本發明屬于鐵合金領域，具體而言，本發明涉及制備釩鐵合金的方法。
背景技術：
世界上的釩約80％用于鋼鐵工業，主要用于生產微合金鋼和低合金鋼。釩對合金鋼有著重要的作用，當鋼中加入釩時，鋼的綜合性能會顯著改善。釩在鋼液中會與碳及氮元素形成碳化物和氮化物，以細小的第二相析出對鋼起到強化作用。釩作為合金元素加入鋼中能使鋼的強度提高，鋼的晶粒細化，消除鋼的過熱傾向，并可改善鋼的赤熱硬性、耐磨及焊接性能。釩作為合金元素常以釩鐵形式加入鋼中，含釩鋼被廣泛應用于機械制造、航空航天、建筑路橋等行業。
世界上約有60％的釩是從釩渣中提取的。釩渣是指含釩鐵水經轉爐吹煉氧化成為富含釩氧化物以及鐵氧化物的一種爐渣。釩渣是由MFe、FeO、SiO2、V2O3、TiO2、CaO、Al2O3、MgO、Cr2O3等組分構成的，其中，TFe質量含量20～45％，V質量含量以V2O5計14～25％。
目前利用釩渣生產釩鐵合金的流程主要分為兩步：(1)五氧化二釩的生產。首先將釩渣氧化焙燒得到可溶性的釩酸鹽，釩酸鹽通過濕法浸出的手段可以使釩從渣相進入液相并形成含釩溶液，對含釩溶液進行沉釩和煅燒可以獲得品位不低于90％的五氧化二釩。(2)冶煉釩鐵。根據還原劑的不同其制備方法主要有電硅熱法和鋁熱法，電硅熱法將五氧化二釩作為原料，添加石灰、鋼屑、硅鐵和鋁粒為原料在礦熱爐內進行冶煉；而鋁熱法添加石灰、鋼屑和鋁粒為原料在電爐內進行冶煉。
由此可見，現有的利用釩渣生產釩鐵的冶煉工藝冗長，在降低能耗和成本方面還有很大空間可以挖掘。
技術實現要素：
本發明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。為此，本發明的一個目的在于提出一種制備釩鐵合金的方法，該方法綜合利用了釩渣中的鐵替代鋼屑冶煉釩鐵，與現有釩鐵冶煉工藝相比，綜合能耗節約20％以上，鋁粒消耗降低70％以上，鋼屑消耗降低100％。
本申請是基于發明人下列發現完成的：釩作為合金元素常以釩鐵形式加入鋼中，由于釩的加入，可提高鋼的強度，細化鋼的晶粒，消除鋼的過熱傾向，同時可改善鋼的赤熱硬性、耐磨及焊接性能，因此含釩鋼被廣泛應用于機械制造、航空航天、建筑路橋等行業。目前世界上的釩主要從釩渣中提取，而現有利用釩渣生產釩鐵合金的工藝主要是先將釩渣通過氧化焙燒、濕法浸出、沉釩和煅燒制得品位不低于90％的五氧化二釩，然后根據還原劑的不同選擇電硅熱法或鋁熱法等制得釩鐵合金。也即現有釩鐵冶煉工藝首先從釩渣中提釩得到V2O5產品，這個過程V的價態從三價上升到五價，然后將V2O5在電爐內直接還原到單質V，用的還原劑是昂貴的硅或者鋁，這個過程V的價態從五價下降到零價，從V的價態變化可以看出，這一升一降存在大量的能量浪費。所以，現有制備釩鐵合金的整個工藝過程較冗長，能耗和成本均較高。鑒于此，本申請的發明人通過對現有的制備釩鐵合金的技術進行積極探索，旨在解決現有技術中的缺陷，以期得到工藝簡單、能耗和成本較低的制備釩鐵合金的工藝。
為此，在本發明的一個方面，本發明提出了一種制備釩鐵合金的方法。根據本發明的實施例，該方法包括：(1)將釩渣與還原煤和添加劑進行混合造球，以便得到混合球團；(2)將所述混合球團供給至還原焙燒裝置中進行還原焙燒處理，以便得到金屬化球團；(3)將所述金屬化球團與五氧化二釩、鋁粒和石灰混合后供給至電弧爐中進行冶煉處理，以便得到釩鐵合金。
