反射爐生產五氧化二釩改進

霍振軍，鐘云慶

(川威特殊鋼有限公司，四川內江642469)

1 引言

成渝釩鈦科技有限公司釩鈦制品廠五氧化二釩生產線于2008年2月開建，2009年4月結束試生產開始正式運行，該套生產線的熔化工序采用反射爐熔片，其原料為沉淀工序通過酸性銨鹽沉淀法生產出的多釩酸銨(APV又名黃餅)。反射爐生產片狀五氧化二釩存在回收率低、熱效率低能耗高、爐體壽命短等缺點，制約了產能的釋放，同時對成品質量造成了一定的影響，其中釩回收率只有92%，天然氣單耗900m3/t，爐齡400爐，相比國內其他廠家差距較大，國內先進廠家反射爐天然氣用量較少，甚至不使用天然氣，反射爐爐齡達到600爐以上，釩回收率更是達到了95%。因此，成渝釩鈦科技有限公司釩鈦制品廠積極開展了對反射爐的研究，通過爐體改造、工藝優化等，提高了反射爐的使用壽命，并降低了燃氣的耗量。

2 熔化工藝流程

五氧化二釩產品分為片狀和粉狀，其中大約90%的五氧化二釩用于釩鐵、釩鋁、釩氮等合金的生產，不宜使用粉狀五氧化二釩。

APV的熔化包含干燥脫水、分解脫氨、五氧化二釩被氨氣部分還原、低價釩氧化物再氧化、五氧化二釩熔化鑄片等物理化學過程。以十二釩酸銨為例，其反應式如下:

APV分解脫氨:

當反射爐內溫度低于多釩酸銨熔點(～670℃)時，濕的APV完成干燥脫水后，多釩酸銨在加熱狀態下分解脫氨:

V2O5被NH3部分還原:

當反射爐內溫度高于多釩酸銨熔點(～670℃)時，V2O5被NH3部分還原成釩的低價氧化物:

低價釩氧化物再氧化:

隨著氨氣的消耗，系統中氨分壓降低，氧分壓逐步升高，低價釩氧化物又被氧化成V2O5:

應當指出，低價釩氧化的再氧化反應是必不可少的，否則V2O5的熔化無法完成。釩的價態越低，其氧化物的熔點便越高，見表1，從表列數據可以看出，低價釩氧化物的熔點高達1 545℃ ～2 070℃，這是現有反射爐內根本無法達到的溫度。因此，低價釩氧化物的再氧化，將其全部氧化成低熔點的高價氧化物(V2O5)是APV熔化的必備條件。

3 反射爐生產存在的問題分析及改進措施

3.1 天然氣單耗高

要降低反射爐天然氣單耗，首要的就是要增加反射爐內氧化氣氛，所以要想辦法在反射爐內增加個送風管道或加大送風量，根據天然氣與高爐煤氣的特點和性質差異，由于高爐煤氣熱值低，且含有大量的還原氣體CO，容易造成高價釩被還原成低價釩，因而要增強爐內氧化氣氛，調節空氣配比，保持氧化性氣氛。

表1 釩氧化物的熔點

然后就是在布料方式和脫氨脫水及熔化階段合理調配天然氣的用量。布料方式采用大斜坡式，增大爐內多釩酸銨的熔化面積，減少由于火焰直接燒到料面而產生白料;脫水脫氨階段盡量不使用或少使用天然氣，采用全高爐煤氣加熱1h～1.5h，待料面結殼后，混入天然氣快速引流，熔化前期，配入天然氣150m3/h～300m3/h，快速提高爐內溫度850℃ ～950℃，待進入熔化中期開始降低天然氣用量，等整體爐溫及料層溫度持續穩定進入熔化后期，降低天然氣至0m3/h～150m3/h。

最后，在保證安全的前提下，利用反射爐煙道余熱，加熱高爐煤氣和空氣后再入爐使用，提高熱利用率，根據熔化的各個時期，不斷調節爐門和煙道閥門的開口度，保證爐內氧化性氣氛。

