专利名称：一种氮化钒铁的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种氮化钒铁的制备方法。
背景技术：
氮化钒铁是一种重要的钒合金添加剂，它加入钢中可提高钢的耐磨性、耐腐蚀性、 韧性、强度、延展性、硬度及抗疲劳性等综合力学性能，并使钢具有良好的可焊接性能。尤其是在高强度低合金钢中，氮化钒铁比氮化钒、钒铁能更有效地强化和细化晶粒，节约含钒原料，从而降低了炼钢生产成本。近来，氮化钒铁的制备方法主要包括液态渗氮法和固态渗氮法。典型的液态渗氮法包括将电炉内冶炼的合格钒铁熔体放入带有底气转的钢包中，同时通入氮气进行液态渗氮。典型的固态渗氮法包括将钒含量为37-52重量％的钒铁，经球磨后在600kW电阻炉内， 在真空度为40Pa(绝对压力)下通入氮气(含< 2%的02)，并在约1050°C下渗氮约17h。 然而，这些传统的氮化钒铁的制备方法生产工艺复杂，且表观密度较低，从而在炼钢过程中容易浮于钢水之上，不利于合金元素的吸收。
发明内容
本发明的目的在于克服现有的氮化钒铁的制备方法的上述缺点，提供了一种新的氮化钒铁的制备方法，采用该方法可以制得表观密度和氮含量较高的氮化钒铁。本发明提供了一种氮化钒铁的制备方法，该方法包括将钒氧化物、碳质粉末、铁粉和水进行混合、成型和干燥，得到成型物，使该成型物在氮气气氛下进行加热，然后进行冷却，所述加热的过程包括预热阶段、过渡阶段和氮化烧结阶段，且所述预热阶段的加热温度为400°C至低于800°C，所述过渡阶段的加热温度为800°C至低于1200°C，所述氮化烧结阶段的加热温度为1200-1500°C。根据本发明的所述氮化钒铁的制备方法，通过适当控制加热过程中各个阶段的温度，从而能够制备具有较高的氮含量和表观密度的氮化钒铁；而且，该方法不需要在真空条件下实施，在常压下即可完成，从而使操作过程更加简化，并降低了对设备的要求。
具体实施例方式根据本发明的所述氮化钒铁的制备方法包括将钒氧化物、碳质粉末、铁粉和水进行混合、成型和干燥，得到成型物，使该成型物在氮气气氛下进行加热，然后进行冷却，所述加热的过程包括预热阶段、过渡阶段和氮化烧结阶段，且所述预热阶段的加热温度为400°C 至低于800°C，所述过渡阶段的加热温度为800°C至低于1200°C，所述氮化烧结阶段的加热温度为 1200-1500°C。根据本发明提供的所述方法，所述预热阶段的加热时间可以为4-8小时，优选为 5-7小时；所述过渡阶段的加热时间为3-7小时，优选为4-6小时；所述氮化烧结阶段的加热时间为8-12小时，优选为9-11小时。将所述预热阶段、所述过渡阶段以及所述氮化烧结阶段的加热时间控制在上述范围内，可以进一步提高最终制备的氮化钒铁产品中的氮含量和表观密度。根据本发明提供的所述方法，相对于100重量份的所述钒氧化物，所述碳质粉末的用量可以为10-30重量份，优选为15-25重量份；所述铁粉的用量可以根据需要制备的氮化钒铁产品的铁含量进行适当的调整，通常所述铁粉的用量可以为5-50重量份，优选为 10-40重量份；水的用量可以为5-20重量份，优选为6-15重量份。根据本发明提供的所述方法，所述钒氧化物可以为V0、V02、V203和V2O5中的一种或多种。根据本发明提供的所述方法，所述碳质粉末可以为石墨、炭黑和活性炭中的一种或多种。根据本发明提供的所述方法，所述铁粉可以为金属铁粉和/或氧化铁粉。所述铁粉的颗粒尺寸没有特别的限定，然而，为了进一步提高氮化钒铁的表观密度，所述铁粉的颗粒尺寸优选为80-140目。