《第一章 钒的基础知识》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第一章 钒的基础知识（88页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、转 炉 提 钒,教学内容： 第一章 钒的基础知识(6学时) 第二章 转炉提钒基本原理(4学时) 第三章 提取钒渣方法(2学时) 第四章 攀钢转炉提钒工艺(8学时) 第五章 含钒铁水炼钢工艺及含钒钢渣提钒方法与工艺(8学时),第一章 钒的基础知识,29,73,教学要求： 1、了解钒制备的发展史 钒及其化合物的用途。 2、掌握钒矿物及其主要性质 钒的生产方法。 重点：钒矿物的主要性质 钒的生产方法。,一、世界钒的发展历史,钒(V)，呈银灰色，原子序数为23，原子量为50.942，在元素周期表中属VB族，具有体心立方晶格。 1801年，墨西哥矿物学家德尔里奥在研究铅矿时，发现一种化学性质与铬、铀相似
2、的新元素，其盐类在酸中加热时呈红色，故名为红色素。实际上是钒。 1830年，瑞典化学家尼尔斯格塞夫斯特姆用矿石炼生铁时，分离出一种新元素，由于其化合物具有绚丽的颜色，以希腊神话中美丽女神娃娜迪斯（Vanadis）的名字命名为钒(Vanadium)。同年，德国化学家沃勒尔证明，Vanadium与早期德尔里奥发现的红色素是同一种元素钒。,1834年，在俄罗斯别列召夫斯克矿山的铅矿中发现了钒。 1939年，在俄罗斯的彼尔姆斯克的含铜砂岩中也发现了钒。 1840年，俄罗斯矿物工程师苏宾写道“含铜生铁、黑铜、铜锭是含钒合金，由于钒的存在，使它们具有较高的硬度”。,1867年，英国化学家娄斯科用氢还原氯化
3、钒(VCl3)，首次制得金属钒。同时他在研究英国西部的铜矿时，制备了V2O5、V2O3、VO、VOCl3、VOCl2和VOCl等钒化合物。 1882年，英国列克鲁佐特钢铁公司用含钒1.1%的炼钢炉渣制得钒的磷酸盐，年产量约60t。用户是生产苯胺黑的染料厂。,在19世纪末20世纪初,俄罗斯开始利用碳还原法还原铁和钒氧化物,首次制备出钒铁合金(含V35%40%)。19021903年俄罗斯进行了铝热法制取钒铁的试验。 1927年，美国的马尔登和赖奇用金属钙还原五氧化二钒(V2O5)，第一次制得了含钒99.3%99.8%的可锻性金属钒。 19世纪末，研究还发现了钒在钢中能显著改善钢材的机械性能，从而使
4、钒在工业上才得到广泛应用。至20世纪初，人们开始大量开采钒矿。 到目前为止,世界上生产钒的矿石主要以钒钛磁铁矿为主,在俄罗斯、南非、中国、澳大利亚及美国等国家都有丰富的钒钛磁铁矿资源,此外，在钒铀矿、铝土矿、磷岩矿、碳质页岩、石油燃烧灰渣、废催化剂等均可作为回收钒的资源。,在20世纪30年代才发现攀枝花地区蕴藏有大量钒钛磁铁矿。钒储量占全国的87%，占世界的47%；钛储量占全国的93%,占世界的45%；铁占全国的11%。 1937年发现河北承德大庙铁矿中含有钒。 1942年日本在锦州建立了“制铁所”生产钒铁，到1945年日本投降共生产出100多吨低钒铁。 1958年恢复该厂，用钒铁精矿生产V2
5、O5，10月20日炼出了新中国第一炉钒铁(含V35%)，同年并研制出金属钒。 1955年发现马鞍山磁铁矿中含有钒。,二、中国钒的发展,1965年先后在马钢建成8t、承钢建成10t吨侧吹提钒转炉生产钒渣，从此结束了我国用钒精矿生产V2O5的历史。但是钒的供应满足不了我国工业需要，每年还要进口V2O5或钒铁。 1965年在承钢100m3高炉冶炼钒钛磁铁矿试验成功。 1967年在首钢516m3高炉炼铁、30t氧气顶吹转炉双联法提钒炼钢，试验成功，制得的钒渣在锦州铁合金厂生产出了V2O5和钒铁。 1970年7月攀钢组成雾化提钒试验组，到1973年先后建成三座60t雾化提钒试验炉。到1978年，共生产雾
