Технология получения феррониобия алюминотермическим способом

Сортамент феррониобия. Содержание ниобия в феррониобии может составлять от 40 до 65% (табл. 12.1).

Таблица 12.1. Химический состав, %, феррониобия (по ГОСТ 16773-85)

В качестве ниобийсодержащих видов сырья используют технический пентаоксид ниобия (табл. 12.2) а также ниобиевые концентраты.

Фактическое содержание контролируемых компонентов технического пентаоксида ниобия, предназначенного для производства легирующих сплавов, следующее:, %: 81,2–99,5 Nb₂O₅; 0,1–1,2 Ta₂O₅; 0,02–1,8 SiO₂; 0,06–0,9 TiO₂; 0,09–3,9 Fe₂O₃; 0,05–0,4 P; 0,03–0,1 C; 0,01–0,2 S; 0,3–2,5 п.п.п. при 600^оС; As £0,02; Pb £0,0006; Sn £0,03.

Таблица 12.2. Химический состав технического пентаоксида ниобия, %

Алюминотермический способ получения феррониобия имеет несколько вариантов: 1) внепечная плавка «на блок»; 2) внепечная плавка с выпуском металла и шлака; 3) плавка в дуговой печи.

Внепечная алюминотермическая плавка «на блок». Этот способ не получил широкого распространения, так как имеет недостатки, основными из которых являются совмещение в одном агрегате восстановительного процесса и кристаллизации металла и шлака, повышенный расход шихтовых и огнеупорных материалов, большие затраты труда на футеровку, разборку плавильных горнов и чистку металла от огнеупоров и шлака. Одноразовое использование плавильного горна при проведении плавки «на блок» связано с перемещением каждого горна с жидкими продуктами плавки от плавильной камеры к участку охлаждения цеха или перемещения вытяжного зонта и бункеров для загрузки шихты к стационарно установленным плавильным агрегатам.

Внепечная плавка с выпуском феррониобия и шлака. Внепечная плавка с выпуском ферросплава и шлака значительно расширила возможности металлотермического способа получения сплавов с высокой температурой плавления, в частности, феррониобия. Выплавку феррониобия марок ФНб60, ФНб58 и др. внепечным способом из технического пентаоксида ниобия проводят в наклоняющемся плавильном агрегате, футерованном магнезитовым кирпичом. Тепла экзотермической реакции достаточно для осуществления процесса. Смешанная шихта из бункера поступает по желобу в плавильный агрегат, установленный на вагонетке. Шихта состоит из 100 кг пентаоксида ниобия, 52–60 кг алюминия, 38–40 кг железных окатышей, 20 кг железной окалины, 30 кг извести и 0,1 кг селитры (NaNO₃). Плавку ведут с нижним запалом при скорости проплавления шихты 160–180 кг/(м²∙мин). Массу промышленной плавки рассчитывают на 1000–1200 кг Nb₂O₅. Слив металла и шлака осуществляется наклоном плавильного агрегата в чугунную нефутерованную изложницу, на дне которой укладывают слиток металлического хрома толщиной 200-220 мм. Расплав охлаждают в изложнице в течение 2,5 ч, затем ее разбирают и после дополнительной выдержки в течение 2 ч металл и шлак отправляют на разделку. На 1 базовую т сплава (50% Nb) расходуется 758 кг пентаоксида ниобия (100% Nb₂O₅); 385 кг алюминиевого порошка; 275 кг железной руды; 86 кг извести; 31 кг магнезитового порошка. По данным А.С. Дубровина отвальные шлаки феррониобия содержат 70–75% Al₂O₃, 9–12% CaO, 3–6% MgO, 0,3–0,5% Nb₂O₅ и являются ценным сырьем для производства глинозема, огнеупоров, цемента и т.д. При кристаллизации шлаков последовательно образуются минеральные фазы MgO×Al₂O₃ (10–15%); CaO×2Al₂O₃ (75–85%; (Ca,K,Na)O×Nb₂O₅(O,F) (0,5–3%). Свойства этого шлака после помола соответствуют свойствам высокоглиноземистых огнеупорных цементов.

