冶炼金属钒的方法分类（钒渣-五氧化二钒-三氧化二钒-金属钒-钒铁-钒铝合金-碳氮化钒-钒电池）

原创 邹建新 李俊翰 教授等

0 金属钒

金属钒可以通过以含钒氧化物和氯化物为原料，采用以钙、镁、铝等为代表的金属热还原法，或以碳、硅、氢等为代表的非金属热还原方法进行制备。但是，这些方法得到的钒含有间隙元素量较高，如碳、氢、氧、氮，需要进一步提纯精炼后才能得到纯度较高、具有可塑性的金属钒。

1 冶炼金属钒的方法分类

（1）以还原剂来区分：主要有金属热还原法，如钙热还原法、铝热还原法、镁热还原法；非金属热还原法，如碳热还原法，氢还原法、硅热还原法等。

（2）以含钒原料不同区分：主要有含钒氧化物和含钒氯化物两类原料。

2 钙热还原法

2.1 基本原理

钙热还原法所用原料主要为含钒氧化物，现将钙还原五氧化二钒的反应式表示如下：

V2O5+Ca=V2O4+CaO

V2O4+Ca=V2O3+CaO

V2O3+Ca=2VO+CaO

VO+Ca=V+CaO

由以上四式可得如下总反应式：V2O5+Ca=2V+5CaO

如果金属钙的量充足，则上述总反应式能进行完全，生成金属钒。据有关数据表明，金属钒的熔点为1910℃，反应后产出的渣熔点为2615℃。该反应虽为强放热反应， =-1621kJ，但仍不足以使V和CaO熔化，故产物冷却后是粉末悬浮物。

2 钙热还原法冶炼金属钒工艺

(1) 还原工艺

①早在1927 年，Marden、Rich以V2O5为原料、CaCl2为助剂，采用钙热法还原制得金属钒，反应按下式进行：

V2O5 +5Ca +5CaCl2 = 2V +5CaO·CaCl2

按化学计量加入V2O5175g，Ca 300g，CaCl2 300g，装入钢罐、密封，加热至900 -950℃，保温1 h后冷却，将粒状产物溶于蒸馏水，钙盐溶解，固体金属钒分离后， 用盐酸洗涤，再用乙醇、乙醚冲洗，然后真空干燥，得到金属钒，纯度可达99.3% -99.8% 。

②Mckechnie 、Seybolt以V2O5为原料、I2为促进剂，采用钙热法还原制得金属钒。按化学计量加入V2O5300g，Ca520g，I2150g，使用镁坩埚，置于钢罐( φ100mm x280mm x 18mm) 内，抽真空、充氩气密封。

当温度达到425℃时，发生如下反应：

Ca +I2 = CaI2

此反应一旦开始，并会立即引发系统的钙热还原反应。CaI2既作为触发剂， 也作为CaO 渣的稀释剂。冷却后渣、钒易分离完全， 金属钒纯度达99.6 %。

③Wilhelm 、Long 采取了与Mckechnie 、Seybolt相同的反应器和步骤，在配料中加入了少量硫，制备出了钒锭。原料配比为V2O5180g，Ca 307g，S 20g。加入的硫可与钙反应产生的CaS，与CaO 组成的渣熔点更低，而且可消除其他的杂质如Al 、Fe 、Si、Mg 。

④此外，用钙还原三氧化二钒也可制备钒粉。钙还原三氧化二钒释放的热量比五氧化二钒小得多，只能得到固态产品，通过稀酸洗涤过滤后即可得到钒粉。

(2) 生产装置

钙热还原法冶炼金属钒的实验性生产装置见图5.4.1。

图5.4.1 钙热还原法实验装置

2.3 电解精炼

Lei、Sulliven采用两步电解法成功获得了高纯钒。采用51 % KCl - 41 % LiCl -8% VCl2的电解液。第一步电解是以商业粗钒作为阳极，精炼得出的阴极作为第二步电解的阳极。经过两步电解之后，粗钒中的C、O、Mo、N、Si、Fe等均有下降，产品纯度高，延展性好。

参考文献：《钒钛产品生产工艺与设备》，北京：化学工业出版社，作者：邹建新等，2014.01

《钒钛物理化学》，北京：化工出版社，作者：邹建新，2016

（钒钛资源综合利用四川省重点实验室【攀枝花学院】，cnzoujx@sina.com）

四川省钒钛材料工程技术中心

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