[发明专利]生产金属钒的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种生产金属钒的方法，具体地讲，涉及一种利用氧化钒/碳化钒通过电解生产金属钒的方法。

背景技术

金属钒作为一种新兴材料日益被重视，其具有重量轻、强度大、吸热能力强，机械性能稳定的特点。金属钒是优良的宇航材料，在宇航和航空工业中可用于制造火箭、导弹、宇宙飞船的转接壳体和蒙皮，可用作大型飞船、空间渡船的结构材料，可用于制造飞机制动器和飞机、飞船、导弹的导航部件，并可用作火箭、导弹、喷气飞机的高能燃料的添加剂。金属钒在冶金工业中是合金钢的添加剂，也用于制造耐火材料与特种玻璃、集成电路、天线等。此外，金属钒具有良好的核物理性能，是原子能工业之宝，是反应堆里中子反射层的最好材料。

生产金属钒有许多种工艺，例如镁-钠还原三氯化钒、密封冶炼电子轰击法、电解精炼法，另外还有钙还原、真空碳还原、碘化物热分解等工艺。

目前主流的生产金属钒的方法是铝热法。铝热还原五氧化二钒的反应可用如下反应表示：

3V₂O₅+2Al＝3V₂O₄+Al₂O₃

3V₂O₄+2Al＝3V₂O₃+Al₂O₃

3V₂O₃+2Al＝6VO+Al₂O₃

3VO+2Al＝3V+Al₂O₃

铝热法生产钒有两种工艺，一种是在密闭的钢弹容器中进行，将高纯度的V₂O₅和铝粉的混合物加入反应器后，对反应器抽真空并用氦气清洗数次，之后再抽真空，然后通过埋在反应物中的电阻丝加热启动反应，得到的生成物要经高温真空法转变成高纯度的钒；另外一种是在敞开的容器中进行，将纯净的V₂O₅、铝粉及工业品位的CaO充分混合后加入反应器，通过燃烧放在混合料上的镁条启动反应，一旦启动，反应会迅速完成，得到含有铝等杂质的粗钒，最后以粗钒为原料进行熔盐电解即得到高纯钒。

用铝热法生产钒有如下几个缺点：

由于密闭容器内的反应对原料纯度要求很高，要使用大量铝粉，且要经过高温真空处理，生产的成本较高；

敞开容器的反应对原料纯度要求不高，但也需要大量铝粉，成本也较高，并且由于容器敞口，对环境会造成较大的污染；

该法是间歇式生产，不能满足工业化大生产。

金属热还原生产金属钒是利用比钒更活泼的金属如钠镁等还原钒的低价氯化物，由于钒的低价氯化物不容易获得，致使该方法的生产成本较高。

发明内容

本发明通过提供一种生产金属钒的方法，克服了上述技术问题中的一个或多个，该方法包括以下步骤：以钒的氧化物和单质形式的碳还原剂为原料，按照钒的氧化物和单质形式的碳还原剂反应生成VC_mO_n和CO的化学反应的化学计量比混合形成混合料，并将混合料压制成型，其中0＜m≤1，0＜n≤1，m≤n；在800℃～1600℃的温度范围内，使压制成型的混合料反应，生成具有导电性能的VC_mO_n；以VC_mO_n作为消耗阳极，以导电材料作为阴极，以碱金属的卤化物熔盐体系、碱土金属的卤化物熔盐体系或它们的组合作为电解液从而组成电解池，在400℃～1000℃的温度范围内执行电解，在电解过程中，消耗阳极所含的碳和氧形成气体CO、CO₂或O₂放出，同时钒以离子的形式进入电解液并在阴极沉积得到金属钒。

根据本发明的一方面，所述钒的氧化物可包括V₂O₅、V₂O₄、VO₂和V₂O₃中的至少一种，根据以下对应的反应方程式来确定化学计量比：

V₂O₅+(5+2m-2n)C＝2VC_mO_n+(5-2n)CO↑