论文摘要
氮化钒是建筑用高强度的新Ⅲ级钢不可少缺的添加剂,取代传统的钒利用率低的钒铁,它的产业化将使我国每年节约近600万吨建筑用钢材。传统的氮化钒生产工艺中采用传统的加热法,具有生产周期长,加热不均匀等缺点。微波加热技术作为冶金新技术具有工艺简单,反应速度快、效率高的特点,在冶金的各个领域中得到了越来越广泛的应用。本文拟通过微波加热技术进行微波辅助碳热还原制备氮化钒的研究,首先通过对反应温度,配碳系数,反应时间,升温速率,氮气流量和保温时间等因素进行条件实验,讨论了它们对产物致密化过程的影响；其次,筛选了重要因素,采用响应曲面中心旋转设计方法设计了优化实验,对产物的质量指标进行了优化研究并分别进行建模；再次,采用热重分析的方法对常规及微波还原过程的动力学进行研究,对它们的还原效果进行比较；最后,通过微波热重的方法研究了氮化反应的历程。主要研究内容如下：实验结果表明,微波烧结过程稳定,产物棱角分明且不变形。当反应温度为1400℃,氮气流量为50L/h,升温速率为6℃/min,保温时间为50min的条件下,产品的表观密度达4.1g/cm3。推断致密化过程与氮化过程相关；微波辅助加热在物料内部形成温度场与常规加热温度场相反,使密度较高产物首先在球料中心生成,利于生成气体排除和反应气体向内扩散；与传统方法相比,微波辅助碳热还原法制备氮化钒采用原料价格低廉,在较低温度和较短时间内,无须添加密度添加剂即可制得符合钢铁行业使用标准的氮化钒合金。通过响应曲面法（RSM）中心旋转组合模型建立的微波辅助碳热还原制备氮化钒的氮含量和钒含量的回归数学模型分别为：Y1=]4.62+0.1χ1+0.39χ2+1.07χ3+0.36X1χ2+0.38χ1χ3-0.3722χ3-0.73χ12-0.42χ22-0.05χ32,Y2=81.34+1.87χ1+0.72χ2+1.75χ3+2.50χ1χ2-0.96χ1χ3-0.49χ2χ3+6.480E-003χ12-2.29χ22-0.42X32；其中,X1,X3对产物含氮量和含钒量的作用皆显著,X12的交互作用对含氮量作用显著,同时X1X2和X22对含钒量的交互效应也显著,含氮量和含钒量的预测值接近于实验值,表明实验选取的模型显著。为得到含氮量较高,含钒量在77～81wt.%的实验参数,所获得的最佳优化参数为：配碳系数0.27,反应时间300min,反应温度1400℃,在此条件下,预测值和实验值有较好的吻合性。在最优条件下制备的氮化钒,从其XRD图可以看出,物相纯度高,通过化学分析可知此时产品含氮量为15.85%,此结果较采用同等原料纯度的工艺获得的产品含氮量高。从动力学角度,研究了传统加热方法和微波加热方法对五氧化二钒的还原过程进行研究和比较。结果表明：传统加热方法对五氧化二钒的还原过程为五氧化二钒的逐级还原反应,其主要分为四个阶段,其对应温度分别为773K、909K、1023K和1253K,各阶段对应的表观活化能分别为85.70 KJ/mol,130.90 KJ/mol,251.77 KJ/mol和323.96KJ/mol。与其它研究者的结果相比,各阶段对应峰位置有偏移。采用不同微波输入电流对五氧化二钒的还原过程的研究表明,物料的还原程度随着微波输入电流的的增大而增加,当辐照时间为105min时,输入电流为5A、8A、12A和16A条件下,物料对应的还原程度为0.18、0.43、0.49和0.96。通过各条件下样品XRD分析推断,微波辅助碳热还原氮化的反应历程推断为V2O5→VO2→V2O3→VN。当采用的微波输入功率为16A时,在微波辐照115min附近出现还原氮化同时进行的现象,并VN可能是由V2O3直接转化而来。当次功率下微波辐照时间延长至130min时,所得的产物含VN和V2O3量分别为76wt.%和24wt.%,即产物的含氮量为16.36wt.%。缩短反应时间50%,产物含氮量提高约2wt.%。总之,本文在拉通氮化钒制备工艺的基础上,通过响应曲面和热重分析的方法,优化了实验。本文的研究结果揭示了微波辅助碳热还原氮化过程的历程,为优化工艺的方法提供了理论依据。