CN112430734A - 一种多合金复合还原钒氧化物制备钒或钒铝合金的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及金属冶炼领域，具体涉及一种多合金复合还原钒氧化物制备钒或钒铝合金的方法。本发明通过将钒氧化物与硅钙、钙铝、镁铝或硅钙钡铝合金中的一种或多种作为还原合金混合，对其焙烧，渣金分离后即可得到金属钒或钒铝合金，其生产制备过程简单，原料获取难度低，成本相对低廉，且反应过程焙烧温度较低，所需热量较低，能够有效降低能耗，进而降低对生产设备的要求，控制金属钒的冶炼成本，该反应产生的副产物为金属氧化物，可用作建材或水泥的原料进行回收利用，从而减少对环境的污染。

Description

一种多合金复合还原钒氧化物制备钒或钒铝合金的方法
技术领域
本发明涉及金属冶炼领域，具体涉及一种多合金复合还原钒氧化物制备钒或钒铝合金的方法。
背景技术
我国是世界第二大的钒资源拥有国，钒资源蕴藏量换算成V2O5共计超过了2000万吨，仅次于南非。金属钒是具有战略意义的稀有金属，应用领域十分广泛。含钒钢具有强度高，韧性大，耐磨性好等优良特性，广泛应用于机械、汽车、造船、铁路、航空、桥梁、电子技术、国防工业等行业，其用量约占钒消耗量的85%。钒在化学工业中主要作为催化剂和着色剂，还被用于生产可充电氢蓄电池或钒氧化还原蓄电池等。据报道，非钢铁合金中以上的是用来生产有色合金和磁性合金，其中钛合金占绝大多数。钛合金中的钒（添加量为1%）可作为强化剂和稳定剂，铁合金添加4%钒时，合金具有好的延性和成形性。在宇航工业中，目前还没有可以替代铁合金的材料。而含钒钛合金，可以用来生产喷气式发动机、高速航天器和火箭发动机外壳。因此，生产高纯金属钒或钒铝合金是当前研究的重点。
现有技术中通常使用铝热法还原V2O5和V2O3来制备金属钒或钒铝合金。铝热法通过将钒氧化物，金属铝和生石灰一同破碎研磨至粉状，在密闭炉中加热至2000℃并保温3小时，该方法在制备金属钒或钒铝合金的过程中，需要用到大量的金属铝，原料成本高昂，冶炼所需温度也较高，能耗很大，对设备要求较高，导致其工艺成本也高，使得金属钒或钒铝合金的价格十分昂贵。同时生产制备需要使用到大量的石灰，生产会得到大量的废渣，难以回收利用，对环境产生污染。
发明内容
针对现有技术存在的上述问题，本发明要解决的技术问题是：金属钒或钒铝合金制备方法成本高，容易对环境造成污染。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种多合金复合还原钒氧化物制备钒或钒铝合金的方法，包括如下步骤：
S1；将钒氧化物、还原合金和CaCl2破碎并研磨至粉末状在混料机中混匀；
S2；将混匀后粉料放入密闭炉中对粉料进行还原焙烧；
S3；将还原焙烧得到的产物进行渣金分离，得到金属钒或钒铝合金，以及废渣。
本发明通过将钒氧化物与还原合金混合，对其焙烧，渣金分离后即可得到金属钒或钒铝合金，其生产制备过程简单，原料获取难度低，成本相对低廉，且反应过程焙烧温度较低，所需热量较低，能够有效降低能耗，进而降低对生产设备的要求，控制金属钒的冶炼成本，该反应产生的副产物为金属氧化物，可用作建材或水泥的原料进行回收利用，从而减少对环境的污染。
作为优选，所述步骤S1中的还原合金为硅钙、钙铝、镁铝或硅钙钡铝合金中的一种或多种。通过控制还原合金成分和比例，反应生成的氧化物能够形成低熔点渣相，一方面不会阻碍反应进一步进行，另一方面有利于渣金分离。
作为优选，所述步骤S1中各原料的质量比为：制备金属钒时，钒氧化物、还原合金和CaCl2的质量比为：100∶53-60∶7-10；制备钒铝合金时，钒氧化物、还原合金和CaCl2的质量比为：100∶103-112∶8-12。金属钒或钒铝合金生产仅需改变钒氧化物和还原合金的比例，方便工厂对原料进行管理。
