釩渣

釩渣，是指對含釩鐵水在提釩過程中經氧化吹煉得到的或含釩鐵精礦經濕法提釩所得到的含氧化釩的渣子。它是冶煉和製取釩合金和金屬釩的原料。

基本介紹

• 中文名：釩渣
• 外文名：  vanadium slag
• 拼音：fán zhā
• 牌號數量：6
• 鐵水提釩：搖包提釩、鐵水包提釩等
• 套用學科：冶金術語
• 作用：冶煉和製取釩合金和金屬釩的原料

基本情況

釩渣是對含釩鐵水在提釩過程中經氧化吹煉得到的或含釩鐵精礦經濕法提釩所得到的含氧化釩的渣子的統稱。它是冶煉和製取釩合金和金屬釩的原料。含釩鐵水絕大部分由高爐冶煉，也有用電爐生產的。用含釩鐵水生產釩渣的方法主要有氧氣頂吹轉爐提釩、搖包提釩和霧化提釩等工藝。世界釩需求量的80%來自釩鈦磁鐵礦，釩資源豐富的國家有：南非、美國、中國、前蘇聯和東歐諸國。

按V₂O₅含量的不同，中國的國家標準將釩渣分成6個牌號，它們是釩渣11（V₂O₅10.0%～12.0%）、釩渣13（V₂O₅12.0%～14.0%）、釩渣15（V₂O₅14.0%～16.0%）、釩渣17（V₂O₅16.0%～18.0%）、釩渣19（V₂O₅18.0%～20.0%）以及釩渣21（V₂O₅>20.0%）；對釩渣中P、CaO 和 SiO₂以及Fe的含量均有限制性的規定。釩渣中V₂O₅和其他組分的含量由鐵水成分決定。鐵水中的矽含量和釩含量是直接影響釩渣質量的首要因素：鐵水中矽含量高和釩含量低時，則釩渣中SiO₂含量高和V₂O₅含量低；反之，則SiO₂含量低和V₂O5含量高，即釩渣中SiO₂和V₂O₅成負相關關係；因此，為了保證釩渣品位，對含釩鐵水的矽含量上限有嚴格限制。

生產原理

生產方法簡介

提釩原料有釩鈦磁鐵礦、石煤等。要從釩鈦磁鐵礦中回收釩，首先需將釩鈦磁鐵礦在高爐或電爐中冶煉出含釩鐵水。含釩鐵水提釩的主要任務有以下幾方面：

①把含釩鐵水吹煉成滿足下一步煉鋼要求的高碳含量的半鋼；

②最大限度地把鐵水中釩選擇性氧化進入到釩渣中；

③得到的釩渣能作為下一步提取五氧化二釩的原料。

釩鈦磁鐵礦的火法提釩工藝

提釩的方法很多，但有些方法已經被淘汰（如霧化提釩）。目前世界上鐵水提釩的方法主要有四種：

①搖包提釩（南非海威爾德用）；

②鐵水包提釩（紐西蘭）；

③空氣底吹轉爐提釩（俄羅斯丘索夫）；

④氧氣頂吹（複合吹煉）轉爐提釩（俄羅斯下塔吉爾和中國攀鋼、馬鋼、承鋼）。

釩鈦磁鐵礦的火法提釩工藝流程圖如右圖所示。

轉爐提釩的主要化學反應

轉爐提釩過程：轉爐提釩是氧射流與金屬熔體表面相互作用，與鐵水中鐵、釩、碳、矽、錳、鈦、磷、硫等元素的氧化反應過程。這些元素氧化反應進行的速度取決於鐵水本身化學成分、吹釩時的動力學條件和熱力學條件。

轉爐提釩中的化學反應：轉爐提釩就是利用選擇性氧化的原理，採用高速氧射流在轉爐中對含釩鐵水進行攪拌，將鐵水中釩氧化成穩定的釩氧化物。以製取釩渣的一種物理化學反應過程。在反應過程中，通過加入冷卻劑控制熔池溫度在碳釩轉化溫度以下。達到“去釩保碳”的目的。元素的氧化反應可用以下通式表示：

式中 為鐵水中的組元； 為氣相中的氧氣； 為爐渣中的氧化物或氣體氧化物，眠"為化學反應的平衡係數。

的氧化主反應為：

其他雜質的氧化副反應為：

反應能力的大小取決於鐵水組分與氧的化學親和力，即標準生成自由能△GΘ。△GΘ值越負，表明氧化反應越容易進行。鐵水中元素氧化的△GΘ-T圖如右圖所示。

反應完成後，液態的 留在轉爐里，稱為半鋼；固態（熔融態）的渣撇出後放入渣罐，稱為釩渣。釩渣是由 、 、 、 、 、 、 、 等組分構成的。一般情況下，釩渣中 、 、 的含量越低則釩渣品級越高。高爐鐵水、釩渣和半鋼典型化學成分如右圖所示。

