CN110373558A - 提高铝热法冶炼钒铝合金产品质量的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种提高铝热法冶炼钒铝合金产品质量的方法，属于冶金技术领域。本发明为解决现有技术生产钒铝合金杂质含量偏高，成本偏高的技术问题，提供了一种提高铝热法冶炼钒铝合金产品质量的方法，包括：以五氧化二钒和铝粒为原料，在铝质胎皮作内衬的直筒炉中，点火进行铝热还原反应，得钒铝合金。本发明利用铝质胎皮作内衬，通过优化炉体结构和打结方式，不需要添加造渣冷却剂，减少了炉内外来水和杂质元素铁、硅等杂质的带入量，成品气孔减少，有效提高了钒铝合金质量，且成本更低，合金外观质量光滑整洁，合金成品率高。

Description

提高铝热法冶炼钒铝合金产品质量的方法
技术领域
本发明属于冶金技术领域，具体涉及一种提高铝热法冶炼钒铝合金产品质量的方法。
背景技术
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。铝热反应是将炉料装入，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。
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。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)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。
CN200910117560.4中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Al 20％～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
本发明要解决的是现有技术生产钒铝合金杂质含量偏高，成本偏高的技术问题。
本发明解决上述技术问题采用的技术手段是提供了一种提高铝热法冶炼钒铝合金产品质量的方法，其包括以下步骤：以质量比为1.15～1.8：1的五氧化二钒和铝粒为原料，在铝质胎皮作内衬的直筒炉中，点火进行铝热还原反应，得钒铝合金；其中，所述铝质胎皮作内衬的直筒炉由上圈和炉底两部分构成，炉体采用分层分部的方式进行干打结，打结过程如下：先在炉底铺30～35cm厚度的刚玉渣，振动压实后放置两层铝质同心圆胎皮，在靠近炉壁的一圈内加入刚玉渣进行打结，在内圈中先加入镁砂打结至高度约占炉底高度一半，然后在内圈余下部分加入刚玉渣进行打结，最后将镁砂铺于炉体底部，振动压实。
其中，上述所述的提高铝热法冶炼钒铝合金产品质量的方法中，所述铝质同心圆胎皮与炉体高度持平；两层铝质同心圆胎皮之间的距离为15～20cm。
其中，上述所述的提高铝热法冶炼钒铝合金产品质量的方法中，所述五氧化二钒的纯度≥99.7％。
其中，上述所述的提高铝热法冶炼钒铝合金产品质量的方法中，所述Al粒的纯度≥99.85％。
其中，上述所述的提高铝热法冶炼钒铝合金产品质量的方法中，所述点火以过氧化钡为点火剂，镁条为引燃材料。
其中，上述所述的提高铝热法冶炼钒铝合金产品质量的方法中，铝热还原反应结束后，静置不少于30min，再进行炉体移动。
其中，上述所述的提高铝热法冶炼钒铝合金产品质量的方法中，所述刚玉渣为粒度10～15mm的钒铝冶炼渣颗粒。
本发明的有益效果：本发明利用铝质胎皮作内衬，合金表观质量好，又不污染合金，通过优化炉体结构和打结方式，不需要添加常规石灰等造渣冷却剂进行调节热量，减少了炉内外来水和杂质元素铁、硅等杂质的带入量，成品气孔减少，有效提高了钒铝合金质量，且成本更低；采用的铝质胎皮作内衬的直筒炉既能够防止冶炼过程的合金液喷溅又能起到保温的过程利于渣金分离，合金外观质量比打结炉体的合金更光滑整洁，合金质量更高，在进行合金饼破碎时能够获得更高的成品率，完全符合工业大生产的要求；本发明方法省略了炉体烘烤工序，降低了能源消耗和消除烘烤的环境污染，降低了职工劳动强度，炉体制备效率提高1倍以上。
具体实施方式
具体的，提高铝热法冶炼钒铝合金产品质量的方法，包括以下步骤：以质量比为1.15～1.8：1的五氧化二钒和铝粒为原料，在铝质胎皮作内衬的直筒炉中，点火进行铝热还原反应，得钒铝合金；其中，所述铝质胎皮作内衬的直筒炉由上圈和炉底两部分构成，炉体采用分层分部的方式进行干打结，打结过程如下：先在炉底铺30～35cm厚度的刚玉渣，振动压实后放置两层铝质同心圆胎皮，在靠近炉壁的一圈内加入刚玉渣进行打结，在内圈(即两层铝质同心圆胎皮间缝隙)中先加入镁砂打结至高度占炉底高度1/3～1/2，然后在内圈余下部分加入刚玉渣进行打结，最后将镁砂铺于炉体底部，振动压实。
本发明的钒铝合金制备方法，以五氧化二钒和铝粒为原料，采用一次铺料的方式，点火还原制得钒铝合金和炉渣；其中，五氧化二钒与铝粒的重量配比为1.15～1.8：1，采用过量的Al粒，可以在还原反应过程中，通过Al粒与金属钒的熔合形成钒铝合金；在此过程中，采用直筒炉内置铝质胎皮作为冶炼炉体，其炉体由两部分构成：炉底+上圈，冶炼过程中合金及渣盛装在炉底，上圈主要作用是防止冶炼过程中物料的飞溅，同时起到一定的保温作用；采用铝质胎皮作内衬的直筒炉既能够防止冶炼过程的合金液喷溅又能起到保温的过程利于渣金分离，且合金外观质量比打结炉体的合金更光滑整洁，合金质量更高，在进行合金饼破碎时能够获得更高的成品率；虽然少量铝皮内衬会参加反应，但不影响产品质量。
本发明中，炉体采用分层分部的方式进行干打结，打结料主要为刚玉渣，即钒铝冶炼渣经破碎后成为粒度10～15mm的颗粒，打结过程为：先在炉底铺30～35cm厚度的刚玉渣，振动压实后分别放置两层铝质胎皮(同心圆)，在靠近炉壁的一圈内加入刚玉渣进行打结，在内圈部分，先加入镁砂打结，其打结高度约占炉底高度一半，然后在内圈余下部分加入刚玉渣进行打结，最后将镁砂铺于炉体底部，振动压实。为使炉体筒壁内表面完全打结，铝质同心圆胎皮应与炉体高度持平，并且两层铝质同心圆胎皮之间的距离为15～20cm，可尽量避免引入杂质。
本发明通过对炉体结构及打结方式优化，不需要加入石灰等造渣冷却剂，因此不会引入杂质，并降低了生产成本，有利于进一步减少钒铝合金中杂质的含量，所得合金纯度更高。
为了进一步减少钒铝合金中杂质的含量，本发明中，五氧化二钒的纯度≥99.7％，Al粒的纯度≥99.85％。
本发明中，点火可采用本领域内常规方式，如以过氧化钡为点火剂，镁条为引燃材料。
为了使渣金分离更加彻底，提高合金收得率，铝热还原反应结束后，静置不少于30min，再进行炉体移动。
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。
实施例中，铝质胎皮作内衬的直筒炉由上圈和炉底两部分构成，炉体采用分层分部的方式进行干打结，打结过程如下：先在炉底铺32cm厚度的刚玉渣，振动压实后放置两层铝质同心圆胎皮(与炉体高度持平)，两层铝质同心圆胎皮间距20cm，在靠近炉壁的一圈内加入刚玉渣进行打结，在内圈中先加入镁砂打结至高度占炉底高度1/2，然后在内圈余下部分加入刚玉渣进行打结，最后将镁砂铺于炉体底部，振动压实。
实施例1
取100kg五氧化二钒，55.7kg铝粒为原料，五氧化二钒与铝粒的重量配比为1.68：1，以分析纯过氧化钡为点火剂，采用在铝质胎皮作内衬的直筒炉中进行铝热还原反应，铝热反应完成后，静置30min，得到62.3kg钒铝合金产品，其中含V 90.06wt％，Al 9.63wt％，Fe 0.15wt％，Si 0.11wt％。
实施例2
取100kg五氧化二钒，63.7kg铝粒为原料，五氧化二钒与铝粒的重量配比为1.58：1，以分析纯过氧化钡为点火剂，采用在铝质胎皮作内衬的直筒炉中进行铝热还原反应。铝热反应完成后，静置30min，得到66.76kg钒铝合金产品，其中含V 85.04wt％，Al 14.6wt％，Fe 0.12wt％，Si 0.19wt％。
实施例3
取100kg五氧化二钒，83.4kg铝粒为原料，五氧化二钒与铝粒的重量配比为1.15：1，以分析纯过氧化钡为点火剂，采用在铝质胎皮作内衬的直筒炉中进行铝热还原反应。铝热反应完成后，静置30min，得到89.8kg钒铝合金产品，其中含V 65.9wt％，Al 33.8wt％，Fe0.12wt％，Si 0.13wt％。
由实施例1～3控制，本发明所获得钒铝合金产品V含量65.9wt％～90.06wt％，Fe≤0.15wt％，Si≤0.19wt％，大幅度降低了杂质含量，符合后序工序继续加工的要求。