作为优选，所述步骤S2中，对粉料进行焙烧时，将密闭炉加热至1400~1600℃，保温3-5小时。密闭炉加热至设定温度时，钒氧化物与还原合金接触发生还原反应得到金属钒或钒铝合金，且反应得到的副产物废渣处于熔融状态，不会对金属钒与钒铝合金产生阻隔，影响金属钒或钒铝合金的制备。密闭炉达到设定温度后保温设定时间，保证了钒氧化物和还原合金的充分的接触，使钒氧化物能与还原合金充分反应。
作为优选，制备金属钒，采用铝含量为30%的钙铝合金和铝含量50%的镁铝合金共同作为还原合金，钒氧化物、钙铝合金、镁铝合金和CaCl2的质量比为100∶48∶8∶9，将原料破碎研磨后，在密闭炉中加热至1500℃，保温4小时。该原料配比下，相对于传统方法能耗降低30%以上，且原料镁铝合金的价格比钙铝合金更低，两者共同作为还原合金时，在保证能耗降低率30%以上，还使原料成本得到有效降低。
作为优选，制备铝含量为55%的钒铝合金，采用铝含量为40%的钙铝合金作为还原合金，钒氧化物、钙铝合金和CaCl2的质量比为100∶104∶10，将原料破碎研磨后，在密闭炉中加热至1500℃，保温4小时。该原料配比下，相对于传统方法能耗降低30%以上，有效降低了工艺成本。
相对于现有技术，本发明至少具有如下优点：
本发明通过将钒氧化物与还原合金混合，对其焙烧，渣金分离后即可得到金属钒或钒铝合金，其生产制备过程简单，原料获取难度低，成本相对低廉，且反应过程焙烧温度较低，所需热量较低，相比于传统的铝热法冶炼金属钒和钒铝合金，能耗均降低了30%以上，降低了对生产设备的要求，从而控制金属钒的冶炼成本，该反应产生的副产物为金属氧化物，可用作建材或水泥的原料进行回收利用，从而减少对环境的污染。
附图说明
图1为本发明制备金属钒或钒铝合金的流程图。
具体实施方式
下面对本发明作进一步详细说明。
一种多合金复合还原钒氧化物制备钒或钒铝合金的方法，包括如下步骤：
S1；将钒氧化物、还原合金和CaCl2破碎并研磨至粉末状在混料机中混匀；
具体实施时，将混合料研磨至100-200目。
具体实施时，所述钒氧化物为V2O3。
S2；将混匀后粉料放入密闭炉中对粉料进行还原焙烧；
S3；将还原焙烧得到的产物进行渣金分离，得到金属钒或钒铝合金，以及废渣。
具体实施时，所述步骤S1中的还原合金为硅钙、钙铝、镁铝或硅钙钡铝合金中的一种或多种。通过控制还原合金成分和比例，反应生成的氧化物能够形成低熔点渣相，一方面不会阻碍反应进一步进行，另一方面有利于渣金分离。
集体实施时，多种还原合金的比例根据还原合金中的铝含量，以及生产的钒铝合金的铝含量具体设置。
具体实施时，采用硅钙合金和钙铝合金组合与钒氧化物发生反应后，生成的熔渣与金属钒或钒铝合金能够更好的发生渣金分离。
具体实施时，所述步骤S1中各原料的质量比为：制备金属钒时，钒氧化物、还原合金和CaCl2的质量比为：100∶53-60∶7-10，质量比具体可以选择：100∶53∶7、100∶55∶8、100∶57∶9、100∶60∶10；制备钒铝合金时，钒氧化物、还原合金和CaCl2的质量比为：100∶103-112∶8-12，质量比具体可以选择：100∶103∶12、100∶105∶11、100∶107∶10、100∶109∶11、100∶112∶8。金属钒或钒铝合金生产仅需改变钒氧化物和还原合金的比例，方便工厂对原料进行管理。
具体实施时，所述钒铝合金为铝含量为55%的钒铝合金，其分子式为VAl55。
