專利名稱：氮化釩的制備方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種氮化釩的制備方法及其裝置，更具體的說是涉及采用流態(tài)化床技術(shù)制備氮化釩的工藝方法以及相應(yīng)的制備專用裝置，屬化學(xué)化工技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
釩在鋼鐵生產(chǎn)中是一種重要的合金元素，它在低微合金化鋼中的應(yīng)用非常廣泛。研究表明鋼中添加釩可以顯著提高鋼的強(qiáng)度，例如向[C]≤0.25％的鋼中加入釩，可使其屈服強(qiáng)度由350MPa提高到600MPa以上。含釩鋼不僅提高了強(qiáng)度，還改善了抗熱疲勞性，可焊接性等綜合性能。釩和碳、氮反應(yīng)生成的化合物在鋼中起沉淀硬化和晶粒細(xì)化的作用。傳統(tǒng)的添加釩的方法是將釩鐵加入鋼液中。但是，近來大量研究和實(shí)踐都表明，如果釩以氮化釩的形式加入至鋼液內(nèi)部可以更有效地對材料進(jìn)行強(qiáng)化和細(xì)化晶粒，可以減少釩的加入量而達(dá)到同樣的效果。與直接添加釩鐵相比，在高強(qiáng)度低合金鋼中使用氮化釩可節(jié)約20～40％左右的釩，從而大大降低了合金化的成本。
目前世界上主要有二種途徑制備氮化釩。一種是由釩鐵進(jìn)行氮化制取釩氮合金，這種途徑流程長，效率低，制備成本高。另一種途徑也是當(dāng)前工業(yè)界實(shí)際生產(chǎn)氮化釩的方法，即氧化釩經(jīng)固體碳還原后再用含氮?dú)怏w進(jìn)行氮化。氧化釩的固體碳還原是在真空或非氧化性氣氛下進(jìn)行的，非氧化性氣氛一般選擇氮?dú)夥栈虬睔夥眨@樣可以在高溫條件下還原氧化釩的同時(shí)進(jìn)行滲氮。利用混合氣體(H2、N2和NH3)也可以對氧化釩進(jìn)行還原和氮化，能夠獲得符合要求的氮化釩產(chǎn)品。但是直接用氣體作為還原劑和氮化劑來制備氮化釩，效率低且生產(chǎn)周期長。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種用射頻等離子體強(qiáng)化氣體對氧化釩還原、氮化反應(yīng)制備氮化釩的方法。本發(fā)明的另一目的是提供一種通過等離子體化學(xué)方法制備氮化釩的專用裝置。
本發(fā)明的目的是通過以下技術(shù)方案來達(dá)到和實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明的一種氮化釩的制備方法，主要采用流態(tài)化床工藝技術(shù)，其特征在于通過射頻感應(yīng)，在流態(tài)化床反應(yīng)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生等離子體，也即將反應(yīng)氣體氨、氮和氫氣體激發(fā)電離而生成活性氫和氮粒子，并使該活性粒子與懸浮在流態(tài)化區(qū)的氧化釩顆粒發(fā)生還原和氮化反應(yīng)而生成氮化釩；射頻電源的射頻范圍為3MHz-13.45MHz；反應(yīng)氣體為氨、氫、氮的混合氣體；氨的濃度范圍為60-100％。
本發(fā)明制備氮化釩的方法中的一種專用裝置，主要包括流態(tài)化床、射頻發(fā)生器裝置、加熱器、供氣罐等，其特征在于該裝置有一密閉反應(yīng)容器構(gòu)成的流態(tài)化床，在反應(yīng)容器流態(tài)化區(qū)位置的外部裝有射頻感應(yīng)線圈，在感應(yīng)線圈的旁側(cè)設(shè)置有射頻電源，通過感應(yīng)線圈在反應(yīng)區(qū)內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生等離子體，活化反應(yīng)氣體；在流態(tài)化床的另一側(cè)，設(shè)置有氨、氫和氮的供氣罐，各供氣罐的上部各設(shè)有調(diào)節(jié)氣流的氣閥；在供氣罐線上還另設(shè)有控制調(diào)節(jié)進(jìn)入流態(tài)化床反應(yīng)氣體流量的總氣閥；在流態(tài)化床的下部設(shè)置有使反應(yīng)氣體均勻分布的分布器，在分布器的上面放有粉末或顆粒狀的原料氧化釩；在放置原料處的反應(yīng)器外側(cè)設(shè)置有預(yù)熱原料并預(yù)熱進(jìn)入反應(yīng)區(qū)氣體的加熱器，籍此加熱器和輸入的射頻功率的相互配合，可以調(diào)節(jié)反應(yīng)作用區(qū)的溫度；該流態(tài)化床的上部設(shè)有排氣管，并與抽氣裝置相連接。
