[科普中国]-钒渣

钒渣，是指对含钒铁水在提钒过程中经氧化吹炼得到的或含钒铁精矿经湿法提钒所得到的含氧化钒的渣子。它是冶炼和制取钒合金和金属钒的原料。1

概述钒渣是对含钒铁水在提钒过程中经氧化吹炼得到的或含钒铁精矿经湿法提钒所得到的含氧化钒的渣子的统称。它是冶炼和制取钒合金和金属钒的原料。含钒铁水绝大部分由高炉冶炼，也有用电炉生产的。用含钒铁水生产钒渣的方法主要有氧气顶吹转炉提钒、摇包提钒和雾化提钒等工艺。世界钒需求量的80%来自钒钛磁铁矿，钒资源丰富的国家有：南非、美国、中国、前苏联和东欧诸国。

按V2O5含量的不同，中国的国家标准将钒渣分成6个牌号，它们是钒渣11（V2O510.0%～12.0%）、钒渣13（V2O512.0%～14.0%）、钒渣15（V2O514.0%～16.0%）、钒渣17（V2O516.0%～18.0%）、钒渣19（V2O518.0%～20.0%）以及钒渣21（V2O5>20.0%）；对钒渣中P、CaO 和 SiO2以及Fe的含量均有限制性的规定。钒渣中V2O5和其他组分的含量由铁水成分决定。铁水中的硅含量和钒含量是直接影响钒渣质量的首要因素：铁水中硅含量高和钒含量低时，则钒渣中SiO2含量高和V2O5含量低；反之，则SiO2含量低和V2O5含量高，即钒渣中SiO2和V2O5成负相关关系；因此，为了保证钒渣品位，对含钒铁水的硅含量上限有严格限制。1

生产原理生产方法简介提钒原料有钒钛磁铁矿、石煤等。要从钒钛磁铁矿中回收钒，首先需将钒钛磁铁矿在高炉或电炉中冶炼出含钒铁水。含钒铁水提钒的主要任务有以下几方面：

①把含钒铁水吹炼成满足下一步炼钢要求的高碳含量的半钢；

②最大限度地把铁水中钒选择性氧化进入到钒渣中；

③得到的钒渣能作为下一步提取五氧化二钒的原料。

提钒的方法很多，但有些方法已经被淘汰（如雾化提钒）。目前世界上铁水提钒的方法主要有四种：

①摇包提钒（南非海威尔德用）；

②铁水包提钒（新西兰）；

③空气底吹转炉提钒（俄罗斯丘索夫）；

④氧气顶吹（复合吹炼）转炉提钒（俄罗斯下塔吉尔和中国攀钢、马钢、承钢）。

钒钛磁铁矿的火法提钒工艺流程图如右图所示。

转炉提钒的主要化学反应转炉提钒过程：转炉提钒是氧射流与金属熔体表面相互作用，与铁水中铁、钒、碳、硅、锰、钛、磷、硫等元素的氧化反应过程。这些元素氧化反应进行的速度取决于铁水本身化学成分、吹钒时的动力学条件和热力学条件。

转炉提钒中的化学反应：转炉提钒就是利用选择性氧化的原理，采用高速氧射流在转炉中对含钒铁水进行搅拌，将铁水中钒氧化成稳定的钒氧化物。以制取钒渣的一种物理化学反应过程。在反应过程中，通过加入冷却剂控制熔池温度在碳钒转化温度以下。达到“去钒保碳”的目的。元素的氧化反应可用以下通式表示：

式中 为铁水中的组元； 为气相中的氧气； 为炉渣中的氧化物或气体氧化物，眠"为化学反应的平衡系数。

的氧化主反应为：

其他杂质的氧化副反应为：

反应能力的大小取决于铁水组分与氧的化学亲和力，即标准生成自由能△GΘ。△GΘ值越负，表明氧化反应越容易进行。铁水中元素氧化的△GΘ-T图如右图所示。

反应完成后，液态的 留在转炉里，称为半钢；固态（熔融态）的渣撇出后放入渣罐，称为钒渣。钒渣是由 、 、 、 、 、 、 、 等组分构成的。一般情况下，钒渣中 、 、 的含量越低则钒渣品级越高。高炉铁水、钒渣和半钢典型化学成分如右图所示。

