钒提取工艺.ppt

提钒与炼钢工艺,项目一含钒铁水提钒,氧气顶吹转炉吹炼提钒,项目目标总体在已知原材料和工艺设备条件下编制一炉铁水提钒的操作规程和完成一炉铁水提钒的吹炼。具体1、熟悉钒钛资源、钒的用途、钒的性质及提取钒方法的特点；2、熟练掌握氧气顶吹转炉提取钒的任务、原理；氧气顶吹转炉提取钒的主要原料种类及对其要求要点；氧气顶吹转炉吹炼一炉含钒铁水提取钒包括的项目及参数控制、调节的方法。3、了解氧气顶吹转炉吹炼提取钒所涉及到的主要种类、作用及结构特点。,项目引入攀西地区是中国矿产资源最富集的地区之一，有钒钛磁铁矿资源储量98亿吨，占全国铁矿资源储量近20。其中，钒资源储量占全国储量的61，占世界储量的11－6，钒是国家重要的战略物资。钒钛磁铁矿在高炉中冶炼出的铁水含钒为0－25～0－35％，为提取铁水中钒，含钒铁水炼钢前需进行提钒，得到钒渣（是钒制品生产的原料）和半钢。因此掌握含钒铁水的吹炼技能是十分重要的。,学习型工作任务在获得优质、高产、低耗、长寿的技术经济指标理念下，依据已知原材料性质及工艺设备，以完成一炉铁水提钒得到合格产品的工作任务岗位技能为总体目标，设置为一个综合性项目，以职业能力培养为主线，将一炉铁水提钒相对应的主要知识点设置为若干个单元，每一单元的主要知识点同最终目的（总的工作任务）联系起来；将完成该任务所需的岗位操作技能设为实训项目，并配置相关的专业知识、经验案例和设备知识，构成理论和实践一体化的项目导向课程。,教学内容,单元11－1钒相关知识介绍,1-1-1钒钛资源,1-1-1钒钛资源,攀西地区是中国矿产资源最富集的地区之一，有钒钛磁铁矿资源储量98亿吨，占全国铁矿资源储量近20。其中，钒资源储量占全国储量的61，占世界储量的11.6，居中国第一、世界第三；钛资源储量在国内具有绝对优势，占全国储量的90，世界的35，居世界第一位。,1-1-1钒钛资源,承德地区的钒钛磁铁矿总储量达到了80亿t以上，折合V2O5的储量有800万t，资源相当丰富。,1-1-2钒的性质,1.钒的物理性质元素符号V，原子序数23，原子量50.94，外围电子排布3d34s2，位于第四周期VB族。原子半径132.1皮米，第一电离能654kJ/mol，电负性1.6。银白色金属，有良好的延展性。密度5.96g/cm3，熔点189010℃，沸点3380℃，,2.钒的化学性质钒具有可变的氧化价，能生成＋2、＋3、＋4、＋5氧化态的化合物，其中＋5价钒的化合物最稳定；在常温下钒的化学性质较为稳定，在高温下可与C、Si、Cl、O、S、N、Br等大部分非金属元素生成化合物。钒具有很好的耐腐蚀性，耐淡水与海水的侵蚀，亦耐非氧化性酸和碱溶液的侵蚀。它可被氧化性酸所溶解，在空气中钒也可被熔融的碱、碱金属碳酸盐所溶解生成钒酸盐。钒亦具有一定的耐液态金属（铀）和合金（钠、铅－铋等）的腐蚀能力，因此，钒包套材料与核燃料之间不发生明显的相作用与扩散作用，能可靠地防护核分裂产物，适合作钠冷却快中子反应堆的燃料包套和反应堆材料。,1-1-2钒的性质,钢中加入少量的钒，起到细化晶粒和沉淀强化作用大约有7％～10％的钒用于制作金属合金，例如钒与钛可以组成重要合金Ti－6Al－4V。钒的氧化物可以代替铂作催化剂，应用于玻璃工业、医药工业、纺织工业、照相和电影材料工业。