釩鐵

釩鐵是一種鐵合金，用碳在電爐中還原五氧化二釩得到，也可通過電爐矽熱法還原五氧化二釩得到。廣泛用作冶煉含釩合金鋼 和合金鑄鐵的元素加入劑，近年來又用來製造永久磁鐵。我國生產的釩鐵有V401、V402等品種，含釩40%左右。

基本介紹

• 中文名：釩鐵
• 英文名：Ferrovanadium
• 別稱：Ferrovanadium alloy
• CAS登錄號：12604-58-9
• 熔點：1887度
• 沸點：3337度
• 學科：金屬材料

介紹

鋼鐵工業用的一種鐵合金。它的主要成分為釩和鐵，還含有硫、磷、矽、鋁等雜質。按含釩量有3 種釩鐵： FeV40 （V35.0%～50.0%，Si<2.0%，Al<4.0%，C<0.30%，P<0.10%，S<0.10%）；FeV60 （V50.0%～ 65.0%，Si<2.0%，Al<2.5%，C<0.30%，P<0.06%，S < 0.05%） 和 FeV80（V75.0%～85.0%，Si<2.0%，Al<1.5%，C<0.30%，P<0.06%，S<0.05%）。此外還有有商品名稱的釩添加劑，如Carvan釩（V82%～87%，C10.5%～14.5%），Nitrovan釩（V78%～82%，C10%～12%，N> 6.0%），Ferovan （V > 40%，Si5.5%～7.0%，Cr5.5%～7.5%，Mn3.6%～4.5%）等，用作冶煉合金鋼與低合金鋼的添加劑。釩鋁合金用於鈦合金生產，常稱“VQ”VAl。

簡史

1801年西班牙礦物學家裡奧（RiO，del A.M.）在研究墨西哥錫馬潘（Zimapan）的鉛礦時發現了釩。但他同意可能是鉻酸鉛的解釋，從而使釩的發現時間被推遲了30年。

1831年瑞典化學家塞弗斯托姆（N. G. Sefstrom）宣布在研究瑞典塔貝里（Taberg）鐵礦冶煉的生鐵時，發現了釩。以女神Vanadis之名命名為“Vanadium”（釩）。1882年勒克勒佐特（Le Creurot）鋼鐵廠用低溫硫酸處理法，從含V1.1%的貝塞麥轉爐渣提取釩氧化物，供染料廠用。1894年穆瓦桑（H.Moissan）在電爐內還原釩氧化物生產釩鐵。1897年戈爾德施米特（H.Goldschmidt）用鋁熱法冶煉釩鐵，質量可以滿足生產釩鋼的要求。塞思（R.V.Seth）於1924年報導了瑞典提出的含釩鐵礦一含釩生鐵一釩渣工藝，用釩渣作生產五氧化二釩和釩鐵的原料。日本侵華時期，於1942年引進德國技術，用承德釩鈦磁鐵精礦為原料，開始建設“南滿特殊制鐵株式會社”（1949年後在此建錦州鐵合金廠），生產含V約30%的釩鐵。中華人民共和國成立後，重工業部鋼鐵工業管理局於1954年下達“承德大廟釩鈦磁鐵礦精礦火法冶煉提釩及製取釩鐵”的科研任務。於1955年完成，奠定了中國釩鐵工業的建設基礎。錦州鐵合金廠於1958年恢復用承德釩鈦磁鐵礦精礦為原料生產釩鐵。1959年開始用釩渣生產釩鐵。1978年攀枝花鋼鐵公司開始生產釩渣，使中國步入世界釩生產大國行列。

性質

釩的原子量為50. 9414，外層電子結構為3d4s。熔點1902℃。沸點3410℃。密度為6. 1g/cm（20℃）。釩是一種可鍛性金屬。釩與鐵的二元系相圖見圖1。釩與鐵形成連續固溶體。並在溫度低於1210℃和在V35%～55%的範圍內，形成金屬間化合物α（FeV）相。

用途

主要用於冶煉合金鋼。世界上消耗的釩約90%用於鋼鐵工業。釩在普通低合金鋼中主要是細化晶粒，增加鋼的強度並抑制其時效作用；在合金結構鋼中是細化晶粒，增加鋼的強度和韌性；在彈簧鋼中與鉻或錳配合使用，增加鋼的彈性極限，並改善其質量；在工具鋼中主要細化鋼的組織和晶粒，增加鋼的回火穩定性，增強其二次硬化作用，提高其耐磨性，延長工具的使用壽命；在耐熱鋼和抗氫鋼中，釩也起有益的作用；鑄鐵中加入的釩，由於形成碳化物而促進珠光體形成，使滲碳體穩定，石墨顆粒的形狀細而均勻，細化基體的晶粒，因而使鑄件的硬度、抗拉強度和耐磨強度提高。

