способ получения феррованадия

Формула изобретения

1. Способ получения феррованадия, включающий загрузку в печь шихтовой смеси, содержащей пентоксид ванадия, флюс и охладители при избытке алюминия, восстановительный период плавки, скачивание шлака, рафинирование жидкого полупродукта оксидами ванадия или железа и выпуск расплава, отличающийся тем, что восстановительный период ведут в два этапа, в качестве флюса используют известь, при этом 10-25% от веса штриховой смеси задают на подину перед началом плавки, а оставшуюся часть шихтовой смеси присаживают из бункера порционно по мере образования расплава, при этом 20-60% от общего количества пентоксида ванадия, необходимого для получения жидкого полупродукта, проплавляют при соотношении пентоксида ванадия и алюминия 1:(0,59-0,90) в навеске шихты первого этапа, а остальное количество пентоксида ванадия проплавляют при соотношении пентоксида ванадия и алюминия 1:(0,35-0,57) в навеске шихты второго этапа, и поддерживают соотношение пентоксида ванадия и извести в шихтовой смеси 1:(0,2-0,3).

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что 2-10% от общего расхода алюминия присаживают в виде чешуек или лома на подину перед подачей шихтовой смеси.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что восстановительный период проводят с промежуточным скачиванием шлака.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству ферросплавов.

Известен алюмотермический способ выплавки феррованадия внепечной плавкой на блок, заключающийся в том, что шихту, состоящую из пентоксида ванадия, алюминиевого порошка, металлодобавок и извести загружают в тигель и проплавляют с нижним запалом. Скорость проплавления шихты составляет около 200 кг/(м²мин) при содержании алюминия в шихте 100-102% от теоретически необходимого, а количество извести задается в пределах 30-40% от массы пентоксида ванадия. Задаваемые металлодобавки варьируются в широких пределах, в зависимости от требуемого содержания ванадия в сплаве [1].

Сплав содержит до 85% ванадия, 0,5-0,6% углерода и 2,0-2,5% алюминия. Шлак с содержанием до 4,5% V₂O₅ направляется в отвал.

Существенным недостатком способа является низкое извлечение ванадия (87-95%), обусловленное повышенными его потерями, как со шлаками, так и с пылевыносом из-за необходимости ведения процесса при высокой скорости и большой термичности с целью обеспечения необходимой температуры и подвижности формирующегося расплава.

К другим недостаткам следует отнести высокое содержание алюминия в сплаве и большие трудозатраты, связанные с перефутеровкой тигля после каждой плавки.

Известен двухстадийный электропечной способ получения феррованадия алюмотермическим методом, который наиболее близок по технической сущности к заявляемому объекту и взят в качестве прототипа [1].

Согласно этому способу пентоксид ванадия с избытком алюминия загружают в электропечь с магнезитовой футеровкой и проплавляют с нижним запалом при поднятых электродах, а после образования расплава включают печь и ведут дополнительный подогрев шлака для более полного осаждения металлических корольков, затем шлак с содержанием около 1,8% V₂O₅ скачивают и присаживают порцию оксидов ванадия или железа, которая рафинирует жидкий полупродукт от избытка алюминия, а образующийся шлак с высоким содержанием V₂O₅ используют в шихте на последующих плавках. Металл содержит около 80% ванадия и до 0,25% углерода. Расход электроэнергии составляет 3500 кВтч/т.

К недостаткам способа необходимо отнести неуправляемость процесса горения алюмотермической смеси, что является результатом бурного протекания реакций при подаче шихтовой смеси на формирующийся шлаковый расплав, сопровождающихся выбросами расплава, интенсивным пылегазовыделением и повышенным угаром алюминия. Введение же в шихтовую смесь с целью снижения ее термичности балластных добавок, таких как собственные отходы металла после дробления слитка, оборотные шлаки, известь и др., которые по своей природе являются веществами тугоплавкими и химически инертными, приводит к ухудшению кинетики процесса и нестабильному горению ввиду более позднего начала реакции восстановления при подаче очередной порции смеси и взрывного характера ее завершения. По этой причине не удается реализовать процесс горения в слое шихты с поддержанием за счет подачи шихты колошника.

