способ получения фосфорсодержащего сплава

Формула изобретения

1. Способ получения фосфорсодержащего сплава, включающий формирование шихты в виде смеси порошков кислородсодержащего соединения фосфора, реагента-восстановителя, сплавообразующего металла и его оксида, нагрев локального объема смеси до температуры ее воспламенения, одновременное осуществление расплавления сплавообразующего металла, восстановления фосфора из его кислородсодержащего соединения реагентом-восстановителем и растворения фосфора в сплавообразующем металле и очистку сплава от примесей с использованием рафинирующей добавки, отличающийся тем, что рафинирующую добавку формируют из смеси порошков кислородсодержащего соединения фосфора, реагента-восстановителя и оксида сплавообразующего металла в количестве, пропорциональном количеству удаляемых из сплава примесей, имеющих более высокое сродство к кислороду, чем фосфор и сплавообразующий металл, и размещают добавку под слоем шихты, при этом реагент-восстановитель и оксид сплавообразующего металла рафинирующей добавки берут в стехиометрическом соотношении, а отношение суммарного количества реагента-восстановителя и оксида сплавообразующего металла к количеству кислородсодержащего соединения фосфора устанавливают в пределах 0,8-1,3.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве сплавообразующего металла берут медь или никель.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве реагента-восстановителя используют алюминий или кальций.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве кислородсодержащего соединения фосфора используют апатитовый или фосфоритовый концентрат.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве примесей сплав содержит алюминий, кальций и кремний.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что кислородсодержащее соединение фосфора в рафинирующей добавке берут в количестве, не менее чем в три раза превышающем стехиометрическое для удаления примесей.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению фосфорсодержащих сплавов цветных металлов, преимущественно, на основе меди или никеля.

При получении фосфорсодержащих сплавов методом металлотермии возникает проблема рафинирования получаемых сплавов от примесей, поступающих из компонентов шихты, в связи с тем, что они также образуют фосфиды и при этом имеют большее сродство к фосфору, чем сплавообразующий металл. Раздельное получение и рафинирование сплавов характеризуется низкой производительностью и невысоким выходом кондиционного продукта. Совмещение этих операций в одном процессе позволило бы устранить данные недостатки.

Известен способ получения фосфорсодержащего сплава на основе меди (см. авт. св. СССР 1444383, МПК⁴ С 22 С 1/02, С 22 В 7/00, 1988), включающий формирование шихты из отходов фосфорного производства и рафинирующей добавки в виде фосфата кальция и углерода и расплавление шихты при температуре 1100-1200^oС.

Недостатками этого способа являются невысокий выход сплава и невозможность снижения суммарного содержания примесей ниже 0,5%, в то время как предельно допустимое количество примесей в сплаве не должно превышать 0,2%.

Известен также способ получения фосфорсодержащего сплава (см. И.Г. Колесникова и др. Получение сплава Сu-Р с использованием апатитового концентрата. - Металлы, 1, 1999, с.7-10), включающий формирование шихты в виде смеси порошков апатитового концентрата в качестве кислородсодержащего соединения, алюминия в виде реагента-восстановителя, меди в качестве сплавообразующего металла и оксида меди, нагрев локального объема смеси до температуры ее воспламенения - не ниже 700^oС. Далее ведут одновременное расплавление сплавообразующего металла, восстановление фосфора из его кислородсодержащего соединения реагентом-восстановителем и растворение фосфора в сплавообразующем металле. Затем полученный сплав очищают от примесей путем обработки его расплава водяным паром в присутствии флюсов, содержащих фториды, хлориды щелочных металлов и криолит. Способ позволяет получить сплав, очищенный от примесей кальция, алюминия и кремния до требуемого их содержания, при выходе кондиционного продукта до 70%.

Недостатком известного способа является низкий выход фосфорсодержащего сплава и невысокая производительность процесса.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи повышения выхода кондиционного фосфорсодержащего сплава и снижения содержания примесей в получаемом продукте, поступающих из компонентов шихты. Изобретение также решает задачу повышения производительности процесса получения фосфорсодержащего сплава.

