一种短流程处理含钒原料提取制备钒及合金粉末的方法技术

本发明专利技术涉及一种短流程处理含钒原料提取制备钒及合金粉末的方法，首先将含钒原料与碱性化合物氧化焙烧，生成易溶于水的钒酸盐，经除杂‑沉钒处理后形成高纯度的中间产物CaV2O6，将其与其他原料溶解在熔盐介质中形成均匀的反应体系，然后加入还原剂还原，经过分离、洗涤、烘干后得到了粒径在50‑800nm之间，且纯度≥99.0wt.％的钒或钒合金粉末。所述方法可以连续处理含钒原料提取制备钒或钒合金粉末，具有流程短、设备简单、能耗低、产品优良等特点，且制备过程中没有固/液废弃物的排放，环境友好，具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种短流程处理含钒原料提取制备钒及合金粉末的方法
本专利技术属于冶金工程
，具体涉及一种短流程处理含钒原料提取制备钒及合金粉末的方法。
技术介绍
钒是一种具有战略意义的稀有金属元素，因其具有高的熔点、抗拉强度,硬度和抗疲劳强度等物理性能，几乎全部应用到黑色或有色合金领域。金属钒及其合金因具有优良的加工性能、强悍的耐腐蚀性及极小的快中子吸收截面等特点，作为新型宇航及原子能材料，被广泛的应用在宇宙航空航天、原子能工业、超导合金材料、特种合金的添加剂以及电子工业等领域。目前，制备金属钒及其合金的方法很多，主要有：雾化(GA)法、机械合金化(MA)法、电化学沉积法和化学还原法等。雾化法主要包括二流雾化法、离心雾化法和真空熔炼雾化法。真空感应熔炼气体雾化(EIGA)法的制备过程为：将合金棒的尖端逐步放入铜金属感应线圈中，进行加热熔化，连续滴落下的合金液滴被喷嘴喷射出的高气流冲散并快速凝固冷却，然后被旋风器收集器收集到储粉罐内。此技术在没有坩埚进行熔化的条件下，可以获得纯净无杂质的合金粉末。机械合金化(MA)技术是代粉末加工的一种技术，其机理是不同元素粉末在磨球之间反复撞击和摩擦，进行破碎和互溶扩散，从而达到粉碎及合金化的目的。以制备Ti6Al4V预合金粉末为例，其过程是把粒度小于200目，纯度大于99wt.％的HDHTi粉末和6Al-4V粉末，按照质量比为9:1的比例配料，混合后放入XQM-2L型行星式球磨机的不锈钢磨罐中，其中大小球比例为1:5(大球直径为20mm，小球直径为8mm)，球料比为20:1，在转速为330r/min的条件下进行机械球磨制备获得Ti-6Al-4V预合金粉末。电化学沉积法主要包括水溶液电化学和熔盐电化学，其中熔盐电化学主要是用来制取一些稀有难熔金属粉末。其中，熔盐电化学沉积法是在FFC工艺基础上研发制备钒金属粉末的一种新技术，此工艺处于实验室研究阶段，其具有工艺简单、操作方便等特点；但此法容易产生CO、CO2或CO+CO2混合气体，造成空气污染，难以大规模推广。化学还原法主要包括钙热还原法、镁热还原法和熔盐化学还原法等。钙热还原法是Marden和Rich等人首先在助溶剂CaCl2存在的情况下，进行钙热还原V2O5制备获得金属钒小颗粒。后因钙热还原反应放热小，Mckechnic和Seybolt等人在还原过程中加入增热剂或助熔剂CaI2进行还原制备，获得纯度大约为99.5wt.％的具有延展性能的金属钒块体，但是这种方法制得的钒金属块体因杂质含量较高造成材质偏硬，不利于机械加工，从而限制产品的应用。镁热还原法可以根据原料分为氢气+镁热还原V2O5法和镁热还原VCl3法。其中氢气+镁热还原V2O5法：首先是V2O5原料在氢气作用下还原成V2O3、VO中间产物，然后中间产物在690℃条件下进行镁热还原获得钒金属。此法与其他方法相比能耗低，但存在工艺繁琐和设备复杂等缺点，限制其应用。此外，Frank等人在不锈钢反应器内，以熔融的镁金属和钠+镁金属为还原剂，进行金属热还原VCl3制备获得粗制的海绵钒，海绵钒经高真空蒸馏除去多余还原剂和生成的副产品盐，得到纯净的海绵钒。此方法虽然还原制备获得高纯金属钒材料，但是在后期处理多余还原剂和副产品盐时，存在设备比较复杂，操作困难等问题，需要进一步改进。上述工艺用于制备钒金属及其合金时，普遍存在工艺流程长，设备复杂、操作繁琐、环境不友好以及质量不高等问题，难以得到大规模推广。
