采用自蔓延高温合成工艺生产氮化钒铁的方法技术

本发明专利技术一种采用自蔓延高温合成工艺生产氮化钒铁的方法，原料为钒铁及氮气，首先将原料钒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。采用上述方法合成生产氮化钒铁，无需外加能源，无污染，合成速度快，节能、环保、高效，是一种值得推广的高技术生产工艺。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于自蔓延高温合成(也称燃烧合成)氮化铁合金的生产方法，主要适用 于氮化钒铁的生产。
技术介绍
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 法是加大微合金化钢的研究和推广。微合金化是指在原合金的基础上再添加微量的铌、钒、 钛等碳氮化物形成元素，一般其加入量为0. 02 0. 20%。加入碳氮化物形成元素后，在钢 材加工的加热和冷却过程中，通过该元素在钢中的溶解与析出行为对钢的力学性能发挥作 用。其强化机制主要是细化晶粒强化和析出强化。这两种强化方式对钢的屈服强度的贡献 超过70%，充分体现了微合金化元素在技术、经济方面的优势。采用钒氮微合金化，不需要 再添加其它贵重的合金元素，在一般热轧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。在微合金化钢中，钒的微合金化占有重要地位。据统计，在各国微合金化钢中可知 化学成分的牌号有186个，其中含钒的钢种占158个，含铌钢种9个，钒铌复合钢种14个 ，而在我国所有已纳入国家标准中的微合金化钢种牌号 中，含钒的钢种有139个，含铌钢种37个，稀土钢种14个。 由此可见，在微合金化钢中，含钒钢是主导品种，这是因为含钒钢的轧制工艺与普通钢一 样，不需附加特殊的生产条件。我国是钒资源大国，钒制品产量居世界第三位，发展钒的微 合金化钢优势明显。目前，我国正处于大力发展基础设施阶段，建设用材仍以普碳钢为主， 而国外发达国家采用低(微)合金钢的比例已达40 50%，实际应用表明，采用低(微) 合金钢可比普碳钢节约20 30%的钢材，因此，扩大低(微)合金钢的应用，特别是扩大钒 的微合金化钢的应用具有特殊意义。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。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，直 到全部物料反应完毕。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，“八五”期间，国家863计划设立了《自蔓延高温合成 技术研究项目》。在上世纪80年代末，我国许多单位 开展了这方面的研究。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只有 Tad> 1800K时，自蔓延高温合成反应才能自持续进行。对于钒铁原料的氮化，主要是通过 钒和氮的反应来计算绝热燃烧温度，钒氮化合物合成反应的绝热燃烧温度为3500K，即使是 50钒铁其绝热燃烧温度也接近Merzhanov等提出Tad > 1800K经验值的要求。
技术实现思路
本专利技术所解决的技术问题在于以各种牌号钒铁和高纯氮气为原料，采用自蔓延高 温合成工艺生产氮化钒铁，并使该产品在炼钢中的使用效果相当或优于当前国内各钢厂使 用的钒氮合金。本专利技术的技术方案为一种，原料 为钒铁及氮气，首先将原料钒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。其中对于含钒量质量分数大于58%的钒铁原料，为防止钒铁在破碎过程中被氧 化，破碎过程需要采用氮气或惰性气体保护原料，磨料设备内的氮气或惰性气体气体含量 达到占总质量的质量分数98%以上。当钒铁中钒的质量分数大于60%时，需要加入占总质量的质量分数为0-20%的 惰性稀释剂以降低合成温度。该惰性稀释剂为氮化钒铁破碎粉粒。原料钒铁破碎的粒度组成为40 100目占总质量的质量分数为0 15%，100 200目占总质量的质量分数为40 50%，< 200目占总质量的质量分数为40 60%。当高压合成器内氮气压力下降至5. 5 6. OMpa时，需要向高压容器内补压，即通 入氮气使得压力维持在6 12Mpa。原料钒铁为50钒铁、60钒铁或80钒铁。烘干温度为50 70°C，烘干时间为2 4小时。本专利技术的有益效果为采用自蔓延高温合成的氮化钒铁产品性能优于钒氮合金，表现在钒的回收率高于钒氮合金，钢材力学性能波动值大大缩小，钢材综合性能更加稳定。 利用本专利技术的方法可以作为一种通用的生产工艺用于生产各种钒含量牌号的氮化钒铁。采 用目前商业生产的50钒铁、60钒铁或80钒铁为原料生产各种牌号氮化钒铁均可取得成功。另外，采用本专利技术的自蔓延高温合成生产氮化钒铁，无需外加能源，无污染，合成 速度快，节能、环保、高效，是一种值得推广的高技术生产工艺。生产的氮化钒铁产品已在承德新新钒钛股份有限公司、首都钢铁股份有限公司、 唐山钢铁股份有限公司等企业应用，成功生产出合格的HRB400级(III级)、HRB500级(IV 级)、英标460级高强度螺纹钢筋，这些产品表现在钢材力学性能上波动值大大缩小，产品 质量更稳定，比使用钒铁节约钒20 40%，比使用钒氮合金节约钒4 7%。附图说明 图1为本专利技术之流程框图。 具体实施例方式以下首先对本专利技术的自蔓延高温合成工艺生产氮化钒铁的方法的原理进行简要 说明。本专利技术生产氮化钒铁的方法使用的原料可以是50钒铁(FeV50)、60钒铁(FeV60) 或80钒铁(FeVSO)及高纯氮气(N2)，主要通过V和N的反应来计算绝热燃烧温度，钒氮化 合物合成反应的绝热燃烧温度为3500K，可见采用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种采用自蔓延高温合成工艺生产氮化钒铁的方法，其特征在于：　　原料为钒铁及氮气，首先将原料钒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。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王声宏，刘克忠，晋心翠，王朝晖，
申请(专利权)人：承德金科科技开发有限责任公司，
类型：发明
国别省市：13[中国|河北]