шихта и электропечной алюминотермический способ получения ферробора с ее использованием

Формула изобретения

1. Шихта для электропечного алюминотермического получения ферробора, содержащая ангидрид борный, железосодержащий компонент, известь обожженную, порошок алюминия, отличающаяся тем, что она дополнительно содержит концентрат плавиковошпатовый и соль поваренную выварочную без примесей, а железосодержащий компонент в виде окалины железной с содержанием меди не более 0,05% при следующем соотношении компонентов, мас.%:

ангидрид борный	27,3-28,1
окалина железная с содержанием меди не более 0,05%	34,4-35,3
известь обожженная с содержанием углерода не более 0,3%	4,8-6,4
порошок первичного алюминия	29,2-30,8
плавиковошпатовый концентрат	0,8-1,0
соль поваренная выварочная без примесей	0,8-1,0

2. Способ электропечного алюминотермического получения ферробора, включающий подготовку, загрузку и последовательное проплавление в плавильном агрегате запальной, основной и осадительной частей шихты по п.1, при этом в качестве плавильного агрегата используют наклоняющийся горн с периклазовой футеровкой, причем начальное наплавление расплава осуществляют путем зажигания запальной части шихты, включающей окалину железную с содержанием меди не более 0,05% в количестве 9,6-12 мас.% от общей навески окалины, порошок первичного алюминия по стехиометрии и известь обожженную с содержанием углерода не более 0,3% в количестве 15-26 мас.% от общей навески извести, затем зажигают электрические дуги и при токовой нагрузке 3-5 кА в течение 25-40 мин по мере проплавления проводят порционную загрузку основной части шихты, включающей ангидрид борный, концентрат плавиковошпатовый, соль поваренную выварочную без примесей - все навески, окалину железную с содержанием меди не более 0,05% в количестве 16-20 мас.% от общей навески окалины, порошок первичного алюминия по стехиометрии и известь обожженную в количестве 36-52 мас.% от общей навески извести, а после проплавления основной части шихты и отключения электрических дуг в горн загружают и проплавляют осадительную часть шихты, включающую оставшиеся навески окалины железной, порошка первичного алюминия и извести обожженной, причем по окончании плавки расплав выдерживают в течение 5-10 мин в горне до полного осаждения капель металла, после чего в шлаковую чашу на высоту 200-250 мм сливают часть шлака, наводят шлаковый гарнисаж на стенки шлаковни, в которую сливают оставшийся расплав для окончательной кристаллизации продуктов плавки, полученный блок ферробора извлекают из шлаковни и очищают от шлака.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению ферробора с повышенным содержанием бора (марки ФБ20, ФБ17) и низким содержанием кремния, серы, меди и фосфора, предназначенного для легирования стали, сплавов и чугуна, а также для изготовления покрытий сварочных электродов и наплавочных смесей.

Из уровня техники (Рысс М.А. Производство ферросплавов. - М.: Металлургия, 1975, С.312-314.) известна шихта для получения электропечным способом ферробора металлотермическим восстановлением бора из борного ангидрида алюминием «на блок».

Исходная шихта из ангидрида борного используется при следующем соотношении, мас.%: ангидрид борный 23,6; железная руда 47,3; известь 5,8; алюминий 23,3. Данная шихта позволяет получать ферробор следующего химического состава, мас.%: бор 15-22; кремний 2-3; алюминий 3-6; углерод 0,03-0,20; фосфор и сера 0,01-0,02.

Содержание в шлаке, мас.%: B₂O₃ 6; Al₂O₃ 68; СаО 12; FeO 3; MgO ~10; SiO ₂ до 1. Извлечение бора около 61%. Расход электроэнергии до 390 кВт·час на базовую (5% В) тонну.

Недостатком данной шихты являюеся получение в сплаве высокого содержания кремния и алюминия.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является шихта (Лякишев Н.П., Плинер Ю.Л., Лаппо С.И. Борсодержащие стали и сплавы. - М.: Металлургия, 1986, С.44-46.) для получения ферробора металлотермическим способом, компоненты которой взяты в следующем соотношении, мас.%: ангидрид борный 30,6; железная руда 31,8; известь 8,9; алюминий 28,7 (из расчета материального баланса плавки).

