CN107130161A

CN107130161A - 一种钒铝合金的制备方法

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Publication number: CN107130161A
Application number: CN201710561632.9A
Authority: CN
Inventors: 陈海军; 孙朝晖; 尹丹凤
Original assignee: Pangang Group Research Institute Co Ltd
Current assignee: Pangang Group Research Institute Co Ltd
Priority date: 2017-07-11
Filing date: 2017-07-11
Publication date: 2017-09-05

Abstract

本发明属于冶金领域，具体涉及一种钒铝合金的制备方法。本发明要解决的技术问题是提供一种工艺简单、成本低廉、杂质易于控制且含量低的钒铝合金的制备方法，该方法包括以下步骤：取适当氧钒摩尔比的含钒氧化物和铝粉，置于反应炉内，经点火剂点火进行铝热还原反应，得到钒铝合金。通过本发明方法获得的钒铝合金产品Fe、Si含量均在钒铝合金行业标准中要求的0.30％以下，钒铝合金符合下游工序继续加工的质量要求；本发明方法工艺简单，生产时间短，原料来源广泛，成本低廉，可批量大规模生产，具有推广前景。

Description

一种钒铝合金的制备方法

技术领域

本发明属于冶金领域，具体涉及一种钒铝合金的制备方法。

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(含4％V)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等。

国际上生产钒铝合金的企业主要有德国电冶金公司、美国雷丁(Reading)合金公司、美国战略矿物公司子公司-美国钒公司、俄罗斯上萨尔达冶金生产联合公司。国内生产钒铝合金的企业有宝鸡有色金属加工厂、锦州铁合金厂等几家。这些企业均以五氧化二钒为原料、采用铝热法生产钒铝合金。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资(俗称消热剂)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，这样就给产品的杂质控制带来更多的麻烦。

CN200910117560.4公开了“一种钒铝合金材料的制备方法”，该方法按质量百分比计，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，获得钒的质量百分数为75％～95％，Al为5.0％～25.0％的钒铝合金，Si含量约0.15％，Fe含量约0.50％。显然通过该方法所获得的产品Fe杂质偏高，因为在球磨机中混合8～16小时本身就会增加Fe污染的机会；在密闭的压力容器中进行铝热反应导致产量低，同时要求设备的耐压强；该方法操作复杂，成本高。

目前，中国空军已开始从单纯防空型向攻防兼备的“大空军”模式转变，未来将大量生产新型换代战机列装部队。这些项目的启动和民用工业中钛铝合金市场的增加将给钒铝合金带来井喷式的发展和巨大的市场需求，因此急需一种成本低廉、工艺简单、可操作性强，原料来源广泛，能够适合大规模生产的钒铝合金的制备方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种工艺简单、成本低廉、杂质易于控制、适用于大规模生产的钒铝合金的制备方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是提供了一种钒铝合金的制备方法。该方法包括以下步骤：

取含钒氧化物和铝粉，置于反应炉内，点火剂点火，经铝热还原反应，得到钒铝合金；所述的含钒氧化物的氧钒摩尔比为：1.65～2.35。

进一步的，上述方法中所述的含钒氧化物为V₂O₃、V₃O₅、V₄O₇，V₂O₄或V₂O₅中的至少一种。

进一步的，上述方法中所述的含钒氧化物的氧钒摩尔比为1.70～2.30。

进一步的，上述方法中所述的含钒氧化物的纯度要求均不低于99.50％。

进一步的，上述方法中所述的铝粉的纯度要求不低于99.70％。

进一步的，上述方法中所述的铝粉的加入量为理论反应用量的1.20～1.50倍。

进一步的，上述方法中所述的反应炉为以反应自产炉渣为炉衬的反应炉。

进一步的，上述方法中所述的点火剂为镁和过氧化钡。

进一步的，上述方法中所述的钒铝合金的V含量为75wt％～85wt％，Al含量为15wt％～25wt％，Fe含量为0.05wt％～0.30wt％，Si含量为0.05wt％～0.30wt％,其余为不可避免的杂质。

本发明的有益效果是：

本发明创造性的提出了一种新的钒铝合金的制备方法，使用适当氧钒摩尔比的含钒氧化物，无需额外加入消热剂或助热剂，以系统内自产炉渣为炉衬，无需额外加入炉衬材料，易于控制杂质含量，所得钒铝合金Fe、Si杂质含量均可轻松控制在钒铝合金行业标准中要求的0.30％以下，V含量为75wt％～85wt％，Al含量为15wt％～25wt％，钒铝合金符合下游工序继续加工的质量要求；本发明方法工艺简单，反应平稳易控，生产时间短，原料来源广泛，成本低廉，钒铝合金生产效率高，可操作性强，适合钒铝合金大规模生产，具有推广价值，前景良好。