6、化钒渣6万t。同时在峨嵋和南京建成了铁合金厂钒车间，生产V2O5和钒铁。 1972年锦州铁合金厂可生产99.9%品位的金属钒。,1978年攀钢建成两座120吨雾化提钒炉生产钒渣。 1979年锦州铁合金厂开发了品位55%60%的钒铁和含钒40%80%的钒铝合金。 1980年开始出口钒渣(3208t)、V2O5(1041t)、钒铁(1882t)。中国从钒进口国变为钒出口国。 19801985年间，锦州铁合金厂开发了高钒铁、硅钒铁、碳化钒、氮化钒等炼钢钒合金添加剂。 1984年攀研院开发出钒渣一次焙烧水浸提钒技术，在国内推广，并获国家发明专利。 1990年攀钢建成了2000tV2O5/a的生产车间。
7、 19921993年攀钢建成了用电铝热法冶炼高钒铁试验车间，生产能力为1900t/a。,1994年攀钢开发了用煤气还原多钒酸铵制取V2O3技术，获国家发明专利。 1995年，攀钢将雾化提钒改为转炉提钒，建成两座120吨提钒炉，设计能力11万t/a钒渣。 1998年攀钢从德国引进设备，建成了年产2400tV2O3的车间。后扩建为5150t/a。同时，进行了V2O3冶炼高钒铁的试验。西昌分公司建成年产1200t五氧化二钒生产车间。同时，攀钢钒渣产量达到并超过了设计能力，创下历史最高水平。 2001年攀钢建成了年产100t的氮化钒试验生产装置。 2004年攀钢已经建成了设计能力年产2000t氮化钒的
8、生产车间，攀研院又建成了年产300t的生产装置。 近年来，我国钒的发展速度极快，产量已居世界第一位。,钒在自然界分布很广，约占地壳重量的0.02%，但其分布极为分散，常与金属矿如铁、钛、铀、钼、铜、铅、锌、铝等矿共生，或与碳质矿、磷矿共生。在石油及其加工产品中也含有钒。在开采与加工这些矿石时，钒作为共生产品或副产品予以回收。从粘土矿、石油渣和废催化剂中也能回收少量的钒。 含钒矿物种类繁多,已发现有70多种,但只有少数矿物具有开采价值。,三、钒的矿物简介,重要的钒矿物,在钒的矿物中，最有开发价值的钒矿物主要有以下几种： 钒钛磁铁矿：黑灰色，(Fe,Ti,V)3O4是一种分布最广泛的含钒矿物，是最
9、具有工业开采价值的钒矿物。一般原矿含V2O50.12%，大于1%就可以直接做为提钒的原料。也可通过选矿得到含V2O50.5%以上的精矿。然后通过高炉炼铁或电炉炼铁得到含钒的铁水，再从铁水吹炼出钒渣，使V2O5含量富集到10%20%，做为提钒的原料。 钒云母：是一种复杂的硅铝酸盐，在纯矿物中含有V2O516%,而在矿石中V2O5为1%3%。在钒云母矿物中含有少量的铀。 复合多金属矿：成分中含有钒铅矿、钒铅锌矿、钾钒铀矿等，这类矿石中含有铀、镭、铜、铅、锌、锰、钼等。含钒铝土矿也属于这一类矿床的变种。钾钒铀矿是一种钾铀的钒酸络盐，呈浅黄色或浅绿黄色，矿石含V2O51.5%2.0%，美国科罗拉多高原
10、等地是这种矿物的主要产地，在提铀时可制得V2O5。,磷酸盐矿：钒含在磷酸盐岩和磷酸盐页岩中，含V2O5从微量到1%，还含有少量的氟、铀、硒。在用磷矿生产磷和磷肥后，所得副产物磷铁中含有钒，作为提钒原料。 碳质页岩(石煤)：储量很大，分布极广，结构复杂。一般还含镍、钼、铀等，含V2O50.1%1.5%。钒的品位与地质年代和矿化条件有关，含碳较高的矿层钒含量较高，以硅质页岩为主的矿层品位较低。 有机基原料矿床：钒与其它有机化合物形成络合物。如高硫石油、沥青质岩等，通常中东的原油V2O5含量20150g/t，有的高达300400g/t。因此，这些有机燃油的渣、灰及脱硫用的废催化剂等含有大量的钒，有的
11、还含有钼、镍等二次资源，可作为提钒的重要原料。,四、钒及其化合物的性质, 金属钒的性质,物理性质：钒是一种单晶金属，呈银灰色，具有体心立方晶格。高熔点难熔金属189010 (比Ti高) 。钒呈弱顺磁性，是电的不良导体。 力学性质：纯净钒有良好的延展性和可锻性，在常温下可制成片、丝和箔；不纯时硬而脆，少量的杂质，如氧、氮、碳、氢可提高钒的硬度和抗拉强度，但延展性降低。 化学性质：钒是强还原剂，但由于容易呈钝态，常温下钒的化学活泼性较低，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。 2V