Известная шихта позволяет получать ферробор следующего химического состава, мас.%: бор 23,01; кремний 1,32; алюминий 2,5; углерод 0,037; фосфор 0,015; медь 0,027; железо 72,8. Содержание в шлаке, мас.%: B₂O₃ 7,3-9,7; SiO₂ 1,1-1,5; FeO 3,1-3,8. Извлечение бора в сплав 61,7%.

Данная шихта имеет следующие недостатки: для получения ферробора используется железная руда, являющаяся основным источником загрязнения сплава кремнием и фосфором.

Опыт использования известных составов шихты выявил ряд негативных отклонений от технологического процесса при производстве ферробора. Например, сложности в части обеспечения устойчивого необходимого критического уровня ее термичности, получение ферробора производится с относительно низким выходом высших марок ферробора по содержанию кремния, серы, фосфора и углерода.

Предлагаемое изобретение направлено на получение кондиционного по химическому составу ферробора при использовании ангидрида борного, окалины железной, порошка алюминия, извести обожженной, концентрата плавиковошпатового и соли поваренной выварочной.

Задачей изобретения является создание состава шихты, обеспечивающей стабильный безопасный технологический процесс получения высококачественного ферробора (с низким содержанием кремния, углерода, фосфора), и достижение высокого извлечения бора в сплав без необходимости переработки металлоотходов.

Поставленная задача достигается тем, что известный состав шихты, содержащий ангидрид борный, алюминий, железосодержащий компонент, известь обожженную, дополнительно содержит концентрат плавиковошпатовый и соль поваренную выварочную, а компоненты шихты взяты при следующем качественном и количественном соотношении, мас.%: ангидрид борный - 27,3-28,1; окалина железная с содержанием меди не более 0,05% - 34,4-35,3; известь обожженная с содержанием углерода не более 0,3% - 4,8-6,4; порошок первичного алюминия - 29,2-30,8; концентрат плавикошпатовый - 0,8-1,0; соль поваренная выворочная без примесей - 0,8-1,0.

Сущность предлагаемого изобретения заключается в том, что заявленный качественный и количественный состав компонентов шихты позволяет решать поставленную задачу, а отклонения от указанных пределов от их концентрации приводят к нарушению теплового режима плавки, ухудшению качества и технико-экономических показателей процесса получения конечной продукции.

При содержании ангидрида борного ниже 27,3% увеличивается концентрация алюминия в металле, что ухудшает марочность. При содержании ангидрида борного выше 28,1% увеличивается остаточное содержание B₂O₃ в шлаке и снижается извлечение бора в сплав.

При содержании окалины железной ниже 34,4% снижается термичность шихты. В результате снижается извлечение бора в металл. При содержании окалины железной выше 35,3% возрастает термичность шихты, что приводит к «горячему» ходу плавки и разбросу шихты, увеличивается скорость проплавления шихты и количество пылеуноса шихтовых материалов, а также понижается содержание бора в сплаве.

При содержании порошка первичного алюминия ниже 29,2% снижается термичность шихты, ход плавки становится «холодным», понижается содержание бора в сплаве и повышается остаточное содержание оксида бора в шлаке, в результате снижается извлечение бора в металл. При содержании порошка первичного алюминия выше 30,8% увеличивается содержание алюминия в сплаве, увеличивается термичность шихты, что приводит к «горячему» ходу плавки и разбросу шихты, увеличивается скорость проплавления шихты и количество пылеуноса шихтовых материалов.

При содержании извести обожженной ниже 4,8% ухудшаются условия связывания образующегося глинозема и затрудняются условия восстановления бора алюминием. Возрастает температура плавления шлака и снижается извлечение бора в блок металла. При содержании извести обожженной более 6,4% шлак получается более легкоплавкий, жидкоподвижный и возрастает аварийность при выплавке.

