钒及钒生产工艺

钒及钒生产工艺

第一章钒的性质及应用

一、钒的性质：

钒是一种十分重要的战略物资，在钢铁、电子、化工、宇航、原子能、航海、建筑、体育、医疗、电源、陶瓷等在国民经济和国防中占有十分重要的位置。

常温下钒的化学性质较稳定，但在高温下能与碳、硅、氮、氧、硫、氯、溴等大部分非金属元素生成化合物。例如：钒在空气中加热至不同温度时可生成不同的钒氧化物。在180℃下，钒与氯作用生成四氯化钒（VCl4）；当温度超过800℃时，钒与氮反应生成氮化钒（VN）；在800～1000℃时，钒与碳生成碳化钒（VC）。

钒具有较好的耐腐蚀性能，能耐淡水和海水的侵蚀，亦能耐氢氟酸以外的非氧化性酸（如盐酸、稀硫酸）和碱溶液的侵蚀，但能被氧化性酸（浓硫酸、浓氯酸、硝酸和王水）溶解。在空气中，熔融的碱、碱金属碳酸盐可将金属钒溶解而生成相应的钒酸盐。此外，钒亦具有一定的耐液态金属和合金（钠、铅、铋等）的腐蚀能力。

钒有多种氧化物。V2O3和V2O4之间，存在着可用通式V n O2n-1(3≤n≤9)表示的同族氧化物，在V2O4到V2O5之间，已知有V3O5、V3O7、V4O7、V4O9、V5O9、V6O11、V6O13等氧化物。工业上钒氧化物主要是以V2O5、V2O4和V2O3

形式存在，特别是V2O5和生产尤为重要。它们的主要性质列于下表：

二、钒的应用

三、五氧化二钒的性质

V2O5是一种无味、无嗅、有毒的橙黄色或红棕色的粉末，微溶于水（质量浓度约为L），溶液呈黄色。它在约670℃熔融，冷却时结晶成黑紫色正交晶系的针状晶体，它的结晶热很大，当迅速结晶时会因灼热而发光。V2O5是两性氧化物，但主要呈酸性。当溶解在极浓的NaOH 中时，得到一种含有八面体钒酸根离子VO43-的无色溶液。它与Na2CO3

一起共熔得到不同的可溶性钒酸钠。

第二章五氧化二钒生产工艺方法概述

五氧化二钒生产工艺大致历经了70年，通过几代人的不断总结、探讨，已初步形成了不同的生产工艺模式。

一、五氧化二钒生产工艺方法：

五氧化二钒生产按冶炼方法不同可分为火法与湿法冶金：

1、火法冶金：

将含钒钛磁铁矿经过火法冶金处理后得到含钒铁水，再从铁水氧化出钒渣，使钒得到富集后再使用。此种方法称之为火法提钒。

钒钛磁铁矿冶炼含钒铁水的方法

（1）高炉法：主要流程是用钒钛磁铁矿的烧结矿，在高炉中冶炼出含钒铁水，使用这种方法的有俄罗斯、中国。

（2）电炉法：先将钒钛磁铁矿预还原为金属化球团，再在电炉内冶炼出含钒铁水，使用这种方法的国家有南非、新西兰。

从含钒铁水中吹炼钒渣

将含钒铁水在转炉（中国、俄罗斯）、摇包（南非）或铁水包（新西兰）内、通入氧化性气体（氧气、空气），使铁水中的钒氧化出来，得到钒渣。钒渣作为提取五氧化二钒的原料。

火法提钒的工艺流程见图1所示。

此方法的优点：钒渣作为提取五氧化二钒原料含钒高，处理量少；可回收铁；焙烧温度低（800℃）左右，提取V2O5时动力、辅助原材料消耗少。

（火法主要是指钒渣以前，从钒渣以后至五氧化二钒生产所用仍然是湿法冶金）

图1火法提钒工艺流程图

2、湿法冶金：

传统湿法提钒典型的工艺流程（以南非德兰士瓦合金公司为例）如图2所示。

首先把钒钛磁铁矿磨细（湿磨）,磨细后的矿粉与钠盐（硫酸钠）混合造球，球团直接送到链篦回转窑的链篦上，利用回转窑的余热烘干并加热至900℃，随后在回转窑内于1270℃左右停留60—110min，钒转化率可达到92%以上。

