Шихта для производства феррониобия методом электрошлакового переплава

Шихта для производства феррониобия методом электрошлакового переплава

Реферат

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при электрошлаковом переплаве.

Известна шихта для производства феррониобия методом алюминотермии, содержащая, мас.%: ниобийсодержащий материал - 58-60 в виде смеси ниобиевого концентрата (Nb+Ta)₂O₅ - 60-70 и пятиокиси ниобия (Nb₂O₅) - 25-30, и ниобиевого шлака 5-10; порошка первичного алюминия - 18-22; в качестве железосодержащего материала железную руду 3,5-5; в качестве шлакообразующего компонента - натриевую селитру 8-22. (Справочник «Сталеплавильное производство», Издательство Металлургия, М., т.1, 1964 г. С.372).

Недостатком шихты является то, что для производства феррониобия используют дорогостоящий первичный алюминиевый порошок, а железная руда содержит вредные примеси, такие как кремнезем, окислы титана и фосфора, которые в процессе производства восстанавливаются и переходят в ферросплав. Алюминий содержится в феррониобии до 3,5-5,0 мас.%.

Применение феррониобия с большим содержанием нежелательных элементов при производстве ниобийсодержащих сталей приводит к дополнительным затратам на их окисление и, следовательно, к удорожанию стали. Процесс сопровождается выделением большого количества тепла и дыма, потерями ниобия с дымом и с образованием большого количества шлака. Извлечение ниобия из шихты составляет 90%.

Известна также шихта для внепечной выплавки феррониобия алюминотермическим процессом, содержащая следующие компоненты в мас.%: в качестве ниобийсодержащего материала технический пентаоксид ниобия 39-48, железную окалину 20-27, порошок алюминия 21-24 и в качестве шлакообразующего вещества - известь 8-13. (Патент РФ №2180362, мкл. С22С 33/04, 11.09.2000. Прототип).

Недостатком шихты является то, что в процессе получения феррониобия расходуется большое количество дорогостоящего первичного алюминия. Повышенный расход алюминия в шихте приводит к частичному восстановлению его в феррониобии. Для производства феррониобия необходима большая масса шихты и шлакощбразующих. Все это приводит к пониженному извлечению ниобия из шихты и в целом недостаточной эффективности процесса.

Задачей, решаемой изобретением, является повышение эффективности процесса получения феррониобия.

Указанная задача решается тем, что шихта для производства феррониобия методом ЭШП, включающая ниобийсодержащий материал, железную окалину, шлакообразующий компонент, дополнительно содержит алебастр, а в качестве ниобийсодержащего материала - отходы производства чистого ниобия с содержанием интерметаллида ниобия 40,0-45,0% при следующем соотношении компонентов, в мас.%:

Отходы от производства чистого ниобия	62,0-70,0
Железная окалина	20,0-28,0
Шлакообразующий компонент	1,0-6,0
Алебастр	1,0-12,0

Отходы от производства чистого ниобия содержат, в мас.%:

Интерметаллид ниобия	40,0-45,0
Ниобий металлический	10,0-20,0
Глинозем	5,0-25,0
Примеси железа, марганца, углерода	остальное

Кроме того, в качестве шлакообразущего компонента используют плавиковый шпат.

Применение в составе шихты отходов от производства чистого ниобия, содержащих в соединении с ниобием алюминий, т.е. интерметаллид ниобия (NbAL₃), позволяет исключить применение в шихте в качестве восстановителя первичного алюминия и значительно снизить количество теплообразующих составляющих.

