阅读说明：本技术 钒氮合金及其生产方法 (Vanadium-nitrogen alloy and production method thereof ) 是由 吕韬 李秦灿 于洪翔 于 2020-05-21 设计创作，主要内容包括：本发明属于铁合金制备领域,涉及一种钒氮合金及其生产方法。所述钒氮合金生产方法,包括：(1)将钒化合物、还原剂、粘结剂和铁粉按配比混合均匀,压制成型后烘干得到成型物料；(2)将成型物料放入电炉中,依次经历预热阶段、碳化阶段及氮化阶段,其中,所述碳化阶段的温度＞所述氮化阶段的温度＞所述预热阶段的温度；(3)冷却,出炉得到钒氮合金。本发明在电炉中冶炼时,采取先升温再降温的方式使工艺制度更加合理,提高了产品中氮含量。(The invention belongs to the field of ferroalloy preparation, and relates to a vanadium-nitrogen alloy and a production method thereof. The vanadium-nitrogen alloy production method comprises the following steps: (1) uniformly mixing a vanadium compound, a reducing agent, a binder and iron powder according to a ratio, pressing and molding, and drying to obtain a molding material; (2) putting the molding material into an electric furnace, and sequentially performing a preheating stage, a carbonization stage and a nitridation stage, wherein the temperature of the carbonization stage is higher than the temperature of the nitridation stage and is higher than the temperature of the preheating stage; (3) cooling and discharging to obtain the vanadium-nitrogen alloy. When smelting in an electric furnace, the invention adopts a mode of firstly heating and then cooling, so that the process system is more reasonable, and the nitrogen content in the product is improved.)

钒氮合金及其生产方法

技术领域

本发明属于铁合金制备领域，涉及一种钒氮合金及其生产方法。

背景技术

钒可以增加钢的强度、塑性和韧性，是钢中重要的微合金元素。我国90％以上的钒产品为钒合金，主要是以钒铁、碳化钒和碳氮化钒等合金的形式加入到钢中。当以钒氮合金形式加入到钢中时，可以对钢起到同时增钒和增氮的效果。由于合金钢达到同样强度所需的钒氮合金含钒量远小于钒铁含钒量，因此，相对于钒铁，钒氮合金节约了钒资源，降低了生产成本，受到钢铁冶炼企业的广泛青睐。

目前，钒氮合金的制备方法较多，但很多在工艺制度、某些条件参数的选择考量上可能欠妥，普遍存在成本较高、产品氮含量低、成分波动大等问题。因此，寻求一种高效、优质且经济的生产工艺是广大厂家一直探寻的课题。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的缺陷，提供一种钒氮合金及其生产方法，通过改进工艺制度，调整、优化条件参数，以解决产品含氮量低、成分波动大等问题，提高钒氮合金品质。

具体的，本发明的一种钒氮合金生产方法，包括：

(1)将钒化合物、还原剂、粘结剂和铁粉按配比混合均匀，压制成型后烘干得到成型物料；

(2)将成型物料放入电炉中，依次经历预热阶段、碳化阶段及氮化阶段，其中，所述碳化阶段的温度＞所述氮化阶段的温度＞所述预热阶段的温度；

(3)冷却，出炉得到钒氮合金。

上述的钒氮合金生产方法，所述预热阶段的温度为500℃～750℃，所述碳化阶段的温度为1300℃～1450℃，所述氮化阶段的温度为1000℃～1150℃。

上述的钒氮合金生产方法，所述预热阶段的时长为3～5h，压力为10～30Pa；所述碳化阶段的时长为6～8h，压力为10～30Pa；所述氮化阶段的时长为9～12h，压力为0.08～0.13MPa。

上述的钒氮合金生产方法，所述钒化合物、所述还原剂、所述粘结剂和所述铁粉的质量配比为(73.21～86.15)：(17.32～30.16)：(0.5～8)：(3～6)。

