升混匀压块成型，压制成Ф20*20的压块，经120℃烘干2小时处理，放入氮气保护的碳管炉中进行碳热还原、渗氮、烧结反应。第一阶段温度1200度，第二阶段温度1350度，第三阶段温度1490度。混合料压块在第三阶段停留2小时，炉内氮气流量以控制其压力高于炉外压力30-60Pa，氮气露点-40度。反应后在氮气保护下冷却至150℃出炉。
制得的氮化钒铁产品成分为V78.31％，Fe6.57％，N14.11％，C0.31％，P0.009％，S0.015％，Si0.14％，Mn0.13％，Al0.01％，产品密度4.51克/cm3。
实施例2把含钒54.1％的钒氧化物粉1000克、石墨粉205克、铁粉460克，混合球磨，过80目筛网，加入120ml含1.5％的纤维素水溶液，混匀压块，压制成φ20*20的料块，经110℃烘干2.5小时后，放入通氮气的马弗烧结炉中温度在1100℃～1460℃下进行碳热还原，渗氮及烧结反应，，在1460℃温区保温时间2.5小时。随炉保护冷却至100℃以下出炉。氮气流量以保护炉内压力大于炉外压力30～70Pa，氮气露点-40度。
获得的氮化钒铁成分V48.1％，Fe40.96％，N9.95％，C0.19％，P0.08％，S＜0.01％。Si0.94％，Mn0.21％，产品密度5.64克/cm3。
权利要求
1.一种氮化钒铁合金，其特征是，它的重量百分比组成是钒 47-81％；氮 8-16％；铁 4-44％；且所述氮化钒铁合金中，含碳≤1％、硅≤1.45％\铝≤0.01％，锰≤0.50％，硫≤0.05％，磷≤0.05％。
2.一种氮化钒铁合金的制备方法，其特征是，该方法为(1)取粒度在-80目的钒化合物，按比例配加固态碳质还原剂、铁粉及粘结剂；(2)将上述物料混合均匀后压制成块，成型压力为800-2000Pa；(3)将成型后的压块经120-150℃、2-4小时干燥；(4)干燥后的压块装舟后步进式送入通保护气氛的冶金炉进行反应，保护气氛的流动方向与压块的运动方向相反，且气体流量始终保持冶金炉内气氛压力高于外界压力20-80Pa，气氛露点低于-40℃，；所述冶金炉至少有三段独立控制的加热区以完成还原、渗氮和烧结反应，还原段的温度为900℃～1200℃、渗氮段的温度为1200℃～1350℃、烧结段的温度为1350℃～1490℃，压块在冶金炉内反应时间为2～18小时；(5)压块在冶金炉内反应完成后，在氮气保护下冷却到250℃以下出炉，得到如下成份(重量百分比)的氮化钒铁合金；钒47-81％；氮8-16％；铁4-44％；且所述氮化钒铁合金中，含碳≤1％、硅≤1.45％、铝≤0.01％，锰≤0.50％，硫≤0.05％，磷≤0.05％。
3.根据权利要求2所述的氮化钒铁合金制备方法，其特征是，所述钒化合物为偏钒酸铵、多聚钒酸铵、五氧化二钒、二氧化钒、三氧化二钒中的一种或一种以上。
4.根据权利要求2所述的氮化钒铁合金制备方法，其特征是，所述碳质还原剂为石墨、焦煤粉、石墨电极粉、炭黑中的一种或一种以上。
5.根据权利要求2所述的氮化钒铁合金制备方法，其特征是，所述铁粉为粒度-80目的金属铁粉。
6.根据权利要求2所述的氮化钒铁合金制备方法，其特征是，所述粘结剂用纤维素、淀粉、糖浆等诸种之一制成水溶液按混合料重量的5-12％加入。
7.根据权利要求2所述的氮化钒铁合金制备方法，其特征是，所述保护气氛是氮气、分解氨气体之还原性气氛。
全文摘要
本发明为氮化钒铁合金及其制备方法。氮化钒铁合金的成分是含钒47－81％、氮8－16％、铁4－44％、碳≤1％、硅≤1.50％、铝≤0.01％、锰≤0.50％、硫≤0.05％、磷≤0.05％；方法是，将粉末状钒化合物、碳质还原剂、铁粉混合后加入粘结剂，压块，烘干后放入通保护气氛冶金炉中进行碳热还原、渗氮及烧结反应，碳热还原段的温度为900℃－1200℃、渗氮段的温度为1200℃－1350℃、烧结段的温度为1350℃－1490℃，总反应时间为2－18小时。本发明简化了传统工艺、极大缩短了反应周期、降低了设备投入和生产成本，所得产品质量稳定、钒的收得率高、密度大、在钢中应用熔点低。
文档编号C22C1/04GK1876873SQ200510031680
公开日2006年12月13日 申请日期2005年6月8日 优先权日2005年6月8日
发明者闵小兵 申请人:闵小兵