由此，根據本發明實施例的制備釩鐵合金的方法通過將釩渣與還原煤和添加劑進行混合造球，有利于增加釩渣與還原煤和添加劑三者之間的接觸面積，使得釩渣與還原煤和添加劑三者充分接觸，從而提高后續還原焙燒處理的效率。在還原焙燒裝置中，釩渣中的主要成分之一釩鐵尖晶石與還原煤直接發生還原反應，生成低價釩氧化物和金屬鐵，而釩渣中的另一主要成分鐵橄欖石在添加劑的作用下與還原煤發生還原反應，生成金屬鐵，其中，添加劑可與鐵橄欖石中的二氧化硅結合，提高鐵橄欖石中氧化亞鐵的活性，有利于鐵的還原。在電弧爐中，經還原焙燒處理得到的金屬化球團的主要成分是CaO·SiO2、Fe和V2O3，可以將其作為釩和鐵的原料，根據冶煉目標的釩鐵牌號，在金屬化球團中加入五氧化二釩、鋁粒和石灰，在電弧爐中進行冶煉處理生成釩鐵合金，其中，石灰中的CaO可與鋁粒中的Al2O3結合形成xCaO·yAl2O3，由此可降低Al2O3的活性，有利于金屬化球團中的釩的氧化物與鋁發生還原反應，生成單質釩。綜上，該制備釩鐵合金的方法直接將釩渣用還原煤進行預還原，得到含有低價釩氧化物和金屬鐵的金屬化球團，這種金屬化球團可以作為釩鐵原料，利用現有工藝將該金屬化球團與五氧化二釩、鋁粒和石灰混合后在電弧爐內還原，如此不僅能節約大量的電弧爐能耗和昂貴的五氧化二釩及鋁粒的消耗，而且使釩渣中的鐵也得到科學利用，是一種節能減排冶煉釩鐵合金的新方法。
另外，根據本發明上述實施例的制備釩鐵合金的方法還可以具有如下附加的技術特征：
在本發明的一些實施例中，在步驟(1)中，所述還原煤中的灰分不高于10wt％。由此，有利于提高釩鐵合金的品位。
在本發明的一些實施例中，在步驟(1)中，所述添加劑為選自石灰和石灰石中的至少一種。由此，有利于鐵的還原，從而進一步提高釩鐵合金的品位。
在本發明的一些實施例中，在步驟(1)中，將所述釩渣與所述還原煤和所述添加劑按照質量比為100：(8～15)：(10～30)進行混合造球。由此，可進一步提高釩鐵合金的品位。
在本發明的一些實施例中，在步驟(2)中，所述還原焙燒裝置為回轉窯、多膛爐、隧道窯或轉底爐。由此，可顯著提高還原焙燒處理的效率。
在本發明的一些實施例中，在步驟(2)中，所述金屬化球團的金屬化率不低于80％。由此，有利于減少后續冶煉處理時鋁粒的用量和電弧爐的能耗。
在本發明的一些實施例中，在步驟(2)中，所述還原焙燒處理的溫度為1000-1300攝氏度。由此，可進一步提高釩鐵合金的品位。
在本發明的一些實施例中，在步驟(3)中，將所述金屬化球團與所述五氧化二釩、所述鋁粒、所述石灰按質量比100：(35～300)：(25～155)：(3～20)進行混合。由此，可進一步提高釩鐵合金的品位。
在本發明的一些實施例中，在步驟(3)中，所述釩鐵合金為FeV40、FeV50、FeV60或FeV80。
本發明的附加方面和優點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發明的實踐了解到。
附圖說明
本發明的上述和/或附加的方面和優點從結合下面附圖對實施例的描述中將變得明顯和容易理解，其中：
圖1是根據本發明一個實施例的制備釩鐵合金的方法流程示意圖。
具體實施方式
