CN113755697B - 一种钒合金还原冶炼还原剂的应用 - Google Patents

一种钒合金还原冶炼还原剂的应用 Download PDF

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Abstract

一种钒合金还原冶炼还原剂及其应用，本发明之钒合金还原冶炼还原剂，为石墨烯负载硅锌铝合金，其制备方法，包括以下步骤：将氧化石墨烯和氯化锌水溶液、偏铝酸钠、偏硅酸钠混合，超声搅拌30‑60分钟，再滴加氢氧化钾溶液，调节pH至8~10，搅拌均匀，然后于120‑150℃下水热反应2‑4小时，依次采用水、乙醇洗涤，干燥，即得。本发明还包括所述钒合金还原冶炼还原剂应用于钒铁合金的冶炼。石墨烯巨大的比表面积可以为金属纳米粒子的负载提供一个优良场所，并且石墨烯的片层结构可以增大与反应物的接触，有效的提高反应速率和效率，可以显著减少还原剂的使用量，金属热还原过程渣量显著减少，钒损降低。

Description

一种钒合金还原冶炼还原剂的应用
技术领域
本发明涉及一种钒合金还原冶炼还原剂及其应用，特别是涉及一种钒铁合金还原冶炼还原剂及其应用。
背景技术
钒铁是一种重要的铁合金添加剂，目前世界上生产的钒产品绝大部分以钒铁形式应用于钢铁工业，钒在钢中所起的作用主要是细化钢的组织和晶粒，提高晶粒粗化温度，从而降低钢的过热敏感性，提高钢的强度和韧性，改善钢的切削性能。随着市场导向和用户要求的不断提高，品位高、杂质含量低的高钒铁应用日趋广泛，对其品质要求也越来越高。
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，但是钒以及钒的合金价格比较贵，而且钒对改善钢铁性能效果显著，故其有较大的推广应用价值。现在，钒已经成为我们开发新的钢种所常需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重要的炼钢合金添加剂，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
本发明要解决的技术问题是，克服现有技术的不足，提供一种钒合金还原冶炼还原剂及其应用，所得还原剂应用于钒铁合金的冶炼，能有效提高反应速率和效率，减少还原剂的使用量，生产效率高，降低钒损。
本发明解决其技术问题采用的技术方案是，
本发明之钒合金还原冶炼还原剂，为石墨烯负载硅锌铝合金。
所述石墨烯负载硅锌铝合金的制备方法，包括以下步骤：
将氧化石墨烯和氯化锌水溶液、偏铝酸钠、偏硅酸钠混合，超声搅拌30-60分钟，再滴加氢氧化钾溶液，调节pH至8~10，搅拌均匀，然后于120-150℃下水热反应2-4小时，依次采用水、乙醇洗涤，干燥，得石墨烯负载硅锌铝合金。
进一步，所述原料中的溶质氧化石墨烯、氯化锌、偏铝酸钠、偏硅酸钠的质量比为10：2-5：2-5：2-5。
进一步，所述氯化锌水溶液的质量浓度优选为1-2g/ml。
进一步，所述超声的功率为80-100W，频率为20-25KHZ。在超声的条件下搅拌混合，可以活化氧化石墨烯的负载性能，增加其负载量，增加还原剂的反应活性和反应效率、反应程度，有利于减少还原剂在冶炼过程中的添加量。
氧化石墨烯反应后脱氧成为石墨烯，并且负载硅锌铝合金纳米粒子，石墨烯巨大的比表面积可以为金属纳米粒子的负载提供一个优良场所，并且石墨烯的片层结构可以增大与反应物的接触，有效的提高反应速率和效率，可以显著减少还原剂的使用量，金属热还原过程渣量显著减少，钒损降低。
本发明之钒合金还原冶炼还原剂的应用，即将所得还原剂应用于钒铁合金的冶炼，包括以下步骤：将回炉料混合均匀，投入到冶炼炉中进行铝热还原反应，之后电弧加热精炼，停止后随即向熔渣内喷吹铝粉，再次电弧加热精炼，冷却，翻炉分离，即可得到高钒铁合金产品。
回炉料中各原料的重量配比为：三氧化二钒40-45份、还原剂石墨烯负载硅锌铝合金5-10份、五氧化二钒15-20份、B2O3 1-3份，TiO2 1-2份。
所述铝热还原反应和电弧加热都为现有技术。
铝热还原反应过程为：取同规格的钒铁碎料平铺在冶炼炉炉底，之后平铺上铁屑，一次性将反应物料投入冶炼炉内，扒平，撒上镁铝粉，用酒精引燃，进行铝热还原反应，生成钒铁和钒渣。
所述电弧加热时间8～20分钟。
在喷吹铝粉时，旋转喷枪。
本发明工艺简单，操作方便，成本低，所得产品杂质含量低，可以得到含钒量≥80%的高钒铁。
研究表明，石墨烯巨大的比表面积可以为金属纳米粒子的负载提供一个优良场所，并且石墨烯的片层结构可以增大与反应物的接触，有效的提高反应速率和效率，可以显著减少还原剂的使用量，金属热还原过程渣量显著减少，钒损降低。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
本实施例之钒合金还原冶炼还原剂，为石墨烯负载硅锌铝合金。
所述石墨烯负载硅锌铝合金的制备方法，包括以下步骤：
将氧化石墨烯和氯化锌水溶液、偏铝酸钠、偏硅酸钠混合，超声搅拌30分钟，再滴加氢氧化钾溶液，调节pH至8，搅拌均匀，然后于120℃下水热反应4小时，依次采用水、乙醇洗涤，干燥，得石墨烯负载硅锌铝合金。
所述原料中的溶质氧化石墨烯、氯化锌、偏铝酸钠、偏硅酸钠的质量比为10：2：3：5。
