СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВАНАДИЙСОДЕРЖАЩИХ СПЛАВОВ И ЛИГАТУР
METHOD OF RECEIVING OF VANADIUM-BEARING ALLOYS AND LIGATURES

Изобретение относится к области черной и цветной металлургии, конкретнее к получению ванадийсодержащих сплавов и лигатур из шлаков, шламов, пылей и других соединений ванадия.
Из-за низкого содержания ванадия в рудах технология их переработки представляет сложный технологический процесс, состоящий из сочетания ряда металлургических и химических переделов.
Известен способ получения феррованадия, состоящий из подготовки шихты, в состав которой входят оксиды ванадия, известь, ферросилиций и оборотный шлак, расплавления, восстановления, рафинирования, выпуска готовых продуктов плавки из печи и разливку в изложницы (Рысс М.А. Производство ферросплавов. - М.: Металлургия, 1975, с.281-292).
2
5
Особенность известного способа получения феррованадия состоит в том, что плавка складывается из двух периодов: восстановительного и рафинировочного. В первый период проводят восстановление ванадия из оксидов ванадия в условиях значительного избытка восстановителя - ферросилиция и высокой основности шлака. В результате получаем сплав с содержанием ванадия 25-30%, кремния - 21-23%, углерода - 0,3-0,5% и шлак с содержанием ванадия менее 0,35%, шлак выпускают, охлаждают и отправляют в отвал. Во второй период сплав обогащают ванадием за счет рафинирования его от кремния оксидами ванадия, которые загружают в печь вместе с известью. По достижении концентрации кремния в феррованадии в пределах 9-12% шлак выпускают и отправляют в отвал, а на жидкий феррованадий загружают новую порцию, содержащую смесь оксидов ванадия и извести, и продолжают рафинировать металл до содержания кремния в нем 1,5-2%. Полученный сплавы содержит 40-45% ванадия, 1,2-1,4% марганца, 0,08% фосфора и рафинировочный шлак с содержанием ванадия 6-12%. Его возвращают в электропечь на следующей плавке при проведении первого периода. На одну базовую тонну феррованадия (40% ванадия) расходуется: 710 кг VO (100%), 425 кг ферросилиция, 75 кг алюминия, 1350 кг извести, 300 кг железной обрези и около 1500-1800 кВт·ч электроэнергии.
Недостатками известного способа является:
- высокий расход электроэнергии;
- трудность получения стабильного состава сплава;
- низкая производительность печного агрегата из-за необходимости проведения восстановительного и рафинировочного процессов в одном агрегате.
Известно, что в последние годы для выплавки феррованадия используют непосредственно конверторный шлак, минуя стадию химического выделения из него чистого оксида ванадия.
Ванадиевый шлак представляет собой шлакометаллический конгломерат при соотношении металлической и шлаковой фаз соответственно 30-80% и 20-70%.
2
5
2
3
2
2
3
2
общ
Состав шлаковой фазы: 17-24% VO; 2,5-3,0 СrО; 17-20% SiO; 7-11% МnО; 8-12% АlО; 6-9% TiO; 0,5-2% СаО; 5-8% MgO; 35-49% Fe.
Состав металлической фазы: 3% С; 0,02-0,06% V; следы других элементов, основа - Fe.
Известен способ получения ферросплава, включающий завалку шихты, расплавление ванадийсодержащей шихты вместе с восстановителем в электропечи и выпуск расплавов в ковш. С целью снижения вредных примесей в сплаве перед завалкой шихты в электропечь нагретую до 1200-1700°С вводят сульфаты щелочных и щелочноземельных металлов, затем их покрывают коксом при определенном весовом соотношении (Авторское свид-во СССР №589273, кл. C22С 33/04, приоритет от 1.09.1976, опубл. 18.01.78).
Недостатками способа являются:
- низкая производительность электропечного агрегата;
- высокий расход электроэнергии;
- значительные потери ванадия со шлаком;
- ухудшение экологической обстановки.
Известен способ получения феррованадия, состоящий из подготовки ванадийсодержащего расплава в электропечи, выпуск его в ковш при температуре 1400-1550 С и подачу в ковш извести, железа и жидкого ферросилиция (Авторское свид-во СССР №258348, кл. С22С 38/12, заявлено 16.07.76, опубл. 25.12.77).