但是，在方案中存在一個難點，就是由于降低天然氣后，全使用高爐煤氣，使得高爐煤氣中的CO容易還原高價釩，且產生相應的熱量，高爐煤氣消耗的氧比天然氣要高2～3倍，使得反射爐內的氧化性氣氛更加不足，導致熔化時間延長。

因此，釩鈦制品廠相關人員通過討論，提出了下面解決措施:根據熔化的各個時期，不斷調節爐門和煙道閥門的開口度，保證爐內氧化性氣氛，以及通過在外用風機向爐內供入空氣。

3.2 釩回收率低

反射爐熔片過程中的五氧化二釩揮發損失是熔化釩損失的主要方式之一，由表1可知，價態越低，其氧化物的熔點越高，五氧化二釩的熔點是670℃，四氧化二釩的熔點則高達1 545℃。五氧化二釩熔化后，隨著溫度升高其蒸汽壓呈直線上升，見圖1，溫度大于1 000℃時更為明顯。

圖1 V2O5蒸氣壓與溫度的關系

其次，APV在脫水后變成粉狀APV，脫氨后在670℃以前為粉狀五氧化二釩，因粉狀物相對密度較低(粉狀五氧化二釩在22.6℃時為3.352g/cm3)，在反射爐內易被爐氣沖走，從而隨煙氣排放而形成機械損失。跟蹤檢測結果表明，通常熔化鑄片工序的釩損失率在2.5% ～3.0%范圍內，其中蒸發損失約占80%，隨煙氣排放的機械損失僅占20%左右。

同時，濕APV進入反射爐后，首先是脫水、脫氨，該過程得到的三種產物為水、氨氣和五氧化二釩，如果氨氣不能及時排出，會將五氧化二釩還原成低價釩，造成熔化溫度升高與熔化周期延長，導致粉狀V2O5的機械損失增大。因此，應在熔化期增大爐門和煙道閘門的開度，提高爐內的氧化氣氛，減少高價釩的還原以縮短熔化周期，減小釩的損失。

加料后未對爐料進行扒料或扒料操作不精心，爐內物料常呈現出料堆形或“馬鞍型”(三堆料)布料情況，導致熔化周期延長，使熔化后的五氧化二釩不能及時出爐，造成釩的揮發損失增加。因此，必須精心操作，杜絕料堆形布料或馬鞍型布料，使釩液及時流出，縮短熔體在反射爐內的停留時間，減少釩的揮發損失。

3.3 反射爐爐齡短

反射爐爐齡短的主要原因為脫水脫氨過程中產生的氨氣及濕APV對爐墻、熔池、爐頂的侵蝕，同時還有熔化過程中高溫生產對耐火材料的燒損，尤其是下料斗周邊，由于高溫操作及對爐頂APV清理不干凈，造成下料斗燒損及APV熔化后的液體造成的侵蝕。

以上是熔片過程中的爐體構造、布料方式及操作等工序對燃氣消耗、釩回收率、反射爐壽命的影響，除此之外，入爐APV的質量也對此有很大的影響。APV水份過高，會延長脫水脫氨的時間及需求溫度，容易造成高溫生產，增大燃氣用量，同時會使APV中的氨氮含量增加，使爐內還原氣氛增多，造成周期變長和低價釩的增加。因此，要嚴把質量關，控制好過程和成品質量，杜絕廢品的產生，所以要加強與沉淀工序的工作聯系，嚴把原料質量關，控制多釩酸銨的質量分數達到98%以上，水分低于40%，從而降低APV中的水份及氨氮含量。

4 反射爐生產改進后的控制方式

通過以上分析可以看出，造成燃氣單耗高、釩回收率低、反射爐爐齡短等問題都有些共同原因，首先就是入爐原料APV的水份含量高造成的爐內氧化氣氛缺乏，導致用大量燃氣高溫生產，增大了釩的揮發，并對反射爐燒損嚴重;其次為生產過程中空氣和燃氣配比失誤，大量的燃氣消耗了反射爐內的氧化氛圍，使成品低價釩比例增加，并引發高溫生產造成釩損失大、燃氣消耗高及反射爐燒損;還有在生產過程中對反射爐的易損、易侵蝕部位的保護力度不夠，對出現漏火情況沒有及時處理，造成反射爐壽命短、釩損失大。

