钒合金粉末氮化工艺研究

卢永杰，李东明，孟旭光，程立明，楚 磊，赵 然

（河钢承德钒钛新材料有限公司钒钛事业部，河北 承德 067000）

在含氮钢冶炼时，为了准确控制氮含量多以氮化铁合金或氮化物的形式进行氮的合金化。氮化钒铁是一种较为新颖的钒合金添加剂，与碳化钒、氮化钒相比有比重大、有利于合金元素吸收的优势，与钒铁相比有含氮高可以减少钒铁用量的优势。

本文利用固态法和烧结法，将钒铁生产过程产生筛下物及钒氮合金粉末，通过筛分球磨后，混合料在推板窑内氮化，产出不同品位和含氮量的氮化钒铁。研究同一推板窑内钒合金粉末粒度、布料厚度、钒合金粉末配比对钒合金粉末氮化效果的影响。

1 实验部分

1.1 推板窑参数

30m全自动全密封单推板氮气氛保护窑，型号：RAN15-32*3000*25/UM，额定功率：580kw。根据不同区域设定不同加热温度，温度区间为0℃～1500℃，实际温度在0℃～1450℃，氮气流量设定1区～7区、8区～16区、冷却区设定氮气流量分别为 ：4m3/h、4.5m3/h、5.5m3/h。

1.2 实验原料及条件

1.2.1 实验原料

在河钢承钢钒钛事业部现有条件下，直接提取钒铁作业区FeV50和FeV80破碎产生的筛下物（0㎜～5㎜），以及氮化钒作业区氮化钒包装筛下物（0㎜～5㎜），成分见表1和表2。

表1 中钒铁和高钒铁筛下物原料分析表

表2 氮化钒筛下物粉末

1.2.2 实验工艺

将FeV50和FeV80破碎产生的筛下物（0㎜～5㎜）以及氮化钒包装筛下物（0㎜～5㎜）产生的粉末筛分球磨。工艺流程如图1。

图1 钒合金粉末推板窑氮化工艺流程图

1.3 氮化原理

在推板窑内氮化的主要反应有：

2V（s）+N2（g）=2VN（s）△GoT=-348694+166.27J/mol

在推板窑内氮化，氮化粉料里含有一定的碳化钒，因此会发生次要反应有：

2VC（s）+N2（g）+2CO2（g）=2VN（s）+4CO（s）

1.4 实验结果及分析

1.4.1 配比和布料厚度相同，粒度不同氮化效果及分析

在同一推板窑内氮化，钒合金粉末配比（FeV50：FeV80：VN=7：2：1）和布料厚度（5Kg厚度10mm）相同，粒度分别是100目、80目、60目、40目、20目，一种粒度两个平行样品。

表3 配比和布料厚度相同，粒度不同氮化数据统计及分析

如表3所示，80目及以上粒度时，钒合金粉末混合料氮化后产出的氮化钒铁，钒含量稳定在48.0～49.0之间，氮含量稳定在10.0～11.0之间，氮化效果良好，碳含量稳定在0.8～1.1之间，碳含量较低。60目及以下粒度时，氮化钒铁的钒含量在47.0～50.0之间，钒波动较大，但氮含量稳定在9.0～10.0之间，氮化效果较好，碳含量普遍高于1.6，碳含量较高。

由此可以得出，在同一条件下，80目及以上粒度的钒合金粉末氮化效果最好，考虑到100目比80目合金粉末的加工费用高，因此确定80目为最佳实验粒度。

1.4.2 粒度和配比相同，布料厚度不同氮化效果及分析

在同一推板窑内氮化，钒合金粉末配比（7：2：1）和粒度（80目）相同，布料量10Kg、7.5Kg、5.0Kg、2.5Kg，对应同一石墨料罐中的布料厚度分别是20mm、15mm、10mm、2.5mm。

表4 粒度和配比相同，布料厚度不同氮化数据统计及分析

据表4所知，布料厚度20mm和15mm，氮化后氮含量基本在7.00～8.11之间，这两个布料厚度下氮化效果没有明显差距。布料厚度10mm和5mm，氮化后氮含量基本在10～11之间，相对于20mm和15mm的厚度，氮化效果较好。但是在这两个布料厚度下氮化效果没有明显差距。

总体上随着布料厚度的减小，氮化效果增加，但是布料厚度在15mm与10mm的时候氮化效果差距明显。

图2 布料厚度15mm的氮化钒铁饼

图3 布料厚度10mm的氮化钒铁饼

图3 布料厚度15mm的氮化钒铁碎块，该成品化学成分中碳含量高，氮含量低，断面内有黑色合金粉末，氮化效果差。图4布料厚度10mm的氮化钒铁碎块，该成品化学成分碳含量低，氮含量高，且断面均匀分布土黄色的氮化钒铁。通过15mm与10mm氮化钒铁化学成分和断面对比分析，造成氮化效果差异的主要原因是物料厚度大，内部的部分合金粉末未参与氮化反应。

