[发明专利]连续高效生产高含氮量钒氮合金的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种钒氮合金的生产方法，尤其是一种连续高效生产高含氮量钒氮合金的方法。

背景技术

钒氮合金作为一种优良的炼钢添加剂，可显著提高钢材的耐磨性、耐腐性以及抗热疲劳性、可焊接性等综合机械性能，并且起到消除夹杂物延伸等作用。研究表明，提高钒氮合金含氮量可显著增强钒元素的沉淀强化和细化晶粒的效果，在有效节省了钒的用量、降低生产成本的同时，可进一步提升含钒钢的强度和焊接等性能。因此，在稳定高产的前提下，尽可能提高钒氮合金中氮元素的含量，已成为国内外各生产企业的研究热点。

然而，当前主流的推板窑、竖式窑生产工艺，在连续、高效生产高含氮量钒氮合金问题上，均存在较大瓶颈。

传统推板窑生产工艺，由于氮气本身密度接近空气，受热后自然产生自下而上气流，与置于石墨料罐中物料的水平位移相矛盾，物料周围氮气分压较低，使得吸附于物料表面的CO、CO₂等有害气体难于脱附，氮化反应难于进行。通常推板窑工艺钒氮合金成品含氮量仅在12%～16%之间。另外，推板窑生产工艺还存在设备占地面积大、维修频率高、维修成本高、耗电量大等问题。

竖式炉工艺无疑解决了氮气流与物料走向存在矛盾的技术难题，同时，兼具空间利用率高、维修成本低廉、能耗低等优点。但在竖式炉体系下，球团周围物料受到的挤压力远远大于推板窑，同时钒氧化物原料引入的K、Na 低熔点化合物可以在球团表面熔化聚集，球团之间不可避免的产生烧结粘连，极易造成“堵料”现象，致使生产无法连续进行；竖式炉通常采用的中频炉加热方式，其原理是利用石墨内胆的导磁性，自外而内加热物料，使得反应物料受热不均，产品质量不均匀。为解决上述问题，专利公开号为CN 102115046 A的一种保障竖炉装置能够连续生产氮化钒的方法，提出生料球团入炉前，将生料球团与石墨块、焦炭块等耐高温添加材料混匀，混匀后从炉体顶部连续加入到竖炉装置中进行加热反应。采取上述隔离措施，阻止或动态断开了钒氮合金反应物料球团之间的相互接触，从而保障竖式窑进行连续生产，同时加入的石墨块、焦炭块可作为热源加热球团，使物料受热均匀程度大大提高。但由于石墨块、焦炭块的粉末在反应过程中不可避免的粘连到球团表面，除影响成品外观外，又增加了其钒氮合金碳元素含量。石墨块、焦炭块等添加剂透气性差，抑制了炉膛内形成稳定均匀氮气流等因素共同作用，致使单纯采用竖式窑工艺钒氮合金成品含氮量上限仅为17%左右。另外，石墨块、焦炭块等非反应物料占据了接近一半的炉膛体积，极大限制了竖式窑的单位产量。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种可高效地将钒氮合金成品含氮量稳定提高至18%以上的连续高效生产高含氮量钒氮合金的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：其将含钒原料、碳质还原剂、铁粉和粘结剂混合压球，得到成球物料；所述成球物料在隧道窑内进行碳化还原，得到碳化物料；所述碳化物料在竖式窑内进行氮化还原，即可得到所述的高含氮量钒氮合金。

本发明所述碳化还原过程为：在碳化气体气氛、1000～1200℃下，使成球物料完全或部分生成碳化钒。所述碳化气体为高炉煤气、焦炉煤气、混合煤气和氮气中的一种或几种，成球物料在隧道窑内的保留时间为5～10h。

本发明所述氮化还原过程为：保持氮化气体流速80～150m³/h，碳化物料从入窑到出料的保留时间为10～16h。所述竖式窑分为高温段及低温冷却段；所述高温段保持1400～1600℃，碳化物料在高温段的保留时间为8～10h；低温冷却段保持100～200℃，碳化物料在低温冷却段的保留时间为2～6h；所述高温段与低温冷却段的高度比为1.5:1～3:1。所述氮化气体为N₂和/或NH₃。

本发明的设计思路为：钒氮合金的冶炼分为两步进行，第一步为碳化还原：球团中钒氧化物与碳质还原剂反应完全或部分生成碳化钒；第二步为氮化还原：碳化钒完全氮化，生成钒氮合金。其具体反应方程式如式（1）和式（2）所示：

V₂O₃+5C＝2VC+3CO（1），

式（1）中：ΔG＝-655500-304.14T；

VC+1/2N＝VN+C（2），

式（2）中：ΔG＝-112540+72.85T。