本發(fā)明方法的過程及機(jī)理所述如下本發(fā)明方法的特征是在流化床裝置的反應(yīng)區(qū)用射頻電源感應(yīng)激發(fā)等離子體，將反應(yīng)氣體(NH3、H2和N2)中的氣態(tài)分子激發(fā)為化學(xué)活性極強(qiáng)的氫和氮的離子、原子和活性基團(tuán)，這些活性粒子與懸浮在反應(yīng)區(qū)的氧化釩顆粒作用生成氮化釩。在射頻電場的激發(fā)下，氣態(tài)分子發(fā)生如下反應(yīng)
式中上標(biāo)(*)表示活性粒子。它們與氧化釩反應(yīng)
最后得到氮化釩產(chǎn)品。
本發(fā)明方法及所設(shè)計(jì)的專用裝置的優(yōu)點(diǎn)是工藝方法簡單、操作容易控制和調(diào)節(jié)、裝置結(jié)構(gòu)簡單、而且生產(chǎn)效率高，所得到的產(chǎn)物氮化釩的質(zhì)量較好。


圖1為本發(fā)明方法專用裝置的結(jié)構(gòu)示意圖其中各數(shù)字代號的意義為1-流態(tài)化床；2-感應(yīng)線圈；3-射頻電源；4-氧化釩顆粒；5-供氣罐；6-氣閥；7-總氣閥；8-分布器；9-加熱器；10-抽氣裝置。
具體實(shí)施例方式
實(shí)施例一本實(shí)施例采用上述的流態(tài)化床工藝技術(shù)，在其反應(yīng)區(qū)采用射頻電源感應(yīng)激發(fā)等離子體，將反應(yīng)氣體中的氣態(tài)分子激發(fā)為化學(xué)活性強(qiáng)的氫和氮的離子等活性粒子，使這些活性粒子與懸浮在反應(yīng)區(qū)的氧化釩顆粒作用生成氮化釩。
本發(fā)明方法的專用裝置如前所述，該裝置有一密閉反應(yīng)容器構(gòu)成的流態(tài)化床1，在反應(yīng)容器流態(tài)化區(qū)位置的外部裝有射頻感應(yīng)線圈2，在感應(yīng)線圈2的旁側(cè)設(shè)置有射頻電源3，通過感應(yīng)線圈2在反應(yīng)區(qū)內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生等離子體，活化反應(yīng)氣體；在流態(tài)化床1的另一側(cè)，設(shè)置有氨、氫和氮的供氣罐5，各供氣罐5的上部各設(shè)有調(diào)節(jié)氣流的氣閥6；在供氣罐線上還另設(shè)有控制調(diào)節(jié)進(jìn)入流態(tài)化床1反應(yīng)氣體流量的總氣閥7；在流態(tài)化床1的下部設(shè)置有使反應(yīng)氣體均勻分布的分布器8，在分布器8的上面放有粉末或顆粒狀的原料氧化釩4；在放置原料處的反應(yīng)器外側(cè)設(shè)置有預(yù)熱原料并預(yù)熱進(jìn)入反應(yīng)區(qū)氣體的加熱器9，籍此加熱器9和輸入的射頻功率的相互配合，可以調(diào)節(jié)反應(yīng)作用區(qū)的溫度；該流態(tài)化床1的上部設(shè)有排氣管，并與抽氣裝置10相連接。
根據(jù)本發(fā)明方法及所設(shè)計(jì)的專用裝置，曾進(jìn)行多次試驗(yàn)，現(xiàn)將各試驗(yàn)敘述于下a.將五氧化二釩粉末置于流態(tài)化床內(nèi)，反應(yīng)管的內(nèi)徑為30.5mm，向流態(tài)化床中導(dǎo)入反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體為90％的氨氣、4％氮?dú)夂?％氫氣的混合氣體，工作壓力為3500Pa，流態(tài)化后向反應(yīng)區(qū)施加射頻感應(yīng)電場，射頻電源頻率為13.56MHz，射頻輸入功率為450-600W。待還原、氮化反應(yīng)結(jié)束后，取出產(chǎn)物，經(jīng)X射線衍射檢測，證實(shí)為純氧化釩(VN)。
b.將五氧化二釩粉末置于流態(tài)化床內(nèi)，反應(yīng)管的內(nèi)徑為30.5mm，向流態(tài)化床中導(dǎo)入反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體為脫水后的純的氨氣，工作壓力為3000Pa，流態(tài)化后向反應(yīng)區(qū)施加射頻感應(yīng)電場，射頻電源頻率為13.56MHz，射頻輸入功率為400-500W。待還原、氮化反應(yīng)結(jié)束后，取出產(chǎn)物，經(jīng)X射線衍射檢測，證實(shí)為純氧化釩(VN)。