生產工藝

釩在地殼中的豐度為135×10%。釩礦物有70多種，但單一的釩礦床很少（僅秘魯的米納拉格拉為單礦床。已采完。），都是與別的礦共生。用作生產釩的原料有釩鈦磁鐵礦（含VO.4%～1.4%），鈾釩礦（含 V₂O₅1.5%～2.0%），原油灰燼（含V₂O₅20%～40%），含釩磷鐵（含V3%～6%），廢釩催化劑，生產氧化鋁的殘渣等。這些原料含釩低，都需要用濕法冶金的方法，首先從這些原料中提取五氧化二釩，然後再將五氧化二釩冶煉成釩鐵及釩添加劑。釩鈦磁鐵精礦是生產釩的主要原料，世界釩產量的90%是用這種原料生產的。

（1）釩鈦磁鐵礦生產五氧化二釩

釩鈦磁鐵礦的化學成分為：V0.3%～1.4%，Fe約60%，TiO₂約14%。釩鈦磁鐵礦在高爐（或電爐）中用焦炭還原得到含釩生鐵。含V0.4%～1.2%，Si<0.5%，Ti約0.3%。這種生鐵在頂吹氧轉爐（或搖包）用氧氣吹煉得到的釩渣，含V10%～15%，FeO₂5%～45%，SiO₂13%～20%，TiO₂約10%，Cr₂O₃1%～5.0%。渣中夾雜著金屬鐵（半鋼）。經破碎、球磨至粒度<0. 1mm，用風選機或磁選機選出金屬鐵後，用作生產五氧化二釩的原料。釩在釩渣中是以尖晶石相存在。要用氧化方法將V₂O₃氧化成V₂O₅，再與Na₂O結合成可溶於水的釩酸鈉。使用的鈉化劑有純鹼、芒硝或食鹽。氧化鈉化焙燒的反應為：

4FeO·V₂O₃+4Na₂CO₃+5O₂ ⇀8NaVO₃+2Fe₂O₃+4CO₂↑

（2）鋁熱法

最早生產釩鐵的方法且至今仍在使用。鋁是最強的還原劑。用鋁還原五氧化二釩產生的熱量相當大（4577kJ/kg混合料），不但能完成鋁熱法冶煉工藝，而且還要添加回爐釩鐵碎屑來降低反應溫度；加入石灰、鎂砂、螢石降低爐渣粘度；調整鋁粒與五氧化二釩熔片粒度來降低反應速度，減少噴濺損失，提高釩的收得率。冶煉用鎂質爐襯，或用釩鐵爐渣打結的圓形反應爐筒。採用下部點火法冶煉。要求五氧化二釩熔片含V₂O₅≥98%。塊度<20mm×20mm，片厚3～5mm。鋁為含Al>98%，粒度<3mm的鋁粒和3～10mm的鋁泡。鋼屑為普碳鋼車屑，卷長<15mm。冶煉反應完成後，自然冷卻16～24h。拔去爐筒，取出釩鐵錠，進行清理、包裝。冶煉得到的釩鐵成分為： V75%～ 80%，Al1%～4%，Si1.0%～1.5%，CO.13%～0.2%，S≤0.05%，P≤0.075%。爐渣成分含V₂O₅5%～6%，Al₂O₃約85%（CaO+MgO）約10%。生產1t80%V的釩鐵消耗：氧化釩熔片（V₂O₅98%）1500～1600kg，鋁（Al98%）810～860kg。釩的冶煉回收率為90%～95%。為了降低爐渣中的釩含量，在反應終了後立即通電加熱爐渣，使懸浮在爐渣中的金屬粒下沉，和爐渣中的釩氧化物和殘餘鋁繼續反應，提高釩的回收率。