此方法的优点：原料处理简单；钒回收率高，从精矿→V2O5收率达80%以上。

此方法的缺点：处理物料量大，设备投资大；焙烧温度高（1200℃以上），动力及辅助原材料消耗大；不回收铁。

现代湿法冶金主要以传统的钠化焙烧提钒和石煤提钒为代表，目前攀钢、承钢所使用方法为钠化法提钒，河南、山西、陕西、甘肃等一些石煤厂采用石煤为原料。云南华云钒业采用的是钠化提钒工艺。

图２湿法提钒工艺流程图

二、湿法冶金生产五氧化二钒生产工艺简介：

湿法冶金工艺生产五氧化二钒主要经历以下生产阶段：1、原料预处理；2、固液分离及溶液净化；3、钒溶液沉淀结晶；4、钒酸盐分解、干燥及熔炼。工艺流程见图3五氧化二钒工艺流程图

图3 五氧化二钒生产工艺流程图各操作单元原理及作用简介：

1、原料预处理工序：

原料预处理工序主要对钒渣以及含钒原料通过高温焙烧或酸、碱溶液浸出等方法处理，使其中的有价元素V完成晶型及结构价态转变，最终生成水溶性、碱溶性或酸溶性的钒盐或钒酸盐。典型的方法有：

（1）钠化焙烧提钒：

钒渣（或钒矿）磨细和选去所夹带的金属铁后，配入适当的钠盐附加剂，经过高温焙烧氧化、钠化反应，钒铁尖晶石等不溶性三价钒化合物氧化成五氧化二钒并与钠盐反应，生成可熔性钒酸钠。

V2O5+Na2CO3→2NaVO3+CO2

工业上这个过程一般在回转窑、多层焙烧炉及平窑等炉窑中完成，焙烧温度在800～900度。

（2）钙化焙烧提钒：

钙化焙烧是将钒渣（或其它含钒原料）与石灰、石灰石混合，氧化焙烧，使钒生成钒酸钙，然后利用钒酸钙的酸溶性，用稀硫酸浸出，再经沉钒的工艺。也可使用CO2与NaCO3在加温加压条件下浸出，使Ca（VO3）2生成CaCO3和NaVO3，目前只有俄罗斯有此工艺。

V2O5+CaO→Ca(VO3)2

碱浸工艺是钒原料（其中钒以五价形式存在）经粉碎后直接与强碱溶液混合，使其中的五氧化二钒与碱反应生成钒酸盐溶液。

V2O5+2NaOH→2NaVO3+H2O

（4）酸浸氧化工艺：

酸浸氧化工艺是将钒原料粉碎后与强酸混合，使其中的高价钒和低价与酸反应生成钒盐，再经进一步氧化生成五价钒。

2Fe(VO3)3+6H2SO4=Fe2(SO4)3+3(VO2)2SO4

Ca(VO3)2+2H2SO4=CaSO4+(VO2)2SO4

Mn(VO3)2+2H2SO4=MnSO4+(VO2)2SO4

Fe(VO3)2+H2SO4=FeSO4+(VO2)2SO4

V2O5+10HCl→2VCl4+Cl2↑+5H2O

V2O5+6HCl→2VOCl2+Cl2↑+3H2O

2、钒溶液分离净化工序：

分离净化工序是将预处理工序处理后的物料或溶液经水、酸浸出，固液分离后再对溶液净化处理，制得合格的含钒酸、碱溶液，为下道工序做准备。