Для решения поставленной задачи в рассматриваемом способе получения фосфорсодержащего сплава, включающем формирование шихты в виде смеси порошков кислородсодержащего соединения фосфора, реагента-восстановителя, сплавообразующего металла и его оксида, нагрев локального объема смеси до температуры ее воспламенения (не ниже 700^oС), одновременное осуществление расплавления сплавообразующего металла, восстановления фосфора из его кислородсодержащего соединения реагентом-восстановителем и растворения фосфора в сплавообразующем металле и последующую очистку сплава от примесей с использованием рафинирующей добавки, согласно изобретению рафинирующую добавку формируют из смеси порошков кислородсодержащего соединения фосфора, реагента-восстановителя и оксида сплавообразующего металла, в количестве, пропорциональном количеству удаляемых из сплава примесей, имеющих более высокое сродство к кислороду, чем фосфор и сплавообразующий металл, и размещают добавку под слоем шихты, при этом реагент-восстановитель и оксид сплавообразующего металла рафинирующей добавки берут в стехиометрическом соотношении, а отношение суммарного количества реагента-восстановителя и оксида сплавообразующего металла к количеству кислородсодержащего соединения фосфора устанавливают в пределах 0,8-1,3.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в качестве сплавообразующего металла берут медь или никель.

Задача решается также тем, что в качестве реагента-восстановителя используют алюминий или кальций.

Решение задачи обеспечивается тем, что в качестве кислородсодержащего соединения фосфора используют апатитовый или фосфоритовый концентрат.

Решение задачи обеспечивается также тем, что в качестве примесей сплав содержит алюминий, кальций и кремний.

На решение задачи направлено то, что кислородсодержащее соединение фосфора вводят в рафинирующую добавку в количестве, не менее чем в три раза превышающем стехиометрическое для удаления примесей.

Таким образом, в одном процессе совмещаются операции получения и рафинирования сплава от примесей. При этом получают кондиционный фосфорсодержащий сплав при обеспечении высокого выхода продукта.

Использование дополнительной рафинирующей добавки, состоящей из смеси порошков кислородсодержащего соединения фосфора, реагента-восстановителя и оксида сплавообразующего металла, необходимо для осуществления эффективного рафинирования сплава от примесей.

Введение рафинирующей добавки в количестве, пропорциональном количеству удаляемых из сплава примесей, позволяет получить кондиционный сплав.

Размещение рафинирующей добавки под слоем шихты позволяет в одном процессе совместить операции получения и рафинирования сплава от примесей.

Использование реагента-восстановителя и оксида сплавообразующего металла рафинирующей добавки в стехиометрическом соотношении диктуется тем, что при этом выделяется максимальное количество тепла, которое используется для расплавления кислородсодержащего соединения фосфора и восстановленного сплавообразующего металла.

Выбор отношения суммарного количества реагента-восстановителя и оксида сплавообразующего металла к количеству кислородсодержащего соединения фосфора в пределах 0,8-1,3 обусловлен тем, что при этом температура в рафинирующей добавке в процессе горения выше температуры плавления кислородсодержащего соединения фосфора и образующейся шлаковой фазы, но ниже температуры разложения образующегося фосфида металла, что обеспечивает осуществление эффективного рафинирования и высокий выход кондиционного сплава. При величине отношения выше 1,3 происходит разложение фосфида сплавообразующего металла, что ведет к нежелательным потерям фосфора, а при величине отношения ниже 0,8 не происходит полного расплавления кислородсодержащего соединения фосфора и, как следствие, рафинирования сплава от примесей.

Предлагаемый способ позволяет получать широкий круг фосфорсодержащих сплавов. С учетом их практического значения в качестве сплавообразующего металла используют медь или никель.

Применение алюминия или кальция в качестве реагента-восстановителя обусловлено их высоким восстановительным потенциалом и относительной доступностью.

Использование в рафинирующей добавке апатитового или фосфоритового концентрата в качестве кислородсодержащего соединения фосфора позволяет окислить примеси алюминия, кальция и кремния с переводом их в шлак и исключить при этом применение фторидов и хлоридов.

Источником примесей алюминия, кальция и кремния в сплаве являются такие компоненты шихты, как кислородсодержащее соединение фосфора и реагент-восстановитель. Эти примеси частично восстанавливаются реагентом-восстановителем и входят в состав сплава. При этом они образуют фосфиды, поскольку имеют большее сродство к фосфору, чем сплавообразующий металл.

