CN110079641A - 钠系钒渣的转炉生产及其氧化浸出提钒的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及钠系钒渣的转炉生产及其氧化浸出提钒方法，属于钢铁冶金及钒钛化工领域。本发明解决的技术问题是钒渣生产过程钒的氧化率低、热量损失大。本发明公开钠系钒渣的转炉生产及其氧化浸出提钒方法，步骤包括在铁水兑入转炉后，进行一期吹炼氧化，吹炼过程中加入冷却剂、纯碱，一期吹炼结束后将半钢倒出，含钠钒渣留于转炉内，转炉内加入纯碱、NaCl进行二期吹炼氧化，吹炼氧化结束后经水浸得到含钒浸出液。本发明能够减少铁水生产含钒浸出液的工序数量，能提高钒的氧化率、减少过程能量消耗，有利于资源的利用及提钒生产成本降低，为企业节约成本、创造效益。

Description

钠系钒渣的转炉生产及其氧化浸出提钒的方法
技术领域
本发明属于钢铁冶金及钒钛化工领域，具体涉及钠系钒渣的转炉生产及其氧化浸出提钒的方法。
背景技术
钒(V)是一种过渡族金属元素，金属钒常温下化学性质较稳定，高温下较活泼。钒原子的价电子结构为3d34s2，是典型的变价元素，五个价电子都可以参与成键，具有+2、+3、+4和+5价态。在不同的氧分压和温度下，钒的稳定化合物也不同，降低氧分压提高温度有利于三价钒氧化物的稳定存在。除此之外，钒还有多种非化学计量氧化物，可用通式VnO2n-1(3≤n≤9)表示的同族氧化物。在V2O4和V2O5之间，已知有V3O5、V3O7、V4O7、V4O9、V5O9、V6O11、V6O13等氧化物。工业上钒氧化物主要是V2O3、VO2和V2O5，其中V2O5尤为重要。
钒因其具有优良的强度、硬度及抗疲劳效应，钒被广泛地应用于钢铁、化工、航空等领域。大约84％的钒用于钢铁作为合金元素溶解到钢中形成VC和VN，细化晶粒，抑制贝氏体和珠光体的发育增加马氏体强度，从而提高钢的硬度、强度、韧性和抗磨损性能，其生产产品以钒铁和VN为主化晶粒。钒用于有色合金主要是以V-Al系合金为代表的结构材料，如优良的高温航空结构材料Ti-6Al-4V、Ti-8Al-1V-Mo和Ti-6Al-6V-2Sn等合金。用于化工领域的钒产品主要有V2O5、NH4VO3、V2O3、VOCl3及VCl4等，用作催化剂、着色剂、大容量电池用的电极材料。值得一提的是由于钒的多价态，钒用作锂电池正极材料或开发成超级电容器等储能装置，具有充电迅速、比能量高、价格低廉等优点，颇具应用前景。此外，约2％的钒产品还应用于医药、防护材料及薄膜材料等领域。现有研究表明钒化合物具有类胰岛素的作用，能促进肝糖原和肌糖原的合成，抑制肝糖原分解为葡萄糖，促进脂肪的合成并抑制脂肪的分解。总而言之，钒及钒产品主要作为添加剂广泛地用于提高材料性能或加速化学反应进程。
钒资源作为一种世界上重要的稀缺资源，无单独可采的钒矿物，其在自然界中的分布很分散，主要伴生于硫钒矿VS2或V2S5、铅钒矿(或称褐铅矿)Pb5(VO4)3C、钒云石KV2(AlSi2O10)(OH)2、钒酸钾铀矿K2(UO2)(VO4)2·3H2O以及钒钛磁铁矿等矿物中。全球钒的总储量为6300万吨，可开采储量为1020万吨。用于提钒的原料种类很多，世界上88％的钒是从钒钛磁铁矿中获得，其余提钒原料有石煤、废催化剂、石油灰渣、碳质页岩等。因钒原料种类、矿物特征及其中钒含量差异较大，从含钒物料中提取钒的工艺和方法也多种多样，主要有火法冶炼、湿法浸出和火法-湿法联合提取工艺。
目前，世界范围内主要是以火法进行钒渣的生产。火法冶炼通常以钒钛磁铁矿为主要原料，通过高炉或其它炼铁流程得到含钒铁水，再在转炉中吹入氧气使金属中的钒氧化富集到渣中。采用双联转炉吹炼时得到含V2O58～20％的钒渣和含C约3.6％的半钢，采用单个转炉造渣吹炼时得到含V2O52～5％的含钒钢渣和钢水。得到的钒渣或含钒钢渣经过焙烧-浸出或直接浸出的方式进行后续提取。
