CN103173676A - 一种使用钒铁电弧炉生产含氮钒铁合金的方法 - Google Patents

Abstract

一种使用钒铁电弧炉生产含氮钒铁合金的方法，属于有色金属冶炼技术领域。本发明在公称容量一般为300～5000kg钒铁电弧炉的炉底或炉壁安装单支或多支氮/氩喷吹装置，可以实现向钒铁电弧炉熔池内自由喷吹氮气和氩气，使用选定的原料，最终可以获得成分为[V]45～60%，[Si]<2%，[N]2～8%的含氮钒铁合金，作为钢铁添加剂使用，与普通钒铁相比，可降低合金用量10%以上，钒元素收得率提高1%，冶炼周期缩短30分钟以上，冶炼电耗降低10～15%，冶炼综合成本降低2%以上。

Description

一种使用钒铁电弧炉生产含氮钒铁合金的方法

技术领域

本发明涉及一种使用普通钒铁电弧炉生产含氮钒铁合金的方法，属于有色金属冶炼技术领域，是一种铁合金生产方法。

技术背景

钒是钢铁工业中一种重要的合金元素，全世界85%以上的钒用于钢铁生产，钒在钢中与氮等元素相互作用可以起到改善钢材诸多性能的作用。

钢铁工业中使用的含钒原料主要有钒铁、氮化钒、氮化钒铁等。

钒铁合金其主要成份是钒和铁，是产量最大的钒制品。钒铁生产一般使用钒铁电弧炉，以钒氧化物为原料、按照硅热法、铝热法或电铝热法等方法生产。

氮化钒其主要成分为VN，其生产一般使用推板窑法、微波法或真空碳还原法，将钒氧化物原料与辅料按照一定配方混合后压球，固态下在富氮的环境中进行还原、氮化，经冷却获得氮化钒产品。

氮化钒铁以钒铁为原料，二次渗氮加工获得富氮的氮化钒铁，氮化钒铁生产方法在实际应用中的主要有固态渗氮法及在烧结过程中渗氮的自扩散高温合成法等。

氮化钒和氮化钒铁等含氮的钒制品作为钢铁添加剂使用时，因为氮元素的作用，往往获得比普通钒铁更佳的使用效果和更少的钒用量。现有的氮化钒或氮化钒铁的生产技术门槛较高，且大量采用固态渗氮的方法，生产效率和产量较低，生产能耗偏高，普通钒铁仍然是产量最大的钒产品。如何改造普通钒铁电弧炉生产出含氮钒铁合金即为本发明涉及的内容。

发明内容

本发明的目标在于提出一种改造普通钒铁电弧炉生产含氮钒铁合金方法。

冶炼钒铁合金的主体装置为钒铁电弧炉，其公称容量一般为300～5000kg，采用三相电极供电加热，变压器容量一般为300～3000KVA，炉体采用氧化镁砖砌筑或镁砂打结，炉盖使用镁铬砖或高铝砖砌筑。钒铁电弧炉冶炼钒铁合金的原料为五氧化二钒熔片（主要成分为V₂O₅）、硅铁、金属铝（硅铝铁）、生石灰和废钢，冶炼周期为2～6小时，冶炼电耗大于1200kwh/t。

钒铁冶炼过程中，主要化学反应如下：

V₂O₅+Si+CaO→V+(CaO)·(SiO₂)

V₂O₅+Al→V+(Al₂O₃)

化学反应过程吸热，需要补充电能。经过还原和精炼，最终可获得含钒超过40%的钒铁合金，最高含钒量可达到70%左右。

传统的电弧炉生产钒铁合金过程中，金属钒均以熔融态存在，形成钒铁液存在于电弧炉熔池底部，还原反应产生的液态炉渣覆盖钒铁液，能防止空气对钒铁的氧化，同时也阻止了空气中的氮气向钒铁中的渗透。