技术实现思路
鉴于现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于开发出一种短流程处理含钒原料提取制备钒及合金粉末的新工艺，该工艺具有流程短、设备简单、耗能低、环境友好、瞬时还原等特点，应用前景广阔。为达此目的，本专利技术采用以下技术方案：本专利技术提供了一种短流程处理含钒原料提取制备钒及合金粉末的方法，所述方法包括以下步骤：(1)将含钒原料和碱性化合物混合，然后对混合物料进行氧化焙烧；(2)将步骤(1)氧化焙烧后的产物依次进行粉碎、溶解，固液分离后对得到的含钒溶液进行除杂，然后加入钙盐进行沉钒，得到中间产物CaV2O6；(3)将步骤(2)所得中间产物CaV2O6与熔盐介质混合，将所得混合物真空脱水后加热熔融形成熔盐反应体系；(4)向步骤(3)得到的熔盐反应体系中加入还原剂进行热还原合成反应；(5)将步骤(4)热还原合成反应完成后得到的产物固液分离、洗涤以及烘干后，得到目标产物。本专利技术步骤(1)所述含钒原料可以为本领域任意的、常用的用于提钒的含钒原料，例如可以是含钒矿石、含钒废料、含钒炉渣、含钒催化剂、钒电池材料等，优选为含钒炉渣。根据本专利技术，步骤(1)所述碱性化合物为Na2O、K2O、NaOH、KOH、Na2CO3或K2CO3中的至少一种，优选为Na2CO3和/或K2CO3。根据本专利技术，步骤(1)所述混合物料中含钒原料的摩尔百分含量为5-25％，例如可以是5％、8％、10％、13％、15％、18％、20％、23％或25％等；所述碱性化合物的摩尔百分含量为75-95％，例如可以是75％、78％、80％、83％、85％、88％、90％、93％或95％等。根据本专利技术，步骤(1)所述氧化焙烧的温度为700-900℃，例如可以是700℃、730℃、750℃、780℃、800℃、830℃、850℃、880℃或900℃等。根据本专利技术，步骤(1)所述氧化焙烧的时间为3-10h，例如可以是3h、4h、5h、6h、7h、8h、9h或10h等。本专利技术通过步骤(1)中的氧化焙烧，将含钒原料中的钒元素转化为易溶于水的钒酸盐。根据本专利技术，步骤(2)所述粉碎后所得颗粒的粒径为150-300目。步骤(2)所述除杂过程选用本领域常规的除杂手段进行，本专利技术对其不做特殊限定，只要能除去钒液中的Cr、Si、Fe等杂质元素，且不带入新杂质即可。根据本专利技术，步骤(2)中加入的钙盐为CaO和/或CaCl2。本专利技术通过步骤(2)中粉碎、溶解、除杂以及沉钒等操作，得到了纯度大于98％的中间产物CaV2O6。根据本专利技术，步骤(3)所述熔盐介质由化合物A和化合物B组成，其中，所述化合物A为CaCl2、NaF、KF中的至少一种；化合物B为NaCl、KCl、LiCl、NaAlO2、CaTiO3、Na2TiO3、K2TiO3或TiO2中的至少一种。根据本专利技术，所述熔盐介质中化合物A的摩尔百分含量为40-100％，例如可以是40％、50％、60％、70％、80％、90％或100％等；所述化合物B的摩尔百分含量为0-60％，例如可以是0％、10％、20％、30％、40％、50％或60％等。当所述熔盐介质中化合物A的摩尔百分含量为100％时，相对应的，所述化合物B的摩尔百分含量为0％，即此时熔盐介质为化合物A。根据本专利技术，步骤(3)所述混合物中CaV2O6的摩尔百分含量为2-12％，例如可是2％、3％、4％、5％、6％、7％、8％、9％、10％、11％或12％等；所述熔盐介质的摩尔百分含量为88-98％，例如可以是88％、89％、90％、91％、92％、93％、94％、95％、96％、97％或98％等。为了防止氯化物盐水解，需要在中间产物CaV2O6与熔盐介质混合后对其进行真空脱水。