钒铁合金

15.7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。2/5V2O5(l)+Si=4/5V+SiO2TG(Si)=-326840+46.89T(J/mol)V2O5(l)+Si=V2O3+SiO2TG(Si)=-1150300+259.57T(J/mol)2V2O3+3Si=4V+3SiO2TG(Si)=-103866.7+17.17T(J/mol)2VO+Si=2V+SiO2TG(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TG(Si)=-419340+49.398T(J/mol)2/5V2O5(l)+Si+2CaO=4/5V+2CaOSiO2TG(Si)＝-445640+35.588T(J/mol)2/3V2O3+Si+2CaO=4/3V+2CaO·SiO2TG(Si)=-341466.67—5.43T(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20~30mm；2石灰：应煅烧良好，有效CaO85%，P0.015%，块度30~50mm；铝块：30~40mm块度；废钢：用废碳素钢或从钒渣中磁选出的废钢，这些废钢应清洁、少锈。也可用废钢屑或其它优质钢铁料，但要求这些材料含C≤0.5%，P≤0.035%。B、生产工艺流程电硅热法冶炼钒铁的技术是很成熟的技术，冶炼都是在电弧炉内进行，分还原期和精炼期，还原期又分为二期冶炼和三期冶炼法，用过量的硅铁还原上炉的精炼渣，至炉渣中含V2O5低于0.35%，从炉内排出废渣开始精炼，再加入五氧化二钒和石灰等混合料精炼。当合金中Si量小于2%时出炉，排出的精炼渣含V2O510%~15%，返回下炉使用。现将目前国内普遍采用的三期冶炼钒铁的工艺流程示于图5-29。图5-29硅热法冶炼钒铁工艺流程C、生产设备硅热还原法生产钒铁，在炼钢型电炉里进行熔炼，电压为150~250V，电流为4000~4500A。炉盖、炉底和炉壁用镁砖砌筑。使用石墨电极操作，电极直径200~250mm。以某厂设备为例。(1)变压器参数：规格：HSK7—3000/10，容量：2500KVA，一次电压：10000V，二次电压：121，92/210，160V，额定电流：6870A。(2)电炉参数规格：3t电弧炉，电极直径：Φ250mm，炉壳体：内径Φ2900×1835mm，极心圆：Φ760mm，电极行程：1300mm。(3)电极：石墨电极，GB-3072-82，Φ250mm。(4)冶炼操作3D、配混料(1)以冶炼1t钒铁为例配比计算：1）五氧化二钒配入量：理论需V2O5量W1=1×钒铁含钒(%)×182/102其中：182/102为V2O5中的含V比。实际五氧化二钒配入量W比理论量过剩7%左右。五氧化二钒配入量W=%%OV%107W521回收率纯度2）硅铁需要量：还原中有80%的五氧化二钒用硅铁还原，20%用铝还原，由于烧损，需要Si过剩10%，Al过剩30%，石灰过剩10%。按反应2V2O5+5Si=4V+5SiO2计算出还原1kgV2O5理论需硅0.385kg，则：硅铁配入量W2＝%110%Si285.0%80W1硅铁中3）铝块配入量：按反应3V2O5+10Al＝6V+5Al2O3计算出还原1kgV2O5理论需铝0.5kg，则：铝块配入量W3=%130%5.0%20W1铝纯度4）钢屑配入量：需钢屑量W4=1×[1-钒铁含钒(%)-钒铁杂质(%)]-硅铁带入铁量其中：硅铁带入铁量=需硅铁W2×(1-硅铁含Si%)5）石灰配入量=%110%CaO2862%SiW2石灰碱度硅铁（2）炉料分配电硅热法冶炼钒铁有两个过程：还原过程和精炼过程。还原过程可分为二阶段(三期冶炼法)和三个阶段(四期冶炼法)。对三期和四期冶炼各阶段炉料分配见表5-35和表5-36。表5-35三期冶炼各期炉料分配/%炉料1还原期2还原期3精炼期V2O515~1850~4735硅铁75250铝块35650石灰20~255030~25钢屑10000表5-36四期冶炼各期炉料分配表，（%）炉料1还原期2还原期3还原期精炼期V2O520~2226~2824~2726~27硅铁54~5821~2619~220铝块24~2830~3539~440石灰16~1830~3229~310钢屑100000E、第一期冶炼(1)上一炉出完炉后，炉顶倾回，迅速扒出炉渣和炉坡残存渣，用混合好的、有足够粘度的镁4砂(卤水∶镁砖粉∶镁砂=1∶3∶5)，针对炉衬损伤情况高温快补，不漏一铲，且堵好出铁口。(2)补完炉后炉底要垫上一定数量的精炼渣。(3)钢屑加入后，根据电极烧损情况落放或拆换电极，检查各系统，正常后给电。此时用大电压，小电流，并且立即倒入上一炉以液态存在的精炼渣。(4)返完精炼渣后，加一期混合料。根据电弧稳定情况增大电流至最大值。