[钒铁]使用专用贫化还原剂冶炼钒铁

        通过对钒铁冶炼贫化还原过程的分析，针对钒铁冶炼的特点，提出并使用了物化性能更加适合钒铁冶炼的专用贫化还原剂代替铝冶炼钒铁，经工业生产试用验证，可大幅度降低钒铁冶炼的铝耗，取得较好的经济效益。
        目前，国内钒铁冶炼主要是采用电硅热法。电硅热法冶炼钒铁，使用硅铁做主要还原剂来还原五氧化二钒，当还原的反应进行到一定程度后，再使用还原能力更强的铝来进一步还原炉渣中残余的钒氧化物，使炉渣中残余钒氧化物得到贫化〔1〕。我们把用强还原剂铝进一步还原炉渣的过程叫做贫化过程，此过程所用的强还原剂铝习惯地被称之为贫化还原剂。众所周知，在铁合金生产中，铝是常用的碳、硅、铝还原剂中还原能力最强、价格最贵的一种，如何提高铝的利用率，降低钒铁冶炼铝耗，提高经济效益，是钒铁冶炼工作者的一项重要课题。本文通过对钒铁冶炼贫化还原过程的分析，针对钒铁冶炼的特点，提出并使用了物化性能更加适用钒铁冶炼的专用贫化还原剂代替铝冶炼钒铁。经工业生产试用表明，使用专用贫化还原剂可大幅度提高铝的贫化利用率，使钒铁冶炼的耗铝量明显下降，对降低钒铁冶炼成本和提高经济效益都有重要意义。同时，还解决了多年来用铝做贫化还原剂冶炼钒铁存在的操作时火焰大，经常烧坏设备及容易烧伤人的问题。
        钒铁冶炼还原贫化过程及特点分析
        电硅热法冶炼钒铁的还原过程，首先是所用主还原剂硅铁中的硅还原五氧化二钒。当反应进行到一定程度时，渣中存在有一定量的低价钒氧化物（V2O3、VO等），它们的标准生成自由能已接近二氧化硅的标准生成自由能〔2〕：
                                                    2V＋O2=2VO　　　（1）
　　　　　△G =－828476＋155.91T（J）
                                             4/3V＋O2=2/3V2O3　　（2）
　　　　　　△G =－820116＋165.11T（J）
                                                    Si＋O2=SiO2　　　（3）
                       △G =－904970＋175.56T（J）
                                       4/3Al＋O2=2/3Al2O3　　　（4）
                     △G =－1119404＋214.02T（J）
        由此可见，在一定条件下，硅对钒的还原程度是有限的，欲较彻底地还原渣中残存的钒氧化物（V2O3、VO等），必须加入还原能力比硅更强的贫化还原剂，才能使炉渣残钒继续还原贫化到含V2O5≤0.35％的工艺标准。多年来一直用铝做钒铁冶炼贫化还原剂，满足了贫化炉渣的工艺要求（见表1）。
                                                                                    表1　加铝贫化前后炉渣含钒对比

项目	V₂O₅/％	渣量/t	加铝量/kg
加铝贫化前	2.95	约2.6	100
加铝贫化后	0.31	约2.6	100

         然而，进一步分析发现，铝的贫化还原利用率是较低的，从表1可以看出，加入100kg铝，使炉渣的含钒氧化物（折V2O5）由2.95％V2O5降低到0.31％V2O5，相当于还原68.6kgV2O5，而按下式计算：
                        2/5V2O5＋4/3Al=4/5V＋2/3Al2O3
         100kg铝理论上可还原195kgV2O5。实际操作中，铝还原的是低价钒氧化物，其数量还应更多一些。所以，实际铝在冶炼中的贫化还原利用率低于35％。长期以来，钒铁冶炼工作者注重了铝对炉渣中钒氧化物的贫化还原的效果，却没有更多地考虑铝的贫化还原利用率问题。那么，如何提高铝在钒铁过程中的贫化还原利用率，首先做如下分析探讨：
a.钒铁冶炼是由主还原剂硅进行还原反应到一定程度后，利用铝还原能力强的化学性能，用铝对炉渣中残余的钒氧化物进行贫化还原的。由于主还原剂硅的还原反应已经使炉渣中含有大量的反应产物二氧化硅，铝在贫化还原炉渣中钒氧化物的同时，不能排除会有部分二氧化硅也被还原：
                           4Al＋3SiO2=3Si＋2Al2O3
        导致铝的消耗量增加，贫化还原钒氧化物的利用率降低。这一点虽然在以往的研究中没有被重视，但从工业生产中加铝贫化还原前后炉渣中二氧化硅含量变化的数据即可得以证实（见表2）。

