CN108374087A - 一种利用超声波冶炼制备钒铝合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种利用超声波冶炼制备钒铝合金的方法，所述方法为：将钒源、还原剂以及造渣剂混合放入反应池中，升温点火进行还原反应；待还原反应到达预定时间后，对反应池交替进行超声波冶炼处理和静止处理，至还原反应结束时停止，合金液体凝固后得到钒铝合金。本发明通过在钒铝合金制备过程中引入超声波冶炼技术，获得了高纯钒铝合金，合金A级品率达到97％以上，还原剂铝的消耗量降低了5‑8％。本发明同时加入CaO造渣剂，其与超声处理技术相配合，改善了冶炼渣系性能，得到了有价的副产品，还可衔接其他金属热还原工艺生产高纯及均匀化的中间合金，并应用到航空航天、核能等高科技产业，具有良好的经济效益和应用前景。

Description

一种利用超声波冶炼制备钒铝合金的方法

技术领域

本发明涉及冶金工程技术领域，具体涉及一种利用超声波冶炼制备钒铝合金的方法。

背景技术

钒铝合金是一种广泛用于航空航天领域的高级合金材料，钒铝合金作为中间合金，主要成为制备钛合金、高温合金的中间合金及某些特殊合金的元素添加剂重要原料使用，也是制备特钢及钛合金/超级合金材料的重要原料。为了满足现代航空航天和核能等合金领域对超级合金更高性能的要求，制备高纯、元素均匀化的钒铝中间合金成为制备技术的关键因素。因此，制备优良钒铝中间合金是目前研究的重点之一。当前主要生产制备高纯钒铝中间合金方法主要有铝热-真空精炼法和铝热-超声波精炼法等。目前主要工业生产高钒铝合金工艺是铝热法工艺，铝热法主要包括铝热自蔓延法和电铝热法。

铝热自蔓延法虽然具有工艺简单、操作方便、工艺生产成本等特点，但是在冶炼反应过程中因为高Al₂O₃渣系熔点和高钒中间合金熔点相差不明显，很难实现渣液分离，造成钒元素还原回收率低，中间合金产品出现物相成分偏析不均匀，氧化物夹杂含量高，严重影响产品性能和售卖价格，增加生产成本，从而降低生产综合经济效益。利用此方法直接制备的中间合金产品，不能满足制备超级合金材料对性能的要求。

为了提高产品性能，尤其是产品纯度的要求，满足制备高性能合金及超高性能合金的要求，科技工作者进行了大量的研究改进工作，即在现有铝热法生产基础上，对中间合金产品进行真空精炼处理，从而提高钒铝合金纯度和物相均匀化，进一步提高产品性能，使其能够满足现代制备航空航天等应用的高性能材料需要，进而形成铝热-真空精炼工艺。例如CN106967895A提供了一种钒铝合金的制备方法，所述方法为：(1)将原料氧化钒、碳质还原剂和金属铝混合均匀后，加入粘结剂和水，混匀制球生成球团；(2)将制得的球团置于真空炉中于1250℃～1800℃下进行还原反应，反应产物经后续处理，得到钒铝合金产品。上述方法提高了钒的回收率，且制备得到的钒铝合金中杂质含量低，但是，由于钒铝合金，尤其是高钒合金的熔点大多在1750℃以上，再加上钒与铝元素的熔点温度存在巨大差距，从而在真空精炼过程中无形中增加能耗和还原剂铝的挥发损失，造成生产成本大幅度增加，同时熔融凝固过程中易出现元素偏析等问题，导致作为超级性能合金材料的原料应用时出现一些问题。

铝热-超声波精炼法是在铝热法生产基础上，冷却凝固后期增加了超声波精炼步骤，此项工艺是在冶炼后期以及冷却凝固期进行超声精炼操作，虽然此工艺对合金产品纯度和性能有了很大改善，降低还原剂铝的用量，提高了综合经济效益。但是因为钒铝合金，尤其是高钒合金熔点大多数在1800℃以上，在冷却凝固过程中冷凝迅速，而超声波补给热量不足，造成超声精炼不彻底，合金相中还会存在一定量的氧化物夹杂和元素偏析缺陷等问题，此现象容易在电铝热-超声波精炼工艺存在。