因此，在生產過程中，根據分析結果對生產提出的解決措施，首先是在原料APV生產方面嚴把質量關，沉淀嚴格按照操作要求進行加酸、加銨，并及時洗滌，保證洗滌效果，從而減少APV中的結晶水和游離水，使APV中水分控制在40%以內。

其次就是對工藝制度重新進行了優化，通過降低熔化溫度，熔化溫度從原來的1 050℃下降到950℃以內。同時加強員工的操作水平，操作員工進行了降低天然氣用量的技術交流和培訓，操作上通過勤調節和勤觀察，減少白料的生成，將反射爐燒嘴進行改造，從而加大送風量，增加爐內氧化氣氛。

另外，要求操作工勤觀察，看火焰是否直接燒在料面上，發現燒在料面上，立即用耙子把APV扒平，盡量避免火焰直接燒在料面上。在布料后脫水、脫氨過程中，用少量的煤氣，天然氣控制在250m3/h－300m3/h之間，火焰長度控制在出釩口(火焰長度利用煤氣和空氣來控制)，抽風閥關閉(翻板閥壞)保證微量抽風。爐尾APV利用微量抽風帶過來的余熱來脫水、脫氨。要求溫度均勻緩慢上升，溫度從原來的1 000℃以上改為600℃左右，避免前期出現白料。溫度達到600℃左右時，加大天然氣用量，控制在300m3/h～350m3/h之間，溫度控制在900℃ ～950℃，保證一定的液面，準備引流。引流后保證溫度控制在950℃左右，盡量控制從爐前到爐尾的順序熔化。同時微開煙道閥，保證爐內充分氧化氣氛。

同時，對反射爐墻易被侵蝕和沖刷部分進行改造，增加爐體外墻與料面接觸部位磚墻體厚度，爐底中心與流槽口結合部位粘土磚改為高鋁磚，增加耐侵蝕和沖刷能力，延長使用壽命。對爐頂易燒穿和下料斗與爐頂結合部位進行改造，使用澆注的方式將下料斗和爐體緊密結合，防止因爐頂多釩酸銨熔化侵蝕和沖刷爐頂而造成的爐體穿頂的現象。將爐內擋火墻升高，有效防止熱量的散失，將燒嘴上升，防止白料和低價釩的產生，同時可增加入爐量。

在經過以上工藝、設備改造之后，反射爐天然氣耗量逐月呈下降趨勢，到2013年11月已降低到500m3/t，同比2010年降低了400m3/t，同時反射爐爐齡也從450爐提高到了目前的600爐以上，釩回收率也從92%提高了到95%。

5 結論

(1)造成熔化燃氣單耗高、釩回收率低、反射爐爐齡短等問題都有一些共同原因，首先就是入爐原料APV的水分含量高、空氣和燃氣配比失誤及在生產過程中對反射爐的易損、易侵蝕部位的保護力度不夠，對出現漏火情況沒有及時處理造成的。

(2)應將APV水分降低到40%以內;熔化溫度控制到950℃以下并保證反射爐內氧化氣氛充足，適當延長脫水脫氨時間、減少熔化時間;增加反射爐體外墻與料面接觸部位磚墻體厚度，爐底中心與流槽口結合部位粘土磚改為高鋁磚，增加耐侵蝕和沖刷能力，使用澆注的方式將下料斗和爐體緊密結合，將爐內擋火墻升高，有效防止熱量的散失，將燒嘴上升。

(3)釩鈦制品廠在通過工藝優化、設備改造后，熔化釩回收率達到了95%，反射爐齡600爐，天然氣單耗500m3/t。

［1］王小江，等．多釩酸銨熔化過程中的釩損失分析及對策［J］．四川有色冶金，2006(12)．

［2］楊守志．釩冶金［M］．冶金工業出版社，2010．