钒铁合金汇编.docx

1、钒铁合金汇编5.7 钒铁合金5.7.1 冶炼钒铁的方法分类 (1)以还原剂来区分：根据冶炼钒铁使用的还原剂不同，通常分为碳热法、硅热法或铝热法三种。 (2)以还原设备区分：在电炉中冶炼的有电炉法(包括碳热法、电硅热法和电铝热法)。不用电炉加热，只依靠自身反应放热的方法称为铝热法(即炉外法)。 (3)以含钒原料不同区分：用五氧化二钒、三氧化二钒原料冶炼的方法和用钒渣直接冶炼钒铁的方法。5.7.2 硅热法5.7.2.1 硅热法冶炼钒铁的基本原理 用硅还原钒的氧化物时，由于热量不足，反应进行得很缓慢且不完全，为了加速反应必须外加热源。一般硅热法冶炼钒铁是将V2O5铸片在炼钢电弧炉内用硅铁冶炼成钒铁。

2、 2/5V2O5(l)+Si=4/5V+SiO2 (Si)=-326840+46.89T (J/mol) V2O5(l)+Si=V2O3+SiO2 (Si)=-1150300+259.57T (J/mol) 2V2O3+3Si=4V+3SiO2 (Si)=-103866.7+17.17T (J/mol) 2VO+Si=2V+SiO2 (Si)=-56400+15.44T (J/mol)硅热还原，在高温下用硅还原钒的低价氧化物自由能的变化是正值，说明在酸性介质中用硅还原钒的低价氧化物是不可能的。此外，这些氧化物与二氧化硅进行反应后生成硅酸钒，钒自硅酸钒中再还原就更为困难。因此炉料中配加石灰，其作

3、用是：（1）它与二氧化硅反应使SiO2与CaO生成稳定的硅酸钙，防止生成硅酸钒。（2）降低炉渣的熔点和粘度，改善炉渣的性能，强化了冶炼条件。（3）在有氧化钙存在的情况下，提高炉渣的碱度，改善还原的热力学条件，从而使热力反应的可能性更大了。其反应为： 2/5V2O5(l)+Si+CaO=4/5V+CaO.SiO2 (Si)=-419340+49.398T (J/mol) 2/5V2O5(l)+Si+2CaO=4/5V+2CaO SiO2 (Si)-445640+35.588T (J/mol) 2/3V2O3+Si+2CaO=4/3V+2CaOSiO2 (Si)=-341466.675.43T (

4、J/mol) 此外，硅还原低价钒氧化物的能力，在高温下不如碳，为了避免增碳，生产中在还原初期是用硅作还原剂，后期用铝作还原剂。 5.7.2.2 硅热法冶炼钒铁工艺 A、原料 硅热法所用原料如下： V2O5：厚度不超过5mm，块度不大于200mm； 硅铁：通常用75%硅铁，块度2030mm； 石灰：应煅烧良好，有效CaO85%，P80%的钒铁，产品含碳量一般难于降到0.2%0.3%以下。5.7.3 铝热法5.7.3.1 铝热法冶炼钒铁的基本原理 金属热法冶炼铁合金一般是用比较活泼的金属去还原比较不活泼的金属氧化物，并获得该金属与铁熔于一起，从而生成铁合金。主要反应原理为： MexOy+Al Al

5、2O3+Me (Al)=Q kJ/mol (5-1) MexOy+Si SiO2+Me (Si)=Q kJ/mol (5-2) MexOy+Mg MgO+Me (Mg)=Q kJ/mol (5-3) MexOy+Ca CaO+Me (Ca)=Q kJ/mol (5-4) 一般认为：上述Q值等于-301.39kJ时，该反应式能自发进行，其反应放热能达到使炉料熔化、反应、渣铁分离的程度。当然，要使Me的收率达到高的指标，这个值不一定是最佳的。 如果上述反应的Q值不够-301.39kJ， 就必须采取别的措施。一般是提供放热副反应及给体系通电等手段。副反应一般是根据本国的国情及参加副反应物质的价格水平

