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竖式中频炉连续工业化生产氮化钒的研究

李九江1，朱立杰1，王震宇2，陈东辉1

(1.河北钢铁集团 承钢公司 钒钛工程技术研究中心，河北 承德 067002；2.河北钢铁集团 承钢公司 钒制品厂，河北 承德 067002)

摘 要：对电加热隧道窑、工业微波炉等生产氮化钒的工艺作了比较，研究了竖式中频炉连续工业化生产氮化钒技术，介绍了竖式中频炉的生产过程，生产过程中遇到的问题以及解决办法。与推板窑生产氮化钒相比，在产能相同条件下，竖式中频炉的能源、耗材等损耗更低。

关 键 词：竖式中频炉；连续；工业化生产；氮化钒

1 引言

目前，氮化钒的生产方式门类繁多，所用原料基本上是V2O3或V2O5、碳制粉剂、粘结剂，将三者混合均匀后用压球机压球，将原料球加入到烧制设备中制备出氮化钒产品。国内能够应用于工业生产的主要有攀钢集团采用的电加热隧道窑[1]，江苏某企业生产采用的是中频电加热竖炉[2]，湖南某企业采用的是微波炉生产[3]，其中最成熟、应用范围最广的是攀钢的电加热隧道窑。

2 氮化钒生产工艺比较

攀钢的电加热隧道窑，又称推板窑，是一种卧式的隧道式电加热的氮化钒反应炉。生产过程中，生料球放在石墨料罐内，石墨料罐放置于石墨推板上，通过液压装置推动推板，料球将在隧道窑内依次穿过预热段、高温段、冷却段，隧道窑内通氮气，料球在氮气气氛下发生还原、氮化反应，最终从隧道窑另一端出来，得到氮化钒产品。该技术的最大优点是其在非真空条件下生产，提供了简单、快捷生产氮化钒的方法，而且该技术的自动化程度高，可减少操作人员，节约人员成本，但是该技术存在以下缺点。

(1)能耗高。由于隧道窑的长度很长，而炉内反应温度又很高，达到1400～1500℃，存在加热量大、热量损失大的缺点。

(2)损耗高。炉内温度高，用于加热的碳棒、硅碳棒的消耗量很大；在高温下进行反应，所用石墨料罐、推板使用寿命低，损耗量很大；该技术在发生碳氮化反应时反应温度高，使得反应物中所带Na+、K+等对炉衬腐蚀严重，影响炉龄，而更换一次炉体的费用昂贵，超过200万元。

(3)投资大，设备占地面积大。湖南某企业采用彭虎等设计的工业微波炉生产，所用的原料与攀钢类似，但其加热方式为微波加热。在工业微波炉中进行微波加热合成，同时向炉内通入N2，炉中保持中性或还原性气体气氛，物料先升温至673～973K，保持一段时间，然后升温至1273～1773K，反应一段时间后冷却出炉。该工艺提供了一种新的加热方式，缩小了设备的占地面积。但是采用间歇生产，生产效率低下，能耗高，不适于大规模工业化生产。

目前，承钢正在进行的竖式中频炉连续工业化生产氮化钒试验首次提出了一种可连续生产的竖式反应炉。与江苏某企业采用的竖式炉相比，该竖式炉实现了连续生产，不但节约能耗、降低生产成本，还能有效提高产量。

3 项目进展

3.1 竖炉生产过程简介

试验用竖式中频炉主体结构如图1所示。该反应炉采用中频电磁加热，线圈产生电磁后，石墨内衬通过感应发热产生热量对反应物料进行加热。通过下部的N2管向炉内通入N2，N2将自下而上流动。

反应物料为V2O3、石墨粉、粘结剂三者混合均匀压成的料球，生料球自反应炉上部加入，熟料在出料转辊的作用下自底部放出，实现连续生产。每次生产前先将反应炉内加满料，随着生产过程中底部不断出料，需要从上部不断加料，以保持反应炉内物料的料位。

生产时，在保证N2流量的条件下，炉内将保持N2气氛，可以保证物料在反应过程中不被氧化。生料球自上方加入后先进入预热段，该段没有加热原件，主要靠N2及加热段物料反应后产生的CO及CO2等气体携带的热量进行。经过预热段加热后进入加热段，该段采用中频电磁加热，通过石墨内衬及物料本身感应产生的1350～1450℃高温，使反应物料发生碳化还原及氮化反应，生成氮化钒产品。由于此时的氮化钒温度很高，为防止其氧化，使其再通过一个冷却段，冷却段氮化钒主要是在N2作用下冷却，当温度降到100℃左右时自底部出料。同时，N2经过冷却段时得到了预热，因此降低了对高温加热段的影响，有效降低了能耗。

3.2 生产中存在的问题及解决办法

在竖炉氮化钒生产过程中存在的问题主要有以下几个。

(1)结料问题。目前困扰本项目的最大问题是结料，其他问题都是伴随结料产生的，如：不能顺畅出料、N2跑偏、产品成分不合格等。

由于存在结料问题，生产时反应物料烧结成坨无法正常出料，此时需要进行人工破碎，破碎后得到的产品如图2所示。由于破碎时需要打开竖炉底部的观察孔进行，破坏了炉内的N2气氛，使部分氮化钒表面发生了氧化，如图2a所示。此外，由于发生烧结时整个料柱向中心烧结收缩，导致料柱与炉壁之间产生很大缝隙。图2b所示为破碎后的氮化钒块，其成分如表1所示，可以看出产品中氮含量过低而碳含量过高，这是由于N2从料柱与炉壁之间的缝隙跑偏，而不能与料柱内的物料均匀地发生反应，使烧结的产品内部氮含量过低而碳含量过高。

