五氧化二钒制备氮化钒的过程研究 康鑫磊
利用V2O5制备氮化钒铁的反应过程及动力学研究
第50卷第6期2019年6月中南大学学报(自然科学版)Journal of Central South University (Science and Technology)V ol.50No.6Jun e 2019利用V 2O 5制备氮化钒铁的反应过程及动力学研究王斌1,2，李冬1，杜金晶1，朱军1,2，刘漫博1，王欢1(1.西安建筑科技大学冶金工程学院，陕西西安，710055；2.陕西省先进储能与钒新材料工程技术研究中心，陕西安康，725000)摘要：采用TG −DSC 技术对V 2O 5直接制备氮化钒铁的反应过程进行研究，并采用Coats-Redfern 积分法对相关反应的动力学参数进行计算。
研究结果表明：碳还原V 2O 5的反应在670℃左右开始显著发生，随温度升高，反应速度加快。
在1000℃以上时，碳化反应开始进行，在1200℃左右，氮化反应可以显著发生，试样中可检测到氮化产物。
在1150～1350℃反应的活化能要比970～1100℃时的高，说明随着反应的进行，生成的碳化钒铁和氮化钒铁产物产生了一定的包覆作用，扩散过程阻碍了反应的进一步进行。
高温还原氮化后的试样，碳、氮元素在四周分布密集，而在中间区域分布较少，这也印证了碳化产物和氮化产物存在着明显包覆作用的推论。
关键词：氮化钒铁；V 2O 5；反应过程；动力学中图分类号：TF841.3；TF125文献标志码：A文章编号：1672-7207（2019）06−1278−06Reaction processes and kinetic study on preparation of nitridedferrovanadium by V 2O 5WANG Bin 1,2,LI Dong 1,DU Jinjing 1,ZHU Jun 1,2,LIU Manbo 1,WANG Huan 1(1.School of Metallurgy Engineering,Xi'an University of Architecture and Technology,Xi'an 710055,China;2.Shaanxi Advanced Energy Storage and Vanadium New Material Engineering Technology Research Center,Ankang 725000,China)Abstract:The TG −DSC curves were tested to study the nitrided ferrovanadium preparation reaction processes,and the kinetic parameters of the relevant reactions were calculated using Coats-Redfern method.The results show that C can react with V 2O 5obviously at around 670℃.However,the carbonation reactions occurs when the temperature is higher than 1000℃and the nitridation reactions occurs at higher than 1200℃.The activated energy of reaction at 1150−1350℃is higher than that at 970−1100℃.With the increase of the reactions time,the carbonized products and nitrided products hinder the preparation reactions,and increase the apparent activation energy of the reactions.The carbon and nitrogen elements distribute more densely on the surface of the prepared sample than the interior region,which proves the conclusion that carbonation products and nitrided products have obvious covering effect.Key words:nitrided ferrovanadium;V 2O 5;reactions processes;kinetic添加钒可显著提高钢材的强度和韧性[1−2]，主要应用于炼钢领域，其添加形式主要包括钒铁、氮化钒和氮化钒铁等。
