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高纯金属钒工业化生产工艺研究
作者：左恒 陈超 汪虎
来源：《河南科技》2018年第02期
摘 要：高纯金属钒作为一种新兴材料日益被重视，是原子能、火箭、导弹、航空、冶金工业中不可缺少的宝贵材料。本项目以公司自主研发生产的高纯五氧化二钒产品和铝粉为主要原料，利用改良后铝热还原法制备铝含量在5%～10%低铝量的钒铝合金。对钒铝合金进行扩散处理，渗入反应熔剂，通过真空电子束炉除铝，二次精炼提纯，最后经过机械加工得到高纯金属钒铸锭。
关键词：铝热还原法；真空电子束炉；高纯金属钒；提纯
中图分类号：TF845 文献标识码：A 文章编号：1003-5168（2018）02-0151-02 Research on the Indusrtial Production Processes of High Purity Metal Vanadium
ZUO Heng1 CHEN Chao1 WANG Hu2
（Shanxi Wuzhou Mining Co. ，Ltd .，Shangluo Shaanxi 711400）
Abstract： High purity vanadium as a new material is increasingly valued， is the atomic energy， rockets， missiles， aviation， metallurgical industry indispensable valuable material. The project is based on the company’s independent research and development of high purity vanadium oxide products and aluminum powder as the main raw material， the use of modified aluminum heat reduction method to prepare aluminum content of 5～10% low aluminum vanadium aluminum alloy. Vanadium aluminum alloy for diffusion treatment， infiltration of the reaction flux， through the vacuum electron beam furnace in addition to aluminum， the second refining and purification， and finally through the mechanical processing of high purity metal vanadium ingot.
Keywords： thermit reduction method；vacuum electron beam furnace；high purity metal vanadium；purification
釩是一种具有战略意义的稀有金属，其被广泛应用在航天、航空等高科技领域[1]。纯金属钒一般指纯度介于99%～99.9%之间的钒，纯度超过99.9%的钒被称作高纯金属钒[2]。高纯金属钒具有熔点高、储氢、加工性能好、高温抗蠕变性能强、中子吸收截面小以及对液态钠有耐蚀性等优良特性。近年来开展的高纯金属钒在储氢合金与氢气分离膜、高温超导材料及高速增殖反应堆燃料棒的包覆材料和释热元件等方面的研究日益增多。
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1 高纯五氧化二钒的制备
陕西五洲矿业股份有限公司是我国目前最大的石煤湿法工艺制钒企业，目前生产上采用硫酸浸出—浸出液中和—萃取—反萃取—铵盐沉钒—煅烧工艺制备纯度为98%的五氧化二钒初级产品，该项目采用酸性铵盐沉钒工艺所得的红钒，其主要杂质为铁、铝、钠元素，三项总和约占2%左右，其余还有少量的其他金属元素和砷、硅、磷、硫等元素。首先，将红钒溶解于7.5%的NaOH稀溶液中，由于在碱性环境下，铁及部分金属杂质不能溶解而以沉淀形式存在，加入一定的试剂除杂，通过加絮凝剂—固液分离方法除去大部分硅、磷、砷和铝杂质，使所得的碱性富钒溶液纯净清亮，然后加热富钒溶液至90℃，搅拌2h后静置30min，用过滤器进行过滤，控制沉钒体系pH≥9.5，滤液在40℃恒温条件下以加氨系数为1.5加入固体氯化铵，搅拌40min后，杂质铝以铝酸盐形式存在于溶液中，经过过滤、高纯水洗涤后，所得到的固体为白色偏钒酸铵，经550℃高温灼烧后，能保证V2O5产品纯度高达99.9%以上。 2 钒铝合金的制备