根据热力学计算

$V+\frac{1}{2}{N}_2=\mathrm{VN},\mathrm{\&Delta;G}=-214640+8243T,1\mathrm{gK}=\frac{9134}{T}-4.38$

钒的氮化为放热反应，随着温度的升高，氮化钒的生成程度越低，随着压力的升高，氮化钒的生成程度越高。

电弧炉冶炼钒铁合金过程中，炉内温度超过1500℃，最高可达1700℃左右，在该温度常压氮气气氛下无法实现钒元素的完全氮化。

对氮在高温钒铁液中的渗透平衡反应进行计算，常压氮气气氛下，1700℃下的钒铁液（含[V]50%）中氮的平衡质量分数为8.0%左右，如附图1，钒元素氮化率约为70%左右，在此称之为含氮钒铁。

同时从动力学上讲，钒铁在电弧炉内的生产过程中，整个化学反应都是在熔融的铁液和熔渣间进行，具有较好的流动性，动力学条件较好，即反应比较容易达到的平衡状态。采用氮气在钒铁液中进行液态渗氮与固体渗氮相比渗氮处理时间将会大大缩短。

根据理论研究结果，普通钒铁电弧炉生产过程炉内环境可以满足向钒铁液中渗氮的条件，但是熔融炉渣的覆盖阻止了由空气向熔池渗氮的途径。

为了实现钒铁电弧炉生产含氮钒铁合金，必须要解决的是实现向电弧炉熔池内稳定的氮气供应。根据电弧炉容量的大小，在电弧炉炉底或炉壁安装单支或多支氮/氩喷吹装置，氮/氩喷吹装置采用金属环缝管或耐火材料狭缝透气砖的方式设计，其与外部控制阀组配合，可以实现向钒铁电弧炉熔池内自由喷吹氮气和氩气，单支氮/氩喷吹装置的气体喷吹流量控制范围为20～500NL/min。

氮/氩喷吹装置采用电弧炉炉底安装方式时，根据装置数量的不同，一般情况下，按照同心或偏心方式均匀安装。

本发明中，使用电弧炉生产含氮钒铁合金所需要的固体原料为五氧化二钒熔片、硅铁、金属铝（硅铝铁）、生石灰和废钢，气体原料为氮气和氩气，各种原料的成分、规格要求如下表1：

表1原料要求表

本发明生产含氮钒铁合金，在电弧炉内的冶炼过程分两步进行。第一步是搅拌还原期，在吹氩搅拌的条件下用硅铁和金属铝还原五氧化二钒，得到高硅的钒硅铁合金；第二步是精炼增氮期，用过量的五氧化二钒精炼钒硅铁合金，降低硅含量，同时持续喷吹氮气增氮，最终获得含氮钒铁合金。详细冶炼过程如下：

1）上一炉出铁后，补炉；

2）加入生产所需要的全部废钢；

3）开启氮/氩喷吹装置，喷吹气体为氩气，单点喷吹流量为20～200NL/min：

4）开始通电，并将上一炉的精炼富钒渣返回炉内；

5）搅拌还原期开始，搅拌还原期内一般分为二个或三个阶段，将冶炼所需的五氧化二钒熔片、硅铁、石灰和金属铝分为二或三份，按阶段分配，每阶段内操作过程相同。搅拌还原期内，氮/氩喷吹装置持续喷吹Ar气，搅拌熔池，并保证气路通畅。

搅拌还原期内每阶段操作过程为：提高Ar气喷吹流量，单点流量达到100～500NL/min；加入本阶段所有的五氧化二钒熔片、石灰和60‐80%的的硅铁，开始使用变压器最低档位供电；随着原料的熔化，逐步提高供电档位；待熔池形成后，使用最高档位供电，使炉料迅速熔化；直到原料熔清后，供电档位降低一或二档，加入剩余的硅铁，再加铝还原渣中的V₂O₅，保持Ar气喷吹流量，充分搅拌熔池；当炉渣中的(V₂O₅)<0.35％时，降低Ar气喷吹单点流量为20～200NL/min，扒出贫钒渣；准备进入下一阶段。