具体实施方式

现有技术一般采用三氧化二钒或五氧化二钒为原料，然而由于三氧化二钒与金属铝反应放出的热量不足维持反应自发进行，需另外加助热剂以提供热量促使反应的进行；以五氧化二钒为原料放出的热量太大造成大量物料喷溅收率降低，需加入消热剂缓解反应的进行；这样两种情况都容易造成污染反应物，影响合金的纯度，难以满足钒铝合金的发展和需求。

本发明为提高钒铝合金的纯度和收率，避免加入助热剂或消热剂等引入杂质，将反应热量控制到了一个足以维持反应自发进行、热量又不大量过剩的平衡点。然而，不同价态的不同含钒氧化物单独反应的热量、速率及反应现象相差较大，配比方式也多种多样，因此需要综合考虑配比找到平衡点。

本发明经过对不同含钒氧化物的多种配比方式的大量尝试，通过对多种含钒氧化物配比热量的计算控制整个热量释放的速率，寻找到了一个足以维持反应自发进行、热量又不大量过剩的平衡点，即使用本发明的氧钒摩尔比的含钒氧化物为原料，使反应放出的热量介于三氧化二钒和五氧化二钒单独与铝反应的热量之间，同时炉衬又采用自身反应的高Al₂O₃含量的炉渣，避免了加入消热剂、助热剂或额外炉衬材料引入杂质，创造性的提出了一种新的钒铝合金的制备方法，同时提高了钒铝合金的质量。

具体的，本发明方法可以按照以下方式实施：

一种钒铝合金的制备方法，包括以下步骤：

本领域常用的含钒氧化物，如V₂O₃、V₃O₅、V₄O₇、V₂O₄、V₂O₅等，均适用于本发明方法。

为使铝热还原反应放出的热量足以维持反应自发进行、又不大量过剩，优化的，含钒氧化物的氧钒摩尔比为：1.70～2.30。

为了提高钒铝合金的质量，降低钒铝合金中Fe、Si等杂质含量，含钒氧化物的纯度要求均不低于99.50％，铝粉的纯度要求不低于99.70％。

为使铝热还原反应充分进行，控制钒铝合金中铝含量，铝粉加入量为理论反应用量的1.20～1.50倍。

为了提高钒铝合金的质量，降低钒铝合金中Fe、Si等杂质含量，反应炉为以反应自产炉渣为炉衬的反应炉。

点火剂可选用本领域的常规点火剂；实际操作中，可选用以镁和过氧化钡为点火剂，使用时点燃镁引发铝热还原反应进行。

由于本发明方法不需要加入消热剂、助热剂或额外炉衬材料，降低了引入杂质的几率，上述方法所得钒铝合金的V含量为75wt％～85wt％，Al含量为15wt％～25wt％、Fe含量为0.05wt％～0.30wt％，Si含量为0.05wt％～0.30wt％，其余为不可避免的杂质。

优化的，本发明方法可以按照以下方式实施：

取含钒氧化物(纯度≧99.50wt％)，其氧钒摩尔比为1.70～2.30，理论反应用量1.20～1.50倍的铝粉(纯度≧99.70％)，置于以反应自产炉渣为炉衬的反应炉内，以镁和过氧化钡为点火剂，点火进行铝热还原反应，铝热反应完成后，得到钒铝合金产品。

下面通过实施例对本发明作进一步详细说明，但并不因此将本发明保护范围限制在所述的实施例范围之中。

实施例1

取100kg含钒氧化物(纯度≧99.50wt％)，其氧钒摩尔比为2.0，理论反应用量1.30倍的铝粉(纯度≧99.70％)，置于以反应自产炉渣为炉衬的反应炉内，以镁和过氧化钡为点火剂，点火进行铝热还原反应，反应平稳易控，出现白色火焰，有少量合金液滴喷溅，102秒钟反应结束。铝热反应完成后，渣金分离明显，合金表面平整，得到74kg钒铝合金产品，其中含V80.1wt％、Al19.5wt％、Fe0.05wt％、Si0.20wt％。