下面詳細描述本發明的實施例，所述實施例的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實施例是示例性的，旨在用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。
在本發明的一個方面，本發明提出了一種制備釩鐵合金的方法。根據本發明的實施例，該方法包括：(1)將釩渣與還原煤和添加劑進行混合造球，以便得到混合球團；(2)將所述混合球團供給至還原焙燒裝置中進行還原焙燒處理，以便得到金屬化球團；(3)將所述金屬化球團與五氧化二釩、鋁粒和石灰混合后供給至電弧爐中進行冶煉處理，以便得到釩鐵合金。發明人通過大量實驗意外發現，通過將釩渣與還原煤和添加劑進行混合造球，有利于增加釩渣與還原煤和添加劑三者之間的接觸面積，使得釩渣與還原煤和添加劑三者充分接觸，從而提高后續還原焙燒處理的效率。在還原焙燒裝置中，釩渣中的主要成分之一釩鐵尖晶石與還原煤直接發生還原反應，生成低價釩氧化物和金屬鐵，而釩渣中的另一主要成分鐵橄欖石在添加劑的作用下與還原煤發生還原反應，生成金屬鐵，其中，添加劑可與鐵橄欖石中的二氧化硅結合，提高鐵橄欖石中氧化亞鐵的活性，有利于鐵的還原。在電弧爐中，經還原焙燒處理得到的金屬化球團的主要成分是CaO·SiO2、Fe和V2O3，可以將其作為釩和鐵的原料，根據冶煉目標的釩鐵牌號，在金屬化球團中加入五氧化二釩、鋁粒和石灰，在電弧爐中進行冶煉處理生成釩鐵合金，其中，石灰中的CaO可與鋁粒中的Al2O3結合形成xCaO·yAl2O3，由此可降低Al2O3的活性，有利于金屬化球團中的釩的氧化物與鋁發生還原反應，生成單質釩。綜上，該制備釩鐵合金的方法直接將釩渣用還原煤進行預還原，得到含有低價釩氧化物和金屬鐵的金屬化球團，這種金屬化球團可以作為釩鐵原料，利用現有工藝將該金屬化球團與五氧化二釩、鋁粒和石灰混合后在電弧爐內還原，如此不僅能節約大量的電弧爐能耗和昂貴的五氧化二釩及鋁粒的消耗，而且使釩渣中的鐵也得到科學利用，是一種節能減排冶煉釩鐵合金的新方法。
下面參考圖1對本發明實施例的制備釩鐵合金的方法進行詳細描述。根據本發明的實施例，該方法包括：
S100：將釩渣與還原煤和添加劑進行混合造球
該步驟中，將釩渣與還原煤和添加劑進行混合造球，以便得到混合球團。發明人發現，通過將釩渣與還原煤和添加劑進行混合造球，有利于增加釩渣與還原煤和添加劑三者之間的接觸面積，使得釩渣與還原煤和添加劑三者充分接觸，從而提高后續還原焙燒處理的效率。混合球團中添加劑加入有利于提高后續還原焙燒處理過程中釩渣中氧化亞鐵的活性，從而提高鐵的還原效率。
根據本發明的一個實施例，還原煤中的灰分并不受特別限制，本領域技術人員可以根據實際需要進行選擇，根據本發明的一個具體實施例，還原煤中的灰分可以不高于10wt％。發明人發現，灰分過高會導致最終所得釩鐵合金中的雜質含量過高，從而影響釩鐵合金的品位。
根據本發明的再一個實施例，添加劑的種類并不受特別限制，本領域技術人員可以根據實際需要進行選擇，根據本發明的一個具體實施例，添加劑可以為選自石灰和石灰石中的至少一種。發明人發現，添加劑中的氧化鈣可與釩渣中的二氧化硅結合，如此有利于提高氧化亞鐵的活性，從而提高鐵的還原效率。