经过二个或三个阶段，搅拌还原期结束时，电弧炉内钒硅铁合金液的成分为：[V]40～50%，[Si]8～10%余量为Fe。

6）搅拌还原期结束后，精炼渗氮期开始。加入五氧化二钒熔片和石灰的混合料；喷吹气体由氩气切换为氮气，同时提高喷吹流量，单支流量设定为100～500NL/min，利用气体搅拌力混匀熔池，降低炉内钒硅铁合金中的硅和提高钒含量，氮气渗透进入熔池，形成钒氮化合物，最终电弧炉内含氮钒铁液的成分为：[V]45～60%，[Si]<2%，[N]>2%，余量为Fe。

7）成分合格后，降低喷吹氮气流量，单支流量设定为20～100NL/min，使渣铁充分分离，扒出精炼富钒渣待用；

8）含氮钒铁合金铸入锭模，在氮气保护下自然冷却，获得最终产品。

本发明利用改造的电弧炉生产含氮钒铁合金的生产流程如附图2所示。

氮/氩喷吹装置通过喷吹氮气、氩气优化电弧炉内含氮钒铁合金冶炼生产过程。搅拌还原期内通过喷吹氩气，熔池中渣铁充分混合，提高了钒还原速度，降低渣中的V₂O₅含量；精炼渗氮期内，氮气的搅拌作用加快了硅的脱除速度，渗氮过程中，氮元素与钒元素的反应放热为熔池升温提供了热源，降低了冶炼电耗。

使用本发明冶炼含氮钒铁合金与生产普通的钒铁相比，钒元素收得率提高1%，冶炼周期缩短30分钟以上，冶炼电耗降低10～15%，冶炼综合成本降低2%以上。

使用本发明生产的含氮钒铁合金，其成分为[V]45～60%，[Si]<2%，[N]2～8%，合金密度高，作为钢铁添加剂使用，与普通钒铁相比，可降低合金用量10%以上。

附图说明

图1为Fe‐N‐V三元相图（1973K）。

图2为本发明电弧炉生产含氮钒铁合金的生产流程图。

具体实施方式

应用实例1

以某500kg钒铁电弧炉为例，按照本发明方法进行改造，用于生产含氮钒铁合金。安装1支炉底氮/氩喷吹装置，喷吹装置采用耐火材料狭缝透气砖的结构，喷吹装置与外部控制阀组配合，向钒铁电弧炉熔池内自由切换喷吹氮气和氩气，单支氮/氩喷吹装置的气体喷吹流量范围为20～200NL/min。

电弧炉生产含氮钒铁合金所需要的原料为五氧化二钒熔片、硅铁、金属铝、生石灰、废钢、氮气和氩气。

该电弧炉生产含氮钒铁合金主要分两步进行，搅拌还原期和精炼增氮期，其中搅拌还原期内分为二个阶段进行，详细生产过程如下：

1）上一炉出铁后，补炉；

2）加入生产所需要的全部废钢；

3）开启氮/氩喷吹装置，喷吹气体为氩气，单点喷吹流量为20～50NL/min：

4）开始通电，并将上一炉的精炼富钒渣返回炉内；

5）搅拌还原期开始，搅拌还原期分为二个阶段，将所需要的五氧化二钒熔片、硅铁、石灰和金属铝分为二份。搅拌还原期内，一直保持喷吹Ar气搅拌熔池。

搅拌还原期内每阶段操作过程为：提高Ar气喷吹流量，单点流量达到100～200NL/min；加入本阶段所有的五氧化二钒熔片、石灰和大部分硅铁，小功率供电；待熔池形成后，全负荷供电，使炉料迅速熔化；熔清后适当降低供电强度，加入剩余的硅铁，再加铝还原渣中的V₂O₅，保持Ar气喷吹流量，充分搅拌熔池；当炉渣中的(V₂O₅)<0.35％时，降低Ar气喷吹单点流量为20～50NL/min，扒出贫钒渣；准备进入下一阶段。

