一种复吹转炉提钒的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及钢铁冶炼领域，具体地，涉及一种复吹转炉提钒的方法。
【背景技术】
[0002] 钒（V)是一种过渡族金属元素，金属钒常温下化学性质较稳定，高温下较活泼。钒 原子的价电子结构为3d 34s2,是典型的变价元素，五个价电子都可以参与成键，具有+2、+3、 +4和+5价态。在不同的氧分压和温度下，钒的稳定化合物也不同，其中，通过降低氧分压提 高温度有利于三价钒氧化物的稳定存在。除此之外，钒还有多种非化学计量氧化物，可用通 式V nO2lri (3彡η彡9)表示的同族氧化物。在V2O4和V 205之间，已知有V 305、V307、V40 7、V409、 V509、V60n、乂60 13等氧化物。工业上钒氧化物主要是V 203、乂02和V 205，其中V2O5尤为重要。
[0003] 钒因其具有优良的强度、硬度及抗疲劳效应，而被广泛地应用于钢铁、化工、航空 等领域。大约84%的钒在钢铁中作为合金元素溶解到钢中形成VC和VN，以起到细化晶粒， 抑制贝氏体和珠光体的发育增加马氏体强度的作用，从而提高钢的硬度、强度、韧性和抗磨 损性能。含钒的产品以钒铁和VN为主化晶粒。钒用于有色合金主要是以V-Al系合金为代 表的结构材料，如优良的高温航空结构材料Ti-6Al-4V、Ti-8Al-lV-Mo和Ti-6Al-6V-2Sn等 合金。用于化工领域的钒产品主要有V 205、NH4V03、V20 3、VOCl^ VCl 4等，用作催化剂、着色 剂、大容量电池用的电极材料。值得一提的是由于钒的多价态，钒用作锂电池正极材料或开 发成超级电容器等储能装置，具有充电迅速、比能量高、价格低廉等优点，颇具应用前景。此 外，约2%的钒产品还应用于医药、防护材料及薄膜材料等领域。现有研宄表明钒化合物具 有类胰岛素的作用，能促进肝糖原和肌糖原的合成，抑制肝糖原分解为葡萄糖，促进脂肪的 合成并抑制脂肪的分解。总而言之，钒及钒产品主要作为添加剂广泛地用于提高材料性能 或加速化学反应进程。
[0004] 钒资源作为一种世界上重要的稀缺资源，无单独可采的钒矿物，其在自然界中 的分布很分散，主要伴生于硫钒矿" 2或V 2S5、铅钒矿（或称褐铅矿）Pb5(V04) 3C、钒云石 KV2(AlSi2Oltl) (OH)2、钒酸钾铀矿K2(UO2) (VO4)2 · 3H20以及钒钛磁铁矿等矿物中。全球钒的 总储量为6300万吨，可开采储量为1020万吨。用于提钒的原料种类很多，世界上88%的钒 是从钒钛磁铁矿中获得，其余提钒原料有石煤、废催化剂、石油灰渣、碳质页岩等。因钒原料 种类、矿物特征及其中钒含量差异较大，从含钒物料中提取钒的工艺和方法也多种多样，主 要有火法冶炼、湿法浸出和火法-湿法联合提取工艺。
[0005] ①火法冶炼
[0006] 通常以钒钛磁铁矿为主要原料，通过高炉或其它炼铁流程得到含钒铁水，再在转 炉中吹入氧气使金属中的钒氧化富集到渣中。采用双联转炉吹炼时得到含v 2058~20 %的 钒渣和含C约3. 6%的半钢，采用单个转炉造渣吹炼时得到含V2O5O~5%的含钒钢渣和钢 水。得到的钒渣或含钒钢渣经过焙烧-浸出或直接浸出的方式进行后续提取。随着炼钢和 提钒工艺的发展要求，也出现了直接在转炉内加入碳酸钠进行吹炼，得到钠化钒渣和半钢， 同时达到脱除铁水中磷和硫的目的。
[0007] ②湿法浸出
[0008] 此种工艺较适用于废催化剂、飞灰和石油灰渣等废产品，也有少量应用于石煤中、 钒钛磁铁矿等原矿，但由于其中钒都主要以难溶的三价钒形式存在，直接浸出较火法冶炼 和火法-湿法联合提取工艺回收率更低。目前直接浸出的工艺主要有酸浸、碱浸、生物浸 出、加压酸浸等。R. Navarro比较了酸浸和碱浸石油飞灰提钒工艺，认为NaOH浸出虽然浸出 率为61 %低于酸浸但对于过渡族金属化合物更具有选择性，得到含钒溶液调pH为8沉淀除 Al后再加入NH4Cl至pH为5便可沉淀得到f凡产品，沉淀率达99%。D. Mishra采用一种无 机营养菌-硫氧化菌处理废催化剂，通过促进硫氧化菌的生长以及两步处理，可使钒浸出 率达到94.8% ;Li等[17]在探索了氧化焙烧-加压酸浸、常压酸浸的方法后，采取加压酸 浸石煤提钒可将钒浸出率提高到76%且反应时间短，相比常压酸浸50%和焙烧-浸出工艺 的70%都有明显地提高，但此工艺对设备要求较高。将钒浸出到溶液后一般采取沉淀-煅 烧、溶剂萃取-反萃等工艺得到最终的钒产品。
