转炉提钒工艺对钒渣质量的影响

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  [摘 要]分析了钒渣中影响后道工序提取V205 的相关因素,并研究转炉提钒的特点对钒渣质量的影响,提出了相关的工艺改进思路。
  [关键词]转炉复吹提钒 钒渣 半钢
  中图分类号:TF345.3 文献标识码:TF 文章编号:1009―914X(2013)34―0577―01
  1、前言
  钒属贵重金属,应用范围广,经济价值高,是一种极为重要的工业原料,可广泛应用于钢铁、化工、航空航天、电子工业、生物和农业领域。钒在自然界中的分布很广,约占地壳质量的0.02%;但其分布极为分散,常与其它金属矿共生,所以在开采与加工这些矿石时,钒作为共生产品或副产品予以回收。钒钛磁铁矿是钒的主要矿物资源,钒、铁、钛共生,一般将其冶炼成铁水后,再氧化吹炼得到钒渣作为生产钒产品的主要原料。
  生产钒渣的过程称作提钒,目前我国生产钒渣的工厂主要有攀枝花钢铁集团股份有限公司和承德新新钒钛股份有限公司,均采用双联工艺,即含钒铁水先进行提钒,然后进一步冶炼成钢。生产钒渣的工艺都是采用氧气转炉提钒工艺,其设备与炼钢转炉相同,生产工艺与转炉炼钢相似。氧气转炉提钒工艺主要是通过供氧,形成钒的氧化物进入渣中。钒是极易氧化的元素,Si、Mn、V氧化物分解压相差不多。供氧后,铁水中的Mn、Si、Cr、Fe和少量的碳同时被氧化进入钒渣中,另外,铁水所带高炉炉渣、转炉炉衬的侵蚀剥落等杂质进入钒渣后,都对钒渣的质量造成影响。
  2、钒渣质量标准
  目前评价钒渣质量的主要内容是以化学成分为依据。为了满足后道工序提取V205的需要,标准中对V205含量越高,CaO、P、SiO2:、MFe等其它元素含量越低的钒渣评级越高。因此,判断钒渣质量首先是对V205品位进行判定,并按照其它成分的相应含量对钒渣进行评级。
  3、钒渣质量的影响
  3.1 钒渣结构的影响
  就钒渣的结构而言,主要分为含钒物相,粘结相和夹杂项。钒在钒渣中是以三价离子存在于尖晶石中的,尖晶石是钒渣中主要的含钒物相。钒渣中所含元素最多的是铁和钒,因此可称之为铁钒尖晶石,它的熔点在1700℃以上,在提钒过程中首先结晶。铁橄榄石的熔点1220℃,是钒渣的主要矿相,在提钒过程中凝固最慢,将尖晶石包裹在它之中,是钒渣的粘结相。另外,以细小弥散的金属铁夹杂在钒渣的物相之中或以球滴状、网状、片状等形式夹杂在钒渣中,是钒渣的主要夹杂相。
  钒渣结构对下道工序的影响主要表现在钒渣中钒的氧化速度和氧化率,主要取决于钒渣中含钒尖晶石颗粒的大小和硅酸盐粘结相的多少。含钒尖晶石颗粒越大,破碎后表面积增大越有利于氧化。硅酸盐粘结相越少,包裹尖晶石程度小,越容易氧化分解破坏其包裹,使尖晶石越易氧化。另外,夹杂的种类和数量对转化率也有一定的影响。因此,在钒渣结构中,应提高尖晶石含量,努力降低粘结相和夹杂项。
  3.2 钒渣化学成分对质量的影响
  钒渣的化学成分是影响后道工序提取V205焙烧率的主要原因,在化学成分方面影响钒渣质量的主要因素的来源可以大致分为以下四点:
  (1)铁水所携带的炉渣;
  (2)铁水中元素的氧化程度;
  (3)冷却剂的纯净度和所含元素的氧化;
  (4)吹炼过程的渣铁分离。
  4、转炉提钒工艺对钒渣质量的影响
  4.1 复吹提钒工艺
