CN110656276B

CN110656276B - 一种镁铝复合热还原钒氧化物制备钒铁合金的方法

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Publication number: CN110656276B
Application number: CN201911049360.XA
Authority: CN
Inventors: 吕学伟; 钟大鹏; 裴贵尚; 向俊一; 李刚
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2019-10-31
Filing date: 2019-10-31
Publication date: 2021-06-04
Anticipated expiration: 2039-10-31
Also published as: CN110656276A

Abstract

本发明涉及一种镁铝复合热还原钒氧化物制备钒铁合金的方法，包括以下步骤：将V2O5或V2O3投入到预还原设备中，然后往预还原设备中通入H2，利用H2将V2O5或V2O3还原得到VO，同时在还原期间往预还原设备中加入铁屑，铁屑在H2的作用下被还原为铁单质；将预还原获得的VO与镁铝复合还原剂和石灰混合后置于还原气氛中，在一定温度下进行还原焙烧，充分反应；VO与镁铝复合还原剂反应结束，渣金分离后获得钒铁合金。通过该工艺显著减少了金属还原剂的用量，采用镁铝复合热还原工艺，提高了化学反应驱动力，保证了还原过程热量的充分供给，镁铝复合还原剂的加入进一步降低炉渣的熔点和粘度，使渣金分离更易进行，从而降低钒损。

Description

一种镁铝复合热还原钒氧化物制备钒铁合金的方法

技术领域

本发明涉及钒铁合金制备技术领域，特别涉及一种镁铝复合热还原钒氧化物制备钒铁合金的方法。

背景技术

我国是世界第二大的钒资源拥有国，其蕴藏量按照V₂O₅共计超过了2000万吨，仅次于南非，钒的用量较少，但是钒以及钒的台金价格比较贵，而且钒对改善钢铁性能效果显著，故其有较大的推广应用的价值，现在，钒已经成为了我们开发新的钢种所需常用到的一种合金元素，自从钒这种金属被发现以来，其最主要的应用都是以钒铁形式作为一种重要的炼钢合金添加剂被应用于钢铁冶金领域，尤其是高钒铁由于其具有品质高、杂质含量低的优点在钢铁行业备受青睐，高强度含钒合金钢在输油/气管道、建筑、桥梁、钢轨等基础设施建设方面有着广泛的应用，钒在钢中易与C、N结合形成V(C，N)固溶体，从而起到细晶强化和固溶强化的作用，故以钒铁作为主要添加剂所生产的低合金高强度结构钢(15MnVN)、微合金非调质钢(49MnVS3)、模具钢(H13，D2)等含钒微合金化钢种，其力学性能均得到了显著的提高。

目前，铝热法还原V2O5和V2O3是制备钒铁合金的传统工艺，但是该种方法仍存在着一些不足之处：1)需要消耗大量的金属铝；2)需要消耗大量的石灰，产生大量的渣；3)会有一定量金属钒被渣带走，造成钒损(约为5％)。为从源头上减少金属钒制备工艺渣量、钒损失及还原铝的用量，找到一种新的钒铁合金制备方法是亟需且必要的。

发明内容

针对现有技术存在的上述问题，本发明的要解决的第一个技术问题是：需要消耗大量的金属铝以及需要消耗大量的石灰；

要解决的第二个技术问题是：产生大量的渣，会有一定量金属钒被渣带走，造成钒损。

为解决上述第一个技术问题，本发明采用如下技术方案：

一种镁铝复合热还原钒氧化物制备钒铁合金的方法，该制备方法包括以下步骤：

S1.将V₂O₅或V₂O₃投入到预还原设备中，然后往预还原设备中通入H₂，利用H₂将V₂O₅或V₂O₃还原得到VO，反应温度为1550-1650℃，同时在还原期间往预还原设备中加入适量的铁屑，铁屑在H₂的作用下被还原为铁单质；具体实施时，反应温度可以选择1550℃、1600℃或1650℃，铁屑的添加量遵守行业规范，本发明没有改进；

S2.将预还原获得的VO与镁铝复合还原剂和石灰混合后置于还原气氛中，在一定温度下进行还原焙烧，充分反应；

S3.VO与镁铝复合还原剂反应结束，渣金分离后获得钒铁合金。

为解决上述第二个技术问题，本发明在上述技术方案基础上做了如下改进：

作为优选，所述钒铁合金生产量为一吨时所需H₂量(以V2O3为原料)为：n_H2＝n_V2O3＝1/2n_VO＝4.907734kg/mol，V_H2＝n_H2*R*T/p＝4.907734*8.314*298/1.01＝12038.875L。还原后的气体为未反应的氢气和水蒸气，后者可以通过常温分离后使H₂循环使用，使用效率理论上可以达到100％。

