Способ получения феррованадия

 

Изобретение относится к области металлургии, к производству ферросплавов. Сущность способа заключается в том, что феррованадий получают силикоалюминотермическим методом, при котором перемешивание и доводку шлака осуществляют одновременно доводочной смесью, содержащей баритовый концентрат в количестве 6-20 кг/т шлака при температуре 1750-1900^oC. Предлагаемый способ позволяет повысить производительность процесса в среднем на 23%, снизить концентрацию фосфора в сплаве в среднем в 2 раза, что существенно повышает его качество и получить нерассыпающийся шлак, пригодный для использования в строительной индустрии в качестве щебня при изготовлении бетонных смесей. 1 табл.

Изобретение относится к области металлургии, к производству ферросплавов.

Известны три способа получения феррованадия: углетермический, силикоалюмотермический и алюмотермический.

Углетермический способ не получил широкого распространения в виду высокого содержания (4-6%) углерода в сплаве, который не может использоваться при выплавке большинства марок сталей и сплавов, легированных ванадием [1].

Алюмотермический способ получения феррованадия распространен достаточно широко. Однако, для своего осуществления требует сложной подготовки шихты и чистых в отношении вредных примесей шихтовых материалов. Кроме того, в сплав переходит большое количество алюминия, что требует проведения дополнительной операции рафинирования [1].

Известен силикоалюминотермический способ получения феррованадия, который наиболее близок к предлагаемому по технической сущности [1].

Способ включает заправку печи, загрузку металлоотсева, заливку рафинировочного шлака предыдущей плавки, восстановительный и рафинировочный периоды и выпуск продуктов плавки. Восстановительный период складывается из двух частей, идентичных как по составу шихты, так и по количеству операций и приемам их выполнения. Первая часть восстановительного периода включает загрузку, плавление и восстановление технической пятиокиси ванадия кремнием ферросилиция в присутствии извести, перемешивание расплава сжатым воздухом или вводом в расплав деревянных "баклуш", доводку шлака кремнием ферросилиция и алюминием в присутствии извести и слив бедного по ванадию шлака.

Металл первого восстановительного периода содержит 25-30% ванадия, 20-25% кремния и 0,06-0,08% фосфора. Продолжительность периода около 1,5 ч.

Вторая часть восстановительного периода включает загрузку, плавление и восстановление технической пятиокиси ванадия кремнием ферросилиция в присутствии извести, перемешивание расплава, доводку шлака кремнием ферросилиция и алюминием в присутствии извести и слив бедного по ванадию шлака.

Металл второго восстановительного периода содержит 35-40% ванадия, 9-12% кремния и 0,07-0,09% фосфора. Продолжительность периода около 1 ч.

После слива шлака второго восстановительного периода сплав рафинируют технической пятиокисью ванадия в присутствии извести, после чего производят выпуск шлака и металла.

Металл рафинировачного периода содержит около 50% ванадия, около 2% кремния и 0,09-0,10% фосфора. Продолжительность периода около 1 ч.

Известный способ, основанный на восстановительных реакциях, не обеспечивает получения низких концентраций фосфора в сплаве, что снижает его качество и ограничивает или не позволяет использовать для выплавки высоколегированных ванадием сталей и сплавов.

В то же время, способ характеризуется многооперационностью, в силу чего переход от одной операции к другой и выполнение самих операций требует определенных затрат времени, сопровождается значительными трудозатратами и приводит к снижению производительности процесса.

Кроме того, получающиеся отвальные шлаки восстановительного периода при охлаждении подвергаются силикатному расплаву с образованием мелкодисперсной пыли, содержащей до 0,35% опасного для здоровья и окружающей среды пентоксида ванадия.

