釩(鐵)碳氮化物的連續化生產方法及其設備的製作方法

2023-09-23 13:30:20 1

專利名稱：釩(鐵)碳氮化物的連續化生產方法及其設備的製作方法
技術領域：
本發明屬於化工、冶金技術領域，特別涉及一種釩(鐵)碳氮化物的連續化生產方
法及其設備。
背景技術：
眾所周知，氮、釩同時在高強度低合金鋼中應用，不但可以提高鋼的屈服強度，還可以節約30% _40%釩的用量，大幅降低鋼的生產成本。原因是氮含量的增加抑制了析出相長大與粗化，細化晶粒，從而充分發揮釩在鋼中的強化作用。已有鋼的合金化、增氮方法包括(1)添加碳氮化釩；(2)添加氰氨化鈣；(3)吹氮。這些方法均存在不足之處方法(1)的碳氮化釩密度低，易在鋼液中上浮，且熔化溫度較高，使釩的有效收率低；方法(2)的氮收率低且不穩定；方法(3)吹氮需專用設備，且氮的收率很低。使用氮化釩鐵煉鋼時釩的有效收率較高，但目前其製備方法主要是先生產釩鐵合金，再破碎、壓塊、真空固態滲氮，製備工序長而且複雜，釩的有效收率偏低，生產成本高。 1982年B. n. H e m y e h k o等人向電爐冶煉釩鐵熔體中通氮氣滲氮。所得釩鐵氮含量較低，平均為1% _1.2%。 1983年C. r. r p M叫e H k o等人採用37% -50% V的釩鐵粉在105(TC下固態滲氮。滲氮時間17h，含氮量達5X -6. 6%。 1983年錦州鐵合金廠用FeV50釩鐵粉進行105(TC固態滲氮，得到的淡化釩鐵含氮量為6% -9% (含釩44% -47% ) 。 1984年張顯鵬等人也以釩鐵粉為原料1300°C固態滲氮，得到釩鐵的氮含量為8. 47% 。 1990年穆宏波等人用78. 45%左右的釩鐵塊破碎下角料磨粉，IOO(TC -1200°C滲氮，得到釩鐵的氮含量為6% -8%。美國西爾德合金公司也用釩鐵粉滲氮生產含氮11%-13% (含釩65%左右)的氮化釩鐵。2006年公開的專利申請(CN1873036A)中提出由燃燒合成法製備50氮化釩鐵(含氮12%左右)，原料依然是釩鐵合金，在高壓氮氣環境下合成。此外，2008年公開的專利(CN100378238C)"氮化釩鐵合金及其製備方法"提出以釩化合物、鐵粉為原料在碳管爐或推舟式燒結爐中1350°C _14901:進行還原、滲氮，製得氮化釩鐵合金含氮8% -16%。儘管原料不用成本較高的釩鐵合金，直接用釩的氧化物，但設備主要還是間歇式操作，不能連續化生產，效率較低。 本發明人早在2004年就公開了專利"一種釩氮微合金添加劑及製備方法"(CN1212416C)，它以釩酸鹽或釩氧化物為原料，加入碳質還原劑和密度強化劑，還原、氮化同時進行，最終得到高密度的含氮(碳)化釩的釩氮微合金添加劑。該方法雖然為連續化生產提供了基礎，但因其所用生產設備沒有進行改造，尚滿足不了連續化生產要求。
釩(鐵)碳氮化物在使用上兼具釩鐵和氮化釩的優點，產品密度高，熔化溫度與鋼液相適應，易於加入鋼中，是鋼鐵冶金中一種非常適用的釩氮元素添加物。

發明內容
本發明的目的是針對上述現有氮化釩和氮化釩鐵製備技術存在的不足，提出了一種釩(鐵)碳氮化物的連續化生產方法及其生產設備。其方法是利用多聚釩酸銨或釩氧化物、碳、鐵粉或鐵氧化物混合造粒後，在迴轉反應器中同時完成還原、氮化反應， 一步獲得釩(鐵)碳氮化物。 為此，實現本發明的技術方案是這樣的 —種釩(鐵)碳氮化物的連續化生產方法，所述方法包括以下步驟 (a)整備原料A、原料B及還原劑和粘結劑，將所述原料A、原料B過篩且粒度範圍
在50-300目之間； (b)將所述原料A、原料B及還原劑和粘結劑充分混合處理得混合物料，其中各物
