釩鐵  科普中國 本詞條由“科普中國”百科科學詞條編寫與應用工作項目審核 貢獻者楊劍虹詳情 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，近年來又用來制造永久磁鐵。我國生産的釩鐵有V401、V402等品種，含釩40%左右。 中文名 釩鐵 英文名 Ferrovanadium 别稱 Ferrovanadium alloy CAS登錄号 12604-58-9 熔點 1887度 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。釩鋁合金用于钛合金生産，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裡（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）在電爐内還原釩氧化物生産釩鐵。1897年戈爾德施米特（H.Goldschmidt）用鋁熱法冶煉釩鐵，質量可以滿足生産釩鋼的要求。塞思（R.V.Seth）于1924年報道了瑞典提出的含釩鐵礦一含釩生鐵一釩渣工藝，用釩渣作生産五氧化二釩和釩鐵的原料。日本侵華時期，于1942年引進德國技術，用承德釩钛磁鐵精礦為原料，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），生産含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于1954年下達“承德大廟釩钛磁鐵礦精礦火法冶煉提釩及制取釩鐵”的科研任務。于1955年完成，奠定了中國釩鐵工業的建設基礎。錦州鐵合金廠于1958年恢複用承德釩钛磁鐵礦精礦為原料生産釩鐵。1959年開始用釩渣生産釩鐵。1978年攀枝花鋼鐵公司開始生産釩渣，使中國步入世界釩生産大國行列。[1] 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。并在溫度低于1210℃和在V35%～55%的範圍内，形成金屬間化合物α（FeV）相。  用途 主要用于冶煉合金鋼。世界上消耗的釩約90%用于鋼鐵工業。釩在普通低合金鋼中主要是細化晶粒，增加鋼的強度并抑制其時效作用；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，并改善其質量；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，由于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。 生産工藝 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。），都是與别的礦共生。用作生産釩的原料有釩钛磁鐵礦（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，生産氧化鋁的殘渣等。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，然後再将五氧化二釩冶煉成釩鐵及釩添加劑。釩钛磁鐵精礦是生産釩的主要原料，世界釩産量的90%是用這種原料生産的。 （1）釩钛磁鐵礦生産五氧化二釩 釩钛磁鐵礦的化學成分為：V0.3%～1.4%，Fe約60%，TiO2約14%。釩钛磁鐵礦在高爐（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%。渣中夾雜着金屬鐵（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，用作生産五氧化二釩的原料。釩在釩渣中是以尖晶石相存在。要用氧化方法将V2O3氧化成V2O5，再與Na2O結合成可溶于水的釩酸鈉。使用的鈉化劑有純堿、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 最早生産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産生的熱量相當大（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。采用下部點火法冶煉。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%。生産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。在改進的三相堿性電弧爐中生産含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（将鋁錠機械加工成≤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。反應産生SiO2。而低價釩氧化物為堿性化合物，對釩的還原産生不利的影響。為此需要加入石灰以提高爐渣的堿度，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，即加入按生産釩鐵成分所需要的全部鐵料，通電後将上爐的精煉渣返回爐内，并加入第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。全熔後适當降低供電負荷，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産釩鐵的釩含量（40%～60%）确定。 釩添加劑 carvan釩和釩鋁合金是應用較廣的釩添加劑。 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%。生産方法是用天然氣在回轉窯内，于600℃下将V2O5還原成V2O4，然後在另一座回轉窯内于1000℃用天然氣将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℃即制成Carvan釩。美國聯合碳化物公司生産的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，直接加入爐内或鋼包中使用。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内通入氮氣，就可以制成Nitrovan釩，它含V78%～82%，C11%～12%，N2≥6.0%。用作冶煉釩氮系鋼。 釩鋁合金 生産钛合金如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）标志。釩鋁合金的氣體含量低，其他雜質如Fe、Si、C、B等要滿足钛合金的要求。生産釩鋁合金用的五氧化二釩是将工業産品再提純，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。生産場地要保持潔淨，避免雜質污染。先用鋁熱法生産85%V-Al合金。再将85%V-Al合金與鋁在500kg真空感應爐内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，爐内真空度為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，再經紫外線和熒光檢查，挑除有非金屬夾雜物的合金粒。

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