经过二或三个阶段，搅拌还原期结束时，电弧炉内钒硅铁合金液的成分为：[V]40～50%，[Si]8～10%。

6）搅拌还原期结束后，精炼渗氮期开始。加入五氧化二钒熔片和石灰的混合料；喷吹气体由氩气切换为氮气，同时提高喷吹流量，单点流量为100～200NL/min，利用气体搅拌力混匀熔池，降低炉内钒硅铁合金中的硅和提高钒含量，氮气渗透进入熔池，形成钒氮化合物，最终电弧炉内含氮钒铁液的成分为：[V]45～60%，[Si]<2%，[N]>2%；

7）成分合格后，降低喷吹氮气流量，单点流量为20～50NL/min，使渣铁充分分离，扒出精炼富钒渣待用；

8）含氮钒铁合金铸入锭模，在氮气保护下自然冷却，获得最终产品。

该钒铁电弧炉使用本发明生产含氮钒铁合金，其成分为[V]45～60%，[Si]<2%，[N]2～8%，与原生产普通的钒铁工艺相比，钒元素收得率提高1%，冶炼周期缩短30分钟，冶炼电耗降低10%，冶炼综合成本降低2%。

应用实例2

以某5000kg钒铁电弧炉为例，按照本发明方法进行改造，用于生产含氮钒铁合金。安装5支炉壁氮/氩喷吹装置，喷吹装置采用金属环缝管结构，喷吹装置与外部控制阀组配合，向钒铁电弧炉熔池内自由切换喷吹氮气和氩气，单支氮/氩喷吹装置的气体喷吹流量控制范围为50～500NL/min。

电弧炉生产含氮钒铁合金所需要的原料为五氧化二钒熔片、硅铁、金属铝、生石灰、废钢、氮气和氩气。

该电弧炉生产含氮钒铁合金主要分二步进行，搅拌还原期和精炼增氮期，其中搅拌还原期内分为三个阶段进行，详细生产过程如下：

1）上一炉出铁后，补炉；

2）加入生产所需要的全部废钢；

3）开启氮/氩喷吹装置，喷吹气体为氩气，单点喷吹流量为50～200NL/min：

4）开始通电，并将上一炉的精炼富钒渣返回炉内；

5）搅拌还原期开始，搅拌还原期分为三个阶段，将所需要的五氧化二钒熔片、硅铁、石灰和金属铝分为三份。搅拌还原期内，一直保持喷吹Ar气搅拌熔池。

搅拌还原期内每阶段操作过程为：提高Ar气喷吹流量，单点流量达到200～500NL/min；加入本阶段所有的五氧化二钒熔片、石灰和大部分硅铁，小功率供电；待熔池形成后，全负荷供电，使炉料迅速熔化；熔清后适当降低供电强度，加入剩余的硅铁，再加铝还原渣中的V₂O₅，保持Ar气喷吹流量，充分搅拌熔池；当炉渣中的(V₂O₅)<0.35％时，降低Ar气喷吹单点流量为50～200NL/min，扒出贫钒渣；准备进入下一阶段。

经过二或三个阶段，搅拌还原期结束时，电弧炉内钒硅铁合金液的成分为：[V]40～50%，[Si]8～10%。

6）搅拌还原期结束后，精炼渗氮期开始。加入五氧化二钒熔片和石灰的混合料；喷吹气体由氩气切换为氮气，同时提高喷吹流量，单点流量为200～500NL/min，利用气体搅拌力混匀熔池，降低炉内钒硅铁合金中的硅和提高钒含量，氮气渗透进入熔池，形成钒氮化合物，最终电弧炉内含氮钒铁液的成分为：[V]45～60%，[Si]<2%，[N]>2%；

