一種高品質AlV55合金的制備方法與流程

本發明屬于冶金領域，特別涉及一種電熱還原—兩步精煉制備高品質AlV55合金的方法。
背景技術：
：以Ti-6Al-4V為的代表鈦合金具有比強度高、熱強度高、抗腐蝕性能好等特性，是極其重要的輕質結構材料，在航空航天、國防軍工具有重要的戰略意義。釩鋁合金作為生產鈦合金的重要添加劑，其質量和產量對鈦合金的生產至關重要。但是傳統的一步法、兩步法冶煉工藝存在金屬回收率較低、雜質含量較高、流程長、成本高等問題，因此探索一種流程短、成本低并且具有自主知識產權的高品質釩鋁55合金生產工藝具有重要意義。目前，釩鋁合金均采用氧化釩與金屬鋁為原料以鋁熱法生產，按生產工藝可分為一步法、兩步法。一步法是將氧化釩和鋁混合，加入反應器內通過鎂帶等點火劑上部引燃，點火后依靠自熱維持反應的進行，完成冶煉，目前一步法為國內主流的冶煉方法。兩步法是將一步法制備得到的合金再進行真空感應熔煉，一步法獲得的AlV85合金熔點較高無法直接用于感應熔煉，需要配鋁降低合金熔點；因此采用兩步法無法獲得釩含量較高的產品，通常釩含量僅為55%左右。一步法合金經真空感應熔煉后，合金成分更為均勻，夾雜物明顯降低。目前全世界使用兩步法的主要是德國GfE公司、美國釩業公司以及國內攀鋼集團。專利申請號為201110001739.0公開了一種釩鋁合金制備方法，該方法按V2O3和V2O5質量比1:1~2配料，以鋁粉為還原劑，用量為理論量的1.2~1.5倍，點火引燃得到釩鋁合金。最終合金中V含量為75%~85%，Fe、Si均小于0.3%。專利申請號為200910117560.4公開了一種釩鋁合金材料的制備方法。該方法按質量比稱取Al20~33.1%，V2O550~66.9%，在球磨機中混合8~16小時后，將原料在銅模中壓實，置于氬氣保護的鋁熱反應器中加熱到300℃激發反應，最終合金中釩含量75~95%，Al含量5.0~25.0%的釩鋁合金。主要雜質Na、Si、S、Fe、Mo的含量不超過1%。專利申請號為201010230131.0公開了一種釩鋁合金的生產方法，以五氧化二釩和鋁為原料，首先制備出一步釩鋁合金，再將一步釩鋁合金破碎烘干，配鋁后進行第二步真空感應熔煉，最終制得釩鋁合金，Fe為0.20%，Si為0.19%，C為0.036%，O為0.008%。專利申請號為201210357559.0公開了一種電鋁熱法制備釩鋁合金的方法，該方法將V2O5、V2O3、Al及造渣劑混合均勻，分批加入電弧爐內進行冶煉，依靠電爐提供的外加熱源促進渣金分離，冶煉后期噴入鋁粉，該方法可以有效提高釩回收率，釩的回收率可以達到94%以上，主要雜質Fe和Si均小于0.3%。通過對比以上幾個專利可以發現：專利申請號為201110001739.0和200910117560.4的釩鋁合金制備方法屬于一步法；專利申請號為201010230131.0的釩鋁合金制備方法屬于兩步法；專利申請號為201210357559.0的釩鋁合金制備方法則屬于電鋁熱法。上述釩鋁合金的制備方法主要存在以下問題：(1)金屬回收率低：以一步法為代表的釩鋁合金生產流程，通常可以采用五氧化二釩、三氧化二釩混合配料控制反應時的熱量，但反應結束后熱量耗散快，保溫時間短，渣金分離不充分。(2)流程長成本高：兩步法雖然得到的合金質量較好，但生產流程較長，且多一步精整破碎造成一定量的釩損失，不利于提高釩的回收率。(3)合金成分難控制：專利申請號為201210357559.0的電鋁熱法制備釩鋁合金的方法，可以解決收率低，流程長的問題，但是合金成分的均勻性，夾雜物的含量及合金中的碳含量都較難控制。(4)冶煉合金的尾渣難以利用：釩鋁合金制備過程中若采用無造渣劑冶煉則合金中的夾雜物含量較多，若采用石灰、螢石混合造渣則熔渣中有價元素難以回收利用，易造成環境的污染和資源的浪費。能否解決好以上問題，是能否經濟、環保地制備出高品質釩鋁合金的關鍵所在。技術實現要素：為解決現有電鋁熱法生產釩鋁合金存在的問題，本發明提出了電熱還原—兩步精煉的方法來制備釩鋁合金。本發明采取的技術路線是：將三氧化二釩、還原劑鋁及氧化鈣混合均勻，從其中分出部分，混入一定量發熱劑作為底料，底料先通過點火劑引燃形成熔池后，依靠熔渣的導電性起明弧冶煉，避免冶煉過程中碳進入合金，隨后分批次加入余下的原料，反應結束后分批精煉熔渣及合金，最后清渣、澆鑄、快冷，即可得到釩鋁合金。