上述的钒氮合金生产方法，所述压制成型的压力为14～16MPa，所述烘干的温度为150℃～300℃，烘干时长为1～2h。

上述的钒氮合金生产方法，所述钒化合物为五氧化二钒、三氧化二钒、偏钒酸铵中的任意一种或组合。

上述的钒氮合金生产方法，所述还原剂为石墨或焦炭粉或两者的任意组合。

上述的钒氮合金生产方法，所述粘结剂为水玻璃、聚乙烯醇、纤维素中的任意一种。

另一方面，本发明提供了一种钒氮合金，其由上述的钒氮合金生产方法制备而成。

上述的钒氮合金，按质量百分比计，包括：V 76.03％～79.65％，N 15.12％～18.87％，表观密度为3.5～3.9g/cm³。

本发明的技术方案具有如下的有益效果：

本发明区别于现有的制备钒氮合金方法中依阶段持续升温的方式，而是考虑到“低温还原为高熔点的低价钒氧化物、高温更易生成VC、较低温更易生成VN”的特性，采取先升温再降温的方式(即碳化温度>氮化温度>预热温度)，使工艺制度更加合理，提高了产品中氮含量。

具体实施方式

为了充分了解本发明的目的、特征及功效，通过下述具体实施方式，对本发明作详细说明。本发明的工艺方法除下述内容外，其余均采用本领域的常规方法或装置。下述名词术语除非另有说明，否则均具有本领域技术人员通常理解的含义。另外，本文公开的所有范围包括端点而且可独立地组合。

具体的，本发明的钒氮合金生产方法，包括：(1)将钒化合物、还原剂、粘结剂和铁粉按配比混合均匀，压制成型后烘干得到成型物料；(2)将成型物料放入电炉中，依次经历预热阶段、碳化阶段及氮化阶段；其中，所述碳化阶段的温度＞所述氮化阶段的温度＞所述预热阶段的温度；(3)冷却，出炉得到钒氮合金。

本发明将钒氮合金生产工艺的温度调整为先升温再降温的方式，克服了传统方法持续升温的方式带来的产品含氮量低、成分波动大等问题，提高了钒氮合金品质。

在一些优选的实施方式中，本发明的钒氮合金生产方法，包括：

(1)将钒化合物、还原剂、粘结剂和铁粉按配比混合均匀，压制成型后烘干，得到成型物料。

通过将钒化合物、还原剂、粘结剂和铁粉混合均匀，可以使各反应物质均匀分布，从而使成型物料参与反应时，各处可以均衡反应以避免部分区域无法反应的情况，提高产品品质。

优选的，所述钒化合物为五氧化二钒、三氧化二钒、偏钒酸铵中的任意一种或组合；所述还原剂为石墨或焦炭粉或两者的任意组合；所述粘结剂为水玻璃、聚乙烯醇、纤维素中的任意一种。

优选的，在混合前，先将所述钒化合物粗碎到20mm以下，再球磨至80～200目。借此，提高其表面反应活性，促进反应进行，进一步使后续反应更加稳定，提高产品品质和质量稳定性。

在一些优选的实施方式中，所述钒化合物、所述还原剂、所述粘结剂和所述铁粉的质量配比为(73.21～86.15)：(17.32～30.16)：(0.5～8)：(3～6)。

优选的，将钒化合物、还原剂、粘结剂和铁粉混合均匀后，在14～16MPa压力下压制成型，然后于150℃～300℃温度下烘干1～2h。

(2)将成型物料放入电炉中，依次经历预热阶段、碳化阶段及氮化阶段，其中，所述碳化阶段的温度＞所述氮化阶段的温度＞所述预热阶段的温度；

优选的，所述电炉为真空电阻炉。

在一些实施方式中，所述预热阶段、碳化阶段及氮化阶段的温度可以根据实际生产情况确定。在一些优选的实施方式中，所述预热阶段的温度为500℃～750℃，所述碳化阶段的温度为1300℃～1450℃，所述氮化阶段的温度为1000℃～1150℃。

