一种制备高氮高纯钒氮合金的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种制备高氮高纯钒氮合金的方法，属于冶金技术领域。
【背景技术】
[0002]我国是世界上最大的钢铁生产国，也是世界上最大的钢材消费国。但是在钢材中使用最多的是低碳结构钢，约占钢材使用量的70%，因此提高普碳钢的强度是促进我国钢铁工业技术进步，进行钢铁结构调整的重要方向。其解决的方法是加大合金化钢一添加高氮高纯钒氮合金。采用钒氮合金化，不需要再添加其它贵重的合金元素，在一般热乳条件下就可获得屈服强度为550?600Mpa级的高强度钢，因此在高强度钢筋等长材和钢板(带)、厚板、厚壁型钢、无缝钢管、CSP等产品的开发中获得了广泛的应用。
[0003]1998年美国战略矿物公司在我国的钢铁行业进行钒氮合金化技术开发及其专利产品钒氮合金的推广应用，国内一些钢厂在生产HRB400级钢筋生产中进行了应用试验，国内的研究单位及一些大钢厂对钢中添加钒氮合金对钢材力学性能的影响及强化机制进行了大量研究，结果表明:钒氮合金中的氮作为廉价的合金元素与钒一起加入钢中后，不但可以生产出性能更好，更稳定的HRB400MpaIII级螺纹钢筋及V-N钢材，同时还可以节约30-40 %钒的加入量，大大降低了钢材成本。美方宣称，美国是唯一可商业生产钒氮合金的国家，但此项技术不外传。国内企业经过攻关试验后，目前已可大批量生产钒氮合金，但目前我国钒氮合金产品的产量满足不了国内生产高强度钢筋等钢材所需。我们从2003年开始采用自蔓延高温合成技术研制与生产氮化钒铁，并在国内一些大钢厂成功应用于V-N钢的生产，使用效果相当或优于美国钒氮合金。
[0004]自蔓延高温合成技术是前苏联科学院化学物理所在1967年研究火箭固体燃料时发现的，其合成原理是先利用外部所提供的极少量能量，诱发粉末或粉末坯块中异类物质间的高放热化学反应，以形成反应前缘的燃烧波，此后的合成反应在自身放热的支持下再诱发邻近物料的继续化学反应自持燃烧，直到全部物料反应完毕而合成所需成分和结构的化合物材料。自蔓延高温合成技术的优势是节能(合成过程不需外加能源)、高效(合成速度极快)、环保(合成过程无污染物排出)、高质(成分稳定、纯度高)。自蔓延高温合成技术是当前合成领域的高技术，在上世纪80年代末，我国许多单位开展了这方面的研究。
[0005]自蔓延高温合成在合成过程中无需外部热源，故热力学计算的重点在于讨论其反应的可能性，它是讨论自蔓延高温合成过程的基础，而根据热力学公式直接计算出的该合成反应绝热燃烧温度(Tad)，又是表征燃烧合成的重要参数，对于自蔓延高温合成的理论研究及应用都有重要意义。预测自蔓延高温合成过程实现可能性最可信赖的方法是计算给定混合体系的绝热燃烧温度，它是判断燃烧合成反应能否自我维持的定性依据。自蔓延高温合成工艺创始人Merzhanov等提出一些通用的经验判据[《燃烧合成》1999:P.56]:只有Tad> 1800K时，自蔓延高温合成反应才能自持续进行。对于银金属或银合金原料的氮化，主要是通过银和氮的反应来计算绝热燃烧温度，钥^氮化合物合成反应的绝热燃烧温度为3500K，即使是银铁原料其绝热燃烧温度也接近Merzhanov等提出Tad > 1800K经验值的要求。例如2010年09月08日，中国发明专利申请公布号CN101824556A，公开了一种采用自蔓延高温合成工艺生产氮化银铁的方法，原料为银铁及氮气，首先将原料银铁在磨料设备内破碎，将破碎好的钒铁原料干燥后散装于坩锅内，将坩锅置于高压合成器内并充入6-12MPa的氮气，启动点火装置引燃原料进行合成反应，燃烧合成反应自持续进行，燃烧合成的氮化钒铁在氮气中冷却后取出，破碎成块。但合成产品中氮含量仅为9.0?17.0%，存在氮含量低17%)，碳硫硅等杂质含量高等问题，严重影响钢材增氮量及性能。而氮含量(彡17%)钒氮合金与普通的低氮钒氮合金相比可以更有效促进提高钢材的强度、韧性、延展性、抗疲劳性等性能及进一步降低银的使用量节省成本。而降低银氮合金中的碳硫娃等杂质则可降低在炼钢添加钒氮合金时带入过多外在杂质，影响钢材的性能。
【发明内容】
[0006]本发明所要解决的技术问题是:提出一种制备高氮高纯钒氮合金的方法，将粗级偏钒酸铵直接为钒氮合金原料而不以钒铁等高价钒产品为原料，利用自蔓延低温燃烧反应自身放热进行氮化，反应时间短，能耗与成本低，生产的氮钒合金高氮高纯，氮含量多17%。氮含量优于美国VN合金。
[0007]根据本发明提出的要求，本发明所采用的技术方案是:
一种制备高氮高纯钒氮合金的方法，利用自蔓延高温合成技术；其特征在于以粗级偏钒酸铵为原料，直接通氢气，由NH4VO3*的NH4+促进氮合，在高温下渗氮，NH4V03+H2=VN+3H20 ；