实施例2

取100kg含钒氧化物(纯度≧99.50wt％)，其氧钒摩尔比为2.3，理论反应用量1.43倍的铝粉(纯度≧99.70％)，置于以反应自产炉渣为炉衬的反应炉内，以过镁和氧化钡为点火剂，点火进行铝热还原反应，反应较平稳易控，反应较剧烈，出现苍白色火焰，有少量合金液滴喷溅，90秒钟反应结束。铝热反应完成后，渣金分离明显，合金表面平整，得到71kg钒铝合金产品，其中含V75.6wt％、Al24.1wt％、Fe0.23wt％、Si0.05wt％。

实施例3

取100kg含钒氧化物(纯度≧99.50wt％)，其氧钒摩尔比为1.7，理论反应用量1.26倍的铝粉(纯度≧99.70％)，置于以反应自产炉渣为炉衬的反应炉内，以镁和过氧化钡为点火剂，点火进行铝热还原反应，反应平稳易控，出现黄白色火焰，无合金液滴喷溅，98秒钟反应结束。铝热反应完成后，渣金分离明显，合金表面平整，得到76kg钒铝合金产品，其中含V83.9wt％、Al15.3wt％、Fe0.26wt％、Si0.23wt％。

通过以上实施例1～3可知，本发明所获得钒铝合金产品V含量为75wt％～85wt％，Al含量为15wt％～25wt％，Fe≤0.3％、Si≤0.3％，均符合下游工序继续加工的质量要求。该方法具有工艺简单、生产时间短、原料来源广泛、生产成本低、杂质含量低等优点，适合批量大规模生产，具有推广前景。

对比例1

取100kg含钒氧化物(纯度≧99.50wt％)，其氧钒摩尔比为1.55，理论反应用量1.26倍的铝粉(纯度≧99.70％)，置于以反应自产炉渣为炉衬的反应炉内，以镁和过氧化钡为点火剂，以KClO₃为助热剂，点火进行铝热还原反应，135秒钟反应结束。铝热反应完成后，渣金分离不清晰，得到75kg钒铝合金产品，其中含V84.16wt％、Al15.3wt％、Fe0.32wt％、Si0.31wt％。

通过对比例1可知，当含钒氧化物的氧钒摩尔比为1.55时，由于需要加入助热剂，反应过程不稳定，渣金分离不清晰，且反应热量难以适量控制，易造成合金成分偏析，Fe、Si含量超标，产品质量不合格。

对比例2

取100kg含钒氧化物(纯度≧99.50wt％)，其氧钒摩尔比为2.45，理论反应用量1.44倍的铝粉(纯度≧99.70％)，置于以反应自产炉渣为炉衬的反应炉内，以镁和过氧化钡为点火剂，点火进行铝热还原反应，反应剧烈、喷溅严重，95秒钟反应结束。铝热反应完成后，合金表面不平整，得到68kg钒铝合金产品，其中含V82.4wt％、Al16.7wt％、Fe0.41wt％、Si0.42wt％。

通过对比例2可知，当含钒氧化物的氧钒摩尔比为2.45，不加入消热剂释放热量缓解反应，会导致反应剧烈、喷溅严重，容易造成安全生产事故，且合金钒收率会降低，所得合金表面不平整，Fe、Si杂质成分含量超标，产品质量不合格，同时会严重影响钒铝合金的产量。

Claims

1.钒铝合金的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的钒铝合金的制备方法，其特征在于：所述的含钒氧化物为V₂O₃、V₃O₅、V₄O₇，V₂O₄或V₂O₅中的至少一种。

3.根据权利要求1或2所述的钒铝合金的制备方法，其特征在于：所述的含钒氧化物的氧钒摩尔比为1.70～2.30。

4.根据权利要求1、2或3所述的钒铝合金的制备方法，其特征在于：所述的含钒氧化物的纯度要求均不低于99.50％。

5.根据权利要求1所述的钒铝合金的制备方法，其特征在于：所述的铝粉的纯度要求不低于99.70％。

6.根据权利要求1或5所述的钒铝合金的制备方法，其特征在于：所述的铝粉的加入量为理论反应用量的1.20～1.50倍。

7.根据权利要求1所述的钒铝合金的制备方法，其特征在于：所述的反应炉为以反应自产炉渣为炉衬的反应炉。

8.根据权利要求1任一项所述的钒铝合金的制备方法，其特征在于：所述的点火剂为镁和过氧化钡。

9.根据权利要求1-8任一项所述的钒铝合金的制备方法，其特征在于：所述的钒铝合金的V含量为75wt％～85wt％，Al含量为15wt％～25wt％，Fe含量为0.05wt％～0.30wt％，Si含量为0.05wt％～0.30wt％，其余为不可避免的杂质。