在一些优选的实施方式中，所述预热阶段的技术参数为：温度为500℃～750℃，时长为3～5h，压力为10～30Pa。

在预热阶段，所述成型物料中，钒的高价化合物会逐级还原为钒的低价化合物(V₂O₅→VO₂→V₂O₃→VO)。

当预热阶段的预热强度小于上述范围的最小值时，则钒高价化合物存量太多，加重了后续碳化和氮化的负担，不经济；当预热强度大于上述范围的最大值时，则易引起钒化合物的熔化和挥发，加剧了钒损失。

在一些优选的实施方式中，所述碳化阶段的技术参数为：温度为1300℃～1450℃，时长为6～8h，压力为10～30Pa。

在碳化阶段，所述成型物料中，钒氧化物中的氧原子会被碳原子所取代，从而转变为钒的碳化物VC。

当碳化阶段的碳化强度小于上述范围的最小值时，则碳化不彻底，致使最终所得钒氮合金氧含量高、氮含量低；当碳化强度大于上述范围的最大值时，虽然产品中钒含量会略有升高，但氮含量会降低，同时还含有相当的残碳量。

在一些优选的实施方式中，所述氮化阶段的技术参数为：温度为1000℃～1150℃，时长为9～12h，压力为0.08～0.13MPa。

在氮化阶段，所述成型物料中，钒的碳化物VC会向钒的氮化物VN转变，从而得到钒氮合金。

当氮化阶段的氮化强度小于上述范围的最小值时，则产品中VN物相很少，合金品质低劣；当氮化强度大于上述范围的最大值时，则能耗居高，增加了不必要的生产成本，不经济。

优选的，所述氮化阶段通入的氮气纯度≥99.9％，更优选为99.999％。

(3)冷却，出炉得到钒氮合金。

优选的，所述冷却的温度为300℃以下。

可选的，所述冷却可以通过水冷却或氮气冷却实现。

另一方面，本发明提供了一种钒氮合金，其由上述的钒氮合金生产方法制备而成。

其中，按质量百分比计，所述钒氮合金包括V 76.03％～79.65％，N 15.12％～18.87％。

所述钒氮合金的表观密度为3.5～3.9g/cm³。

实施例

下面通过实施例的方式进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。下列实施例中未注明具体条件的实验方法，按照常规方法和条件。下列实施例中使用的原料均为常规市购获得。

实施例1

以五氧化二钒为原料，采用颚式破碎机将其粗破至20mm以下，接着球磨至80～200目，随后以76.26份五氧化二钒、27.18份焦炭粉、3份铁粉的质量配比，并加入4份纤维素，送入滚筒混料机进行混合，待混均匀后，利用压砖机在14MPa的压力下将其压制成型，接着送入隧道窑在200℃下烘干1.5h，最后进入真空电阻炉中进行预热、碳化、氮化处理：首先抽真空至12Pa，在650℃下保持4h，是为预热阶段；接着升温至1350℃，在该温度下停留6h；随后通入0.1MPa、99.999％的氮气，在1100℃的温度下氮化处理10h，最后在氮气气氛下冷却至≤300℃出炉，所得钒氮合金V 77.13％，N 16.54％，表观密度3.5g/cm³。

实施例2

以三氧化二钒为原料，采用颚式破碎机将其粗破至20mm以下，接着球磨至80～200目，随后以82.65份三氧化二钒、20.35份焦炭粉、5份铁粉的质量配比，并加入6份3.5％聚乙烯醇，送入滚筒混料机进行混合，待混均匀后，利用压砖机在16MPa的压力下将其压制成型，接着送入隧道窑在250℃下烘干2h，最后进入真空电阻炉中进行预热、碳化、氮化处理：首先抽真空至20Pa，在700℃下保持4.5h，是为预热阶段；接着升温至1350℃，在该温度下停留7h；随后通入0.1MPa、99.999％的氮气，在1000℃的温度下氮化处理10.5h，最后在氮气气氛下冷却至≤300℃出炉，所得钒氮合金V 78.02％，N17.31％，表观密度3.75g/cm³。