Целью изобретения является повышение качества сплава, увеличение производительности процесса и получения нерассыпающегося отвального шлака.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе получения феррованадия силикоалюминотермическим процессом, включающим заправку печи, загрузку металлодобавок, заливку рафинировочного шлака предыдущей плавки, их плавление, загрузку смеси технической пятиокиси ванадия, ферросилиция и флюса, ее плавление и восстановление, перемешивание расплава, доводку шлака доводочной смесью, состоящей из ферросилиция, алюминия и извести, слив отвального шлака, загрузку новой порции смеси, плавление и восстановление, перемешивание расплава, доводку шлака доводочной смесью, слив отвального шлака, рафинирование металла от кремния смесью технической пятиокиси ванадия и флюса и выпуск продуктов плавки, отличающийся тем, что перемешивание и доводка шлака осуществляются одновременно доводочной смесью, содержащей баритовый концентрат в количестве 6-20 кг/т шлака при температуре 1750-1900^oC.

Количество баритового концентрата и последовательность приемов выполнения операций определены на основании экспериментальных данных и обусловлены возможным содержанием бария в материале.

Кроме баритового концентрата, могут использоваться и другие барийсодержащие материалы, например баритовая руда, азотнокислый барий, углекислый барий и другие с содержанием бария 30-80%.

Введение баритового концентрата позволяет совместить операции перемешивания и доводки и тем самым сократить продолжительность плавки, провести дефосфорацию металла и получить после охлаждения нерассыпающийся отвальный шлак, пригодный для использования в строительной индустрии и цементной промышленности.

Наличие баритового концентрата, состоящего в основном из сернокислого бария, в составе доводочной смеси обеспечивает интенсивный и длительный кип ванны в результате разложения 2BaSO₄ -> 2BaO + 2SO₂ + O₂ - 700,4 ккал и выделения около 0,2 м³/кг газообразных продуктов реакции.

Интенсивное кипение ванны способствует более быстрому растворению материалов доводки и активизации экзотермических восстановительных процессов, в результате чего не происходит снижение температуры ванны, вследствие эндотермических процессов разложения баритового концентрата и обеспечиваются низкие концентрации пентоксида ванадия в шлаке в более короткое время.

В процессе доводки, наряду с ванадием, частично восстанавливается и барий, который взаимодействует с поверхностно-активным в ванадиевых сплавах фосфором 3Ba + 2 P = Ba₃P₂ ΔH^°₂₉₈= -118 ккал/моль образует нерастворимые в сплаве термодинамически прочные фосфиды бария.

Кипение ванны способствует более полной деформации металла и переходу фосфида бария в шлаковую фазу.

Одновременно, введение баритового концентрата позволяет стабилизировать высокотемпературную γ-форму двухканального силиката отвальных шлаков. Механизм стабилизации состоит в замещении при высоких температурах ионом бария, вследствие большего его размера (1,37 ), ионов кальция (1,06 ) в высокотемпературных модификациях двухкальциевого силиката.

Из опытных данных установлено, что в зависимости от количества введенной добавки минеральный состав отвального шлака может быть представлен минералами группы α-модификации двухкальциевого силиката, а также бредигитом и мервинитом. Бредигит и мервинит являются термодинамически устойчивыми фазами, имеют мелкокристаллическую структуру и их образование предпочтительно.

Пример. Испытание способа проводили в электродуговой печи ДС-6H с магнезитовой футеровкой. В заправленную магнезитовым порошком печь загрузили металлодобавки - металлоотсев, залили рафинировочный шлак и включили ток. После расплавления металлоотсева и прогрева ванны загрузили основную часть шихты, состоящую из технической пятиокиси ванадия, ферросилиция и флюса. Для снижения износа футеровки в качестве флюса использовали известь с добавлением обоженного доломита в количестве, обеспечивающем содержание оксида магния в шлаке 6-12%. С той же целью вместо обоженного доломита можно использовать и другие магнийсодержащие материалы.

