（钢铁冶金专业论文）酸性钒钛渣还原及高硅铁水提钒的动力学研究.pdf

_i1 _ i f l l i j i ad i s s e r t a t i o ni nf e r r o u sm e t a u r g y k i n e t i c so f a c i dv a n a d i u m t i t a n i u ms l a g r e d u c t i o na n dv | a n a d i u me x t r a c t i o nf r o mh o t m e t a lw i t hh i g hsi l i c o n b yw a n gc a i y a n s u p e i s o r ：p r o f e s s o rz h um i a o y o n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u n e2 0 0 8 毒 - i - ( l 一 1 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中 取得的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表 或撰写过的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确 的说明并表示谢意。 7 学位论文作者签名：王幺i 靶 日 期：础7 y 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、使用学 位论文的规定：即学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的 复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学可以将学 位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索、交流。 ( 如作者和导师不同意网上交流，请在下方签名；否则视为同意。) 学位论文作者签名： 签字日期： 导师签名： 签字日期： ， + ， = j 、 一 ， i i 酸性钒钛渣还原及高硅铁水提钒的动力学研究 摘要 铁浴法熔融还原具有传质条件好、反应速度快、冶炼周期短等优点，为冶炼钒钛 磁铁矿丌辟了一条新途径。对含钒铁水进行氧化提钒，得到高品位钒渣有利于钒资源 的高效利用。 本文实验研究了碳饱和铁液和c a o f e o s i 0 2 - t i 0 2 - a 1 2 0 3 - m g o - v 2 0 5 渣系中钒、 钛氧化物的还原规律，并运用双膜理论建立了钒钛氧化物还原的动力学模型，获得了 温度1 5 8 0 ，渣铁比1 ：4 ，初始v 2 0 5 含量1 9 ，初始t i 0 2 含量4 5 的条件下，钒、 钛氧化物还原反应的速率方程，即d ( v 2 0 3 ) d t = 4 9 l 1 0 4 ( v 2 0 3 ) 一4 9 9 1 0 一， d ( t i 0 2 ) d t = 6 8 4 1 0 巧( t i 0 2 ) 2 9 0 l o 一。发现在钒还原反应达到平衡之前，钒钛的 还原均为表观一级反应，表观活化能分别为3 7 0 9 4 l ( j m o l 和1 9 3 7 6 k j m o l ，反应的限 制性环节为渣中钒、钛的扩散。理论模型与实验数据基本吻合，所提出数学模型较真 实地反映实验规律。 运用模型分析了反应时问、温度、渣铁比等因素对钒钛氧化物还原的影响，获得 了以下结论：( 1 ) 钒优先于钛还原，1 5 8 0 时，钒的还原在1 0 0 m i n 左右即可达平衡， 而钛的还原远没有达到平衡。要使得钒的还原率大于8 0 ，反应时间应长于6 0 m i n 。 但为了抑制t i 的还原，反应时间也不宜太长，反应时间应控制在6 0 8 0 m i n 。( 2 ) 温度 越高，对钒和钛的还原越有利。为了达到扬钒抑钛的目的，温度应控制在1 5 4 0 1 5 8 0 。( 3 ) 较小的渣铁比对钒、钛的还原都会有促进作用，但是对钛的影响较大，应控制 在l ：4 左右。( 4 ) 渣中初始v 2 0 5 含量的提高和t i 0 2 含量的降低，都会促进钒的还原。 本文还实验研究了高硅含钒铁水( v ：o 2 o 4 ，s i ：o 6 1 o ) 被氧化的动力学规 律，并考察了温度、铁水中初始s i 、v 含量等因素对钒氧化的影响。实验表明：( 1 ) 在1 3 5 0 时，钒的氧化在2 0 2 5 m i n 即可达到平衡，氧化率为8 8 。( 2 ) 温度的提高， 会加速钒的氧化，但当温度大于碳钒转化温度时，钒会发生逆还原反应，综合考虑温 度应控制在1 3 5 0 1 4 0 0 。