基于页岩提钒富钒液的前驱体制备氮化钒工艺及机理研究

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氮化钒(VN)作为目前国内第一大钒合金添加剂,在高强度低合金钢的冶炼中得到了广泛的应用。碳热还原法是制备VN的唯一实现产业化生产的方法,钒源为V2O5、V2O3等钒产品,但反应温度高、反应时间长,使制备成本居高不下。我国含钒页岩资源丰富,以钒页岩为原料生产钒产品具有良好的发展前景,页岩提钒工艺的中间产品富钒液中钒浓度较高,可作为制备VN的钒源,将钒的提取和氮化工艺联合,以达到缩短流程、促进氮化钒制备的目的。本研究以模拟的页岩提钒工艺的富钒液为钒源,将碳黑加入富钒液中,通过沉钒过程获得前驱体,热处理前驱体制备VN,确定了该工艺的最佳工艺参数,并以真实的富钒液做验证;对前驱体的物相和结构进行分析,结合反应过程的物相变化和热力学,研究了从前驱体到VN过程中钒的转化迁移过程,揭示了前驱体法制备VN所具有的优势的机理,并探究了反应的动力学行为及反应机制。制备VN的最佳工艺参数为:配碳量(m(C/V))0.55,沉钒pH值1.8,造块压力14 MPa,反应温度1150°C,时间1 h,氮气流量300 mL/min,VN的N、V含量分别为16.38%和79.25%,表观密度3.13 g/cm3,符合国标中牌号VN16的产品要求,该工艺对于实际的页岩提钒工艺的富钒液是可行并且有效的。前驱体的钒包裹碳结构为VN的制备提供了大的反应界面及均匀的化学成分,显著降低了反应温度,缩短了反应时间。钒转化迁移过程为:(NH42V6O16·1.5H2O→V2O5→V3O7→V6O13→VO2→V4O7→V2O3→(VO→)VC→VN。多钒酸铵分解生成的NH3将五价钒还原为V6O13,简化了传统的煅烧和预还原过程,也能减少NH3的排放。高温下V2O3向VN的转变是制备VN的关键环节,V2O3的还原、碳化和氮化反应同时发生、相互促进。因此,采用非等温热分析法探究900-1200°CV2O3向VN转变的复合反应的动力学机制,动力学机理函数为F3,限制性环节为化学反应,反应的活化能为291.6152 kJ/mol,频率因子为3.9609×1013
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