  钒在铁水侧扩散是钒正向氧化反应的限制性环节。钒氧化速度与钒浓度呈线性关系,而钒从钒渣向半钢的逆向还原位于化学反应限制环节内,钒还原速度跟温度呈指数关系。因此,为了有效脱钒,从热力学角度看,应使熔体及元素与氧化剂接触表面保持适宜的温度;从动力学角度看,加速钒在铁水侧扩散传质是加快低钒铁水中钒氧化的首要条件。加强搅拌,不仅可以加快低钒铁水传质,而且还可增加反应界面,是加快钒氧化的主要手段。正如炼钢采用复吹工艺一样,转炉提钒的较佳工艺也是复吹,顶吹氧气、底吹惰性气体。底部供气可有效地调节金属和钒渣的氧化度,加快下列反应:
  3(FeO)+2[V]=(V2O3)+3Fe
  (FeO)+[C]=Fe+CO
  C+[O]=CO
  因此,采用底吹惰性氣体强化搅拌时,渣中FeO更有效地参与铁水中元素的氧化反应,钒进入渣中的速度、氧化率、回收率及渣中(V2O5)得到提高,同时(FeO)相应降低,效果十分明显。对于低钒铁水,因其本身含钒低,钒在铁水侧扩散阻力大,采用复吹工艺提钒就比高、中钒铁水复吹提钒显得更为重要。由此可见,复吹提钒是含钒铁水(尤其是低矾铁水)转炉提钒的方向。
  4.2 转炉提钒工艺对钒渣结构的影响
  在提钒过程中,钒渣的粘度与固态尖晶石相和液态硅酸盐数量的比值有密切关系。粘稠度最适宜的钒渣,钒尖晶石相数量为55%—65%,此时钒渣中V2O5含量为14%一15%。进一步提高钒渣中的V2O5,,尤其是使钒渣形态为干状,会使钒渣中金属铁夹杂增加,影响钒渣的质量。同时,在实践中取样分析,当钒渣为固态(粒、球状)时,其吹出物中V2O5,含量高达5%—7%。而当形成粘稠状钒渣时,其吹出物中V2O5,含量为0.8%-1.3%。而当钒渣SiO2含量过多时,由于钒渣中钒尖晶石固相比例较小,使钒渣成液态,易造成钒渣出半钢过程流失增加。因此,控制好固态尖晶石相和液态硅酸盐数量的比值,降低夹杂相,从而控制好熔池中钒渣的形状,使之成为粘稠状的最佳形态。
  4.3 转炉提钒工艺对钒渣化学成分的影响
  4.3.1 铁水携带的炉渣对钒渣质量的影响
  铁水携带的炉渣中成分复杂,主要成分为TiO2、SiO2、A12O3、CaO、MgO等,这些杂质随铁水进入提钒转炉后,在提钒过程进入钒渣中,一方面会降低钒渣中的V2O5,另一方面这些杂质本身对钒渣质量也有一定影响。因此,在铁水进行提钒前应对铁水进行撇渣或扒渣。承钢炼钢厂采用铁水在线撇渣处理,即高炉铁水首先经撇渣包撇渣,然后经流铁槽进入混铁炉,由混铁炉出到铁水包,再兑人提钒转炉。撇渣包设有撇渣孔,块状高炉渣被撇出,铁水则通过撇渣孔流人混铁炉。通过撇渣,入提钒转炉的高炉渣得到有效降低,从而降低了铁水携带的炉渣对钒渣质量的影响。   4.3.2 铁水中元素的氧化程度对钒渣质量的影响
  4.3.2.1 合理控制熔池温度
  铁水以转炉吹炼提钒而形成半钢的过程是铁水中Ti、SI、Cr、Fe、Mn和少量的碳等元素的氧化过程。在此过程中,由于连续供氧,转炉熔池铁水中各元素几乎都同时不同程度的发生氧化反应,铁水中元素与氧结合能力的大小决定了各元素的氧化顺序。一般来说,当温度>1400OC时,元素与氧结合能力的大小依次为A1>Ti>Si>V>Mn>Cr>C>Fe,當温度<1400OC时,元素与氧结合能力的大小依次为Al>Ti>S i>C >Mn>Cr>V>Fe。在生产实践中,在非标准状态下的冶金条件下,对于转炉熔池某一局部区域而言,受动力学条件的影响,一些不同性质的元素往往超过限制而几乎同时发生氧化反应,其中,氧化能力强的元素氧化速度更快。因此,合理控制熔池温度,有助于提高V的氧化,从而提高钒渣的氧化率,降低其它元素的氧化率。
  4.3.2.2 转炉提钒的动力学条件
