V2O5还原氮化一步法制备氮化钒的研究

摘要

氮化钒是高强度微合金钢的重要合金添加剂,具有细晶强化和沉淀强化的作用,能够提高钢材的综合性能,而且向钢中加入氮化钒进行合金化,可以节约钒的添加量,降低冶炼成本。我国拥有丰富的含钒页岩资源,利用低品级页岩提取的V2O5制备氮化钒既能提高钒资源的综合利用率,又能为冶金工业提供质优价廉的钒氮微合金化原料,因此需要研究经济、高效的氮化钒制备工艺。
　　本文主要研究用以低品级含钒页岩提取的五氧化二钒为原料,经碳热还原和氮化一步法制备氮化钒技术,分析了影响氮化钒成分和性能的因素,并通过热重实验分析了一步法制备氮化钒过程中的动力学行为及反应机理。
　　根据热力学分析可知,V2O5碳热还原为逐级还原,V2O5最容易被还原,VO最难被还原;在670℃以下V2O5可被还原为高熔点的低价钒氧化物;温度高于910℃时,还原和氮化反应能够同时进行;在实际反应过程中,还原和氮化反应的具体转变温度受体系气体分压的影响。
　　为了满足氮化钒性能的要求,一步法制备VN应选用强力压球机压制的生球作为制备原料,通过压球实验确定了合理的试样制备工艺。
　　预还原温度影响产物的成分及性能,应将650℃保温4h作为V2O5的最佳预还原条件;终还原氮化产物N含量随原料配碳量的升高而降低,应选择0.33作为配碳比;随着反应温度的升高,终还原氮化产物C含量急剧降低而N含量逐渐增加,在1500℃时N含量为15.72％;在1000℃保温4h后产样中出现了少量VN,1400~1500℃范围内保温时终还原氮化产物物相为VN;经氮化反应后试样体积收缩,密度增加。
　　通过热重实验分析了一步法制备VN的动力学行为。温度低于800℃时N2和Ar一样,仅起保护性气氛的作用,高于800℃时N2气氛下的失重百分比大于Ar气氛下的,随着温度升高失重逐渐增大;高温条件下氮气有利于促进还原和碳化反应进行;V2O5碳热还原和氮化过程采用非等温热分析法的一级反应动力学机制函数是合理的,拟合的直线线性良好,相关系数均在0.989以上;对V2O5碳热还原氮化一步法制备VN过程中的动力学分析计算可知在997~1085℃的活化能为104.005/KJ?mol-1,频率因子为470.52;1085~1153℃的活化能为150.052/KJ?mol-1,频率因子为2.35×104。

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第1章 文献综述

1.1 钒及其化合物特征

1.2 氮化钒在微合金钢中的应用

1.3 氮化钒制备技术现状

1.4 本课题研究的内容、目的和意义

第2章 制备氮化钒过程热力学分析

2.1 钒的化合物热力学特征

2.2 碳热还原热力学特征

2.3 碳化反应热力学

2.4 氮化反应热力学

2.5 氮化产物氧化热力学

2.6 本章小结

第3章 氮化钒的制备

3.1 实验设备

3.2 原料

3.3 试样制备

3.4 预还原实验

3.5 终还原氮化实验

3.6 本章小结

第4章 一步法制备氮化钒过程动力学分析

4.1 实验过程

4.2 失重分析

4.3 动力学分析

4.4 本章小结

第5章 结论

参考文献

致谢

附录1攻读硕士学位期间发表的论文