具体实施时，所述步骤S2中，对粉料进行焙烧时，将密闭炉加热至1400~1600℃，密闭炉加热温度具体可以选择1400℃、1450℃、1500℃、1550℃、1600℃，将密闭炉加热至设定温度后保温3-5小时，保温时间具体可以选择3h、3.5h、4h、4.5h、5h。密闭炉加热至设定温度时，钒氧化物与还原合金接触发生还原反应得到金属钒或钒铝合金，且反应得到的副产物废渣处于熔融状态，不会对金属钒与钒铝合金产生阻隔，影响金属钒或钒铝合金的制备。密闭炉达到设定温度后保温设定时间，保证了钒氧化物和还原合金的充分的接触，使钒氧化物能与还原合金充分反应。
具体实施时，制备金属钒，采用铝含量为30%的钙铝合金和铝含量50%的镁铝合金共同作为还原合金，钒氧化物、钙铝合金、镁铝合金和CaCl2的质量比为100∶48∶8∶9，将原料破碎研磨后，在密闭炉中加热至1500℃，保温4小时。该原料配比下，相对于传统方法能耗降低30%以上，且原料镁铝合金的价格比钙铝合金更低，两者共同作为还原合金时，在保证能耗降低率30%以上，还使原料成本得到有效降低。
具体实施时，制备铝含量为55%的钒铝合金，采用铝含量为40%的钙铝合金作为还原合金，钒氧化物、钙铝合金和CaCl2的质量比为100∶104∶10，将原料破碎研磨后，在密闭炉中加热至1500℃，保温4小时。该原料配比下，相对于传统方法能耗降低30%以上，有效降低了工艺成本。
反应过程所需热量计算：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
（1）；
Figure 989143DEST_PATH_IMAGE002
（2）；
Figure DEST_PATH_IMAGE003
（3）；
其中，
Figure 80465DEST_PATH_IMAGE004
为加热过程中所需的热量，
Figure DEST_PATH_IMAGE005
为参与反应的原料的摩尔量，
Figure 537991DEST_PATH_IMAGE006
为参与反应的原料对应的恒压热容，
Figure DEST_PATH_IMAGE007
为加热前后的温度差，t1为加热前温度，t2为冶炼温度，
Figure 663948DEST_PATH_IMAGE008
为保温过程中所需的热量，E为维持温度t2所需热量时间比，h为保温时长，
Figure DEST_PATH_IMAGE009
为反应过程所需的总热量。
实施例1一种多合金复合还原钒氧化物制备钒的方法
使用铝含量为40%的钙铝合金作为还原合金，与钒氧化物V2O3和助熔剂CaCl2一起生产制备金属钒，其钒氧化物、还原合金和CaCl2的质量分别为1470.588kg，790.167kg，113.037kg。将它们破碎研磨至粉末状后混匀，放入密闭炉中，密闭炉加热至1500℃，并保温4小时。渣金分离后得到金属钒质量1t，其金属钒纯度、产率与传统工艺接近。通过等式（1）、（2）、（3）计算得到实施例1制备金属钒反应过程所需总热量
Figure 542868DEST_PATH_IMAGE010
为
Figure DEST_PATH_IMAGE011
。
实施例2一种多合金复合还原钒氧化物制备钒的方法
使用铝含量为30%的钙铝合金与铝含量为50%的镁铝合金共同作为还原合金，且钙铝合金与镁铝合金的质量比为85.6：14.4，与钒氧化物V2O3和助熔剂CaCl2一起生产制备金属钒，其钒氧化物、钙铝合金、镁铝合金和CaCl2的质量分别为1470.588kg，710.189kg，119.471kg，132.300kg。将它们破碎研磨至粉末状后混匀，放入密闭炉中，密闭炉加热至1600℃，并保温3小时。渣金分离后得到金属钒质量1t，其金属钒纯度、产率与传统工艺接近。通过等式（1）、（2）、（3）计算得到实施例2制备金属钒反应过程所需总热量