氮化钒铁生产工艺
氮化钒铁生产工艺氮化钒铁是一种重要的金属材料，具有优异的磁性能和力学性能，被广泛应用于电子、磁性材料等领域。
本文将介绍氮化钒铁的生产工艺，包括原料准备、氮化反应、热处理和产品加工等方面。
一、原料准备氮化钒铁的主要原料是钒铁和氨气。
钒铁是一种含有钒和铁的合金，常用的钒铁规格有FeV50、FeV60等。
氨气则是氮化反应的主要气体，一般采用纯度较高的氨气。
二、氮化反应氮化钒铁的生产过程主要是通过在高温下将钒铁与氨气进行反应，使钒铁中的钒与氮气结合生成氮化钒。
具体工艺流程如下：1. 将钒铁放入氮化炉中，通入预先加热的氨气。
2. 调整氨气的流量和温度，控制氮化反应的速率和温度。
3. 在一定温度下进行氮化反应，使钒铁中的钒与氮气结合生成氮化钒。
4. 控制氮化时间，确保充分反应。
5. 将氮化后的钒铁取出，冷却并进行后续处理。
三、热处理氮化钒铁经过氮化反应后，需要进行热处理以改善其磁性能和力学性能。
热处理工艺包括退火和淬火两个步骤。
1. 退火：将氮化钒铁加热至一定温度，保持一段时间后慢慢冷却。
退火过程中，钒铁中的晶界和组织结构得到重组和恢复，使材料的磁性能和力学性能得到改善。
2. 淬火：将退火后的氮化钒铁迅速冷却至室温，使材料的晶体结构保持在亚稳定状态，进一步提高其磁性能和力学性能。
四、产品加工经过热处理后的氮化钒铁可以进行产品加工，包括切割、修磨、打磨等工艺。
根据不同的应用需求，可以将氮化钒铁加工成各种形状和规格的零件和材料，如片状、粉末状等。
氮化钒铁的生产工艺包括原料准备、氮化反应、热处理和产品加工等环节。
通过科学控制每个环节的参数和工艺，可以获得具有优异磁性能和力学性能的氮化钒铁材料，满足不同领域的应用需求。
氮化钒铁的生产工艺对于提高材料性能、降低生产成本和推动相关产业发展具有重要意义。
氮化钒合金生产(钒渣-五氧化二钒-三氧化二钒-金属钒-钒铁-钒铝合金-碳氮化钒-钒电池)资料
氮化钒合金生产（钒渣-五氧化二钒-三氧化二钒-金属钒-钒铁-钒铝合金-碳氮化钒-钒电池）原创邹建新崔旭梅李俊翰教授等1 产品性能及用途碳化钒、氮化钒可用于结构钢、工具钢、管道钢、钢筋、普通工程钢以及铸铁中，是两种重要的钒合金添加剂。
钒产量的80％-90％用于钢铁工业，其主要原因是钒同碳、氯反应形成耐熔性碳、氮化物，根据钢的成分和钢处理过程的温度情况，这些化合物在钢中能起沉淀硬化和晶粒细化的作用。
因此，碳化钒、氮化钒合金在钒钢生产中起着日趋重要的作用。
已有的研究表明：碳化钒、氯化钒添加于钢中能提高钢的耐磨性、耐腐性、韧性、强度、延展性和硬度以及抗热疲劳性等综合力学性能，并使钢具有良好的可焊接性能，而且能起到消除夹杂物延伸等作用。
尤其是在高强度低合金钢中，氮化钒中含有碳，比碳化钒更有利于促进富氮的碳、氯化钒的析出，从而更有效地强化和细化晶粒，节约含钒原料，降低生产成本。
另外，碳化钒还可作为制取金属钒的原料。
由于氮化钒与碳化钒在制造上存在较大难度，尚处于发展阶段，目前只有美国、南非、中国等可以生产，国内仍处于进一步研发阶段。
氮化钒又称“NITROVAN”，是一种既含钒，又含氮和碳的复合合金，是一种优良的炼钢添加剂。
氮化钒铁通过细化晶粒和沉淀强化作用，大幅度提高钢的强度和改善钢的韧性等综合特性；加入氮化钒铁的钢筋具有成本低、性能稳定、强度波动小、冷弯、焊接性能优良、基本无时效等特点；加入氮化钒铁无需改变国内钢铁企业目前II级螺纹钢的生产工艺，对控温、控轧无特殊要求，尤其适合我国钢铁企业在现有生产设备和工艺条件下，迅速实现螺纹钢产品由Ⅱ级向Ⅲ级、Ⅳ级乃至Ⅴ级螺纹钢的升级换代。
氮化钒铁还广泛应用与薄板坯连铸连轧高强度带钢、非调质钢、高强度H型钢、高速工具钢、高强度管线钢等产品中，是通过微合金化提高钢的强度，改善和提高钢的韧性等综合性能的一条经济有效途径。
碳化钒熔点高、化学性能稳定性好，主要用来制造金属陶瓷、耐热合金和硬质合金。
五氧化二钒直接还原制备碳氮化钒试验研究
五氧化二钒直接还原制备碳氮化钒试验研究五氧化二钒直接还原制备碳氮化钒试验研究引言碳氮化钒是一种重要的过渡金属碳化物材料，具有优异的力学性能、高温稳定性和化学惰性等特点，在催化剂、涂层、电子器件等领域有着广泛的应用前景。
目前，碳氮化钒的制备方法较多，包括静电喷雾法、化学气相沉积法、等离子体工艺等。
然而，这些方法往往存在成本高、工艺复杂等问题。
因此，不断寻求一种简单、高效、低成本的碳氮化钒制备方法是迫切需要解决的问题。