钒还可以作为快速中子反应堆的结构材料，也是电子工业中超导体、电子管中X射线滤波器的材料等，也是生物工程不可缺少的重要物资。,1-1-3钒的用途,1-2提钒方法,,,1-2-1湿法提钒,,钒磁铁矿中为1％～2％，是含钒较高的矿石，经破碎精选的精矿粉，与芒硝混合制球后装入窑中，在1200℃的高温下焙烧，精矿粉中钒与芒硝作用，钒转化为可溶性钒酸钠；再将焙烧好的球团矿浸入水中，使钒酸钠充分溶解；加入硫酸，钒酸钠再转化为不溶于水的V2O5，经沉淀、过滤后，即作为制作钒铁合金的工业原料。,,湿法提钒工艺流程示意图,1-2-2火法提钒,火法提钒是用含钒的磁铁烧结矿，经过高炉冶炼出含钒铁水，再进行提钒处理。中国、俄罗斯等国家采用这种方法提取钒。此外，还可以通过电炉，将含钒铁矿预还原成金属球团矿后，再经电炉冶炼出含钒铁水，提取钒渣。南非和新西兰等国家采用这种方式提取钒,,火法提钒工艺流程示意图,,两种提钒法的比较,,,湿法原料处理简单；钒回收效率高，从精矿→V2O5收率达80％以上,,,,优点,火法钒渣作为提取V2O5原料，钒含量高；处理量少；可回收铁；焙烧温度低，只有800℃左右，动力和辅助材料消量也少；,缺点,湿法处理物料量大，设备投资大；焙烧温度（1200℃以上）动力及辅助原料消耗大，不回收铁。,火法钒的回收率较低，从精矿粉到V2O5回收率在60％～70％。,,,CompanyLogo,1-3氧化提钒方法,1-3-1摇包提钒法,,半钢进转炉炼钢,,1,,2,,3,4,,,,南非海威尔德公司试验历程,电炉炼铁,摇包提钒,回转窑直接还原,,雾化法提钒工艺流程,1-3-2.雾化提钒,1-3-2.雾化提钒,雾化提钒工艺是我国自行研制的一种独特提钒方法。特点雾化提钒过程中不能加入冷却剂，只适用于含硅低的含钒铁水，并要控制好铁水温度，不能过高。雾化提钒工艺简单，铁水提钒处理能力大，满足了生产要求。但提钒时铁的氧化多，铁损较大。,1-3-3转炉提钒方法,1-3-3-1空气侧吹转炉提钒,空气侧吹转炉是利用侧吹供入空气，使转炉内铁水钒氧化而获得钒渣。,1-3-3-2氧气顶吹转炉吹炼提取钒,氧气顶吹转炉吹炼提钒法是我国火法提钒生产广泛采用的工艺。我国的攀钢、承钢和马钢以及俄罗斯的下塔吉尔钢铁公司均采用顶吹转炉提取钒渣。氧气顶吹转炉吹炼提钒法的优点是（1）半钢温度高；（2）可保证生产各种品总的钢；（3）制取的钒渣含量高，氧化钙，磷等杂杂质少，有利于下一步提钒五氧化二钒；（4）钒渣金属杂质物少；（5）炉子寿命提高；（6）钒氧化率高。,1-3-3-3氧气顶底复吹转炉提钒法,为了提高熔池的搅拌温度，采用炉底吹入搅拌气体、炉顶吹氧的办法即为顶底复合吹钒工艺。目前世界上仅处于试验阶段。,氧气顶底复吹转炉提钒法试验进程,我国承德钢铁公司在20t转炉上也进行了复合吹炼试验。底部用4个内径2mm的不锈钢管枪体，共氮压力为0.9到1.35MPa，顶吹氧气压力为0.6～0.85MPa，枪位0.8到1.2m，供氧强度1.9～2.5m3/（min.t）。底吹供气强度0.03到0.06m3/（min.t），N2流量为72～150m3/h（标态）。,原苏联在容量100kg的转炉试验，试验结果表明，随着顶底吹炼强度提高，平均熔化速度提高及钒氧化程度提高，比单一吹氧的提钒率提高，半钢残渣的质量分数可降低到0.016～0.017％,钒渣中的全铁的质量分数降低到22～25，五氧化二钒质量分数提高到23～25。