При плавлении отходов, содержащих интерметаллид ниобия, происходит окисление алюминия окислами железа (железной окалины). Однако количество кислорода, находящегося в окалине, недостаточно для полного окисления алюминия из интерметаллида ниобия. Вводимый алебастр (CaSO₄) заменяет недостающее количество кислорода, выделенного из окалины, и способствует окислению алюминия, перешедшего в жидкий расплав феррониобия, повышая при этом и массовую долю ниобия в феррониобии. Образующаяся при окислении алюминия окись алюминия переходит в шлаковый расплав и совместно с глиноземом, содержащимся в отходах, и плавиковым шпатом поддерживает тепловой баланс процесса ЭШП. Металлический ниобий растворяется в восстановленном железе окалины, образуя сплав феррониобия. Кроме того, алебастр увеличивает жидкоподвижность шлака, создавая тем самым возможность осаждения мелкодисперсных частиц ниобия, восстановленных из интерметаллида ниобия. Введение алебастра в шихту менее 1,0 мас.% недостаточно для окисления алюминия в интерметаллиде ниобия, а введение более 12 мас.% увеличивает количество шлака, его электропроводность и снижает температуру, что может привести к неполному осаждению металлической фазы.

Введение в шихту отходов от производства чистого ниобия менее 62 мас.% приводит к получению низкого содержания ниобия в готовом продукте, не отвечающего требованиям ГОСТ16773-85, а введение в шихту отходов более 70 мас.% приводит к получению феррониобия с высокой температурой плавления, что затруднительно при применении его для легирования стали.

Плавиковый шпат (CaF₂) является шлакообразующим материалом и источником первоначального тепла, создаваемым при его плавлении, и совместно с глиноземом (AL₂O₃), находящимся в отходах от 5% до 25%, образует высокотемпературную эвтектику, обеспечивающую на начальном этапе ЭШП плавление интерметаллида ниобия. Находящиеся в отходах металлические фракции чистого ниобия (корольки) до 10-20% благодаря высокой температуре процесса (шлаковой и металлической ванны) 1800-1900°С расплавляются в них, образуя сплав ниобия с железом.

Введение плавикового пшата в шихту менее 1,0 мас.% недостаточно для наведения необходимой высоты шлаковой ванны для ведения процесса переплава ЭШП. Введение в шихту более 6,0 мас.% приведет к образованию излишнего количества шлака, что увеличивает время осаждения металлических частиц шихты, проходящих через шлаковый расплав, и может увеличить потери ниобия. Введение в шихту железной окалины менее 20,0 мас.% снижает массовую долю железа в ферросплаве, одновременно увеличивая долю ниобия, что соответственно повышает температуру плавления ферросплава. Введение в шихту окалины более 28 мас.% увеличивает долю железа в феррониобии, уменьшая при этом долю ниобия, что не соответствует требованиям ГОСТ 16773-85.

Таким образом, техническим результатом изобретения является увеличение эффективности процесса получения феррониобия за счет повышения извлечения ниобия из шихты, снижения общей массы шихты и исключения из состава шихты первичного алюминия.

Пример. На электрошлаковой печи типа УШ-148 производили переплав шихты, состоящей из отходов от производства чистого ниобия 60 кг, железной окалины 20 кг, плавикового шпата 2 кг, алебастра 0,2 кг. Переплав проводили в кристаллизаторе диаметром 230 мм с использованием нерасходуемого графитового электрода по электрическому режиму, сила тока 2500А, напряжение 46 в. По расплавлению 10% от общей массы шихты и нагрева расплава до 1600-1750°С в кристаллизатор периодически через 1-5 с подавали оставшуюся часть шихты небольшими порциями, так чтобы на поверхности шлакового расплава не образовывалось нерасплавленной шихты. Длительность плавки указанной навески 83 кг составила 70 мин. По окончании подачи шихты расплав выдерживали в течение 3-5 минут до полного осаждения металлической фазы, затем печь ЭШП отключали. После охлаждения слитки извлекали из кристаллизатора, шлак отделяли от металлической части и слиток дробили на фракцию 50-150 мм в соответствии с требованиями ГОСТ 16773-85. В изломе слиток феррониобия однородный, прослоек шлака не наблюдали. Процесс плавления смеси проходил стабильно. На одну тонну производства феррониобия из предлагаемой шихты используется 1200 кг отходов от производства чистого ниобия, 400 кг окалины, 40 кг плавикового шпата, 40 кг алебастра, т.е. всего 1680 кг компонентов. По сравнению с известной шихтой для производства 1 т феррониобия методом алюминотермии необходимо 2890 кг компонентов шихты. В таблице приведены результаты промышленной проверки предлагаемого состава шихты для производства феррониобия методом ЭШП. Плавки 1, 5 проходили с составом отходов от производства чистого ниобия в мас%: интерметаллид ниобия 45,0; ниобий металлический 20,0; глинозем - 20,0; примеси - остальное. Плавка 2 проходила с составом отходов в мас.%: интерметаллид ниобия 42,0; ниобий металлический 15,0; глинозем 18,0; примеси - остальное.