  从动力学角度分析,钒氧化反应主要取决于反应物V和(FeO)向反应界面扩散的扩散传质速度。在吹炼过程中,氧气直接同铁水接触,由于铁浓度很大,铁元素的氧化受动力学条件及扩散因素的影响较小。而铁水中的钒元素在吹炼过程中浓度逐渐降低,其扩散速度减慢,随着反应的进行,反应界面处的钒越来越不能满足反应的需要,其氧化速度逐渐减慢,在吹炼末期尤为明显,使熔池内的化学反应很难接近平衡。因此,铁水中钒向反应界面处的扩散传质速度是钒发生氧化反应的限制性环节,钒的氧化速度主要取决于钒的扩散速度。提钒工艺特点决定熔池反应不激烈,炉内温度较低,碳氧反应被抑制,同时由于铁水钒元素含量仅为0.3%左右,因此在提钒过程中钒元素的反应速度和程度受传质速度限制。钒在反应界面间的传质成为限制性环节,既影响了吹炼时间,又影响了钒的回收率。熔池反应动力学条件差,导致半钢余钒和渣中TFe含量高。为解决这一技术难点,承钢炼钢厂先后应用了顶底复吹提钒工艺和顶底侧复吹提钒工艺,通过底吹或侧吹向熔池吹人氮气,改善了熔池反应的动力学条件,使提钒的主要技术指标得到优化。
  4.3.3 冷却剂的纯净度和所含元素的氧化对钒渣质量的影响
  在转炉提钒过程中,选择采用优质纯净而又含钒的冷却剂,尽可能避免熔池中外来杂质,减少对钒渣的污染,是保证不降低钒渣中五氧化二钒品位,提高钒渣质量的重要保证。目前所采用的冷却剂主要有:
  A 普通炼钢生铁块
  这种冷却剂因本身不含钒,而所含的Si、Mn等元素将在转炉提钒过程被氧化而成为杂质进入钒渣,同时由于该物料在熔池中熔化后将变成含余钒的半钢增加钒的损失。因此,转炉提钒一般不选用普通炼钢生铁块作为冷却剂,不得已采用时,也应选择尽可能低Si、Mn含量的生铁块。
  B 含钒生铁块
  这种冷却剂由于其成分与含钒铁水相接近,一般不会造成钒渣品位的降低。但是,如果控制不当,铁块在熔池中升温熔化时可能已接近终点,此时铁块中的钒将有一部分来不及被氧化而停留在半钢中,造成浪费。同时,铁块熔化后带人的其它元素,如Si、Ti等将抑制半钢中钒的继续氧化,使半钢余钒高造成损失。因此,合理调整铁块加入量,对提高钒渣品位也有较大影响。
  C 氧化铁皮
  由于所含氧化铁高于钒渣正常含量,增加了熔池中的氧,对强化氧化反应,提高钒的转化率有利。但在使用过程中,所含杂质全部进入钒渣,会降低钒渣的品位,因此应尽量提高氧化铁含量,降低杂质含量。主要应用于吹炼过程的温度控制,不宜大量使用。
  4.3.4 吹炼过程的渣铁分离对钒渣质量的影响
  提高吹炼过程的渣铁分离是降低钒渣中金属铁的关键。保证尽可能高的半刚余碳和足够的半钢过热是实现渣铁分离的前提件,承钢多年的实践证明,提钒终点温度控制在
  1370~1400oC,半钢碳≥3.7%较好,此时,半钢过热度大于150oC。另外,如前面所说,良好的渣状 通过优化转炉提钒工艺控制,在相同的铁水条件有利于渣铁分离,但过稀的渣状会造成流失增加,因此将渣状控制在粘稠状是最佳方案。
  5、结论
  (1)转炉提钒工艺对钒渣的质量有着重要的影响,通过优化转炉提钒工艺控制,在相同的铁水条件 下,能够有效提高钒渣的质量,为后道工序提取V205 创造良好的条件。
  (2)用TFe含量较高的氧化铁皮、高品位矿及新配方冷固球团作提钒冷却剂,在保证半钢质量的情况下,对降低半钢V、提高钒渣V2 O5品位具有明显的效果。
  (3)转炉提钒实施复吹提钒技术,对降低钒渣中的TFe含量、提高钒渣品位有一定的效果,但未达到预期目的。为了达到复吹提钒工艺效果,应着重加强与复吹提钒工艺相匹配的供氧制度和冷却制度等方面的研究。
  参考文献
  [1] 国际钢铁协会编.洁净钢一洁净钢生产工艺技术.冶金工业出版社,2006
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