6、来选择一些不致于污染合金的氧化物来和还原剂发生化学反应，并放出大量的热，以补充上述Q值的不足。在我国通常是选用KClO3、NaNO3。如： 6NaNO3+10Al=5Al2O3+3Na2O+3N2 (Al)=-710.90 kJ/mol (5-5) KClO3+2Al=Al2O3+KCl (Al)=-868.59 kJ/mol (5-6) 如果上述反应的Q值超过-301.39kJ， 也应该采取别的措施。如配入一定量的炉渣、碎合金等吸收多余的热量，以免反应过于激烈而造成的喷溅。因为喷溅时会造成被还原金属的收率降低，严重时还会造成设备及人身安全。 用铝热法生产钒铁的原理：钒的价态较多，通常可以描述

7、为(5-22)(9)反应式：3V2O5(s)+10Al6V+5Al2O3 (Al)=-368.36kJ/mol (5-7)(Al)=681180+112.773T (J/mol)3VO2+4Al3V+2 Al2O3 (Al)=-299.50kJ/mol (5-8)(Al)=-307825+40.1175T (J/mol)V2O3+2Al2V+Al2O3 (Al)=-221.02kJ/mol (5-9)(Al)=-236100+37.835T (J/mol)3VO+2Al3V+Al2O3 (Al)=-195.90kJ/mol (5-10)(Al)-200500+36.54T (J/mol) 从反

8、应方程式可见：上述反应的均为负值，在热力学上都是容易进行的。从反应放热值来说，(5-7)式铝热反应完全可满足反应自发进行要求的热量， 称为铝热法。实际上该反应是爆炸性的(在绝热情况下， 反应温度可以达到3000左右)，因此必须人为地控制反应速度。 用三氧化二钒还原的(5-9)式反应比(5-7)式少耗铝40%。但是在用铝热法冶炼高钒铁时，反应的热量明显不足，无法维持反应自动进行，所以需要补充一部分热量才行，目前是以通电的方式来补充热量的称为电铝热法。当然也可以采用副反应如(5-6)式等。 铝热法冶炼可制得含钒品位高，杂质少的钒铁合金。5.7.3.2 铝热法工艺流程铝热法工艺流程见图5-30。图5

9、-30 铝热法冶炼钒铁流程 A、原料 (1)五氧化二钒：符合GB3283-87标准的V2O598牌号。粒度：55555mm。 (2)铝豆：Al99.2，Fe0.13，C0.005，Si0.1，P0.05，S0.0016 。粒度：1015mm。 (3)石灰：CaO85，MgO5，SiO2 3.5，S0.15，P0.03，灼减7 。 (4)铁屑：含C0.40，粒度15mm。 (5)返回渣：即铝热法生产得到的炉渣(刚玉渣)，粒度：510mm。 B、配料 首先按反应：3V2O5+10Al=6V+5Al2O3计算出理论耗铝量：理论耗铝量 铝热法冶炼钒铁配料的最佳工艺条件是单位炉料反应热为31403350

10、kJ/kg炉料。配铝量按V2O5反应所需理论量的100%102%配入。一般而言，增加铝热反应的铝量，可使反应进行得很完全、充分，达到较高的钒回收率。但当配铝量超过一定限度后，多余的铝将进入合金中，达不到质量要求；另一方面，由于合金中含铝高，使其比重降低，影响合金在炉渣中的沉降速度，使渣中夹杂的合金增多，降低了钒回收率；同时由于耗铝量增加，使生产成本增高，不经济。 铝热反应发热量超过需要数值，故炉料中加入惰性料，如返回渣、石灰、碎合金等，以降低炉料发热量，保证反应平稳进行。惰性物料的加入量可视情况按V2O5用量的20%40%配入。钒铁的产量(投入的金属V量钒收率%)/合金含钒量%钢屑加入量钒铁产

11、量(1合金含钒量%合金杂质量%) 由于铝热反应后即成为自发反应，反应时间短，难以控制，因而配料工序质量的好坏直接影响到钒铁产品质量，故要求配料务必准确(计算与称量)、混料均匀、以免造成炉料偏析。 生产钒铁的各类原料都要彻底干燥，以避免冶炼时发生喷溅。 C、冶炼主要设备 (1)混料机：根据情况选择。 (2)反应炉：用铸铁或钢制成的圆筒型炉壳，外部用钢夹紧环加固，内衬镁砖砌筑，为了提高镁砖寿命，炉子内壁用磨细的刚玉渣和卤水混合料打结，炉底可铺镁砂，然后烘烤干燥。可将整体炉子按放在可移动的平车上。炉子大小视其产量确定，一般内径为0.51.7m，高0.61.0m。 (3)反应室：带有抽风烟罩系统的冶炼