一期混合料下完后，尽量将炉料推至三相电极中心区域。(5)当炉料熔化到一定程度，可开始分批加入硅铁还原，同时调整炉渣碱度。硅铁还原较充分后，碱度合适时加铝块还原，还原反应激烈，火焰较大时停电。当炉渣中V2O5≤0.35%时，可倒出贫渣，倒渣过程要用低电压，小电流。倒渣后期要慢，且用拉杆检查，防止铁水倒出。贫渣倒完后用铁棍沾取渣样送化验分析五氧化二钒含量。F、第二期冶炼(1)一期贫渣倒完后，用大电压给电加料，随着二期混合料的加入，电流逐渐给至最大值。(2)炉料基本熔化后开始加入硅铁还原，同时调整炉渣碱度，继续加硅铁还原，而后加铝贫化炉渣。出渣与一期相同。G、第三期冶炼与二期给电加料相同，炉料化清后，用木耙搅拌，取金属样送化验分析V、Si、C、P、S。取样位置在三相电极中间。取样前样勺要清洁、烤干、沾渣。尔后调整炉渣碱度，加硅铁还原，加铝贫化，出渣与一期相同。H、精炼期冶炼(1)与二期给电加料相同。精炼期料量根据三期合金成分调整，先用大电压，大电流熔化炉料，炉料化渣后调整炉渣碱度。(2)炉渣碱度合适时，根据电弧长短及时改用小电压，大电流升温。当炉渣与合金具有合适的温度和流动性时，用铁、木耙搅拌，取合金样送化验分析V、Si、C、P、S成分，正常出炉。(3)出炉时先用小电压，小电流，从出渣口倒出精炼渣，并打开出铁口后，停电出铁。I、浇铸(1)铁水包连续使用时要保持干燥，无积渣，各部分机械要灵活好用，包底垫河砂适量(约60kg)，锭模底垫钒铁粉100~150kg，上下模间用石棉绳垫好。(2)浇铸时对包要迅速、准确，以免跑漏，浇铸速度要根据铁水温度和排气情况适当控制，每锭浇铸量要适当，一般铁水面离锭模浇铸口上面100mm为宜，渣铁要分离，不得将渣铸入锭模。(3)锭模浇铸后80min要脱模，铁锭立即放入水冷池冷却30~40min，水冷池水量一般占池容的2/3。放入铁锭后再注满水，取出铁锭干燥后送精整包装。J、冶炼过程中的几个问题的处理（1）合金含钒不正常由于配料不准造成。51）含钒量低补加V2O5量=%OV102182(%)V52纯度炉中合金量需增2）含钒量高补加钢屑量=降后合金含钒数炉中合金量需降(%)V（2）合金含硅不正常由于配料不准及反应不正常造成。1）硅低补加硅铁量=增后合金含硅硅铁炉中合金量需增%Si%Si2）硅高补加V2O5=%OV140364%Si52纯度炉中合金量量降补加石灰量=%CaO2860%Si石灰含炉中合金量量降（3）合金含碳、磷高由于原料含碳、磷高造成，用钢屑冲淡，同时要控制合金含钒量。补加钢屑量=%C%C%C钢屑含—降后合金炉中合金量需降（4）炉衬的维护由于冶炼过程渣铁对炉衬的侵蚀，为了提高其使用寿命，每次出炉后要尽快扒掉残留在炉壁上的精炼渣，同时要在高温下用具有一定粘度的补炉剂补炉。补炉后炉底要垫一层炉渣保护炉底，防止给电时将炉底烧穿。在搅拌和耙料时，要避免木耙或铁耙接触炉底，因木耙产生的气体会使变软的炉底泛起。一、二、三期冶炼操作时的温度不要提得过高，保持炉衬硬度，避免炉底烧软化。正常情况下，一个炉体可炼70炉以上。（5）跑渣跑渣是在冶炼过程中，炉渣沸腾，上涨，以致从炉门冲出的现象。很易造成人身和设备事故。产生原因是由于还原时还原剂投入过快，还原反应激烈。炉内反应不平衡局部反应过于集中。五氧化二钒中S含量高，石灰消化等。因此针对上述问题，要加强物料管理、注意加料速度、控制好电流等措施，可以避免跑渣现象的出现。L、技术经济指标（1）贫渣含钒：V2O5≤0.35%。6（2）冶炼时间：80min/t。（3）单耗：见表5-37。表5-37冶炼1tFeV40的单耗，(kg/t)V2O5100%FeSi75铝锭钢屑电极镁砖镁砂石灰水压缩空气m3/t综合电耗kWh/t冶炼电耗kWh/t735.63401302502813013015408050016001520硅热法制得的钒铁含钒品位一般35%~55%。钒的冶炼回收率很高，可达98%以上，由于采用价格比铝低很多的硅铁作还原剂，每吨含V40%的钒铁耗电1600~1700kWh，冶炼成本较低。但难于冶炼V80%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─→Al2O3+Me298H(Al)=QkJ/mol(5-1)MexOy+Si─→SiO2+Me298H(Si)=QkJ/mol(5-2)MexOy+Mg─→MgO+Me298H(Mg)=QkJ/mol(5-3)MexOy+Ca─→CaO+Me298H(Ca)=QkJ/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↑298H(Al)=-710.90kJ/mol(5-5)KClO3+2Al=Al2O3+KCl298H(Al)=-868.59kJ/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