氮化钒生产工艺概述及与钒铁单耗对比V1.ppt

1,2008年钒市场研讨会,报告名称：氮化钒生产工艺概述及与钒铁单耗对比 报 告 人：冯良荣 所在单位：中国科学院成都有机化学研究所 报告时间：2008年11月10日 报告地点：西安,2,目录,1. 前言 2. 氮化钒的制备方法 3. 工业化制备工艺 4. 氮化钒单耗与钒铁单耗的对比 5结束语,3,前言,氮化钒的优点 能显著地提高和改善钢材强度、韧性、焊接性能 与使用钒铁相比可以节约20%40%的钒资源 增强了建筑物的安全性、抗震性、强韧性 ，节省钢材1012% 生产过程无三废排放，与钒铁相比，生产成本低 最终会取代钒铁,4,VN形态,5,XRD图谱,6,氮化钒的制备方法,氮化工艺真空法、常压法 原料要求V2O3、VON、无特殊要求 氮化温度高温、低温 氮化设备立窑、推板窑、回转窑、沸腾炉（流化床）,7,真空法,1967年J. H. Downing等人在US3334992中披露： 原料：V2O5，碳粉 样品尺寸为515138mm。,8,原料限制,V2O3 1977年、1985年美国联合碳化物、国内早期的常压推板窑 其它低价化合物中山大学，氧钒(IV)碱式碳酸铵 V2O5H2O 2003年高濂等人在中国专利CNl431146A中披露，以特殊方法制备的含一个结晶水的五氧化二钒为原料，在500800保温35小时制备得到了氮化钒。,9,低温氮化工艺,1973年Servaas Middelhoek等在美国专利US3745209中披露，以五氧化二钒为原料，在8001250下用氨气和天然气还原氮化合成了氮化钒。 2002年郑臣谋等在中国专利CNl380247A中以(NH4)5(VO)6(CO3)4(OH)910H2O为原料，在7501100下合成了氮化钒。 2003年高濂等人在中国专利CNl431146A中披露，以特殊方法制备的含一个结晶水的五氧化二钒为原料，在500800保温35小时制备得到了氮化钒。 1991年Arai, Tohru在EP471276中披露了700下在金属表面气相沉积了氮化钒。 2002年Christopher Allen Bennett 在8001000下微量制备了用作催化剂的高比表面积的氮化钒 低温工艺，氧含量较高,10,氮化设备,立窑承德新新钒钛、长沙隆泰、冯良荣 推板窑长沙电子部48所，多家企业采用 回转窑1973年Servaas Middelhoek、US3745209，冯良荣（产品中氧含量太高） 沸腾炉（流化床）2005年上海大学丁伟中等人，射频感应产生等离子体加热流化床工艺，N和C含量不易控制，甚至很难加入C,11,12,工业化制备工艺,主要有三种：立窑、推板窑、微波立窑 共同点： 1）常压氮气气氛氮化 2）高温1350以上 3）主要原料钒和碳的单耗基本相当。理论上，每吨含钒78.5%的氮化钒需要98.5%的V2O5约1.42吨，碳粉约0.5吨。 4）可以方便的调节产品的碳和氮含量 区别：主要由加热方式及窑炉形式不同所致 1）推板窑硅碳棒和硅钼棒 2）微波立窑微波 3）立窑电阻丝和感应,13,立窑微波加热氮化,优点：微波加热的热效率高，占地小 缺点： 1）单个微波管的功率不能做得太大，一般较大的做到5kw的功率，那么当需要整个窑炉的功率密度比较大的情况下，一般采用多个微波管，但是微波管过多时，不同微波管之间容易相互加热，导致微波管寿命降低、热效率降低。 2）微波穿透能力有限（一般小于5cm），炉子做得太大后会导致加热不均匀。 3）氮化钒制备过程中，随着还原程度的加深，反应介质越来越具有金属的性质，使得越到反应后期，介质对微波的反射越强，导致反应不易完成，产品中会残留较多的氧。 综上所述，单台设备生产规模受到限制。一般单炉做到年产100吨氮化钒左右。,14,推板窑,优点：性能稳定，生产规模较大 缺点： 1）保温不便，炉膛利用率低，并且传热慢电耗大 2）硅碳棒和硅钼棒的热震性能有限，容易损耗 3）占地面积大 4）由于电阻式加热，热传递由外及里，使得盛料的石墨坩锅底部中间的料不容易反应完全，需要长时间的处于高温区 5）推板及坩锅需要及时更换，如在炉膛内部损坏，则清理麻烦，可能只有拆窑 6）拆窑并恢复费时时间长 7）需要副窑对V2O5进行预还原 8）加热炉气密性需要改进，以降低气耗。,15,立窑氮化,优点 1）炉膛利用率高占地小，热效率高，电耗低、生产规模大 2）拆窑并恢复费时短 缺点 1）原料很难被感应加热，低温段往往采用电阻加热，但是电阻加热传热慢，又由于炉膛直径大，加热非常不均匀 2）低熔点原料容易形成粘接，使得物料无法移动导致停炉 立窑虽然有诸多优点，但是由于以上缺点，据作者所知，国内虽然有三家特大型企业经过多年的研制，也没有产业化成功,16,17,立窑工艺和推板窑工艺对比分析,18,19,钒铁和氮化钒单耗对比,20,上表数据以V2O5为起始原料，也有用V2O3为原料铝热法冶炼FeV80的工艺，吨耗铝降低到540560kg，电耗增加到9001000kwh/吨。但是V2O5用煤气还原到V2O3也需要耗能、设备投资等等，估计成本跟直接采用V2O5为原料不相上下，而且一般的铁合金厂没有煤气而很难采用这样的工艺。,21,50钒铁单耗,V2O5为原料，电硅热法，硅铁、铝块还原剂，峨铁 每吨FeV50需 98%五氧化二钒 0.941.00吨 每吨FeV50需 硅铁 355kg 每吨FeV50需 铝块 92kg 每吨FeV50需 镁硅 324kg 每吨FeV50需 废铁 400kg 每吨FeV50需 白灰 1600kg 每吨FeV50需 电 2075kWh 其它低值辅料 由于FeV50的钒含量只有氮化钒或者FeV80的5/8，价格也相应的减少，折算后单耗还稍微高于相应采用铝热法的FeV80。,22,结束语,综上所述，氮化钒生产和应用工艺经过最近几年的发展，生产工艺取得了长足的进展： 单线的产能逐步赶上钒铁的规模，产品质量和工艺的稳定性都已经适于大规模工业化生产； 每吨氮化钒的加工成本比钒铁至少低￥23万元； 氮化钒的生产没有三废产生，而钒铁生产会产生大量的有毒废渣。 与使用钒铁相比，使用氮化钒可以节约2040%的钒。 氮化钒自身的发展已经做好替代钒铁的所有技术准备。因此，在