在本发明中，所述铁粉的颗粒尺寸指的是铁粉颗粒上任意两点之间的最大距离，当铁粉为球形颗粒时，所述颗粒尺寸也称为颗粒直径。根据本发明提供的所述方法，为了将钒氧化物、碳质粉末和铁粉粘结更加紧密，优选向钒氧化物、碳质粉末、铁粉和水的混合物中加入粘结剂。所述粘结剂例如可以为淀粉和 /或聚乙烯醇。当所述粘结剂为淀粉时，淀粉与水的用量的重量比可以为1 0.5-10，优选为1 0.6-2;当所述粘结剂为聚乙烯醇时，所述聚乙烯醇可以以浓度为1-20重量％的聚乙烯醇水溶液的形式使用。根据本发明提供的所述方法，所述成型的压力没有特别的限定，只要对钒氧化物、 碳质粉末、铁粉和水的混合物施压后能够成型为想要的形状即可，优选情况下，所述成型的压力为9-llMPa。根据本发明提供的所述方法，所述干燥的温度可以为150-200°C，干燥的时间可以为10-100小时。根据本发明提供的所述方法，所述氮气气氛下的氮气分压可以为0. 1-0. 5MPa，优选为 0. 2-0. 4MPao根据本发明提供的所述方法，所述冷却过程可以包括氮气冷却和水冷却，氮气冷却和水冷却的条件使得加热后得到的物料经过氮气冷却和水冷却后的温度为50-150°C。在本发明中，所述氮气冷却是指用温度不超过30 V的氮气对经过加热后的产物的表面进行吹扫；所述水冷却是指用温度不超过50°C的水与加热产物间接接触进行热交换。所述热交换一般在换热器中进行。在优选情况下，在所述冷却过程中，先进行氮气冷却，然后进行水冷却，所述氮气冷却的时间可以为1-4小时，所述水冷却的时间可以为1-3小时。根据本发明的一种优选实施方式，所述氮化钒铁的制备方法在推板式隧道窑中实施。在这种情况下，通过适当控制推板式隧道窑内不同段内的温度，能够实现连续地制备氮化钒铁，从而大大提高氮化钒铁的生产效率。以下通过实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围不仅限于此。在以下实施例中，氮化钒铁产品中的氮含量和钒含量以及氮化钒铁产品的表观密度根据GB/T 20567-2006方法测得。实施例1
本实施例用于说明本发明提供的所述氮化钒铁的制备方法。将800kg的钒氧化物(V2O3和V2O5的混合物，钒含量为63. 2重量％ )、220kg的石墨粉、70kg的金属铁粉(颗粒尺寸为100-140目)和120kg的水混合30分钟，对混合后得到的混合物料施加9MPa的压力，成型为50mmX50mmX30mm的椭球形成型物，使该成型物在180°C下干燥48小时。然后，将干燥后的成型物装入坩埚中，并将这些坩埚送进推板式隧道窑内，根据该推板式隧道窑内不同段的温度的不同，将该推板式隧道窑分成预热段、过渡段、氮化烧结段和冷却段。向该推板式隧道窑内通入氮气，使坩埚内的成型物在氮气气氛 (氮气分压为0. 3MPa)下依次在所述预热段、过渡段和氮化烧结段内进行加热，所述预热段的温度为400°C至低于800°C，所述过渡段的温度为800°C至低于1200°C，所述氮化烧结段的温度为1200-1400°C，且所述预热段、过渡段和氮化烧结段内的温度各自沿着坩埚在推板式隧道窑内的移动方向而递增。通过控制坩埚在推板式隧道窑内的移动速度，使该坩埚在预热段内的停留时间为6小时，使该石墨在过渡段内的停留时间为5小时，使该坩埚在氮化烧结段内的停留时间为10小时。然后，使经过氮化烧结段加热后的物料在冷却段内依次进行氮气冷却2小时(通过向推板式隧道窑内通入室温下的氮气来实现)和水冷却2小时(通过在氮气冷却段的下游的推板式隧道窑的外壳上设置水冷套来实现)，以将坩埚内的物料冷却至100°C以下，从而得到氮化钒铁产品，该氮化钒铁产品中的氮含量为12. 