高爐鐵水、釩渣和半鋼典型化學成分

轉爐提釩脫釩、脫碳規律

脫釩規律：吹釩前期熔池處於“純脫釩”狀態，脫釩量占總提釩量的70%，進入中後期，碳氧化逐漸處於優先。隨釩含量的降低，脫釩速度也隨之降低。

脫碳規律：在吹煉前期，脫碳較少，反應進行速度較低，中後期脫碳速度明顯加快，在此期間碳氧化率達70%。另外，在倒爐及出半鋼期問，也有少量碳氧化。

在熔池區域，碳的氧化反應按下列反應進行： ；

在射流區域碳的氧化反應按下列反應進行： 。

質量特性

釩渣的質量概念包括結晶組織、化學成分、渣中釩和金屬鐵的含量，釩渣的結構受釩渣與半鋼分離後的結晶和礦化時間所制約。

釩渣的氧化性

鐵水提釩在適宜的熔池溫度下，釩在釩渣與金屬相間的分配係數 與釩渣中氧化鐵含量和二氧化矽含量之比 呈明顯的線性關係，如右圖所示。無論是同爐單渣法低鹼度操作，還是雙聯法酸性操作，釩在釩渣和金屬相間的分配係數 隨釩渣中 含量和 含量之比 的增加而急劇地增加。

線性關係

為了使鐵水中的釩儘可能被氧化進入釩渣中，就必須在提釩過程中使釩渣保持高的氧化性，對於同爐單渣法低鹼度( )操作，可用下式表示：

，相關係數

對於雙聯法酸性操作，可用下式表示：

，相關係數

式中， 為釩渣中釩含量，%；

為半鋼中剩餘釩含量，%；

為釩渣中 含量，%；

為釩渣中 含量，%。

釩渣中一般氧化鐵含量都很高，一般超過30%。若釩渣中氧化鐵含量過高就會降低 含量，致使提釩時鐵耗增加，並使釩渣的後步加工變得複雜。在保證釩有較高的氧化率情況下，釩渣中氧化鐵含量並不是越高越好。

釩渣鹼度

在合適的提釩溫度及釩渣中 之比一定時，釩在渣和金屬相間的分配係數 隨釩渣鹼度的增加而增加。當由酸性渣R≤1.0提高到R≥2.0時，在相同的碳氧化率情況下，釩的氧化率提高約30%。為獲得鹼性釩渣，通常在鐵水提釩過程中外加適量的 之類鹼性物，能使 系中氧化鐵的活度值大大提高，有利於釩的氧化並從鐵水中分離出來。但卻會導致釩渣量增加，釩渣中 含量降低，同時，與釩會生成不溶性的釩酸鈣而降低水法冶金提釩過程中釩的回收率；或者需要增加酸浸工序而使生產過程複雜化。另外， 與 會生成磷酸鈣進入釩渣中，會大大降低釩渣的質量。

釩渣質量是指渣中 含量的高低，渣中 含量以()表示，()含量要高，其他雜質應儘可能低。影響釩渣質量的主要因素有兩個：

(1)鐵水成分。釩渣中 與含釩鐵水中各元素、原始含釩量及半鋼余釩量之間的關係可用下列多元回歸方程表示：

由上式可見，() 隨鐵水中原始釩含量的增加而增加，隨鐵水中 、、 含量及半鋼中殘餘釩含量的增加而減少。

(2)渣中含量。有代表性的鐵水提釩法中，釩渣中 含量一般波動在15%～50%之問，以()表示。它與()問的關係可用下式表示：

經計算發現釩渣中()與()含量之和為一常數，()+()=60%左右，兩者皆為釩渣主要成分，在允許範圍內，任何降低()含量的措施對提高釩渣中()含量都是有效的。

釩渣質量

釩渣為酸性渣，斷面呈深鐵灰色到黑色，形態從較為疏鬆多孔的泡沫渣到較為緻密的岩石渣，釩渣礦物相成分主要由釩鐵尖晶石、鐵橄欖石、石英、金屬鐵組成，釩渣主要相組成如右圖所示。

右圖

一般情況在釩鐵尖晶石結構中，由於變價金屬（Fe、V、Mn和Cr）的存在，有助於尖晶石類礦物晶粒疏鬆。主要化學成分如右圖所示。

按 含量的不同，中國的國家標準將釩渣分成6個牌號，它們是釩渣11（V₂O₅10.0%～12.0%）、釩渣13（V₂O₅12.0%～14.0%）、釩渣15（V₂O₅14.0%～16.0%）、釩渣17（V₂O₅16.0%～18.0%）、釩渣19（V₂O₅18.0%～20.0%）以及釩渣21（V₂O₅>20.0%）；對釩渣中P、CaO 和 SiO₂以及Fe的含量均有限制性的規定。

釩渣中 和其他組分的含量由鐵水成分決定。鐵水中的矽含量和釩含量是直接影響釩渣質量的首要因素，鐵水中矽含量高和釩含量低時，則釩渣中 含量高和 含量低；反之，則 含量低和 含量高，即釩渣中 和 成負相關關係，因此，為了保證釩渣品位，對含釩鐵水的矽含量上限有嚴格限制。