制备氮钒合金的系统的制作方法

本实用新型涉及制备氮钒合金的系统。

背景技术：

氮化钒铁是一种新型钒氮合金添加剂，性能优于钒铁和氮化钒，可广泛应用于高强度螺蚊钢筋、高强度管线钢、高强度型钢(H型钢、工字钢、槽钢、角钢)、薄板坯连铸连轧高强度钢带、非调质钢、高速工具钢等产品。氮化钒铁因其比重可达到5.0g/cm³以上，比添加氮化钒(比重3.5左右)具有更高的吸收率，氮化钒铁的回收率可达95％以上，平均比钒氮合金吸收率高3％～5％，性能更加稳定，具有更高的细化晶粒和提升强度、韧性、延展性等。

钢中增氮方法通常有：(1)添加富氮锰铁；(2)添加氰氨化钙；(3)吹氮，但这些方法都有不足之处：方法(1)昂贵；方法(2)收率低且不稳定；方法(3)吹氮时需要特殊装置。

由此，制备氮钒合金的系统有待改进。

技术实现要素：

本实用新型旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本实用新型的一个目的在于提出一种制备氮钒合金的系统，其中，成型装置上设置三氧化二钒粉末入口、石墨粉末入口、四氧化三铁粉末入口，以三氧化二钒为原料，配入石墨和四氧化三铁，其中，四氧化三铁作为氮化反应的催化剂，促进氮化反应的进行。在转底炉中设置碳化还原区和氮化合成区，使原料分步进行碳化还原处理和氮化处理，避免氮化合成区的氮气进入碳化反应区，使碳化反应区的CO浓度提高，得到氮含量高、氧含量低、杂质少的钒氮合金。

根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供了一种制备氮钒合金的系统。根据本实用新型的实施例，该系统包括：成型装置，所述成型装置具有三氧化二钒粉末入口、石墨粉末入口、四氧化三铁粉末入口和混合物料团块出口；转底炉，所述转底炉沿原料运动的方向依次设置进料区、碳化还原区、氮化合成区、冷却区和出料区，其中，所述进料区具有混合物料团块入口，所述混合物料团块入口与所述混合物料团块出口相连；所述碳化还原区具有一氧化碳出口；所述氮化合成区具有氮气入口；所述出料区具有氮钒合金出口。

根据本实用新型实施例的制备氮钒合金的系统，成型装置上设置三氧化二钒粉末入口、石墨粉末入口、四氧化三铁粉末入口，以三氧化二钒为原料，配入石墨和四氧化三铁，其中，四氧化三铁作为氮化反应的催化剂，使物料的反应活性提高，活化能降低，同时，在氮化处理过程中四氧化三铁中的铁元素可以和钒和氮形成钒铁合金和FeN，使氮钒合金中的氮含量显著提高。在转底炉中设置碳化还原区和氮化合成区，使原料分步进行碳化还原处理和氮化处理，避免氮化合成区的氮气进入碳化反应区使碳化反应区的CO浓度提高，还原性气氛增强，从而使碳化处理的效率更高，原料碳化率显著提高，同时还有效降低球团中的氧含量，进而，得到氮含量高、氧含量低、杂质少的钒氮合金。并且，该系统的结构简单，易于操作。

任选地，该转底炉进一步包括：第一挡墙，所述第一挡墙设置在所述碳化还原区和所述氮化合成区之间；第二挡墙，所述第二挡墙设置在所述氮化合成区和所述冷却区之间；第三挡墙，所述第三挡墙设置在所述冷却区和所述出料区之间。

任选地，该转底炉进一步包括：第一氮气通孔，所述第一氮气通孔设置在所述第二挡墙上；第二氮气通孔，所述第二氮气通孔设置在所述第三挡墙上。

任选地，该转底炉进一步包括：水冷壁，所述水冷壁设置在所述冷却区的侧壁上。

任选地，该转底炉进一步包括：蓄热式烧嘴，所述蓄热式烧嘴设置在所述碳化还原区和所述氮化合成区内。

任选地，该转底炉进一步包括：一氧化碳输送通道，所述一氧化碳输送通道分别与所述碳化还原区的所述一氧化碳出口和所述蓄热式烧嘴的进气口相连。

任选地，该转底炉进一步包括：螺旋出料器，所述螺旋出料器设置在所述出料区的所述氮钒合金出口处，所述螺旋出料器包括：螺旋轴体；和螺旋叶片，所述螺旋叶片盘旋设置在所述螺旋轴体上。