转炉提钒脱钒、脱碳规律脱钒规律：吹钒前期熔池处于“纯脱钒”状态，脱钒量占总提钒量的70%，进入中后期，碳氧化逐渐处于优先。随钒含量的降低，脱钒速度也随之降低。

脱碳规律：在吹炼前期，脱碳较少，反应进行速度较低，中后期脱碳速度明显加快，在此期间碳氧化率达70%。另外，在倒炉及出半钢期问，也有少量碳氧化。

在熔池区域，碳的氧化反应按下列反应进行： ；

在射流区域碳的氧化反应按下列反应进行： 。2

质量特性钒渣的质量概念包括结晶组织、化学成分、渣中钒和金属铁的含量，钒渣的结构受钒渣与半钢分离后的结晶和矿化时间所制约。

钒渣的氧化性铁水提钒在适宜的熔池温度下，钒在钒渣与金属相间的分配系数 与钒渣中氧化铁含量和二氧化硅含量之比 呈明显的线性关系，如右图所示。无论是同炉单渣法低碱度操作，还是双联法酸性操作，钒在钒渣和金属相间的分配系数 随钒渣中 含量和 含量之比 的增加而急剧地增加。

为了使铁水中的钒尽可能被氧化进入钒渣中，就必须在提钒过程中使钒渣保持高的氧化性，对于同炉单渣法低碱度( )操作，可用下式表示：

，相关系数

对于双联法酸性操作，可用下式表示：

，相关系数

式中， 为钒渣中钒含量，%；

为半钢中剩余钒含量，%；

为钒渣中 含量，%；

为钒渣中 含量，%。

钒渣中一般氧化铁含量都很高，一般超过30%。若钒渣中氧化铁含量过高就会降低 含量，致使提钒时铁耗增加，并使钒渣的后步加工变得复杂。在保证钒有较高的氧化率情况下，钒渣中氧化铁含量并不是越高越好。

钒渣碱度在合适的提钒温度及钒渣中 之比一定时，钒在渣和金属相间的分配系数 随钒渣碱度的增加而增加。当由酸性渣R≤1.0提高到R≥2.0时，在相同的碳氧化率情况下，钒的氧化率提高约30%。为获得碱性钒渣，通常在铁水提钒过程中外加适量的 之类碱性物，能使 系中氧化铁的活度值大大提高，有利于钒的氧化并从铁水中分离出来。但却会导致钒渣量增加，钒渣中 含量降低，同时，与钒会生成不溶性的钒酸钙而降低水法冶金提钒过程中钒的回收率；或者需要增加酸浸工序而使生产过程复杂化。另外， 与 会生成磷酸钙进入钒渣中，会大大降低钒渣的质量。

钒渣质量是指渣中 含量的高低，渣中 含量以()表示，()含量要高，其他杂质应尽可能低。影响钒渣质量的主要因素有两个：

(1)铁水成分。钒渣中 与含钒铁水中各元素、原始含钒量及半钢余钒量之间的关系可用下列多元回归方程表示：

由上式可见，() 随铁水中原始钒含量的增加而增加，随铁水中 、、 含量及半钢中残余钒含量的增加而减少。

(2)渣中含量。有代表性的铁水提钒法中，钒渣中 含量一般波动在15%～50%之问，以()表示。它与()问的关系可用下式表示：

经计算发现钒渣中()与()含量之和为一常数，()+()=60%左右，两者皆为钒渣主要成分，在允许范围内，任何降低()含量的措施对提高钒渣中()含量都是有效的。

钒渣质量钒渣为酸性渣，断面呈深铁灰色到黑色，形态从较为疏松多孔的泡沫渣到较为致密的岩石渣，钒渣矿物相成分主要由钒铁尖晶石、铁橄榄石、石英、金属铁组成，钒渣主要相组成如右图所示。

一般情况在钒铁尖晶石结构中，由于变价金属（Fe、V、Mn和Cr）的存在，有助于尖晶石类矿物晶粒疏松。主要化学成分如右图所示。

按 含量的不同，中国的国家标准将钒渣分成6个牌号，它们是钒渣11（V2O510.0%～12.0%）、钒渣13（V2O512.0%～14.0%）、钒渣15（V2O514.0%～16.0%）、钒渣17（V2O516.0%～18.0%）、钒渣19（V2O518.0%～20.0%）以及钒渣21（V2O5>20.0%）；对钒渣中P、CaO 和 SiO2以及Fe的含量均有限制性的规定。

钒渣中 和其他组分的含量由铁水成分决定。铁水中的硅含量和钒含量是直接影响钒渣质量的首要因素，铁水中硅含量高和钒含量低时，则钒渣中 含量高和 含量低；反之，则 含量低和 含量高，即钒渣中 和 成负相关关系，因此，为了保证钒渣品位，对含钒铁水的硅含量上限有严格限制。3

本词条内容贡献者为:

杨剑虹 - 教授 - 西南大学