作为优选，所述n_H2为氢气物质的量，R为气体常数，T为体系温度，p为气体压强。

作为优选，冶炼过程中渣量显著减少，且所述还原气氛中的温度为1900～2100℃，在该温度下保证VO与镁铝复合还原剂能够充分的反应，保证了良好渣金分离效果，从而最大程度降低钒损,具体实施时，还原气氛中的温度可以选择1900℃、1950℃、1980℃、2000℃、2050℃或2100℃

作为优选，所述钒铁合金生产量为一吨时所需镁铝复合还原剂的量为：n_Mg＝2.3～2.7kg/mol，m_Mg＝55～65kg，n_Al＝4.5～5.5kg/mol，m_Al＝120～150kg，优选，n_Mg＝2.37589kg/mol，m_Mg＝57.758kg，n_Al＝4.95971kg/mol，m_Al＝133.813kg。所述钒铁合金生产量为一吨时所需石灰量为：n_CaO＝0.9～1.2kg/mol，m_CaO＝50～68kg。优选n_CaO＝0.99194kmol，m_CaO＝55.628kg。与传统工艺相比，明显减少了镁与铝的使用量，在减少渣的同时，也减少了钒损。

相对于现有技术，本发明至少具有如下优点：

1.采用氢气预还原制备钒氧化物的工艺，显著减少了金属还原剂的用量。

2.采用镁铝复合热还原工艺，提高了化学反应驱动力，保证了还原过程热量的充分供给。

3.镁铝复合还原剂的加入进一步降低炉渣的熔点和粘度，使得渣金分离更易进行，从而降低钒损。

4.金属热还原过程渣量显著减少，钒损降低。

5.因为减少了渣量，使得生产效率提高，从而使产量升高。

6.还原后的气体为未反应的氢气和水蒸气，后者可以通过常温分离后使H₂循环使用，使用效率理论上可以达到100％。

附图说明

图1为本发明流程图；

图2为本发明钒氧化物氧势图；

图3为本发明部分V-O二元相图。

具体实施方式

下面对本发明作进一步详细说明。

实施例1：参见图1-图3，一种镁铝复合热还原钒氧化物制备钒铁合金的方法，包括以下步骤：

S1.将V₂O₅或V₂O₃投入到预还原设备中，然后往预还原设备中通入H₂，利用H₂将V₂O₅或V₂O₃还原得到VO，同时在还原期间往预还原设备中加入适量的铁屑，铁屑在H₂的作用下被还原为铁单质；

S2.将预还原获得的VO与镁铝复合还原剂和石灰混合后置于还原气氛中，在2000℃下进行还原焙烧，充分反应；

钒铁合金生产量为一吨时所需镁铝复合还原剂的量为：n_Mg＝2.37589kg/mol，m_Mg＝57.758kg，n_Al＝4.95971kg/mol，m_Al＝133.813kg；

钒铁合金生产量为一吨时所需石灰量为：n_CaO＝0.99194kmol，m_CaO＝55.628kg；

其中钒氧化物还原过程符合变价金属氧化物逐级还原的基本，依次为V₂O₅-VO₂-V₂O₃-VO，基于热力学软件Factsage反应模块计算得到氢气和钒氧化物氧势图，如图1所示，V₂O₅-VO₂和VO₂-V₂O₃反应的氧势位于水氧势线的上面，说明在当前条件下，氢气可以将V₂O₅还原成V₂O₃，而V₂O₃还原成V2O的反应不能发生。因此，通过调节p(H₂)/p(H₂O)，使得两直线相交，使得反应可以发生，当p(H₂)/p(H₂O)＝1×10^-3时(图中b点)，即温度大于1300K时，氢气还原V₂O₃反应可以进行。

相图是表述平衡条件下相的V-O二元相图，由图2可以看出，V₂O₃和VO相之间没有其他的物相存在，因此理论上氢气气氛下等温还原V₂O₃过程的物相转变规律可以简单描述为:V₂O₃-VO。VO固溶体相在高温条件下具有较宽的同质范围，说明在氢气等温还原时，还原的最大失重率可能会有差异，在目前研究中采用化学计量比VO作为最大理论失重率。

