一種轉(zhuǎn)爐提釩的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于鋼鐵冶煉領(lǐng)域，具體涉及一種轉(zhuǎn)爐提釩的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]釩(V)是一種過渡族金屬元素，金屬釩常溫下化學(xué)性質(zhì)較穩(wěn)定，高溫下較活潑。釩原子的價(jià)電子結(jié)構(gòu)為3d34s2，是典型的變價(jià)元素，五個(gè)價(jià)電子都可以參與成鍵，具有+2、+3、+4和+5價(jià)態(tài)。在不同的氧分壓和溫度下，釩的穩(wěn)定化合物也不同，降低氧分壓提高溫度有利于三價(jià)釩氧化物的穩(wěn)定存在。除此之外，釩還有多種非化學(xué)計(jì)量氧化物，可用通式Vn02n?! (3 ^ n ^ 9)表示的同族氧化物。在V2O4和V 205之間，已知有V 305、V3O7, V4O7, V4O9, V5O9,V6Oin V6O13等氧化物。工業(yè)上釩氧化物主要是V 203、VOjP V 205，其中V2O5尤為重要。
[0003]釩因其具有優(yōu)良的強(qiáng)度、硬度及抗疲勞效應(yīng)，釩被廣泛地應(yīng)用于鋼鐵、化工、航空等領(lǐng)域。大約84%的釩用于鋼鐵作為合金元素溶解到鋼中形成VC和VN，細(xì)化晶粒，抑制貝氏體和珠光體的發(fā)育增加馬氏體強(qiáng)度，從而提高鋼的硬度、強(qiáng)度、韌性和抗磨損性能，其生產(chǎn)產(chǎn)品以釩鐵和VN為主化晶粒。釩用于有色合金主要是以V?Al系合金為代表的結(jié)構(gòu)材料，如優(yōu)良的高溫航空結(jié)構(gòu)材料Ti?6Α1?4V、Ti?8A1?IV?Mo和Ti?6A1?6V?2Sn等合金。用于化工領(lǐng)域的釩產(chǎn)品主要有V205、NH4V03、V203、V0C1^ VCl 4等，用作催化劑、著色劑、大容量電池用的電極材料。值得一提的是由于釩的多價(jià)態(tài)，釩用作鋰電池正極材料或開發(fā)成超級(jí)電容器等儲(chǔ)能裝置，具有充電迅速、比能量高、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，頗具應(yīng)用前景。此外，約2%的釩產(chǎn)品還應(yīng)用于醫(yī)藥、防護(hù)材料及薄膜材料等領(lǐng)域?，F(xiàn)有研究表明釩化合物具有類胰島素的作用，能促進(jìn)肝糖原和肌糖原的合成，抑制肝糖原分解為葡萄糖，促進(jìn)脂肪的合成并抑制脂肪的分解?？偠灾?，釩及釩產(chǎn)品主要作為添加劑廣泛地用于提高材料性能或加速化學(xué)反應(yīng)進(jìn)程。
[0004]釩資源作為一種世界上重要的稀缺資源，無單獨(dú)可采的釩礦物，其在自然界中的分布很分散，主要伴生于硫釩礦VS2S V 2S5、鉛釩礦(或稱褐鉛礦)Pb5(VO4)3C、釩云石KV2(AlSi2O10) (OH)2、釩酸鉀鈾礦K2 (UO2) (VO4)2.3H20以及釩鈦磁鐵礦等礦物中。全球釩的總儲(chǔ)量為6300萬噸，可開采儲(chǔ)量為1020萬噸。用于提釩的原料種類很多，世界上88%的釩是從釩鈦磁鐵礦中獲得，其余提釩原料有石煤、廢催化劑、石油灰渣、碳質(zhì)頁(yè)巖等。因釩原料種類、礦物特征及其中釩含量差異較大，從含釩物料中提取釩的工藝和方法也多種多樣，主要有火法冶煉、濕法浸出和火法?濕法聯(lián)合提取工藝。
