шихта для получения ниобийсодержащего материала и способ ее подготовки

Формула изобретения

1. Шихта для получения ниобийсодержащего материала, включающая сырье, содержащее пентаоксид ниобия, никельсодержащий материал, алюминий, оксид кальция, фторид кальция и экзотермическую окислительную добавку, отличающаяся тем, что в качестве экзотермической окислительной добавки она содержит хлорат калия влажностью 2-12% при следующем соотношении, в долях от суммарного веса шихты:

пентаоксид ниобия 0,470-0,520

никель 0,190-0,270

алюминий 0,180-0,200

оксид кальция 0,030-0,040

фторид кальция 0,003-0,004

хлорат калия с влажностью 2-12% 0,043-0,049.

2. Способ подготовки шихты для получения ниобийсодержащего материала, включающий смешивание сырья, содержащего пентаоксид ниобия, алюминия, никельсодержащего материала, оксида кальция, фторида кальция и окислительной экзотермической добавки для загрузки в металлический тигель для воспламенения, отличающийся тем, что в качестве экзотермической добавки используют хлорат калия с влажностью 2-12% и после смешивания шихту уплотняют в тигле до величины пластической прочности 0,4-10,0 мПа.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, а именно для получения ниобийсодержащих материалов, применяемых для получения специальных сталей.

В качестве ближайшего аналога для шихты для получения ниобийсодержащего материала и способа подготовки этой шихты взят (1), в котором имеются шихта для получения ниобийсодержащего материала, включающая сырье, содержащее пентаоксид ниобия, никельсодержащий материал, алюминий, оксид кальция, фторид кальция и экзотермическую окислительную добавку, и способ подготовки шихты для получения ниобийсодержащего материала, включающий смешивание сырья, содержащего пентаоксид ниобия, алюминия, никельсодержащего материала, оксида кальция, фторида кальция и окислительной экзотермической добавки для загрузки в металлический тигель для воспламенения.

Недостатком данной шихты является недостаточно высокая степень извлечения ниобия в сплав (не выше 92,5%), недостаточная чистота конечного сплава по алюминию и азоту (более 1,0 и 0,04% соответственно), необходимость проведения многостадийного энергозатратного и достаточно длительного по времени процесса в высокотемпературной плавильной печи. Кроме того, проведение процесса с этой шихтой чревато следующим нежелательным явлением: в горячем состоянии зачастую возгораются (причем взрывообразно) возгоны.

Задачами, на решение которых направлено данное изобретение, является достижение технического результата: увеличение перехода ниобия в сплав, снижение содержания примесей, в частности, Аl и N в конечном сплаве, снижение взрывоопасности процесса, а также повышение экономических показателей путем снижения энергозатратности и времени плавки.

Технический результат достигается тем, что шихта для получения ниобийсодержащего материала, включающая сырье, содержащее пентаоксид ниобия, никельсодержащий материал, алюминий, оксид кальция, фторид кальция и экзотермическую окислительную добавку, отличается тем, что в качестве экзотермической окислительной добавки она содержит хлорат калия влажностью 2-12% при следующем соотношении, в долях от суммарного веса шихты:

пентаоксид ниобия 0,470-0,520

никель 0,190-0,270

алюминий 0,180-0,200

оксид кальция 0,030-0,040

фторид кальция 0,003-0,004

хлорат калия с влажностью 2-12% 0,043-0,049

А также тем, что в способе подготовки шихты для получения ниобийсодержащего материала, включающем смешивание сырья, содержащего пентаоксид ниобия, алюминия, никельсодержащего материала, оксида кальция, фторида кальция и окислительной экзотермической добавки для загрузки в металлический тигель для воспламенения, согласно изобретению, в качестве экзотермической добавки используют хлорат калия с влажностью 2-12% и после смешивания шихту уплотняют в тигле до величины пластической прочности 0,4-10,0 мПа.

Использование в качестве экзотермической окислительной добавки влажного (2-12% Н₂О) хлората калия позволит первую волну тепловой энергии, которая чрезвычайно интенсивно образуется при реакции хлората калия с алюминием, направить на испарение воды и упрочнение легкоплавкой эвтектикой микропор, образовавшихся в результате этого испарения в уплотненном до значений пластической прочности 0,4-10,0 мПа материале, по которым из зоны активной окислительно-восстановительной реакции газы выбрасываются на поверхность. Тем самым предотвращается угроза концентрации газов внутри шихтовой массы с дальнейшими взрывом или выбросом шихты. С другой стороны, давление отходящих газов предотвращает контакт металлического расплава с атмосферой, из которой в расплав переходит азот. Использование хлората кальция вместо селитры устраняет дополнительный источник азотного загрязнения. Уплотнение шихты приводит к более тесному контакту окислителя с алюминием, который более полно и с большей скоростью переходит в окисленное состояние, не успевая раствориться в образующемся металлическом расплаве. Кроме того, хлорат калия совместно со шлакообразующими реагентами способствует увеличению легкоподвижности шлака, который после активного газообразования по микропорам, образовавшимся в предварительно уплотненной шихте, легко достигнет металлического расплава и защитит слиток от нежелательного контакта с атмосферой в процессе застывания и охлаждения.

Диапазоны содержаний объясняются следующим образом.

Для Nb 2О5 менее 0,47 содержание ниобия в конечном сплаве будет менее 55%;

более 0,52 содержание ниобия в конечном сплаве будет более 65%.