实验方法本实验采用五氧化二钒(V2O5)直接还原制备碳氮化钒。
首先，将一定比例的尿素和五氧化二钒粉末混合均匀，然后放入石英瓶中，并真空干燥预处理。
接着，将石英瓶放入炉中，在氮气保护气氛下进行加热处理。
加热过程中，通过控制加热速率和保温时间来控制反应过程中生成的碳氮化钒的形貌和结构。
最后，将样品从炉中取出，冷却至室温。
实验结果与分析通过扫描电子显微镜(SEM)观察样品的表面形貌，发现制备的碳氮化钒呈现出颗粒状的结构，颗粒大小分布均匀，表面光滑。
同时，利用X射线衍射(XRD)分析样品的结晶性，结果显示制备的碳氮化钒呈现出多晶结构，并且与标准碳氮化钒的衍射峰相吻合，表明制备的碳氮化钒具有良好的结晶性。
另外，通过比较不同尿素添加量的样品，发现随着尿素添加量的增加，制备得到的碳氮化钒的颗粒大小逐渐减小。
实验讨论五氧化二钒直接还原制备碳氮化钒的实验结果显示，该方法可以制备出具有良好结晶性和颗粒状结构的碳氮化钒。
尿素在还原过程中起到了可控形成碳氮化钒的作用，同时尿素的添加量可以调控碳氮化钒的颗粒大小。
此外，研究还发现反应温度和保温时间对反应结果也有一定影响。
结论本实验通过五氧化二钒的直接还原制备了碳氮化钒，实验结果表明该方法可以制备出具有优异结晶性和均匀颗粒形状的碳氮化钒。
进一步的实验研究可以探究其他因素对碳氮化钒制备过程的影响，提高制备方法的效率和控制性。
这项研究为碳氮化钒的制备提供了一种简单、高效、低成本的方法，并为碳氮化钒的应用领域提供了重要的实验数据本实验通过直接还原法成功制备了具有良好结晶性和均匀颗粒形状的碳氮化钒。
五氧化二钒制备钒氮合金过程添加复合型增密剂的探讨和研究
钒的碳一氮化合物的溶解不需要在很高的温度下 进行，对含钒的微合金钢，氮是一个十分有效的合金元 素。氮在铁素体中的溶解度比碳高，在 V 析出前，钢中 所 有 的 氮 通 常 溶 解 在 铁 素 体 中 ，而 碳 只 有 很 少 部 分 溶 解在铁素体中，氮的加入提高了钒的强化效果，充分利 用廉价的氨元素，可节约钒的加入量，显著降低钒微合 金钢的生产成木。钒的氮化物促进 V（N，C）在奥氏体铁素体相界而析出，颗粒小、析出率高、阻止铁素体晶 粒长大，强化效果好。理论研究证明：氮钒比为 1：3.65 时 VN 析出量最大，钒氮合金密度越高，在炼钢过程中， 可越有效的穿越渣层，进入到钢水内，因此钒的稳定性 更强，更容易精确控制。
28 29 30 31 配碳量 /%
（b）化学成分变化
32 33
（下转第 64 页）
作者简介：胡峙桥（1981-），女，吉林公主岭人，大学本科，工程师，主要研究方向：铁合金及钒化工。
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冶金与材料
第 39 卷
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பைடு நூலகம்
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回火温度 /℃
图 3 回火温度对耐磨性的影响
空冷淬火，pH=6 浆料
在 pH 为 6、空冷淬火时，不同淬火温度（950、100、 1050 益）、不同回火温度（280、580 益），随着回火温度的 降低，试样的的腐蚀磨损耐磨增强，其淬火方式的不同 影响不大，如图 3 所示。
在 580 益回火时，不同淬火温度和方式下，其耐磨 性的变化如图 4 所示。随着淬火温度的升高，试样硬度 先升高后降低，水冷方式硬度最高，空冷硬度最低。
五氧化二钒提取和氮化的工艺研究
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还原氮化五氧化二钒制备氮化钒的研究
Abstract The process of preparation of vanadium nitride by reduction and nitrogenization process is theoretically analyzed and experimentally discussed . Results show that direct reduction and indirect reduction simultaneously occur in the process of V2 O5 reduction and in the meanwhile the vanadium nitride， which generates under the condition of nitrogenization