В силу указанных причин извлечение ванадия при двухстадийном способе остается достаточно низким и составляет 95-97%. Причем уровень извлечения выше 95% может быть достигнут только в случае применения подготовленной фракционированной шихты с хорошей газопроницаемостью при крупности плавленого пентоксида ванадия (1-6) мм, алюминия (1-6) мм, извести (5-15) мм с предварительным удалением пылевидных фракций. При работе же на обычном плавленом пентоксиде ванадия, представленном в виде ломаных пластин размером до 100 мм при их толщине 2-5 мм, извлечение составляет 94,9-95,1%.

Расход алюминия из-за высокого его угара, обусловленного прогоранием шихтовой смеси на поверхности расплава при отсутствии колошника, составляет значительную величину и в целом на плавку на 7-10% превышает стехиометрически необходимое количество.

Особенностью двухстадийного процесса является наличие в печи остатков рафинировочного шлака в виде настылей и застывшего расплава в количестве от 0,5 до 1,5 т. Поступая на следующую плавку, в зависимости от состояния печи (горячая или холодная) эти шлаки в той или иной мере участвуют в процессе, выступая в роли поставщика дополнительного пентоксида ванадия, что в совокупности с нестабильным угаром алюминия вносит существенный дисбаланс в общее соотношение V₂О₅ и Аl на плавку и приводит к значительным колебаниям (от 0,1 до 3%), а зачастую и к броскам (до 6%) по содержанию алюминия в феррованадии. Такая нестабильность по алюминию в сплаве при использовании шихты одного и того же состава, приводящая к периодическому выходу брака, в значительной степени ограничивает применимость данного способа.

Задачей изобретения является:

- повышение извлечения ванадия;

- сокращение угара алюминия и расхода огнеупоров;

- улучшение качества сплава.

Поставленная задача достигается тем, что в известном способе, включающем загрузку шихтовой смеси, содержащей пентоксид ванадия, флюс и охладители при избытке алюминия, восстановительный период плавки, скачивание шлака, рафинирование жидкого полупродукта оксидами ванадия или железа и выпуск расплава, восстановительный период ведут в два этапа, навеску шихты первого этапа задают на подину перед началом плавки в количестве 10-25% от веса шихтовой смеси, а оставшуюся часть шихтовой смеси присаживают из бункера порционно по мере образования расплава, при этом 20-60% от общего количества пентоксида ванадия, необходимого для получения жидкого полупродукта, проплавляют при соотношении пентоксида ванадия и алюминия 1:(0,59-0,90) в навеске шихты первого этапа, а остальное количество пентоксида ванадия проплавляют при соотношении пентоксида ванадия и алюминия 1:(0,35-0,57) в навеске шихты второго этапа, и поддерживают соотношение пентоксида ванадия и извести в шихтовой смеси 1:(0,2-0,3).

Способ предусматривает возможность применения алюминия в виде чушек или лома в количестве 2-10% от общего расхода путем присадки его на подину перед подачей основной шихты.

Предусматривается также проведение восстановительного периода с промежуточным скачиванием шлака.

В отличие от известного способа в предлагаемом восстановительную стадию процесса выплавки феррованадия, предусматривающую получение жидкого полупродукта при избытке алюминия, проводят в два этапа: на первом этапе шихтовая смесь имеет более высокое содержание алюминия, а на втором этапе - более высокое содержание пентоксида ванадия, при этом часть шихты проплавляют на подине в один прием, а остальную часть присаживают порционно на расплав.

Введение избытка алюминия в шихтовую смесь на первом этапе приводит к снижению ее термичности при одновременном увеличении термохимической активности реагирующих компонентов, создавая тем самым условия для низкотемпературного, т.е. более раннего, начала восстановительной реакции, что, в свою очередь, обеспечивает умеренное и устойчивое горение задаваемых порций шихтовой смеси при поднятых электродах, не приводя к взрывному характеру, и позволяет вести процесс при поддержании слоя шихты (колошника) с пониженным угаром алюминия и минимальными потерями ванадия за счет пылегазовыделения. Проплавление же части шихты на подине в один прием позволяет не только реализовать эти преимущества с большей эффективностью, но и за счет сокращения тепловых потерь через поверхность расплава перенести тепловую нагрузку на подину и откосы печи и получить подвижный и высокоактивный первичный металл с высоким содержанием алюминия, способный дорабатывать рафинировочный шлак предыдущей плавки, предохраняя тем самым ванну печи от несимметричного зарастания.

