一种钒铝合金及其制备方法与流程

1.本发明涉及冶金领域，具体涉及一种钒铝合金及其制备方法。


背景技术：

2.铝热法是一种利用铝的还原性获得高熔点金属单质的方法。铝热剂指铝和金属氧化物的混合物。将铝粉和一定量的高熔点金属氧化物(如氧化铁等)混合后，用镁条引燃，可以看到铝粉在较高的温度下剧烈反应，反应放出大量的热，并发出耀眼的光芒。生成物为氧化铝和该高熔点金属的单质。铝热反应十分激烈，所以点燃后难以熄灭，点燃之后很难控制反应过程。该反应是将炉料装入，并在点火后一刹那迅速产生高温(1700℃～3000℃)使得炉料处于熔融状态，进而进行合金提炼。这种冶炼方式的优点在于不需输入电热，能耗低，比电弧炉冶炼法生产成本低。
3.钒铝合金是一种用于钛合金的基础原料，当前是继钒在钢中应用之后的第二大应用领域。ti-6al-4v和ti-8al-1mo-1v，这两种钛合金总共占钛合金市场的50％，主要用于生产喷气发动机、高速飞行器骨架和火箭发动机机壳。钛合金生产所用的钒是以钒铝合金形式加入。日本、美国、英国等国家还在进一步加大含钒钛合金在民用工业中的应用研究。
4.目前，钒铝合金生产工艺中一般以五氧化二钒为原料，采用铝热法生产钒铝合金。由于五氧化二钒与金属铝反应放出大量的热量，热量大幅过剩、使反应呈现爆炸性，在绝热的情况下足以使体系的温度升高到3000℃以上。因此，炉料中通常要配入一定量的惰性物质(俗称消热剂)来控制反应速度和反应产物的温升。由于消热剂总是含有一定量的fe、si、p和重金属元素，因此生产出的钒铝合金中杂质含量较高。
5.中国专利申请cn200910117560.4中公开了一种钒铝合金材料的制备方法，该法按质量百分比计，称取粉末状的al：0％～33.1％，v2o5：50％～66.9％，在球磨机中混合8～16小时后，置于铜模具中用压力机在60～80mpa的压力下压实，将装有压好的反应物料的模具放于铝热反应容器中，物料上放置引燃剂，用惰性气体吹出残余的空气，在2～7mpa氩气保护下，加热到300℃左右进行反应，获得钒铝合金，其中，按照质量百分数，v为75％～95％，al为5.0％～25.0％，s含量约0.15％，fe含量约0.50％。显然在上述工艺中，所获得的产品中fe和s等杂质含量较高，这是由于在球磨机中混合8～16小时会引进一些杂质。另外，由于铝热反应在密闭的压力容器中进行，因此极大限制了钒铝合金的产量，此外，由于要求设备的耐压性能强，因此会提高制造成本。


