CN102925722A

CN102925722A - 电铝热法冶炼钒铝合金的方法

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Publication number: CN102925722A
Application number: CN2012103575590A
Authority: CN
Inventors: 陈东辉; 李东明; 李九江; 朱立杰; 白瑞国
Original assignee: Hebei Iron and Steel Group Co Ltd Chengde Branch
Current assignee: Hebei Iron and Steel Co Ltd; Hebei Iron and Steel Group Co Ltd Chengde Branch
Priority date: 2012-09-24
Filing date: 2012-09-24
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2032-09-24
Also published as: CN102925722B

Abstract

本发明公开了一种电铝热法冶炼钒铝合金的方法，其将氧化钒、还原剂铝以及造渣剂混合均匀后分期加入电弧炉内，依次进行铝热还原反应进行冶炼；冶炼完毕后清渣、精整破碎，即可得到钒铝合金。本方法采用电铝热法分期冶炼，可有效避免反应热的集中释放，可有效减轻反应过程中的喷溅状况，减少钒损失；可通过外加热源提供给热量，可调整渣温，促进、保障渣与合金分离，大幅度降低渣中合金夹带现象的发生，提高产品收率。本方法的钒收率高，能降低原料成本、提高钒铝合金产品合格率及产品品级，且反应过程可控，尤其适合大规模工业生产。

Description

电铝热法冶炼钒铝合金的方法

技术领域

本发明涉及一种钒铝合金的生产方法，尤其是一种电铝热法冶炼钒铝合金的方法。

背景技术

目前钛合金广泛应用于航空航天领域，钒铝合金作为航空级钛合金生产中的一种重要合金添加剂，具有良好的应用前景。此外，钒铝合金还是炼制不含铁超合金及金属钒的原料。因此研究一种高产、高效、低成本生产钒铝合金的技术，具有重要的意义。

目前，钒铝合金生产都是采用氧化钒与金属铝进行铝热法生产的，按生产过程可分为一步法和两步法。两步法只有德国GFE和美国钒公司采用， “两步法”生产钒铝合金的工艺流程如附图1所示，第一步是将氧化钒与铝粒混合后，加入到组合式反应罐内通过铝热反应得到VAl85合金，第二步是将VAl85合金精整破碎后放入真空熔炼炉内配铝精炼，真空铸锭得到钒铝合金精整破碎，筛分均匀化后，包装得到VAl50合金等系列产品。国内基本都是采用一步法生产。一步法是将原料氧化钒与金属铝以及造渣剂加入到反应罐内进行反应，冶炼是用镁条点燃上部的引燃剂在上部点火。点火后反应放热可维持反应完成。但无论是一步法还是两步法，铝热还原过程都是钒铝合金生产的一个最主要过程，是控制钒铝合金收率与成本的关键环节。

专利申请号为200910117560.4公开了一种钒铝合金材料的制备方法，该法按质量百分比计，称取粉末状的Al₂0%～33.1%，V₂O₅50%～66.9%，在球磨中混合8～16小时后，至于铜模具中用压力机在60～80Mpa的压力压实，将压实后的反应物料模具放入铝热反应容器内，物料上放置引燃剂，用惰性气体吹出残余的空气，在2～7Mpa的氩气保护下，加热到300℃作于进行反应，获得钒铝合金，其中按质量百分比数，V为75～95%，Al为5～25%，S约0.15%，Fe约0.5%。

专利申请号为93100234.6公开了一种真空自燃烧法制备钒铝中间合金，该方法是反应物在密闭反应罐内反应，真空度为-0.065～0.075Mpa条件下利用通电钛丝进行点火，通过自燃烧进行反应，反应采用钛丝进行点火。

专利申请号为201110001739.0公开了一种钒铝合金的制备方法，本方法以三氧化二钒和五氧化二钒为原料，以铝粉为还原剂，点火还原制得钒铝合金和炉渣：其中，三氧与五氧的质量比为1:1～2，Al粉的用量为原料完全还原为V理论用量的1.2～1.5倍，产品中按质量百分比V为75～85 %， Si<0.3%，Fe<0.3%。

