[发明专利]一种金属钒冶炼工艺

说明书

技术领域

本发明属冶金、电化学等领域，涉及一种将流化床还原和熔盐电脱氧法相结合的新型冶金技术。主要是围绕目前成本很高的金属钒冶炼技术上的突破创新，通过设计新型的工艺路线，将微波加热技术、流化床还原技术和氧化物直接电脱氧还原技术(FFC)相互融合，以五氧化二钒为基本原料直接制备出金属钒。

背景技术

金属钒是一种重要的战略资源，主要用于炼制合金钢，用作大炮、坦克、飞机、导弹、航天器以及多方面的工业材料。钒加入合金钢，可使其呈现出抗高温、耐低温、耐磨、抗冲击等优异的力学性能。在各种特殊合金钢、工具钢、结构钢中，钒都能其重要的作用，不仅强度大为提高，而且能承受特殊环境的变化。生产纯金属钒有许多种工艺，主要包括：(1)真空碳热还原法;(2)硅热还原法;(3)氮化钒的热分解法;(4)分步还原法;(5)钒氧化物或氯化物的金属热还原法：如铝还原、钙还原、镁还原等，其中以钒氧化物的铝热还原法应用最为普遍。

粗钒的精炼和超提纯方法除电子束熔炼外，还包括熔融盐电解精炼、高真空或超高真空的区域熔炼、碘化物的热离解、活性金属的外界吸气、电子迁移提纯等。

熔盐电脱氧法(FFC，国际专利PCT/GB99/01781）近年来在工艺和基础理论方面的研究都取得了一定的成果。该方法将还原和精炼统一起来,直接利用固相金属氧化物作为阴极电解制备金属单质或合金。FFC法工艺过程简单,而且具有节约能源、污染少等优点。

FFC法是一种以金属氧化物为原料通过电化学方法来制备金属单质的方法。该方法的原理是以阴极电脱氧理论为基础：阴极氧化物中的氧在电压的作用下向外扩散，溶解于熔盐中，并继续在电场的作用下向阳极迁移，最终在阳极上发生氧化反应从体系中排出，而达到脱氧的目的。同时，阴极金属也在阴极发生还原反应，价态逐渐降低，最终得到金属单质。

本发明人一直致力于流化床气基还原及金属氧化物的电化学还原的研究项目，并在研究过程中完成了本发明。本发明人认为结合钒及钒氧化物的特点，综合运用流化床技术及电化学还原技术可突破原有技术劣势，开发出一种新的钒冶金工艺。

本发明人在FFC电脱氧法制备金属的研究工作中发现，FFC法特别适合制备金属性强（活泼性高）的金属单质，这是由于在此类金属化合物中，氧的负电性更加强烈，在电势的作用下更容易离子化，从而形成能够自由在熔盐体系内迁移的游离态氧离子；传统热还原冶炼工艺在还原活泼性强的金属单质时一般需要很强的还原剂和更高的还原条件要求，这使得地壳中原本丰度很高的金属元素的成本提高。钒金属在地壳中的蕴藏量在所有元素中排名第20，在金属元素中排名第13，不属于贵金属行列。但由于冶炼方法使得其使用成本较高，因此，新的冶炼工艺的开发具有较高的实用价值。钒金属单质活泼型很高，并且具有多种氧化物，在自然界中基本以氧化物伴生矿存在。因此，通过FFC电脱氧法直接从钒氧化物制备金属钒的工艺路线最短。钒的最稳定氧化物为五氧化二钒，其熔点很低，为690℃。考虑到FFC电脱氧法一般在850℃以上进行，因此，并不能直接以V₂O₅作为FFC电脱氧的原料。首先需要通过预还原工艺将其转化为较低价态高熔点氧化物，然后再进行常规的电脱氧。V₂O₃具有很高的熔点，并且具有很高的电导率，因此，很适合用作FFC电脱氧法的氧化物阴极。因此，本发明人结合本人的科研经验设计了基本的工艺流程为“预还原→完全还原”两个过程。

流化床是目前冶金领域研究热点，其还原速率快，还原程度彻底，还原过程连续可调。因此，本发明人认为预还原阶段采用流化床技术可以实现快速的预还原过程，同时还原气采用炼铁工业高炉尾气等冶金工业尾气中富含的CO、H₂来实现能源、资源的高效回收利用。传统加热装置基本是利用热传递和热辐射达到升温和控温的目的，此类加热方式对于被加热体的温度控制偏差较大，不适合对温度要求比较严格的反应控制。微波加热直接以微波流为能量传递方式，穿透性强，可以使被加热体内外不存在温差，加热速率很快，可随时改变辐射强度迅速控温。同时微波加热能量利用率很高，可达80%以上，可以实现节能减排的重要目的。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的在于：针对目前传统钒冶金技术落后、成本过高，造成金属钒价格过高的现状，提出了一种新型的金属钒冶炼工艺路线，此工艺路线改变了传统的热还原技术的缺陷，引入新型的微波加热设备和FFC电脱氧工艺，使得还原过程快速高效、绿色环保，经过简单改进不仅可以进行金属钒的冶炼，还可以冶炼钒合金和其他金属。