Концентрат плавиковошпатовый введен для образования флюса на основе оксидов CaO-CaF₂-Al ₂O₃, аккумулирующего кремнезем и серу, а также для снижения температуры плавления шлака, что облегчает осаждение капель ферробора.

При содержании концентрата плавиковошпатового менее 0,8% возрастает температура плавления шлака, что приводит к неполному осаждению капель металла из шлака, ухудшается рафинирующее влияние шлака на химический состав металла. При содержании концентрата плавиковошпатового более 1,0% снижается извлечение бора в металл за счет угара алюминия кислородом воздуха и шлак получается более легкоплавкий, что может увеличить аварийность при выплавке.

Соль поваренная выварочная введена для улучшения физических свойств шлака и получения плотного чистого слитка металла и для обеспечения улучшенного разделения продуктов плавки и уменьшения потерь металла при чистке слитка металла.

При содержании соли поваренной выварочной менее 0,8% металл получается менее плотный с газовыми полостями, шлак получается более тугоплавкий, ухудшается разделение фаз на границе шлак-металл, что приводит к увеличению потерь при чистке металла, и снижается извлечение бора в сплав. При содержании соли поваренной выварочной более 1,0% качественные показатели металла и шлака не улучшаются, но расход соли поваренной выварочной увеличивается неоправданно.

Состав шихты используется для получения ферробора электропечным алюминотермическим способом.

Из уровня техники известен способ получения ферробора повышенной чистоты для производства магнитных сплавов типа Nd-Fe-B (RU 2242529 С2, 2002 г.), включающий перемешивание борсодержащего материала с алюминиевым порошком и внепечное восстановление реакционной смеси в кокиле. При этом перед перемешиванием с порошком алюминия борсодержащий материал обжигают на воздухе при температуре 300-500°C в течение 3 часов, а в качестве борсодержащего материала используют смесь борной кислоты с порошковым оксидом железа в соотношении 1:1. В данном изобретении процесс обжига необходим для разложения борной кислоты до ангидрида борного (В₂О₃ ), исходя из сущности алюминотермического восстановления. После этого в обожженную смесь добавляют порошковый алюминий. Расчет количества алюминия ведется по известной методике определения процентного содержания алюминия, необходимого для восстановления металлов из оксидов. Прокаленную смесь смешивают с алюминиевым порошком, загружают в кокили и нагревают до 300°C. Затем смесь сжигают внепечным способом с верхним запалом, при этом порошкообразная шихта находится под слоем расплава. После остывания кокилей производят выбивку слитков ферробора. Масса исходной смеси 8 кг, масса слитка 1,6 кг. Химический состав металла, мас.%: В - 11,7, Al<2,2, Si<l,5, С<0,1, Mn+Cr<0,5.

Недостатками этого способа являются: необходимость наличия дополнительного агрегата для обжига борсодержащего материала с поддержанием определенного интервала температур и времени нагрева смеси; низкое содержание бора и повышенное содержание примесей в сплаве; малые объемы плавки, что ограничивает производительность.

Известен способ (Плинер Ю.Л., Игнатенко Г.Ф. Восстановление окислов металлов алюминем. - М.: Металлургия, 1967, С.195-197) алюминотермического получения ферробора электропечной плавкой из боратовой и железной руд с использованием железотермитного осадителя. В шихту плавки входят следующие компоненты:

1) запальная часть, состоящая из обожженной боратовой руды, окалины железной и вторичного алюминия (7-10% от общей массы шихты);

2) основная шихта, состоящая из обожженной боратовой руды и вторичного алюминия (70% от общей массы шихты);

3) железотермитный осадитель, содержащий окалину железную и вторичный алюминий (20-23% от общей массы шихты).

Плавка ведется «на блок» в плавильном тигле (или горне), футерованном электродной массой и установленном на футерованном поддоне. Стенки тигля в нижней части по уровню металлического слитка выкладывают магнезитовым кирпичом. Процесс ведут с двумя выпусками шлака, для чего основную часть шихты и железотермитный осадитель делят на две равные части. Плавка начинается с проплавления запальной части шихты, затем на образующемся шлаке зажигают дуги и проплавляют первую половину основной шихты, после чего при включенной печи проплавляют первую половину осадителя. При отключенной печи через шлаковую летку выпускают шлак, заделывают летку и проплавляют остальную навеску шихты, после чего вновь сливают шлак и охлаждают плавку в тигле (горне).

