CN101967567A - 制备金属钒的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及制备金属钒的方法，属于冶金领域。本发明所解决的技术问题是提供了一种生产成本较低的制备金属钒的方法。本发明制备金属钒的方法包括如下步骤：a、粗钒的制备：以三氧化二钒和五氧化二钒为原料，以Al粉为还原剂，点火还原制得粗钒和炉渣；其中，三氧化二钒与五氧化二钒的重量配比为1∶1～2，Al粉的用量为原料完全还原为V理论用量(理论用量即为将三氧化二钒和五氧化二钒完全还原为金属钒所需要的Al粉用量)的0.6～0.9倍；b、精炼：真空精炼得到金属钒。
Description
技术领域
本发明涉及制备金属钒的方法，属于冶金领域。
背景技术
高纯金属钒粉能够高温熔炼成纯钒型材，可以用作船舶的结构材料和化学容器无缝薄壁管等材料，也可以与其他金属高温熔炼成钒基合金，制作超导材料，真空管灯丝等。特别是应用其良好的核物理性能，可用作钠冷却快中子反应堆的燃料包裹材料，和用作气冷快中子反应堆材料。
通常生产高纯金属钒的方法有：熔盐电解精炼法、熔盐电脱氧法、真空熔炼法、区域熔炼提纯法、碘化物热分解精炼法、电迁移精炼法和钙热法等。
其中，熔盐电解精炼法为生产高纯金属钒比较常见的方法之一，其方法是利用含钒粗金属作为可溶性阳极，通过电化学精炼的方法在阴极制取高纯度金属钒。例如：申请号为200810213025.4的专利申请中公开的“生产金属钒的方法”和申请号为200910176896.8的专利申请中公开的“生产高纯金属钒的方法”就是典型的可溶阳极电解法。该方法可以批量生产塑性金属钒，并且电解生成的金属钒纯度高，杂质含量较低。但其存在如下缺陷：1、能耗较高，包括进行电解所需要的电能，和维持电解温度所需要的热能；2、电流效率比较低，只能维持在60％左右；3、对电解设备要求较高，由于熔盐电解电流密度较大，熔盐具有腐蚀性，因此电解反应装置易腐蚀，所以需要使用特殊合金反应装置，成本高昂。
熔盐电脱氧是制备高纯金属钒的新方法，由英国剑桥大学教授Frey等发明(称FFC法)。该方法是将含钒氧化物(如V2O3或V2O5)通过压片处理后作为电解反应阴极，惰性材料(如钼，铅等)作为电解反应阳极，在电流通过的条件下，阴极氧化物脱氧后生成纯金属。该方法存在如下缺陷：1、阴极产物脱氧不彻底，脱氧反应只是在氧化物的表面进行；2、所得到的阴极产物，机械性能不好，易碎；3、电解能耗高，对电解设备要求高，产量很少。例如：申请号为200810305842.2中公开的“一种金属钒的制备方法”属典型的FFC阴极电解法。
申请号为200910128155.2的专利申请公开了“制取金属钒的方法”，其采用锌或铅作为金属萃取剂萃取钒铁合金原料中的钒，并在真空状态下蒸馏制取金属钒。但该方法对设备要求高，还可能导致重金属对环境的污染。
申请号为200910300085.4的专利申请中公开了“制备低含氧金属钒的方法”，该方法以含氧氢化钒粉或是采用含氧金属钒粉作为含钒原料，采用钙热反应+酸液洗涤法，属典型的钙热法，其成产成本较高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种生产成本较低的制备金属钒的方法。
本发明制备金属钒的方法包括如下步骤：
a、粗钒的制备：以三氧化二钒和五氧化二钒为原料，以Al粉为还原剂，点火还原制得粗钒和炉渣；其中，三氧化二钒与五氧化二钒的重量配比为1∶1～2，Al粉的用量为原料完全还原为V理论用量(理论用量即为将三氧化二钒和五氧化二钒完全还原为金属钒所需要的Al粉用量)的0.6～0.9倍；