料的重量比為原料a :原料b :還原劑粘結劑=ioo : (20 50) : (20 75) : (o
25); (c)將所述混合物料連續加入到迴轉反應器中，在控制溫度的條件下，經過預熱區、預還原區、主反應區原料A、原料B至產品冷卻區； (d)在執行上述步驟的同時，向所述迴轉反應器內沿混合物料運動的逆向通入反應氣體，其流量控制在0. 05 1. 0m3. h—、 kg—、並且將所述預熱區溫度控制在100-400°C 、預還原區溫度控制在400-90(TC、主反應區溫度控制在900-180(TC，經過冷卻區後溫度降低到20(TC以下； (e)所述(d)步驟是由所述迴轉反應器的一端進料，另一端出成品，且連續製成釩(鐵)碳氮化物。 並且，作為優選，所述(a)步驟中的原料A採用偏釩酸銨、多聚釩酸銨、五氧化二釩、二氧化釩、三氧化二釩中的一種或其組合物；所述原料B採用包括氧化鐵皮在內的鐵氧化物或鐵粉。 而所述(b)步驟中的混合物料採用含釩化合物和鐵氧化物或鐵粉的原料與還原劑混合後加入粘結劑進行造粒加工處理。 作為優選，所述步驟(d)中向所述迴轉反應器內通入的反應氣體是氮氣或是氨氣、氫氣、煤氣、甲烷中的一種或其混合氣體。 而所述(b)步驟中的還原劑採用石墨、活性炭、碳黑、石墨電極粉、木炭粉、石油焦、焦炭中的一種或其組合物。 作為優選，所述(b)步驟中的粘結劑採用水玻璃、膨潤土、生石灰、羧甲基纖維素、羧甲基纖維素鈉、澱粉、糊精、改性澱粉、糖漿、聚乙烯醇、木質素磺酸鈣、木質素磺酸鎂、造紙廢液的一種或其組合物。 同理，所述釩(鐵)碳氮化物的連續化生產方法所用的生產裝置，包括迴轉爐體和組裝其內的帶有迴轉機構的迴轉反應器及與其封閉連接的物料料倉、成品料倉、供氣罐。其中迴轉爐體的一端支撐有調節其傾角的升降機構，迴轉反應器內按反應所需溫度分別順序設置預熱區、預還原區、主反應區、冷卻區。預熱區端部設置進料口和出氣口，出氣口連接尾氣處理裝置，冷卻區尾部設置進氣口和成品出口 ，進氣口通過氣體流量控制器連接供氣罐。 相比現有技術，由本發明涉及的方法所得的產品兼具釩鐵和氮化釩的優點，產品質量穩定、釩收得率高、密度大，在鋼中應用熔點低。運用該方法可實現連續化生產，在常壓下還原氮化，無需真空設備或加壓裝置，明顯降低設備投資，簡化工藝流程，縮短製備周期，確保產品質量穩定；由於本發明涉及的方法是利用了氣體與物料相對逆流運動的原理，故熱交換效率高，既降低能耗，又循環利用氣體，達到節約的效果。 而本發明採用的專用生產裝置，是將已處理的混合物料連續加入到所用裝置的回 轉反應器內，按反應所需的溫度分別順序通過預熱區、預還原區、主反應區、冷卻區，同時， 向迴轉反應器內沿混合物料運動的逆向通入氣體，常壓條件下碳化和氮化，由於取消了真 空設備，由反應器一端進料，從另一端出成品，實現了一步連續完成生產釩(鐵)碳氮化物， 降低設備投資，簡化工序，縮短製備周期，提高了生產效率。同時在利用該迴轉反應器進行 連續化生產時，可充分利用氣體與物料的相對逆流運動，來促進熱交換，這既能降低能耗， 又能循環利用氣體，具有很明顯的節能效果。另外，通過調整溫度、迴轉反應器的轉速、反應 器的傾角等工藝參數，可以實現在同一生產裝置中使用不同原料，生產不同產品，設備功能 多，應用範圍廣。


以下結合附圖對本發明作進一步描述。
圖1為本發明釩(鐵)碳氮化物的連續化生產裝置的結構示意圖。 圖中序號說明1_迴轉爐體、2-迴轉反應器、3-加熱機構、4-進料口、5-物料料
倉、6-計量機構、7-尾氣處理裝置、8_出氣口、9-預熱區、10-預還原區、ll-主反應區、
12-冷卻區、13-成品出口 、 14-成品料倉、15-迴轉機構、16-進氣口 、 17-氣體流量控制器、