Использование кислородсодержащего соединения фосфора в количестве, не менее чем в три раза превышающем стехиометрическое для удаления примесей, обусловлено необходимостью получения кондиционного по примесям сплава.

Указанные выше особенности и преимущества способа получения фосфорсодержащего сплава могут быть более наглядно пояснены нижеследующими примерами.

Пример 1. Готовят шихту, содержащую 300 г апатитового концентрата в качестве кислородсодержащего соединения фосфора, 251,1 г порошка оксида меди, 145,2 г медного порошка в качестве сплавообразующего металла и 131,9 г алюминиевого порошка в качестве реагента-восстановителя. Смесь тщательно перемешивают. Готовят добавку, содержащую 75 г апатитового концентрата, 61,2 г порошка оксида меди и 13,8 г алюминия, в которой отношение суммарного количества алюминия и оксида меди к количеству апатитового концентрата составляет 1,0, причем количество апатитового концентрата превышает в 3 раза стехиометрически необходимое для удаления примесей. Добавку тщательно перемешивают и помещают в графитовый тигель. Сверху размещают шихту и поджигают ее с помощью электрического запала. Горение смеси продолжается около 1 мин. После охлаждения смесь выгружают из тигля и металл механически отделяют от шлака. Металл имеет вид монолитного слитка массой 428,5 г. Содержание фосфора в сплаве - 10,5%, суммарное содержание примесей алюминия, кальция и кремния - 0,17%. Выход кондиционного продукта составляет 96%.

Пример 2. Готовят шихту, содержащую 300 г апатитового концентрата, 251,1 г порошка оксида меди, 145,2 г медного порошка и 131,9 г алюминиевого порошка. Смесь тщательно перемешивают. Готовят добавку, содержащую 100 г апатитового концентрата, 89,7 г порошка оксида меди и 20,3 г алюминия, в которой отношение суммарного количества алюминия и оксида меди к количеству апатитового концентрата составляет 1,1, причем количество апатитового концентрата превышает стехиометрически необходимое для удаления примесей в 4 раза. Добавку тщательно перемешивают и помещают в графитовый тигель. Сверху размещают шихту и поджигают ее с помощью электрического запала. Горение смеси продолжается в течение 1 мин. После охлаждения смесь выгружают из тигля и металл отделяют от шлака. Металл имеет вид монолитного слитка массой 450,7 г. Содержание фосфора в сплаве - 10,7%, суммарное содержание примесей алюминия, кальция и кремния - 0,03%. Выход кондиционного продукта составляет 96%.

Пример 3. Готовят шихту, содержащую 300 г апатитового концентрата, 251,1 г порошка оксида меди, 145,2 г медного порошка и 131,9 г алюминиевого порошка. Смесь тщательно перемешивают. Готовят добавку, содержащую 75 г апатитового концентрата, 73,4 г порошка оксида меди и 16,6 г алюминия, в которой отношение суммарного количества алюминия и оксида меди к количеству апатитового концентрата составляет 1,2, причем количество апатитового концентрата превышает стехиометрически необходимое для удаления примесей в 3 раза. Добавку тщательно перемешивают и помещают в графитовый тигель. Сверху размещают шихту и поджигают ее с помощью электрического запала. Горение смеси продолжается в течение 1 мин. После охлаждения смесь выгружают из тигля и металл отделяют от шлака. Металл имеет вид монолитного слитка массой 442,4 г. Содержание фосфора в сплаве - 10,5%, суммарное содержание примесей алюминия, кальция и кремния - 0,15%. Выход кондиционного продукта составляет 97%.