根據本發明的又一個實施例，釩渣與還原煤和添加劑的質量比并不受特別限制，本領域技術人員可以根據實際需要進行選擇，根據本發明的一個具體實施例，釩渣與還原煤和添加劑可以按照質量比為100：(8～15)：(10～30)進行混合造球。發明人發現，當還原煤用量過低時，會導致后續冶煉處理中五氧化二釩還原不充分，且在后續冶煉處理時電弧爐將消耗更多的鋁粒和電能，不利于節能和節約成本；當還原煤用量過高時，在冶煉處理過程中會產生過剩碳，導致最終釩鐵合金中碳含量過高，從而影響釩鐵合金的品位。而添加劑用量不管過多還是過少都會影響還原效果，過少會使得后續還原焙燒處理過程中金屬鐵還原不充分，過多會形成CaO·V2O3，不利于后續電弧爐的還原。
S200：將混合球團供給至還原焙燒裝置中進行還原焙燒處理
該步驟中，將混合球團供給至還原焙燒裝置中進行還原焙燒處理，以便得到金屬化球團。發明人發現，在還原焙燒裝置中，釩渣中的主要成分之一釩鐵尖晶石與還原煤直接發生還原反應，生成低價釩氧化物和金屬鐵，而釩渣中的另一主要成分鐵橄欖石在添加劑的作用下與還原煤發生還原反應，生成金屬鐵，其中，添加劑可與鐵橄欖石中的二氧化硅結合，提高鐵橄欖石中氧化亞鐵的活性，有利于鐵的還原。混合球團在還原焙燒裝置中進行還原焙燒處理的主要化學反應方程式如下：
2FeO·SiO2+2CaO+C＝2CaO·SiO2+2Fe+CO (1)
FeO·V2O3+C＝V2O3+Fe+CO (2)
根據本發明的一個實施例，還原焙燒裝置并不受特別限制，本領域技術人員可以根據實際需要進行選擇，根據本發明的一個具體實施例，還原焙燒裝置可以為回轉窯、多膛爐、隧道窯或轉底爐。由此，可顯著提高還原焙燒處理的效率。
根據本發明的再一個實施例，金屬化球團的金屬化率并不受特別限制，本領域技術人員可以根據實際需要進行選擇，根據本發明的一個具體實施例，金屬化球團的金屬化率可以不低于80％。發明人發現，金屬化球團的金屬化率越高，金屬化球團中的金屬鐵含量越多，后續進電弧爐中冶煉釩鐵時消耗的鋁粒會越少，電耗也越低。
根據本發明的又一個實施例，還原焙燒處理的溫度并不受特別限制，本領域技術人員可以根據實際需要進行選擇，根據本發明的一個具體實施例，還原焙燒處理的溫度可以為1000-1300攝氏度。發明人發現，還原焙燒處理的溫度過低時還原效果差，而溫度過高時金屬化球團出現熔化，會影響還原反應的動力學條件，不利于還原焙燒裝置中還原反應的進行。
S300：將金屬化球團與五氧化二釩、鋁粒和石灰混合后供給至電弧爐中進行冶煉處理
該步驟中，將金屬化球團與五氧化二釩、鋁粒和石灰混合后供給至電弧爐中進行冶煉處理，以便得到釩鐵合金。發明人發現，在電弧爐中，經還原焙燒處理得到的金屬化球團的主要成分是CaO·SiO2、Fe和V2O3，可以將其作為釩和鐵的原料，根據冶煉目標的釩鐵牌號，在金屬化球團中加入五氧化二釩、鋁粒和石灰，在電弧爐中進行冶煉處理生成釩鐵合金，其中，石灰中的CaO可與鋁粒中的Al2O3結合形成xCaO·yAl2O3，由此可降低Al2O3的活性，有利于金屬化球團中的釩的氧化物與鋁發生還原反應，生成單質釩。金屬化球團與五氧化二釩、鋁粒和石灰在電弧爐中進行冶煉處理的主要化學反應方程式如下：
2/5V2O5+4/3Al＝4/5V+2/3Al2O3 (3)
2/3V2O3+4/3Al＝4/3V+2/3Al2O3 (4)
xCaO+yAl2O3＝xCaO·yAl2O3 (5)