Плавка в дуговой печи. При переработке бедных ниобиевых концентратов экономически оправдана электропечная плавка, которая может проводиться по следующим вариантам: 1) проплавление алюминия в электропечи с последующей загрузкой рудно-флюсовой части шихты; 2) расплавление рудно-флюсовой части шихты с последующей загрузкой алюминиевого порошка, в том числе с недостатком (для селективного восстановления части оксидов); 3) расплавление части рудно-флюсовых компонентов шихты с последующим проплавлением оставшейся рудной части в смеси с алюминиевым порошком при отключении печи; 4) одностадийное совместное проплавление смешанной шихты в электропечи для восполнения недостающего для нормального протекания процесса тепла, в том числе с последующей разливкой полученного сплава. Первый способ характеризуется низкой производительностью печи. При этом процессе, особенно в начальный период, взаимодействие оксидов с алюминием не поддается регулированию. Степень извлечения ниобия не превышает 70–80%, потери алюминия в результате угара достигают 30–40%.

Второй способ нашел промышленное применение для селективного восстановления ниобиевых руд, содержащих повышенные концентрации олова (2% SnO₂) и фосфора (0,15% Р₂О₅). В результате плавки получают шлак, содержащий 47% (Nb₂O₅ + Ta₂O₅); 0,03% Sn и 0,04% P₂O₅ и металл, содержащий 2,3% Sn; 0,06% P; 3,3% (Nb+Ta+Zr+Ti). Этот вариант плавки наиболее полно сочетает преимущества алюминотермического восстановления с возможностью использования электроэнергии для интенсификации процесса и плавки шихты, содержащей необходимое количество флюса (извести) для повышения извлечения ниобия. Затем богатый ниобиевый шлак в смеси с известью расплавляется в дуговой печи, в которой содержится расплавленный железный скрап. Товарный сплав содержит 66,2% Nb; 4,9% Ta; 0,02% Sn; 0,03% P; 0,2% Al; 1,0% Si; 2,3%Mn; 0,004% S, конечный шлак – 4,6% (Nb+Ta). Извлечение ниобия в сплав на второй стадии составляет 95,2%; сквозное извлечение на двух стадиях 85%.

Промышленную одностадийную выплавку феррониобия из пирохлоровых концентратов проводят в дуговой сталеплавильной печи типа ДСП-3, футерованной магнезитовым кирпичом. После разогрева ванны под дугами проплавляют железо-термическую смесь, состоящую из 1000 кг необогащенной железной руды, 350 кг вторичного алюминия и 200 кг извести.

В шихту промышленной плавки на 100 кг пирохлорового концентрата входят 28-33 кг вторичного алюминиевого порошка, 3–10 кг железной руды и 5–12 кг железной обсечки. Первую плавку после разогрева и промывки печи ведут при напряжении 140 В. При этом продолжительность проплавления шихты с 1200 кг концентрата составляет 50 мин, вторую – с 1500 кг концентрата – 70 мин, последующую с 1700 кг концентрата – 90 мин. Разъемную чугунную изложницу для приема металла и шлака готовят в процессе предыдущей плавки: на подину изложницы, футерованной магнезитовым кирпичом, сливают часть шлака, который, остывая за время проведения очередной плавки, образует на стенках гарнисаж, необходимый для увеличения стойкости изложницы и получения чистой поверхности слитка. Разработку изложницы проводят через 2,5 ч после выпуска; еще через 2 ч металл и шлак убирают на остывочную площадку для разделки.

Феррониобий имеет следующий химический состав, %: (Nb + Ta) 56–62; Si 10,7–12,5; Al 2-6; Ti 3-8; P 0,10–0,25; C 0,05–0,15; S 0,004–0,5. Для снижения содержания кремния феррониобий после слива отвального шлака и наведения окислительного из ниобиевого концентрата и извести можно продувать кислородом, но это снижает извлечение ниобия.