( 3 ) 铁水中初始v 含量和f e 2 0 3 质量的增加，都会促进钒 的氧化。铁水中s i 含量的增加会钒的氧化有抑制作用。( 4 ) 钒的氧化为表观一级反应， 表观活化能为1 2 2 4 7 k j m o l ，反应的限制性环节为渣中钒的扩散。 关键词：酸性钒钛渣，动力学模型，含钒铁水，提钒 i - 1 - c 1 0 ， j 、 k i n e t i c so f a c i dv r a n a d i u m t i t a n i u ms l a gr e d u c t i o na n d v a n a d i u me x t r a c t i o nf r o mh o tm e t a lw i t hh i g hs i l i c o n a bs t r a c t s m e l t i n g r e d u c t i o nw i t hi r o nb a t hc a n e x p l o r c an e w w a y f o r r e f i n i n g v 锄a d i 啪t i t a n i u mm a g n e t i t eb e c a u s eo fi t sg o o dc o n d i t i o nf o rm a s st r a n s f e r f a s tr e a c t i o n r a t ea n ds h o nr e f i n i n gt i m e a n d 如n h e 肿o r e ，h i g h 一黟a d ev a n a d i 啪s l a go b t a i n e d 矗o m o x i d a t i o no f v - b e a r i n gh o tm e t a lc a nr e a l i z et h ee 伍c i e n tu t i l i z a t i o no f v a n a d i u mr e s o u r c e t h er e d u c t i o no fv a n a d i u mo x i d ea n dt i t a n i u mo x i d eb e t w e e i lc a 而o ns a t u r a t e dm o l t 铋 i r o na n dc a o f e o s i 0 2 一t i 0 2 一a 1 2 0 3 - m g o v 2 0 5s l a gw a ss t u d i e de x p e r i m e n t a l l y ；a n do n e k i n e t i cm o d e l t od e s c 曲et h er e d u c i n gp r o c e s so fv a n a d i u ma n dt i t a n i 啪w a se s t a b l i s h e d a c c o r d i n gt ot h ed o u b l e 一6 l mt h e o w h e n t h et e m p e r a t u r ei s15 8 0 ，i r o n s l a gr a t i oi s1 ：4 ， o r i g i n a lv 2 0 sc o n t e n ti s1 9 ，o r i 西n a lt i 0 2c o n t e n ti s4 5 ，m er e d u c t i o nr a t ee q u a t i o n s f o rv 锄a d i 啪o x i d ea n dt i t a n i u mo x i d ea r e d ( v 2 0 3 ) d t = 4 9 1 l0 4 ( v 2 0 3 ) 4 9 9 lo 一， d ( t i 0 2 ) d t = 6 8 4 1o 巧( t i 0 2 ) 2 9 0 1o 。r e s p e c t i v e ly b o t ho ft h er e a c t i o n s a r et h e a p p a r e n tf i r s tc l a s s ，a n dt h el i m i t i n gs t 印s a r et h ed i m i s i o no fv 锄a d i u m 柚dt i t a n i 啪i n s l a g t h ea p p e a r a n c ea c t i v a t i o nf o rm e s et w or e a c t i o n si s3 7 0 9 4 k j ，m o l 锄dl9 3 7 6 k j m o l r e s p e c t i v e l yb e f