[发明专利]一种使用钒铁电弧炉生产含氮钒铁合金的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种使用普通钒铁电弧炉生产含氮钒铁合金的方法，属于有色金属冶炼技术领域，是一种铁合金生产方法。

技术背景

钒是钢铁工业中一种重要的合金元素，全世界85%以上的钒用于钢铁生产，钒在钢中与氮等元素相互作用可以起到改善钢材诸多性能的作用。

钢铁工业中使用的含钒原料主要有钒铁、氮化钒、氮化钒铁等。

钒铁合金其主要成份是钒和铁，是产量最大的钒制品。钒铁生产一般使用钒铁电弧炉，以钒氧化物为原料、按照硅热法、铝热法或电铝热法等方法生产。

氮化钒其主要成分为VN，其生产一般使用推板窑法、微波法或真空碳还原法，将钒氧化物原料与辅料按照一定配方混合后压球，固态下在富氮的环境中进行还原、氮化，经冷却获得氮化钒产品。

氮化钒铁以钒铁为原料，二次渗氮加工获得富氮的氮化钒铁，氮化钒铁生产方法在实际应用中的主要有固态渗氮法及在烧结过程中渗氮的自扩散高温合成法等。

氮化钒和氮化钒铁等含氮的钒制品作为钢铁添加剂使用时，因为氮元素的作用，往往获得比普通钒铁更佳的使用效果和更少的钒用量。现有的氮化钒或氮化钒铁的生产技术门槛较高，且大量采用固态渗氮的方法，生产效率和产量较低，生产能耗偏高，普通钒铁仍然是产量最大的钒产品。如何改造普通钒铁电弧炉生产出含氮钒铁合金即为本发明涉及的内容。

发明内容

本发明的目标在于提出一种改造普通钒铁电弧炉生产含氮钒铁合金方法。

冶炼钒铁合金的主体装置为钒铁电弧炉，其公称容量一般为300～5000kg，采用三相电极供电加热，变压器容量一般为300～3000KVA，炉体采用氧化镁砖砌筑或镁砂打结，炉盖使用镁铬砖或高铝砖砌筑。钒铁电弧炉冶炼钒铁合金的原料为五氧化二钒熔片（主要成分为V₂O₅）、硅铁、金属铝（硅铝铁）、生石灰和废钢，冶炼周期为2～6小时，冶炼电耗大于1200kwh/t。

钒铁冶炼过程中，主要化学反应如下：

V₂O₅+Si+CaO→V+(CaO)·(SiO₂)

V₂O₅+Al→V+(Al₂O₃)

化学反应过程吸热，需要补充电能。经过还原和精炼，最终可获得含钒超过40%的钒铁合金，最高含钒量可达到70%左右。

传统的电弧炉生产钒铁合金过程中，金属钒均以熔融态存在，形成钒铁液存在于电弧炉熔池底部，还原反应产生的液态炉渣覆盖钒铁液，能防止空气对钒铁的氧化，同时也阻止了空气中的氮气向钒铁中的渗透。

根据热力学计算

V+12N2=VN,ΔG=-214640+8243T,1gK=9134T-4.38]]>

钒的氮化为放热反应，随着温度的升高，氮化钒的生成程度越低，随着压力的升高，氮化钒的生成程度越高。

电弧炉冶炼钒铁合金过程中，炉内温度超过1500℃，最高可达1700℃左右，在该温度常压氮气气氛下无法实现钒元素的完全氮化。

对氮在高温钒铁液中的渗透平衡反应进行计算，常压氮气气氛下，1700℃下的钒铁液（含[V]50%）中氮的平衡质量分数为8.0%左右，如附图1，钒元素氮化率约为70%左右，在此称之为含氮钒铁。

同时从动力学上讲，钒铁在电弧炉内的生产过程中，整个化学反应都是在熔融的铁液和熔渣间进行，具有较好的流动性，动力学条件较好，即反应比较容易达到的平衡状态。采用氮气在钒铁液中进行液态渗氮与固体渗氮相比渗氮处理时间将会大大缩短。

根据理论研究结果，普通钒铁电弧炉生产过程炉内环境可以满足向钒铁液中渗氮的条件，但是熔融炉渣的覆盖阻止了由空气向熔池渗氮的途径。