,试验用冷却剂为含钒铁块和酸性球团，结果表明（1）吹炼过程平稳，不粘枪、不结料；（2）与顶吹相比，半钢余碳的质量分数提高0.2～0.6；（3）钒渣全铁降低3.28～5.93，五氧化二钒提高0.77～1.73；（4）与顶吹相比，复合吹炼可多吃球团10～15kg/t，每吨渣耗氧量（标态）降低10～30m3。,火法提钒的发展方向,,转炉顶底复合吹炼提钒是今后转炉提钒顶底发展方向。,1－4氧气顶吹转炉吹炼提取钒,提钒任务,,,含钒铁水,钒渣标准YB320－65,,,,,1-4-1-2氧气顶吹转炉吹炼提取钒原理工程实例,已知攀钢典型铁水成分w[C]＝4.0％,w[Si]＝0.20％，w[V]＝0.32％，w[Ti]＝0.25％，通过物理化学手册查出一些数据计算出lgfv＝－0.587，lgfc＝0.865，求实际转化温度T,,,解决此问题所需要的素材（1）转炉提取钒主要是通过供氧，形成钒的氧化物提取出来。钒是极易氧化的元素，钒与氧的亲合力介于硅和锰与氧的亲合力之间。供氧后，铁水中Fe被大量氧化，Si、V、Mn和少量的C也同时被氧化。,解决此问题所需要的素材（2）钒与氧的反应提钒过程是氧气流与金属熔体表面相互作用的过程，是铁水中铁、钒、碳、硅、锰、钛、磷、硫、等元素的氧化反应过程.反应能力的大小取决于铁水组分与氧的化学亲和力，通常称之为标准生成自由能。值越负，氧化反应越容易进行。,A、钒与氧的反应,钒能与氧形成化合物V2O2、V2O3、V2O4和V2O5。在炼钢的温度范围内，最稳定的钒的氧化物是V2O3和V2O5。,钒的氧化反应式2[V]3FeOV2O33[Fe]2[V]5FeOV2O55[Fe]在固态的钒渣中，钒主要以钒尖晶石FeOV2O3形式存在。钒的氧化反应也可写成2[V]4FeOFeOV2O33[Fe]2[V]4[O][Fe][FeV2O4],B标准生成自由能与温度的关系曲线,分析此图钛的氧化优先，硅和钒的氧化较慢,提钒的原理就是向转炉内铁水中加入氧化性物质（主要是吹入氧气）使钒氧化成钒的氧化物进入炉渣，为了达到“脱钒保碳”的效果，同时应适当加入各种冷却剂以控制熔池温度低于C－V转化温度（T转），得到合乎要求的钒渣和满足下一道工序炼钢的半钢。,根据热力学计算T转实际铁水中各元素选择性氧化转化温度与标准状况下是有差距的。实际的随铁水的成分和炉渣的成分的变化而变化。例题讲解,实际吹钒过程的转化温度，随着铁水中钒浓度的升高和氧分压的增大，转化温度略有升高，同时随着铁液中［V％］浓度的降低，即半钢中余钒越低，转化温度越低，保碳就越难。因此脱钒到一定程度后，要求半钢温度较高时，只有多氧化一部分碳的条件下才能做到。实际吹钒温度控制在1340～1400℃范围内。通过转化温度的计算，可以根据工艺的要求，规定出适当的半钢成分，即可估计转化温度，在吹炼过程中控制过程温度不要超过此温度。根据原铁水成分及规定的半钢成分，并算出吹炼的终点温度（转化温度），即可作一热平衡计算以估计须用的冷却剂用量。,1-4-1-3.课堂实训,已知攀钢典型铁水成分w[C]＝4.0％,w[Si]＝0.20％，w[V]＝0.32％，w[Ti]＝0.25％，通过物理化学手册查出一些数据计算出lgfv＝－0.587，lgfc＝0.865，求实际转化温度T,,1-4-2氧气顶吹转炉吹炼提钒前的准备,,1-4-2-1、提钒原料准备,A含钒铁水对铁水成分的要求V、Si、Mn、Ti等.