表2　加铝贫化前后炉渣中硅、铝氧化物含量(％)对比

	加铝贫化前	加铝贫化后	对比
SiO₂	24.50	21.20	↓3.3
Al₂O₃	2.30	8.10	↑5.8

b.钒铁冶炼中贫化还原剂利用率的高低，不仅受其还能力等化学性能的影响，也受其密度等物理性能的影响。如果贫化还原剂的密度相对炉渣密度过大，加入炉内后它将下沉，不会完全在渣层内与炉渣充分接触而很好地发挥作用;如果贫化还原剂的密度相对炉渣密度过小，加入炉内后它将浮在炉渣表面，也不会完全在渣层内与炉渣充分接触而很好地发挥作用，并且与空气接触还会被大量地氧化烧损。由于铝的密度比钒铁炉渣小（见表3），所以用铝贫化还原炉渣，存在着操作时火焰大的问题，也是导致铝贫化还原剂利用率低的主要原因之一。
表3　钒铁炉渣和部分还原剂的密度、熔点

名称	钒铁炉渣	铝	FeSi75
密度/(g·cm^－3）	3.0	2.7	3.3
熔点/（℃）	约1400	659	1300～1330

        c.钒铁冶炼还原反应基本上是液相间的反应，如果贫化还原剂的熔点较高，将因其不易熔化而延长冶炼时间；如果熔点过低，将会因过早熔化使其来不及与流动性差的炉渣接触进行反应而增加烧损。所以，钒铁冶炼炉渣贫化还原剂的熔点不合适也会降低其贫化还原利用率。
        钒铁冶炼专用贫化还原剂的选取
　　通过前面的分析得知，长期以来使用铝作钒铁冶炼的贫化还原剂，虽然达到了对炉渣残钒贫化还原的工艺要求，但并不完全适合钒铁冶炼特点。因此，应选取适合钒铁冶炼特点的专用炉渣贫化还原剂代替铝冶炼钒铁。专用贫化还原剂应该既利用铝具有的较强还原能力来贫化炉渣中的残钒，又含有一定的硅来减少其在贫化还原渣中残钒时对渣中二氧化硅的还原趋势；同时，还要具有合适的密度，使其尽可能多地在渣层内发挥作用，不上浮于渣面被烧损，也不过早地沉入渣层下熔入合金；另外，熔点也应合适。这样才能确保其具有较高的贫化还原利用率。按此指导思想，我们初步设计了三个牌号的钒铁冶炼专用贫化还原剂。其制造方法可根据具体情况确定，因为制造方法不是本文讨论的内容，故不在此详述。三个牌号的专用贫化还原剂的有关物化指标见表4。
                                                                                        表4　专用贫化还原剂的有关物化指标

牌号	密度g·cm－3	熔点℃	杂质含量/％
牌号	密度g·cm－3	熔点℃	C	P	S
VPJ-1	2.80	758	0.11	0.02	0.01
VPJ-2	2.86	790	0.13	0.02	0.01
VPJ-3	2.93	810	0.16	0.02	0.01

钒铁冶炼专用炉渣贫化还原剂的试用
　　第一阶段，对制取的三个牌号贫化还原剂与铝锭在3吨电炉内直接进行冶炼钒铁的小规模对比试验，分别比较它们对钒铁炉渣的贫化还原情况，以选择最佳效果的专用炉渣贫化还原剂。使用特制的专用贫化还原剂冶炼钒铁的操作过程及工艺方法与用铝时基本相同。对比试验结果列于表5。
表5　使用各牌号贫化还原剂的试验结果对比

