V2O5制备VN的还原氮化机理.pdf

2013年8月 The Chinese Journal of Process Engineering Aug. 2013收稿日期:2013?05?17,修回日期:2013?06?08 作者简介:王安仁(1963?),男,北京市人,硕士,副教授,冶金工程专业,E-mail: ******@..V2O5制备VN 的还原氮化机理王安仁, 陈立平, 张庆春(北京科技大学冶金与生态工程学院,北京 100083) 摘要:以V2O5粉末为原料,C粉末为还原剂,对碳热还原氮化法制备VN的机理进行研究,重点讨论了配碳量和温度对产物的影响. 结果表明,V2O5为逐级还原,存在直接和间接还原;配碳量(C/V2O5)为28%(ω)时,产物氮含量最高;800~1000℃发生碳化反应生成VC1?x, 1000~1200℃同时发生碳化和氮化反应,主要生成V(C,N);温度超过1300℃, V(C,N)向VC1?x转化. 随温度升高,产物氮含量逐渐降低,钒含量逐渐升高,产物之间发生团聚甚至熔蚀形成球状,大部分颗粒粒径约为1 μm. 采用本工艺进行实际生产,产品氮含量>17%,钒含量为79%,碳含量<2%, g/cm3,符合国家标准. 关键词:氮化钒;还原;氮化;五氧化二钒;热力学;配碳量中图分类号:TF646 文献标识码:A 文章编号:1009?606X(2013)04?0704?061 前言近年来,随着微合金技术的不断发展,钒成为了钢铁生产中重要的合金元素. 目前80%~90%的钒应用于钢铁行业的主要原因是钒易与碳、氮反应生成难熔的碳、氮化物,加入钢中起到沉淀强化和细晶强化作用,能提高钢的耐磨性、耐腐性、韧性、强度、延展性和硬度及抗热疲劳性等综合机械性能. 尤其是在高强度低合金钢中,氮化钒中的氮比碳化钒和钒铁更有利于促进富氮的碳、氮化钒析出,更有效地强化和细化晶粒,与钒铁相比,可节约20%~40%钒,从而大大降低生产成本[1]. 同时,由于VN本身具有高熔点、高硬度、高导电和导热性,除广泛应用于冶金材料外,还应用于电子、陶瓷、高温涂层材料等,越来越受关注[2]. 因此,进一步研究VN制备机理和生产工艺,生产高质量的VN产品具有重要的经济价值. 国内外对氮化钒的制备方法很多,碳热还原氮化法作为一种传统的制备方法被广泛研究和应用. 目前美国走在前列,其次还有德国、日本、俄罗斯等,我国碳、氮化钒的研究起步较晚,但近年来发展较快,国内生产碳、氮化钒的主要方法有推板窑法、微波法、真空碳还原法等[3]. 实验室制备VN的方法也不少,曹泓等[4]用V2O5和碳黑并添加1%铁粉作为烧结助剂制备氮化钒;邓莉等[5]用V2O5和纳米碳黑在1200~1250℃下制备物相单一的V(C1?xNx)固溶体粉末;于三三等[6]用V2O3和碳黑按碳过量15%的配比在1400℃一步合成较高氮含量的V(C1?xNx);卢志玉等[7]用V2O3和石墨粉配加少量铁粉,在1400℃保温4 h得到最佳氮含量(%)的V(C1?xNx). 但这些方法也存在耗能较高、产品氮含量较低等不足之处. 为