铁水中含钒的高低，对钒渣中含量有直接关系，生产实践表明，吹炼W[C]0.40％左右的铁水时，钒渣中的在16％～20％；若吹炼在0.20％的铁水，渣中只有10％左右。,铁水中Si、Mn、Ti等元素含量能抑制钒的氧化，其中Si、Ti元素尤为强烈。铁水含钛，粘度较大，在运输、贮存和吹炼过程中容易出现铁水包包衬、混铁炉内衬、转炉炉衬和氧枪等粘结，影响设备的正常运转和使用寿命。Si、Mn、Ti等元素氧化，还放出大量的热，使熔池温度升高，为碳的激烈氧化提供了条件，所以铁水中Si、Mn、Ti等元素含量高时，半钢的余钒较高；钒渣中SiO2含量增加，使V205含量降低；Si02高，会降低钒渣质量，还会影响熔渣的流动性。因此，要求用于提取钒的铁水中Si、Mn、P、Ti等元素含量低些为好。,脱硫由于含钒铁水含硫高，铁水提钒前进行炉外脱硫（具体内容见转炉炼钢工艺中）扒渣铁水（高炉铁水、脱硫铁水）在进入提钒转炉前进行渣铁分离的一道工序。铁水携带的炉渣含如SiO2、TiO2杂质，会降低炉渣中V2O5含量，影响炉渣质量；CaO在钒渣后步工序的处理焙烧过程中CaO与V2O5会发生反应，易生成不溶于水的钒酸钙CaO.V2O5，因此CaO对焙烧转化率影响极大。经测定，入转炉的铁水带渣量要求小于铁水质量的0.5％（规程要求每罐中不大300kg）。,入炉铁水温度入炉铁水温度高，不利于钒的选择氧化，增加冷却剂的加入量，缩短吹氧时间，结果使半钢的余钒含量提高，含碳量降低，钒渣的品位（V2O5的含量）也降低。综合考虑，入炉铁水温度保持在1270℃左右最好。,B辅助原料为了达到“去钒保碳”的目的，在整个提钒过程需要将熔池温度控制在一定的范围。目前，攀钢转炉提钒采用的冷却剂有生铁块、冷固球团、铁皮球、铁矿石、绝废渣（废钒渣）等。攀钢转炉提钒使用的冷却剂理化指标,B辅助材料含钒生铁块冷却剂由于与铁水成分相近，不会影响钒渣品位，较多采用，但应采用低含量Si、Mn的生铁块，这是因为Si、Ti等对钒的氧化不利，造成钒铁损失增加；氧化铁皮冷却剂会增加熔池中的氧，有利于钒的氧化，但应采用杂质较少的氧化铁皮且适量采用，这是因为夹杂会进入钒渣，降低钒渣品位。铁皮球与氧化铁皮相比杂质较少作冷却剂效果较好，攀钢转炉提钒目前主要采用。,C其他材料碳化硅增碳剂,使用碳化硅的成分如下SiCC游离SiO2H2OS505≤26≤10≤1.5≤0.2焦炭用于转炉提钒新开炉，焦炭的块度20～80mm.其成分如下C固≥80S≥0.75H2O＜6灰分≤15挥发分≤1.9,1-4-2-2提取钒主要设备的准备,A转炉系统设备,转炉结构组成,组成转炉系统设备是由转炉炉体（包括炉壳和炉衬），炉体支承系统（包括托圈、耳轴、耳轴轴承及支座），倾动机构所组成的。,转炉倾动机构根据转炉倾动机构的工作特点和操作工艺的需要，倾动机构应满足在整个生产过程中，必须满足工艺的需要，应能使炉体正反转动360，启动、倾动和制动时要求稳，并能准确地停在任一倾角位置上，并且要与氧枪、炉下钢包车、烟罩等设备连锁；转炉的倾动速度可根据工艺要求具有两种以上的倾动速度；转炉倾动机构一般由电动机、制动器、一级减速器和末级减速器组成。