（3）電矽熱法

用75%矽鐵和鋁作還原劑。在改進的三相鹼性電弧爐中生產含V40%～60%的釩鐵。電弧爐的變壓器容量為1800kVA，工作電壓為127/220V，額定電流為4750A。石墨電極直徑為200mm。用鎂磚作爐襯。爐蓋用鉻鎂磚砌成。使用的原料有：五氧化二釩熔片（V₂O₅≥98%，Si≤0.25%，Fe≤0.30%，P≤0.05%，S≤0.03%，As≤0.02%，Na₂O+K₂O≤1.5%，片厚約8.0mm，塊度≤200mm×200mm）；矽鐵（75%矽鐵，塊度≤30mm）；鋁塊（將鋁錠機械加工成≤20mm）；石灰（CaO≥85%，P≤0.015%，塊度30～50mm）和普碳鋼的廢鋼或鋼屑。矽還原釩氧化物的反應見圖3。反應產生SiO₂。而低價釩氧化物為鹼性化合物，對釩的還原產生不利的影響。為此需要加入石灰以提高爐渣的鹼度，促進釩氧化物的還原。

冶煉過程分兩步進行。第1步為還原期，用矽鐵和鋁還原氧化釩，得到含矽高的釩矽鐵合金；第2步是精煉期，用V₂O₅高的爐渣精煉釩矽鐵合金，降低矽而得到釩鐵。上一爐出爐後，補爐完畢，即加入按生產釩鐵成分所需要的全部鐵料，通電後將上爐的精煉渣返回爐內，並加入第1批還原料（五氧化二釩熔片、石灰和配料的大部分矽鐵）。當熔池形成後，全負荷供電，使爐料迅速熔化。全熔後適當降低供電負荷，加入剩餘的矽鐵後，再加鋁還原渣中的V₂O₅。充分攪拌熔池，當爐渣中的（V2O5）<0.35%時則出渣。出渣後，加入第2批還原料（氧化釩熔片和石灰的混合料）。全熔後經充分攪拌。先加矽鐵，後加鋁塊還原爐渣。當渣中（V₂O₅）<0.35%時放渣。還原期加料數量及批數由生產釩鐵的釩含量（40%～60%）確定。

釩添加劑

carvan釩和釩鋁合金是套用較廣的釩添加劑。

carvan釩

鋼和含釩合金用的一種高碳釩鐵添加劑，成分為V83%～86%，C10.5%～13%，Fe2%～3%。生產方法是用天然氣在迴轉窯內，於600℃下將V₂O₅還原成V₂O₄，然後在另一座迴轉窯內於1000℃用天然氣將V2O4還原成釩碳氧化合物。釩碳氧化合物按計算加入焦炭或石墨。加碳量比碳氧反應計算值過量1%。釩碳氧與石墨的混合物加壓成塊。放在真空爐中加熱至1000℃即製成Carvan釩。美國聯合碳化物公司生產的Carvan釩的典型成分為：V84.5%，C12.25%，Si0.05%，Al0.005%，S0.004%，P0.004%，Fe2.5%。合金外形為扁餅狀。密度為4.58g/cm。Car-van釩壓塊包裝成袋，每袋含釩25磅和碳3.7磅，可不再分析，直接加入爐內或鋼包中使用。Carvan釩與釩鐵相比價格較便宜，加入鋼液後溶解較快，釩收得率較高。當釩碳氧和石墨的壓塊在燒結過程中往爐內通入氮氣，就可以製成Nitrovan釩，它含V78%～82%，C11%～12%，N2≥6.0%。用作冶煉釩氮系鋼。

釩鋁合金

生產鈦合金如Ti-6A1-4V用的釩添加劑。根據含釩量分為50%、65%和85%3級，餘量為鋁。因是真空冶煉用的添加劑，常冠以“VQ”（真空質量）標誌。釩鋁合金的氣體含量低，其他雜質如Fe、Si、C、B等要滿足鈦合金的要求。生產釩鋁合金用的五氧化二釩是將工業產品再提純，使雜質含量達到規定範圍的高純五氧化二釩。鋁要用高純度鋁。生產場地要保持潔淨，避免雜質污染。先用鋁熱法生產85%V-Al合金。再將85%V-Al合金與鋁在500kg真空感應爐內熔煉成規定釩含量的釩鋁合金。重熔的目的除脫氣外，主要是使合金成分均勻，要求含釩量的偏差<0.5%。脫氣處理時，爐內真空度為0.266Pa（2×10-3 Torr）。合金錠經過破碎、篩分（篩下物不要），粒度0.2～6mm的釩鋁合金經磁選去除有磁性（鐵高）的合金粒，再經紫外線和螢光檢查，挑除有非金屬夾雜物的合金粒。