五氧化二钒和钒铁车间设计(engineering design of vanadium pentaoxide and ferrovanadium plant)

含钒原料经氧化钠化焙烧，用湿法冶金制取五氧化二钒，进而冶炼钒铁的车间设计。用作提钒的含钒原料种类很多，但自然界高品位的钒矿很少，秘鲁的绿硫钒矿含钒为8％～12％，1956年已开采完毕，非洲的钒铅锌矿精选后含钒可达9％～10％，1961年后也不再开采。美国的钾钒铀矿常以提铀后的残渣再用来提钒，钒钛磁铁矿和含钒的钛铁矿等尽管选矿后含钒品位不高，但由于其数量大，尤其是其火法冶炼后的副产物钒渣，含钒可富集至11％～18％，20世纪50年代后已跃居提钒原料的首位。还有钒云母、钒砂岩、含钒炭质页岩、含钒的磷酸盐矿和粘土矿、含钒的石油灰渣和废含钒触媒等都可作为提钒原料。

湿法冶金制取的五氧化二钒除用来冶炼钒铁，往往还用作有色冶金的合金剂、制造含钒催化剂、制作吸收紫外线和热射线的玻璃，以及用作玻璃、陶瓷的着色剂等。钒铁主要用于炼钢作合金添加剂。

车间设计内容包括产品方案与设计规模、工艺流程、设备选择、车间组成与布置、特殊要求和主要技术经济指标等。

简史 20世纪初，欧洲市场上已出现了商品钒铁。随着世界钒资源的不断开发和利用，许多国家(包括一些钒资源甚少和贫乏的国家)陆续设计建成不少生产五氧化二钒和冶炼钒铁的工厂或车间，以满足本国和国际市场的需要。据不完全统计，1986年全世界有提钒企业60多家，当年生产五氧化二钒约9万余t。中国于1958年在锦州建成并投产第一个五氧化二钒和钒铁车间。随后又在上海、峨眉、南京、攀枝花等地，先后建成这种车间。1990年，中国共有提钒生产能力(以V₂O₅计)约1．5万t／a；钒铁冶炼能力(折合成含钒40％钒铁计)约5千t／a。

产品方案与设计规模 五氧化二钒主要有两类，钒铁冶炼用的黑色片状五氧化二钒和用来制造钒触媒等的粉状五氧化二钒。其主要化学成分如表1所示。

钒铁一般亦分两类。一类为普通钒铁，另一类为高钒铁。其主要化学成分示于表2。

确定车间产品方案时，主要依据国内外市场的需求和分析预测，车间产品可以是五氧化二钒，也可以是普通钒铁或高钒铁。

设计规模与其所用含钒原料密切相关。同一套生产装置，如果使用含钒低的含钒炭质页岩(含钒约0．5％)作原料，其生产能力仅为100t／a；若改用钒渣作原料(含钒升至10％左右)，其生产能力可轻易地超出1000t／a。所以一般尽可能使用钒渣作提钒原料。

工艺流程 包括五氧化二钒制取和钒铁冶炼两部分。

(1)五氧化二钒制取。通常使用钒渣作为提钒的原料。原料经破碎、磁选除铁、磨细成粉，配入钠质附加剂及部分返回残渣，混料后送氧化钠化焙烧，使钒成为可溶于水的钒酸钠。焙烧尾气用电收尘器回收粉尘后排放，回收的粉尘返回原料配料系统。焙烧熟料用水逆流浸洗，获得合格钒酸钠溶液送沉淀，残渣除部分返回原料配料外，其余送渣场或综合利用。合格钒酸钠溶液经加酸、加热、加铵盐，产生多钒酸铵沉淀，经脱水并用水洗去除钠盐的多钒酸铵送去熔化。沉淀废液及洗液送废水处理后排放。多钒酸铵沉淀使用熔化炉脱水脱氨氧化，获得粉状五氧化二钒，可作为商品供化工企业生产钒触媒等。若要生产供冶炼用的五氧化二钒，则在同一熔化炉中，进一步加热使之熔化，铸成片状黑色五氧化二钒。其生产工艺流程见图1。若焙烧使用竖窑，往往需在氧化钠化焙烧以前，先将混合料造球后再入窑。

图1   用钒渣生产五氧化二钒工艺流程图

(2)钒铁冶炼。常用的普通钒铁通常是在电炉中采用硅铝热法冶炼，高钒铁是用金属热法生产。这两种治炼方法的工艺流程示于图2。

电炉硅铝热法冶炼是在精炼电炉中分期进行。还原期(有时也可再分两期)是将上一炉的富渣及本炉的全部还原剂和部分炉料，在电炉中还原剂过量的条件下，使渣贫化，当渣中含钒低于0．2％时，即可作为贫渣送渣场或加以综合利用。精炼期是在电炉中排出贫渣后，往金属液里加入本炉的剩余炉料(主要是V₂O₅和石灰)进行精炼，合金达到成品标准即可出铁、出渣，铁液经浇注、冷却、精整、破碎、称量和包装即为成品。精炼期的炉渣含钒高称为富渣，返回下一炉冶炼(见铁合金电炉精炼车间设计)。

