[发明专利]一种制备氮化钒的方法

说明书

技术领域

本发明属于钢铁冶金领域，涉及氮化钒的制备方法。

背景技术

氮化钒是一种优良的炼钢添加剂，能显著地提高和改善钢材的综合机械性能和焊接性能。与使用钒铁相比可以节约20％～40％的钒资源，从而降低了炼钢生产成本。以建筑业为例，使用钒氮合金化技术生产的新三级钢筋因其强度提高，不仅增强了建筑物的安全性、抗震性、强韧性、焊接性能，还可以较使用普通钢筋节约钢材10％至12％等优点。

1967年J.H.Downing等人在US3334992中披露，将181Kg的V₂O₅，62Kg碳粉，4.1Kg树胶脂和3Kg铁粉混匀后，在20.68MPa下压制成型，样品尺寸为51×51×38mm。在1 385℃和22.7Pa真空下进行碳还原，还原时体系真空度降到2666Pa再保持60h，体系真空度又还原到22.7Pa，即标志还原过程结束。此时将炉子停止加热，冷却至室温时样品出炉，得到的是碳化钒(VCx)。当真空度恢复至22.7Pa，炉子不停止加热而温度降至1100℃时，将氮气送至炉内并保持氮的分压为P_N2＝700～1000Pa。先恒温渗氮2h，然后将炉温调至1000℃再渗氮6h电炉停止加热，在氦气氛下冷至室温出炉，其产品的化学组成为：78.75％V～10.5％C～7.3％N，所以又称这种VN为VCN。

1999年王功厚等人，用V₂O₅与活性碳压块成型，在实验条件下进行碳热还原，在1673K和1.333Pa真空下先还原生成VC，随后通入氮气，在101325Pa氮气压力下渗氮1.5小时，可获得86％V、7％C、9.069％～9.577％N、2％O样品。为了提高氮化钒强度，在原料中加入3％铁粉。

上述两个过程需要高真空度，设备成本和运转成本都比较高。

1977年美国联合碳化物公司在美国专利US4040814中披露，将V₂O₃和碳在1100～1500℃下还原氮化制备得到了含氮12％的氮化钒。

2001年孙朝晖等人在中国专利CN1422800A中披露，将粉末状的钒氧化物，碳质粉剂和粘结剂混匀后压块，成型，再将成型后的物料连续加入制备炉，同时向制备炉通入氨气或氮气做反应和保护气体，制备炉加热到1000～1800℃，该物料在炉内发生了碳化和氮化反应，持续时间小于6小时，出炉前要在保护气氛下冷却到100～250℃，出炉即得氮化钒产品。

上述两个过程以及CN1587064中披露的过程实际上用V₂O₃为原料，如果用V₂O₅为原料，则其因为没有预还原过程，会在670℃即其熔点附近熔化板结，妨碍后续还原过程和形成产品团结现象。而钒原料中钒的氧化态越低，原料成本越高。

1985年联合碳化物公司的J.B.Goddard等人在美国专利US4562057中披露，以钒的高价氧化物V₂O₅或钒酸铵为原料，以混合气体(氮气+氨气)为还原剂及氮化剂，先在675～700℃下预还原1h，将低熔点高价钒氧化物还原至高熔点的低价钒氧化物，之后在950℃下同时进行还原和渗氮3～4h，可获得73.3％V、12.6％N、15.35％O的产品，然后再用碳热还原法在1400℃左右除去其中大量的氧得碳氮化钒产品。该过程经过预还原——降温——配料——高温碳热还原过程，能耗高，生产效率低。

1999年I.Galesic等人(Thin Solid Films，349(1999)14～18)发表了用快速热处理工艺在1100℃制备氮化钒薄膜的方法。

2000年，Prabhat Kumar Tripathy在J.Mater.Chem.，2001，11，691～695中披露了在1500℃以V₂O₅为原料碳热和N₂还原制备得到了氮化钒。

上述两个过程都是研究性质的小规模非连续过程。