o r et h ev a n a d i u mr e d u c t i o nr e a c h e se q u i l i b r i u m t h ec a l c u l a t e d v a l u e s b a s i c a n ya 伊e ew i t ht h ee x p e r i m e n tv a l u e s ，t h e r e f o r et h em a t h e m a t i c a lm o d e lc a n r e v e a l t h er e a le x p 甜m e n tm l e b a s eo nt h ek i n e t i c sm o d e l ，t h ei n f l u e n c e so fs o m ef a c t o r si n c l u d i n gt e m p e r a r u r e ， i r o n s l a gr a t i oa n dr e a c t i n gt i m eo nt h er e d u c t i o no fv 狮dt iw e r ei n v e s t i g a t e d i h er e s u l t s s h o wt h a tt h er e d u c t i o no fvi sq u i c k l yt h a nt i a tl5 8 0 t h er e a c t i o no fvr e d u c t i o nc a n r e a c ht h eb a l a n c ew h i l et ic o u l dn o t h i g ht e m p e r a t u r ea n ds m a l li r o n s l a gr a t i oa r eb o t h b e n e 6 c i a l t ot h er e d u c t i o no fva n dt i ，s of o rt h ec o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o nt h eo p t i o n a l c o n d i t i o n sf o rt h er e d u c t i o na r ea sp r e s e n t e df o l l o w s ：t e m p e r a t l j r e15 4 0 15 8 0 ，r e a c t i o n t i m e6 0 8 0 m i n ，r a t i oo fi r o na n ds l a gl ：4 i ta l s os h o w st h a th i g ho r i 舀n a lv 2 0 5c o n t e n ta n d l o wo r i g i n a lt i 0 2c o n t e n tc a nm a k et h ev r e d u c i n gr e a c t i o nf a s t a sw e l la st h eo x i d a t i o nk i n e t i c so fh i g hs i l i c o nh o tm e t a lc o n t a i n i n gv a n a d i u m o x i d i z e db yf b 州co x i d ew a ss t u d i e d t h ei n f l u e n c e so fs o m ef a c t o r si n c l u d i n gt e m p e r a t u r e ， i i l 东北大学硕士学位论文a b s t l u c t i n i t i a lc o n t e n to fs i l i c o na n dv a n a d i u mi nh o tm e t a lo no x i d a t i o no fv a n a d i u mw e r e i n v e s t i g a t e d t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo x i d a t i o no fv a n a d i u mr e a c h e se q u i l i b r i 啪i n 2 ( 卜2 5 m i na n dt h eo x i d a t i o nr a t ei s8 8 i ta l s oi n d i c a t e st h ei n c r e a s i n gi n i t i a lc o n t e n to f v a i l a d i u ma n da d d i t