根據本發明的一個實施例，金屬化球團與五氧化二釩、鋁粒、石灰的質量比并不受特別限制，本領域技術人員可以根據實際需要進行選擇，根據本發明的一個具體實施例，金屬化球團與五氧化二釩、鋁粒、石灰可以按質量比100：(35～300)：(25～155)：(3～20)進行混合。發明人發現，五氧化二釩的質量多少要參考最終目標產品釩鐵合金的牌號來定，例如冶煉FeV80所需外配的五氧化二釩的質量最多，而冶煉FeV40所需的五氧化二釩的質量最少。鋁粒和石灰的質量也隨著五氧化二釩的配入量正比例變化。
根據本發明的再一個實施例，釩鐵合金可以為FeV40、FeV50、FeV60或FeV80。
根據本發明實施例的制備釩鐵合金的方法通過將釩渣與還原煤和添加劑進行混合造球，有利于增加釩渣與還原煤和添加劑三者之間的接觸面積，使得釩渣與還原煤和添加劑三者充分接觸，從而提高后續還原焙燒處理的效率。在還原焙燒裝置中，釩渣中的主要成分之一釩鐵尖晶石與還原煤直接發生還原反應，生成低價釩氧化物和金屬鐵，而釩渣中的另一主要成分鐵橄欖石在添加劑的作用下與還原煤發生還原反應，生成金屬鐵，其中，添加劑可與鐵橄欖石中的二氧化硅結合，提高鐵橄欖石中氧化亞鐵的活性，有利于鐵的還原。在電弧爐中，經還原焙燒處理得到的金屬化球團的主要成分是CaO·SiO2、Fe和V2O3，可以將其作為釩和鐵的原料，根據冶煉目標的釩鐵牌號，在金屬化球團中加入五氧化二釩、鋁粒和石灰，在電弧爐中進行冶煉處理生成釩鐵合金，其中，石灰中的CaO可與鋁粒中的Al2O3結合形成xCaO·yAl2O3，由此可降低Al2O3的活性，有利于金屬化球團中的釩的氧化物與鋁發生還原反應，生成單質釩。綜上，該制備釩鐵合金的方法直接將釩渣用還原煤進行預還原，得到含有低價釩氧化物和金屬鐵的金屬化球團，這種金屬化球團可以作為釩鐵原料，利用現有工藝將該金屬化球團與五氧化二釩、鋁粒和石灰混合后在電弧爐內還原，如此不僅能節約大量的電弧爐能耗和昂貴的五氧化二釩及鋁粒的消耗，而且使釩渣中的鐵也得到科學利用，是一種節能減排冶煉釩鐵合金的新方法。
下面參考具體實施例，對本發明進行描述，需要說明的是，這些實施例僅僅是描述性的，而不以任何方式限制本發明。
實驗例1
參考圖1，將釩渣(V2O5品位16％，TFe含量40％)與還原煤(灰分小于10％)和添加劑(石灰，CaO含量93％)按照質量比100：8：10進行混合造球，得到混合球團；將上述混合球團供給至還原焙燒裝置(轉底爐)中進行還原焙燒處理，還原焙燒處理的溫度為1000攝氏度，得到金屬化率為82％的金屬化球團；將上述金屬化球團與五氧化二釩(V2O5品位93％)、鋁粒和石灰按質量比100：300：155：20進行混合，混合后供給至電弧爐中進行冶煉處理，渣鐵分離后得到釩鐵合金。
經檢測，所得釩鐵合金中V的質量百分含量為82.43wt％，雜質Al的質量百分含量為1.94wt％，雜質C的質量百分含量為0.14wt％，雜質Si的質量百分含量為1.24wt％，雜質S的質量百分含量為0.04wt％，雜質P的質量百分含量為0.05wt％，符合FeV80的牌號要求。與現有釩鐵冶煉工藝相比，綜合能耗節約20％，鋁粒消耗降低70％，鋼屑消耗降低100％。
實驗例2
