高密度颗粒三氧化二钒干法辊压造粒工艺

三氧化二钒是一种呈灰黑色、有金属光泽的结晶粉末，具有刚玉结构的六方晶体，其熔点＞ 2000 ℃  。在用铝热法和电铝热法冶炼钒铁合金和钒铝合金时，先将部分三氧化二钒和铝粉的混合物布在炉内，点火后，从冶炼炉上方分批加入由三氧化二钒、铝粒和铁屑等组成的炉料，冶炼过程中，反应温度 可达 到 2 000 ～ 3 000℃ ，在高温条件下发生强烈的化学反应，并形成大量的上升炉气。如果采用低密度的粉状氧化钒作原料将会不可避免的导致较严重的气、料飞扬，溢出炉气的夹带将造成昂贵氧化钒的冶炼损失。要想实现钒合金冶炼过程中高的钒回收率，提高原料氧化钒的密度是极为必要的。

针对 V2O3的特性，采用干法辊压造粒已是粉体三氧化二钒消除细粉料并形成较大密度颗粒的经济有效的方法。原料粉状 V2O3堆密度为0.6 ～1.2 g/cm3，粒度d( 0.5) = 30.176 μm。经干法辊压造粒后成品粒度 0.5 ～ 6cm，堆密度2 ～2.1g/cm3。

干法造粒特点为: 物料经强制压缩成型，无需任何添加剂，产品纯度得到保证; 干粉直接造粒，无需后续干燥过程、更有利于现有生产流程的衔接和改造; 颗粒强度高，堆密度的提高较其它造粒方式都更为显著; 适应原料范围广，颗粒强度可根据不同物料自由调整; 可控制环境污染，减少粉体浪费和包装成本，提高产品运输能力。辊压机工作原理，如图所示，粉体从料斗连续喂入辊压机，由液压系统给动辊施压，粉体开始与轧辊接触于A1A2:水平面，在这一点粉体开始受到磨辊表面摩擦力的驱动。单颗粒破碎物料迅速向下运动，粉体在垂直方向被加速，当物料达到平面B1B2处时，辊隙变小，压力更大，开始了料层粉碎阶段，此处物料的垂直速度等于轧辊表面速度的垂直分量，当物料被轧辊压缩直至C1C2平面处时，间隙最小，压坯密度达到值，此处压缩后的压坯以轧辊圆周速度通过C1C2平面，由于压坯的压缩反弹特性，压坯会在水平方向反弹，物料通过D1D2平面以接近辊面圆周线速度呈密实板块排出机外。

物料在辊压机内，大体上经历“滑移一层压粉碎一结团”三个交互作用过程，依据此过程，将整个作用腔分为三个区:个区域为滑移区;第二个区域为压力区;第三个区域为反弹区。再将压力区细分为两个阶段:阶段为料层粉碎阶段;第二阶段为结团阶段。

1)滑移区分析

在喂料机的上方预压、轧辊挤压力和两辊表面摩擦力的共同作用下，连续地进入破碎腔，物料充填至两挤压辊的上方，料层是由许多不规则的矿物颗粒组成的松散集合体，具有较高的孔隙度。当开始加载时，载荷一般是。0~30MPa，

颗粒由于受到外力的作用，各种粒径的颗粒随着压力的增大不断改变自身的状态和位置，位移的方式包括颗粒之间的相互靠近、分离、滑动或转移，颗粒移位后，相互之间便彼此充填空隙和重新排列，使得物料层的接触区增加，密实度提高，这一阶段物料对辊子产生的压力相对很小。由于物料与挤压辊面线速度的差异和挤压空间的变化，物料沿辊面会产生相对滑动，对辊面会有一定程度的磨损，磨损形式主要是由于物料与辊面相对滑动而引起的沟犁磨损。

2)压力区分析

（1)料层变形粉碎阶段 如图中的B1B2E2E1区域，物料层被密实后，物料颗粒变小，密度上升，物料颗粒之间也相互作用，颗粒破碎事件不断发生，物料与辊面之间开始出现线接触。此阶段的压力大致在30MPa到50MPa之间，而且载荷上升速度加快，位移量则相对缓慢增加，载荷上升幅度大于位移变形量的上升幅度，这是由于压力已经超过被密实矿物颗粒的颗粒强度，矿物颗粒开始

发生破裂。被压碎的颗粒产生细粒或细粉充填在其附近的空隙中，使得颗粒之间，以及料层与压辊之间的接触面积增大，压力传递加快，矿物颗粒内部的微裂纹就是在这一阶段形成的。 这一阶段物料与辊面的线速度差异逐渐减小，认为物料垂直速度等于辊子线速度的垂直分量，且在任一水平层面内物料的质量是相等的。假设在这个区物料与辊面之间没有相对滑动，物料只产生水平方向的变形，磨辊沟犁磨损减轻，在高挤压力的作用下，物料对挤压辊面的磨损形式转换为塑性变形或剥落磨损。辊面及内部一定深处产生压应力和拉应力，当应力超过辊面材料的疲劳强度时，辊面就形成裂纹。

（2)结团阶段，随着压应力的继续增加，物料变形量很小，趋近于零，压力开始传递到物料床的内部，颗粒粉碎并产生微裂纹，料层在高压应力下被紧密压实形成板块。此阶段的压力大致在50MPa到230MPa之间。物料的密度和压力发生在两辊子中心连线处，这一阶段称之为“结团阶段”。   

3)反弹区分析，即辊子最小间隙S处以下区段，在辊面上没有了作用力，物料开始恢复膨胀。反弹区大小用恢复膨胀角/表示，这个区的大小取决于在挤压过程中储存的弹性应力的大小。在反弹区内，任一层面内的垂直速度都与压力区末端边界上的速度相等。反弹区的恢复角Y一般为3°~9°。 粉体经过辊压后相对密度大幅度增加，单位质量的粉体所占体积明显减小，说明辊压过程中粉体经历了颗粒靠拢和重排、颗粒间空隙减少并伴随气体逸出、颗粒变形使彼此接触面积增大等一系列过程，由于颗粒在辊压力作用下发生变形甚至破裂，最终互相咬合、联结，形成具有一定强度的压实的团块。

为了得高堆密度、高抗压强度的粒状 V2O3，辊压过程中采用 低转速、窄宽度 、大喂料预脱气的工艺。成型后的板块 V2O3经破碎整粒后进入振动筛，筛选分级，筛上的颗粒就是成品高密度氧化钒，而筛下粉末用输送设备送回料仓，再次造粒。筛上氧化钒密度可达到 2 ～2 .1 g / cm3，堆密度增加显著。

结论

1)粉状三氧化二钒采用干法辊压造粒工艺，可以获得堆密度较高的产品。

2)为了得到高堆密度、高抗压强度的粒状 V2O3，造粒过程中采用低转速、窄宽度 、大喂料预脱气的工艺，并施加6MPa的油缸压力，粉状的V2O3堆密度由 0.6 ～ 1.2g /cm3提高到2～ 2. 1g /cm3，密度增加显著。

3)使用粉剂三氧化二钒时，钒合金产品收率为89% ～ 92% ; 造粒后，高密度氧化钒以较好的抗气流作用和较好的炉料接触反应性能，可使钒合金产品收率提高到 94% ～ 97% ，且采用高堆密度氧化钒冶炼钒铁有利于钒铁晶体品质的提高。