После проплавления шихты и восстановления ванадия провели доводку шлака с целью получения в нем низких концентраций пентоксида ванадия доводочной смесью, состоящей из ферросилиция, алюминия, извести и баритового концентрата. Обедненный по ванадию шлак слили и на поверхность расплава загрузили новую порцию шихты и после расплавления и восстановления ванадия провели доводку шлака доводочной смесью, после чего шлак слили.

После слива шлака на поверхность расплава загрузили рафинировочную смесь, состоящую из технической пятиокиси ванадия и флюса (известь и обоженный доломит). По достижении в сплаве кремния, отвечающего требованиям потребителя, производили выпуск плавки. По ходу плавки проводили замеры температуры.

Показатели плавки приведены в таблице.

Как видно из табличных данных по предлагаемому способу, совмещение операций перемешивания и доводки сокращает продолжительность плавки, в результате чего производительность повышается в среднем на 23%, концентрация фосфора в сплаве снижается в среднем в 2 раза, что существенно повышает качество сплава и возможность его более широкого применения. Шлак после остывания не рассыпается. При складировании на шлаковом отвале с целью выяснения устойчивости к распаду в атмосферных условиях признаков рассыпания не обнаружено.

Проведенные испытания показали, что щебень из дробленного шлака отвечает требованиям использования его при изготовлении бетонных смесей. Кроме того, молотый стабилизированный барием отвальный шлак обладает вяжущими свойствами, что указывает на целесообразность его использования в производстве цемента для ядерной энергетики.

Оптимальное количество баритового концентрата, обеспечивающего лучшие показатели, составляет 6-20 кг/т отвального шлака.

Присадка баритового концентрата в количестве менее 6 кг/т не обеспечивает получения нерассыпающегося шлака. Перемешивание расплава недостаточно, что увеличивает продолжительность доводки и ухудшает качество сплава.

Присадка баритового концентрата в количестве более 20 кг/т обеспечивает получение нерассыпающегося стабилизированного шлака, но приводит к образованию вязкого, трудноперемешиваемого шлакового сплава вследствие образования большого количества тугоплавкого двухбариевого силиката. Это приводит к увеличению продолжительности доводки и ухудшению качества сплава.

Оптимальная температура проведения доводки составляет 1750-1900^oC.

При температуре ниже 1750^oC шлак вязкий, нежидкоподвижный, перемешивание расплава затруднено, ухудшается кинетика процесса, что увеличивает продолжительность доводки и ухудшает качество сплава.

При температуре выше 1900^oC вследствие ухудшения термодинамических условий замедляется развитие экзотермических восстановительных реакций, что требует принятия определенных мер по снижению температуры расплава. Это приводит к увеличению продолжительности доводки и плавки в целом.

Эффект от использования предлагаемого изобретения складывается за счет повышения качества и реализации феррованадия по более высокой цене, увеличения производительности процесса и связанной с этим экономии энергоресурсов и материалов, а также реализации дробленного шлака как товарного продукта и снижения затрат на охрану окружающей среды.

Источники информации 1. М.А.Рысс. Производство ферросплавов. - М.: 1985, с. 300-303.

Формула изобретения

Способ получения феррованадия силикоалюминотермическим методом, включающий заправку печи, загрузку металлодобавок, заливку рафинировочного шлака предыдущей плавки, их плавление, загрузку смеси технической пятиокиси ванадия, ферросилиция и флюса, ее плавление и восстановление, перемешивание расплава, доводку шлака доводочной смесью, состоящей из ферросилиция, алюминия и извести, слив отвального шлака, загрузку новой порции смеси, ее плавление и восстановление, перемешивание расплава, доводку шлака доводочной смесью, слив отвального шлака, рафинирование металла от кремния смесью технической пятиокиси ванадия и флюса и выпуск продуктов плавки, отличающийся тем, что перемешивание и доводку шлака осуществляют одновременно при температуре 1750-1900^oC доводочной смесью, дополнительно содержащей баритовый концентрат в количестве 6-20 кг/т шлака.

РИСУНКИ

Рисунок 1