Figure 121485DEST_PATH_IMAGE012
为
Figure DEST_PATH_IMAGE013
。
实施例3一种多合金复合还原钒氧化物制备钒铝合金的方法
使用铝含量为70%的钙铝合金作为还原合金，与钒氧化物V2O3和助熔剂CaCl2一起生产制备铝含量为55%的钒铝合金，其钒氧化物、还原合金和CaCl2的质量分别为808.823kg，844.592kg，82.671kg。将它们破碎研磨至粉末状后混匀，放入密闭炉中，密闭炉加热至1500℃，并保温4小时。渣金分离后得到钒铝合金质量1t，其钒铝合金纯度、产率与传统工艺接近。通过等式（1）、（2）、（3）计算得到实施例3制备钒铝合金反应过程所需总热量
Figure 382702DEST_PATH_IMAGE014
为
Figure DEST_PATH_IMAGE015
。
实施例4一种多合金复合还原钒氧化物制备钒铝合金的方法
使用铝含量为65%的钙铝合金与铝含量为70%的镁铝合金共同作为还原合金，且钙铝合金与镁铝合金的质量比为88：12，与钒氧化物V2O3和助熔剂CaCl2一起生产制备铝含量为55%的钒铝合金，其钒氧化物、钙铝合金、镁铝合金和CaCl2的质量分别为808.823kg，790.108kg，107.437kg，64.706kg。将它们破碎研磨至粉末状后混匀，放入密闭炉中，密闭炉加热至1600℃，并保温5小时。渣金分离后得到钒铝合金质量1t，其钒铝合金纯度、产率与传统工艺接近。通过等式（1）、（2）、（3）计算得到实施例4制备钒铝合金反应过程所需总热量
Figure 363166DEST_PATH_IMAGE016
为
Figure DEST_PATH_IMAGE017
。
对本发明与现有技术的比对：
1、制备金属钒
传统铝热法制备1t金属钒，需要消耗钒氧化物V2O31470.588kg，金属铝529.412kg，生石灰274.510kg。将它们破碎研磨至粉末状后混匀，放入密闭炉中，密闭炉加热至2000℃，并保温3小时。通过等式（1）、（2）、（3）计算可得到铝热法制备1t金属铝反应过程中所需总热量
Figure 418846DEST_PATH_IMAGE018
为
Figure 297809DEST_PATH_IMAGE011
。
实施例1为使用本发明提供的技术方案，使用钒氧化物、钙铝合金和CaCl2制备金属钒，与传统铝热法制钒相比，反应过程所需热量降低了
Figure DEST_PATH_IMAGE019
，降低的比例为：
Figure 352265DEST_PATH_IMAGE020
。
实施例2为使用本发明提供的技术方案，使用钒氧化物、钙铝合金、镁铝合金和CaCl2制备金属钒，与传统铝热法制钒相比，反应过程所需热量降低了
Figure DEST_PATH_IMAGE021
，降低的比例为：
Figure 937967DEST_PATH_IMAGE022
。
上述明显可见，使用本发明的技术方案制备金属钒比传统的铝热法制备金属钒所需热量有着大幅度的降低，降低的比例达到了30%以上，一方面，节省了反应过程温度升高所需的能源消耗，另一方面，能够有效降低工业化生产制备金属钒设备的要求，降低了设备的制造成本。
2、制备钒铝合金
传统铝热法制备1t铝含量为55%的钒铝合金需要消耗原料钒氧化物V2O3808.823kg，金属铝741.177kg，生石灰150.981kg。将它们破碎研磨至粉末状后混匀，放入密闭炉中，密闭炉加热至1500℃，并保温4小时。将它们破碎研磨至粉末状后混匀，放入密闭炉中，密闭炉加热至2000℃，并保温3小时。通过等式（1）、（2）、（3）计算可得到铝热法制备1t钒铝合金反应过程中所需总热量
