釩鋁合金生產(chǎn)過程中釩收率影響因素的探討

李建兵，李曉東

（中色（寧夏）東方集團有限公司，寧夏石嘴山 753000）

釩鋁合金具有很高的硬度、彈性、耐酸堿性等優(yōu)點，主要用作制備鈦合金、高溫合金的中間合金及某些特殊合金的元素添加劑［1～3］。在鈦合金中釩是一種很強的β穩(wěn)定劑，能改變合金的耐熱和冷加工性能，使得合金具有良好的焊接性能和機械強度，被廣泛用于軍事工業(yè)、航空航天工業(yè)等。釩鋁合金的生產(chǎn)工藝主要有“一步法”（鋁熱法）和“兩步法”（鋁熱法和真空感應爐加鋁重熔）兩種，而國內(nèi)大多數(shù)企業(yè)采用工藝比較簡便且成本低廉的“一步法”生產(chǎn)釩鋁合金。與“兩步法”生產(chǎn)工藝相比，“一步法”工藝生產(chǎn)的釩鋁合金產(chǎn)品的均勻性稍差，雜質(zhì)元素含量較高，所以通常用于民用鈦合金材料的添加劑［4，5］。

試驗主要針對“一步法”生產(chǎn)釩鋁合金過程中金屬釩收率偏低的問題，分別從不同原材料、不同單位反應熱量、不同渣系材料、不同爐型尺寸對釩收率的影響進行了研究，解決了釩鋁合金生產(chǎn)過程存在的主要問題，提高了釩收率。

1 試驗條件與方法

1.1 試驗原理

采用V2O5、鋁粉為主要原料，依據(jù)金屬熱還原的原理，通過配入不同比例的鋁粉，生產(chǎn)出不同牌號的釩鋁合金產(chǎn)品，具體生產(chǎn)工藝如圖1所示。鋁熱法生產(chǎn)釩鋁合金的熱量完全依靠金屬鋁與V2O5反應過程中的自身放熱。加入少量造渣劑用于改變爐渣的成分，降低其熔點和粘度，改善其流動性能。

圖1 釩鋁合金生產(chǎn)工藝流程圖

主要化學反應為［6］：

1.2 主要原材料

試驗所用原材料主要有五氧化二釩、鋁粉、氧化鈣、氟化鈣，為了降低反應過程單位反應熱量，配料時還要加入一定量的碎合金作為冷卻劑。試驗過程中先后采用2種不同五氧化二釩和2種不同鋁粉，原材料化學成分見表1～表4。

表1 五氧化二釩化學成分 %

表2 鋁粉化學成分 %

表3 氧化鈣化學成分 %

表4 氟化鈣化學成分 %

1.3 試驗方法

將原料V2O5、氧化鈣、氟化鈣稱好重量后，放入烘箱中120℃烘干6 h，再配入一定量的鋁粉和合金碎料，加入混料機中混合均勻，投入事先準備好的爐體中，鋪平壓實，撒少量鎂屑，用酒精引燃反應。反應結(jié)束后，自然冷卻48 h精整出爐，將合金表面的粘渣清理干凈，放入拋丸機中將合金表面的雜質(zhì)和氧化層去除，再經(jīng)過破碎、篩分、分揀、包裝、檢驗等工序，得到釩鋁合金產(chǎn)品。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同原材料對釩收率的影響

試驗過程中先后采用2種不同V2O5和2種不同鋁粉進行試驗。V2O5-1是某進口氧化釩，雜質(zhì)含量低，V2O5含量超過99.0%。V2O5-2是國內(nèi)某廠家生產(chǎn)氧化釩，雜質(zhì)含量低，V2O5含量為98.5%以上，能夠滿足釩鋁合金生產(chǎn)。鋁粉-1和鋁粉-2是國內(nèi)不同2家鋁粉企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品，從化學成分上對比相差無幾，主要是生產(chǎn)工藝的差異，鋁粉-1的活性優(yōu)于鋁粉-2。試驗結(jié)果見表5。

表5 不同原材料試驗結(jié)果

從表5可以看出，1＃采用的是99.5%的V2O5和高活性的鋁粉，效果最好，釩收率達到98.22%。采用99.5%V2O5和相對較低活性的鋁粉以及98.5%V2O5和高活性的鋁粉搭配，效果也可以，產(chǎn)品收率也超過97%。但用98.5%V2O5與相對較低活性的鋁粉搭配就不太理想，產(chǎn)品收率只有93%左右，主要是V2O5含量較低，鋁粉活性不夠，反應速度太慢，熱量聚集不起來，導致一部分釩進入渣中而損失。另一方面由于V2O5-2中的K、Na雜質(zhì)偏高，反應過程中會造成噴濺，也會導致釩的損失。