专利文献CN102086487A公开了一种节能减排的钒渣处理方法，首先将与铁水分离后的1200℃以上的高温液态钒渣置于渣罐中，然后向渣罐中加入钠化合物，用水冷超音速或亚音速氧枪向渣罐中供氧，钒渣中生成的V2O5与加入的钠化合物反应生成水溶性钒酸钠，最后把得到的含有水溶性钒酸钠的渣子，处理得到V2O5。然而，采用超音速或亚音速氧枪向渣罐中供氧，受限于钒渣渣罐的容积较小，采用高速氧枪供氧会造成液态钒渣被吹出罐外，影响钒渣的有效利用，同时加入的钠化合物在吹氧的过程中也会飘散到罐外，影响钠化物的利用率，且钠化物与钒渣的混匀效果极差。而且，该方法要将钒渣置于渣罐中，这个过程会造成热态钒渣与空气、渣罐间进行热交换，热态钒渣的热利用率低。
发明内容
本发明解决的技术问题是钒渣生产过程钒的氧化率低、热量损失大。
本发明解决上述问题的技术方案是提供钠系钒渣的转炉生产及其氧化浸出提钒的方法，步骤包括：在铁水兑入转炉后，进行一期吹炼氧化，吹炼过程中加入冷却剂、纯碱，将钒氧化分离形成钒渣，一期吹炼结束后将半钢倒出，含钠钒渣留于转炉内，转炉内加入纯碱、NaCl进行二期吹炼氧化，生成水溶性钒酸钠，吹炼氧化结束后经水浸得到含钒浸出液。
其中，二期吹炼氧化结束后含钠钒渣中Na2O/V2O5质量比控制在0.55～0.65。
其中，一期吹炼氧化开始后的前3min内加入冷却剂，加入冷却剂后2min内加入纯碱。
其中，冷却剂的加入量为15～35kg/tFe，纯碱加入量为5～6kg/tFe。
其中，一期吹炼氧化过程采用顶底同吹，顶吹采用氧枪进行吹氧气，底吹氮气。
其中，一期吹炼氧化过程氧枪吹氧时枪位采用“高-低-高”模式进行控制，即吹炼前期0.5～1min采用高枪位，中期采用低枪位，吹炼结束前1.0～1.5min采用高枪位；吹氧流量控制在2.0～3.0m3/(min·tFe)，氧气压力0.7～0.9MPa，吹氧时间控制在5～6.5min。
其中，底吹氮气流量控制在0.1～0.5m3/(min·tFe)。
其中，二期吹炼氧化过程纯碱加入量0.5～1.5kg/tFe，NaCl加入量0.25～0.5kg/tFe。
其中，二期吹炼氧化采用顶底同吹，将底吹气体切换为氧气，底吹氧气流量为0.15～0.25m3/(min·tFe)；氧枪向含钠钒渣吹氧，吹氧流量为1～1.5m3/(min·tFe)，压力0.3～0.5MPa，吹氧时间控制在2～3min。
其中，二期吹炼氧化结束后将钒渣冷却、破碎、磁选、球磨、水浸得到含钒浸出液。
本发明的有益效果如下：
本发明采用两期吹炼氧化生产含钠钒渣提钒，其中一期吹炼氧化加入纯碱，倒出半钢后利用余热进行二期吹炼氧化，二期吹炼氧化加入纯碱、氯化钠，相比传统的高温焙烧钠化提钒，本发明能够减少铁水生产含钒浸出液的工序数量，能提高钒的氧化率、减少过程能量消耗，有利于资源的利用及提钒生产成本降低，为企业节约成本、创造效益。
具体实施方式
本发明公开提供钠系钒渣的转炉生产及其氧化浸出提钒的方法，步骤包括：在铁水兑入转炉后，进行一期吹炼氧化，吹炼过程中加入冷却剂、纯碱，一期吹炼结束后将半钢倒出，含钠钒渣留于转炉内，转炉内加入纯碱、NaCl进行二期吹炼氧化，吹炼氧化结束后经水浸得到含钒浸出液。
本发明生产钠系钒渣的过程进行两期吹炼氧化，一期是将铁水中的钒氧化分离形成钒渣，二期是在无铁水存在的状态下氧化钒渣中的钒氧化物，将钒渣中的V2O3氧化成V2O5，并促进V2O5与Na2O生成水溶性的钒酸钠。
具体的，本发明在铁水吹炼钒渣的过程将纯碱加入，不仅能够使得钠化物在钒渣中均匀分布、有利于后续钒酸钠的形成，而且钠氧化物能够氧化铁水中的钒，提高钒的氧化率，再则钒渣中含有钠盐后粘度降低，钒渣中的金属铁能够更好的沉降，在吹氧时氧气不会因为氧化铁而造成钒渣氧化效果达不到要求。所以，本发明在一期吹炼氧化过程加入纯碱的目的是氧化铁水中的钒，以及调整钒渣熔点和流动性，促进渣铁分离，为后续生成钒酸钠提前做好准备。