Figure DEST_PATH_IMAGE023
为
Figure 617079DEST_PATH_IMAGE024
。
实施例3为使用本发明提供的技术方案，使用钒氧化物、钙铝合金和CaCl2制备铝含量为55%的钒铝合金，与传统铝热法制钒相比，反应过程所需热量降低了
Figure DEST_PATH_IMAGE025
，降低的比例为：
Figure 170289DEST_PATH_IMAGE026
。
实施例4为使用本发明提供的技术方案，使用钒氧化物、钙铝合金、镁铝合金和CaCl2制备铝含量为55%的钒铝合金，与传统铝热法制钒相比，反应过程所需热量降低了
Figure DEST_PATH_IMAGE027
，降低的比例为：
Figure 507730DEST_PATH_IMAGE028
。
上述明显可见，使用本发明的技术方案制备金属钒比传统的铝热法制备钒铝合金所需热量有着大幅度的降低，降低的比例达到了15%以上，有效地节省了反应过程温度升高所需的能源消耗，同时有效降低工业化生产制备金属钒设备的要求，降低了设备的制造成本。
综上，使用本发明提供的制备方法制备金属钒或钒铝合金相比传统的制备方法，整个反应过程所需要的热量均能有效的降低，且在本发明的方案中，使用钙铝合金作为原料，不论是生产制备金属钒还是生产制备钒铝合金，整个反应过程所需热量降低的比例均达到了15.1%以上。不仅如此，使用本发明的方法使得金属钒或钒铝合金的整个生产制备过程流程简单，降低了设备的要求以及金属钒或钒铝合金的生产成本，能够促进工业化制备金属钒或钒铝合金，将我国的钒资源进行良好的提取利用。
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 (6)

1.一种多合金复合还原钒氧化物制备钒或钒铝合金的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1；将钒氧化物、还原合金和CaCl2破碎并研磨至粉末状在混料机中混匀；
S2；将混匀后粉料放入密闭炉中对粉料进行还原焙烧；
S3；将还原焙烧得到的产物进行渣金分离，得到金属钒或钒铝合金，以及废渣。
2.如权利要求1所述的一种多合金复合还原钒氧化物制备钒或钒铝合金的方法，其特征在于：所述步骤S1中的还原合金为硅钙、钙铝、镁铝或硅钙钡铝合金中的一种或多种。
3.如权利要求1或2所述的一种多合金复合还原钒氧化物制备钒或钒铝合金的方法，其特征在于：所述步骤S1中各原料的质量比为：
制备金属钒时，钒氧化物、还原合金和CaCl2的质量比为：100∶53-60∶7-10；
制备钒铝合金时，钒氧化物、还原合金和CaCl2的质量比为：100∶103-112∶8-12。
4.如权利要求3所述的一种多合金复合还原钒氧化物制备钒或钒铝合金的方法，其特征在于：所述步骤S2中，对粉料进行焙烧时，将密闭炉加热至1400~1600℃，保温3-5小时。
5.如权利要求4所述的一种多合金复合还原钒氧化物制备钒或钒铝合金的方法，其特征在于：制备金属钒，采用铝含量为30%的钙铝合金和铝含量50%的镁铝合金共同作为还原合金，钒氧化物、钙铝合金、镁铝合金和CaCl2的质量比为100∶48∶8∶9，将原料破碎研磨后，在密闭炉中加热至1500℃，保温4小时。
6.如权利要求4所述的一种多合金复合还原钒氧化物制备钒或钒铝合金的方法，其特征在于：制备铝含量为55%的钒铝合金，采用铝含量为40%的钙铝合金作为还原合金，钒氧化物、钙铝合金和CaCl2的质量比为100∶104∶10，将原料破碎研磨后，在密闭炉中加热至1500℃，保温4小时。
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