i v eo ff e 2 0 3c a np r o m o t et h eo x i d a t i o no fv a n a d i u m h o w e v e r t h e i n c r e a s i n gs i l i c o ni nh o tm e t a lw i l lr e s t r a i nt h eo x i d a t i o no fv a n a d i u m h i g ht 锄p e r a t u r e w i l lb eh e l p 如lt ot h eo x i d a t i o no fv a n a d i u mw h i l ei tw i l li n d u c et h eg e g e n r e a c t i o no f v a l l a d i u mi ft h et e m p e r a t u r ei s h i 曲e rt h 卸c a r b o n v a n a d i u mc o n v e n i n gt 锄p e r a t u r e ， 、 t h e r e f o r e ，w i t ht h ec o m p r e h e n s i v ec o n s i d e r a t i o n ，t h et 锄p e r a m r es h o u l db ec o n t r o l l e di n t h er a n g eo f13 5 0 a n d14 0 0 t h er e s u l t ss h o wt h a tt h eo x i d a t i o no fv a n a d i u mi s 觚 - a p p a r e n t6 r s t o r d e rr e a c t i o na i l d t h ea p p a r e n ta c t i v a t i o ne n e r g yi s12 2 4 7 l ( j m o lw h i c h i n d i c a t e st h a tt h ed i 觚s i o no fv a n a d i u mo x i d ei ns l a gi st h er e s t c t i v es t e po ft h eo x i d a t i o n k e y w o r d s ：a c i dv 锄a d i u i n t i t a n i 啪s l a g ，k i n e t i c sm o d e l ，v 觚a d i u m b e a n gh o tm e t a l ， v 锄a d i u me x t r a c t i o n 、 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明1 摘要l l a b s t r a c t 。i l i 第l 章绪论1 1 1 钒钛矿的概况1 1 1 1 钒钛矿的资源优势1 1 1 2 钒钛矿的用途2 1 1 3 攀钢钒钛磁铁矿综合利用现状。2 1 1 4 钒钛渣还原动力学的基础研究6 1 2 钒提取冶金的工艺及现状8 1 2 1 钒的性质和用途8 1 2 2 钒提取的主要方法9 1 2 3 攀钢从钒钛磁铁矿提取钒的工艺概述1 1 1 2 4 钒提取基础研究。1 4 1 3 研究的意义和内容1 5 1 3 1 研究意义1 5 1 3 2 研究内容1 6 第2 章酸性钒钛渣还原的动力学研究1 7 2 1 实验方法。1 7 2 1 1 实验原料1 7 2 1 2 实验装置l7 2 1 3 反应方法的选择1 8 2 1 4 实验步骤和分析方法1 9 2 2 实验结果与讨论19 2 2 1 渣中v 价态的确定1 9 2 2 2 不同温度下钒氧化物、钛氧化物的还原规律2 0 2 3 钒钛渣中钒还原动力学模型的建立2 2 2 3 1 模型的建立2 2 2 3 2 模型的实验验证2 6 v 东北大学硕士学位论文目录 2 4 钒钛渣中钛还原动力学模型的建立3 2 2 4 1 模型的建立一3 2 2 4 2 模型的实验验证3 4 2 5 本章小结3 8 第3 章高硅铁水提钒的动力学研究3 9 3 1 实验方法3 9 3 1 1 实验原料3 9 3 1 2 实验装置3 9 3 1 3 实验步骤和分析方法3 9 3 2 实验结果与讨论4 0 3 2 1 高硅铁水钒一碳选择性氧化临界温度的热力学计算一4 0 3 2 2 各因素对高硅铁水提钒的影响4 2 3 2 3 高硅铁水提钒的动力学分析4 6 3 3 本章小结4 7 第4 章结论4 9 参考文献51 蜀【 谢5 5 文中包含图、表、公式及文献5 6 v l 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 钒钛矿的概况 1 1 1 钒钛矿的资源优势 第1 章绪论 钒钛矿是一种多金属元素共生的复合矿，主要物质是以铁、钛共生的钛磁铁矿， 钒绝大部分以类质同象结构赋存于钛磁铁矿中，因此该矿种国内外通常称为含钒的钛 磁铁矿。 