基于页岩提钒富钒液的前驱体制备氮化钒工艺及机理研究

摘要

氮化钒（VN）作为目前国内第一大钒合金添加剂，在高强度低合金钢的冶炼中得到了广泛的应用。碳热还原法是制备VN的唯一实现产业化生产的方法，钒源为V2O5、V2O3等钒产品，但反应温度高、反应时间长，使制备成本居高不下。我国含钒页岩资源丰富，以钒页岩为原料生产钒产品具有良好的发展前景，页岩提钒工艺的中间产品富钒液中钒浓度较高，可作为制备VN的钒源，将钒的提取和氮化工艺联合，以达到缩短流程、促进氮化钒制备的目的。
　　本研究以模拟的页岩提钒工艺的富钒液为钒源，将碳黑加入富钒液中，通过沉钒过程获得前驱体，热处理前驱体制备VN，确定了该工艺的最佳工艺参数，并以真实的富钒液做验证;对前驱体的物相和结构进行分析，结合反应过程的物相变化和热力学，研究了从前驱体到VN过程中钒的转化迁移过程，揭示了前驱体法制备VN所具有的优势的机理，并探究了反应的动力学行为及反应机制。
　　制备VN的最佳工艺参数为:配碳量(m(C/V)0.55，沉钒pH值1.8，造块压力14MPa，反应温度1150℃，时间1h，氮气流量300mL/min，VN的N、V含量分别为16.38％和79.25％，表观密度3.13g/cm3，符合国标中牌号VN16的产品要求，该工艺对于实际的页岩提钒工艺的富钒液是可行并且有效的。
　　前驱体的钒包裹碳结构为VN的制备提供了大的反应界面及均匀的化学成分，显著降低了反应温度，缩短了反应时间。钒转化迁移过程为:(NH4)2V6O16·1.5H2O→V2O5→V3O7→V6O13→VO2→V4O7→V2O3→(VO→)VC→VN。多钒酸铵分解生成的NH3将五价钒还原为V6O13，简化了传统的煅烧和预还原过程，也能减少NH3的排放。
　　高温下V2O3向VN的转变是制备VN的关键环节，V2O3的还原、碳化和氮化反应同时发生、相互促进。因此，采用非等温热分析法探究900-1200℃V2O3向VN转变的复合反应的动力学机制，动力学机理函数为F3，限制性环节为化学反应，反应的活化能为291.6152kJ/mol，频率因子为3.9609×1013。

目录

声明

摘要

第1章 文献综述

1．1 钒及其化合物的性质

1．1．1 钒的物理化学性质

1．1．2 钒氧化物及钒酸盐的性质

1．1．3 钒碳化物和钒氮化物的结构与性质

1．2 钒资源及钒产业概况

1．3 钒氮微合金化技术

1．3．1 氮化钒的作用机理

1．3．2 钒氮微合金化技术的应用

1．4 氮化钒的制备技术

1．4．2 碳热还原氮化V2O3法

1．4．3 碳热还原氮化钒酸铵法

1．4．4 氮化钒的其他制备方法

1．5 研究意义、目的和内容

1．5．1 研究意义及目的

1．5．2 研究内容

第2章 实验原料、设备及方法

2．1 实验原料及药剂

2．1．1 富钒液及碳黑

2．1．2 实验药剂

2．2 实验设备及仪器

2．3 研究方法

2．3．1 实验方案和研究方法

2．3．2 检测分析方法

第3章 氮化钒的制备

3．1 最佳工艺参数的确定

3．1．1 配碳量对产物氮含量的影响

3．1．2 沉钒pH值对产物氮含量的影响

3．1．3 反应温度对产物氮含量的影响

3．1．4 反应时间对产物氮含量的影响

3．1．5 氮气流量对产物氮含量的影响

3．1．6 造块压力对产物氮含量的影响

3．1．7 造块压力对产物密度的影响

3．2 前驱体及其对制备氮化钒的促进机理

3．2．1 前驱体的化学成分及物相

3．2．2 前驱体的结构及形成过程分析

3．2．3 前驱体对制备氮化钒的促进机理

3．3 页岩提钒富钒液制备氮化钒

3．4 本章小结

第4章 氮化钒制备过程的机理研究

4．1 钒转化迁移的物相分析

4．2 钒转化迁移的热力学分析

4．3 氮化钒制备过程动力学研究

4．3．1 失重率和失重速率的计算

4．3．2 非等温动力学方程

4．3．3 动力学机理函数的确定

4．4 本章小结

5．1 结论

5．2 创新点

5．3 展望

致谢

参考文献

附录