针对上述钒合金生产中存在的问题，如何低成本的条件下冶炼高纯钒铝合金成为广大工作者研究努力的目标。

发明内容

鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供一种利用超声波冶炼制备钒铝合金的方法，采用自蔓延还原技术制备钒铝合金，在还原过程进行超声冶炼，提高了还原反应速度和化学热利用率，同时加入CaO造渣剂，其和超声处理技术相配合，改善了冶炼渣系性能，降低了渣液分离难度，提高了产品纯度，获得高纯钒铝合金和低熔点渣系。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种利用超声波冶炼制备钒铝合金的方法，所述方法包括以下步骤：

(1)将钒源、还原剂以及造渣剂混合放入反应池中，升温点火进行还原反应；

(2)步骤(1)所述还原反应到达预定时间后，对反应池交替进行超声波冶炼处理和静止处理，至还原反应结束时停止，合金液体凝固后得到钒铝合金。

本发明采用自蔓延还原技术制备钒铝合金，在还原过程进行超声冶炼，不仅形成了稳定的温度场，还能促使铝热还原反应稳定均匀的进行。本发明在提高了还原反应速度和化学热利用率的同时，加入CaO造渣剂，其和超声处理技术相配合，实现渣液快速分离，获得高纯钒铝合金和低熔点渣系，钒铝合金A级品率达97％以上；此外还降低了还原剂铝的损失和用量，降低生产成本。

本发明在合金冶炼过程中，利用超声波换能器对反应物实行均匀物理搅拌，使其均匀快速反应，提高了还原反应速度和化学热利用率，并形成稳定的温度场，能够防止局部剧烈反应放热形成喷溅现象发生。在合金液凝固过程中对钒铝的金属液进行超声波精炼，使得金属液中的夹杂物震动碰撞长大并随着震动上浮，而金属液迅速聚集在重力作用下沉降实现渣液分离。

在合金液冶炼和凝固过程中，因选用造渣剂为氧化钙(CaO)，反应形成Ca(AlO₂)₂渣系，熔点在1600℃左右，粘度与流动性优于高氧化铝(Al₂O₃)渣系，更容易实现渣液分离；同时又因超声能量的加入使得凝聚速度减缓，再根据金属液和渣相密度(或比重)不同，震动搅拌过程中各自聚集，密度(比重)大的金属液下沉，密度(比重)轻渣液上浮，二者相互配合，实现渣液分离，获得高纯钒铝合金产品和低熔点渣系。

根据本发明，步骤(1)所述钒源为V₂O₃和/或CaV₂O₆，所述还原剂为铝，所述造渣剂为氧化钙。

本发明对钒源、还原剂以及造渣剂的添加比例不进行特殊限定，应依据实际需要制备的高纯钒铝合金的成分以及渣系成分进行配比调整。

根据本发明，步骤(1)中利用电磁感应线圈进行升温点火，反应开始进行后停止给电；所述升温点火的温度为800-1000℃，例如可以是800℃、830℃、850℃、880℃、900℃、930℃、950℃、980℃或1000℃，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

根据本发明，步骤(2)中还原反应进行20-30min后，再对反应池交替进行超声波冶炼处理和静止处理。

本发明步骤(2)中选择对反应池交替进行超声波冶炼处理和静止处理，所述交替进行是指：先进行一次超声波冶炼处理，然后接着进行静止处理，静止处理结束后继续依次进行超声波冶炼处理和静止处理，如此交替进行，至还原反应结束为止。

根据本发明，步骤(2)所述超声波冶炼处理的功率为600-1000W，例如可以是600W、650W、700W、750W、800W、850W、900W、950W或1000W，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

根据本发明，步骤(2)所述超声波冶炼处理的时间为10-20min，例如可以是10min、11min、12min、13min、14min、15min、16min、17min、18min、19min或20min，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

步骤(2)所述超声波冶炼处理后，为了保护换能器，对反应池进行静止保护处理。

根据本发明，步骤(2)所述静止处理的时间为15-25min，例如可以是15min、16min、17min、18min、19min、20min、21min、22min、23min、24min或25min，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