12、空间。是铝热法进行冶炼的场所。 D、冶炼操作 钒铁冶炼是在筒式炉内进行的。冶炼炉准备过程分砌炉、打结和烘炉三道工序。钒铁冶炼炉的炉衬分永久层和临时层。永久层是用镁砖和高铝砖分三段砌筑的，临时层是用返回渣打结的。耐急冷急热性较差，拆炉时，砖很容易损坏，良好的炉衬打结质量是防止漏炉的关键，打结强度适中，以免拆炉困难，同时炉体底部打结层要比上半部厚一些。另外，打结材料中不得混入其它低熔点的杂物；炉身和炉底的接缝处必须塞紧。 冶炼钒铁时，先将冶炼炉吊放到平车上，采用下部点火时在炉筒底部装入少量炉料，布好底料，表面放一些混合好的V2O5粉末和铝粉，在放一些点火剂，点火剂有BaO2、氯酸钾或镁屑等。再将平

13、车送入冶炼室内。用点火剂点火后，依据反应情况逐渐从上部加入全部炉料，加料速度要合适，加料速度过快，炉料反应速度快，炉温升高，喷溅严重，使钒和铝损失增加；加料速度过慢，反应进行慢，冶炼温度低，会使炉渣过早粘结，渣铁分离不完全，合金凝聚不好，钒回收率随之下降。经验表明，加料速度控制在160200kg/(m2.min)较合适。 采用上部点火时，先将炉料全部加入炉内，再点火，这种方法由于反应激烈，热量集中，炉料喷溅严重，因此一般采用下部点火法。 冶炼拆炉后，先将合金锭进行水淬冷却处理，然后进行合金表面精整，再进行砸铁、破碎、筛分、包装，最后入库。 炉渣吊运到破碎系统，经处理后，一部分作为配料返回渣，一

14、部分用来打结炉衬，余下的炉渣卖给耐火材料厂。 E、技术经济指标 （1）产量：视炉子容积大小在5001000kg之间，但不超过2000kg。 （2）产品质量：一般可得到含钒75%82%的产品。其它成份(%)为1.01.5Si；1.02.0Al；0.150.2C；0.05S；0.025P。 （3）钒回收率：一般85%90%，最高可达到95%。 F、提高铝热法钒回收率的措施 由于铝热法反应激烈，炉渣中将夹杂有一些金属珠，炉渣中含有较高的钒。为提高钒收率，一般采用如下的两种方法。 a、加发热沉降剂法在铝热反应结束后，立即往炉渣表面加入由三氧化二铁和铝粒组成的发热沉降剂，有两个目的： （1）由于沉降剂的

15、放热反应而使炉渣继续保持熔融状态，有利于炉渣与钒铁的分离，使合金继续下降；（2）由于沉降剂反应产生的铁铝合金穿过渣层下降时，继续还原渣中尚未还原的钒氧化物和吸附悬浮在炉渣中的合金微粒而提高了钒的收率。通常采用这种方法可提高收率2%以上。 加入沉降剂的方法可人工加入或用机械方法(如喷枪喷入)。需要指出，在计算配料时要考虑到这部分增加的铁量，避免合金中的铁过高而降低钒的品位。 b、电热法 铝热反应完毕后，立即将平车送到电加热器位置，通电加热炉渣，保持炉渣的熔融状态，使合金继续下降，从而提高钒收率。电加热可用电弧炉电极加热，此方法的设备布置示意图见图5-31。图5-31 钒铁冶炼装置示意图1-炉顶烟

