CN103820658B

CN103820658B - 一种低杂质钒铝合金的生产方法

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Publication number: CN103820658B
Application number: CN201410062416.6A
Authority: CN
Inventors: 陈海军; 孙朝晖; 邓孝伯; 尹丹凤; 王永钢; 程晓哲; 鲜勇; 李海丰
Original assignee: Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Current assignee: Pangang Group Panzhihua Iron and Steel Research Institute Co Ltd
Priority date: 2014-02-24
Filing date: 2014-02-24
Publication date: 2016-04-13
Anticipated expiration: 2034-02-24
Also published as: CN103820658A

Abstract

本发明提供了一种低杂质钒铝合金的生产方法。所述生产方法包括将作为炉料的五氧化二钒、金属铝和冷却剂混匀后装入敞开式反应炉中，点火冶炼得到钒铝合金和炉渣，其中，五氧化二钒和金属铝的重量配比为1.15～1.8:1，冷却剂为粒度小于0.25mm的钒铝合金颗粒，并且冷却剂的加入量能够保证将单位炉料发热量控制为3300～3500kJ/kg，单位炉料发热量等于五氧化二钒和金属铝反应产生的热量与五氧化二钒、金属铝和冷却剂的加入总量之比。根据本发明的方法生产得到的钒铝合金中V含量为62.9～87.13wt%，Al含量为12.6～36.8wt%，Fe含量不大于0.16wt%，Si含量不大于0.19wt%。

Description

一种低杂质钒铝合金的生产方法

技术领域

本发明属于钒铝合金制备技术领域，更具体地讲，涉及一种生产低杂质钒铝合金的方法。

背景技术

钒铝合金是一种用于钛合金的基础原料，当前是继钒在钢中应用之后的第二大应用领域。Ti-6Al-4V和Ti-8Al-1Mo-1V这两种钛合金总共占钛合金市场的50%，主要用于生产喷气发动机、高速飞行器骨架和火箭发动机机壳。钛合金生产所用的钒是以钒铝合金形式加入。日本、美国、英国等国家还在进一步加大含钒钛合金在民用工业中的应用研究。

目前，钒铝合金生产工艺中一般以五氧化二钒为原料，采用铝热法生产钒铝合金。需要说明的是，铝热法是一种利用铝的还原性获得高熔点金属单质的方法。铝热剂指铝和金属氧化物的混合物。将铝粉和一定量的高熔点金属氧化物（如氧化铁等）混合后，用镁条引燃，可以看到铝粉在较高的温度下剧烈反应，反应放出大量的热，并发出耀眼的光芒，生成物为氧化铝和该高熔点金属的单质。铝热反应十分激烈，所以点燃后难以熄灭，点燃之后很难控制反应过程。该反应是将炉料装入，并在点火后一刹那迅速产生高温（1700℃～3000℃）使得炉料处于熔融状态，进而进行合金提炼。这种冶炼方式的优点在于不需输入电热，能耗低，比电弧炉冶炼法生产成本低。

在采用铝热法生产钒铝合金时，由于五氧化二钒与金属铝反应放出大量的热量，热量大幅过剩、使反应呈现爆炸性，在绝热的情况下足以使体系的温度升高到3000℃以上。因此，炉料中通常要配入一定量的惰性物质(俗称消热剂，例如，石灰）来控制反应速度和反应产物的温升。由于消热剂总是含有一定量的Fe、Si、P和重金属元素，因此生产出的钒铝合金中杂质含量较高，因而难以得到杂质含量符合国家标准的钒铝合金。

申请号为CN200910117560.4的中国专利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%，在球磨机中混合8～16小时后，置于铜模具中用压力机在60～80MPa的压力下压实，将装有压好的反应物料的模具放于铝热反应容器中，物料上放置引燃剂，用惰性气体吹出残余的空气，在2～7MPa氩气保护下，加热到300℃左右进行反应，获得钒铝合金，其中，按照质量百分数，V为75%～95%，Al为5.0%～25.0%，S含量约0.15%，Fe含量约0.50%。显然在上述工艺中，所获得的产品中Fe和S等杂质含量较高，这是由于在球磨机中混合8～16小时会引进一些杂质。另外，由于铝热反应在密闭的压力容器中进行，因此极大限制了钒铝合金的产量，此外，由于要求设备的耐压性能强，因此会提高制造成本。