Пример 4. Готовят шихту, содержащую 300 г апатитового концентрата, 192,3 г порошка оксида никеля, 163,6 г никелевого порошка и 126,7 г алюминиевого порошка. Смесь тщательно перемешивают. Готовят добавку, содержащую 69 г фосфоритового концентрата, 35,9 г оксида никеля и 19,3 г кальция, в которой отношение суммарного количества кальция и оксида никеля к количеству фосфоритового концентрата составляет 0,8, причем количество фосфоритового концентрата превышает стехиометрически необходимое для удаления примесей в 3 раза. Добавку тщательно перемешивают и помещают в графитовый тигель. Сверху размещают шихту и поджигают ее с помощью электрического запала. Горение смеси продолжается в течение 1 мин. После охлаждения смесь выгружают из тигля и металл отделяют от шлака. Металл имеет вид монолитного слитка массой 378,4 г. Содержание фосфора в сплаве - 12,9%, суммарное содержание примесей алюминия, кальция и кремния - 0,12%. Выход кондиционного продукта составляет 95%.

Пример 5. Готовят шихту, содержащую 300 г апатитового концентрата, 192,3 г порошка оксида никеля, 163,6 г никелевого порошка и 126,7 г алюминиевого порошка. Смесь тщательно перемешивают. Готовят добавку, содержащую 92,3 г фосфоритового концентрата, 54,1 г порошка оксида никеля, и 29 г кальция, в которой отношение суммарного количества кальция и оксида никеля к количеству фосфоритового концентрата составляет 0,9, причем количество фосфоритового концентрата превышает стехиометрически необходимое для удаления примесей в 4 раза. Добавку тщательно перемешивают и помещают в графитовый тигель. Сверху размещают шихту и поджигают ее с помощью электрического запала. Горение смеси продолжается в течение 1 мин. После охлаждения смесь выгружают из тигля и металл отделяют от шлака. Металл имеет вид монолитного слитка массой 396,1 г. Содержание фосфора в сплаве - 12,8%, суммарное содержание примесей алюминия, кальция и кремния - 0,03%. Выход кондиционного продукта составляет 96%.

Пример 6. Готовят шихту, содержащую 300 г апатитового концентрата, 192,3 г порошка оксида никеля, 163,6 г никелевого порошка и 126,7 г алюминиевого порошка. Смесь тщательно перемешивают. Готовят добавку, содержащую 92,3 г фосфоритового концентрата, 60,1 г порошка оксида никеля и 32,2 г кальция, в которой отношение суммарного количества кальция и оксида никеля к количеству фосфоритового концентрата составляет 1,0, причем количество фосфоритового концентрата превышает стехиометрически необходимое для удаления примесей в 4 раза. Добавку тщательно перемешивают и помещают в графитовый тигель. Сверху размещают шихту и поджигают ее с помощью электрического запала. Горение смеси продолжается в течение 1 мин. После охлаждения смесь выгружают из тигля и металл отделяют от шлака. Металл имеет вид монолитного слитка массой 400,6 г. Содержание фосфора в сплаве - 12,7%, суммарное содержание примесей алюминия, кальция и кремния - 0,03%. Выход кондиционного продукта составляет 96%.

Пример 7. Готовят шихту, содержащую 300 г апатитового концентрата, 251,1 г порошка оксида меди, 145,2 г медного порошка и 131,9 г алюминиевого порошка. Смесь тщательно перемешивают. Готовят добавку, содержащую 75 г апатитового концентрата, 64,9 г порошка оксида меди и 32,6 г кальция, в которой отношение суммарного количества кальция и оксида меди к количеству апатитового концентрата составляет 1,3, причем количество апатитового концентрата превышает стехиометрически необходимое для удаления примесей в 3 раза. Добавку тщательно перемешивают и помещают в графитовый тигель. Сверху размещают шихту и поджигают ее с помощью электрического запала. Горение смеси продолжается в течение 1 мин. После охлаждения смесь выгружают из тигля и металл отделяют от шлака. Металл имеет вид монолитного слитка массой 435,4 г. Содержание фосфора в сплаве - 10,5%, суммарное содержание примесей алюминия, кальция и кремния - 0,12%. Выход кондиционного продукта составляет 97%.