[0005]①火法冶煉
[0006]通常以釩鈦磁鐵礦為主要原料，通過高爐或其它煉鐵流程得到含釩鐵水，再在轉(zhuǎn)爐中吹入氧氣使金屬中的釩氧化富集到渣中。采用雙聯(lián)轉(zhuǎn)爐吹煉時(shí)得到含V2058?20%的釩渣和含C約3.6%的半鋼，采用單個(gè)轉(zhuǎn)爐造渣吹煉時(shí)得到含V2052?5%的含釩鋼渣和鋼水。得到的釩渣或含釩鋼渣經(jīng)過焙燒?浸出或直接浸出的方式進(jìn)行后續(xù)提取。隨著煉鋼和提釩工藝的發(fā)展要求，也出現(xiàn)了直接在轉(zhuǎn)爐內(nèi)加入碳酸鈉進(jìn)行吹煉，得到鈉化釩渣和半鋼，同時(shí)達(dá)到脫除鐵水中磷和硫的目的。
[0007]②濕法浸出
[0008]此種工藝較適用于廢催化劑、飛灰和石油灰渣等廢產(chǎn)品，也有少量應(yīng)用于石煤中、釩鈦磁鐵礦等原礦，但由于其中釩都主要以難溶的三價(jià)釩形式存在，直接浸出較火法冶煉和火法?濕法聯(lián)合提取工藝回收率更低。目前直接浸出的工藝主要有酸浸、堿浸、生物浸出、加壓酸浸等。R.Navarro比較了酸浸和堿浸石油飛灰提釩工藝，認(rèn)為NaOH浸出雖然浸出率為61 %低于酸浸，但對(duì)于過渡族金屬化合物更具有選擇性，得到含釩溶液調(diào)pH為8，沉淀除Al后再加入NH4Cl至pH為5，便可沉淀得到f凡產(chǎn)品，沉淀率達(dá)99%。D.Mishra采用一種無機(jī)營(yíng)養(yǎng)菌?硫氧化菌處理廢催化劑，通過促進(jìn)硫氧化菌的生長(zhǎng)以及兩步處理，可使釩浸出率達(dá)到94.8% ;Li等[17]在探索了氧化焙燒?加壓酸浸、常壓酸浸的方法后，采取加壓酸浸石煤提釩可將釩浸出率提高到76%且反應(yīng)時(shí)間短，相比常壓酸浸50%和焙燒?浸出工藝的70%都有明顯地提高，但此工藝對(duì)設(shè)備要求較高。將釩浸出到溶液后一般采取沉淀?煅燒、溶劑萃取?反萃等工藝得到最終的釩產(chǎn)品。
[0009]③火法?濕法聯(lián)合提取
[0010]由于原礦中V多以較穩(wěn)定的三價(jià)釩形式存在，通常需要將其在氧化氣氛下焙燒轉(zhuǎn)化成高價(jià)化合物以利于浸出。對(duì)于我國(guó)的石煤資源，其蘊(yùn)藏的釩資源總量占全國(guó)總釩的87%，釩品位在0.13?1.2%，發(fā)展的火法?濕法聯(lián)合提取工藝有傳統(tǒng)的鈉鹽焙燒?水浸、空白焙燒?酸浸(堿浸)、少鹽焙燒?循環(huán)浸出以及鈣鹽焙燒?酸浸(堿浸)等。雖然鈉鹽焙燒工藝有焙燒溫度低、時(shí)間短等優(yōu)點(diǎn)，但其回收率低、產(chǎn)生大量有害氣體如HCl和(:12正逐漸被少鹽焙燒或鈣鹽焙燒所取代。
[0011]目前，世界范圍內(nèi)制取釩渣的生產(chǎn)方法較多，主要有新西蘭鐵水包吹釩工藝、南非搖包提釩工藝、俄羅斯和中國(guó)的轉(zhuǎn)爐提釩工藝等，其它提釩工藝還包括含釩鋼渣提釩、石煤提釩工藝等。其中最主流的為轉(zhuǎn)爐提釩工藝，其處理量最大。轉(zhuǎn)爐提釩技術(shù)由俄羅斯(前蘇聯(lián))開發(fā)，開發(fā)后主要在下塔吉爾鋼鐵公司應(yīng)用。
