[发明专利]一种可规模生产高纯钒氮合金的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种可规模生产高纯钒氮合金的工艺，属于冶金技术领域。

背景技术

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合金化钢—添加高纯钒氮合金。采用钒氮合金化，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。

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，诱发粉末或粉末坯块中异类物质间的高放热化学反应，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自持燃烧，直到全部物料反应完毕而合成所需成分和结构的化合物材料。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，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[《燃烧合成》1999：P.56]：只有Tad＞1800K时，自蔓延高温合成反应才能自持续进行。对于钒金属或钒合金原料的氮化，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，即使是钒铁原料其绝热燃烧温度也接近Merzhanov等提出Tad＞1800K经验值的要求。例如2010年09月08日，中国发明专利申请公布号CN101824556A，公开了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。但合成产品中氮含量仅为9.0～17.0％，存在氮含量低（≤17%），碳硫硅等杂质含量高等问题，严重影响钢材增氮量及性能。而氮含量（≥17%）钒氮合金与普通的低氮钒氮合金相比可以更有效促进提高钢材的强度、韧性、延展性、抗疲劳性等性能及进一步降低钒的使用量节省成本。而降低钒氮合金中的碳硫硅等杂质则可降低在炼钢添加钒氮合金时带入过多外在杂质，影响钢材的性能。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提出一种可规模生产高纯钒氮合金的工艺，将粗偏钒酸铵直接为钒氮合金原料而不以钒铁等高价钒产品为原料，利用自蔓延低温燃烧反应自身放热进行氮化，反应时间短，能耗与成本低，可以大规模生产；生产的氮钒合金高氮高纯，氮含量≥17%。氮含量优于美国VN合金。