论文部分内容阅读
目前为了应对我国钢铁行业粗钢的产量逐年上升,功能型钢材产量少等问题,我国“十三五规划纲要”对钢铁行业提出了新的要求,化解钢铁行业产能过剩、促进钢铁行业转型升级、提升钢铁产品品质已经成为我国目前钢铁行业发展的风向标。钒在国内钢铁行业中的需求量占其总量的75%90%,并且一直以钒铁的形式使用,主要运用在机械、化工、航空航天、国防等行业。21世纪以来,氮作为一种添加剂逐渐被应用于钢铁行业中,钢中增氮能够更好的细化和强化晶粒,已经慢慢取代钒铁被广泛应用在钢铁行业中,氮化钒作为一种新型的合金添加剂,在提升钢材性能、节约能源等方面相比钒铁有明显的优势。本课题主要对偏钒酸铵一步法还原氮化制备氮化钒的过程进行研究。通过热力学分析以偏钒酸铵为原料一步法制备氮化钒中钒的氧化物、氮化物、碳化物的还原过程,得知氮化钒制备过程中原料反应顺序依次为NH4VO3→V2O5→VO2→V2O3→VC→VN。并根据热力学原理探究实验过程中反应体系的压强、温度、原料比表面积等反应条件对还原氮化过程的影响。通过热重实验及差热分析研究偏钒酸铵一步法合成氮化钒的动力学行为,当温度在低于780K的时候,曲线对应的速率常数为0,可见在此期间随着反应时间的增加,反应速率是不变的,此阶段是不发生氮化反应的;而当温度升高至780K900K时,速率常数曲线呈现一种对称变化,先增加后减小,此反应速率常数的波动代表着一步法合成氮化钒过程中碳化反应的进行,原料偏钒酸铵在这个温度区间充分反应;随着反应时间的推移,在200min以后,当温度逐渐升高到10001200K的时候,图4.3显示反应速率常数显示为先增加后减小的趋势,并在1180K达到一个最大速率常数值;当温度超过1180K后反应速率常数急剧下降直至反应结束,此为一步法合成氮化钒的主要氮化反应区。为了更好的研究氮化钒添加到钢中的性能优势,本课题深入到纳米领域对纳米级氮化钒的结构特性和应用等进行了探讨。通过分析纳米级氮化钒颗粒的晶胞参数、晶面面积、晶胞体积、原子数以及原子间距等特征参数,得到颗粒晶胞数、颗粒原子数、表面原子数和表面晶胞数之间的关系。通过上述基本参数确定氮化钒纳米结构中的研究对象以及结构表征,并结合纳米微粒的表面效应、小尺寸效应和宏观量子隧道效应对纳米氮化钒的最佳纳米化尺度进行了模拟计算。为了保证氮化钒的稳定性,又要保证氮化钒晶体的反应活性,就必须综合两方面考虑其最佳纳米化尺度,因此从理论上确定了氮化钒的最佳纳米化尺度应在200nm左右,但是其最终的确定需要根据氮化钒的不同结构和不同参数,与生产实践相结合,进行更加深入的研究。