Шихтовая смесь, применяемая на втором этапе, имея низкую термичность за счет избытка пентоксида ванадия, при подаче ее на расплав также прогорает в достаточно умеренном режиме без пироэффекта и при незначительном пылегазовыделении, при этом довольно значимая часть пентоксида ванадия восстанавливается алюминием первичного металла, т. е. на границе раздела металл - шлак, с более рациональным использованием выделяемого тепла.

Использование алюминия в виде чушек или лома, взамен гранулированного, усиливает эффект термического удара на подину печи, что весьма важно в случаях, когда заросшую печь необходимо привести в рабочее состояние или приостановить наметившееся зарастание, путем укладки чушек в области, подверженные настылеобразованию. Кроме того, замена гранулированного алюминия выгодна по экономическим соображениям.

После завершения первого этапа восстановительной стадии содержание V₂O₅ в шлаках составляет 0,2-0,4%, на втором же этапе этот шлак при подаче избытка пентоксида ванадия вначале обогащается оксидами ванадия, затем дорабатывается избыточным алюминием металла, поэтому первичный шлак, являющийся балластом, скачивают, что целесообразно как с точки зрения сокращения потерь ванадия со шлаком, т. к. первичный шлак, как правило, на 0,2-0,3% беднее второго, так и повышения эффективности проведения второго этапа, кроме того, удаление промежуточного шлака позволяет более рационально использовать плавильное пространство печи и увеличить массу слитка.

Приемы и параметры, отраженные в формуле изобретения, найдены опытным путем и отражают те условия, в которых реализуется цель изобретения.

Загрузка 10-25% от веса шихтовой смеси на подину перед началом плавки является оптимальной. Шихтовая смесь, задаваемая на подину в количестве менее 10%, не оказывает существенного влияния на снижение угара алюминия и сокращение потерь ванадия по сравнению с порционной подачей, кроме того, этого количества недостаточно для создания необходимой тепловой нагрузки и проработки остаточного рафшлака. Загрузка шихтовой смеси на подину в количестве более 25% приводит к интенсивному пылегазовыделению и выбросам расплава из-за потери газопроницаемости.

Соотношение пентоксида ванадия и алюминия в составе шихтовой смеси в пределах 1:(0,590,90) придает смеси свойства, необходимые для стабильного и умеренного ее горения при минимальных потерях ванадия и угара алюминия. При содержании алюминия в смеси менее чем 0,59 от массы пентоксида шихтовая смесь горит бурно с большим газовыделением. При содержании алюминия более чем 0,9 от массы пентоксида термичность шихты падает ниже предельного уровня и горение прекращается.

Указанное соотношение пентоксида ванадия и алюминия оптимально для 20-60% пентоксида ванадия, необходимого для получения жидкого полупродукта. Реализация такого соотношения при расходе пентоксида ванадия менее 20% не сказывается существенным образом на сокращении угара алюминия и повышении извлечения ванадия, а при расходе пентоксида более 60% доля алюминия в шихтовой смеси превышает допустимое количество.

Соотношение пентоксида ванадия и алюминия в шихтовой смеси 1:(0,350,57) обеспечивает устойчивое и мягкое ее горение при поднятых электродах. При содержании алюминия менее чем 0,35 от массы пентоксида термичность смеси падает ниже допустимого уровня и горение прекращается. При содержании алюминия более чем 0,57 от массы пентоксида реакция протекает бурно и сопровождается пылевыносом и повышенным угаром алюминия.

Для получения подвижного и активного формирующего шлакового расплава в условиях ведения восстановительного процесса в два этапа наиболее рациональным является соотношение пентоксида ванадия и извести в шихтовой смеси 1: (0,20,3). При содержании извести менее чем 0,2 от массы пентоксида расплав утрачивает подвижность и недостаточно активен, что препятствует полному завершению восстановления ванадия из оксидов, затрудняет осаждение корольков и требует длительной выдержки под током, в результате чего металл насыщается углеродом. Расход извести в количестве более чем 0,3 от массы пентоксида снижает термичность шихты, затрудняет начальные условия горения и не позволяет в полной мере реализовать выбранное соотношение пентоксида ванадия и алюминия, что, в свою очередь, приводит к недостаткам известного способа.