Недостатками способа являются:
- необходимость иметь еще одну электропечь для получения жидкого ферросилиция;
- нестабильный тепловой баланс плавки;
- трудность регулирования состава феррованадия в ковше.
Наиболее близким по технической сущности, приемам и достигаемому эффекту является способ переработки сырья, содержащего цветные металлы и железо (Патент РФ №2194781, приоритет от 28.11.2000, опубл. 20.12.2002, бюллетень №35). Он принят нами в качестве прототипа.
Способ включает подачу в окислительную зону двухзонной печи на шлаковый расплав шихты, состоящей из исходного рудного сырья, флюсов, углеродосодержащего материала и кислородосодержащего дутья, расплавления шихты с получением расплава, который поступает в восстановительную зону, куда подают дополнительно углеродосодержащий материал в кислородосодержащем дутье, причем количество углеродосодержащего материала и кислородосодержащего дутья в окислительную зону дают ровно столько, чтобы углерод угля сгорел полностью, а его количество в восстановительной зоне поддерживают, чтобы полностью перевести оксиды ванадия в металлическую фазу и компенсировать потери тепла. При этом отношение удельного расхода углеродосодержащего материала на тонну извлекаемого металла в окислительной и восстановительной зонах поддерживают в пределах 0,3-2,5, а отношение удельных расходов кислорода в этих зонах в пределах 0,7-3,0.
Недостатками известного способа являются:
- невозможность его использования для сырья, содержащего в большом количестве металлофазу, например, конверторные шлаки;
- низкая производительность агрегата;
- высокая концентрация железа (окисного и металлического) в расплаве.
Целью настоящего изобретения являются:
- повышение концентрации ванадия в сплаве при получении его из ванадиевых шлаков;
- снижение энергозатрат;
- повышение производительности;
- улучшение экологической обстановки.
Поставленная цель достигается тем, что:
- в окислительной зоне печи отплавляются металловключения, присутствующие в ванадиевом шлаке и отделяются от шлакового расплава;
- металл периодически или непрерывно выпускается из окислительной зоны;
- в качестве восстановителя используют кремнийсодержащий материал, в состав которого могут входить: алюминий в количестве 2-15% и примеси - магний, кальций и другие металлы, термодинамическая прочность которых выше, чем у двуокиси кремния;
- кремнийсодержащий сплав взят в количестве на 2-50% больше стехиометрически необходимого на восстановление оксидов ванадия
В основе предлагаемого способа лежат следующие процессы:
2
2
2
3
2
2
5
- в окислительной зоне: С+2О=2СО+Q; VO+О=VO;
2
5
2
- в восстановительной зоне: 2/4VO+Si=4/5V+SiO.
2
5
2
В присутствии окиси кальция последняя реакция принимает вид: 2/5VO+Si+2CaO=4/5V+2CaO*SiO.
В качестве углеродосодержащего материала используется угли, кислородосодержащего дутья - воздух, обогащенный кислородом, а восстановителя - ферросилиций с содержанием кремния не менее 65%.
Количество кремнийсодержащего материала взято из расчета обеспечения полного восстановления оксидов ванадия из расплава и некоторого его конечного содержания в феррованадии (по требованию Заказчика). При его содержании в шихте менее 2% снижается извлечение ванадия, а при введении его в пределах от 2 до 50% достигается не только полное восстановление оксидов ванадия, но и получение кремнийванадиевой лигатуры, более высокая концентрация кремнийсодержащего материала (более 50%) экономически не оправдана.
Введение в состав шихты некоторого количества алюминия обеспечивает улучшение кинетических и термодинамических условий восстановления оксидов и получение шлака с пониженной вязкостью.
Ниже приведены примеры осуществления изобретения, не исключающие других в объеме формулы изобретения.
Пример 1.