任选地，所述螺旋出料器进一步包括：冷却水通道，所述冷却水通道设置在所述螺旋出料器的内部，并沿所述螺旋出料器的轴向设置；和氮气通道，所述氮气通道设置在所述冷却水通道的外侧，且所述氮气通道轴向包裹冷却水通道，所述氮气通道具有氮气入口和氮气出口。

任选地，所述氮气入口设置在所述螺旋轴体的端处，所述氮气出口设置在所述螺旋叶片上。

本实用新型的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本实用新型的实践了解到。

附图说明

本实用新型的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1显示了根据本实用新型一个实施例的制备氮钒合金的方法的流程示意图；

图2显示了根据本实用新型一个实施例的制备氮钒合金的系统的结构示意图；

图3显示了根据本实用新型一个实施例的转底炉的结构示意图；

图4显示了根据本实用新型一个实施例的螺旋出料器的结构示意图；

图5显示了根据本实用新型一个实施例的螺旋出料器的截面的结构示意图；

图6显示了根据本实用新型一个实施例的转底炉的局部结构示意图。

具体实施方式

下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。

在本实用新型的描述中，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型而不是要求本实用新型必须以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。

需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。进一步地，在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

根据本实用新型的一个方面，本实用新型提供了一种制备氮钒合金的系统。参考图2，根据本实用新型的实施例，该系统包括：成型装置100和转底炉200。

根据本实用新型的实施例，成型装置100具有三氧化二钒粉末入口101、石墨粉末入口102、四氧化三铁粉末入口103和混合物料团块出口104，成型装置100用于将三氧化二钒粉末与石墨粉末和四氧化三铁粉末进行成型处理，得到混合物料团块。四氧化三铁作为氮化反应的催化剂，使物料的反应活性提高，活化能降低，同时，在氮化处理过程中四氧化三铁中的铁元素可以和钒和氮形成钒铁合金和FeN，使氮钒合金中的氮含量显著提高。

参考图3，根据本实用新型的实施例，转底炉200沿原料运动的方向依次设置进料区210、碳化还原区220、氮化合成区230、冷却区240和出料区250，其中，进料区210具有混合物料团块入口201，混合物料团块入口201与混合物料团块出口104相连，混合物料团块由进料区210的混合物料团块入口201进入转底炉，碳化还原区220具有一氧化碳出口203，混合物料团块中的三氧化二钒与石墨在高温下进行还原反应，三氧化二钒首先被还原成一氧化钒，继而生成碳化钒，并生成一氧化碳，一氧化碳从一氧化碳出口203排出；氮化合成区230具有氮气入口202，碳化钒在氮气环境下，在高温条件下，进行氮化处理，生成氮钒合金；出料区150具有氮钒合金出口204，氮钒合金从氮钒合金出口204排出。

根据本实用新型的实施例，转底炉进行碳化还原处理的温度为1180-1250℃，时间为0.5-1小时。由此，碳化还原效率高，效果好，保证三氧化二钒充分为碳化钒。

根据本实用新型的实施例，转底炉进行氮化处理的温度为1250-1380℃，时间为1-1.5小时，且氮气分压与氧气分压的比值不低于33。由此，氮化处理的效率高，并有利于碳化钒充分氮化，而氮气分压与氧气分压的比值不低于33，使生成的氮钒合金处理在高氮气含量的环境下进行，有效地避免氮钒合金在冷却过程中被氧化，使氮钒合金的纯度更高。

根据本实用新型的一些实施例，该转底炉200进一步包括：第一挡墙260、第二挡墙270和第三挡墙280，其中，第一挡墙260设置在碳化还原区220和氮化合成区230之间；第二挡墙270设置在氮化合成区230和冷却区240之间；第三挡墙280设置在冷却区240和出料区250之间。由此，利用挡墙有效地对碳化还原区、氮化合成区和冷却区之间进行分隔，避免各区之间相互影响。