Пример 8. Готовят шихту, содержащую 300 г апатитового концентрата, 251,1 г порошка оксида меди, 145,2 г медного порошка и 131,9 г алюминиевого порошка. Смесь тщательно перемешивают. Готовят добавку, содержащую 69 г фосфоритового концентрата, 55,1 г порошка оксида меди и 27,7 г кальция, в которой отношение суммарного количества кальция и оксида меди к количеству фосфоритового концентрата составляет 1,2, причем количество фосфоритового концентрата превышает стехиометрически необходимое для удаления примесей в 3 раза. Добавку тщательно перемешивают и помещают в графитовый тигель. Сверху размещают шихту и поджигают ее с помощью электрического запала. Горение смеси продолжается в течение 1 мин. После охлаждения смесь выгружают из тигля и металл отделяют от шлака. Металл имеет вид монолитного слитка массой 423,9 г. Содержание фосфора в сплаве - 10,6%, суммарное содержание примесей алюминия, кальция и кремния - 0,16%. Выход кондиционного продукта составляет 96%.

Пример 9. Готовят шихту, содержащую 300 г фосфоритового концентрата, 186,4 г порошка оксида никеля, 194,3 г никелевого порошка и 132 г алюминиевого порошка. Смесь тщательно перемешивают. Готовят добавку, содержащую 75 г апатитового концентрата, 48,3 г порошка оксида никеля и 11,7 г алюминия, в которой отношение суммарного количества алюминия и оксида никеля к количеству апатитового концентрата составляет 0,8, причем количество апатитового концентрата превышает стехиометрически необходимое для удаления примесей в 3 раза. Добавку тщательно перемешивают и помещают в графитовый тигель. Сверху размещают шихту и поджигают ее с помощью электрического запала. Горение смеси продолжается в течение 1 мин. После охлаждения смесь выгружают из тигля и металл отделяют от шлака. Металл имеет вид монолитного слитка массой 416,9 г. Содержание фосфора в сплаве - 12,6%, суммарное содержание примесей алюминия, кальция и кремния - 0,12%. Выход кондиционного продукта составляет 95%.

Пример 10. Готовят шихту, содержащую 300 г апатитового концентрата, 192,3 г порошка оксида никеля, 163,6 г никелевого порошка и 126,7 г алюминиевого порошка. Смесь тщательно перемешивают. Готовят добавку, содержащую 115,4 г фосфоритового концентрата, 74,4 г порошка оксида никеля и 17,9 г алюминия, в которой отношение суммарного количества алюминия и оксида никеля к количеству фосфоритового концентрата составляет 0,8, причем количество фосфоритового концентрата превышает стехиометрически необходимое для удаления примесей в 5 раз. Добавку тщательно перемешивают и помещают в графитовый тигель. Сверху размещают шихту и поджигают ее с помощью электрического запала. Горение смеси продолжается в течение 1 мин. После охлаждения смесь выгружают из тигля и металл отделяют от шлака. Металл имеет вид монолитного слитка массой 407,2 г. Содержание фосфора в сплаве - 12,8%, суммарное содержание примесей алюминия, кальция и кремния - 0,01%. Выход кондиционного продукта составляет 95%.

Пример 11. Готовят шихту, содержащую 300 г апатитового концентрата, 192,3 г порошка оксида никеля, 163,6 г никелевого порошка и 126,7 г алюминиевого порошка. Смесь тщательно перемешивают. Готовят добавку, содержащую 100 г апатитового концентрата, 58,6 г порошка оксида никеля и 31,4 г кальция, в которой отношение суммарного количества кальция и оксида никеля к количеству апатитового концентрата составляет 0,9, причем количество апатитового концентрата превышает стехиометрически необходимое для удаления примесей в 4 раза. Добавку тщательно перемешивают и помещают в графитовый тигель. Сверху размещают шихту и поджигают ее с помощью электрического запала. Горение смеси продолжается в течение 1 мин. После охлаждения смесь выгружают из тигля и металл отделяют от шлака. Металл имеет вид монолитного слитка массой 395,3 г. Содержание фосфора в сплаве - 12,5%, суммарное содержание примесей алюминия, кальция и кремния - 0,03%. Выход кондиционного продукта составляет 95%.

Из приведенных выше примеров видно, что предлагаемый способ получения фосфорсодержащего сплава обеспечивает снижение содержания примесей в получаемом фосфорсодержащем сплаве до 0,17% и ниже, что отвечает действующим требованиям для данного типа сплавов. Способ позволяет получить выход кондиционного продукта 95% и более. Совмещение операций получения и рафинирования сплава повышает производительность процесса.