本發明所述的底料發熱量為3100kJ/kg~3700kJ/kg，可以自熱進行，使用的發熱劑為純度大于99.5%的氯酸鉀，其余的原料不加發熱劑。本發明所述的三氧化二釩為是以粗釩或釩酸銨為原料經過提純制備得到的純度大于99.9%的高純三氧化二釩，使用的鋁純度為99.7%，氧化鈣的純度為97.0%。本發明以氧化鈣為造渣劑，渣型為低熔點12CaO?7Al2O3渣，有利于渣金分離及熔渣中有價元素綜合利用。本發明所述的精煉過程有兩段分別為渣的精煉過程和合金的精煉過程。本發明所述的渣的精煉過程為，在反應結束后通過氬氣負載精煉劑對渣進行貧化，精煉劑為鋁鈣合金，用量為還原劑量的2~6%。本發明所述合金的精煉為，在精煉完渣后通過氬氣負載精煉劑去除合金中的夾雜物及氣體，精煉劑為CaO37wt%、Al2O340wt%、CaF220wt%、MgO3wt%預熔渣。精煉劑的用量為30~60g/kg-合金。本發明所述的釩鋁合金制備方法，電弧爐的內襯為剛玉搗打料制成。采用以上方法制備釩鋁合金具有一下優點：(1)使用三氧化二釩作為釩源，可最大程度降低還原劑用量，相比以五氧化二釩為釩源，可使還原劑用量下降30%左右。同時單位爐料熱效應僅為797.26kJ/kg，可以避免熱量過于集中，能更加充分利用電爐產生的熱量。(2)加入底料先行反應形成熔池，依靠熔渣的良好導電性起弧冶煉，最大程度減少合金和石墨電極的接觸，降低合金中碳含量。(3)通過向熔渣中噴入復合還原劑鋁鈣合金，渣中釩含量可以降低至1%以下。(4)通過向合金中噴入氬氣和精煉劑，吸附合金中的夾雜物和氣體，并且攪拌合金使成分均勻，澆鑄、快冷消除偏析。附圖說明圖1是“電熱還原—兩步精練法”的流程圖。圖2是精煉熔渣時的示意圖。圖3是精煉合金時的示意圖。具體實施方式實施例1將3kg三氧化二釩、2.75kg鋁、1.92kg氧化鈣混合，從其中取出1/4原料，混入氯酸鉀作為底料，使底料的發熱量達到3100kJ/kg，將底料加入爐內點火引燃，待熔池穩定后，下放電極通電冶煉，后分批加入余下原料，待全部原料如入后，向熔渣中噴吹32.4g鋁鈣合金，靜置5min，向合金中噴入185g合金精煉劑，靜置10min。反應結束后，獲得釩鋁合金3.46kg，釩的回收率達到97.01%，合金雜質含量達到德國GfE公司AlV50釩鋁合金標準。合金主要成分如1表所示。表1電熱還原—兩步精練法制備得到的AlV55合金成分表VAlFeSiCPCr57.1542.350.140.100.070.0150.006SBCuMgMnNiO0.0040.00170.0050.0070.0130.00060.09WMoNH0.00850.0230.010.009實施例2將10kg三氧化二釩、9.3kg鋁、6.6kg氧化鈣混合，從其中取出1/4原料，混入氯酸鉀作為底料，使底料的發熱量達到3100kJ/kg，將底料加入爐內點火引燃，待熔池穩定后，下放電極通電冶煉，后分批加入余下原料，待全部原料如入后，向熔渣中噴吹100g鋁鈣合金，靜置6min，向合金中噴入500g合金精煉劑，靜置15min。反應結束后，獲得釩鋁合金11.5kg，釩的回收率達到97%以上，合金雜質含量達到德國GfE公司AlV50釩鋁合金標準。合金主要成分如2表所示。表2電熱還原—兩步精練法制備得到的AlV55合金成分表VAlFeSiCPCr57.8141.720.120.110.070.0170.007SBCuMgMnNiO0.0040.00120.0050.0060.0110.00040.07WMoNH0.00680.0170.0090.008實施例3將5kg三氧化二釩、4.6kg鋁、3.3kg氧化鈣混合，從其中取出1/5原料，混入氯酸鉀作為底料，使底料的發熱量達到3200kJ/kg，將底料加入爐內點火引燃，待熔池穩定后，下放電極通電冶煉，后分批加入余下原料，待全部原料如入后，向熔渣中噴吹50g鋁鈣合金，靜置5min，向合金中噴入300g合金精煉劑，靜置10min。反應結束后，獲得釩鋁合金5.74kg，釩的回收率達到97%以上，合金雜質含量達到德國GfE公司AlV50釩鋁合金標準。合金主要成分如3表所示。表3電熱還原—兩步精練法制備得到的AlV55合金成分表VAlFeSiCPCr56.8542.710.130.080.060.0110.006SBCuMgMnNiO0.0040.00150.0050.0060.0120.00040.08WMoNH0.00550.0130.0080.008當前第1頁1 2 3