b、精炼：真空精炼得到金属钒。
其中，为了提高所制备的金属钒的纯度，上述a步骤中所述的三氧化二钒和五氧化二钒的纯度优选≥99.9％，所述Al粉的纯度优选≥99.7％。
其中，由于本发明所得的炉渣中含钒量较高，为了充分利用钒资源，避免资源浪费，上述a步骤所得的炉渣可以用作反应炉的炉衬，也可以返回到钒铁冶炼炉回收其中的钒。
其中，上述a步骤点火还原所用的点火剂可以为常用的点火剂，如：过氧化钡或镁带等，过氧化钡的纯度优选为分析纯。
其中，上述a步骤制备粗钒时还加入三氧化二钒和五氧化二钒总重量0.04～0.06％的石灰石，并混匀，然后还原。
进一步的，上述a步骤制备粗钒时优选加入三氧化二钒和五氧化二钒总重量0.05％的石灰石，并混匀，然后还原。
其中，上述b步骤精炼的目的是为了去除氮、氧、氢、铝等杂质。上述b步骤可以采用常规方法精炼得到金属钒，为了使制备的金属钒的纯度更高，优选采用如下条件进行精炼：真空精炼的真空度为0.133～0.255Pa，精炼温度为1950～2200℃，精炼时间为4～10h。
本发明方法工艺步骤简单，相比现有方法，其成本更低，完全符合工业大生产的要求，所得产品金属钒的纯度能够达到99.5％以上。本发明方法为高纯度金属钒的制备提供了一种新的途径，具有广阔的应用前景。
具体实施方式
本发明制备金属钒的方法包括如下步骤：
a、粗钒的制备：以三氧化二钒和五氧化二钒为原料，以Al粉为还原剂，点火还原制得粗钒和炉渣；其中，三氧化二钒与五氧化二钒的重量配比为1∶1～2，Al粉的用量为原料完全还原为V理论用量的0.6～0.9倍；
b、精炼：真空精炼得到金属钒。
其中，为了提高所制备的金属钒的纯度，上述a步骤中所述的三氧化二钒和五氧化二钒的纯度优选≥99.9％，所述Al粉的纯度优选≥99.7％。
其中，由于本发明所得的炉渣中含钒量较高，为了充分利用钒资源，避免资源浪费，上述a步骤所得的炉渣可以用作反应炉的炉衬，也可以返回到钒铁冶炼炉回收其中的钒。
其中，上述a步骤点火还原所用的点火剂可以为常用的点火剂，如：过氧化钡或镁带等，过氧化钡的纯度优选为分析纯。
a步骤中Al粉的用量为原料完全还原为V理论用量的0.6～0.9倍，其目的是为了提高金属钒的纯度。
单独采用三氧化二钒为原料还原制备金属钒，以Al粉为还原剂，会出现热量不足的情况，钒的产率较低，难以进行工业生产；单独采用五氧化二钒为原料还原制备金属钒，以Al粉为还原剂，则会出现热量过高的情况，热量过高会熔渣并产生喷溅使还原反应控制困难，导致金属钒与炉渣难以分离。本发明的发明人经过大量试验，发现三氧化二钒与五氧化二钒的重量配比为1∶1～2时，以Al粉为还原剂，反应热量较为合适。
其中，根据具体情况，若原料中的五氧化二钒含量较高，可以加入三氧化二钒和五氧化二钒总重量0.04～0.06％的石灰石作为吸热剂(优选加入三氧化二钒和五氧化二钒总重量0.05％的石灰石)。
其中，上述b步骤精炼的目的是为了去除氮、氧、氢、铝等杂质。上述b步骤可以采用常规方法精炼得到金属钒，为了使制备的金属钒的纯度更高，优选采用如下条件进行精炼：真空精炼的真空度为0.133～0.255Pa，精炼温度为1950～2200℃，精炼时间为4～10h。
下面结合实施例对本发明的具体实施方式做进一步的描述，并不因此将本发明限制在所述的实施例范围之中。
实施例1采用本发明方法制备金属钒