就其传动设备安装位置可分为落地式、半悬挂式和全悬挂式等。,B氧枪组成它由喷头（枪头）、枪身（枪体）和枪尾所组成。枪身是三根同心管，内层管通氧气，上端用压紧密封装置牢固地装在枪尾，下端焊接在喷头上。氧枪的枪尾与进水管、出水管和进氧管相连，枪尾的另一端与枪身的三层套管连接，枪尾还有与升降小车固定的装卡结构，在它的端部有更换氧枪时吊挂用的吊环.攀钢转炉提钒目前采用的是339氧枪喷头,氧枪结构,C冷却剂供应系统设备冷却剂可以在开吹时一次全部加入；或者先加入绝大部分，留少部分用于过程调整。一般兑铁后，生铁块、绝废渣等在开吹前加入，铁皮球、冷固球团等从炉顶料仓加入炉内，其作业流程为高位料仓→分散称量漏斗→电磁振动给料器→汇集胶带运输机→汇集料斗→转炉。,冷却剂供应系统示意图,CompanyLogo,1－4－3氧气顶吹转炉吹炼提钒工艺,单渣法、双渣法、双联法提钒情况对比,顶吹转炉提取钒渣是采用双联工艺操作。,转炉提钒工艺流程,1-4-3氧气顶吹转炉吹炼提钒工艺,,,,子项目五出半钢和出钒渣制度,子项目四终点控制制度,子项目三温度控制制度,子项目二供氧制度,子项目一装入制度,一炉铁水提钒工艺,1-4-3-1氧气顶吹转炉吹炼提钒工艺制度装入制度,兑铁水,铁水入炉前需进行预处理，必须用扒渣铁水。经过扒渣后的高炉或脱硫铁水均可用于提钒。装入量多少根据转炉公称容量、含钒铁水成分，使用氧枪喷头结构等因素确定，过多、过少均会对提钒吹炼产生不利的影响.兑铁后测温取样，以便根据入炉温度，合理配加冷却剂，取样分析［C］、［S］，从而对［C］、［S］的控制起指导作用。,1-4-3-2氧气顶吹转炉吹炼提钒工艺工艺制度供氧制度,吹炼,A耗氧量耗氧量是指将1t含钒铁水吹炼成半钢时所需的氧量，单位为m3/t。确定依据一般根据不同的铁水成分、吹炼方式、供应强度和搅拌情况。转炉提钒的每吨铁氧耗量在14～18m3以内、16000～18000m3/h最佳。,供氧工艺参数,B供氧强度定义供氧强度是指单位时间内每吨金属的耗氧量，单位为m3/（t.min）。供氧强度的大小影响吹钒过程的氧化反应强度，过大时喷溅严重，过小时反应速度慢，吹炼时间长，会造成熔池温度的升高，超过转化温度，导致脱碳反应急剧加速，半钢残渣钒量从新升高。一般在吹氧初期可提高供氧强度，后期减少。,C供氧压力和枪位供氧压力在同样供氧量的条件下，供氧压力大可加强熔池搅拌强化动力学条件有利于钒等元素的氧化速度。供氧压力控制在0.7～0.8MPa范围内较合适。枪位枪位指氧枪喷头端部距离熔池液面的高度。例如俄罗斯下塔吉尔160t氧气顶吹转炉提钒时，在吹初期枪位高度控制在2.0m到后期枪位降低到1m。当铁水含硅量高时，枪位均保持下限。,攀钢120氧气顶吹转炉提钒,氧枪枪位控制情况,不同枪位的吹氧时间,氧枪枪位控制模式示意图,1-4-3-3氧气顶吹转炉吹炼提钒工艺工艺制度温度控制制度,加冷却剂,1-4-3-3氧气顶吹转炉吹炼提钒工艺工艺制度温度控制制度,温度控制是转炉提钒各项制度中的关键，是通过正确加入冷却剂来控制。冷却剂加入的目的是为了控制吹炼温度，使之低于吹钒的转化温度，达到脱钒保碳目的。,常用冷却剂的种类有生铁块、冷固球团、铁皮球、铁矿石、绝废渣（废钒渣）等。,生铁块,铁皮球,冷却剂可以在开吹时一次全部加入；或者先加入绝大部分，留少部分用于过程调整。