所述氯化锌水溶液的质量浓度为1g/ml。
所述超声的功率为80W，频率为20KHZ。在超声的条件下搅拌混合，可以活化氧化石墨烯的负载性能，增加其负载量，增加还原剂的反应活性和反应效率、反应程度，有利于减少还原剂在冶炼过程中的添加量。
氧化石墨烯反应后脱氧成为石墨烯，并且负载硅锌铝合金纳米粒子，石墨烯巨大的比表面积可以为金属纳米粒子的负载提供一个优良场所，并且石墨烯的片层结构可以增大与反应物的接触，有效的提高反应速率和效率，可以显著减少还原剂的使用量，金属热还原过程渣量显著减少，钒损降低。
本发明之钒合金还原冶炼还原剂的应用，即将所得还原剂应用于钒铁合金的冶炼，包括以下步骤：将回炉料混合均匀，投入到冶炼炉中进行铝热还原反应，之后电弧加热精炼，停止后随即向熔渣内喷吹铝粉，再次电弧加热精炼，冷却，翻炉分离，即可得到高钒铁合金产品。
回炉料中各原料的重量配比为：三氧化二钒40份、还原剂石墨烯负载硅锌铝合金5份、五氧化二钒15份、B2O3 1份，TiO2 2份。
所述铝热还原反应和电弧加热都为现有技术。
铝热还原反应过程为：取同规格的钒铁碎料平铺在冶炼炉炉底，之后平铺上铁屑，一次性将反应物料投入冶炼炉内，扒平，撒上镁铝粉，用酒精引燃，进行铝热还原反应，生成钒铁和钒渣。
所述电弧加热时间8分钟。
在喷吹铝粉时，旋转喷枪。
本发明工艺简单，操作方便，成本低，所得产品杂质含量低，可以得到含钒量≥80%的高钒铁。
研究表明，石墨烯巨大的比表面积可以为金属纳米粒子的负载提供一个优良场所，并且石墨烯的片层结构可以增大与反应物的接触，有效的提高反应速率和效率，可以显著减少还原剂的使用量，金属热还原过程渣量显著减少，钒损降低。
本实施例所得高钒铁合金产品中，钒含量为80.23%、硅含量为1.2%、碳含量为0.18%。
实施例2
本实施例之钒合金还原冶炼还原剂，为石墨烯负载硅锌铝合金。
所述石墨烯负载硅锌铝合金的制备方法，包括以下步骤：
将氧化石墨烯和氯化锌水溶液、偏铝酸钠、偏硅酸钠混合，超声搅拌60分钟，再滴加氢氧化钾溶液，调节pH至10，搅拌均匀，然后于150℃下水热反应2小时，依次采用水、乙醇洗涤，干燥，得石墨烯负载硅锌铝合金。
所述原料中的溶质氧化石墨烯、氯化锌、偏铝酸钠、偏硅酸钠的质量比为10：5：2：3。
所述氯化锌水溶液的质量浓度优选为2g/ml。
所述超声的功率为100W，频率为25KHZ。在超声的条件下搅拌混合，可以活化氧化石墨烯的负载性能，增加其负载量，增加还原剂的反应活性和反应效率、反应程度，有利于减少还原剂在冶炼过程中的添加量。
氧化石墨烯反应后脱氧成为石墨烯，并且负载硅锌铝合金纳米粒子，石墨烯巨大的比表面积可以为金属纳米粒子的负载提供一个优良场所，并且石墨烯的片层结构可以增大与反应物的接触，有效的提高反应速率和效率，可以显著减少还原剂的使用量，金属热还原过程渣量显著减少，钒损降低。
本发明之钒合金还原冶炼还原剂的应用，即将所得还原剂应用于钒铁合金的冶炼，包括以下步骤：将回炉料混合均匀，投入到冶炼炉中进行铝热还原反应，之后电弧加热精炼，停止后随即向熔渣内喷吹铝粉，再次电弧加热精炼，冷却，翻炉分离，即可得到高钒铁合金产品。
回炉料中各原料的重量配比为：三氧化二钒45份、还原剂石墨烯负载硅锌铝合金8份、五氧化二钒20份、B2O3 3份，TiO2 2份。
所述铝热还原反应和电弧加热都为现有技术。
铝热还原反应过程为：取同规格的钒铁碎料平铺在冶炼炉炉底，之后平铺上铁屑，一次性将反应物料投入冶炼炉内，扒平，撒上镁铝粉，用酒精引燃，进行铝热还原反应，生成钒铁和钒渣。
所述电弧加热时间10分钟。
在喷吹铝粉时，旋转喷枪。
本发明工艺简单，操作方便，成本低，所得产品杂质含量低，可以得到含钒量≥80%的高钒铁。
研究表明，石墨烯巨大的比表面积可以为金属纳米粒子的负载提供一个优良场所，并且石墨烯的片层结构可以增大与反应物的接触，有效的提高反应速率和效率，可以显著减少还原剂的使用量，金属热还原过程渣量显著减少，钒损降低。
本实施例所得高钒铁合金产品中，钒含量为80.28%、硅含量为1.1%、碳含量为0.17%。
对比例1
本对比例，除将还原剂石墨烯负载硅锌铝合金5份替换为铝粒5份外，其他操作、参数与实施例1相同。结果表明，所添加的铝粒数量不够，造成反应不完全。
本对比例所得钒铁合金产品中，钒含量为70.05%、硅含量为1.6%、碳含量为0.45%。
对比例2
本对比例之制备高钒铁的方法，包括以下步骤：将回炉料混合均匀，投入到冶炼炉中进行铝热还原反应，之后电弧加热精炼，停止后随即向熔渣内喷吹铝粉，再次电弧加热精炼，冷却，翻炉分离，即可得到高钒铁合金产品。
回炉料中各原料的重量配比为：三氧化二钒35份、铝粒30份、五氧化二钒10份、铁屑3份、B2O3 2份，TiO2 1份。
铝热反应过程为：取同规格的钒铁碎料平铺在冶炼炉炉底，之后平铺上铁屑，一次性将反应物料投入冶炼炉内，扒平，撒上镁铝粉，用酒精引燃，进行铝热还原反应，生成钒铁和钒渣。
所述电弧加热时间25分钟。
在喷吹铝粉时，旋转喷枪。
本对比例所得高钒铁合金产品中，钒含量为80.05%、硅含量为1.1%、碳含量为0.17%。可见，如果采用铝粒作为还原剂，需要添加铁粉，还原剂的用量也要增加，才能达到与本发明相当的效果。