12、 + 6HF = 2VF3 +3H 2 V+8HNO3= V(NO3)4+4NO2+4H2O,在空气中，熔融碱、碱金属、碳酸盐可将金属钒溶解而生成相应的钒酸盐。 在高温下钒能与碳、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。 2V + O 2 =2VO 4V + 3O 2 = 2V2O3 2V2O3 + O2 = 4VO2 4V + 5O 2 = 2V2O5 180温度下钒与氯作用生成四氯化钒(VCl4)。 温度超过800时,钒与氮反应生成氮化钒(VN)。 在8001000时钒与碳生成碳化钒(VC)。 V + 2Cl2 = VCl
13、 4 2V+N2=2VN V +C=VC,金属钒的制备: 用金属钙还原五氧化二钒 V2O5 或用金属镁还原三氯化钒VCl3,可制得金属钒。 V2O5 + 5Ca = 5CaO + 2V 2VCl3 + 3Mg = 3MgCl2 +2V,此外，钒亦具有一定的耐液态金属(铀、钠)和合金(铅-铋等)的腐蚀能力，因此，钒适合作钠冷却快中子反应堆的燃料包套和反应堆材料。,由氧-钒二元相图可知，钒有多种氧化物。, 钒氧化物的性质,V-O系状态图,在V2O3和V2O4之间，存在着可用通式VnO2n-1(3n9)表示的同族氧化物。 在V2O3到V2O5之间,已知有V3O5、V3O7、V4O7、V4O9、V5O
14、9、V6O11、V6O13等。 工业上钒氧化物主要以V2O5、V2O4和V2O3为主,特别是V2O5。,钒氧化物的性质,1、一氧化物(VO或V2O2),物理性质： 浅灰色带有金属光泽的晶体粉末 是非整比氧化物，组成为VO0.94-1.12 固体具有氯化钠型晶体结构,即属离子型的 具有较高的导电性 化学性质： 具有碱性氧化物的性质，不溶于水，能溶解于酸中生成强还原性的紫色钒盐V(H2O)6 2+ 离子。 在空气中和水中不稳定，容易氧化成V2O3。 在真空中它发生歧化反应生成金属钒和V2O3。,制备：用氢在1700下还原V2O5或V2O3制得。,2、三氧化二钒(V2O3),物理性质： V2O3是灰
15、黑色有光泽的结晶粉末。 非整比的化合物VO1.35-1.5,晶体结构为-Al2O3型的菱面体晶格。 熔点很高(2070),属于难熔化合物,并具有导电性。 化学性质： 是碱性氧化物,溶于酸生成蓝色的三价钒盐V(H2O)63+离子，该离子有相当大的八面体络合，在水中会部分水解生成V(OH)2+和VO1+。 在空气中缓慢被氧化，在氯气中迅速被氧化成三氯氧钒(VOCl3)和V2O5。常温下暴露于空气中数月后，它变成靓青蓝色的VO2。 不溶于水及碱，是强还原剂。,V2O3特殊性质：具有金属非金属转变的性质(也称为MST或MIT)，低温相变特性好，电阻突变可达六个数量级，晶格由菱形变为单斜(低温相)反铁磁
16、性半导体。V2O3具有两个相变点：150170K和500530K，其高性能的低温相变使其在低温装置中有着很好的应用前景。,制备：高温下用碳或氢还原五氧化二钒制备。 纯的V2O3可用V2O5粉末在氢气流中(流速10L/h)于500下还原20h制得。 工业上用氢气、一氧化碳、氨气、天然气、煤气等气体还原V2O5或钒酸铵制取。,3、二氧化钒(VO2或V2O4),物理性质： 二氧化钒是深兰色晶体粉末,温度超过128时为金红石型结构. VO2是整比化合物。 化学性质： 两性氧化物，溶于酸和碱。在强碱溶液中可生成M2V4O9或M2V2O5四价亚钒酸盐。 VO2溶于酸中时不生成V+4离子，而是生成正两价钒氧基VO+2离子。VO+2离子在水溶液中呈浅蓝色，钒氧基盐如VOSO4、VOCl2在酸性溶液中非常稳定，加热煮沸也不分解。,制备：将V2O5与草酸共熔进行温和的还原作用来