Шихту, состоящую из 1000 кг конверторного шлака и 400 кг извести, тщательно перемешивали и порционно загружали в разогретую до 1350°C печь (окислительная зона). Дальнейший разогрев шихты производили за счет сжигания угля в токе воздуха, обогащенного кислородом. По достижении температуры в окислительной зоне 1650°C, не прерывая загрузку шихты, открыли легочное отверстие и выпустили металл, скопившийся на подине печи. После закрытия летки накопившийся расплав начал переходить в восстановительную зону, куда непрерывно с определенной скоростью загружали ферросилиций марки ФС75 (170 кг) и известь (400 кг). Печь проработала в течение 3-х часов. Проплавлено 1000 кг конверторного шлака, 170 кг ферросилиция и 800 кг извести. Получено чугуна 155 кг (из окислительной зоны) и феррованадия 320-350 (из восстановительной зоны). В таблице 1 представлены результаты химического анализа проб металла восстановительной зоны, взятых в течение проведения экспериментов.
Таблица 1
№ опыта
Состав шихты окислительной зоны, кг
Состав шихты восстановительной зоны, кг
Состав металла восстановительной зоны, вес.%
Примечание
шлак
известь
ФС75
известь
ванадий
марганец
хром
кремний
1
100
40
15
30
23,5
10,7
2,0
0,5
В опыте 1 содержание ФС75 в шихте меньше 2% стехиометрии
2
100
50
17
30
24,1
9,9
1,9
2,0
3
100
50
17
30
24,0
9,6
1,9
1,9
4
100
50
20
30
24,4
9,0
1,7
3,5
5
100
60
22
30
24,0
8,3
1,4
5,6
6
100
60
24
30
23,6
7,7
1,2
8,3
7
100
70
26
30
22,6
7,1
0,9
9,8
Феррованадий, полученный по известной технологии с использованием того же шлака, имел состав, %: ванадий - 18-18,6, марганец - 5-6,4, кремний - 7,5-8,6, хром - 2,9, титан - 0,14-0,65, алюминий - 0,3-0,5.
Состав металла, выпущенного из окислительной зоны, %: ванадий - 0,02, углерод - 2,73, марганец - 0,34, хром - 0,13, железо - остальное.
Проведенные опыты показали, что предлагаемая технология позволяет повысить концентрацию ванадия в феррованадии на 5-7%, при этом извлечение ванадия в сплав составляло 85-89%.
Пример 2.
2
3
Опыты проводили по той же методике; в шихте заменяли частично ферросилиций на алюминий; в некоторых опытах с целью получения марганецванадиевой лигатуры в шихту вводили отвальный шлак металлического марганца состава, %: МnО - 22,6; СаО - 42,1; SiO2 - 33,6; MgO - 4,4; АlО - 2,2.
Результаты опытов представлены в таблице 2.
Таблица 2
№ опыта
Состав шихты окислительной зоны, кг
Состав шихты восстановительной зоны, кг
Состав металла восстановительной зоны, вес.%
Примечание
шлак
известь
ФС 75
известь
Аl
Мn шлак
ванадий
марганец
хром
кремний
8
100
50
16
30
3
-
24,6
9,8
1,8
1,8
9
100
50
14
30
5
25,1
9,8
1,8
1,4
10
100
50
5
30
18
25,3
9,3
1,7
0,9
11
100
50
17
30
-
20
20,2
15,2
1,1
0,9
12
100
50
17
30
-
30
18,6
20,4
0,9
1,0
13
100
50
20
30
-
30
18,4
25,7
0,6
1,2
14
100
50
20
30
-
40
15,3
32,4
0,4
1,4
Состав металла окислительной зоны не изменился. Анализ проведенных опытов показал, что введение отвальных шлаков, в частности шлаков металлического марганца, позволяет получать марганецванадиевые лигатуры заданного состава с практически полным восстановлением марганца и ванадия.
Предлагаемое изобретение может быть реализовано на металлургических предприятиях, где производятся конверторные ванадийсодержащие шлаки, имеются отходы в виде пылей от печей и конверторов, например Нижнетагильском металлургическом комбинате.
Предлагаемая технология передела ванадийсодержащих шлаков характеризуется отсутствием ядовитых веществ в отходящих газах, высоким уровнем механизации и автоматизации; осуществляется с помощью высокоэффективного оборудования и контрольно-измерительной аппаратуры.
Изобретение может быть использовано и для переработки других металлосодержащих отходов, в частности, от производства никеля, хрома, марганца, добавляемых в основную шихту окислительного и/или восстановительного периода плавки.
Экономический эффект от внедрения изобретения слагается из экономии энергоресурсов, увеличения производительности печи и упрощения технологии и сокращения расходов за экологически вредные выбросы.