18-供氣罐、19-升降機構。
具體實施方式

實施例1 以偏釩酸銨為原料製備釩(鐵)碳氮化物 將烘乾研磨後的偏釩酸銨和鐵氧化物或鐵粉篩分，選擇粒度過120目的物料配加 還原劑石墨，其配入量以反應方程式2HN4V03+6C+1/2N2 = VC+VN+2NH3+H20+5C0為依據，並考 慮鐵氧化物還原的用碳量，按化學反應計量比配製，並適當調整配碳量，再加入5%澱粉， 充分混勻後通過造粒機製成一定粒度的顆粒，充分烘乾後儲存到反應料倉。通過真空泵抽 真空排除裝置中的空氣。物料通過計量裝置定量送入迴轉爐反應器，同時通入氮氣，流量為
0. 05m3. h—、 kg—、通過調整迴轉爐的轉速及傾角來控制物料在迴轉爐反應器中的運動速度， 物料在迴轉爐反應器中的平均停留時間為1. 5-3小時。原料逐次經過預熱區、預還原區、主 反應區，此時主反應區溫度控制在1300-145(TC，反應後產物進入冷卻區冷卻，最後產品釩 (鐵)碳氮化物進入產品料倉。產品中V :78. 45% 80. 66% ， Fe : 17. 23% 20. 5% ， C量
1. 01% 2. 48%， N量8. 82% 12. 61%， S量《0. 01% 0. 005%， 0量《0. 05%。
實施例2 以三氧化二釩為原料製備釩(鐵)碳氮化物 選擇粒度為140目的三氧化二釩和鐵氧化物或鐵粉，配加活性炭還原劑，其配入 量以反應方程式V203+4C+1/2N2 = VC+VN+3C0為依據，並考慮鐵氧化物還原的用碳量，按化 學反應計量比配製，並適當調整配碳量，並加入2%聚乙烯醇，充分混勻後通過造粒機製成 一定粒度的顆粒，充分烘乾後儲存到反應料倉。通過真空泵抽真空排除裝置中的氧含量。原 料再通過計量裝置定量加入迴轉爐反應器，同時通入氮氣，流量為0. 2m3. h—、 kg—、通過調整迴轉爐的轉速及傾角來控制物料在迴轉爐反應器中的運動速度，物料在迴轉爐反應器裝置 中的平均停留時間為1.5-3小時。物料逐次經過預熱區、預還原區、主反應區，此時主反應 區溫度控制在1300-150(TC，反應後產物進入冷卻區冷卻，最後產品釩(鐵)碳氮化物進入 料倉。產品中V量67. 45% 78. 80%，Fe量20. 12% 23. 41%，。量:1. 12% 2. 41%， N量10. 85% 14. 51%， S量《0. 01% 0. 005%， 0量《0. 05%。
實施例3 以五氧化二釩為原料製備釩(鐵)碳氮化物 將烘乾研磨後的五氧化二釩篩分後，選擇粒度為120目的五氧化二釩配加加 適量氧化鐵皮和還原劑。本實施方式選擇單質石墨還原劑，其配入量以反應方程式 V205+6C+1/2N2 = VC+VN+5C0為依據，並考慮氧化鐵皮還原用碳量，按化學反應計量比配製， 並適當調整配碳量，經振動篩充分篩混後，儲存於原料倉。通過真空泵抽真空排除裝置中的 空氣。原料再通過計量裝置定量進入到迴轉爐反應器，同時通入氮氣，流量為O. 15m3.h—、 kg—、通過調整迴轉爐的轉速及傾角來控制物料在迴轉爐反應器中的運動速度，物料在迴轉 爐反應器裝置中的平均停留時間為1.5-3小時。原料逐次經過預熱區、預還原區、主反應 區，此時主反應區溫度控制在1300-155(TC，反應後產物進入冷卻區冷卻，最後產品釩(鐵) 碳氮化物進入料倉。產品中V量77. 85% 81. 80%， Fe量19. 12% 20. 41%， C量 1. 52% 2. 83%， N量12. 85% 13. 51%， S量《0. 01% 0. 005%， 0量《0. 05%。
權利要求