4重量％，钒含量为68. 3重量％，表观密度为3. 9g/cm3。实施例2本实施例用于说明本发明提供的所述氮化钒铁的制备方法。根据实施例1的方法制备氮化钒铁，所不同的是，通过控制坩埚在推板式隧道窑内的移动速度，使该坩埚在预热段内的停留时间为3小时，在过渡段内的停留时间为8小时，在氮化烧结段内的停留时间为8小时，从而得到氮化钒铁产品，该氮化钒铁产品中的氮含量为10. 1重量％，钒含量为69. 3重量％，表观密度为3. Og/cm3。对比例1根据实施例1的方法制备氮化钒铁，所不同的是，将推板式隧道窑内的加热段的温度保持在1100-1400°C的范围内，从而制得氮含量为7. 9重量％、钒含量为69. 8重量％、 表观密度为2. 7g/cm3的氮化钒铁产品。实施例3本实施例用于说明本发明提供的所述氮化钒铁的制备方法。将800kg的V203、150kg的活性炭粉、40kg的金属铁粉(颗粒尺寸为100-140目)、 80kg的水和50kg的淀粉混合30分钟，对混合后得到的混合物料施加IOMPa的压力，成型为50mmX50mmX30mm的椭球形成型物，使该成型物在150°C下干燥60小时。然后，将干燥后的成型物装入坩埚中，并将这些坩埚送进推板式隧道窑内，根据该推板式隧道窑内不同段的温度的不同，将该推板式隧道窑分成预热段、过渡段、氮化烧结段和冷却段。向该推板式隧道窑内通入氮气，使坩埚内的成型物在氮气气氛(氮气分压为0. 2MPa)下依次在所述预热段、过渡段和氮化烧结段内进行加热，所述预热段的温度为500°C至低于800°C，所述过渡段的温度为800°C至低于1200°C，所述氮化烧结段的温度为1200-1500°C，且所述预热段、过渡段和氮化烧结段内的温度各自沿着坩埚在推板式隧道窑内的移动方向而递增。通过控制坩埚在推板式隧道窑内的移动速度，使该坩埚在预热段内的停留时间为5小时，使该石墨在过渡段内的停留时间为4小时，使该坩埚在氮化烧结段内的停留时间为11小时。 然后，使经过氮化烧结段加热后的物料在冷却段内依次进行氮气冷却1小时(通过向推板式隧道窑内通入室温下的氮气来实现)和水冷却3小时(通过在氮气冷却段的下游的推板式隧道窑的外壳上设置水冷套来实现)，以将坩埚内的物料冷却至100°C以下，从而得到氮化钒铁产品，该氮化钒铁产品中的氮含量为10. 2重量％，钒含量为46. 5重量％，表观密度为 3. 2g/cm3。实施例4本实施例用于说明本发明提供的所述氮化钒铁的制备方法。将800kg的％05、240kg的炭黑粉、120kg的氧化铁粉末(颗粒尺寸为100-140目)、 IOOkg的浓度为10%的聚乙烯醇水溶液(购自武汉远城科技发展有限公司)混合30分钟， 对混合后得到的混合物料施加IlMPa的压力，成型为50mmX50mmX30mm的椭球形成型物， 使该成型物在200°C下干燥20小时。然后，将干燥后的成型物装入坩埚中，并将这些坩埚送进推板式隧道窑内，根据该推板式隧道窑内不同段的温度的不同，将该推板式隧道窑分成预热段、过渡段、氮化烧结段和冷却段。向该推板式隧道窑内通入氮气，使坩埚内的成型物在氮气气氛(氮气分压为0. 4MPa)下依次在所述预热段、过渡段和氮化烧结段内进行加热， 所述预热段的温度为600°C至低于800°C，所述过渡段的温度为800°C至低于1200°C，所述氮化烧结段的温度为1200-1300°C，且所述预热段、过渡段和氮化烧结段内的温度各自沿着坩埚在推板式隧道窑内的移动方向而递增。通过控制坩埚在推板式隧道窑内的移动速度， 使该坩埚在预热段内的停留时间为7小时，使该石墨在过渡段内的停留时间为6小时，使该坩埚在氮化烧结段内的停留时间为9小时。然后，使经过氮化烧结段加热后的物料在冷却段内依次进行氮气冷却4小时(通过向推板式隧道窑内通入室温下的氮气来实现)和水冷却1小时(通过在氮气冷却段的下游的推板式隧道窑的外壳上设置水冷套来实现)，以将坩埚内的物料冷却至100°C以下，从而得到氮化钒铁产品，该氮化钒铁产品中的氮含量为 11. 2重量％，钒含量为46. 3重量％，表观密度为4. Og/cm3。
