含釩鐵水提釩工藝的發展

劉文浩　杜亞偉　劉玉敏　劉質斌　馬　登

(1. 安陽鋼鐵股份有限公司；　2. 鋼鐵研究總院工藝所)

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含釩鐵水提釩工藝的發展

劉文浩1杜亞偉1劉玉敏1劉質斌2馬登2

(1. 安陽鋼鐵股份有限公司；2. 鋼鐵研究總院工藝所)

分析和討論了三種含釩鐵水提釩工藝，即搖包提釩工藝，鐵水包提釩工藝和轉爐提釩工藝，列出了三種鐵水提釩工藝的最新研究進展，并指出了三種鐵水提釩工藝的優缺點以及存在的實際問題。通過分析認為，復吹轉爐提釩是鐵水提釩的發展方向，集成控制和綠色化生產是復吹轉爐的發展方向；只有加強生產流程的精細管控，才能實現高品質、高效率、低成本、低能耗的生產目標。

含釩鐵水提釩工藝研究進展發展方向

0　前言

一般來說，含釩礦經“回轉窯+電爐”流程或者高爐流程處理后，可得到含釩鐵水。中國、俄羅斯、南非、印度、新西蘭、瑞典等國家均生產含釩鐵水[1-9]。一般來說，用氧化法將這種含釩鐵水在搖包、鐵水包或提釩轉爐中處理得到半鋼和釩渣。所得半鋼在轉爐中冶煉，釩渣將被用于提取五氧化二釩[1,10,11]。

由此可知，含釩鐵水提釩工藝是由釩礦提取釩渣過程中的中間冶煉環節。含釩鐵水提釩工藝的選擇正確與否不僅影響提釩過程、釩渣的品位、半鋼的質量，而且關乎相關企業的經濟效益。所以有必要對鐵水提釩工藝進行深入的研究和分析。

1　鐵水提釩工藝研究現狀

含釩鐵水主要產于中國、俄羅斯和南非，印度、新西蘭、瑞典也生產一部分含釩鐵水。目前，含釩鐵水提釩工藝主要有搖包提釩、鐵水包提釩和轉爐提釩三種工藝[1,5,8]。

1.1搖包提釩工藝

搖包提釩是南非鋼鐵企業鐵水提釩的主要工藝，其代表性生產企業是南非海威爾德鋼釩有限公司。南非海威爾德鋼釩有限公司的搖包法提釩工藝始于上世紀60年代[1,4]，搖包裝置示意圖如圖1所示。搖包提釩采用氧氣軟吹模式，利用機械運動攪拌熔池。在搖包提釩過程中，主要發生以下兩種化學反應：

2) 2[V]+3(FeO)=3Fe+(V2O3)

圖1　搖包裝置示意圖

吹煉初期熔池發生的主要化學反應是Fe與O2的氧化反應的反應，之后進行FeO與釩的氧化反應。為了避免C的劇烈氧化，熔池溫度通常控制在1400 ℃以下，熔池溫度主要是通過加入的鐵礦石和廢鋼來控制。鐵礦石不僅具有冷卻效果，而且可以增大渣中(FeO)的活度，促進熔池中V的氧化。

搖包提釩工藝采用弱供氧模式，吹煉周期約90 min/爐，供氧時間約75 min/爐。因此在吹煉過程中，熔池的碳元素逐漸氧化。為補償碳的損失，需要分批加入無煙煤，其加入總量相當于鐵水量的2%。

吹煉終點的釩氧化率可達93%，半鋼余釩為0.07%～0.08%；釩渣中V2O5含量為25%，適合進一步的提取處理。但是搖包的冶煉周期非常長，其生產效率低下。搖包的爐襯壽命僅為300爐次，嚴重制約經濟效益。

1.2鐵水包提釩工藝

目前采用鐵水包提釩工藝的企業主要是新西蘭鋼鐵公司[8,12]。鐵水包提釩采用氧槍供氧、氮槍攪拌模式，供氧強度約0.28 Nm3/(min·t)，氮氣攪拌強度為0.01 Nm3/(min·t)，鐵水包提釩過程如圖2所示。

圖2鐵水包提釩過程示意圖

鐵水包吹煉過程中，分三批加入氧化鐵皮，每次加入1000 kg～1500 kg，每批氧化鐵皮大約需要5 min才能消耗完畢，氧化鐵皮起到降低熔池溫度的作用。熔池溫度通常在1350 ℃～1450 ℃之間；熔池溫度太低，鐵水包內側的鐵殼凝固；熔池溫度太高，熔池中的生劇烈氧化。