发明内容

针对现有技术中存在的不足，本发明的目的之一在于解决上述现有技术中存在的一个或多个问题。例如，本发明的目的之一在于提供一种生产低杂质钒铝合金的方法。

为了实现上述目的，本发明提供了一种低杂质钒铝合金的生产方法。所述生产方法包括将作为炉料的五氧化二钒、金属铝和冷却剂混匀后装入敞开式反应炉中，点火冶炼得到钒铝合金和炉渣，其中，所述五氧化二钒与所述金属铝的重量配比为1.15～1.8:1，所述冷却剂为粒度小于0.25mm的钒铝合金颗粒，并且所述冷却剂的加入量能够保证将单位炉料发热量控制为3300～3500kJ/Kg，所述单位炉料发热量等于所述五氧化二钒和金属铝反应产生的热量与所述五氧化二钒、金属铝和冷却剂的加入总量之比。

根据本发明低杂质钒铝合金的生产方法的一个实施例，优选地，所述冷却剂的加入量能够保证将所述单位炉料发热量控制为3350～3450kJ/Kg；进一步优选地，所述冷却剂的加入量能够保证将所述单位炉料发热量控制为3400kJ/Kg。

根据本发明低杂质钒铝合金的生产方法的一个实施例，当生产牌号为AlV65的钒铝合金时，所述五氧化二钒与所述金属铝的重量配比为1.15～1.36:1；当生产牌号为AlV75的钒铝合金时，所述五氧化二钒与所述金属铝的重量配比为1.36～1.58:1；当生产牌号为AlV85的钒铝合金时，所述五氧化二钒与所述金属铝的重量配比为1.58～1.8:1。

根据本发明低杂质钒铝合金的生产方法的一个实施例，所述冷却剂为所述钒铝合金经破碎后得到。

根据本发明低杂质钒铝合金的生产方法的一个实施例，所述敞开式反应炉的炉衬打结料为所述炉渣。

根据本发明低杂质钒铝合金的生产方法的一个实施例，所述点火步骤采用过氧化钡和铝粉作为引发所述五氧化二钒和金属铝反应的点火剂。

根据本发明低杂质钒铝合金的生产方法的一个实施例，所述过氧化钡和所述铝粉的重量配比为3.5～4:1。

根据本发明低杂质钒铝合金的生产方法的一个实施例，采用镁条引燃所述过氧化钡和所述铝粉。

根据本发明低杂质钒铝合金的生产方法的一个实施例，所述五氧化二钒的粒度为0.074～0.149mm，并且所述五氧化二钒的纯度在99.6wt％以上，所述金属铝为铝粒且粒度为1～5mm，金属铝的纯度在99.7wt％以上。

根据本发明低杂质钒铝合金的生产方法的一个实施例，所述钒铝合金中V含量为62.9～87.13wt%，Al含量为12.6～36.8wt%，Fe含量不大于0.16wt%，Si含量不大于0.19wt%。

与现有技术相比，本发明的有益效果包括：采用碎合金作为冷却剂，成本更低，所得合金纯度更高，同时回收了碎合金提高了钒收率；利用反应产生的炉渣用作反应炉的炉衬，可以减少杂质的引入，有利于进一步减少钒铝合金中杂质的含量；且生产所得的钒铝合金中V为62.9～87.13wt%，Al含量为12.6～36.8wt%，Fe含量不大于0.16wt%，Si含量不大于0.19wt%，钒铝合金杂质含量明显降低，满足后序进一步加工的要求。

具体实施方式

在下文中，将结合示例性实施例详细地描述根据本发明的低杂质钒铝合金的生产方法。

根据本发明示例性实施例的低杂质钒铝合金的生产方法，以五氧化二钒、金属铝（例如，铝粒）和冷却剂为炉料，采用一次铺料的方式将炉料加入敞开式反应炉中，点火还原制得钒铝合金和炉渣。需要说明的是，一次铺料指的是将所有炉料一次性加入到炉体内，在冶炼过程中不再进行加料。

其中，冷却剂为碎合金，即前面炉次所得钒铝合金在破碎工序中产生的粒度小于0.25mm的钒铝合金颗粒，这里，前面炉次所生产的钒铝合金不一定与此次生产将要生产的钒铝合金牌号相同，当然，作为优选地方式，可以采用与所要生产的钒铝合金牌号相同的钒铝合金颗粒。控制加入的碎合金的粒度小于0.25mm的好处是能够更好更全方位的吸取周围过多的热量，若粒度大于或等于0.25mm时，由于碎合金的熔点较高，会造成作为冷却剂的碎合金不能完全熔化而引起最后的合金块夹杂或材质缺陷。