权利要求
1.一种氮化钒铁的制备方法，该方法包括将钒氧化物、碳质粉末、铁粉和水进行混合、 成型和干燥，得到成型物，使该成型物在氮气气氛下进行加热，然后进行冷却，所述加热的过程包括预热阶段、过渡阶段和氮化烧结阶段，且所述预热阶段的加热温度为400°C至低于 800°C，所述过渡阶段的加热温度为800°C至低于1200°C，所述氮化烧结阶段的加热温度为 1200-1500°C。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述预热阶段的加热时间为4-8小时，所述过渡阶段的加热时间为3-7小时，所述氮化烧结阶段的加热时间为8-12小时。
3.根据权利要求1所述的方法，其中，相对于100重量份的所述钒氧化物，所述碳质粉末的用量为10-30重量份，所述铁粉的用量为5-50重量份，水的用量为5-20重量份。
4.根据权利要求1或3所述的方法，其中，所述钒氧化物为V0、V02、V203和V2O5中的一种或多种。
5.根据权利要求1或3所述的方法，其中，所述碳质粉末为石墨、炭黑和活性炭中的一种或多种。
6.根据权利要求1或3所述的方法，其中，所述铁粉为金属铁粉和/或氧化铁粉。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述铁粉的颗粒尺寸为80-140目。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述成型的压力为9-llMPa，所述干燥的温度为 150-200 "C。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述氮气气氛下的氮气分压为0.1-0. 5MPa。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，所述冷却过程包括氮气冷却和水冷却，氮气冷却和水冷却的条件使得加热后得到的物料经过氮气冷却和水冷却后的温度为50-150°C。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，所述冷却过程包括先进行氮气冷却，然后进行水冷却，所述氮气冷却的时间为1-4小时，所述水冷却的时间为1-3小时。
全文摘要
本发明公开了一种氮化钒铁的制备方法，该方法包括将钒氧化物、碳质粉末、铁粉和水进行混合、成型和干燥，得到成型物，使该成型物在氮气气氛下进行加热，然后进行冷却，所述加热的过程包括预热阶段、过渡阶段和氮化烧结阶段，且所述预热阶段的加热温度为400℃至低于800℃，所述过渡阶段的加热温度为800℃至低于1200℃，所述氮化烧结阶段的加热温度为1200-1500℃。根据本发明提供的所述方法制备的所述氮化钒铁具有较高的氮含量和表观密度。
文档编号C22C29/16GK102477510SQ20101057539
公开日2012年5月30日 申请日期2010年11月30日 优先权日2010年11月30日
发明者刘丰强, 李千文, 王乖宁, 胡力, 韩春辉 申请人:攀钢集团攀枝花钢钒有限公司, 攀钢集团钢铁钒钛股份有限公司