[0009] ③火法-湿法联合提取
[0010] 由于原矿中V多以较稳定的三价钒形式存在，通常需要将其在氧化气氛下焙烧转 化成高价化合物以利于浸出。对于我国的石煤资源，其蕴藏的钒资源总量占全国总钒的 87%，钒品位在0. 13~1. 2%，发展的火法-湿法联合提取工艺有传统的钠盐焙烧-水浸、 空白焙烧-酸浸（碱浸）、少盐焙烧-循环浸出以及钙盐焙烧-酸浸（碱浸）等。虽然钠盐 焙烧工艺有焙烧温度低、时间短等优点，但其回收率低、产生大量有害气体如HCl和(：1 2正 逐渐被少盐焙烧或钙盐焙烧所取代。
[0011]目前，世界范围内制取钒渣的生产方法较多，主要有新西兰铁水包吹钒工艺、南非 摇包提钒工艺、俄罗斯和中国的转炉提钒工艺等，其它提钒工艺还包括含钒钢渣提钒、石煤 提钒工艺等。其中最主流的为转炉提钒工艺，其处理量最大。转炉提钒技术由俄罗斯（前 苏联）开发，开发后主要在下塔吉尔钢铁公司应用。下塔吉尔钢铁公司（以下简称下钢） 建于1940年，于1964年开始用高炉冶炼卡奇卡纳尔的钒钦磁铁矿生产含钒铁水。该公司 从1957年开始进行吹炼含钒生铁新方法的探索，由乌拉尔黑色冶金研宄所等单位研宄的 转炉提钒一转炉炼钢的双联法提钒炼钢获得成功。在IOt试验转炉所做研宄的基础上，又 于1963年11月建成IOOt转炉，并进行第一批工业试验，证实了采用氧气从铁水中提钒的 合理性。推荐的典型工艺如下：转炉装入铁水115~120t，预先装入12%的固体生铁，5% 的氧化铁皮，氧气纯度9. 2 %，供氧强度150~200m3/min，氧气压力0. 98~I. 45MPa，喷枪 高度0. 7~I. 5m，采用3孔喷头，吹炼时间8~12min。当熔池含钒高于0. 04%时，进行补 吹。结果证实了用氧提钒的高效率，可以实现深度去钒，钒氧化率达92%~94%。
[0012] 1978年，下钢为了均衡炼钢与轧钢的生产能力及满足对钒渣的需求，把原来的3 座130t转炉扩建成160t，1979年底又新建成第4座160t转炉，采用四吹三工作制，即一座 转炉提钒，两座转炉炼钢，另一座检修待用。在工业性运转中，启用了氧气转炉提钒自动化 控制系统，推行了留渣操作工艺。具体工艺流程为：从高炉车间运来的含钒铁水，先倒入混 铁炉均匀铁水成分和温度，再将铁水从混铁炉倒入铁水罐，运到转炉工段的工作平台，用吊 车将铁水兑入提钒转炉，然后根据铁水温度及含硅量，用料斗向转炉内加入氧化一冷却剂 轧钢铁皮70~80kg/tFe，然后降氧枪开始吹氧，氧枪高度开始为2. 0m，随后降至I. 0m，供氧 强度约300m3/min，当铁水中硅含量高时，整个冶炼期枪位均保持下限。在氧气吹炼过程中， 部分熔解于铁水中的碳和大部分造渣元素都被氧化。同时半钢温度从1230~1260°C上升 到1340~1410°C，在铁水碳含量降到2. 8%~3. 6%，钒含量降到0. 04%以后，抬起氧枪并 停止吹氧，将半钢倒入半钢罐，将钒渣倒入渣罐或留在转炉内（留渣操作时）。然后将盛有 半钢的半钢罐运至转炉工段，将半钢兑入炼钢转炉进行冶炼。
[0013] 从60年代初开始，中国曾先后在首钢、唐钢、上钢、攀钢、承钢和马钢的氧气顶吹 转炉上进行过多项半工业与工业性试验，取得了大量的试验数据。承钢二炼钢的20t氧 气顶吹转炉已于1988年正式投入提钒生产。中国氧气顶吹转炉提钒氧压控制在0. 53~ 0. 7MPa，耗氧量为16. 37~25. 0m3/t ;采用生铁块、氧化铁皮、矿石、酸性球团、废钒渣及高 碳废钢作冷却剂，半钢含碳量为3. 17 %~3. 95 %，残钒量为0. 06 %~0. 11 %，半钢温度为 1347~1420°C，钒氧化率为68. 9%~87. 81%，钒回收率为74. 82%~78. 65%。但由于原 材料条件波动大，操作工艺不稳