16、罩；2-加料系统；3-供电系统；4-炉体；5-炉底小车5.7.4 用三氧化二钒冶炼钒铁acquaintance n. 相识；了解；熟人 三氧化二钒冶炼钒铁。一般是用铝热法生产高钒铁。可以节省铝还原剂的耗量，降低生产成本。与一般炉外法用五氧化二钒冶炼钒铁不同的是由于三氧化二钒与铝反应的热量不足，不能自动进行，因此冶炼设备是在电弧炉中冶炼的。用电炉的目的有三，一是为了补充用V2O3冶炼时的热量不足，二是为了提高钒的回收率。三是使炉内的温度达到使炉渣能排出，且使铁水能浇铸到锭模的要求。德国GfE电炉的容积为5m3，功率为1.2MVA，4.5吨三相电弧炉，石墨电极直径为300mm，炉衬全部用本渣(刚玉

17、渣)打结，不用耐火砖，每次只需要用炉渣补炉即可。冶炼过程如下：Amsterdam n. 阿姆斯特丹（荷兰首都） 首先将V2O3、铝粉(粒)，钢屑和石灰称量并混合放入储罐内，用运料叉车把混合料罐安放在电炉炉顶下料装置上；图书馆管理员 将部分钢屑熔化约510分钟；灯 然后再将混合料用电磁振动阀加入到炉内熔炼50分钟左右(电压为130V)；adj. 假的 再经过5分钟倾注排渣，使熔体在熔融状态下(温度为2100)，出炉铸入衬有本渣的弧型锭模内；fond adj. 喜爱的；慈爱的；宠爱的 金属在锭模内冷一天(500)， 脱模后将合金放入水池内急冷，以后经过精整、破碎得到高钒铁。炉渣除了作为补炉用之外，

18、多余的卖给耐火材料厂。convenience n. 便利；方便 总冶炼时间约1小时，炉料一次配好， 冶炼过程不再加其它炉料。每炉电耗为1900KWh，约得合金2t及含V 23%的炉渣2.4t。钒的回收率为97%。5.7.5 碳还原法anxiety n. 担心；焦虑；渴望 碳热法还原五氧化二钒经过如下步骤：V2O5+C=2VO2+CO (C)49070-213.42T(J/mol) (5-11)2VO2+C=V2O3+CO (C)=95300- 158.68T (J/mol) (5-12)V2O3+C=2VO+CO (C)=239100-163.22T(J/mol) (5-13)Morse 莫尔

19、斯电码VO+C=V+C (C)=310300- 166.21T (J/mol) (5-14)birthplace n. 出生地；故乡V2O5+7C=2VC+5CO (C)= 79824- 145.64T (J/mol) (5-15) 碳热法还原V2O5生产钒铁时，反应都是吸热的，因此要用电补充热量才能进行。反应(5-15)式优先进行，因为在形成碳化物反应的同时，自由能会大量减少，所以反应急剧增强，结果形成含有一定比例的碳合金。实际上在此情况下炼得的合金含碳4%6%，因此工业上采用碳还原法炼不出低碳钒铁。但在实验室中，采用高温高真空却可以制出低碳钒铁。国外一些工厂用类似的方法生产了含38%40%

20、V，2%3%C，5%12%S的钒铁。这种合金对于大多数含钒合金钢都无法使用。因此目前使用碳热法冶炼钒铁已很少使用了。5.7.6 钒渣直接冶炼钒铁5.7.6.1 基本原理 钒渣直接冶炼钒铁的方法分两步进行，首先将钒渣中的铁(氧化铁)采用选择性还原的方法在电弧炉内，用碳、硅铁或硅钙合金将钒渣中的铁还原，使大部分铁从钒渣中分离出去，而钒仍留在钒渣中，这样得到了V/Fe比高的预还原钒渣。第二阶段是在电弧炉内，将脱铁后的预还原钒渣用碳、硅或铝还原，得到钒铁合金。5.7.6.2 主要方法钒渣直接炼钒铁的国内外的方法很多，列举一些实例介绍如下。俄罗斯的姆.阿.累斯（.A.P）介绍了用碳还原钒渣，12901390预还原，将86%的氧化铁和小于5%的氧化钒被还原到金属中，分离后的钒渣中，V/Fe比由0.200.25提高到1.01.5。再用75%的硅铁和铝还原预还原的钒渣得到合金中（%）：2026V，