具体步骤是:先将粗级偏钒酸铵分别装入一个个石墨坩祸中，再把这些石墨坩祸成层叠状态放入密闭合成容器中，从最下层石墨坩祸的底部位置通入氢气；启动点火装置引燃原料进行合成反应，燃烧合成高氮高纯银氮合金；h2o从密闭合成容器的上方经排气阀排出；当钒氮化反应温度达到1500°c -1520°C ;调节控制排气阀使密闭合成容器中的水蒸气压力为2-3Mpa，燃烧合成反应自持续进行；反应完全后，高氮高纯钒氮合金在石墨坩祸中通氮气冷却后取出，破碎成块。
[0008]本发明的创新点和有益效果是:
本发明为高氮高纯钒氮合金的生产提供了一种新的选择，本发明直接利用粗级偏钒酸铵为原料，直接通氢气，由順^03中的NH 4+促进氮合，在高温下渗氮；本发明利用排气阀控制密闭合成容器中的合成压力为2-3Mpa，合成过程中钒氮合金内的H2O排出受限，而变得缓慢，不会连续从钒氮合金体表面同一位置涌出而形成气缝，因此本发明最终产品钒氮合金的表面裂纹少，改善其表面质量，从而提高其产品质量。
[0009]与CN101824556A工艺相比，本发明方法具有如下优点:
1、本发明将粗级NH4VO3直接为钒氮合金原料而不以V205等高价钒产品为原料，原料来源较易获得；既可利用顯^03中的NH 4+促进氮合，又节省大量成本；
2、本发明合成过程中无其它助还原或加热的物料加入，可大大降低产品中的杂质，且无三废排放，产品质量高；
3、本发明利用自蔓延低温燃烧反应自身放热可以实现钒与氮两物料反应充分，从而实现合金的高含氮量，并保证产品质量均匀、稳定。而且整个反应合成过程不用电加热和保温，节约了能源和工序，易于控制，设备加工和安装方便。使用自蔓延低温燃烧新技术还可以使合成周期不足50分钟，远短于现有技术反应时间，大大提高生产效率；
4、本发明采用排气阀控制密闭合成容器中的合成压力而控制最终产品钒氮合金的表面气缝；使燃烧合成工艺制备的产品强度较大，在材料运输及使用中几乎无破碎，从而降低了材料的损耗率；
5、采用燃烧合成工艺，无论是初合成炉料还是最终产物都不需要压块。合成产品致密，比重大，可达6.5g/cm3，氮含量分布均匀，该产品高氮高纯钒氮合金组成为:钒氮合金含V量多78%，钒氮合金含N量多17%，钒氮合金C含量< 5%，钒氮合金S含量< 0.1%，钒氮合金娃含量< 0.1%。
【具体实施方式】
[0010]本发明一种制备高氮高纯钒氮合金的方法:
一种制备高氮高纯钒氮合金的方法，利用自蔓延高温合成技术，以粗级偏钒酸铵为原料，直接通氢气，由順^03中的NH4+促进氮合，在高温下渗氮；
NH4V03+H2=VN+3H20 ；
本发明为固一气反应，它属于“渗透燃烧合成”类型。渗透燃烧合成是氢气渗入NH4VO3中与氮原子发生放热化学转变和结构转变的过程；按目前NH4VO3的燃烧合成工艺，NH4VO3*所存含的氮原子足以维持钒氮化反应之所需；
本发明的粗级偏钒酸铵分别装入一个个石墨坩祸中，将这些石墨坩祸成层叠状态放入密闭合成容器中，从最下层石墨坩祸的底部位置通入氢气；启动点火装置引燃原料进行合成反应，燃烧合成高氮高纯银氮合金；H20从密闭合成容器的上方经排气阀排出；当隹凡氮化反应温度达到1500°c -1520°C ;调节控制排气阀使密闭合成容器中的水蒸气压力为2-3Mpa，燃烧合成反应自持续进行；反应完全后，高氮高纯钒氮合金在石墨坩祸中通氮气冷却后取出，破碎成块。
[0011]如上所述，本发明提供一种制备高氮高纯钒氮合金的方法，现依法提出发明专利的申请；然而，以上的实施说明是本发明较佳实施例之一，并非以此局限本发明，是以，举凡与本发明的特征等近似、雷同者，均应属本发明的申请专利范围之内。
【主权项】
1.一种制备高氮高纯钒氮合金的方法，利用自蔓延高温合成技术；其特征在于以粗级偏钒酸铵为原料，直接通氢气，由NH4VO3中的NH4+促进氮合，在高温下渗氮；具体步骤是:先将粗级偏钒酸铵分别装入一个个石墨坩祸中，再把这些石墨坩祸成层叠状态放入密闭合成容器中，从最下层石墨坩祸的底部位置通入氢气；启动点火装置引燃原料进行合成反应，燃烧合成高氮高纯钒氮合金；H20从密闭合成容器的上方经排气阀排出；当钒氮化反应温度达到1500°C -1520°C ;调节控制排气阀使密闭合成容器中的水蒸气压力为2-3Mpa，燃烧合成反应自持续进行；反应完全后，高氮高纯钒氮合金在石墨坩祸中通氮气冷却后取出，破碎成块。
【专利摘要】本发明涉及一种制备高氮高纯钒氮合金的方法，属于冶金技术领域。本发明利用自蔓延高温合成技术；以粗级偏钒酸铵为原料，直接通氢气，由NH4VO3中的NH4+促进氮合，在高温下渗氮，本发明的合成过程中无其它助还原或加热的物料加入，可大大降低产品中的杂质，且无三废排放，产品质量高。本发明产品致密，比重大，可达6.5g/cm3，氮含量分布均匀，钒氮合金含V量≥78%，钒氮合金含N量≥17%，钒氮合金C含量≤5%，钒氮合金S含量≤0.1%，钒氮合金硅含量≤0.1%。
【IPC分类】C22C27/02, C22C1/10
【公开号】CN105087994
【申请号】CN201510558272
【发明人】张春雨
【申请人】湖南众鑫新材料科技股份有限公司
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年9月6日