一種氮化釩的生產方法及設備的製作方法
2023-06-09 02:18:56 1
專利名稱：一種氮化釩的生產方法及設備的製作方法
技術領域：
本發明屬於釩合金技術領域，特別是涉及一種在工業上間歇式生產氮化釩的方法及設備。
背景技術：
國內外已有的氮化釩製備方法有(1)美國專利US3745209提出，以五氧化二釩或偏釩酸銨為原料，氫氣、氮氣和天然氣的混合氣體，或氨、氮氣與天然氣，氨與一氧化碳的混合氣體為還原氣體和滲氮氣體，在流動床或迴轉管中連續製得含V74.2-78.7％，N4.2-16.2％，C6.7-18.0％的氮化釩。還原溫度為800-1200℃，900-1100℃最佳。此方法的缺點是還原效率低，還原和氮化氣體消耗大；產品為粉狀，不能直接加入煉鋼爐中。(2)P·K·Tripathy等人在「preparation of vanadium nitride and itssubsequent metalliazation by thermal decomposition」(《Journal of Alloys andCompounds》V209，№1-2，Jul 1994，page175-180)一文中提出，以VC與V2O5或V2O5與碳粉為原料，加粘結劑在180Mpa下壓塊成型，在700-800℃下預還原，然後在1500℃和0.1pa真空度下還原，最後通入氮氣滲氮製得氮化釩。缺點為加熱時間長，能耗較高。(3)美國專利US3334992提出，將V2O3和鐵粉及碳粉混勻後壓成塊，在1385℃和22.7pa真空度下還原60小時，先得到碳化釩，再分別在1100℃和1000℃下分別滲氮2小時和6小時，製得含V78.7％，N7.3％，C10.5％的氮化釩。此方法的缺點是生產周期長，產量低，能耗大。(4)美國專利US4562057提出，將五氧化二釩或偏釩酸銨在氨與氮氣或氫氣的混合氣氛下，於675-700℃下預還原1小時得到低價釩氧化物，再在950℃下同時進行還原和滲氮3-4小時得到含氧3-20wt％的氮氧釩。將氮氧釩與磨碎的含碳物料混合，在惰性或含氮氣氛下或真空爐內高溫處理，得到含C2-6％的氮化釩，此方法的缺點是要將生成的中間物氮氧釩取出與含碳物料混合後再還原滲氮得到氮化釩，工序較長，生產效率低，相應能耗高。(5)北京科技大學王功厚等人用五氧化二釩和活性炭在實驗室用高溫真空鉬絲爐內先製得碳化釩，再在1400℃下滲氮1.5小時，得到含V81.22％，N9.069％，C6.65％的氮化釩。該方法僅為實驗室結果。(6)攀枝花鋼鐵集團公司以粉末狀的三氧化二釩和石墨為原料，加聚乙烯醇水溶液為粘結劑，混勻後壓塊、成型。再將成型後的物料連續加入推板窯中，同時通入氮氣或氨氣作反應和保護氣體，於1000-1800℃反應2-6小時製得含V77-81％，N1-8％的氮化釩。此外由於高溫下爐襯易變形和發生氮化而損壞，導致生產不穩定。(7)南非Vametco礦物公司的氮化釩(Nitrovan)生產工藝是將三氧化二釩與碳和粘結劑混合製成團，在真空爐內先製成碳化釩，再通入氮氣滲氮。最後在真空或惰性氣氛下冷卻，得到化學式為VCxNy(x+y＝1)的「Nitrovan」產品。該工藝為國外唯一商業化生產氮化釩的方法。採用真空電加熱爐，能耗較高。同時，在氮化釩的生產設備方面，還沒有採用工業微波爐的先例。
發明內容