对比以上专利，专利申请号为200910117560.4的申请中反应过程采用氩气保护，专利请号为93100234.6的申请采用真空条件下反应，而专利申请号为201110001739.0的申请是反应物中氧化钒为五氧化二钒与三氧化二钒相掺的，但其都是采用的点火后原料自蔓延反应的方法。常规自蔓延钒铝合金生产工艺流程如附图2所示：（1）原料氧化钒、金属铝（粒）粉、造渣剂混匀；（2）将反应物放入反应器，在上部加入点火剂；（3）通过引燃剂点火，发生高温铝热还原反应；（4）冷却后，合金锭清渣，破碎、检验、得到钒铝合金。其中发生的反应方程式为：

3V₂O₅+10Al==6V+5 Al₂O₃ ΔG（Al）= -681180+112.73T

V₂O₃+2Al==2V+ Al₂O₃ ΔG（Al）= -236100+37.835T

上述钒铝合金制备方法，存在的主要问题是：

（1）反应过程不可控：在保证达到反应渣与钒铝金属液能够顺利分层的温度前提下，氧化钒与铝粉所发生的集中与剧烈放热反应，往往造成反应物形成剧烈喷溅，不但存在安全隐患，还会造成高价值钒的较大比例损失；

（2）反应炉渣中残留钒含量高：主要包括炉渣中夹带钒铝合金，原因是反应过程中生成的部分钒铝合金未能有效沉降到渣面以下时，反应渣即发生凝固，使得部分钒铝合金夹在渣中；渣相内含有残余氧化钒。根据相关文献，反应后炉渣中的含钒总量可达到8～10%，大大高于钒铁等其他钒合金生产中炉渣的含钒总量。

（3）钒收率低：因为反应过程中的喷溅、合金夹杂、炉渣带钒以及反应烟气损失，使上述钒铝合金生产方法的钒收率较低，一般均≤85%。

（4）产品成品率低：由于反应温度不易控制，反应过程中温度偏高、偏低都会造成的炉渣与钒铝合金相互夹杂，不易分离，致使成品率降低。如何有效解决上述问题，是现代钒铝合金生产所急须解决的一个关键课题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种钒收率高、成品率高的电铝热法冶炼钒铝合金的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：其将氧化钒、还原剂铝以及造渣剂混合均匀后分批加入电弧炉内，依次进行铝热还原反应进行冶炼；冶炼完毕后清渣、精整破碎，即可得到钒铝合金。

本发明根据单炉产量确定加料期次，所述氧化钒、还原剂铝以及造渣剂混合均匀后至少分三期加入电弧炉内，每期加料重量相差不超过20%。

本发明所述的冶炼过程为：首批原料加入电弧炉内后电极点火开始铝热反应，通电冶炼3～25min，然后加入第二批原料，继续通电冶炼3～25min，依次加入其余批次原料且每批原料通电冶炼3～25min；最后一批原料冶炼完成后，向反应渣内喷铝粉贫渣，然后继续通电冶炼3～15min，即可完成冶炼。所述喷铝粉贫渣过程是在0.6～0.8Mpa的氩气作用下，每吨五氧化二钒（氧化钒折合为五氧化二钒）喷铝粉量为10～30kg。

本发明所述氧化钒为五氧化二钒、四氧化二钒和/或三氧化二钒。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：（1）本方法钒收率高：由于喷溅、夹铝、贫渣含钒高等原因，目前采用自蔓延法生产钒铝合金的钒收率在85%左右。采用电铝热法冶炼后，采用分期冶炼可有效避免反应热的集中释放，可有效减轻反应过程中的喷溅状况，减少钒损失；此外，采用电铝热法冶炼后，可通过外加热源提供给热量，可调整渣温，促进、保障渣与合金分离，大幅度降低渣中合金夹带现象的发生，提高产品收率；再通过对炉渣进行末期喷粉贫渣，可使炉渣中钒含量由8～9%降低到2%以下，进一步降低钒损失。

