氮化钒制备过程的研究

氮化钒论文 制备论文 热力学论文
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钒以钒铁、钒的化合物和金属钒的开工广泛应用于冶金、航空、化工、电子等工业部门。钒以其超强的晶粒细化和沉淀强化作用,已经成为高强钢的首选合金添加元素。因为钒和氮的结合比钒和碳的结合更加稳固,更加分散,从而加强了钒的沉淀强化和晶粒细化的效果,故钒的存在使得氮不再是力图去除的有害元素,而是希望增加的有益元素。氮化钒作为一种有效、经济的合金添加剂,已为广大的钢铁企业及用户所接受,虽然我国在氮化钒的开发及应用上起步都较晚,但因丰富的钒资源和钢铁生产与使用的大国身份,将氮化钒作为微合金钢的首选合金添加剂势在必行。随着氮化钒的广泛应用,越来越多的含钒、氮高强钢种会出现,我们在大量应用氮化钒的同时,也应该加大氮化钒产品的开发力度。 热力学分析表明,钒氧化物被碳还原的顺序为V2O5到V2O4、V2O4到V2O3、V2O3到VO、VO到V(或VC),且还原反应是逐步进行的,实际反应过程中忽略V2O3、V2O4的还原,而只考虑VO、V2O5的还原。在实验条件下,碳、氢气都可以对钒的氧化物进行还原,且还原温度都在较大程度上受气相压力的影响。V2O5在其熔点温度以下可还原为高熔点的低价钒氧化物;氮化后形成的VN在高温下会转化为VC。在不同的气氛条件下,钒氧化物的还原过程不同,在氮气气氛下,有利于还原反应的进行。 通过对不同温度下的还原氮化产物的X衍射分析和不同气氛下的热重曲线分析,初步确定了各步还原反应及氮化反应的温度范围。在1450K左右,四步还愿反应最快,而在1420K时,氮化反应达到最大速度。动力学分析得到各步还原反应的活化能数值表明,一步还原反应最易,二步和三步还原反应次之,而四步还原反应最难。氮化反应的活化能为364.6KJ/mol,界于三步还原反应和四步还原反应活化能之间。 在其它条件相同的情况下的烧后产物中,配碳系数(L)越高,则碳含量越高,氧含量越低,氮含量在配碳系数为0.33时出现最大值;不同的还原氮化温度(A)实验表明,1300℃时的烧后产物氮含量最高。采用四因素三水平的正交实验的方法,得出了氮化钒制备过程中,还原氮化温度对失重率影响最大,共磨时间(S)和还原氮化温度对碳含量影响最大,还原氮化时间(T)和共磨时间对氮含量影响最大,还原氨化时间和配碳系数对氧含量影响最大,还原氮化温度对钒含量影响最大。
摘要第3-4页
ABSTRACT第4页
第一章 文献综述第8-19页
    第一节 钒、氮的微合金化作用第9-10页
        1.1 微合金化钢第9页
        1.2 氮、钒在非调质钢中的作用第9-10页
    第二节 在HSLA中添加氮化钒第10-11页
        2.1 氮的加入第10页
        2.2 VN合金的应用第10-11页
    第三节 氮化钒的制备现状第11-17页
        3.1 碳化钒的制备方法第11-13页
        3.2 氮化钒铁的制备方法第13-15页
        3.3 氮化钒的制备方法第15-17页
    第四节 目前存在的问题及本论文研究的工作第17-19页
第二章 制备氮化钒过程中的反应热力学第19-32页
    第一节 五氧化二钒的还原反应热力学第19-21页
        1.1 还原热力学方程式第19-20页
        1.2 气相分压对一步还原反应温度的影响第20-21页
    第二节 一氧化钒的还原反应热力学第21-24页
        2.1 固体碳还原一氧化钒第21-23页
        2.2 氢气还原一氧化钒第23-24页
    第三节 碳化钒的氮化反应热力学第24-25页
        3.1 反应热力学方程式第24页
        3.2 气相分压对氮化温度的影响第24-25页
    第四节 一氧化钒同时进行还原氮化反应热力学分析第25-28页
        4.1 固体碳作为还原剂还原氮化反应热力学第25-26页
        4.2 氢气作为还原剂还原氮化反应热力学第26-28页
    第五节 还原氮化产物的氧化热力学第28-30页
        5.1 四氧化二钒的氧化热力学第28-29页
        5.2 金属钒的氧化热力学第29页
        5.3 氮化钒的氧化热力学第29-30页
    第六节 本章小结第30-32页
第三章 制备氮化钒过程中的化学反应动力学第32-46页
    第一节 还原过程分析第32-34页
    第二节 差热及热重分析第34-36页
        2.1 实验过程第34页
        2.2 结果分析与讨论第34-35页
        2.3 失重率的计算第35-36页
    第三节 还原反应动力学第36-42页
        3.1 还原速率及速率常数第36-38页
        3.2 各反应物的活化能计算第38-41页
        3.3 各级还原反应的还原速度常数与还原温度的经验公式第41-42页
    第四节 氮化反应动力学第42-45页
        4.1 不同气氛下失重速率比较第42-44页
        4.2 氮化反应动力学分析第44-45页
    第五节 本章小结第45-46页
第四章 氮化钒的制备第46-62页
    第一节 实验参数的选择依据第46-48页
        1.1 配碳系数的选择第46-47页
        1.2 共磨时间的选择第47页
        1.3 还原氮化温度的选择第47页
        1.4 还原氮化时间的选择第47-48页
    第二节 氮化钒的制备实验第48-52页
        2.1 配碳系数实验第48-50页
        2.2 还原氮化温度实验第50-52页
    第三节 实验参数优化第52-61页
        3.1 实验方案设计第52-53页
        3.2 实验原料及设备第53页
        3.3 实验过程第53-55页
        3.4 实验结果及各因素对其影响第55-61页
    第四节 本章小结第61-62页
第五章 结论第62-63页
参考文献第63-65页
致谢第65页
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