取4000g氧化钒混合物，其中三氧化二钒与五氧化二钒的重量配比为1∶1，铝粉加入量配铝系数为0.7(即理论耗铝量的0.7倍，下同)，以分析纯过氧化钡混合物为点火剂，在铝热还原反应炉中进行铝热还原反应，61秒钟反应结束。铝热反应完成后，生成钒含量(质量百分含量，下同)99.5％的1650g粗钒，将粗钒放入真空熔炼炉中，在真空度0.255Pa，熔炼温度2000℃的条件下熔炼4h，去除氮、氧、氢、铝等杂质，得到1600g真空熔炼产物。
铝热反应炉渣一部分用作铝热还原反应炉的炉衬，一部分返回钒铁冶炼工序继续回收其中的钒。
对上述真空熔炼产物进行化学分析，结果表明钒含量为99.7wt％。
实施例2采用本发明方法制备金属钒
取40kg氧化钒混合物，其中三氧化二钒与五氧化二钒的重量配比为1∶2，铝粉加入的配铝系数为0.9，石灰石加入量为2kg，以分析纯过氧化钡为点火剂，在铝热还原反应炉中进行铝热还原反应，70秒钟反应结束。铝热反应完成后，生成钒含量99.4％的21kg粗钒，将粗钒放入真空熔炼炉中，在真空度0.133Pa，温度2200℃的条件下熔炼10h，去除氮、氧、氢、铝等杂质，得到20kg真空熔炼产物。
铝热反应炉渣一部分用作铝热还原反应炉的炉衬，一部分返回钒铁冶炼工序继续回收其中的钒。
对上述真空熔炼产物进行化学分析，结果表明钒含量为99.6wt％。
实施例3采用本发明方法制备金属钒
取400kg氧化钒混合物，其中三氧化二钒与五氧化二钒的重量配比为1∶1.5，铝粉加入的配铝系数为0.8，石灰石加入量为20kg，以分析纯过氧化钡混合物为点火剂，在铝热还原反应炉中进行铝热还原反应，95秒钟反应结束。铝热反应完成后，生成钒含量99.45％的190kg粗钒，将粗钒放入真空熔炼炉中，在真空度0.2Pa，温度2100℃的条件下熔炼8h，去除氮、氧、氢、铝等杂质，得到180kg真空熔炼产物。
铝热反应炉渣除本系统内使用外，其余部分返回到钒铁冶炼工序继续回收其中的钒。
对上述真空熔炼产物进行化学分析，结果表明钒含量为99.65wt％。
从实施例1-3可知，本发明所生产的高纯金属钒的纯度均达到99.6％以上。
Claims (7)
1.制备金属钒的方法，其特征在于包括如下步骤：
a、粗钒的制备：以三氧化二钒和五氧化二钒为原料，以Al粉为还原剂，点火还原制得粗钒和炉渣；其中，三氧化二钒与五氧化二钒的重量配比为1∶1～2，Al粉的用量为原料完全还原为V理论用量的0.6～0.9倍；
b、精炼：真空精炼得到金属钒。
2.根据权利要求1所述的制备金属钒的方法，其特征在于：a步骤中所述的三氧化二钒和五氧化二钒的纯度≥99.9％，所述Al粉的纯度≥99.7％。
3.根据权利要求1所述的制备金属钒的方法，其特征在于：a步骤所得的炉渣用作反应炉的炉衬或返回到钒铁冶炼炉回收其中的钒。
4.根据权利要求1所述的制备金属钒的方法，其特征在于：a步骤点火还原所用的点火剂为过氧化钡或镁带，过氧化钡的纯度为分析纯。
5.根据权利要求1所述的制备金属钒的方法，其特征在于：a步骤制备粗钒时还加入三氧化二钒和五氧化二钒总重量0.04～0.06％的石灰石，并混匀，然后还原。
6.根据权利要求5所述的制备金属钒的方法，其特征在于：a步骤制备粗钒时加入三氧化二钒和五氧化二钒总重量0.05％的石灰石，并混匀，然后还原。
7.根据权利要求1～6任一项所述的制备金属钒的方法，其特征在于：b步骤真空精炼的真空度为0.133～0.255Pa，精炼温度为1950～2200℃，精炼时间为4～10h。
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