一種釩(鐵)碳氮化物的連續化生產方法，其特徵在於，所述方法包括步驟(a)整備原料A、原料B及還原劑和粘結劑，將所述原料A、原料B過篩且粒度範圍在50-300目之間；(b)將所述原料A、原料B及還原劑和粘結劑充分混合處理得混合物料，其中各物料的重量比為原料A∶原料B∶還原劑∶粘結劑＝100∶(20～50)∶(20～75)∶(0～25)；(c)將所述混合物料連續加入到迴轉反應器中，在控制溫度的條件下，經過預熱區、預還原區、主反應區原料A、原料B至產品冷卻區；(d)在執行上述步驟的同時，向所述迴轉反應器內沿混合物料運動的逆向通入反應氣體，其流量控制在0.05～1.0m3.h-1.kg-1，並且將所述預熱區溫度控制在100-400℃、預還原區溫度控制在400-900℃、主反應區溫度控制在900-1800℃，經過冷卻區後溫度降低到200℃以下；(e)所述(d)步驟是由所述迴轉反應器的一端進料，另一端出成品，且連續製成釩(鐵)碳氮化物。
2. 根據權利要求l所述釩(鐵)碳氮化物的連續化生產方法，其特徵在於所述(a)步 驟中的原料A採用偏釩酸銨、多聚釩酸銨、五氧化二釩、二氧化釩、三氧化二釩中的一種或 其組合物；所述原料B採用包括氧化鐵皮在內的鐵氧化物或鐵粉。
3. 根據權利要求l所述釩(鐵)碳氮化物的連續化生產方法，其特徵在於所述(b)步 驟中的混合物料採用含釩化合物和鐵氧化物或鐵粉的原料與還原劑混合後加入粘結劑進 行造粒加工處理。
4. 根據權利要求1所述釩(鐵)碳氮化物的連續化生產方法，其特徵在於所述步驟 (d)中向所述迴轉反應器內通入的反應氣體是氮氣或是氨氣、氫氣、煤氣、甲烷中的一種或 其混合氣體。
5. 根據權利要求l所述釩(鐵)碳氮化物的連續化生產方法，其特徵在於所述(b)步 驟中的還原劑採用石墨、活性炭、碳黑、石墨電極粉、木炭粉、石油焦、焦炭中的一種或其組 合物。
6. 根據權利要求l所述釩(鐵)碳氮化物的連續化生產方法，其特徵在於所述(b)步 驟中的粘結劑採用水玻璃、膨潤土、生石灰、羧甲基纖維素、羧甲基纖維素鈉、澱粉、糊精、改 性澱粉、糖漿、聚乙烯醇、木質素磺酸鈣、木質素磺酸鎂、造紙廢液的一種或其組合物。
7. —種釩(鐵)碳氮化物的連續化生產裝置，包括迴轉爐體和組裝其內的帶有迴轉機 構的迴轉反應器及與其封閉連接的物料料倉、成品料倉、供氣罐，其特徵在於所述迴轉爐 體的一端設有調節迴轉爐體傾角的升降機構，所述迴轉反應器內按反應所需溫度分別順序 設置預熱區、預還原區、主反應區、冷卻區，預熱區頭部設置進料口和出氣口，出氣口連接尾 氣處理裝置，冷卻區尾部設置進氣口和成品出口 ，進氣口通過氣體流量控制器連接供氣罐。
全文摘要
本發明涉及一種釩(鐵)碳氮化物的連續化生產方法及其生產設備。該方法將粉狀釩化合物、鐵氧化物或鐵粉、碳質還原劑混合後加入粘結劑，造粒烘乾後連續加入迴轉反應器中，經過溫度控制的預熱區、預還原區、主反應區及產品冷卻區；與此同時，向反應器內沿物料運動的逆向通入反應氣體，進行碳熱還原、氮化反應，連續製成釩(鐵)碳氮化物。主反應區溫度為1300-1550℃，總反應時間為1.5-3h。所得釩(鐵)碳氮化物的成分範圍是V58.15％～80.66％、Fe10.21％～40.5％、C1.01％～2.48％、N8.82％～16.65％、S≤0.01％、O≤0.05％。本發明不採用真空設備，明顯降低設備投資，簡化了傳統工藝，極大縮短了製備周期，特別是原料採用初級釩化合物和鐵氧化物，大大降低了生產成本，產品質量穩定。
文檔編號C22C33/06GK101717883SQ20091015764
公開日2010年6月2日 申請日期2009年7月22日 優先權日2009年7月22日
發明者於三三, 付念新, 婁太平, 張力, 都興紅, 隋智通 申請人:隋智通