采用本方法冶炼钒铝合金，一般可使钒铝合金产品的钒收率提高到95%以上，从而有效地减少氧化钒的加入量，节约原料成本。

（2）降低原料成本：采用电铝热法冶炼后，可减少五氧化二钒的加入量，最低可实现氧化钒中五氧化二钒与三氧化二钒的加入质量比为1:4，吨85钒铝合金可减少铝用量250Kg，从而能有效地节约原料成本。

（3）提高钒铝合金产品合格率及产品品级：采用电铝热法后，点火直接采用电引发，不需要点火剂点火，减少了点火剂引入的杂质。此外，采用电炉冶炼可对反应过程中及反应后的炉料进行在线温度调整，使钒铝合金锭结晶良好，避免产品夹渣、粘渣，提高产品收率、合格率与等级。

（4）反应过程可控，尤其适合大规模工业生产：采用电铝热法后，采用分期加料进行冶炼，通过调整加料量使反应过程中的放热量分配更加均衡、平稳，生产过程可控制，炉料温度可调、可控。此外，由于可对反应过程进行补热，电铝热法生产钒铝合金可在较低的化学反应热释放量条件下进行，使得反应过程更加易于控制。

因此，采用本方法后，不但能够提高钒铝合金产品合格率、钒收率、减少还原铝用量，降低钒铝合金的生产成本，还可提高钒铝合金生产规模，提高产品纯度。对提高钒铝合金的生产技术水平及市场竞争力具有重要的意义，本发明具有良好的经济效益和社会效益。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是“两步法”生产钒铝合金的工艺流程图；

图2是常规自蔓延钒铝合金生产工艺流程图；

图3是本发明的工艺流程图。

具体实施方式

实施例1：图3所示，本电铝热法冶炼钒铝合金的方法采用下述工艺步骤。

将0.4吨五氧化二钒、1.6吨三氧化二钒、0.3吨造渣剂和0.8吨铝屑混匀后，分三期加入到反应炉内，先加入底料1.05吨至反应炉内，电极与原料中铝产生电弧引发铝热反应，冶炼15min后加入二期料1.05吨，继续冶炼15min后加入末期料1吨，冶炼10min后喷铝粉贫渣，喷粉过程是在0.7Mpa的氩气作用下，每吨五氧化二钒（氧化钒折合为五氧化二钒）喷铝粉量20kg喷入，喷粉后继续冶炼10min完成冶炼。完成冶炼后停电将电弧炉移出冷却，待炉料冷却完全后清渣，得到钒铝合金锭，精整破碎、检验包装后得到钒铝合金产品1.49吨。所得钒铝合金产品中按质量百分比V为81.20 %， Si<0.3%，Fe<0.3%。炉渣930公斤，含钒0.19%；冶炼钒收率94.52%。

实施例2：本电铝热法冶炼钒铝合金的方法采用下述工艺步骤。

将1吨五氧化二钒、1吨四氧化二钒、0.3吨造渣剂和0.9吨铝屑混匀后，分三期加入到反应炉内，分三期加入到反应炉内，先加入底料1.1吨至反应炉内，电极与原料中铝产生电弧引发铝热反应，冶炼3min后加入二期料1.1吨，继续冶炼20min后加入末期料1吨，冶炼15min后喷铝粉贫渣，喷粉过程是在0.8Mpa的氩气作用下，每吨五氧化二钒（氧化钒折合为五氧化二钒）喷铝粉量15kg喷入，喷粉后继续冶炼15min完成冶炼。完成冶炼后停电将电弧炉移出冷却，待炉料冷却完全后清渣，得到钒铝合金锭，精整破碎、检验包装后得到钒铝合金产品1.46吨。所得钒铝合金产品中按质量百分比V为78.69 %， Si<0.3%，Fe<0.3%。炉渣945公斤，含钒0.23%。冶炼钒收率94.17%。