Claims (4)

1.一种钒合金还原冶炼还原剂的应用，即将所得还原剂应用于钒铁合金的冶炼，其特征在于，包括以下步骤：将回炉料混合均匀，投入到冶炼炉中进行铝热还原反应，之后电弧加热精炼，停止后随即向熔渣内喷吹铝粉，再次电弧加热精炼，冷却，翻炉分离，即可得到高钒铁合金产品；
回炉料中各原料的重量配比为：三氧化二钒40-45份、还原剂石墨烯负载硅锌铝合金5-10份、五氧化二钒15-20份、B2O3 1-3份，TiO2 1-2份；
所述石墨烯负载硅锌铝合金的制备方法，包括以下步骤：
将氧化石墨烯和氯化锌水溶液、偏铝酸钠、偏硅酸钠混合，其中的溶质氧化石墨烯、氯化锌、偏铝酸钠、偏硅酸钠的质量比为10：2-5：2-5：2-5；超声搅拌30-60分钟，再滴加氢氧化钾溶液，调节pH至8~10，搅拌均匀，然后于120-150℃下水热反应2-4小时，依次采用水、乙醇洗涤，干燥，得石墨烯负载硅锌铝合金。
2.根据权利要求1所述的钒合金还原冶炼还原剂的应用，其特征在于，得到含钒量≥80%的钒铁合金。
3.根据权利要求1或2所述的钒合金还原冶炼还原剂的应用，其特征在于，所述石墨烯负载硅锌铝合金的制备方法中，氯化锌水溶液的质量浓度为1-2g/ml。
4.根据权利要求1或2所述的钒合金还原冶炼还原剂的应用，其特征在于，所述石墨烯负载硅锌铝合金的制备方法中，所述超声的功率为80-100W，频率为20-25KHZ。
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