图2      钒铁冶炼生产工艺流程图

金属热(铝热)法冶炼是将片状五氧化二钒破碎成一定的块度，与还原剂铝豆和钢屑等一起配料、混匀，作为熔炼炉料，采用下部点火法进行冶炼。先在筒式熔炼炉中加入少量炉料，用点火剂点燃引起反应，然后再将炉料陆续加入，使反应稳定连续进行，待全部炉料加完、反应结束，镇静冷却20h左右，脱除炉筒，去除渣盖，取出铁锭，经表面精整后，破碎、称量、包装、出厂。冶炼炉渣含Al₂O₃约90％，是较好的刚玉渣，可供综合利用(见铁合金金属热法冶炼车间设计)。

设备选择 制取五氧化二钒的主要设备是氧化钠化焙烧设备、多钒酸铵沉淀设备及其分解熔化设备等。(1)氧化钠化焙烧设备常用的是回转窑，有的也用多层焙烧炉，还有的使用竖炉(或称竖窑)，使用竖炉一般需将炉料先经造球，再行焙烧，中国甚少使用。对窑气一般采用干式静电除尘器收尘。(2)多钒酸铵的沉淀一般使用耐腐蚀的沉淀反应罐，沉淀上清液用管式过滤机过滤，沉淀物的固液分离常用圆筒式外滤真空过滤机，或带式真空过滤机。(3)多钒酸铵的脱水、分解脱氨及熔化通常是在同一反射熔化炉中一次完成。也有的脱氨分解是在多膛炉(或间接加热回转炉)中进行，而熔化在电炉中进行。

钒铁冶炼设备视生产普通钒铁或高钒铁而异。普通钒铁冶炼设备是倾动式带盖精炼电炉，采用石墨电极、镁质炉衬及炉盖(见铁合金精炼电炉设计)。高钒铁冶炼设备是用金属热法的筒式熔炼炉，炉筒内衬由本身冶炼产出的炉渣(刚玉渣)打结而成；高钒铁锭的表面精整采用喷砂机(见铁合金金属热法冶炼车间设计)。

车间组成与布置 由原料、焙烧、浸取、沉淀、熔化和冶炼等生产工段以及必要的辅助设施组成。车间布置视场地条件而定，但原料和冶炼一般分别设于独立厂房，其余工段可集中设于毗邻双跨或多跨厂房中，也可分为二个或三个厂房布置。(1)原料工段设有破碎、磁选、综合利用、磨细、配料、混料和运料等设备，以及贮仓设施等；常布置于设有桥式起重机的单层厂房和部分多层平台的厂房中。(2)焙烧工段主要设有氧化钠化焙烧用回转窑或多层炉，混合料入窑和熟料出窑设施，窑气净化回收装置等。回转窑窑体可设于简易雨棚内，其余设于厂房中。(3)浸取工段的设备，包括湿球磨机、浓缩机、真空圆筒内滤过滤机、洗渣罐和出渣胶带输送机等，设于厂房内；并附设有低真空的真空泵和空压机的机房。(4)沉淀工段在厂房内设有沉淀反应罐和沉淀物固液分离用的真空过滤机、管式过滤机或板框压滤机等。(5)熔化工段厂房内设有五氧化二钒熔化炉、铸造片状五氧化二钒用的水冷粒化台及成品或中间产品的称量包装设施。(6)冶炼工段若生产普通钒铁，则设有精炼电炉及其变压器和电控设备，出铁和浇注设备，成品精整、破碎、称量和包装设备等；若生产高钒铁，则有炉料破碎加工、配料、混料，熔炼炉，炉筒准备，铁锭表面喷砂精整，成品破碎、称量和包装等设备。(7)必要的辅助设施有真空泵房、酸库、废水处理站、锅炉房、燃料供应系统、循环水泵站、检验化验室和车间办公室等。有的可由全厂统一设置，以管线与车间联系。

特殊要求 主要包括：(1)原料制备过程产生粉尘，噪音较大，应采取有效的治理措施。(2)焙烧窑气除应设有收尘设施外，若其中含有有害气体，如SO₂、Cl₂等，应采取必要的治理措施，以保护环境。(3)浸取残渣除部分返回原料配料外，应尽可能加以综合利用，如配入炼铁烧结矿以及用于生产黑色或彩色陶瓷板等。(4)沉淀过程属酸性操作，对设备管道腐蚀严重，因此设备管道必须采用防腐蚀材料制作或者作防腐蚀衬里或者作防腐蚀处理。(5)沉淀废液pH值约为2，且含有少量六价铬和高价钒，故必须经净化处理和中和后才能排放(见含铬含钒废水处理设计)。(6)电炉冶炼排出的贫渣，含CaO约55％，CaO／SiO₂>2，可作炼铁烧结配矿用。金属热法冶炼渣含Al₂O₃约为90％，属刚玉渣，除自用作熔炼炉炉衬材料外，还可外供进行综合利用。

主要技术经济指标 中国五氧化二钒和钒铁车间设计主要技术经济指标列于表3。