钒钛磁铁矿在世界上的储量很大( 约2 0 0 亿吨) ，分布极广，主要有俄罗斯卡契 卡纳尔矿、南非布什维尔德矿、澳大利亚科茨矿、挪威特尔尼斯矿、新西兰塔哈罗矿、 中国攀枝花矿等，其冶炼历史已有1 0 0 多年了。近年来由于普通矿藏的储量随着开采 使用逐年减少，就使得如何充分开发利用钒钛磁铁矿显得同益重要。到目前为止，已 较大量开采并得到利用的，仅中国攀枝花矿、俄罗斯卡契卡纳尔矿、新西兰瓦卡托矿、 南非马波奇矿等少数矿藏【l l 。 中国的钒钛磁铁矿，主要分布于四川的攀枝花一西昌地区，其次是河北承德地区 和安徽马鞍山地区等。如表1 1 所示【2 】。攀枝花地区蕴藏着丰富的钒钛磁铁矿资源， 已探明的钒钛磁铁矿为1 0 0 亿吨，占全国的钒钛磁铁矿总储量的8 3 2 ，占全国铁矿 总储量的2 0 ，是中国的第二大矿区；而整个攀西地区的储量占全国总储量的9 5 以 上；钒的储量为1 5 8 0 万吨，占全国钒资源储量的6 6 2 ，占世界钒资源储量的1 1 6 ； 钛资源为8 7 亿吨，分别占我国、世界钛资源储量的9 0 5 4 和3 5 1 7 【3 j 。 表1 1 我国钒钛磁铁矿储姑分布情况 t a b l e1 11 1 1 ed i s t r i b u t i 伽o fv a n a d i u m t i t a n i u mm a g n e t i t er e s e r v e si nc i l i n a 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 1 1 2 钒钛矿的用途 从世界范围看，目前已开采并经选别的钒钛磁铁精矿，依据其矿种特性的不同， 主要有三种用途【4 】：一是用作高炉炼铁的原料，回收铁和钒，如中国攀钢、承钢、俄 罗斯下塔吉尔钢厂等；二是用作回转窑直接还原的原料，后步经电炉熔化还原后回收 铁和钒，如南非海威尔德和新西兰钢铁公司等；三是精矿中t i 0 2 含量很高，用作电 炉冶炼高钛渣的原料，主要目的是回收钛，铁作为副产品回收，如加拿大q l t 等【5 1 。 无论是哪种用途，都没有实现钒钛磁铁矿中铁、钒、钛元素的同时回收利用，从而造 成资源浪费。因此，研究钒钛磁铁矿的铁、钒、钛元素同时回收利用技术，实现资源 的深度开发与充分利用，具有重要意义。 1 1 3 攀钢钒钛磁铁矿综合利用现状 1 1 3 1 我国攀西地区钒钛磁铁矿的特征 攀西地区丰富的钒钛磁铁矿资源，以红格矿为中心，南有攀枝花铁矿，北有白马 矿和太和矿四大矿藏，形成了一个南北长约3 0 0 公里，储量达1 0 0 亿吨，约占世界含 钛铁矿储量5 0 的特大成矿带，是我国三大铁矿之一【6 1 。攀西地区的钒钛磁铁矿是一 种以f e 、v 、t i 为主，并伴有少量c r 、n i 、c o 、g a 、s c 及p t 族等多种可综合利用元 素的复合共生矿资源，攀西地区钒钛磁铁矿的主要成分如表1 2 所示。 表1 2 攀西地区钒钛磁铁矿的主要成分( ) t a b l e1 2c o m p o s i t i o n so fv a n a d i u m t i t a n i u mm a 鲫e t i t ei np a nx ia 嘲( ) 其中t f e 2 0 的为表内矿，t f e o 1 m m 占7 2 ) 的含钛铁矿砂( t f e5 7 、 t i 0 28 、v 2 0 50 4 ) ；预还原前经多膛焙烧炉焙烧( 用于干燥炉料：将炉料预热到6 0 0 左右；脱去煤的挥发分作为燃料) 。由电炉获得的铁水成分为：c3 5 、s i0 2 、t io 2 、 m n0 3 、so 0 4 、po 1 、vo 4 5 。吹炼所得钒渣成分中v 2 0 51 8 2 0 。 南非和新西兰流程的优缺点： ( 1 ) 两厂使用的原料条件均比攀钢好。南非钒钛矿中的钒含量较高，钛含量与攀钢 相当或略高于攀钢。新西兰钒钛矿中钛含量低，但铁含量高，铁钛总量已达到9 0 以 上，如按扣除铁后钛在脉石中的含量计，与攀精矿基本相当，约为4 5 4 8 。在此 原料条件下，两厂选择的“回转窑直接还原一电炉还原熔分一铁水提钒 工艺流程均 只回收了铁和钒而没有回收钛，说明该工艺流程在目前技术水平下只适宜回收铁和 钒，对于综合回收铁、钒、钛是没有生命力的或不具备经济优势。 - 5 气 窑：空，暾畎同孔 一 笏卜 砂 矿煤 队 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 ( 2 ) 两厂的回转窑直接还原均定位在钒钛矿预还原上，金属化率都没有超过8 0 ， 一方面说明了钒钛矿是比较难还原的矿种，采用回转窑直接还原，达到较高水平的金 属化率有一定的问题。另一方面也说明了在“回转窑直接还原一电炉还原熔分”工艺 中没有必要将回转窑工序的金属化率做到9 0 以上( 商品d r l 水平) ，回转窑7 0 8 0 的金属化率水平对于整条工艺流程而言是适宜的和经济的。 ( 3 ) 为了保证电炉还原熔分工艺的顺行，两厂均在还原熔分过程中进行了调渣，外 加了大量渣料，造成了熔分渣中t i 0 2 含量的大幅度下降( 南非熔分渣中t i 0 2 含量由理 论的5 1 降低到3 2 ，新西兰由理论的4 8 降低到3 3 3 5 ) 。对于t i 0 2 含量 3 2 3 5 的熔分渣，目前尚无经济方法能够提取回收渣中的钛，此其一；其二，钒大 部分还原进入铁水后，熔分渣中还含有o 5 o 9 的残余v 2 0 5 ，与“钛精矿或酸溶性 钛渣中v 2 0 5 含量 2 ) 经转炉吹炼得到的高品位钒渣，认为 反应分两个阶段进行，初期为快反应阶段，反应级数大于l ，且小于2 ，控速环节为界 面化学反应，活化能e l = 1 6 5 7 7 l ( j m o l ；后期为慢反应阶段，反应级数小于并接近于l ， 6 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 此时渣中( v ) 的减少使传质驱动力变小，钢中【v 】的增加使铁水的粘度增加，传质阻力变 大，故认为此阶段反应受v 在熔渣或会属侧的传质控制，活化能e 2 = 2 7 3 7 9 k j m o l 。 曼 零 丫 甜p 妒删l - 图1 4 _ d ( v 2 0 5 ) d t 与( v 2 0 5 ) 一【v 】l 的关系 f i g 1 4t h er e l a t i o n s h i pb e t w e e n - d ( v 2 0 5 ) d ta n d ( v 2 0 5 ) - 【v 】l ” x c v 图1 5l ( v 2 0 3 ) 与t 的关系 f i g 1 5t l l l e 代l a t i o n s h i pb e t w e e nl “v 2 0 3 ) a n dt 1 1 4 2 钛氢化物还原动力学研究 詹庆霖等2 0 】在控制仅渣中t i 0 2 能被还原的条件下，测定了1 4 3 0 一1 5 5 0 时渣系 t i 0 2 ( 3 5 ) - c a o - s i 0 2 a 1 2 0 3 一m g o ( 碱度为l 1 4 ) 中t i 0 2 还原反应的速度，计算出此还 原反应的活化能e = 7 3 1 k c a l m o l 。杜鹤桂等2 。1 测定了t i 0 2 c a o s i 0 2 a 1 2 0 3 m g o ( 碱 7 - 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 度为0 6 1 3 ，s i 0 2 含量为2 0 3 5 ) 渣系中t i 0 2 在石墨坩锅中还原反应的速度。研 究表明t i 0 2 在渣一铁间的还原反应，当渣中s i 0 2 茎3 0 时，反应前期级数大于l ，控 速步骤为界面上的化学反应；反应后期级数小于1 ，控速步骤为对流扩散。当渣中 s i 0 2 3 0 时，反应前后期的级数都小于1 ，控速步骤都为对流扩散。渣中钛还原前、 后期活化能分别为e l = 2 3 1 8 k j m o l ，e 2 = 3 3 9 9 k j m o l 。沈峰满等1 2 2 】研究了 1 4 8 0 1 6 0 0 下，渣系t i 0 2 一c a o s i 0 2 - a 1 2 0 3 ( 1 2 ) m g o ( 8 ) ( 碱度为0 9 5 1 1 5 ) 与铁 液之问钛的行为，结果表明在实验条件下，钛从熔渣向铁液内迁移时受钛离子在渣中 扩散的控制，整个迁移过程的表观级数为准零级，表观活化能为6 2 k c a l m o l 。孙海平 等【乃j 研究了1 4 2 0 1 6 5 0 下，碳饱和铁水的渣系t i 0 2 c a o a 1 2 0 3 中t i 0 2 的还原反 应，得出如下结果：渣中的t i 0 2 在碳还原的情况下，铁水中的钛浓度呈直线上升， 如图1 6 所示。反应级数为零级，界面化学反应是还原反应的限制性环节，反应活化 能为2 3 0 k j m o l 。刘天中、王大光等【2 4 】研究了碳饱和铁液与c a o s i 0 2 t i 0 2 系熔渣问 t i 0 2 的还原，研究表明t i 0 2 的还原反应为二级反应，还原反应产生的c o 气泡对熔渣 产生环流作用，反应的限速环节为渣中t i 4 + 的扩散传质，反应的表观活化能为 6 6 6 k c a l l t l o l 。