根据本专利技术，步骤(3)所述真空脱水的真空度为0.1-0.3MPa，例如可以是本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种短流程处理含钒原料提取制备钒及合金粉末的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将含钒原料和碱性化合物混合，然后对混合物料进行氧化焙烧；(2)将步骤(1)氧化焙烧后的产物依次进行粉碎、溶解，固液分离后对得到的含钒溶液进行除杂，然后加入钙盐进行沉钒，得到中间产物CaV2O6；(3)将步骤(2)所得中间产物CaV2O6与熔盐介质混合，将所得混合物真空脱水后加热熔融形成熔盐反应体系；(4)向步骤(3)得到的熔盐反应体系中加入还原剂进行热还原合成反应；(5)将步骤(4)热还原合成反应完成后得到的产物固液分离、洗涤以及烘干后，得到目标产物。

【技术特征摘要】
1.一种短流程处理含钒原料提取制备钒及合金粉末的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：(1)将含钒原料和碱性化合物混合，然后对混合物料进行氧化焙烧；(2)将步骤(1)氧化焙烧后的产物依次进行粉碎、溶解，固液分离后对得到的含钒溶液进行除杂，然后加入钙盐进行沉钒，得到中间产物CaV2O6；(3)将步骤(2)所得中间产物CaV2O6与熔盐介质混合，将所得混合物真空脱水后加热熔融形成熔盐反应体系；(4)向步骤(3)得到的熔盐反应体系中加入还原剂进行热还原合成反应；(5)将步骤(4)热还原合成反应完成后得到的产物固液分离、洗涤以及烘干后，得到目标产物。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述碱性化合物为Na2O、K2O、NaOH、KOH、Na2CO3或K2CO3中的至少一种，优选为Na2CO3和/或K2CO3；优选地，步骤(1)所述混合物料中含钒原料的摩尔百分含量为5-25％，碱性化合物的摩尔百分含量为75-95％。3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述氧化焙烧的温度为700-900℃；优选地，步骤(1)所述氧化焙烧的时间为3-10h。4.如权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述粉碎后所得颗粒的粒径为150-300目；优选地，步骤(2)中加入的钙盐为CaO和/或CaCl2。5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述熔盐介质由化合物A和化合物B组成，其中，所述化合物A为CaCl2、NaF或KF中的至少一种；化合物B为NaCl、KCl、LiCl、NaAlO2、CaTiO3、Na2TiO3、K2TiO3或TiO2中的至少一种；优选地，所述熔盐介质中化合物A的摩尔百分含量为40-100％，化合物B的摩尔百分含量为0-60％。6.如权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述混合物中CaV2O6的摩尔百分含量为2-12％，熔盐介质的摩尔百分含量为88-98％；优选地，步骤(3)所述真空脱水的真空度为0.1-0.3MPa；优选地，步骤(3)所述真空脱水的温度为150-450℃；优选地，步骤(3)所述熔盐反应体系的温度为500-950℃。7.如权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述还原剂为钠、钙或镁中的至少一种；优选地，步骤(4)所述热还原合成反应的温度...

【专利技术属性】
技术研发人员：王娜，王新东，白瑞国，吴春亮，胡启晨，王宝华，马瑞峰，
申请(专利权)人：河钢股份有限公司承德分公司，
类型：发明
国别省市：河北,13