參考圖1，將釩渣(V2O5品位16％，TFe含量40％)與還原煤(灰分小于10％)和添加劑(石灰，CaO含量93％)按照質量比100：10：15進行混合造球，得到混合球團；將上述混合球團供給至還原焙燒裝置(轉底爐)中進行還原焙燒處理，還原焙燒處理的溫度為1100攝氏度，得到金屬化率為84％的金屬化球團；將上述金屬化球團與五氧化二釩(V2O5品位93％)、鋁粒和石灰按質量比100：100：57：16進行混合，混合后供給至電弧爐中進行冶煉處理，渣鐵分離后得到釩鐵合金。
經檢測，所得釩鐵合金中V的質量百分含量為62.61wt％，雜質Al的質量百分含量為1.86wt％，雜質C的質量百分含量為0.59wt％，雜質Si的質量百分含量為1.38wt％，雜質S的質量百分含量為0.04wt％，雜質P的質量百分含量為0.06wt％，符合FeV60的牌號要求。與現有釩鐵冶煉工藝相比，綜合能耗節約25％，鋁粒消耗降低75％，鋼屑消耗降低100％。
實驗例3
參考圖1，將釩渣(V2O5品位16％，TFe含量40％)與還原煤(灰分小于10％)和添加劑(石灰，CaO含量93％)按照質量比100：12.5：30進行混合造球，得到混合球團；將上述混合球團供給至還原焙燒裝置(轉底爐)中進行還原焙燒處理，還原焙燒處理的溫度為1300攝氏度，得到金屬化率為90％的金屬化球團；將上述金屬化球團與五氧化二釩(V2O5品位93％)、鋁粒和石灰按質量比100：60：40：8進行混合，混合后供給至電弧爐中進行冶煉處理，渣鐵分離后得到釩鐵合金。
經檢測，所得釩鐵合金中V的質量百分含量為51.78wt％，雜質Al的質量百分含量為1.34wt％，雜質C的質量百分含量為0.54wt％，雜質Si的質量百分含量為1.44wt％，雜質S的質量百分含量為0.05wt％，雜質P的質量百分含量為0.10wt％，符合FeV50的牌號要求。與現有釩鐵冶煉工藝相比，綜合能耗節約27％，鋁粒消耗降低80％，鋼屑消耗降低100％。
實驗例4
參考圖1，將釩渣(V2O5品位16％，TFe含量40％)與還原煤(灰分小于10％)和添加劑(石灰，CaO含量93％)按照質量比100：15：10進行混合造球，得到混合球團；將上述混合球團供給至還原焙燒裝置(轉底爐)中進行還原焙燒處理，還原焙燒處理的溫度為1000攝氏度，得到金屬化率為82％的金屬化球團；將上述金屬化球團與五氧化二釩(V2O5品位93％)、鋁粒和石灰按質量比100：35：25：3進行混合，混合后供給至電弧爐中進行冶煉處理，渣鐵分離后得到釩鐵合金。
經檢測，所得釩鐵合金中V的質量百分含量為42.47wt％，雜質Al的質量百分含量為1.50wt％，雜質C的質量百分含量為0.55wt％，雜質Si的質量百分含量為1.54wt％，雜質S的質量百分含量為0.09wt％，雜質P的質量百分含量為0.14wt％，符合FeV40的牌號要求。與現有釩鐵冶煉工藝相比，綜合能耗節約30％，鋁粒消耗降低82％，鋼屑消耗降低100％。
在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必須針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結合和組合。
盡管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型。