Сплав промышленной выплавки имеет следующий химический состав, мас.%: 11-12 В; 5-7 Si; 4 Al. Сквозное извлечение бора (с учетом потерь при обжиге) составляет 50%.

Недостатками известного способа являются: во-первых, сложность технологической схемы скачивания шлака с последующей заделкой летки; во-вторых, при проплавлении шихты возможны набросы ее на угольные стенки и науглероживание сплава; в- третьих, при проплавлении осадителя при включенной печи высока вероятность науглероживания восстанавливающихся железа и бора; в-четвертых, низкое содержание бора и большое содержание примесей (Al, Si, С); в-пятых, требуется необходимость обжига боратовой руды перед плавкой.

Также известен способ (Лякишев Н.П., Плинер Ю.Л., Лаппо С.И. Борсодержащие стали и сплавы. - М.: Металлургия, 1986. С.38-46) алюминотермического получения ферробора с повышенным содержанием бора (марки ФБ20 и ФБ17) электропечной плавкой ферробора, получаемого из ангидрида борного. Плавку осуществляют «на блок» в трехфазной электропечи мощностью 1000 кВА с выдвижной ванной, футерованной электродной массой и установленной на футерованном поддоне. Стенки плавильного агрегата полностью выкладывают магнезитовым кирпичом для уменьшения содержания углерода в металле. Шихта состоит из запальной (I), основной (II) и осадительной (III) частей. Процесс ведут с двумя выпусками шлака, для чего основную часть шихты и железотермитный осадитель делят на две равные части. Плавку начинают с проплавления запальной части шихты, затем на образующемся шлаке зажигают дуги и после набора нагрузки вводят в печь порциями первую половину основной части шихты и по окончании ее проплавления при включенной печи задают первую половину осадительной части. Для более полного осаждения капель металла из шлака расплав выдерживают ~10 минут, затем шлак сливают, закрывают летку и проплавляют вторую половину основной и осадительной частей шихты. По окончании процесса ванну выкатывают из-под электродов и охлаждают вместе с продуктами плавки до полной кристаллизации сплава. Предварительный нагрев ванны печи газом до 800°C позволяет повысить извлечение бора на 3-5%.

Недостатками известного способа являются: сложность технологической схемы скачивания шлака с последующей заделкой летки; при проплавлении осадителя при включенной печи высока вероятность науглероживания восстанавливающихся железа и бора;

Наиболее близким, по технической сущности, является способ алюминотермического получения ферробора марок ФБ0 (ФБ20) и ФБ1 (ФБ17) в ванне электропечи «на блок» с использованием ангидрида борного и порошка первичного алюминия (Рысс М.А. Производство ферросплавов. М. Металлургия, 1975, С.312-314). Ферробор выплавляют в печи с набивной футеровкой из электродной массы (толщиной 150-180 мм); металлоприемник выкладывают из магнезитового кирпича с засыпкой подины сухим магнезитовым порошком. Ванна печи сменная и помещена на выкатывающейся тележке. Рабочее напряжение 82 В, ток 7230 А, удельная объемная мощность 570 кВА/мм³ . Шихту загружают в печь шнековым питателем.

После проплавления запальной части шихты включают печь и проплавляют основную шихту и затем расплав выдерживается 10-15 минут.

После этого печь отключают и дают осадительную железотермитную смесь и через 4-5 мин выпускают основное количество шлака, а оставшийся расплав оставляют до полного застывания. Застывший блок сплава и остатки шлака разделывают, сплав чистят и упаковывают в тару.

В результате плавки получают 1000 кг ферробора следующего химического состава, мас.%: бор 15-22; кремний 2-3; алюминий 3-6; углерод 0,03-0,20; фосфор и сера 0,01-0,02. Содержание в шлаке, мас.%: B₂O₃ 6; Al₂O ₃ 68; СаО 12; FeO 3; MgO ~10; SiO₂ до 1. Извлечение бора около 61%.