[0012]下塔吉爾鋼鐵公司(以下簡(jiǎn)稱下鋼)建于1940年，于1964年開始用高爐冶煉卡奇卡納爾的釩欽磁鐵礦生產(chǎn)含釩鐵水。該公司從1957年開始進(jìn)行吹煉含釩生鐵新方法的探索，由烏拉爾黑色冶金研究所等單位研究的轉(zhuǎn)爐提釩一轉(zhuǎn)爐煉鋼的雙聯(lián)法提釩煉鋼獲得成功。在1t試驗(yàn)轉(zhuǎn)爐所做研究的基礎(chǔ)上，又于1963年11月建成10t轉(zhuǎn)爐，并進(jìn)行第一批工業(yè)試驗(yàn)，證實(shí)了采用氧氣從鐵水中提釩的合理性。推薦的典型工藝如下:轉(zhuǎn)爐裝入鐵水115?120t，預(yù)先裝入12 %的固體生鐵，5 %的氧化鐵皮，氧氣純度9.2 %，供氧強(qiáng)度150?200m3/min，氧氣壓力0.98?1.45MPa，噴槍高度0.7?1.5m，采用3孔噴頭，吹煉時(shí)間8?12min。當(dāng)熔池含釩高于0.04%時(shí)，進(jìn)行補(bǔ)吹。結(jié)果證實(shí)了用氧提釩的高效率，可以實(shí)現(xiàn)深度去釩，釩氧化率達(dá)92 %?94 %。
[0013]1978年，下鋼為了均衡煉鋼與乳鋼的生產(chǎn)能力及滿足對(duì)釩渣的需求，把原來的3座130t轉(zhuǎn)爐擴(kuò)建成160t，1979年底又新建成第4座160t轉(zhuǎn)爐，采用四吹三工作制，即一座轉(zhuǎn)爐提釩，兩座轉(zhuǎn)爐煉鋼，另一座檢修待用。在工業(yè)性運(yùn)轉(zhuǎn)中，啟用了氧氣轉(zhuǎn)爐提釩自動(dòng)化控制系統(tǒng)，推行了留渣操作工藝。具體工藝流程為:從高爐車間運(yùn)來的含釩鐵水，先倒入混鐵爐均勻鐵水成分和溫度，再將鐵水從混鐵爐倒入鐵水罐，運(yùn)到轉(zhuǎn)爐工段的工作平臺(tái)，用吊車將鐵水兌入提釩轉(zhuǎn)爐，然后根據(jù)鐵水溫度及含硅量，用料斗向轉(zhuǎn)爐內(nèi)加入氧化一冷卻劑乳鋼鐵皮70?80kg/tFe，然后降氧槍開始吹氧，氧槍高度開始為2.0m,隨后降至1.0m,供氧強(qiáng)度約300m3/min，當(dāng)鐵水中硅含量高時(shí)，整個(gè)冶煉期槍位均保持下限。在氧氣吹煉過程中，部分熔解于鐵水中的碳和大部分造渣元素都被氧化。同時(shí)半鋼溫度從1230?1260°C上升到1340?1410°C，在鐵水碳含量降到2.8%?3.6%，釩含量降到0.04%以后，抬起氧槍并停止吹氧，將半鋼倒入半鋼罐，將釩渣倒入渣罐或留在轉(zhuǎn)爐內(nèi)(留渣操作時(shí))。然后將盛有半鋼的半鋼罐運(yùn)至轉(zhuǎn)爐工段，將半鋼兌入煉鋼轉(zhuǎn)爐進(jìn)行冶煉。
[0014]從60年代初開始，中國(guó)曾先后在首鋼、唐鋼、上鋼、攀鋼、承鋼和馬鋼的氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐上進(jìn)行過多項(xiàng)半工業(yè)與工業(yè)性試驗(yàn)，取得了大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)。承鋼二煉鋼的20t氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐已于1988年正式投入提釩生產(chǎn)。中國(guó)氧氣頂吹轉(zhuǎn)爐提釩氧壓控制在0.53?
0.7MPa，耗氧量為16.37?25.0m3/t ;采用