实施例2-8与实施例1镁铝复合热还原钒氧化物制备钒铁合金的方法步骤相同，不同之处经在于原料的添加量和工艺条件，具体见表1：

表1

理论计算

1.物料计算

传统工艺理论生产1tFeV50所需物料，钒损为5％。

固体还原剂：n_Al＝9.81546kg/mol，m_Al＝264.821kg；

石灰量：n_CaO＝2.45386kg/mol，m_CaO＝137.613kg；

理论渣量为：m_slag＝638.005kg；

实际产量：m_p,1＝1000-m_slag*5％＝968.100kg。

新型工艺理论生产1tFeV50所需物料，钒损为5％。

固体还原剂：n_Mg＝2.37589kg/mol,m_Mg＝57.758kg，n_Al＝4.95971kg/mol，m_Al＝133.813kg；

石灰量：n_CaO＝0.99194kg/mol，m_CaO＝55.628kg；

理论渣量为：m_slag＝404.246kg；

H₂量：n_H2＝n_V2O3＝1/2n_VO＝4.907734kg/mol；

V_H2＝n_H2*R*T/p＝4.907734*8.314*298/1.01＝12038.875L；

实际产量：m_p＝1000-m_slag*5％＝979.788kg。

2.成本计算及产率

以理论生产1tFeV50为基准：Mg:17800元/吨；Al:14290元/吨；石灰：703元/吨,石灰的有效利用系数η_eff＝0.85，H2：50元/瓶，每瓶40L，13.5Mpa；

工业用电：0.725元/度；

传统工艺：固体还原剂：m_Al＝264.821kg；

成本：W₁＝(m_Al*14290+m_CaO*703/η_eff)*10^-3

＝(264.821*14290+137.613*703/0.85)*10^-3＝3898.11元；

产率：η₁＝60.28％；

新型工艺：固体还原剂：m_Mg+m_Al＝191.571kg，气体还原剂：n_H2＝4.907734kmol，V_H2＝900.68L，瓶数：12038.875*1.01/13.5/40＝22.5瓶≈23瓶，H₂和V₂O₃升温和保温过程所耗的电量：

升温过程需热：

保温过程需热：Q₆＝Q₅*20％*110/60＝450190.684kJ；

耗电量：(Q₅+Q₆)/0.5/3600＝932.213度。

成本：W₂＝(m_Mg*17800+m_Al*14290+m_CaO*703/η_eff)*10^-3+23*50+932.213*0.725

＝(57.785*17800+133.813*14290+55.628*703/0.85)*10^-3+23*50+932.213*0.725＝4812.62元；

产率：η₂＝70.79％；

产率的增加：Δη＝η₂-η₁＝70.79％-60.28％＝10.51％；

成本的增加：ΔW＝W₂-W₁＝4812.62-3898.11＝914.51元；

实际FeV50产量的增加：Δm_p＝m_p-m_p＝979.788-968.100＝11.688kg；

毛利润的增加：W_income＝125*Δm_p＝125*11.688＝1461元；

纯利润的增加：ΔW_income＝W_income-ΔW＝1461-914.51＝546.49元。

尽管新工艺的成本提高了，但是在炉子和生产的炉数相同的前提下，由于新工艺的产率的提高，使得新工艺使用同样多的原料却能得到更多的FeV50，而且通过上述计算，新工艺实现了更大的盈利。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种镁铝复合热还原钒氧化物制备钒铁合金的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1.将V₂O₅或V₂O₃投入到预还原设备中，然后往预还原设备中通入H₂，利用H₂将V₂O₅或V₂O₃还原得到VO，反应温度为1550-1650℃，同时在还原期间往预还原设备中加入适量的铁屑，铁屑在H₂的作用下被还原为铁单质；

所述S1中钒铁合金生产量为一吨时所需H₂量为：n_H2＝n_V2O3＝1/2n_VO＝4.907734kmol，V_H2＝n_H2*R*T/p＝4.907734*1000mol*8.314J/(mol*K)*298K/(101000Pa)＝120.38875m³＝120388.75L；

S2.将预还原获得的VO与镁铝复合还原剂和石灰混合后置于还原气氛中，在一定温度下进行还原焙烧，充分反应；还原气氛中的温度为1900-2100℃；

所述S2中钒铁合金生产量为一吨时所需镁铝复合还原剂的量为：n_Mg＝2.3～2.7kmol，m_Mg＝55～65kg，n_Al＝4.5～5.5kmol，m_Al＝120～150kg；

2.如权利要求1所述的一种镁铝复合热还原钒氧化物制备钒铁合金的方法，其特征在于：所述n_H2为氢气物质的量，R为气体常数，T为体系温度，p为气体压强。

3.如权利要求1所述的一种镁铝复合热还原钒氧化物制备钒铁合金的方法，其特征在于：所述S2中钒铁合金生产量为一吨时所需镁铝复合还原剂的量为：n_Mg＝2.37589kmol，m_Mg＝57.758kg，n_Al＝4.95971kmol，m_Al＝133.813kg。

4.如权利要求1所述的一种镁铝复合热还原钒氧化物制备钒铁合金的方法，其特征在于：所述S2中钒铁合金生产量为一吨时所需石灰量为：n_CaO＝0.9～1.2kmol，m_CaO＝50～68kg。

5.如权利要求4所述的一种镁铝复合热还原钒氧化物制备钒铁合金的方法，其特征在于：所述S2中钒铁合金生产量为一吨时所需石灰量为：n_CaO＝0.99194kmol，m_CaO＝55.628kg。