Недостатками способа являются: низкое извлечение бора; повышенное содержание углерода вследствие контакта восстанавливаемых железа и бора с угольной футеровкой ванны печи; привар футеровочных материалов с подины ванны к блоку металла и последующие потери металла при чистке слитка.

Известные промышленные способы имеют общие недостатки: например, сложности в части гарантированного обеспечения устойчивого необходимого критического уровня ее термичности, скорости проплавления, определяющих степень извлечения бора в сплав; склонность к возгону оксидов бора и к выбросам горящей шихты и расплавленных продуктов плавки; большие потери тепла аккумуляцией футеровкой печного агрегата (тигля, ванны, горна) и повышенный расход футеровочных материалов при разовом использовании печного агрегата.

Предлагаемое изобретение направлено на получение электропечным алюминотермическим способом ферробора, кондиционного по химическому составу, при использовании ангидрида борного.

Задачей изобретения является создание простого надежного способа получения высококачественного ферробора, обеспечивающего высокий выход высших марок ферробора в соответствии с требованиями ГОСТ 14848-69.

Поставленная задача достигается тем, что для улучшения технологического процесса при получении ферробора используют электропечной алюминотермический способ восстановления железа и бора из оксидов, используя шихту с достаточно необходимой термичностью, чем оптимизируют устойчивость термодинамических и кинетических условий процессов окисления алюминия и восстановления металлов из оксидов, снижая и повышая их активность, соответственно в металлическом и шлаковом расплавах. Также стенки и подину плавильного горна футеруют периклазовым кирпичом, чем исключают контакт образующегося металла с углеродсодержащими материалами и снижают вероятность просачивания образующегося сплава в футеровку горна.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в отличие от известного способа получения ферробора, включая подготовку, загрузку и проплавление шихты, содержащей ангидрид борный, железосодержащий компонент (железную руду или окалину железную), порошок алюминия и известь обожженную, в плавильном агрегате, в заявленном электропечном алюминотермическом способе ферробор получают в наклоняющемся горне, футерованном периклазовым кирпичом, алюминотермическим восстановлением бора из оксидов ангидрида борного и железа из оксидов окалины железной в процессе последовательного проплавления частей шихты в смеси с порошком первичного алюминия, флюсами (известью обожженной, концентратом плавиковошпатовым и солью поваренной выварочной), а компоненты шихты взяты при следующем содержании, мас.%: ангидрид борный - 27,3-28,1, окалина железная - 34,4-35,3, порошок первичного алюминия - 29,2-30,8, известь обожженная - 4,8-6,4, концентрат плавиковошпатовый - 0,8-1,0, соль поваренная выварочная - 0,8-1,0. Плавку ферробора ведут с нижним запалом шихты. Длительность плавки под дугами 25-40 минут. Причем вначале в горн насыпают на подину запальную часть шихты, содержащую окалину железную (9,6-12 мас.% от общей навески окалины), порошок первичного алюминия по стехиометрии и известь обожженную (15-26 мас.% от общей навески извести) для связывания образующегося глинозема в однокальциевый алюминат, и зажигают ее запальной смесью (магниевая стружка и натриевая селитра), после чего включают электропечь и зажигают дуги, а затем загружают из печного бункера в плавильный горн по мере проплавления основную шихту, содержащую всю навеску ангидрида борного, концентрата плавиковошпатового и соли поваренной выварочной, окалину железную (16-20 мас.% от общей навески окалины), порошок первичного алюминия по стехиометрии, известь обожженную (36-52 мас.% от общей навески извести) для связывания образующегося глинозема в гексаалюминат кальция, стараясь держать колошник закрытым небольшим слоем шихты. При этом токовую нагрузку поддерживают в пределах 3-5 кА, чтобы не допускать местных перегревов расплава и уменьшить улет оксидов бора, а также чтобы не допустить погружения графитированных электродов в расплав и науглероживания металла. После проплавления основной шихты в горне проплавляют осадительную часть шихты, содержащую оставшуюся часть окалины железной, порошка первичного алюминия и извести обожженной, не допуская вспенивания расплава и сильного дымовыделения. По окончании плавки расплав выдерживается в горне в течение 5-10 минут для окончания восстановительных реакций и осаждения капель металла, а затем сливают в шлаковню для полной кристаллизации продуктов плавки. При этом сначала в шлаковню подливают шлак на высоту 200-250 мм и делают выдержку 3-6 минут для образования шлакового гарнисажа, после чего сливают оставшийся расплав. После кристаллизации и охлаждения блок с продуктами плавки извлекают из шлаковни, металл отделяют от шлака, чистят и пакуют в готовую продукцию.