实施例3

以三氧化二钒、偏钒酸铵为原料，采用颚式破碎机将其粗破至20mm以下，接着球磨至80～200目，随后以24.67份三氧化二钒、59.34份偏钒酸铵、21.36份石墨、4.5份铁粉的质量配比，并加入6份3.5％聚乙烯醇，送入滚筒混料机进行混合，待混均匀后，利用压砖机在14.5MPa的压力下将其压制成型，接着送入隧道窑在300℃下烘干1.5h，最后进入真空电阻炉中进行预热、碳化、氮化处理：首先抽真空至15Pa，在650℃下保持5h，是为预热阶段；接着升温至1450℃，在该温度下停留8h；随后通入0.1MPa、99.999％的氮气，在1050℃的温度下氮化处理12h，最后在氮气气氛下冷却至≤300℃出炉，所得钒氮合金V 78.74％，N17.39％，表观密度3.6g/cm³。

实施例4

以五氧化二钒为原料，采用颚式破碎机将其粗破至20mm以下，接着球磨至80～200目，随后以73.25份五氧化二钒、28.17份焦炭粉、4份铁粉的质量配比，并加入1.3份纤维素，送入滚筒混料机进行混合，待混均匀后，利用压砖机在14MPa的压力下将其压制成型，接着送入隧道窑在250℃下烘干2h，最后进入真空电阻炉中进行预热、碳化、氮化处理：首先抽真空至10Pa，在750℃下保持3h，是为预热阶段；接着升温至1300℃，在该温度下停留7.5h；随后通入0.13MPa、99.999％的氮气，在1100℃的温度下氮化处理12h，最后在氮气气氛下冷却至≤300℃出炉，所得钒氮合金V 79.24％，N 18.64％，表观密度3.85g/cm³。

实施例5

以三氧化二钒为原料，采用颚式破碎机将其粗破至20mm以下，接着球磨至80～200目，随后以85.47份三氧化二钒、21.64份焦炭粉、6份铁粉的质量配比，并加入8份水玻璃，送入滚筒混料机进行混合，待混均匀后，利用压砖机在16MPa的压力下将其压制成型，接着送入隧道窑在300℃下烘干1h，最后进入真空电阻炉中进行预热、碳化、氮化处理：首先抽真空至30Pa，在500℃下保持4.5h，是为预热阶段；接着升温至1450℃，在该温度下停留6h；随后通入0.08MPa、99.999％的氮气，在1150℃的温度下氮化处理9h，最后在氮气气氛下冷却至≤300℃出炉，所得钒氮合金V 76.26％，N 17.45％，表观密度3.5g/cm³。

对比例1

以五氧化二钒为原料，采用颚式破碎机将其粗破至20mm以下，接着球磨至80～200目，随后以76.26份五氧化二钒、27.18份焦炭粉、3份铁粉的质量配比，并加入4份纤维素，送入滚筒混料机进行混合，待混均匀后，利用压砖机在14MPa的压力下将其压制成型，接着送入隧道窑在200℃下烘干1.5h，最后进入真空电阻炉中进行预热、碳化、氮化处理：首先抽真空至30Pa，在450℃下保持4h，是为预热阶段；接着升温至980℃，在该温度下停留6h；随后通入0.1MPa、99.999％的氮气，在1450℃的温度下氮化处理11h，最后在氮气气氛下冷却至≤300℃出炉，所得钒氮合金V 75.28％，N 13.54％，表观密度3.2g/cm³。

本发明在上文中已以优选实施例公开，但是本领域的技术人员应理解的是，这些实施例仅用于描绘本发明，而不应理解为限制本发明的范围。应注意的是，凡是与这些实施例等效的变化与置换，均应设为涵盖于本发明的权利要求范围内。因此，本发明的保护范围应当以权利要求书中所界定的范围为准。