Плавка 3 проходила с составом отходов в мас.%: интерметаллид ниобия 40,0; ниобий металлический 13,0; глинозем 17,0; примеси - остальное. Плавка 4 проходила с составом отходов в мас.%: интерметаллид ниобия 44,0; ниобий металлический 11,0; глинозем 12,0; примеси - остальное. Плавки 6,7 проходили с составом отходов в мас.%: интерметаллид ниобия 42,0; ниобий металлический 8,0; глинозем 20,0; примеси - остальное. Содержание ниобия в феррониобии составило 55-65%, что позволяет получить феррониобий необходимой марки. Извлечение ниобия из шихты составило 94-95%. Содержание алюминия и титана в феррониобии составило менее 3%, что соответствует требованиям ГОСТ 16773-85. Для сравнения проводили электрошлаковый переплав шихты, содержащей пентаоксид ниобия 39 мас.%, железной окалины 27 мас.%, порошка алюминия 24 мас.%, извести 10 мас.% (прототип). Масса шихты для производства 1 т феррониобия составила 2890 кг. Исследование химического состава показало, что в феррониобии содержание алюминия превышало заданное значение по ГОСТ16773-85, извлечение ниобия из шихты составляло 93%.

Предлагаемый состав шихты для производства феррониобия методом ЭШП позволяет использовать отходы от производства чистого ниобия, извлечь из шихты ниобий практически до 95%, снизить общую массу шихты в 2 раза, исключить из шихты алюминий первичный.

Табл.
Состав шихты и результаты промышленной проверки
№ плавки п/п	Состав шихты в мас.%	Содержание NbAL3 в отходах, %	AL в расплаве, %	Извлечение Nb из шихты, %
Отходы	Окалина	CaF2	CaSO4
1	62,0	20,0	6,0	12,0	45,0	2,0	94,5
2	70,0	28,0	1,0	1,0	42,0	3,0	94,1
3	65,0	25,0	5,0	5,0	40,0	2,3	94,0
4	66,0	20,0	6,0	8,0	44,0	2,7	94,3
5	68,0	22,0	3,0	7,0	45,0	2,2	95,0
6	58,0	29,0	7,0	6,0	42,0	4,3	91,0
7	72,0	14,1	0,9	13,0	42,0	1,8	90,0

1. Шихта для производства феррониобия методом ЭШП, характеризующаяся тем, что она содержит железную окалину, шлакообразующий компонент, алебастр, отходы от производства чистого ниобия с содержанием интерметаллида ниобия (NbAI₃) 40,0-45,0% при следующем соотношении компонентов, мас.%:

Отходы от производства чистого ниобия	62,0-70,0
Железная окалина	20,0-28,0
Шлакообразующий компонент	1,0-6,0
Алебастр	1,0-12,0

2. Шихта по п.1, отличающаяся тем, что отходы от производства чистого ниобия содержат следующие компоненты, мас.%:

Интерметаллид ниобия (NbAI3)	40,0-45,0
Ниобий металлический	10,0-20,0
Глинозем	5,0-25,0
Примеси	Остальное

3. Шихта по п.1, отличающаяся тем, что в качестве шлакообразующего компонента она содержит плавиковый шпат.