способ получения ванадийсодержащих сплавов и лигатур

Формула изобретения

Способ получения ванадийсодержащих сплавов и лигатур, включающий подготовку шихты, непрерывную подачу ее в окислительную зону печи, расплавление смесью углеродсодержащего материала в кислородсодержащем дутье, взятых в соотношении, обеспечивающем полное сгорание углерода в окислительной зоне, получение шлакометаллического расплава, восстановление его оксидов в восстановительной зоне, отличающийся тем, что в качестве шихты используют ванадийсодержащие отходы и известь, при этом в окислительной зоне проводят отделение металла от ванадийсодержащего шлакового расплава с периодическим или непрерывным выпуском его из печи, осуществляют восстановление оксидов ванадия из шлакового расплава в восстановительной зоне введением в расплав кремнийсодержащего сплава с допустимым содержанием алюминия 2-15%, взятого в количестве на 2-50% больше стехиометрически необходимого на восстановление оксидов ванадия.

Описание изобретения к патенту

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).

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 V₂O₅ (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%.

Состав шлаковой фазы: 17-24% V₂O₅; 2,5-3,0 Сr₂О₃; 17-20% SiO₂; 7-11% МnО; 8-12% Аl₂О₃; 6-9% TiO₂; 0,5-2% СаО; 5-8% MgO; 35-49% Fe_общ.

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:

- в окислительной зоне: С+2О₂=2СО₂+Q; V ₂O₃+О₂=V₂O₅ ;

- в восстановительной зоне: 2/4V₂ O₅+Si=4/5V+SiO₂.

В присутствии окиси кальция последняя реакция принимает вид: 2/5V₂ O₅+Si+2CaO=4/5V+2CaO*SiO₂.

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.

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; Аl₂ О₃ - 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.