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钒铁冶炼（钒渣-五氧化二钒-三氧化二钒-金属钒-钒铁-钒铝合金-碳氮化钒-钒电池）

原创 邹建新 崔旭梅 李俊翰 教授等

1 钒铁冶炼方法及特点

(1)以还原剂来区分：通常分为硅热法、铝热法、碳热法三种。

(2)以还原设备区分：在电炉中冶炼的有电炉法（包括碳热法、电硅热法和电铝热法）。不用电炉加热，只依靠自身反应放热的方法称为铝热法（即炉外法）。

(3)以含钒原料不同区分：用五氧化二钒、三氧化二钒、钒渣原料冶炼钒铁的方法。 (4)根据热源不同可分为：碳热法、电热法、电硅热法、金属热法。

不同方法，特点不同，一种是耗电能大，工序复杂，但产品质量稳定，还原剂价格低。另一种是耗铝量大，回收率低，合金品位高，不用电能。 2 钒铁产品的牌号及成分

钒铁牌号根据含钒量分为低钒铁：FeV35～50，一般用硅热法生产；中钒铁：FeV55～65；高钒铁：Fe70~80，一般用铝热法生产。国内钒铁牌号及成分如表5.5.1，国际钒铁牌号及成分如表5.5.2。80 FeV产品外观如图5.5.1。

（1）我国钒铁标准（GB 4139-2012）

表5.5.1 我国钒铁牌号及成分标准

化 学 成 分/ % 牌 号 V ≧ C Si P S Al Mn ≦ 1

FeV-40-A FeV-40-B FeV-50-A FeV-50-B FeV-75-A FeV-75-B 40.0 40.0 50.0 50.0 75.0 75.0 0.75 2.0 0.10 0.06 1.0 1.00 3.0 0.20 0.10 1.5 0.40 2.0 0.07 0.04 0.5 0.5 0.75 2.5 0.10 0.05 0.8 0.5 0.20 1.0 0.05 0.04 2.0 0.5 0.30 2.0 0.10 0.05 3.0 0.5 （2）钒铁国际标准（ISO 5451-80） 表5.5.2 国际钒铁牌号及成分标准

化学成分/% 代号 V ≦ FeV40 FeV60 FeV80 FeV80Al2 FeV80Al4 35.0~50.0 50.0~65.0 75.0~85.0 75.0~85.0 70.0~80.0 2.0 2.0 2.0 1.5 2.0 4.0 2.5 1.5 2.0 4.0 0.30 0.30 0.30 0.20 0.20 0.10 0.06 0.06 0.06 0.10 0.10 0.05 0.05 0.05 0.10 0.06 0.06 0.06 0.10 0.10 0.10 0.10 0.10 0.50 0.50 0.50 0.15 0.15 0.15 Si Al C P S As Cu Mn Ni

图5.5.1 80 FeV产品外观

图5.5.2 冶炼钒铁的电弧炉

3 金属热法冶炼钒铁的原理

金属热法冶炼铁合金一般是用比较活泼的金属去还原比较不活泼的金属氧化物，并获得该金属与铁熔于一起，从而生成铁合金。主要反应原理为： MexOy+Al─→ Al2O3+Me ?H?298(Al)=Q kJ/mol MexOy+Si─→ SiO2+Me ?H?298(Si)=Q kJ/mol MexOy+Mg─→ MgO+Me ?H?298(Mg)=Q kJ/mol

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MexOy+Ca─→ CaO+Me ?H?298(Ca)=Q kJ/mol

上述Q值等于-301.39kJ时，该反应式能自发进行，反应放热能达到使炉料熔化、反应、渣铁分离的程度。当然，要使Me的收率达到高的指标，这个值不一定是最佳的。 若Q值不够-301.39kJ， 就必须采取别的措施。一般是提供放热副反应及给体系通电等手段。副反应一般是根据本国的国情及参加副反应物质的价格水平来选择一些不致于污染合金的氧化物来和还原剂发生化学反应，并放出大量的热，以补充上述Q值的不足。在我国通常是选用KClO3、NaNO3。如：

6NaNO3+10Al=5Al2O3+3Na2O+3N2↑ ?H?(Al)=-710.90 kJ/mol 298 KClO3+2Al=Al2O3+KCl ?H?298(Al)=-868.59 kJ/mol

若上述反应的Q值超过-301.39kJ，也应采取其它办法，比如配入一定量的炉渣、碎合金等吸收多余的热量，以免反应过于激烈而造成的喷溅。 4 电硅热法冶炼钒铁

4.1 基本原理 整体生产概念的形成：

生产钒铁的原料：V2O5、硅铁。 生产钒铁的辅料：石灰、铝块、废钢。 最终产品：块状FeV合金。

生产钒铁的主体设备：电弧炉，如图5.5.2所示。 生产钒铁的工艺：硅热还原法。 电弧炉内化学反应为：

2/5V2O5(l)+Si=4/5V+SiO2 ?G?T(Si)=-326840+46.89T (J/mol) V2O5(l)+Si=V2O3+SiO2 ?G?T(Si)=-1150300+259.57T (J/mol) 2V2O3+3Si=4V+3SiO2 ?G?T(Si)=-103866.7+17.17T (J/mol) 2VO+Si=2V+SiO2 ?G?T(Si)=-56400+15.44T (J/mol)

硅热还原时，在高温下用硅还原钒的低价氧化物自由能的变化是正值，说明在酸性介

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