2.2 單位反應熱量對釩收率的影響

單位反應熱量應該保證還原反應的充分進行，使反應放出的熱量能夠完全熔化并過熱所生成的產(chǎn)物，從而使合金相和渣相得到良好的分離［7］。產(chǎn)品收率與單位反應熱量之間的關系如圖2所示，從圖2可以看出，單位反應熱量低于3 000 kJ/kg時，釩收率較低，不到94% 。隨著單位反應熱量的提高，產(chǎn)品收率呈逐步提高的趨勢，當單位反應熱量達到3 200 kJ/kg時，冶煉過程釩收率最高超過98%。主要是由于單位反應熱量越來越高，溫度也越來越高，原料形成熔融體越充分，金屬與金屬氧化物之間的擴散越充分，還原反應也越完全，產(chǎn)品收率也越高。之后再提高單位反應熱量時，產(chǎn)品中釩收率不再增加反而呈下降趨勢。主要原因為隨著單位反應熱量的增高，飛濺損失和噴濺量增加，降低了產(chǎn)品收率。

圖2 產(chǎn)品收率與單位反應熱量之間的關系

由于釩鋁合金生產(chǎn)過程中會產(chǎn)生-1 mm合金碎料，需要生產(chǎn)過程回吃。實踐中在確保產(chǎn)品收率的前提下盡可能多地回吃合金碎料，使生產(chǎn)處于一種健康穩(wěn)定的狀態(tài)，單位反應熱量一般控制在3 100～3 200 kJ/kg。

2.3 不同渣系材料對釩收率的影響

在釩鋁合金冶煉過程中，熔渣的主要成分為Al2O3，其熔點為2 050℃，不利于合金和渣的分離。在生產(chǎn)過程中往往要添加部分造渣劑，改善渣系的性能，使合金與渣充分分離，提高產(chǎn)品收率［8］。

在試驗過程中分被采用Al2O3-CaF2渣系和Al2O3-CaO-CaF2渣系進行試驗，試驗結(jié)果見表6。

表6 不同渣系材料試驗結(jié)果

從表6中可以看出，采用Al2O3-CaF2渣系，產(chǎn)品收率較低。主要原因是反應過程生產(chǎn)的Al2O3熔點較高，雖然加入CaF2改善渣系的流動性，但渣還是容易凝固，渣在高溫熔融狀態(tài)持續(xù)時間較短，部分合金顆粒來不及沉降渣就凝固，被夾雜在渣中，造成產(chǎn)品收率過低。在渣系中再加入一定量的CaO，降低渣系的熔點，使渣系在高溫熔融狀態(tài)持續(xù)更長時間，使合金和渣充分分離，盡可能使所有的合金液滴都能夠沉降，收率自然會提高。采用Al2O3-CaOCaF2渣系生產(chǎn)釩鋁合金得到的釩鋁渣，渣中非常干凈，基本沒有合金粒。

2.4 不同尺寸爐體對釩收率的影響

不同尺寸爐體對產(chǎn)品收率有很大的影響，試驗過程中先后采用Φ400 mm×400 mm、Φ600 mm×600 mm、700 mm×700 mm×1 000 mm、1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm 4種型號的爐體進行試驗，具體試驗結(jié)果見表7。

表7 不同尺寸爐體試驗結(jié)果

從表7可以看出，隨著爐體尺寸的增大，V2O5投料量的增加，產(chǎn)品收率逐步增加，當爐體尺寸增大至700 mm×700 mm×1 000 mm，V2O5投料量增加到200 kg時，產(chǎn)品收率超過98%，且合金中的雜質(zhì)含量低，合金致密無偏析。再增加爐體尺寸和V2O5投料量時，產(chǎn)品收率不增加反而降低。當V2O5投料量低于200 kg，隨著爐型尺寸的變大，V2O5投料量的增多，單位熱損失越小，熱密度相對越高，反應時的熱量容易聚集起來，有利于合金沉降，產(chǎn)品收率越來越高。當采用1 000 mm×1 000 mm×1 000 mm的爐體、300 kg V2O5投料量時，反應過程相對較劇烈，噴濺較多，渣和合金處于熔融狀態(tài)的時間較長，產(chǎn)品中偏析較厚，合金成分不均勻。

3 結(jié) 語

1.采用不同原料生產(chǎn)釩鋁合金時，99.0% V2O5適應性比較強，大部分鋁粉都能滿足要求。98.5%V2O5由于含量相對較低，必須選用活性較好的鋁粉，才能夠獲得高的釩收率。

2.生產(chǎn)釩鋁合金過程中，單位反應熱量控制在3 100～3 200 kJ/kg，采用Al2O3-CaO-CaF2渣系，采用700 mm×700 mm×1 000 mm的爐體，V2O5投料量為200 kg時，釩收率可以超過98%。