Для Ni менее 0.19 содержание никеля в конечном сплаве будет менее 35%;

более 0,27 содержание ниобия в конечном сплаве будет более 45%.

Для Аl менее 0,18 не будет достигнута необходимая степень восстановления ниобия;

более 0,20 - избыток алюминия может переходить в сплав, загрязняя его.

Оксид кальция менее 0,03 - за счет недостаточного вывода из зоны реакции оксида алюминия будет снижаться степень извлечения ниобия в сплав;

более 0,04 - избыток приведет к повышению вязкости шлака без улучшения основного показателя, повысится выход шлака, с которым потеряется сплав.

Фторид кальция менее 0,003 - шлаки будут недостаточно подвижны, затруднение с отделением его от сплава приведет к снижению выхода последнего;

более 0,004 - избыток реагента, не приводя к улучшению показателей, увеличит количество отвального шлака.

Хлорат калия менее 0,043 - недостаток полученного при разложении соли тепла ухудшит протекание окислительно-восстановительных реакций и снизит степень перехода ниобия в расплав;

более 0,049 - избыток соли приведет к местным перегревам и изменению направленности реакций, что отразится на показателях процесса.

Влажность хлората калия: менее 2% - наблюдается склонность к выбросам шихты;

повышается содержание алюминия и азота в сплаве;

более 12% - повышается содержание азота и алюминия в сплаве, снижаются все показатели процесса, т.к. тепло тратится на испарение влаги.

Диапазоны приведенных величин пластической прочности объясняются следующим образом.

Пластическая прочность: менее 0,4 мПа - наблюдаются микровыбросы шихты, повышается содержание алюминия в сплаве;

более 10 мПа - ухудшаются все технологические показатели процесса, в том числе и степень загрязнения сплава алюминием и азотом. В более плотном материале начинают проявляться явление микровыбросов.

В качестве никельсодержащих материалов могут быть использованы отходы производства NiNb-лигатур.

Примеры 1-3

Подготовка шихты осуществлялась следующим образом.

Исходный пентаоксид ниобия (Nb2О5) смешивали с влажным хлоратом калия (2-12% H₂O), полученную смесь пентаоксида ниобия и хлората калия смешивали с алюминиевым порошком ПА-4, полученную смесь пентаоксида ниобия, хлората калия и алюминиевого порошка смешивали с никелем или смесью его с отходами от производства ниобий-никелевой лигатуры, фторидом кальция (СаF₂) и оксидом кальция (СаО). Полученную шихту помещали в медный (или чугунный) тигель и уплотняли до достижения пластической прочности 0,4-10,0 мПа, которую замеряли с помощью методики, указанной в лит. источнике (2). Шихту запаливали с поверхности с помощью накаленной нихромовой спирали. Плавка шихты протекала в течение 1,0-1,5 мин.

Примеры составов и пластической прочности шихт указаны в таблице 1.

Таблица 1
№ п/п	Содержание в шихте, в долях от общ.веса							Пласт. прочность, мПа	Содержание в сплаве, % вес.				Извл-ие в сплав Nb, % от исх.
	Nb2O5	Ni	Al	CaO	CaF2	КСlO 3	отход NiNb		Nb	Ni	AI	N
1	0,47	0,27	0,18	0,03	0,003	0,043	0,09	0,4	60,5	39,5	0,58	0,012	95,5
2	0,49	0,19	0,19	0,035	0,0035	0,046	0,045	5,0	55,0	44,2	0,38	0,012	95,0
3	0,52	0,20	0,20	0,04	0,004	0,049	0	10,0	64,2	35,0	0,33	0,012	94,9

Таким образом, примеры осуществления изобретения (табл. 1) демонстрируют следующий технический результат от введения влажного в указанных пределах хлората калия, наряду с уплотнением смешанной шихты в тигле до достижения величин пластической прочности 0,4-10,0 мПа: предупреждается взрывоопасность процесса: степень перехода ниобия в сплав составляет 94,9-95,5%, содержания алюминия и азота в сплаве не превышают 1,0 и 0,02% соответственно, отсутствуют энергетические затраты на работу плавильного агрегата, снижено время собственно плавки до 1,0-1,4 мин.

Суммируя вышеизложенное, констатируем: с помощью заявленного изобретения становится возможным достижение технического результата: взрывобезопасно, экономически выгодно, с высокой степенью извлечения основного металла (94,9-95,5%) получать в открытом тигле, без нагрева и защиты поверхности инертным газом дорогостоящий и остродефицитный для высокотехнологичных (авиация, космическая техника, подводное судостроение, нефтехимия и пр.) отраслей промышленности особо чистый по нежелательным примесям (Al и N соответственно не более 1,0 и 0,02 вес.%) сплав. Сравнение составов аналогичных сплавов, получаемых на фирмах ведущих мировых производителей спецсталей и с использованием изобретения, подтверждает эти выводы.

Список использованной литературы

1. Патент Российской Федерации № 2007486, кл. С 22 С 1/02, С 22 С 1/03 "Способ получения ниобийникелевой лигатуры в электропечи”, заяв. Чернега Н.И. и др., Ключевский завод ферросплавов, НИИ металлургии, опубл. 15.02.94.

2. П.В.Классен, И.Г.Гришаев “Основы техники гранулирования”, М., “Химия”, 1982 г., стр.27-33.