東半壁店小流域侵蝕面積為2.14km2，全部為輕度侵蝕。小流域內土地利用以耕地為主，耕地面積671.02 hm2，占小流域總面積的59%，面積較大，農地耕作活動較多，對土壤及植被擾動劇烈，汛期暴雨易發生水土流失。冬春大風季節，由于地表裸露，極易發生風蝕而形成揚沙天氣。另外，小流域內水資源較為缺乏，果園灌溉設施不足，制約了當地種植產業的發展。

為避免碳的劇烈氧化引發鐵水噴濺和溢出而導致設備燒損，新西蘭鋼鐵公司采用以下兩種方法處理相關問題：1)降低吹煉末期的氧氣濃度；2)在吹煉結束前1 min～2 min加入105 kg FeSi合金[8]。

吹煉終點，鐵水包中的半鋼余釩為0.07%～0.08%，釩氧化率為85%；釩渣中V2O5含量為18%～22%。由于供氧強度較低，鐵水包提釩工藝的冶煉周期為35 min/爐。

1.3復吹轉爐鐵水提釩工藝

復吹轉爐提釩工藝是將含釩鐵水兌入轉爐中，通過底部供氮和頂部供氧的方式將鐵水中的釩氧化而得到釩渣的提工藝方法[12]。

轉爐提釩的關鍵技術是加入冷卻劑以控制熔池溫度，達到“提釩保碳”的目的。冷卻劑通常有生鐵快、廢鋼、氮氣、廢釩渣、氧化鐵皮、鐵礦石、燒結礦、球團礦等。冷卻劑除了具有一定的冷卻能力外，通常還要求具有氧化性，帶入的雜質少。冷卻劑中氧化性冷卻劑(氧化鐵皮、球團礦、燒結礦、鐵礦石等)既是冷卻劑，又是氧化劑，其中氧化鐵皮最好。氧化鐵皮不僅可以保證渣金界面具有高的氧勢，提高鐵水中釩的氧化率，而且可以和釩渣中的V2O3結合生成穩定的釩鐵尖晶石相[5]。

在復吹轉爐提釩吹煉過程中，隨著反應的進行，鐵水中釩的濃度降低至臨界值(0.10%～0.15%)，釩在鐵水側的擴散速率減小，其氧化速率逐漸減慢，熔池內的化學反應很難接近平衡。這是因為在吹煉末期，釩從鐵水側向反應界面處的擴散傳質是釩氧化的限制性環節，釩的氧化速率取決于釩的擴散速率。因此，增加底吹供氣攪拌，減少了熔池內死區，促進了釩在鐵水側的擴散，加快了提釩速率，半鋼殘釩明顯降低[13,14]。

唐雯聃等[15]通過水模實驗對承德150 t提釩轉爐的復吹參數進行研究，研究了底槍支數和布置方式對熔池混勻時間的影響。其研究證明，在8支底槍非對稱布置的條件下，熔池混勻時間最短。

唐宏偉[16]對某鋼廠70 t提釩轉爐熔池內流體流動進行冷態模擬和數值模擬，通過對比七種底吹布置條件下熔池的均混時間得出了最佳的底吹布置方案，即采用非對稱底吹布置。在此條件下，熔池底部出現“環流”，有利于熔池整體攪拌效果。將實驗數據與現場實際相結合，對現場工藝參數進行優化后，半鋼殘釩降低，釩渣中全鐵含量保持穩定有略微降低，參數優化效果明顯。

白瑞國等[17]根據類環縫式直孔型元件進行底吹供氣元件設計，得到的底吹供氣元件透氣性好，不易堵塞，可提供較大的供氣強度，能起到良好的攪拌效果；且在吹煉的不同時期，能實現對供氣流量的調整；此外，該底吹元件具有較長的使用壽命，能實現與轉爐爐齡同步。

黃正華、李安林[18,19]針對攀鋼復吹轉爐提釩存在供氣能力不足，復吹壽命短等問題，開展了底吹透氣磚結構優化、底吹供氣系統優化、透氣磚維護技術、復吹提釩工藝優化技術的研究與應用。通過對原有底吹系統進行改造，增加底吹磚數量，優化底吹透氣磚布置，提高底吹強度，并增加控制系統，提高了底吹供氣的穩定性，大幅增加供氣流量及供氣強度，實現了底吹供氣的自動控制，爐齡大幅提高。具體的轉爐復吹提釩與頂吹提釩工藝參數[17-20]對比見表1。

