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氮化钒(或称钒氮合金)是一种新型高效的钢铁合金添加剂,属冶金行业的高科技产品,已为广大的钢铁企业及用户所接受。虽然我国在氮化钒的开发及应用上起步都较晚,但因丰富的钒资源和钢铁生产的快速发展,目前氮化钒已作为生产微合金钢最重要的合金添加剂之一。
本文在充分文献调研的基础上,以五氧化二钒为原料,炭黑作还原剂,采用内配碳压块非真空还原、氮化方法开展氮化钒制备的基础研究,为氮化钒制备技术的不断完善和产品质量的不断提高提供技术支撑。
论文首先研究了五氧化二钒碳热还原过程的反应热力学和动力学。利用热力学计算探讨了不同价态钒氧化物被碳还原的难易程度,即V2O5最易还原,其次是V2O4和V2O3,最难还原的是VO;碳还原V2O3时,优先生成VC而不是VO和金属V;钒氧化物不能与氮气进行直接氮化反应,必须先还原生成VC再进行氮化生成VN;当温度高于1271℃时,氮化生成的VN会转化成VC。通过差热与热重分析可知,V2O5在673℃左右熔化,反应物接触面积增大,反应速度加快;随着温度升高还原速率逐渐增大,在1200℃左右达到最大;在低温条件下,N2与Ar一样只充当了保护性气氛和降低CO分压;在高温下还原氮化同时进行,还原氮化速率在1200℃～1250℃达到最大。
预还原程度受还原时间和温度的影响,在650℃～700℃预还原2～4h,V2O5已全部转变为高熔点的低价态钒氧化物,而且实际反应过程中V2O5在700℃左右挥发并不大,所以预还原阶段应选择在650～700℃保温。采用N2作氮化剂,温度高于1100℃才能进行有效的氮化,产物中的氮含量随着终还原氮化温度的上升而增加;当温度在1200℃～1300℃时氮含量最大达到15.3％。但当温度高于1300℃时,产物中的N含量开始下降。同时XRD检测结果表明,终还原温度在1200℃的产物中主要相是VN,终还原温度在1300℃的产物中出现了V4C3,说明高温下发生了VN向VC转化,即温度高于1300℃时,VN不能稳定存在。因此,终还原氮化温度应控制在1350℃以下。