在实验研究的碱度范围内，升高碱度和温度都会使t i 4 + 在渣铁间的分配 比降低。 图1 6 在1 5 5 0 时金属中钛成分随时问的变化 f i g 1 6n e v 撕e t i 鹳o ft ic o n t 伽ti nm o l t 锄i r o nw i t l ir e a c t i 伽t i m ea tl5 5 0 1 2 钒提取冶金的工艺及现状 1 2 1 钒的性质和用途 金属钒呈蔚灰色，与铌、钽同属元素周期表第五族副族，是过渡元素之一。金属 - 8 东北大学硕士学位论文 第1 章绪论 钒的密度为6 1 1 1 0 3 k m 3 ，熔点为1 9 2 6 士2 ，沸点为3 0 0 0 。因此钒是稀有高熔点 余属，而密度却是十个高熔点金属中最轻的【2 5 】。钒的传热性能比其它余属差。钒的线 膨胀系数也比其它金属小，钒的顺磁性极弱，电阻较高。钒的比强与钢相近，因此它 可用作新的结构材料。 钒有+ 2 、+ 3 、+ 4 、+ 5 等四种常见的原子价，其中以五价状态最为稳定，其次为四 价状态，二价和三价都不稳定。钒在低于2 5 0 0 时对空气是稳定的，但长久存放后， 表面由蓝灰色变成黑棕色。钒在空气中3 0 0 0 开始氧化，v 与0 2 能生成一系列氧化物： v o 、v 2 0 3 、v 0 2 和v 2 0 5 等，己知：还存在有v 6 0 1 3 、v 8 0 1 5 、v 7 0 1 3 、v 6 0 l l 、v 5 0 9 、v 4 0 7 、 v 3 0 5 等多种氧化物。当温度提高到5 0 0 时，钒在氢气氛中可以大量的吸收氢，由此变 脆使之粉化。温度超过9 0 0 时，钒与氮反应能生成v 3 n 和v n 两种稳定的氮化物。钒和 碳有很大的亲和力，在8 0 0 l o o o 时可以组成固溶体和形成两种碳化物：v 2 c 和v c 。 并且钒和硫能生成v 2 s 5 、v 2 s 3 、v 2 s 2 等三种硫化物，其中最稳定的是v 2 s 2 。在熔融铁液 中加入钒，可以大大增加铁液中氢的溶解度。钒对稀硫酸、盐酸和磷酸是比较稳定的。 对硝酸和氢氟酸则溶解。钒对自来水的耐蚀性很好，对适当浓度的盐水( 海水) 是稳定的。 钒和几种特殊的钒合金对液态易溶金属和合金，特别是对反应堆中作冷却和传热介质 的碱金属具有良好的耐腐蚀性【2 5 1 。 基于优越的物理化学性质，钒有着广泛的应用。钒的熔点高，塑性好，有延展性， 比较容易加工成板材、箔材和线材：钒具有较高的冲击值、良好的焊接性和传热性， 对海水、碱溶液、有机酸和无机酸有较好的抗腐蚀性能，可用作船舶的结构材料和化 学容器、无缝薄壁管等的材料；钒具有较好的核物理性制2 6 1 。钒还可用于磁性材料和 多种合金的生产；钒用于冶金与材料工业时，其中约有9 0 用于钢铁工业，约7 1 0 应用于钛工业，主要用于钛合金。钒在化学工业中主要用作催化剂；钒的化合物在玻 璃工业和陶瓷工业中用作染色剂，用在油漆中有快速干燥的性能，可以在物件表面上 生成结实、均匀和不起皱纹的薄层；钒在能源工业中主要应用于核聚变和钒电池。 1 2 2 钒提取的主要方法 1 8 6 7 年英国化学家罗斯科用氢还原v c l 3 首次制得金属钒【2 7 】。目前从矿石中提取、 制取v 2 0 5 的方法有两大类。一类是直接从矿石中提取v 2 0 5 的湿法( 间接法) 冶金工艺。 这种工艺的工艺流程短、钒的回收率高，但对矿石的要求比较高：一是矿石的钒品位 要高，一般在o 4 以上；二是矿石中c a o 含量要低，一般在0 5 以下。另一类是配 合钢铁生产进行提钒的火法冶金工艺，该法将矿石进行磁选、造球，经炼铁使钒进入 铁相，再利用不同的工艺提取铁水中的钒。它可以处理钒品位低的矿石，目前全世界 8 0 的钒足经过这种工艺流程生产的【2 引。纵观提钒工艺的技术发展史，可以把提钒工 9 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 艺发展为三个阶段。不同的阶段采用不同的工艺方法【2 9 ，3 0 】： 第一阶段：采用钒钛磁铁矿精矿直接作为原料的钠化提钒法，铁作为副产品。这 种工艺适用于钒钛磁铁矿含钒高( 例如v 2 0 5 1 o ) 、矿石成本低、化学药品、燃料费 用较低的情况。该法的优点是原料处理简单，钒的回收率较高，从精矿到v 2 0 5 收率 达8 0 以上；缺点【3 1 3 2 】是处理物料量大，设备投资大，焙烧温度高( 1 2 0 0 以上) ，动 力及辅助原材料消耗大，不回收铁，环保问题难解决。工艺流程如图1 7 所剥3 3 】。 原矿 破碎、洗涤、筛分 t ! i 4 5 q 叩姗矿石姐5 一矿石扣叫使用) ll 壁j 转窑预还j 曩il 多膛炉或回转窑