c.將五氧化二釩粉末置于流態(tài)化床內(nèi)，反應(yīng)管的內(nèi)徑為30.5mm，向流態(tài)化床中導(dǎo)入反應(yīng)氣體，反應(yīng)氣體為純氨氣，工作壓力為1600Pa，流態(tài)化后向反應(yīng)區(qū)施加射頻感應(yīng)電場，射頻電源頻率為13.56MHz，射頻輸入功率為350-400W。待還原、氮化反應(yīng)結(jié)束后，取出產(chǎn)物，經(jīng)X射線衍射檢測，證實(shí)為純氧化釩(VN)。
權(quán)利要求
1.一種氮化釩的制備方法，主要采用流態(tài)化床工藝技術(shù)，其特征在于通過射頻感應(yīng)，在流態(tài)化床反應(yīng)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生等離子體，也即將反應(yīng)氣體氨、氮和氫氣體激發(fā)電離而生成活性氫和氮粒子，并使該活性粒子與懸浮在流態(tài)化區(qū)的氧化釩顆粒發(fā)生還原和氮化反應(yīng)而生成氮化釩；射頻電源的射頻范圍為3MHz-13.45MHz；反應(yīng)氣體為氨、氫、氮的混合氣體；氨的濃度范圍為60-100％。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種氮化釩的制備方法中的一種專用裝置，主要包括流態(tài)化床、射頻發(fā)生器裝置、加熱器、供氣罐等，其特征在于該裝置有一密閉反應(yīng)容器構(gòu)成的流態(tài)化床(1)，在反應(yīng)容器流態(tài)化區(qū)位置的外部裝有射頻感應(yīng)線圈(2)，在感應(yīng)線圈(2)的旁側(cè)設(shè)置有射頻電源(3)，通過感應(yīng)線圈(2)在反應(yīng)區(qū)內(nèi)感應(yīng)產(chǎn)生等離子體，活化反應(yīng)氣體；在流態(tài)化床(1)的另一側(cè)，設(shè)置有氨、氫和氮的供氣罐(5)，各供氣罐(5)的上部各設(shè)有調(diào)節(jié)氣流的氣閥(6)；在供氣罐線上還另設(shè)有控制調(diào)節(jié)進(jìn)入流態(tài)化床(1)反應(yīng)氣體流量的總氣閥(7)；在流態(tài)化床(1)的下部設(shè)置有使反應(yīng)氣體均勻分布的分布器(8)，在分布器(8)的上面放有粉末或顆粒狀的原料氧化釩(4)；在放置原料處的反應(yīng)器外側(cè)設(shè)置有預(yù)熱原料并預(yù)熱進(jìn)入反應(yīng)區(qū)氣體的加熱器(9)，籍此加熱器(9)和輸入的射頻功率的相互配合，可以調(diào)節(jié)反應(yīng)作用區(qū)的溫度；該流態(tài)化床(1)的上部設(shè)有排氣管，并與抽氣裝置(10)相連接。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種氮化釩的制備方法及其裝置，更具體的說是涉及采用流態(tài)化床技術(shù)制備氮化釩的工藝方法以及相應(yīng)的制備專用裝置，屬化學(xué)化工技術(shù)領(lǐng)域。其特征在于通過射頻感應(yīng)，在流態(tài)化床反應(yīng)區(qū)內(nèi)產(chǎn)生等離子體，也即將反應(yīng)氣體氨、氮和氫氣體激發(fā)電離而生成活性氫和氮粒子，并使該活性粒子與懸浮在流態(tài)化區(qū)的氧化釩顆粒發(fā)生還原和氮化反應(yīng)而生成氮化釩。本發(fā)明方法的專用裝置主要包括流態(tài)化床、射頻感應(yīng)線圈、射頻電源、加熱器、供氣罐、氣流分布器，抽氣系統(tǒng)，另外有氣閥和控制調(diào)節(jié)反應(yīng)氣體流量的總氣閥及其管路系統(tǒng)。
文檔編號C01G31/00GK1562769SQ20041001728
公開日2005年1月12日 申請日期2004年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2004年3月30日
發(fā)明者丁偉中, 張玉文, 郭曙強(qiáng), 周國治 申請人:上海大學(xué)