at high temperature is converted to the vanadium carbide . Under the current experimental conditions the starting temperature for the direct reduction process is 656 K and the starting temperature for nitrogenization is 1 160 K and the temperature for conversion of VN to VC is 1 560 K. The possibility of the indirect reduction is related to the coefficient of carbon ingredient . The larger the coefficient of the carbon ingredient， the greater the possibility of occurrence of the reductions is . Keywords V2 O5 VN reduction nitrogenization 为 逐 级 还 原，依 次 为 V2 O5
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五氧化二钒制备氮化钒的过程研究康鑫磊
发表时间：2017-12-01T17:30:14.960Z 来源：《建筑科技》2017年第11期作者：康鑫磊[导读] 在还原氮化五氧化二钒制备氮化钒的过程中, 还原程度直接影响氮化程度, 为了寻求一种经济、高效的制取氮化钒的方法。
本文分析了五氧化二钒制备氮化钒的过程。
河钢股份有限公司承德分公司钒钛事业部河北省承德市 067000 摘要：随着转炉冶炼高强度低合金钢技术的飞速发展, 氮化钒的应用不断增加。
在还原氮化五氧化二钒制备氮化钒的过程中, 还原程度直接影响氮化程度, 为了寻求一种经济、高效的制取氮化钒的方法。
本文分析了五氧化二钒制备氮化钒的过程。
关键词：五氧化二钒；制备；氮化钒；
钒是一种重要的金属元素, 具有许多可贵的理化特性和机械特性, 能细化晶粒, 提高钢的硬度和耐磨性, 在冶金和化工部门有着广泛的用途。
中国生产五氧化二钒的原料主要有3种:石煤、矾渣和废钒催化剂，国外还有少数国家如美国、日本等从石油渣中提取钒。
一、简述
由热力学分析可知，在一定温度和氮气气氛下，碳还原五氧化二钒制备氮化钒在热力学上是可行的，还原过程存在间接还原和直接还原2 种方式，何种方式占主导地位取决于V2O5 和C 的初始混合态。
为了减少钒的挥化损失，应在五氧化二钒的熔点下进行一级还原反应，同时为了避免生成的氮化钒重新转变为碳化钒，反应温度应控制在1546K 以下。
碳还原五氧化二钒制备氮气钒的反应过程动力学速率方程可通过氮气条件下氮化钒的曲线确定。
曲线显示氧化钒的碳热氮化还原过程是多个反应并存的复合反应过程，存在2 个明显的质量损失阶段和3 个不同的吸热反应峰，说明有不同类型的化学反应发生，并且前一个吸热峰未结束，后一吸热峰即开始，表明不同的反应交错在一起同时进行。
根据氧化钒的碳热还原氮化复合反应可分为2 个阶段，即低温反应阶段和高温反应阶段。
低温反应阶段的活化能较低，反应容易进行，反应机理为一级化学反应；高温反应阶段的活化能很高，是整个反应的控制环节，反应机理为二级化学反应。
氧化钒的碳热还原氮化反应体系符合反应控制机制(Rn 模型)，氮气气氛有利于反应的进行，升高温度可加快反应进行的速率。
实际生产过程应尽可能将V2O5 还原为VC，再调节温度和氮气分压制取VN 或V(C,N)。
但必须指出的是过高的反应+温度反而会导致发生氮化钒转变为碳化钒的反应，因此，反应过程的实际温度应控制在1450K以下。
二、实验
1.氮化钒的制备。
采用真空碳热还原法制备碳化钒，再直接渗氮制取氮化钒。
钒源为工业用V2O5 粉末，纯度为99%；以冶金用高纯炭黑作为碳源，纯度大于99%；氮源为高纯氮气。
在V2O5 粉末中加入炭黑，配碳量(质量分数)分别为20.0%、20.5%、21.0%、21.5%、2
2.0%和22.5%，同时加入适量聚乙烯醇水溶液，利用行星球磨机混合均匀。
混合料通过液压压片机和钢制模具压制成直径为45 mm、厚度20 mm 的球饼样品。
将压坯置入真空炉内，抽真空至20MPa，150 ℃下保温4 h 烘干。
然后以40℃/min 速率升温至还原温度1400~1420℃，保温约4~6 h。