优选地，本发明在步骤(2)所述合金液体凝固过程中对反应池交替进行超声波精炼处理和静止处理，至合金液体凝固为止，得到钒铝合金。

根据本发明，所述超声波精炼处理的功率为800-1200W，例如可以是800W、850W、900W、950W、1000W、1050W、1100W、1150W或1200W，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

根据本发明，所述超声波精炼处理的时间为30-40min，例如可以是30min、31min、32min、33min、34min、35min、36min、37min、38min、39min或40min，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

所述超声波精炼处理后，为了保护换能器，同时加快合金液的冷却凝固进程，对反应池进行静止保护处理。

根据本发明，所述静止处理的时间为10-20min，例如可以是10min、11min、12min、13min、14min、15min、16min、17min、18min、19min或20min，以及上述数值之间的具体点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举。

本发明采用超声波换能器对反应池进行超声处理。

对于本发明而言，每一次超声波冶炼和静止处理时，其超声功率、处理时间以及静止处理时间均是相互独立的，应根据现场的实际情况进行选择，只要在限定的范围内即可，超声精炼过程同样如此。

作为优选的技术方案，本发明所述制备方法包括以下步骤：

(1)将V₂O₃和/或CaV₂O₆、铝以及氧化钙混合放入反应池中，利用电磁感应线圈升温至800-1000℃点火进行还原反应；

(2)步骤(1)所述还原反应进行20-30min后，使用超声波换能器对反应池交替进行超声波冶炼处理和静止处理，每次超声波冶炼处理的功率为600-1000W，时间为10-20min，静止处理的时间为15-25min，至还原反应结束时停止；

(3)使用超声波换能器对反应池交替进行超声波精炼处理和静止处理，每次超声波精炼处理的功率为800-1200W，时间为30-40min，静止处理的时间为10-20min，至合金液体凝固为止，得到钒铝合金。

与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：

(1)本发明通过在钒铝合金制备过程中引入超声波冶炼和精炼技术，获得了高纯钒铝合金，合金A级品率达到97％以上，同时还原剂铝的消耗量降低了5-8％，提高了经济效益。

(2)本发明通过加入CaO造渣剂，其和超声处理技术相配合，不仅改善了冶炼渣系性能，降低渣液分离难度，提高产品纯度，冶炼渣Ca(AlO₂)₂还可以作为水泥等建筑材料的原料副产品外卖，降低了生产综合成本，提高了综合经济效益。

(3)本发明可衔接应用到其他金属热还原工艺中生产高纯及均匀化的中间合金原料，并广泛应用到航空航天、核能等高科技产业，具有良好的应用前景。

附图说明

图1为本发明一种具体实施方式采用的超声波冶炼反应池结构示意图；

图中：1-超声波发生装置，2-电磁线圈，3-反应物，4-反应池，5-排气孔；

图2为本发明实施例1制备得到的55钒铝合金块体的XRD衍射图；

图3为本发明实施例2制备得到的65钒铝合金块体的XRD衍射图。

下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。

具体实施方式

下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

本发明可以采用本领域常规制备装置进行高纯钒铝合金的冶炼，如图1所示，本发明一种具体实施方式采用的超声波冶炼反应池的结构可以为：混合反应物3放入反应池4中，电磁线圈2位于反应池四周，通电加热点火使铝热反应开始进行，反应产生大量热使气体膨胀从设置于反应池顶部的排气孔5排除，使反应池内外压力相等。超声波发射装置1置于反应池2底部，工作时提供高频波频进行物理搅拌，促进反应均匀进行，实现渣液分离。

为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：

实施例1

一种利用超声波处理制备55钒铝合金块体的方法，按照以下工艺步骤进行：

(1)按摩尔百分比计，将14.10％V₂O₃、71.80％Al以及14.10％CaO混合放入反应池内，利用电磁感应线圈通电升温点火加热，点火温度为1000℃，使得铝热还原反应自蔓延进行；

(2)步骤(1)所述还原反应进行20min后，使用超声换能器对反应池底部交替进行超声波冶炼和静止保护处理，第一次超声波冶炼功率为600W，时间为10min，静止保护处理时间为20min，超声波冶炼和静止保护交替进行(每一次超声功率、时间以及静止处理时间均根据现场的实际情况进行选择)，至还原反应结束时停止；