Совокупность заявленных существенных признаков предопределяет решение поставленной задачи по достижению технического результата - создания простого надежного способа получения высококачественного ферробора электропечным алюминотермическим способом без применения кремнийсодержащих восстановителей. Выплавка нескольких плавок в наклоняющемся горне с разливкой продуктов плавки позволяет снизить удельный расход футеровочных материалов и электроэнергии. Реализация способа осуществляется на существующем металлургическом оборудовании с использованием известных доступных сырьевых компонентов.

Для реализации заявленного способа применяют следующие компоненты: ангидрид борный по ТУ 2123-010-49534204-2009, содержащий в форме оксидов, мас.%: B₂O₃ - 99,8; SiO ₂ - 0,01; FeO - 0,01; Р - 0,002; С - 0,01; S - 0,005; порошок алюминия первичного по СТО 03-74-11, производимый из алюминия первичного по ГОСТ 11069-2001; известь обожженная по СТО 03-75-11; окалина железная по ГОСТ 2787-75 или ТУ 0781-006-05798700-2006; концентрат плавиковошпатовый по ГОСТ 29219-91 или по ТУ 176952-001-45608905-2001; соль поваренная выварочная без добавок по ТУ 9192-027-00204872-95.

Заявленный способ позволяет решать поставленную задачу, а отклонения от указанных пределов и режимов приводят к нарушению теплового режима плавки, ухудшению качества и технико-экономических показателей процесса получения конечной продукции.

При длительности плавки под дугами менее 25 минут увеличивается слой непроплавленной шихты на колошнике и возможно науглероживание образующихся капель металла. При длительности плавки под дугами более 40 минут колошник не закрывается слоем шихты, в результате возрастают теплопотери с излучением с поверхности расплава и ухудшаются условия восстановления бора из оксидов и понижается содержание бора в сплаве.

При токовой нагрузке ниже 3 кА возникают трудности с поддержанием стабильного горения электрических дуг и снижается суммарная термичность процесса, ход плавки становится «холодным», ухудшаются условия восстановления бора из оксидов и повышается остаточное содержание оксида бора в шлаке, в результате снижается извлечение бора в металл. При токовой нагрузке более 5 кА могут быть местные перегревы шихты и расплава, что приведет к испарению оксидов бора, возрастает общая термичность процесса, что приводит к «горячему» ходу плавки и разбросу шихты, увеличивается скорость проплавления шихты и количество пылеуноса шихтовых материалов, шлак получается более жидкоподвижный, что может увеличить аварийность при выплавке.

При выдержке расплава в горне перед разливкой менее 5 минут неполностью проходят восстановительные процессы в верхних слоях шлака и ухудшается рафинирующее влияние шлака на химический состав металла, температура расплава, сливаемого в шлаковню, остается высокой, что может увеличить аварийность при выплавке. При выдержке расплава в горне более 10 минут понижается температура сливаемого расплава, что приводит к неполному осаждению капель металла из шлака после разливки в шлаковню, ухудшается разделение фаз на границе шлак-металл, снижается извлечение бора в металл.

При подливе шлака в шлаковню на высоту менее 200 мм высота защитного гарнисажа может оказаться меньше высоты блока металла и возрастает аварийность при выплавке. При подливе шлака в шлаковню на высоту более 250 мм масса подлитого шлака имеет большее теплосодержание, в результате толщина защитного гарнисажа может оказаться меньше необходимой и повышается вероятность прогара гарнисажа и шлаковни после слива металла.