五氧化二钒与铝粒的重量配比为1.15:1～1.8:1。本发明的五氧化二钒与金属铝的重量配比是根据有色金属行业标准YS/T579-2006要求的不同牌号中钒铝比例进行原料的配比。由于金属铝一部分与五氧化二钒发生氧化还原反应，另一部分与反应得到的金属钒熔合形成钒铝合金，因此，金属铝的加入量需要过量，即在配加与五氧化二钒反应的金属铝加入量的基础上还需要加入过量的金属铝以形成钒铝合金。当生产牌号为AlV65的钒铝合金时，五氧化二钒与金属铝的重量配比为1.15～1.36:1，金属铝的过量系数为0.49～0.76:1；当生产牌号为AlV75的钒铝合金时，五氧化二钒与金属铝的重量配比为1.36～1.58:1，金属铝的过量系数为0.28～0.49:1；当生产牌号为AlV85的钒铝合金时，五氧化二钒与金属铝的重量配比为1.58～1.8:1，金属铝的过量系数0.13～0.28:1。

冷却剂的加入量是根据合适的单位炉料发热量来确定地，单位炉料发热量等于五氧化二钒和金属铝反应产生的热量与炉料（五氧化二钒、金属铝和冷却剂）的加入总量之比，发明人经过大量生产实践和总结发现，单位炉料发热量为3300～3500kJ/Kg时，铝热反应平稳且钒铝合金和炉渣分离效果好，所得合金的品质、收率以及外观较好，若单位炉料发热量大于3500kJ/Kg，则炉内反应剧烈，容易导致喷溅，使合金收率减低，并且所得钒铝合金产品呈蜂窝状，影响产品外观；若单位炉料发热量小于3300kJ/Kg，则会导致炉渣和钒铝合金分离效果不好，进而导致所得钒铝合金中夹杂物含量增加，合金品质降低。优选地，将单位炉料发热量控制为3350～3450kJ/Kg；最优选地，将单位炉料发热量控制为3400kJ/Kg。

进一步地，五氧化二钒的粒度为0.074～0.149mm（即100目～200目），纯度在99.6wt％以上（即V₂O₅≥99.6wt％）。金属铝为铝粒且粒度为1～5mm，金属铝的纯度在99.7wt％以上（即Al≥99.7wt％）。本申请限定了五氧化二钒的粒度范围，并且五氧化二钒的纯度要求更高，主要目的有三个：保证物料反应充分；防止合金偏析，降低合金的杂质含量；避免物料过细造成物料的飞扬，收率降低。

由于上述方法直接在敞开式反应炉中进行，因此生产成本较低，并且如果扩大产量可以将炉体再加炉体节数，不受空间的限制。另外，因为五氧化二钒与Al粉反应放出大量的热量，热量过剩，因此需要加入冷却剂控制反应热量，本申请的冷却剂选择前面炉次的产生的小于0.25mm的碎合金，故可以减少杂质的引入，有利于减少钒铝合金中杂质的含量。

进一步地，点火步骤可以采用过氧化钡和铝粉作为引发五氧化二钒和金属铝反应的点火剂，并且使用镁条引燃过氧化钡和铝粉。本申请之所以使用过氧化钡和铝粉是因为用镁条更容易引发过氧化钡和铝粉的反应，并且过氧化钡和铝粉的反应产生的热量更高，从而比较容易引发五氧化二钒与铝粒的主反应。优选地，过氧化钡和铝粉的重量配比为3.5～4:1，由于本发明的主原料之一就是铝，过氧化钡过量更能促进燃烧的蔓延，这样使点火更加充分。优选地，点火所用的铝粉的粒度为0.149～1mm，纯度为99.8wt％以上。

另外，为了充分利用了上述反应产生的炉渣，并进一步减少杂质的引入，减少钒铝合金中杂质的含量，充分利用生产中所产生的废品，创造更高的经济价值，可以采用本渣（前面炉次产生的刚玉渣）作为反应炉炉衬的打结材料。

为了更好地理解本发明的上述示例性实施例，下面结合具体示例对其进行进一步说明。

示例1

取100Kg五氧化二钒（纯度为99.6wt％，粒度为0.13mm），55.7Kg铝粒（纯度为99.7wt％，粒度为3mm）为原料，即五氧化二钒与铝粒的重量配比为1.8:1，并加入前面炉次钒铝合金产品经破碎后产生的粒度小于0.25mm的碎合金作为冷却剂，碎合金的加入量为63.5Kg，以分析纯过氧化钡和铝粉为点火剂，在炉衬由本渣制作的铝热还原反应炉中进行铝热还原反应，铝热反应完成后，得到62.3Kg钒铝合金产品，其中含V87.13wt%，Al12.6wt%，Fe0.15wt%，Si0.11wt%。

示例2

取100Kg五氧化二钒（纯度为99.7wt％，粒度为0.14mm），70.5Kg铝粒（纯度为99.8wt％，粒度为4mm）为原料，即五氧化二钒与铝粒的重量配比为1.41:1，并加入前面炉次钒铝合金产品经破碎后产生的粒度小于0.25mm的碎合金作为冷却剂，碎合金的加入量为48.7Kg，以分析纯过氧化钡和铝粉为点火剂，在炉衬由本渣制作的铝热还原反应炉中进行铝热还原反应，铝热反应完成后，得到65.76Kg钒铝合金产品，其中含V73.08wt%，Al26.6wt%，Fe0.12wt%，Si0.19wt%。