(3)步骤(2)所述还原反应结束后，使用超声波换能器对反应池交替进行超声波精炼处理和静止处理，每次超声波精炼处理的功率为1000W，时间为30min，静止处理的时间为15min，至合金液体凝固为止，得到钒铝合金。

(4)将凝固后得到的钒铝合金产品依次经过扒渣、喷砂打磨、一次破碎、分选以及检验等步骤后包装入库。

经过检测，本实施例制备获得的55钒铝合金块体A级品率为98.20％左右，如图2所示，所得55钒铝合金块体中主要由V₅Al₈和Al₈V₅两相组成，没有其他杂质相存在。

实施例2

一种利用超声波处理制备65钒铝合金块体的方法，按照以下工艺步骤进行：

(1)按摩尔百分比计，将12.44％CaV₂O₆、62.27％Al以及24.89％CaO混合放入反应池内，利用电磁感应线圈通电升温点火加热，点火温度为800℃，使得铝热还原反应自蔓延进行；

(2)步骤(1)所述还原反应进行30min后，使用超声换能器对反应池底部交替进行超声波冶炼和静止保护处理，第一次超声波冶炼功率为700W，时间为20min，静止保护处理时间为15min，超声波冶炼和静止保护交替进行(每一次超声功率、时间以及静止处理时间均根据现场的实际情况进行选择)，至还原反应结束时停止；

(3)步骤(2)所述还原反应结束后，使用超声波换能器对反应池交替进行超声波精炼处理和静止处理，第一次超声波精炼处理的功率为1200W，时间为40min，静止处理的时间为10min，超声波精炼和静止保护交替进行(每一次超声功率、时间以及静止处理时间均根据现场的实际情况进行选择)，至合金液体凝固为止，得到钒铝合金。

(4)将凝固后得到的钒铝合金产品依次经过扒渣、喷砂打磨、一次破碎、分选以及检验等步骤后包装入库。

经过检测，本实施例制备获得的65钒铝合金块体A级品率为97.90％左右，如图3所示，所得65钒铝合金块体中主要由V₅Al₈和Al₈V₅两相组成，还存在少量的单相V金属，但没有其他杂质相存在。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种利用超声波冶炼制备钒铝合金的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)将钒源、还原剂以及造渣剂混合放入反应池中，升温点火进行还原反应；

(2)步骤(1)所述还原反应到达预定时间后，对反应池交替进行超声波冶炼处理和静止处理，至还原反应结束时停止，合金液体凝固后得到钒铝合金。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述钒源为V₂O₃和/或CaV₂O₆；

优选地，步骤(1)所述还原剂为铝；

优选地，步骤(1)所述造渣剂为氧化钙。

3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，按照制备的钒铝合金要求的成分对步骤(1)中钒源、还原剂以及造渣剂进行配料。

4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(1)中利用电磁感应线圈进行升温点火；

优选地，步骤(1)所述升温点火的温度为800-1000℃。

5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)中还原反应进行20-30min后，对反应池交替进行超声波冶炼处理和静止处理。

6.如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述超声波冶炼处理的功率为600-1000W；

优选地，步骤(2)所述超声波冶炼处理的时间为10-20min；

优选地，步骤(2)所述静止处理的时间为15-25min。

7.如权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述合金液体凝固过程中对反应池交替进行超声波精炼处理和静止处理，至合金液体凝固为止，得到钒铝合金。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，所述超声波精炼处理的功率为800-1200W；

优选地，步骤(3)所述超声波精炼处理的时间为30-40min；

优选地，步骤(3)所述静止处理的时间为10-20min。

9.如权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，采用超声波换能器对反应池进行超声处理。

10.如权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

(1)将V₂O₃和/或CaV₂O₆、铝以及氧化钙混合放入反应池中，利用电磁感应线圈升温至800-1000℃点火进行还原反应；

(2)步骤(1)所述还原反应进行20-30min后，使用超声波换能器对反应池交替进行超声波冶炼处理和静止处理，每次超声波冶炼处理的功率为600-1000W，时间为10-20min，静止处理的时间为15-25min，至还原反应结束时停止；

(3)使用超声波换能器对反应池交替进行超声波精炼处理和静止处理，每次超声波精炼处理的功率为800-1200W，时间为30-40min，静止处理的时间为10-20min，至合金液体凝固为止，得到钒铝合金。