表1　復吹提釩與頂吹提釩工藝參數

由表1可知，復吹轉爐提釩效果明顯，半鋼殘釩降低，半鋼碳含量升高，渣中全鐵含量降低，釩渣品位略有提升；供氧時間縮短，各指標均有所改善，是轉爐高效提釩的發展方向。

2　復吹轉爐提釩工藝的優勢

搖包提釩、鐵水包提釩、復吹轉爐提釩，三種鐵水提釩工藝的主要參數見表2，提釩終點主要工藝參數見表3。

表2　三種提釩工藝的主要參數

表3　提釩終點主要工藝參數

由表2和表3可以看出：1)轉爐提釩工藝的冶煉周期遠低于搖包和鐵水包提釩工藝；2)轉爐提釩工藝的釩氧化率指標與搖包和鐵水包提釩工藝相當；3)轉爐提釩工藝的半鋼殘釩低于搖包和鐵水包提釩工藝；4)復吹轉爐爐齡高于搖包和鐵水包提釩工藝。

綜上所述，在冶煉周期明顯縮短的情況下，復吹提釩工藝的操作參數和技術指標與搖包和鐵水包提釩工藝相同，是最具發展前景的鐵水提釩工藝。

3　復吹轉爐提釩工藝的發展趨勢

1)智能控制。研究者早期結合鋼廠的生產數據及原材料建立起來的靜態控制模型、準動態控制模型對轉爐提釩終點進行預判。近年來，智能提釩終點控制模型，并利用爐氣分析技術，在線監測冶煉過程，進而預測吹煉終點，這是轉爐提釩的發展方向。采用智能提釩終點控制技術，可在線準確控制和預測轉爐提釩終點時的半鋼成分、釩渣成分和溫度，有效縮短冶煉時間，減少消耗，降低生產成本，提高產品質量[21-23]。

2)集成控制。集成控制是現代企業提高勞動生產率、提升產品質量、降低生產成本和提高經濟效益的有效手段。國外許多大型鋼鐵企業都有自己的集成控制系統，國內主要提釩廠家已經逐步開展轉爐提釩過程集成控制研究，借此建立轉爐提釩工藝標準化專家操作系統，用理論指導提釩工藝[24]。

3)兼顧社會效益和經濟效益。轉爐提釩技術應向著節能減排、高效低耗、改善環境方向推進，轉爐提釩工藝流程向著精細化、集成化、綠色化和循環化的方向演進。通過加強對各工序生產原料、設備、工藝、管理等方面的嚴格控制，依托單體工序生產工藝的精細控制，工序裝備的精細配置與運行，生產流程的精細管控，最終實現高效、低成本、穩定生產[25]。

4　結論

1)在搖包提釩工藝、鐵水包提釩工藝、復吹轉爐提釩工藝中，復吹轉爐提釩工藝冶煉周期最短，半鋼和釩渣質量較好，是含釩鐵水提釩的發展方向。

2)復吹轉爐提釩工藝過程控制和終點控制尚存在誤判等問題，集成控制系統為實現高效、低成本、穩定化、高質量的提釩工藝控制提供了方向。

3)實踐中加強對生產流程的精細管控，開展含釩鐵水提釩工藝研究具有實際意義。

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RESEARCH PROGRESS OF REMOVING VANADIUM FROM HOT METAL

Liu Wenhao1Du Yawei1Liu Yumin1Liu Zhibin2Ma Deng2

(1. Anyang Iron and Steel Stock Co., Ltd；2. Central Iron and Steel Research Institute)

This review deals with research status of removing vanadium from vanadium bearing hot metal process, points out the practical significance to carry out research on removing vanadium from hot metal. There is a brief description on three main vanadium removing process from hot metal-shaking ladle process, vanadium recovery unit process, and vanadium extraction by converter, lists out research progress and production situation of three main vanadium removing process from hot metal, also pointed out advantages and disadvantages and practical problems that exists in three main vanadium removing process from hot metal. The analysis shows that combination blowing converter is the development direction in high efficiency vanadium removing from hot metal, and also points out that integrated process control and green production is the way for future vanadium removing. Strengthen fine control of production process, finally realize high-quality, high-efficiency, low-cost, and energy-saving production in vanadium removing process.

vanadium bearing hot metalvanadium-removing processresearch progressdevelopmental direction

浩，工程師，河南.安陽(455004)，安陽鋼鐵股份有限公司技術中心；

2016—5—8