其中，一期吹炼氧化结束后含钠钒渣中Na2O/V2O5质量比控制在0.55～0.65。纯碱加入后在高温条件下会分解成Na2O和CO2，只有Na2O会留在渣中，因此以Na2O进行控制。我们通过大量实验发现，将二期吹炼氧化结束后含钠钒渣中Na2O/V2O5质量比控制在0.55～0.65，生成钒酸钠的比例最高，最有利于钒渣中钒的提取。
其中，一期吹炼氧化开始后的前3min内加入冷却剂，加入冷却剂后2min内加入纯碱。
其中，冷却剂的加入量为15～35kg/tFe，纯碱加入量为5～6kg/tFe。
本发明中冷却剂的作用是控制炉内温度在合理范围内，同时能够氧化铁水中的钒。作为优选的，本发明冷却剂可选择氧化铁皮、铁红、高品位铁矿等铁氧化物含量较高的物质中的一种或几种混合物。
其中，一期吹炼氧化过程采用顶底同吹，顶吹采用氧枪进行吹氧气，底吹氮气。
其中，一期吹炼氧化过程氧枪吹氧时枪位采用“高-低-高”模式进行控制，即吹炼前期0.5～1min采用高枪位，中期采用低枪位，吹炼结束前1.0～1.5min采用高枪位；吹氧流量控制在2.0～3.0m3/(min·tFe)，氧气压力0.7～0.9MPa，吹氧时间控制在5～6.5min。“高-低-高”是现有模式的一种，高枪位一般在1.8～2.0m，低枪位一般在1.6～1.8m。
其中，底吹氮气流量控制在0.1～0.5m3/(min·tFe)。
本发明在二期吹炼过程加入纯碱和氯化钠，NaCl的作用有两个，一是调整渣中的钠含量比例，二是将钒渣熔点降低，促进氧气与渣的相互作用，尽可能将钒渣中的V2O3氧化成V2O5，纯碱除了和NaCl一起调整钒渣中的钠钒比达到预期目标，同时纯碱也有一定氧化性，可以在高温状态下对钒进行氧化。作为优选的，二期吹炼氧化过程纯碱加入量0.5～1.5kg/tFe，NaCl加入量0.25～0.5kg/tFe。
其中，二期吹炼氧化采用顶底同吹，将底吹气体切换为氧气，底吹氧气流量为0.15～0.25m3/(min·tFe)；氧枪采用低枪位向含钠钒渣吹氧，吹氧流量为1～1.5m3/(min·tFe)，压力0.3～0.5MPa，吹氧时间控制在2～3min。
其中，二期吹炼氧化结束后将钒渣冷却、破碎、磁选、球磨、水浸得到含钒浸出液。具体的，钒渣吹氧结束后，将钒渣倒入钒渣罐内后加盖冷却，冷却时间控制在36～72h，冷却结束后将钒渣破碎、磁选、球磨成120目细粉，细粉与水按重量比1：3混合后，浸出过程混合液采用机械搅拌(搅拌桨转速300～400r/min)并加热保持温度85±2℃，1.5h后进行真空抽滤，所得滤液为含钒浸出液。
本发明初始铁水温度在1190～1360℃，吹炼过程温度不超过1400℃。
下面结合具体的实施例，对本发明作进一步的详细说明。
实施例1
在含钒铁水兑入转炉后，进行吹氧冶炼，吹炼开始前3min内加入冷却剂25kg/tFe，加入冷却剂后2min内加入纯碱6kg/tFe，将钒渣中Na2O/V2O5质量比控制在0.55～0.65。过程氧枪枪位采用“高-低-高”模式进行控制，即吹炼前期1min采用高枪位1.95m，中期采用低枪位1.8m，吹炼结束前1.5min采用高枪位1.9m；吹氧流量控制在3.0m3/(min·tFe)，氧气压力0.9MPa，吹氧时间控制在5.5min，底吹氮气流量控制在0.25m3/(min·tFe)。吹炼结束后将半钢倒出，含钠钒渣留于转炉内，转炉内加入纯碱0.5kg/tFe，NaCl0.5kg/tFe，而后进行二次吹炼，采用顶底复吹氧气，底吹氧气流量为0.25m3/(min·tFe)；氧枪采用低枪位吹氧，吹氧流量为1.5m3/(min·tFe)，压力0.5MPa，吹氧时间控制在2min。二次吹炼氧化结束后将钒渣冷却、破碎、磁选、球磨、水浸得到含钒浸出液。全流程的钒氧化率90.78％，钒浸出率为94.77％。