升温过程中通入高纯氮气进行氮化，因氮化过程中氮气参与氮化反应而不断消耗，故需通过氮气阀门控制氮气的加入量，并保证真空炉内压力在260kPa 左右。
氮化反应完毕后真空炉停止加热，继续通入氮气，同时调节真空炉的出气口，维持真空炉内微正压，在氮气气氛的保护下冷却到室温，得到氮化钒产品。
2.性能检测。
采用全自动X 射线衍射仪测定所得氮化钒的物相组成；通过扫描电镜观察氮化钒颗粒形貌；用密度测量仪测定氮化钒的表观密度；利用化学滴定法分析氮化钒的钒含量；用氧氮仪测定氮化钒的氮含量；用碳硫测定仪测定氮化钒的碳含量；采用综合热分析仪对氮化钒进行热重分析。
三、结果与讨论
1.热质量分析。
氮化钒在氮气和氩气条件下的质量损失曲线和质量损失速率曲线在温度低于1160 K 时，不同气氛下的曲线重合性很好，这时氮气和氩气所起的作用完全一样，只充当保护气体；通过调节真空炉的出气口阀门，降低真空炉内CO 分压，可促进V2O5 的逐步还原。
温度高于1560 K 时，由于VN 转化为VC 而释放出N2 产生新的质量损失，因此在实际制备VN 过程中，当氮气压力为101kPa 时，氮化温度不能超过1560 K(和理论分析的1546 K 接近)，否则VN 转变为VC。
最初发生质量损失的温度(656K)为一级还原开始温度，这表明在低于V2O5 的熔点温度下V2O5 就发生了还原反应。
氮化钒产品的XRD谱V2O5 的还原氮化产物的XRD 谱与纯VN 和VC 的标准图谱相吻合，因此确定产物为碳氮化钒的固溶体。
制备过程工艺参数不同，产品的氮含量在一定范围内发生变化。
2.配碳量。
配碳量对产物中碳、氧含量以及氮含量的影响。
在氮化钒的制备过程中，配碳比是还原氮化产物中碳、氧和氮含量的主要影响因素，配碳量太少，还原不充分，产品的氧含量高，导致氮含量低；但配碳比过高时，碳还原反应过程中产生CO气体，CO 气体溢出时导致颗粒内部产生许多气孔，气孔的数量与大小也影响氮化反应的进行。
随配碳比增加，产物的氮含量增加，当配碳比为21%时，产物的氮含量达到最大值14.76%，配碳比进一步提高时，产物中的氮含量下降。
这是因为VN、VC 和VO 形成固溶体，而VN、VC 和VO 均为面心立方间隙型化合物，N、C 和O 在面心立方点阵中占用同样的位置，只有当C 和O 总含量最小时，还原氮化产物才可能得到最大的N 含量。
为了保证还原氮化产物具有最高的氮含量，原料的质量配碳比约为21%。
从热力学的角度讲, 碳还原五氧化二钒制备氮化钒的过程中, 间接还原和直接还原都可以发生, 且应在五氧化二钒的熔点温度以下进行一级还原反应, 以减少钒损失。
3.氮化温度。
氮化温度对产物氮含量的影响(配碳量为21.0%)。
从反应过程热力学角度看，提高反应温度对吸热反应有利，对放热反应不利。
三氧化二钒的还原过程是一个吸热过程，必须高于一定的温度反应才可发生，但中间产物VC 的氮化系放热反应，提高温度对反应不利，因此氮化钒的制备需选择适宜的温度。
从反应过程动力学角度看，无论是吸热反应还是放热反应，提高温度都有利于活化反应物的分子，加快反应的进行。
随温度升高，产物的氮含量增加，氮化温度达到1420℃时，氮含量为1
4.76%，原因是升高温度使还原反应速率加快。
当温度超过1420 ℃时，随温度升高，产物中氮含量反而降低，这是因为高温下生成的VN 发生反应。
因此控制适宜的氮化反应温度是提高产物氮含量的关键之一。
实际生产过程中氮化温度应控制在1400~1420 ℃范围内。
在氮化温度1420℃下，氮化时间对产物中氮含量的影响。
当氮化反应时间小于4h 时，氮化时间对氮含量的影响很大，随氮化时间增加，产物氮含量增加，因为反应时间过短，氮化反应进行不彻底。
当氮化反应时间超过4 h 后，氮化时间对产物氮含量影响不明显，产物氮含量几乎不再发生变化，说明氮化时间达到4 h 即可实现氮化完全。
20%氮化温度1 400 ℃，氮化时间4 h。
该过程中同时发生了直接还原和间接还原, 且随着试样配碳系数的增加, 烧后试样中碳含量增加, 氮含量降低, 氧含量降低, 间接还原发生的几率增大。
本研究制备的氮化钒性能指标已达到国外同类产品水平，部分性能超过国外同类产品。
氮化钒的制备过程中, 关键是控制反应气氛和温度, 其目的是加快还原和氮化，还原氮化产物为碳氮化钒的固溶体，原料配碳量是影响反应产物中氮含量的关键因素，配碳量约为21%时产物的含氮量最高，为14.76%。
产品的氮含量随氮化时间延长而增加，氮化反应时间超过4h 后，氮化时间对产物氮含量影响不明显，产物已实现完全氮化。
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