技术实现要素：

6.本发明的目的是为了克服现有技术存在的钒铝合金中杂质含量高、制造成本高、产量低的问题，提供一种钒铝合金及其制备方法。
7.为了实现上述目的，本发明一方面提供一种钒铝合金的制备方法，所述方法包括以下步骤：
8.(1)将五氧化二钒和铝粒按照重量比为(1.03-1.9):1进行混合，得到混合料；
9.(2)将部分混合料铺于冶炼炉炉底，然后点火并引燃混合料，待混合料开始进行铝热反应后，采用连续加料的方式加入剩余的混合料，反应完成后进行静置，得到钒铝合金；
10.其中，在步骤(1)中，所述五氧化二铝的纯度≥99.6重量％，所述铝粒的纯度≥99.7重量％。
11.优选地，在步骤(2)中，所述部分混合料的重量为步骤(1)得到的混合料的5-10重量％。
12.优选地，在步骤(2)中，所述点火引燃的点火剂为过氧化钡和/或铝粉。
13.优选地，在步骤(2)中，所述冶炼炉的炉体为石墨坩埚。
14.优选地，在步骤(2)中，所述石墨坩埚内壁涂有电熔镁火泥。
15.优选地，在步骤(2)中，所述连续加料的加料速度为10-50kg/min。
16.优选地，在步骤(2)中，所述连续加料的加料速度为15-45kg/min。
17.优选地，在步骤(2)中，所述静置的时间为72-96h。
18.优选地，在步骤(2)中，所述点火引燃的引燃剂为镁条。
19.本发明第二方面提供上述方法制备得到的钒铝合金，所述钒铝合金含有：55.9-90.36重量％的v、≤0.10重量％的fe，≤0.18重量％的si以及余量的al。
20.本发明所述的制备方法与现有工艺相比，采用连续加料方式可以扩大生产规模，使合金锭较长时间保持熔融状态，提高钒的收率。并且未添加常规石灰等造渣冷却剂进行调节热量使得其成本更低，还可以减少杂质的引入，有利于进一步减少钒铝合金中杂质的含量，所得合金纯度更高。本发明采用石墨坩埚进行冶炼，制得的合金外观质量比打结炉体制得的的合金更光滑整洁，合金质量更高，在进行合金饼破碎时能够获得更高的成品率，完全符合工业大生产的要求。
具体实施方式
21.以下对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
22.在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
23.本发明一方面提供一种钒铝合金的制备方法，所述方法包括以下步骤：
24.(1)将五氧化二钒和铝粒按照重量比为(1.03-1.9):1进行混合，得到混合料；
25.(2)将部分混合料铺于冶炼炉炉底，然后点火并引燃混合料，待混合料开始进行铝热反应后，采用连续加料的方式加入剩余的混合料，反应完成后进行静置，得到钒铝合金；
26.其中，在步骤(1)中，所述五氧化二钒的纯度≥99.6重量％，所述铝粒的纯度≥99.7重量％。
27.在本发明中，采用过量的铝粒，在还原反应过程中，部分铝与五氧化二钒反应生成金属钒和三氧化二铝，此时五氧化二钒反应完毕，多余的铝与生成的金属钒形成钒铝合金，在实际成产过程中可以根据剩余铝的量组成不同钒铝比例的钒铝合金。
28.在优选的实施方式中，在步骤(2)中，所述部分混合料的重量为步骤(1)得到的混
合料的5-10重量％。具体的，所述部分混合料的重量可以为步骤(1)得到的混合料的5重量％、6重量％、7重量％、8重量％、9重量％或10重量％。
29.在优选的实施方式中，在步骤(2)中，所述点火引燃的点火剂为过氧化钡和/或铝粉。
30.在优选的实施方式中，在步骤(2)中，所述冶炼炉的炉体为石墨坩埚。
31.进一步优选地，在步骤(2)中，所述石墨坩埚内壁涂有电熔镁火泥。
32.在本发明中，采用的石墨坩埚带有钻孔盖子既能够防止冶炼过程的合金液喷溅又能起到保温的过程利于渣金分离。并且石墨坩埚内壁涂有电熔镁火泥涂层，冶炼过程中配置合适的冶炼热量，无需添加冷却剂，不会引入其它杂质，有利于获得杂质含量较低的钒铝合金。
33.在优选的实施方式中，在步骤(2)中，所述连续加料的加料速度为10-50kg/min。具体的，所述加料速度可以为10kg/min、15kg/min、20kg/min、25kg/min、30kg/min、35kg/min、40kg/min、45kg/min或50kg/min。