При выдержке для образования шлакового гарнисажа менее 3 минут снижается толщина защитного гарнисажа и возрастает аварийность при выплавке. При выдержке для образования шлакового гарнисажа выше 6 минут на поверхности шлака образуется твердая корка, которую не сразу пробивает струя окончательно сливаемого расплава, в результате часть металла остается в шлаке и не попадает в образующийся слиток, а также может разбрызгиваться из шлаковни в камеру электропечи.

Шихту рассчитывают на 1500 кг борного ангидрида.

При подготовке шихты в смесительный барабан загружают компоненты шихты и тщательно перемешивают между собой. Основная рудно-восстановительная шихта, являющаяся моношихтой, набирается в две части, исходя из объема саморазгружающихся бадей, в которые она выгружается после смешивания, а затем загружается в печной бункер плавильного агрегата. Электропечную алюминотермическую плавку на подготовленной шихте проводят в наклоняющемся плавильном горне с футеровкой подины и стен периклазовым кирпичом.

Вначале в горн на подину загружают запальную часть шихты, и зажигают ее запальной смесью, после наплавления расплава зажигают электрические дуги и затем загружают из печного бункера в плавильный горн по мере проплавления основную шихту в течение 25-40 минут, стараясь держать колошник закрытым слоем шихты. При этом токовую нагрузку поддерживают в пределах 3-5 кА, чтобы не допускать местных перегревов расплава и уменьшить улет оксидов бора. После проплавления основной шихты и отключения дуг в горне проплавляют осадительную часть шихты, не допуская вспенивания расплава и сильного дымовыделения. По окончании плавки расплав выдерживается в горне в течение 5-10 минут для окончания восстановительных реакций и осаждения капель металла, а затем сливают в шлаковню для полной кристаллизации продуктов плавки. При этом сначала в шлаковню подливают шлак на высоту 200-250 мм и делают выдержку 3-6 минут для образования шлакового гарнисажа, после чего сливают оставшийся расплав. После кристаллизации и охлаждения продуктов плавки металл отделяют от шлака и пакуют в готовую продукцию.

Сущность изобретения подтверждается примерами конкретного выполнения.

Пример 1 (прототип по шихте и по способу). Проведена кампания из 4 плавок ферробора по прототипу в футерованном магнезитовым кирпичом тигле, емкостью по шихте 60 кг. Для производства ферробора использовали обожженный ангидрид борный и железную руду низкофосфористую следующего химического состава, мас.%: 95 Fe₂O ₃, 4,2 SiO₂, 0,10 С, 0,012 Р, 0,004 Cu. Для получения ферробора масса подготовленной на плавку шихты составила 49 кг. Загружали, зажигали и проплавляли в три стадии (запальную, основную, осадительную) шихту следующего состава, кг(мас.%):

ангидрид борный	15,00 (30,6)
железная руда низкофосфористая	15,60 (31,8)
алюминий	14,05 (28,7)
известь обожженная	4,35 (8,9)

Расход электроэнергии на плавку 14,3 кВт·час.

Плавку ферробора вели с нижним запалом шихты. Длительность плавки под дугами 20 минут. Причем вначале в горн насыпали на подину запальную часть шихты, содержащую железную руду (12,8 мас.% от общей навески железной руды), порошок первичного алюминия по стехиометрии и известь обожженную (13,8 мас.% от общей навески извести), и зажигали ее запальной смесью (магниевая стружка и натриевая селитра), после чего включали электропечь и зажигали дуги, а затем загружали в плавильный тигель по мере проплавления основную шихту, содержащую всю навеску ангидрида борного, железную руду (29,5 мас.% от общей навески железной руды), порошок первичного алюминия по стехиометрии, известь обожженную (50,6 мас.% от общей навески извести). После проплавления основной шихты в тигле проплавляли осадительную часть шихты, содержащую оставшуюся часть железной руды, порошка первичного алюминия и извести обожженной. По окончании плавки расплав выдерживали в тигле до полной кристаллизации продуктов плавки и затем извлекали шлак и металл. Расчетная термичность шихты 651,6 ккал/кг.