示例3

取100Kg五氧化二钒（纯度为99.8wt％，粒度为0.15mm），83.5Kg铝粒（纯度为99.85wt％，粒度为4mm）为原料，即五氧化二钒与铝粒的重量配比为1.15:1，并加入前面炉次钒铝合金产品经破碎后产生的粒度小于0.25mm的碎合金作为冷却剂，碎合金的加入量为35.7Kg，以分析纯过氧化钡和铝粉为点火剂，在炉衬由本渣制作的铝热还原反应炉中进行铝热还原反应，铝热反应完成后，得到89.9Kg钒铝合金产品，其中含V62.9wt%，Al36.8wt%，Fe0.16wt%，Si0.13wt%。

由以上示例可以看出，本发明所获得钒铝合金产品，V含量为62.9～87.13wt%，Al含量为12.6～36.8wt%，Fe含量不大于0.16wt%，Si含量不大于0.19wt%，符合后序工序继续加工的要求。

综上所述，本发明提供了一种低杂质钒铝合金的生产方法，与现有工艺相比，本发明充分利用反应产生的炉渣用作反应炉的炉衬，可以减少杂质的引入，有利于进一步减少钒铝合金中杂质的含量。同时未添加常规石灰等造渣冷却剂控制热量，采用碎合金作为冷却剂其成本更低，所得合金纯度更高，同时回收了碎合金提高了钒收率，完全符合工业大生产的要求，且生产出的钒铝合金中杂质含量低，最终钒铝合金中，V含量为62.9～87.13wt%，Al含量为12.6～36.8wt%，Fe含量不大于0.16wt%，Si含量不大于0.19wt%，满足有色金属行业标准YS/T579-2006的规定，符合后序进一步加工的要求。

尽管上面已经通过结合示例性实施例描述了本发明，但是本领域技术人员应该清楚，在不脱离权利要求所限定的精神和范围的情况下，可对本发明的示例性实施例进行各种修改和改变。

Claims

1.一种低杂质钒铝合金的生产方法，其特征在于，所述生产方法包括将作为炉料的五氧化二钒、金属铝和冷却剂混匀后装入敞开式反应炉中，点火冶炼得到钒铝合金和炉渣，其中，所述五氧化二钒与所述金属铝的重量配比为1.15～1.8:1，所述冷却剂为粒度小于0.25mm的钒铝合金颗粒，并且所述冷却剂的加入量能够保证将单位炉料发热量控制为3350～3450kJ/kg，所述单位炉料发热量等于所述五氧化二钒和金属铝反应产生的热量与所述五氧化二钒、金属铝和冷却剂的加入总量之比，其中，所述五氧化二钒的粒度为0.074～0.149mm，所述五氧化二钒的纯度在99.6wt％以上，所述金属铝为铝粒且粒度为1～5mm，金属铝的纯度在99.7wt％以上。

2.根据权利要求1所述的低杂质钒铝合金的生产方法，其特征在于，当生产牌号为AlV65的钒铝合金时，所述五氧化二钒与所述金属铝的重量配比为1.15～1.36:1；

当生产牌号为AlV75的钒铝合金时，所述五氧化二钒与所述金属铝的重量配比为1.36～1.58:1；

当生产牌号为AlV85的钒铝合金时，所述五氧化二钒与所述金属铝的重量配比为1.58～1.8:1。

3.根据权利要求1所述的低杂质钒铝合金的生产方法，其特征在于，所述冷却剂为所述钒铝合金经破碎后得到。

4.根据权利要求1所述的低杂质钒铝合金的生产方法，其特征在于，所述敞开式反应炉的炉衬打结料为所述炉渣。

5.根据权利要求1所述的低杂质钒铝合金的生产方法，其特征在于，所述点火步骤采用过氧化钡和铝粉作为引发所述五氧化二钒和金属铝反应的点火剂。

6.根据权利要求5所述的低杂质钒铝合金的生产方法，其特征在于，所述过氧化钡和所述铝粉的重量配比为3.5～4:1。

7.根据权利要求5所述的低杂质钒铝合金的生产方法，其特征在于，采用镁条引燃所述过氧化钡和所述铝粉。

8.根据权利要求1所述的低杂质钒铝合金的生产方法，其特征在于，所述钒铝合金中V含量为62.9～87.13wt％，Al含量为12.6～36.8wt％，Fe含量不大于0.16wt％，Si含量不大于0.19wt％。