实施例2
在含钒铁水兑入转炉后，进行吹氧冶炼，吹炼开始前3min内加入冷却剂30kg/tFe，加入冷却剂后2min内加入纯碱5kg/tFe，将钒渣中Na2O/V2O5质量比控制在0.55～0.65。过程氧枪枪位采用“高-低-高”模式进行控制，即吹炼前期0.5min采用高枪位2.0m，中期采用低枪位1.65m，吹炼结束前1.0min采用高枪位1.9m；吹氧流量控制在2.0m3/(min·tFe)，氧气压力0.7MPa，吹氧时间控制在6.5min，底吹氮气流量控制在0.15m3/(min·tFe)。吹炼结束后将半钢倒出，含钠钒渣留于转炉内，转炉内加入纯碱1.5kg/tFe，NaCl0.5kg/tFe，而后进行二次吹炼，采用顶底复吹氧气，底吹氧气流量为0.15m3/(min·tFe)；氧枪采用低枪位吹氧，吹氧流量为1.5m3/(min·tFe)，压力0.5MPa，吹氧时间控制在3min。二次吹炼氧化结束后将钒渣冷却、破碎、磁选、球磨、水浸得到含钒浸出液。全流程的钒氧化率90.01％，钒浸出率为95.07％。

Claims (10)

1.钠系钒渣的转炉生产及其氧化浸出提钒的方法，其特征在于包括以下步骤：将铁水兑入转炉后进行一期吹炼氧化，吹炼过程中加入冷却剂、纯碱，将钒氧化分离形成钒渣，一期吹炼结束后将半钢倒出，含钠钒渣留于转炉内，转炉内加入纯碱、NaCl进行二期吹炼氧化，生成水溶性钒酸钠，吹炼氧化结束后经水浸得到含钒浸出液，冷却剂为铁氧化物。
2.根据权利要求1所述的钠系钒渣的转炉生产及其氧化浸出提钒的方法，其特征在于，所述二期吹炼氧化结束后含钠钒渣中Na2O/V2O5质量比控制在0.55～0.65。
3.根据权利要求1或2所述的钠系钒渣的转炉生产及其氧化浸出提钒的方法，其特征在于：所述冷却剂的加入量为15～35kg/tFe，一期吹炼氧化纯碱加入量为5～6kg/tFe。
4.根据权利要求1～3任一项所述的钠系钒渣的转炉生产及其氧化浸出提钒的方法，其特征在于：一期吹炼氧化开始后的前3min内加入冷却剂，加入冷却剂后2min内加入纯碱。
5.根据权利要求1～4任一项所述的钠系钒渣的转炉生产及其氧化浸出提钒的方法，其特征在于：所述一期吹炼氧化过程采用顶底同吹，顶吹采用氧枪进行吹氧气，底吹氮气。
6.根据权利要求5所述的钠系钒渣的转炉生产及其氧化浸出提钒的方法，其特征在于：氧枪吹氧时枪位采用“高-低-高”模式进行控制，即吹炼前期0.5～1min采用高枪位，中期采用低枪位，吹炼结束前1.0～1.5min采用高枪位；吹氧流量控制在2.0～3.0m3/(min·tFe)，氧气压力0.7～0.9MPa，吹氧时间控制在5～6.5min；底吹氮气流量控制在0.1～0.5m3/(min·tFe)。
7.根据权利要求1～6任一项所述的钠系钒渣的转炉生产及其氧化浸出提钒的方法，其特征在于：二期吹炼氧化所述纯碱加入量0.5～1.5kg/tFe，NaCl加入量0.25～0.5kg/tFe。
8.根据权利要求1～7任一项所述的钠系钒渣的转炉生产及其氧化浸出提钒的方法，其特征在于：所述二期吹炼氧化采用顶底同吹，将底吹气体切换为氧气。
9.根据权利要求8所述的钠系钒渣的转炉生产及其氧化浸出提钒的方法，其特征在于：底吹氧气流量为0.15～0.25m3/(min·tFe)；顶吹氧流量为1～1.5m3/(min·tFe)，压力0.3～0.5MPa，吹氧时间控制在2～3min。
10.根据权利要求1～9任一项所述的钠系钒渣的转炉生产及其氧化浸出提钒的方法，其特征在于：所述二期吹炼氧化结束后将钒渣冷却、破碎、磁选、球磨、水浸得到含钒浸出液。
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