Средний химический состав ферробора, мас.%: 21,6 В; 2,23 Si; 0,01 S; 0,050 С; 0,026 Cu; 0,016 Р; остальное железо. В шлаке остаточное содержание, мас.%: 10,5 B₂O ₃; 0,56 SiO₂; 73,6 Al₂O₃ ; 3,6 FeO; 6,5 CaO; 4,7 MgO.

Пример 2 (заявляемый способ). Проведена кампания из 8 плавок по получению ферробора. Масса подготовленной на плавку шихты составила 5405 кг. Загружали и проплавляли в три стадии (запальную, основную, осадительную) шихту следующего состава, кг(мас.%):

ангидрид борный	1500,00 (27,8)
порошок первичного алюминия	1615,00 (29,9)
известь обожженная с содержанием углерода не более	0,3% 310,00 (5,7)
окалина железная с содержанием меди не более 0,05%	1880,00 (34,8)
плавиковошпатовый концентрат	50,00 (0,9)
соль поваренная выварочная без примесей	50,00 (0,9)

Расчетная термичность шихты 707,1 ккал/кг.

Выплавку производили в электропечи в наклоняющемся плавильном горне, футерованном периклазовым кирпичом. Расход электроэнергии на плавку 1314 кВт·час (1152-1440). После завершения горения плавки расплав выдерживали в горне в течение 8-10 минут для осаждения капель металла и затем после слива части шлака в изложницу на гарнисаж делали выдержку 3-6 мин, после чего производили слив шлака и металла. После полной кристаллизации продуктов блок извлекали из шлаковни, металл отделяли от шлака и замачивали в воде для чистки и упаковки.

Выход ферробора по маркам:

ФБ20 (ГОСТ 14848-69) (Массовая доля, %: В не менее 20, Si не более 2,0, А1 не более 3, С не более 0,05, S не более 0,01, Р не более 0,02, Си не более 0,05) за кампанию составил 100%;

Сравнительные результаты выплавки по известному способу (прототипу) и заявляемому техническому решению приведены в таблице.

Как видно из приведенной таблицы, предлагаемый способ, в отличие известного, позволяет получать ферробор повышенного качества, в частности высшей марки ФБ20, с использованием в качестве флюсующих добавок извести обожженной и концентрата плавиковошпатового и в качестве добавки, способствующей дегазации металла при кристаллизации и улучшающей границу раздела металла и шлака, соли поваренной выварочной. В предлагаемом изобретении найдены оптимальные соотношения массы ангидрида борного, окалины железной, порошка первичного алюминия, извести обожженной, концентрата плавиковошпатового и соли поваренной выварочной с обеспечением нормальной термичности алюминотермической шихты, которая для плавки ферробора алюминотермическим способом должна быть в пределах 700-720 ккал/кг, при необходимой удельной теплоте процесса (с учетом тепла, введенного электрическими дугами) 800-850 ккал/кг.

Оптимизация термодинамических условий протекания восстановительного процесса обеспечивает массовый выход ферробора высшей марки ФБ20.

По окончательной рецептуре при реализации заявленного способа выход высшей марки ферробора по ГОСТ14848 составляет 100% от общего выпуска, в ферроборе марки ФБ20 100% металла имеет содержание бора 20,0-21,9 мас.%. Причем весь металл имеет содержание кремния не более 0,31%, содержание углерода не более 0,040 мас.%, содержание серы 0,005 мас.%.

Использованные источники

1. Рысс М.А. Производство ферросплавов. - М. Металлургия, 1975 С.312-314.

2. Лякишев Н.П., Плинер Ю.Л., Лаппо С.И. Борсодержащие стали и сплавы. М.: Металлургия, 1986, С.44-46.

3. RU, 2242529 С2, 2002 г.

4. Плинер Ю.Л., Игнатенко Г.Ф. Восстановление окислов металлов ¹ алюминия. - М.: Металлургия, 1967, С.195-197.