炉号	贫化剂牌号	贫渣中V2O5/％	冶炼电单耗千瓦时/炉	贫化剂单耗千克/炉	料量吨/炉	产品质量
炉号	贫化剂牌号	Ⅰ　　Ⅱ　　Ⅲ	冶炼电单耗千瓦时/炉	贫化剂单耗千克/炉	料量吨/炉	产品质量
4603	铝锭	0.12　0.22　0.09	5800	380	3	FeV50-A
4604	铝锭	0.16　0.39　0.45	5800	380	3	FeV50-A
4605	铝锭	0.23　0.24　0.36	6000	480	3	FeV50-A
4606	铝锭	0.43　0.07　0.32	5600	380	3	FeV50-A
4607	铝锭	0.64　0.19　0.16	5800	380	3	FeV50-A
平均	铝锭	0.269	5800	400	3	FeV50-A
4608	VPJ-1	0.07　0.36　0.27	7200	380	3	FeV50-A
4609	VPJ-1	0.23　0.22　0.09	5100	400	3	FeV50-A
4610	VPJ-1	0.36　0.53　0.29	6600	380	3	FeV50-A
4611	VPJ-1	0.46　0.36　0.31	5800	380	3	FeV50-A
4612	VPJ-1	0.09　0.09　0.11	5800	440	3	FeV50-A
平均	VPJ-1	0.271	6100	396	3	FeV50-A
4613	VPJ-2	0.40　0.28　0.03	7600	480	3	FeV50-A
4614	VPJ-2	0.24　0.34　0.11	4400	400	3	FeV50-A
4615	VPJ-2	0.16　0.24　0.20	6400	380	3	FeV50-A
4616	VPJ-2	0.20　0.07　0.37	6600	380	3	FeV50-A
4617	VPJ-2	0.43　0.34　0.41	5800	380	3	FeV50-A
平均	VPJ-2	0.270	6160	404	3	FeV50-A
4618	VPJ-3	0.68　0.21　0.13	7600	530	3	FeV50-A
4619	VPJ-3	0.57　0.24　0.16	6700	400	3	FeV50-A
4620	VPJ-3	0.26　0.11　0.17	5500	400	3	FeV50-A
4621	VPJ-3	0.28　0.27　0.43	6300	430	3	FeV50-A
4622	VPJ-3	0.32　0.31　0.14	6800	480	3	FeV50-A
平均	VPJ-3	0.280	6580	448	3	FeV50-A

试验结果表明，三个牌号的贫化还原剂均可达到铝对炉渣的贫化还原效果，使用VPJ-2与VPJ-1两个牌号贫化还原剂时，其消耗量及对电耗的影响相差不大。使用VPJ-3牌号的贫化还原剂需要增加其消耗量，且补充电耗较多。因此，得出初步结论，专用炉渣贫化还原剂冶炼钒铁在技术上可行，而在试验条件下以使用VPJ-2牌号贫化还原剂的冶炼指标最佳。
　　第二阶段，也是在3吨电炉内用VPJ-2牌号的炉渣贫化还原剂进行连续6个月的钒铁试生产，进一步验证专用炉渣贫化还原剂冶炼钒铁的效果。所取得的试生产指标与原用铝作贫化还原剂的对比见表6。
表6　用VPJ-2牌号贫化还原剂试铁与用铝作贫化剂时的生产指标对比

项目	贫渣中V2O5/％	总铝锭消耗kg/t	总硅铁消耗kg/t	冶炼电耗kWh/t	产品合格率％
试用前用铝锭	0.325	128.4	339	1460	100
试生产用VPJ-2	0.32	85	382	1567	100
对比	0.005↓	↓43.4	↑43	↑107

                                                                  *扣除试用初期不正常因素的影响，实际可使钒铁的铝耗下降到70～75 kg/t。
　     工业生产试用情况表明，使用专用炉渣贫化还原剂冶炼钒铁，完全达到了用标准铝锭使炉渣含钒≤0.35％V2O5的贫化还原效果。虽然专用贫化还原剂中减少了还原反应放热相对较多的铝的含量，增加了还原反应放热相对较少的硅的含量，需要补充一定量的冶炼电耗（107kWh/t）；但是由于专用贫化还原剂中增加了一定量的硅，减小了贫化过程中铝还原渣中部分二氧化硅的趋势，以及它的密度、熔点比较合适，加入炉内既不过早熔化上浮于渣面被烧损，又不下沉熔入合金，其多数在渣层内对炉渣进行贫化还原反应，提高了铝的贫化利用率，从而使钒铁冶炼的铝耗（折铝锭）大幅度下降。试验期间钒铁铝耗下降到85kg/t，继续使用可使铝耗进一步降低，同时，由于专用炉渣贫化还原剂在冶炼操作过程中火焰小，减少了设备烧坏及人员烧伤事故。连续6个月的生产试用期间，电炉冷却水胶管由原来每周烧坏1～2次减少到每月1～2次，人员烧伤事故为零。