本發明的目的是提供一種用研磨後成粉末狀的釩氧化物和碳質粉劑為原料加入粘結劑，採用工業微波爐加熱生產氮化釩，這種新的生產方法和設備熱效率高，加熱時間短，易於控制，能顯著降低生產過程的能耗。本發明是通過如下方式實現的一種氮化釩的生產方法，是先將片狀的V2O5或V2O3和石墨或活性碳磨至120目90％以下，混勻後再加入粘結劑攪拌均勻；混合物料經壓塊成型後加熱，保持真空，在控制溫度條件下，經預還原、碳化、氮化三個階段，最終製得氮化釩的方法，其特徵在於(a)混合物料經壓塊成型後是採用工業微波爐加熱；(b)是間歇式生產；(c)加熱過程分為三段，即預還原、碳化、氮化三個階段相應過程控制條件為預還原階段溫度保持在600-700℃，真空度保持在1.067×104-25pa，時間0.5-1小時；碳化階段溫度1300-1500℃，真空度保持在1.067×104-25pa，時間1-3小時；氮化階段溫度900-1250℃，壓力105pa，時間2-4小時；加熱完後產品在爐內自然冷卻至200℃以下出爐。氮化釩生產中加熱設備工業微波爐，它具有保溫磚砌成的爐體1，其內為微波爐膛4，頂部有微波輸入導管2，爐體1側有觀察口3，其特徵在於該爐膛4內有盛物料的活動坩堝5，該坩堝5的底部有氮氣分布板6，移動小車8上有充氮氣管7伸入坩堝5底部，爐體1外一側有推動裝卸物料的移動小車8及其軌道。氮化釩生產所用粘結劑為水玻璃或1-5％的羧甲基纖維素水溶液。生產原料採用V2O3時省去預還原階段。加熱完後產品在爐內是在N2保護下自然冷卻至200℃以下。所述的氮化釩的生產中加熱設備工業微波爐，其特徵在於爐體1所用保溫磚和坩堝5所用耐火磚是採用不吸收微波材料；上述保溫磚為矽酸鹽或高鋁泡沫磚，耐火磚為高鋁空心球或剛玉磚。充氮氣管7所用滲氮氣體為N2。它有氮化釩生產的加料、出料及加熱溫度時間、爐內壓力等工藝參數的PLC自動控制系統；和坩堝5置於活動的移動小車8上，進出爐體1、裝卸料在爐體1外進行的自動控制系統。本發明的優點如下(1)由於微波加熱是通過電磁能量以波的形式滲透到介質的內部引起介質損耗而發熱，無須經過熱傳導，因此熱效率高，耗電量只有普通真空電加熱爐的十分之一。(2)微波加熱升溫速率快，加熱時間大幅縮短，因此節省能源，生產效率也顯著提高。(3)由於微波加熱為介質內部損耗而發熱，因此只有與物料接觸的局部區域為高溫區，其餘地方溫度顯著降低，因此採用較薄的保溫層即可使爐壁溫度保持在常溫，無須冷卻措施。設備使用壽命顯著延長。(4)由於無須經過熱傳導加熱，因此爐體製作可以簡化，真空易於維持，設備易於操作和控制。本發明最大特點是採用微波加熱，其次是間歇式生產。採用微波加熱熱效率高，加熱時間與以往採用的間歇式真空加熱爐相比，可從十幾小時至數十小時減少至3.5-8小時，耗電量是普通真空加熱爐的十分之一。採用間歇式生產易於真空條件的實現，有利於碳化和氮化的進行。產品主要用作各種含釩合金鋼的添加劑。
圖1是本發明設備工業微波爐的結構示意圖。
具體實施例方式
現結合附圖對本發明作進一步的詳細說明。參照圖1，實施例1將900kg純度為98.56％的已磨成120目的90％的V2O5粉、332kg石墨粉及1％的羧甲基纖維素水溶液125kg混勻後壓成φ80×30mm的塊。再將料塊放入坩堝5中，由控制系統自動推入微波爐中。爐門關閉、密封后，真空系統開始啟動、抽氣。當真空度達到40pa時，開始加熱，在650℃預還原1小時，然後在1400℃碳化2小時。碳化結束後停止抽氣，通入氮氣，在1000℃滲氮2小時。加熱結束後，產品在爐內自然冷卻至180℃時自動出爐，得到617kg表觀密度為3810g/cm3，含V78.32％，N12.22％，C6.41％，O1.55％的氮化釩。
實施例2將700kg純度為98.32％的已磨成120目90％的V2O5粉、250kg石墨粉及1％的羧甲基纖維素水溶液88kg混勻後壓成φ80×30mm的塊。再將料塊放入坩堝5中，由控制系統自動推入微波爐中。爐門關閉、密封后，真空系統開始啟動、抽氣。當真空度達到100pa時，開始加熱，在600℃預還原0.5小時，然後在1300℃碳化1.5小時。碳化結束後停止抽氣，通入氮氣，在1100℃滲氮2.5小時。加熱結束後，產品在爐內自然冷卻至170℃時自動出爐，得到486kg表觀密度3570g/cm3，含V77.89％，N9.05％，C8.15％，O3.25％的氮化釩。