结料的主要原因是在反应生成氮化钒过程中，当碳与V2O3之间发生剧烈的还原反应时料球软化，相互接触的物料之间发生反应成为一体，控制反应物料之间的接触是解决结料问题的根本办法。控制物料接触首先需要保证生料球的质量，包括料球完整度、料球硬度等，以保证料球入炉后不破损、碎料少，从而减少物料的接触。此外，还应保证入炉料为干料，这不仅可防止湿料烘干过程中的粉化，还能保证料球的硬度；在保证原料的同时，本项目还采用了独创的物理隔离方法，并且已申请专利，该方法将生料球与不引入杂质的惰性材料进行混合，使物料之间相互隔离，从根本上解决了结料问题。通过该技术，不但保证了竖炉的连续顺畅出料，还能使物料在炉内均匀分布，保证了N2在炉内的均匀流动和反应中N2的供应，使产品达到了合格要求。图2c所示为采用防粘结技术后得到的氮化钒产品，其产品成分如表1所示。

(2)冷却问题。目前冷却段过短是制约本项目冷却效果的一个问题；为保证热量的充分利用，本设备的冷却段外壁采用了保温处理，只依靠N2进行冷却。N2在冷却过程中被加热，有效地降低了能耗。由于N2的热容量小，冷却速度慢，为了保证出料量必须采用较长的冷却段。

(3)原料配比问题。由于氮化钒生产是在很高的温度下进行的，因此生产过程中主要发生(1)～(3)反应，原料中各成分的配比一般按总反应(4)进行理论计算。考虑到反应过程中碳的损失，一般按碳理论量的1.1～1.2倍配料。

2V2O3+7C=4VC+3CO2   (1)

2VC+N2=2VN+2C   (2)

C+CO2=2CO   (3)

总反应化学方程式为：

V2O3+3C+N2=2VN+3CO   (4)

V2O3+7CO=2VC+5CO2   (5)

竖炉生产氮化钒的炉体结构为竖式，反应过程中产生的还原性气体CO自下而上流动过程中，CO将会与生料发生反应(5)。因此，反应后会产生部分CO2，配料时所需的配碳量将小于反应(4)得到的理论值。

3.3 竖式中频炉与卧式推板窑对比

3.3.1 成本对比

(1)能耗对比。目前本设备生产能力在500～600kg/天，所用功率在140～160kW，即使以日产500kg，功率为160kW计算，每吨氮化钒的电耗不足8000hW·h。与推板窑技术水平最高的攀钢每吨氮化钒电耗超过9000hW·h相比仍有优势。而在不增加功率的情况下，竖式炉的产量仍有较大的提升空间，可进一步降低能耗。

(2)耗材对比。目前本设备正常炉龄在2～3个月，每次炉体大修所用耗材约需要10万元；以2个月大修1次计算，每年需要60万元。而推板窑1次大修所需耗材约200万元，以目前推板窑正常炉龄为1年计算，每年需要200万元。此外，推板窑每年还需要消耗大量的石墨推板、料罐以及加热棒等，因此竖式中频炉在耗材使用上也具有优势。

(3)投资对比。年产300t成套竖式中频炉生产线的成本约为100万元，除与推板窑相同的配套设施外，单条竖式中频炉的占地不足50m2。但就生产线安装而言，其建设周期在1个月左右，而相同的推板窑的成本在400万元左右，占地约150m2，安装周期至少3个月。

(4)生产时间对比。按竖式炉炉龄为2个月计算，每年需更换炉衬大修6次；按目前本项目实际情况，每次大修自拆炉至烘炉完毕进行生产所需时间不超过10天，则每年可保证生产时间为10个月。推板窑的炉龄按1年计算，其停炉后炉体的冷却、砌炉、烘炉的时间不少于75天，还不包括开始阶段及最后阶段生产不能正常的时间，因此在生产时间上也具有一定优势。

3.3.2 产量与质量对比

目前，推板窑的生产技术已经十分成熟，其产品的产量稳定，质量也稳定。而竖式中频炉的产品产量可以保证，其化学成分也波动不大。由于采用竖式生产，产品的粘结较重，即使采用防粘结技术后产品的表观质量仍比较差，不利于产品的销售。

4 结语

竖式中频反应炉在工业化生产氮化钒的应用中，存在的最主要问题是结料，采用承钢的独创专利技术后，基本实现了氮化钒的连续顺畅生产，产品质量也达到了合格要求。与推板窑相比，竖式中频反应炉能耗、材料消耗、投资成本等都有一定优势，但是目前其自动化程度较低，对操作人员的要求较高。

目前还有一些工艺问题需要解决，在本项目完全结题后，竖式中频反应炉有望替代现有的推板窑技术，实现氮化钒的更加低成本高效生产。

参 考 文 献

[1]   孙朝晖.氮化钒的生产方法[P].CNl422800A，2003，(6)：11.

[2]   常州市茂盛特种合金制品厂.氮化钒的生产方法[P].中国专利：CNl587064，2004.

[3]   彭虎，李俊.一种用工业微波炉生产氮化钒的方法[P].CNl644510A，2005.