通过表4中5、6、7、8四个样的分析结果可看出，10mm与5mm布料厚度产出的氮化钒铁，平均氮含量基本相同。

综上，在同一条件下，并且结合单罐产量高和总加工成本低的综合分析，布料厚度小于10mm，性价比最高，因此确定10mm布料厚度为最佳实验布料厚度。

1.4.3 粒度和布料厚度相同，配比不同氮化效果及分析

在同一推板窑内氮化，钒合金粉末粒度（80目）和布料厚度（10mm）相同，分别固定一种合金粉末的量，进行了三组对比实验。

（1）粒度和布料厚度相同，VN合金粉末的比例10%不变。粒度和布料厚度相同，固定VN合金粉末的比例10%不变，其中FeV50合金粉末按照10%的比例由70%递减至20%，FeV80合金粉末按照10%的比例由20%递增至70%。

表5 粒度和布料厚度相同，固定VN合金粉末不变，配比不同氮化数据统计及分析

据表5可以看出，在同一条件下，粒度和布料厚度相同，VN合金粉末的比例10%不变，（FeV50：FeV80：VN=2：7：1），氮化效果最好。

（2）粒度和布料厚度相同，FeV80合金粉末的比例10%不变。保持粒度和布料厚度相同，固定FeV80合金粉末的比例10%不变，其中FeV50合金粉末按照10%的比例由70%递减至20%，VN合金粉末按照10%的比例由20%递增至70%。

表6 粒度和布料厚度相同，固定FeV80合金粉末不变，配比不同氮化数据统计及分析

表6可以看出，随着钒合金中钒含量的增加，氮化效果增加。在VN合金粉末的比例由60%递增到70%的比例时，氮化效果未增加，反而还略有下降。

通过氮化钒铁中的碳含量分析，在VN合金粉末比例由60%增加到70%时，发生与图2和图3类似情况，表面的VN合金粉末反应后在表面形成一层模，内部的粉末未能进行氮化，导致氮化效果无变化。综上，在同一条件下，粒度和布料厚度相同，FeV80合金粉末的比例10%不变，（FeV50：FeV80：VN=3：1：6），氮化效果最好。

（3）配比和布料厚度相同，FeV50合金粉末的比例10%不变。保持粒度和布料厚度相同，固定FeV50合金粉末的比例10%不变，其中VN合金粉末按照10%的比例由70%递减至20%，FeV80合金粉末按照10%的比例由20%递增至70%。

表7 粒度和布料厚度相同，固定FeV50合金粉末不变，配比不同氮化数据统计及分析

据表7可以看出，原材料钒品位在72%～75.0%之间，氮化后含氮量在12.5%～15.5%之间变化。整体上存在随着钒含量的增加氮化效果增加的趋势。

但是在VN合金粉末的比例由50%递增到70%的比例时，氮化效果无明显增加。通过氮化钒铁中的碳含量分析，在VN合金粉末比例由50%增加到70%时，发生与图12和图13类似情况，表面的VN合金粉末反应后在表面形成一层模，内部的粉末未能进行氮化，导致氮化效果无变化。综上，在同一条件下，粒度和布料厚度相同，FeV50合金粉末的比例10%不变，（FeV50：FeV80：VN=1：7：2），氮化效果最好。

2 结论

（1）钒合金粉末配比（FeV50：FeV80：VN=7：2：1）和布料厚度10mm相同，随着粒度的减小，氮化效果增加，在80目及以上粒度时，氮化效果无变化，出于经济考虑，最佳氮化粒度为80目。

（2）钒合金粉末配比（FeV50：FeV80：VN=7：2：1）和粒度（80目）相同，随着布料厚度的减小氮化效果增大，在10mm及以下厚度时，氮化效果无明显变化，结合单罐产量的因素，10mm的布料厚度为最佳实验布料厚度。

（3）固定粒度（80目）和布料厚度（10mm）相同，不同的配比氮化效果显示：a、VN合金粉末的比例10%不变，FeV50：FeV80：VN=2：7：1，氮化效果最好。b、FeV80合金粉末的比例10%不变，FeV50：FeV80：VN=3：1：6，氮化效果最好。c、FeV50合金粉末的比例10%不变，（FeV50：FeV80：VN=1：7：2），氮化效果最好。