34.进一步优选地，在步骤(2)中，所述连续加料的加料速度为15-45kg/min。
35.在优选的实施方式中，在步骤(2)中，所述静置的时间为72-96h。具体的，所述静置的时间可以为72h、74h、76h、78h、80h、82h、84h、86h、88h、90h、82h、94h或96h。
36.在优选的实施方式中，在步骤(2)中，所述点火引燃的引燃剂为镁条。
37.本发明第二方面提供上述方法制备得到的钒铝合金，所述钒铝合金含有：55.9-90.36重量％的v、≤0.10重量％的fe，≤0.18重量％的si以及余量的al。
38.本发明所述的制备方法与现有工艺相比，采用连续加料方式可以扩大生产规模，使合金锭较长时间保持熔融状态，提高钒的收率。并且未添加常规石灰等造渣冷却剂进行调节热量使得其成本更低，还可以减少杂质的引入，有利于进一步减少钒铝合金中杂质的含量，所得合金纯度更高。本发明采用石墨坩埚进行冶炼，制得的合金外观质量比打结炉体制得的的合金更光滑整洁，合金质量更高，在进行合金饼破碎时能够获得更高的成品率，完全符合工业大生产的要求。
39.以下将通过实施例对本发明进行详细描述，但本发明的保护范围并不局限于此。
40.实施例1
41.(1)将100kg五氧化二钒(纯度为99.62重量％)和55.7kg铝粒(纯度为99.71重量％)进行混合(五氧化二钒与铝粒的重量比为1.795:1)，得到混合料；
42.(2)将7.79kg混合料铺于冶炼炉(炉体为石墨坩埚，且内壁涂有电熔镁火泥)炉底，然后使用分析纯过氧化钡点火并利用镁条引燃混合料，待混合料开始进行铝热反应后，采用连续加料的方式加入剩余的混合料，加料速度为10kg/min，反应完成后进行静置72h，得到60.3kg钒铝合金。
43.实施例2
44.(1)将200kg五氧化二钒(纯度为99.7重量％)和127.4kg铝粒(纯度为99.73重量％)进行混合(五氧化二钒与铝粒的重量比为1.57:1)，得到混合料；
45.(2)将22.92kg混合料铺于冶炼炉(炉体为石墨坩埚，且内壁涂有电熔镁火泥)炉底，然后使用分析纯过氧化钡点火并利用镁条引燃混合料，待混合料开始进行铝热反应后，采用连续加料的方式加入剩余的混合料，加料速度为15kg/min，反应完成后进行静置76h，
得到127.52kg钒铝合金。
46.实施例3
47.(1)将300kg五氧化二钒(纯度为99.76重量％)和250.2kg铝粒(纯度为99.8重量％)进行混合(五氧化二钒与铝粒的重量比为1.2:1)，得到混合料；
48.(2)将44.01kg混合料铺于冶炼炉(炉体为石墨坩埚，且内壁涂有电熔镁火泥)炉底，然后使用分析纯过氧化钡点火并利用镁条引燃混合料，待混合料开始进行铝热反应后，采用连续加料的方式加入剩余的混合料，加料速度为18kg/min，反应完成后进行静置80h，得到249.4kg钒铝合金。
49.实施例4
50.(1)将400kg五氧化二钒(纯度为99.81重量％)和384.61kg铝粒(纯度为99.83重量％)进行混合(五氧化二钒与铝粒的重量比为1.04:1)，得到混合料；
51.(2)将78.46kg混合料铺于冶炼炉(炉体为石墨坩埚，且内壁涂有电熔镁火泥)炉底，然后使用分析纯过氧化钡点火并利用镁条引燃混合料，待混合料开始进行铝热反应后，采用连续加料的方式加入剩余的混合料，加料速度为46kg/min，反应完成后进行静置80h，得到394.3kg钒铝合金。
52.对比例1
53.按照实施例1所述的方法进行实施，与之不同的是，在步骤(2)中，采用一次性加入的方式加入剩余的混合料，得到59.7kg钒铝合金。
54.对比例2
55.按照实施例4所述的方式进行实施，与之不同的是，铝粒的用量为400kg，也就是五氧化二钒与铝粒的重量比为1:1，得到411.69kg钒铝合金。
56.测试例
57.采用化学分析方法对实施例和测试例制得的钒铝合金的化学成分进行检测，并计算钒收率，结果如表1所示。
58.表1
[0059][0060][0061]
通过表1的结果可以看出，采用本发明所述的方法可以成功的制备出杂质含量少、钒收率高的钒铝合金。
[0062]
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。