實施例3將1000kg純度為98.17％的已磨成200目80％的V2O5粉、333kg石墨粉及1％的羧甲基纖維素水溶液130kg混勻後壓成φ80×30mm的塊。再將料塊放入坩堝5中，由控制系統自動推入微波爐中。爐門關閉、密封后，真空系統開始啟動、抽氣。當真空度達到30pa時，開始加熱，在680℃預還原1小時，然後在1450℃碳化2小時。碳化結束後停止抽氣，通入氮氣，在1200℃滲氮3.5小時。加熱結束後，產品在爐內自然冷卻至150℃時自動出爐，得到682kg表觀密度為4170g/cm3，含V79.28％，N13.34％，C5.07％，O0.81％的氮化釩。
上述應用本發明的生產方法及設備製得的氮化釩產品含V76-80％，N7-14％，C5-12％，表觀密度為3100-4200g/cm3。
權利要求
1.一種氮化釩的生產方法，是先將片狀的V2O5或V2O3和石墨或活性碳磨至120目90％以下，混勻後再加入粘結劑攪拌均勻；混合物料經壓塊成型後加熱，保持真空，在控制溫度條件下，經預還原、碳化、氮化三個階段，最終製得氮化釩的方法，其特徵在於(a)混合物料經壓塊成型後是採用工業微波爐加熱；(b)是間歇式生產；(c)加熱過程分為三段，即預還原、碳化、氮化三個階段相應過程控制條件為預還原階段溫度保持在600-700℃，真空度保持在1.067×104-25pa，時間0.5-1小時；碳化階段溫度1300-1500℃，真空度保持在1.067×104-25pa，時間1-3小時；氮化階段溫度900-1250℃，壓力105pa，時間2-4小時；加熱完後產品在爐內自然冷卻至200℃以下出爐。
2.氮化釩生產中加熱設備工業微波爐，它具有保溫磚砌成的爐體[1]，其內為爐膛[4]，頂部有微波輸入導管[2]，爐體[1]一側有觀察口[3]，其特徵在於該爐膛[4]內有盛物料的活動坩堝[5]，該坩堝[5]的底部有氮氣分布板[6]，移動小車[8]上有充氮氣管[7]伸入坩堝[5]底部，爐體[1]外一側有推動裝卸物料的移動小車[8]及其軌道。
3.根據權利要求1所述的氮化釩的生產方法，其特徵在於氮化釩生產所用粘結劑為水玻璃或1-5％的羧甲基纖維素水溶液。
4.根據權利要求1或3所述的氮化釩的生產方法，其特徵在於生產原料採用V2O3時省去預還原階段。
5.根據權利要求1或3或4所述的氮化釩的生產方法，其特徵在於加熱完後產品在爐內是在N2保護下自然冷卻至200℃以下。
6.根據權利要求2所述的氮化釩的生產中加熱設備工業微波爐，其特徵在於爐體[1]所用保溫磚和坩堝[5]所用耐火磚是採用不吸收微波材料；上述保溫磚為矽酸鹽或高鋁泡沫磚，耐火磚為高鋁空心球磚或剛玉磚。
7.根據權利要求2或6所述的氮化釩生產中加熱設備工業微波爐，其特徵在於充氮氣管[7]所用滲氮氣體為N2。
8.根據權利要求2或6或7所述的氮化釩生產中加熱設備工業微波爐，其特徵在於它有氮化釩生產的加料、出料及加熱溫度時間、爐內壓力等工藝參數的PLC自動控制系統；和坩堝[5]置於活動的移動小車[8]上，進出爐體[1]、裝卸料在爐體[1]外進行的自動控制系統。
全文摘要
一種氮化釩的生產方法及設備。本發明屬於釩合金技術領域，特別是涉及一種在工業上間歇式生產氮化釩的方法及其設備。目的是提供一種用研磨後成粉末狀的釩氧化物和碳質粉劑為原料加入粘結劑，採用工業微波爐加熱生產氮化釩，這種新的生產方法和設備熱效率高，加熱時間短，易於控制，能顯著降低生產過程的能耗。特徵是將含釩氧化物與活性碳或石墨粉、粘結劑按比例混勻、壓塊、成型，將成型後物料置入特製的工業微波加熱爐中，不斷抽氣，保持真空度，預還原，碳化，氮化，自然冷卻後出爐為產品，產品主要用作各種含釩合金鋼的添加劑。主要優點是採用微波加熱，間歇式生產。熱效率高，耗能少。
文檔編號C01B21/00GK1562770SQ20041002309
公開日2005年1月12日 申請日期2004年4月6日 優先權日2004年4月6日
發明者丁喻, 譚少波 申請人:湘潭市恆新特種合金廠