,冷却剂加入的方式,冷却剂的选用除了要求具有冷却能力外，还要有氧化能力，带入的杂质少。冷却剂中的氧化性冷却剂（铁皮球、球团矿等）既是冷却剂又是氧化剂，其中铁皮球最好。,铁皮球,冷却剂的加入量主要取决于含钒铁水发热元素氧化放出的化学热与使吹钒终点温度低于转化温度。,,冷却剂加入的数量,1-4-3-3氧气顶吹转炉吹炼提钒工艺工艺制度终点控制制度,提钒终点控制主要指半钢温度控制、半钢碳控制及钒渣（渣态、质量）控制三个方面。半钢温度≥1380℃。半钢碳含量≥3.8。钒渣V2O5品位要求≥17.5。转炉炉口火焰由暗红色转为明亮色时，视为碳焰露头，可提枪倒炉。,转炉提钒试验和生产的结果表明，半钢中余钒含量与提钒终点温度之间的关系如图1－16所示。由图1－16可见，提钒终点温度由1320℃提高到1400℃时，半钢中余钒含量相应由0.029％增加到0.043％；温度继续提高到1440℃，余钒含量将剧增到0.091％．同时，提钒过程中铁水的脱碳量与温度的关系如图1－17所示。随着提钒终点温度升高，提钒过程中脱碳量直线增加。因此，为了实现提钒保碳，使半钢中余钒含量＜0.05％，并获得较高的半钢含碳量和温度，提钒过程应在约1400℃时结束。,转炉提钒试验和生产的结果表明，半钢中余钒含量与提钒终点温度之间的关系如图所示。,,由图可见，提钒终点温度由1320℃提高到1400℃时，半钢中余钒含量相应由0.029％增加到0.043％；温度继续提高到1440℃，余钒含量将剧增到0.091％．同时，提钒过程中铁水的脱碳量与温度的关系如图1－17所示。随着提钒终点温度升高，提钒过程中脱碳量直线增加。因此，为了实现提钒保碳，使半钢中余钒含量＜0.05％，并获得较高的半钢含碳量和温度，提钒过程应在约1400℃时结束。,1-4-4-4氧气顶吹转炉吹炼提钒工艺工艺制度出半钢与出钒渣制度,出半钢,1吹钒结束后，倒炉测温取样，然后出半钢，出半钢前向半钢罐内加入适量增碳剂或脱氧剂。2出半钢时间≤4min时必须下出钢口。3若渣态稀出半钢1/32/3时必须向炉内加入挡渣标。4终点温度低于1340℃或渣态不好、废钒渣未化完不出钒渣。5出尽半钢后，摇炉至炉前出钒渣。禁止未出完半钢的炉次出钒渣。炉内的钒渣可一炉一出，也可几炉一出。但每出一次钒渣必须取钒渣样。,出半钢和倒钒渣要求,B炉倒一次钒渣的优点（1）留渣操作可以使钒尖晶石进一步长大，有利于提高钒回收率；（2）有利于铁在渣中沉降，降低TFe含量；（3）加快了生产节奏。如果连续4炉未出，熔池面渣层太厚，渣与半钢分离困难，反而降低了钒回收率，所以要求第4炉必须出钒渣。,C出钒渣的炉次操作的注意事项一般连续2炉后要考虑出钒渣，出钒渣的炉次一要控制入炉铁水量不要太多，防止半钢出不完；二是生铁块数量控制在下限，少加或不加废钒渣，防止熔化不完全；三是吹炼终点温度靠上限，有利于渣金分离；四是控制好终点渣的氧化性，不能终点后吹扫炉口；五是出钒渣前和过程中必须确认渣态，避免夹有半钢。,实训,已知攀钢典型铁水成分w[C]＝4.0％,w[Si]＝0.20％，w[V]＝0.32％，w[Ti]＝0.25％，钒渣成分w[CaO]＝1.52.5％,w[SiO2]＝1417,试设计该铁水提钒的工艺流程及相关参数.,,含钒铁水吹炼小结,含钒铁水,