根据本实用新型的实施例，转底炉200进一步包括：第一氮气通孔205和第二氮气通孔206，其中，第一氮气通孔205设置在第二挡墙270上，用于氮化合成区输送氮气，第二氮气通孔206设置在第三挡墙280上，用于将氮气排出至出料区，避免氮钒合金在出料过程中被氧化。根据实际生产需要的氮气的量，第一氮气通孔205和第二氮气通孔206可以为一个或多个。

参考图6，根据本实用新型的一些实施例，转底炉200进一步包括：第二氮气入口205，该第二氮气入口205设置在转底炉的整个顶壁上，用于向转底炉提供充足的氮气，使转体炉的反应空间处于氮气环境下。

根据本实用新型的实施例，该转底炉进一步包括：水冷壁，该水冷壁设置在冷却区的侧壁上。由此，通过水冷壁快速对生成的氮钒合金进行冷却处理，冷却效果好，速度快。

根据本实用新型的实施例，该转底炉进一步包括：蓄热式烧嘴，该蓄热式烧嘴设置在碳化还原区和氮化合成区内，用于加热碳化还原区和氮化合成区，为碳化还原处理和氮化处理提供高温环境。

根据本实用新型的实施例，该系统进一步包括：一氧化碳输送通道，该一氧化碳输送通道分别与碳化还原区的一氧化碳出口和蓄热式烧嘴的进气口相连，用于将碳化还原反应生成的一氧化碳输送至蓄热式烧嘴，作为蓄热式烧嘴的燃料，从而，实现了能源的综合高效利用，生产成本更低，同时还避免了一氧化碳对环境的污染。

根据本实用新型的实施例，该转底炉进一步包括：螺旋出料器290，螺旋出料器设置在出料区的氮钒合金出口处，如图4所示，该螺旋出料器290包括：螺旋轴体291和螺旋叶片292，螺旋叶片292盘旋设置在螺旋轴体291上，该螺旋出料器290用于排出产物。

参考图5，根据本实用新型的实施例，螺旋出料器进一步包括：冷却水通道293和氮气通道294，其中，冷却水通道293设置在螺旋出料器290的内部，并沿螺旋出料器的轴向设置；而氮气通道294设置在冷却水通道293的外侧，且氮气通道294轴向包裹冷却水通道293，该氮气通道294具有氮气入296口和氮气出口295。通过冷却水通道293和氮气通道294对生产的氮钒合金进行水冷和风冷，有利于氮钒合金的快速冷却。根据本实用新型的一些实施例，氮气通道的氮气可以由冷却区240过来的氮气提供，同时氮气在出料区250形成保护性气氛，防止氮钒合金再次氧化，并可以将球团冷却至200℃以下。

参考图4和5，根据本实用新型的实施例，氮气入口设置在螺旋轴体291的端处，即可以设置在螺旋轴体291一端，也可以设置在螺旋轴体291的两端，由此，使氮气的螺旋轴体的流通路径更长，更有效地对氮钒合金进行风冷。

根据本实用新型的一些实施例，氮气出口设置在螺旋叶片292上。从而使氮钒合金在经螺旋出料器排出的过程中，与叶片接触的过程中也进行降温，使氮钒合金的冷却效果更佳。

为了便于理解前述的制备氮钒合金的系统，在此提供了一种利用前述系统制备氮钒合金的方法。参考图1，根据本实用新型的实施例，对制备氮钒合金的方法进行解释说明，该方法包括：

S100成型处理

根据本实用新型的实施例，将三氧化二钒粉末与石墨粉末和四氧化三铁粉末经三氧化二钒粉末入口、石墨粉末入口和四氧化三铁粉末入口输送进入成型装置进行成型处理，得到混合物料团块。四氧化三铁作为氮化反应的催化剂，使物料的反应活性提高，活化能降低，同时，在氮化处理过程中四氧化三铁中的铁元素可以和钒和氮形成钒铁合金和FeN，使氮钒合金中的氮含量显著提高。