实施例3：本电铝热法冶炼钒铝合金的方法采用下述工艺步骤。

将2吨五氧化二钒、20公斤除尘灰、0.3吨造渣剂和1.23吨铝屑混匀后，分三期加入到反应炉内，先加入底料1.2吨至反应炉内，电极与原料中铝产生电弧引发铝热反应，冶炼25min后加入二期料1.2吨，继续冶炼25min后加入末期料1.15吨，冶炼3min后喷铝粉贫渣，喷粉过程是在0.6Mpa的氩气作用下，每吨五氧化二钒（氧化钒折合为五氧化二钒）喷铝粉量30kg喷入，喷粉后继续冶炼3min完成冶炼。完成冶炼后停电将电弧炉移出冷却，待炉料冷却完全后清渣，得到钒铝合金锭，精整破碎、检验包装后得到钒铝合金产品钒铝合金产品1.37吨。所得钒铝合金产品中按质量百分比V为77.34 %， Si<0.3%，Fe<0.3%。炉渣970公斤，含钒0.21%。冶炼钒收率94.60%。

实施例4：本电铝热法冶炼钒铝合金的方法采用下述工艺步骤。

将2吨三氧化二钒、0.3吨造渣剂和0.75吨铝屑混匀后，分三期加入到反应炉内，分四期加入到反应炉内，先加入底料0.8吨至反应炉内，电极与原料中铝产生电弧引发铝热反应，冶炼10min后加入二期料0.8吨，继续冶炼3min后加入三期料0.75吨，继续冶炼15min后加入末期料0.7吨，冶炼25min后喷铝粉贫渣，喷粉过程是在0.75Mpa的氩气作用下，每吨五氧化二钒（氧化钒折合为五氧化二钒）喷铝粉量10kg喷入，喷粉后继续冶炼8min完成冶炼。完成冶炼后停电将电弧炉移出冷却，待炉料冷却完全后清渣，得到钒铝合金锭，精整破碎、检验包装后得到钒铝合金产品1.58吨。所得钒铝合金产品中按质量百分比V为80.56 %， Si<0.3%，Fe<0.3%。炉渣915公斤，含钒0.21%。冶炼钒收率96.43%。

Claims

1.一种电铝热法冶炼钒铝合金的方法，其特征在于：其将氧化钒、还原剂铝以及造渣剂混合均匀后分期加入电弧炉内，依次进行铝热还原反应进行冶炼；冶炼完毕后清渣、精整破碎，即可得到钒铝合金。

2.根据权利要求1所述的电铝热法冶炼钒铝合金的方法，其特征在于：所述氧化钒、还原剂铝以及造渣剂混合均匀后至少分三期加入电弧炉内，每期加料重量相差不超过20%。

3.根据权利要求2所述的电铝热法冶炼钒铝合金的方法，其特征在于，所述的冶炼过程为：首期原料加入电弧炉内后电极点火开始铝热反应，通电冶炼3～25min，然后加入第二期原料，继续通电冶炼3～25min，依次加入其余批次原料且每批原料通电冶炼3～25min；最后一期原料冶炼完成后，向反应渣内喷铝粉贫渣，然后继续通电冶炼3～15min，即可完成冶炼。

4.根据权利要求3所述的电铝热法冶炼钒铝合金的方法，其特征在于：所述喷铝粉贫渣过程是在0.6～0.8Mpa的氩气作用下，每吨五氧化二钒喷铝粉量为10～30kg。

5.根据权利要求１－4任意一项所述的电铝热法冶炼钒铝合金的方法，其特征在于：所述氧化钒为五氧化二钒、四氧化二钒和/或三氧化二钒。