Присадку алюминия в виде чушек или лома на подину перед подачей основной шихты целесообразно производить в количестве 2-10% от общего его расхода.

При недостатке алюминия, задаваемого в виде чушек или лома (менее 2%), термическое воздействие не проявляется заметным образом, в результате чего не удается подавить настылеобразование и зарастание печи. Избыток чушкового алюминия (более 10%) приводит к значительному пироэффекту и размыванию футеровки.

Примеры конкретного осуществления.

Плавки проводили в дуговой электропечи ДС-6Н с магнезитовой футеровкой и плотным сводом. В качестве шихты использовали плавленый пентоксид ванадия в виде пластин до 100 мм, толщиной 2-5 м, гранулированный алюминий, фракции (1-6) мм, мелкодробленую известь (5-15) мм, отходы собственного производства FeV-80, фр. (-5) мм и металлоотсев с содержанием железа до 95%. Шихту готовили навесками и распределяли по бадьям в соответствии с технологической картой и смешивали в смесителе.

Плавка 1.

Шихтовую смесь восстановительной стадии, состоящую из двух навесок (см. таблицу 1), последовательно загружали на подину печи при общей подаче, составившей 25%, после чего с помощью электродов подожгли смесь, а по мере ее прогорания на формирующийся расплав при поднятых электродах из бункера вели порционную присадку шихты, поддерживая колошник и не допуская полного проплавления предыдущих порций.

После загрузки половины шихты провели короткую выдержку для полного проплавления смеси и завершения реакций (15 мин) и при включенной печи скачали первый сливной шлак, затем выключили печь и присаживали на расплав оставшуюся шихту, обеспечивая ее прогорание под колошником, а по завершению реакций снова сделали короткую выдержку (15 мин) и при включенной печи скачали второй сливной шлак, затем провели рафинирование металла смесью пентоксида ванадия и извести и выпустили плавку.

В целом плавка проходила спокойно, горение шихты было умеренным и не носило взрывного характера, что позволило вести процесс под колошником при незначительном пылегазовыделении. Электроды включались по мере необходимости: при скачивании шлака и рафинировании. Длительность плавки составила 1 час 20 мин при расходе электроэнергии 600 кВтч/т и массе слитка, с учетом введенных 260 кг отходов, 2153 кг. Основные технологические показатели приведены в таблице 2.

Плавка 2 и последующие проходили аналогично первой. Составы и параметры шихты, а также полученные результаты приведены в таблицах 1 и 2. На плавках 1-12 варьировались параметры в соответствии с формулой изобретения. Плавки с 13-й по 15-ю представляют запредельные параметры, а 16-я и 17-я - являются прототипом, причем для сравнения 12-я и 17-я плавки проведены на фракционированной шихте, т. е. с предварительным дроблением пентоксида ванадия до крупности (-6) мм и последующим удалением фракции (-1) мм.

Представленные результаты свидетельствуют о возможности значительного улучшения показателей по извлечению ванадия и расходу алюминия, поэтому с восьмой плавки общий расход алюминия был скорректирован в сторону его уменьшения (на 36 кг), что не отразилось на остальных показателях, более того, при введении в процесс чушкового алюминия (плавки 9-11), алюминий в металле и извлечение ванадия продолжали нарастать, что свидетельствует о положительном эффекте от его применения.

Таким образом, реализация предложенного способа позволяет достичь более высоких показателей за счет улучшения термохимических свойств шихты путем перераспределения ее ингредиентов и нормирования подачи, не прибегая к специальной подготовке пентоксида ванадия.

Технический эффект от использования изобретения заключается в повышении извлечения ванадия на 1,0-1,5%, снижении расхода алюминия на 2-3%, огнеупоров на 10-15% и более стабильном получении сплава с заданным содержанием алюминия и углерода.

Экономический эффект только за счет повышения извлечения ванадия на 1% при дополнительной реализации 8,4 кг ванадия по цене 8,2$ составит 8,48,2 = 68,9$ на каждую произведенную физическую тонну феррованадия.

Источники информации

1. Рысс М. А. Производство ферросплавов. - М.: Металлургия, 1985, с. 304-306.2