电铝热法制备高品质钒铝合金及冶炼渣综合利用研究

摘要

以Ti-6Al-4V合金为代表的钛合金具有优异的性能，在航空航天、国防军工具有重要的战略意义。作为生产超钛合金的必备原料—钒铝合金，其质量是决定钛合金质量和产量的关键因素。当今世界只有德国和美国等掌握航空航天级钒铝合金熔炼技术。国内以炉外法、两步法和电铝热法为主流的钒铝合金生产工艺又存在钒回收率低、合金均匀性差、流程长、合金碳含量高等问题，因此探索出一种流程短、污染小、成本低并且具有自主知识产权的航空航天级钒铝合金制备工艺就显得尤为迫切。而目前制备合金所用98片钒杂质含量过高，不能满足制备高品质钒铝合金的需求。与此同时，制备钒铝合金产生大量的冶炼渣，如不能有效利用既造成环境污染又是对资源的浪费。因此，本论文立足于高品质钒铝合金制备工艺的研究，兼顾原料的提纯和尾渣的处理，从合金制备的源头到结尾探索出一套切实可行的工艺流程，为实现钒铝合金的工业化提供借鉴。 以冶金级98片状五氧化二钒为原料，采用氢氧化钠溶液两段溶出，水解沉淀法去除铁、铝等金属离子，离子沉淀法去除硅、磷等非金属元素，弱碱性条件下铵盐沉钒，偏钒酸铵经洗涤、煅烧，最终制得纯度大于99.9％的高纯五氧化二钒，可以应用于高品质钒铝合金的制备。 分析了制备高品质钒铝合金过程中杂质的引入途径，研究表明，纯度较低的原料，如98片钒、铝粒是造成合金中铁、硅等杂质的主要来源，可通过使用高纯原料降低其含量;而合金中镁、铬、碳等杂质则主要来自于耐火材料以及石墨材料，通过合理选择冶炼方式及耐火材料种类可以避免耐火材料中杂质的引入。并最终提出了采用电热还原—两步精炼法制备高品质钒铝合金的新思路。 研究并确定了电热还原—两步精炼法制备高品质钒铝合金的冶炼工艺。结果表明，以高纯五氧化二钒，纯度为99.70％铝粒，97.0％氧化钙等为原料，以平行电极直流电弧炉为冶炼设备，刚玉捣打料为内衬，还原剂用量为理论量的100％，造渣剂用量为理论量的90％，精炼剂（铝钙合金）喷吹量为还原剂用量的3％，采用明弧冶炼，并用氩气搅拌合金脱除夹杂和气体，可以获得符合德国GfE公司航空航天级钒铝合金的标准，钒的回收率可达97.25％，得到的AlV85均匀致密，不含明显的气泡和夹杂，其中钒含量约为87％，铝含量约为12％，主要杂质铁为0.12％，硅为0.09％，碳含量0.09％。探索了一步法制备AlV55合金，提出了实验过程中存在的问题和深入研究的方向。 钒铝合金冶炼渣中的主要物相为12CaO·7Al2O3和CaAl2O4，并且含有0.8％的钒;热力学分析表明该渣在常温下就可以被碱液溶出得到铝酸钠溶液;研究并确定了冶炼渣溶出提取氧化铝的较佳工艺条件，碳酸钠浓度为210g/L，氢氧化钠浓度为40g/L，溶出温度为90℃，溶出时间为120min，溶出液固比为6时，氧化铝的溶出率达到了88.74％，溶液中钒的浓度达到0.78g/L，钒的溶出率可达到80.22％。

目录

声明

摘要

1．1钒及钒的应用

1．1．1钒的物理化学性质

1．1．2钒的应用

1．1．3钒铝中间合金

1．2钒铝合金的研究现状与制备方法

1．2．1钒铝合金的研究现状

1．2．2钒铝合金的制备方法

1．3钒铝合金的精炼

1．4五氧化二钒的生产工艺及研究现状

1．4．1五氧化二钒的性质及应用

1．4．2五氧化二钒的生产工艺

1．5高纯五氧化二钒的制备现状

1．6铝酸钙的综合回收利用

1．6．1铝酸钙渣及其处理方法

1．7铝酸钙碱性溶出制备氧化铝的研究现状

1．8课题的研究意义及主要内容

1．8．1研究的背景与意义

1．8．2本论文的主要内容

2．1前言

2．1．1实验原理

2．1．2实验流程

2．1．3实验原料与设备

2．1．4实验步骤

2．1．5分析方法

2．2实验结果与讨论

2．2．1片钒的溶出

2．2．2溶出液的净化

2．2．3沉钒及沉钒产物的洗涤

2．2．4精钒的煅烧

2．3本章小结

第3章高品质钒铝合金的制备

3．1钒铝合金制备原理

3．2熔渣性质分析

3．2．1 CaO-Al2O3二元渣系

3．2．2 CaO-Al2O3-CaF2三元渣系

3．3电铝热法主要设备及工作原理

3．4合金制备的配料计算

3．4．1计算条件假设

3．4．2合金成分计算

3．4．3还原剂用量

3．4．4造渣剂用量

3．4．5底料热量计算

3．5实验原料与设备

3．6实验流程及步骤

3．7实验主要问题分析与结果讨论

3．7．1钒铝合金制备过程中钒回收率的分析

3．7．2钒铝合金制备过程中杂质引入途径的分析

3．7．3电热还原—两步精炼法制备钒铝合金工艺条件的研究

3．7．4一步法制备AlV55合金探索实验

3．8本章小结

4．1前言

4．1．1实验原理

4．1．2实验设备及试剂

4．1．3实验步骤及流程

4．1．4分析检测方法

4．2实验结果讨论与分析

4．2．1碳酸钠浓度对氧化铝溶出率的影响

4．2．2氢氧化钠浓度对氧化铝溶出率的影响

4．2．3溶出温度对氧化铝溶出率的影响

4．2．4溶出时间对氧化铝溶出率的影响

4．2．5溶出液固比对氧化铝溶出率的影响

4．3本章小结

第5章结论

参考文献

致谢