Claims (7)

1.提高铝热法冶炼钒铝合金产品质量的方法，其特征在于：包括以下步骤：以质量比为1.15～1.8：1的五氧化二钒和铝粒为原料，在铝质胎皮作内衬的直筒炉中，点火进行铝热还原反应，得钒铝合金；其中，所述铝质胎皮作内衬的直筒炉由上圈和炉底两部分构成，炉体采用分层分部的方式进行干打结，打结过程如下：先在炉底铺30～35cm厚度的刚玉渣，振动压实后放置两层铝质同心圆胎皮，在靠近炉壁的一圈内加入刚玉渣进行打结，在内圈中先加入镁砂打结至高度占炉底高度的1/3～1/2，然后在内圈余下部分加入刚玉渣进行打结，最后将镁砂铺于炉体底部，振动压实。
2.根据权利要求1所述的提高铝热法冶炼钒铝合金产品质量的方法，其特征在于：所述铝质同心圆胎皮与炉体高度持平；两层铝质同心圆胎皮之间的距离为15～20cm。
3.根据权利要求1所述的提高铝热法冶炼钒铝合金产品质量的方法，其特征在于：所述五氧化二钒的纯度≥99.7％。
4.根据权利要求1所述的提高铝热法冶炼钒铝合金产品质量的方法，其特征在于：所述Al粒的纯度≥99.85％。
5.根据权利要求1所述的提高铝热法冶炼钒铝合金产品质量的方法，其特征在于：所述点火以过氧化钡为点火剂，镁条为引燃材料。
6.根据权利要求1所述的提高铝热法冶炼钒铝合金产品质量的方法，其特征在于：铝热还原反应结束后，静置不少于30min，再进行炉体移动。
7.根据权利要求1～6任一项所述的提高铝热法冶炼钒铝合金产品质量的方法，其特征在于：所述刚玉渣为粒度10～15mm的钒铝冶炼渣颗粒。
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