7）成分合格后，降低喷吹氮气流量，单点流量为50～200NL/min，使渣铁充分分离，扒出精炼富钒渣待用；

8）含氮钒铁合金铸入锭模，在氮气保护下自然冷却，获得最终产品。

该钒铁电弧炉使用本发明生产含氮钒铁合金，其成分为[V]45～60%，[Si]<2%，[N]2～8%，与原生产普通的钒铁工艺相比，钒元素收得率提高1%，冶炼周期缩短50分钟，冶炼电耗降低15%，冶炼综合成本降低3%。

Claims (2)

1.一种使用钒铁电弧炉生产含氮钒铁合金的方法，其特征在于：在钒铁电弧炉炉底或炉壁安装单支或多支氮/氩喷吹装置，通过向钒铁电弧炉熔池内自由喷吹氮气和氩气，在钒铁液中进行液态渗氮，最终获得含氮钒铁合金；氮/氩喷吹装置采用金属环缝管或耐火材料狭缝透气砖的方式设计，其与外部控制阀组配合，能够实现向钒铁电弧炉熔池内自由喷吹氮气和氩气，单支氮/氩喷吹装置的气体喷吹流量控制范围为20~500NL/min。

2.根据权利要求1所述的一种使用钒铁电弧炉生产含氮钒铁合金的方法，其特征在于，电弧炉内的冶炼含氮钒铁合金过程分两步进行，第一步是搅拌还原期，在吹氩搅拌的条件下用硅铁和金属铝还原五氧化二钒，得到高硅的钒硅铁合金；第二步是精炼增氮期，用过量的五氧化二钒精炼钒硅铁合金，降低硅含量，同时持续喷吹氮气增氮，最终获得含氮钒铁合金；具体冶炼过程如下：

1） 上一炉出铁后，补炉；

2） 加入生产所需要的全部废钢；

3） 开启氮/氩喷吹装置，喷吹气体为氩气，单点喷吹流量为20~200NL/min：

4） 开始通电，并将上一炉的精炼富钒渣返回炉内；

5） 搅拌还原期开始，搅拌还原期内分为二个或三个阶段，将冶炼所需的五氧化二钒熔片、硅铁、石灰和金属铝分为二或三份，按阶段分配，每阶段内操作过程相同；搅拌还原期内，氮/氩喷吹装置持续喷吹Ar气，搅拌熔池，并保证气路通畅；

搅拌还原期内每阶段操作过程为：提高Ar气喷吹流量，单点流量达到100~500NL/min；加入本阶段所有的五氧化二钒熔片、石灰和60-80%的的硅铁，开始使用变压器最低档位供电；随着原料的熔化，逐步提高供电档位；待熔池形成后，使用最高档位供电，使炉料迅速熔化；直到原料熔清后，供电档位降低一或二档，加入剩余的硅铁，再加铝还原渣中的V₂O₅，保持Ar气喷吹流量，充分搅拌熔池；当炉渣中的(V₂O₅)<0.35％时，降低Ar气喷吹单点流量为20~200NL/min，扒出贫钒渣；准备进入下一阶段；

经过二个或三个阶段，搅拌还原期结束时，电弧炉内钒硅铁合金液的成分为：[V] 40~50%，[Si] 8~10%，余量为Fe；

搅拌还原期结束后，精炼渗氮期开始；加入五氧化二钒熔片和石灰的混合料；喷吹气体由氩气切换为氮气，同时提高喷吹流量，单支流量设定为100~500NL/min，利用气体搅拌力混匀熔池，降低炉内钒硅铁合金中的硅和提高钒含量，氮气渗透进入熔池，形成钒氮化合物，最终电弧炉内含氮钒铁液的成分为：[V]45~60%，[Si]<2%，[N]>2%；

6） 成分合格后，降低喷吹氮气流量，单支流量设定为20~100NL/min，使渣铁充分分离，扒出精炼富钒渣待用；

7） 含氮钒铁合金铸入锭模，在氮气保护下自然冷却，获得最终产品。

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