采用12V交流电底部引燃—铝热法制备铝含量在5%～10%低铝量的优纯钒铝合金，即在真空石墨衬速效水冷分体铜坩埚反应炉中，采用低真空度，高纯氩气环境氛围制备钒铝合金。 具体工艺路线为：首先将高纯五氧化二钒（含量≥99.9%以上，Fe 3 电子束炉精炼除铝
采用铝热法制备低铝量的钒铝合金，铝含量为5%～10%。采用电子束熔炼时钒铝合金中的铝元素会急剧挥发从而产生较多气体，熔炼炉内的真空度会急剧下降，导致电子枪无法正常连续工作，因此，本项目选用低含铝量钒铝合金为原料，为了熔炼高放气量的钒铝合金，本项目开发了一种对熔炼炉内真空度变化不敏感的电子枪，为精炼提纯金属钒奠定了基础。电子束炉精炼除铝操作如下。
将钒铝合金放入电子束炉的进料槽中，将电子束炉的坩埚装配好，对电子束炉的炉体、坩埚进行清理，检查电子束炉的水循环、气压、电气等情况，确认后进行抽真空操作，开机械泵抽至500Pa后开罗茨泵，抽至10Pa后开扩散泵加热，抽真空至0.05Pa后开启机械泵、分子泵，枪室真空优于0.001Pa后再次检查水循环、电气工作状况，确认后开启电子枪。电子束脱铝工艺条件如下：电子束熔炼功率在80～120kW（根据原料尺寸、铝、氧含量而定）、进料速率20kg/h、转锭速率6r/min、电子束采用条状及圆形形状扫描、熔池熬制时间30～60s；熔炼完成后进行冷却，冷却过程保持炉体真空优于0.1Pa，冷却4h后关闭真空系统，8h后打开电子束炉将脱铝后的钒锭取出，对钒锭进行表面扒皮处理。 4 电子束炉精炼提纯
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电子束炉熔炼在高真空下进行，熔炼时的过热温度高，维持液态的时间长，使材料的精炼提纯作用得以充分有效地进行。电子束炉熔炼时，材料主要发生脱气、分解、脱氧、金属杂质的挥发和不熔杂质的上浮等。其中，不熔杂质上浮而聚集在铸锭顶部，可在切头时去除。 电子束一次提纯：真空优于0.05Pa、电子束熔炼功率在150kW、进料速率30kg/h、转锭速率4r/min、电子束采用条状形状扫描、熔池熬制时间60s；熔炼完成后进行冷却，冷却过程保持炉体真空优于0.1Pa，冷却4h后关闭真空系统，8h后打开电子束炉将一次精炼的钒锭取出，对钒锭进行表面扒皮、精整处理。
电子束炉二次提纯：将电子束炉一次提纯的金属钒锭按电子束一次提纯工艺再精炼一遍，然后将制备的金属钒锭用鄂式破碎机全部破碎后，用圆盘粉碎机粉碎到所需粒度，取样进行钒、铝、碳、硅、氧、氮、铁及铜等项目的分析。钒、铝、硅、铁及铜等采用ICP发射光谱仪测量；碳采用红外碳硫仪测量；氧与氮采用氧氮分析仪测量。最后对高纯金属钒进行机械加工处理得到高纯金属钒铸锭。 5 结语
高纯金属钒工业化生产首先要制备纯度达99.9%以上高纯五氧化二钒及低铝高钒钒铝合金原料，需要开发专用除铝电子束炉，精确合理控制电子束炉熔炼参数，从而制备纯度在99.9%以上的高纯金属钒铸锭。电子束炉精炼可以有效去除原料中的铝、铁等杂质，但无法彻底清除硅、碳、氮等杂质，采用石煤湿法提钒工艺生产高纯五氧化二钒，可以大幅降低硅、碳、氮等杂质，氧的去除效果直接与铝含量有关，需要合理控制熔炼功率，逐步将氧去除。
本项目工业化生产高纯金属钒完整工艺流程为：高纯五氧化二钒→烘干→冷却→加反应剂→混合→铝热炉反应→检验分析→钒铝合金锭→硼砂清理→清洗→低温烘干→破碎→合金预处理→真空电子束炉除铝→表面处理→真空电子束二精炼→机械加工→高纯金属钒铸锭→分析检测。
该项目研究开发了NaOH溶解—除杂—碱性铵盐沉钒制备99.9%高纯V2O5新工艺，采用氩气保护铝热法制备钒铝合金、制备出低铝高钒钒铝合金后采用电子束炉除铝、电子束熔化精炼等工艺制备高纯金属钒，完全能够实现高纯金属钒的工业化连续生产，在制备过程中环保无污染且产品品级高、质量稳定、成本低、效益高。 參考文献：
[1]任学佑.稀有金属钒的应用现状及市场前景[J].稀有金属，2003（6）：808-810. [2]朴吕林，董玉兰.低铬高纯钒的生产[J].钢铁钒钛，1985（2）：13-15.