根据本实用新型的一些实施例，三氧化二钒粉末与石墨粉末和四氧化三铁粉末按质量比100：(48-52)：(1-3)进行所述成型处理。由此，石墨的还原效率高，三氧化二钒的还原率高，有效避免大量原料剩余，有利于降低氮钒合金的杂质含量。如果石墨粉末的比例过高，容易导致最终产品氮钒合金中的碳含量高，影响氮钒合金的品质，如果石墨粉末的比例过低，碳化反应不能彻底反应，产品回收率低。而四氧化三铁作为催化剂，加入太多催化效果不会相应提升，但是增加了成本。

根据本实用新型的具体实施例，三氧化二钒粉末的纯度不低于98％。由此，三氧化二钒粉末纯度高，杂质少，有利于降低钒氮合金的杂质含量，提高氮钒合金的产率。

根据本实用新型的一些实施例，三氧化二钒粉末与石墨粉末的粒度均不大于200目，四氧化三铁粉末的平均粒径不大于20微米。发明人经大量研究发现，当反应原料的平均粒径小，原料比表面积高，两种原料的接触面积大，原料传质和传热效率高，反应速率快。当原料在上述粒度范围内，原料的反应活性高，反应温度低，反应时间短。

S200还原氮化处理

根据本实用新型的实施例，将混合物料团块输送至转底炉的进料区进行布料，该混合物料团块依次经过碳化还原区、氮化合成区和冷却区后，经出料区排出，其中，混合物料团块进入碳化还原区进行碳化还原处理，得到碳化钒和一氧化碳；碳化钒进入氮化合成区与氮气进行氮化处理，得到氮钒合金；氮钒合金进入冷却区进行冷却处理，得到冷却的氮钒合金。在转底炉中分步进行碳化还原处理和氮化处理，得到氮含量高、杂质含量低的钒氮合金。碳化还原处理和氮化处理分开进行，避免氮化合成区的氮气进入碳化反应区使碳化反应区的CO浓度提高，还原性气氛增强，从而使碳化反应效率更高，原料碳化率显著提高，同时还有效降低球团中的氧含量，进而，得到氮含量高、氧含量低、杂质少的钒氮合金。根据本实用新型的实施例，碳化还原处理的温度为1180-1250℃，时间为0.5-1小时。由此，碳化还原效率高，效果好，保证三氧化二钒充分氮化生成碳化钒。

根据本实用新型的实施例，氮化处理的温度为1250-1380℃，时间为1-1.5小时，且氮气分压与氧气分压的比值不低于33。由此，氮化处理的效率高，并有利于碳化钒充分氮化，而氮气分压与氧气分压的比值不低于33，使生成的氮钒合金处理在高氮气含量的环境下进行，有效地避免氮钒合金在冷却过程中被氧化，使氮钒合金的纯度更高。

下面参考具体实施例，对本实用新型进行说明，需要说明的是，这些实施例仅仅是说明性的，而不能理解为对本实用新型的限制。

实施例1

利用本实用新型的系统制备氮钒合金，具体方法如下：

(1)将V₂O₃、石墨粉、Fe₃O₄和水按照质量比100：48：1：8的配比进行配料压球，得到球团。

(2)将球团进行烘干处理，得到烘干的球团。

(3)将烘干的球团布入转底炉中，转底炉碳化反应区温度设置为1200℃，反应时间0.8h，氮化反应区温度设置为1300℃，氮化反应时间1.5小时，氮化反应结束，钒氮合金进入冷却区和出料区冷却至200℃以下出炉，得到钒氮合金，该钒氮合金的N含量为14％，V含量为73％，O含量仅为1.5％，该钒化氮合金的氮和钒含量高，而氧含量低，品质优良。

实施例2

利用本实用新型的系统制备氮钒合金，具体方法如下：

(1)将V₂O₃、石墨粉、添加剂Fe₃O₄和水按照质量比100：52：3：10的配比进行配料压球，得到球团。

(2)将球团进行烘干处理，得到烘干的球团。

(3)将烘干的球团布入转底炉中，转底炉碳化反应区温度设置为1250℃，反应时间1h，氮化反应区温度设置为1350℃，氮化反应时间2小时，氮化反应结束，钒氮合金进入冷却区和出料区冷却至200℃以下出炉，得到钒氮合金，该钒氮合金的N含量为15.5％，V含量为76％，O含量仅为1％，该钒化氮合金的氮和钒含量高，而氧含量低，品质优良。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本实用新型的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由权利要求及其等同物限定。