Способ получения металлов и сплавов

 

Использование: в области металлургии, в частности для получения металлов и сплавов восстановлением окисленных руд и концентратов твердым углеродистым восстановителем. Сущность изобретения: способ включает растворение окислов в расплаве галогенидов щелочных и/или щелочноземельных металлов и жидкофазное восстановление окислов из раствора их в расплаве-растворителе. Восстановление осуществляют твердым углеродом при температуре, соответствующей энергии образования окисла. После восстановления окислов расплав-растворитель отделяют от металла и повторно используют для растворения исходного продукта. 1 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к получению металлов и сплавов восстановлением окислов из руд и концентратов твердым углеродистым восстановителем.

Известен способ восстановления железа из рудно-флюсовых расплавов углеродом, в котором твердый углеродистый восстановитель (полукокс) взаимодействует в ванне расплава с окислами железа и восстанавливает их с выделением окиси углерода (авт.св.N 88996, кл. С 22 В 5/00, 27. 05.1941).

Недостатком известного способа является то, что выделяющаяся в процессе реакции окись углерода вследствие повышения вязкости расплава из-за поглощения тепла в зоне реакции вспенивает расплав в ванне печи, прерывая процесс.

Известен способ прямого получения железа, включающий приготовление окатышей из железорудного концентрата и последующую их металлизацию жидкофазным восстановлением оксидов железа конверсированным природным газом или каменным углем [1] К недостаткам способам относятся высокая энергоемкость процесса, связанная с затратами энергии на расплавления оксидов.

Кроме того, получаемое известным способом губчатое железо содержит значительное количество пустой породы, характеризуется высокой пористостью и используется только в качестве шихты для получения чугуна, ферросилиция или стали.

Известен также способ получения металлов, включающий жидкофазное восстановление окислов твердым углеродистым восстановителем, в котором ванну печи со вспененным расплавом окислов железа, вводят сверху смесь руды с известью и уголь, а снизу подают дутье природного газа и кислорода (Химия и жизнь, N 1, 1991, с.37-39).

В известном способе кислородное дутье, сжигая избыток необходимого для восстановления окислов угля, повышает температуру в зоне реакции, делая ее нерегулируемой. Окислы железа в интенсивно перемешиваемом расплаве восстанавливаются, а расплав науглероживается, образуя "синтетический" чугун.

К недостаткам способа относится сложность, низкая производительность, высокая энергоемкость, и технологическая неустойчивость процесса.

Целью изобретения является повышение эффективности путем снижения энергоемкости, интенсификация и упрощение процесса.

Это достигается тем, что в способе получения металлов и сплавов, включающем жидкофазное восстановление окислов твердым углеродистым восстановителем, согласно изобретению окислы восстанавливают из раствора их в расплаве галогенидов щелочных и/или щелочноземельных металлов. При этом окислы полиметаллических руд восстанавливают последовательно соответственно величинам энергии образования, причем перед восстановлением более энергоемкого окисла расплав восстановленного металла менее энергоемкого окисла отделяют от расплава-растворителя.

Повышение эффективности и интенсификация процесса получения металлов и сплавов жидкофазным восстановлением окислов из раствора их в расплаве галогенидов щелочных и/или щелочноземельных металлов твердым углеродистым восстановителем по сравнению с известными способами обусловлено практически полным восстановлением окислов, исключением потерь металла со шлаками, исключением переделов сегрегации окислов полиметаллических руд на стадии обогащения, обжига и восстановления железорудных окатышей, возможностью введения в шихту окислов легирующих металлов для получения легированных сталей, снижением потребности в металлургическом коксе.

Способ осуществляется следующим образом.

В ванну дуговой электропечи, футерованную угольными, графитовыми блоками или углеродсодержащей массой, загружают галогениды щелочных и/или щелочноземельных металлов и расплавляют их. В приготовленный расплав загружают шихту, содержащую окислы (руду, концентрат) и твердый углеродистый восстановитель (кокс, уголь,) при массовом соотношении расплав шихта 1:1.

При введении в расплав растворитель окислы металлов практически мгновенно растворяются, а твердый углеродистый восстановитель всплывает на поверхность раствора окислов в расплаве растворителе и, взаимодействуя с ними, без перемешивания восстанавливает до металла.

Восстановление окислов углеродом из раствора их в расплаве галогенидов щелочных и/или щелочноземельных металлов происходит последовательно в порядке возрастания величины энергии образования окислов при температуре, отвечающей энергии образования окисла. Восстановленные из раствора окислов металлы, как более тяжелые по сравнению с расплавом растворителем, осаждаются на дно ванны печи, образуя сплав. Покидая зону реакции восстановленные металлы смещают равновесие реакции восстановления вправо, обуславливая полное восстановление окислов и предотвращая карбидообразование.

В расплаве-растворителе при этом концентрируются окислы, энергия образования которых не соответствует температуре раствора и которые в данных условиях углеродом не восстанавливаются.

Полученный сплав после восстановления окислов сливают из печи через летку в днище ванны, а расплав-растворитель повторно используют для растворения окислов.

Для селективного восстановления окислов полиметаллических руд твердым углеродистым восстановителем из раствора их в расплаве галогенидов щелочных и/или щелочноземельных металлов окислы восстанавливают при температуре, отвечающей величине энергии образования окисла, при этом перед восстановлением более энергоемкого окисла металл восстановленного менее энергоемкого окисла сливают из ванны печи, отделяя от расплава-растворителя.

П р и м е р 1. В футерованную угольными блоками ванну электропечи вместимостью 500 кг, загрузили 50 кг флюорита (фторида кальция) CaF₂ (γ 3,18 г/см³, Т_пл 1418^о С).

После расплавления флюорита и доведения расплава до жидкотекучего состояния в ванну печи загрузили 50 кг шихты. содержащей 34 кг маpганцевого концентрата и 16 кг антрацита.

По окончании растворения концентрата полученный раствор окислов в расплаве флюорита выдержали в печи в течение трех часов при температуре ≈ 1400^о С. Окислы металлов, энергия образования которых соответствует ≈ 1400^о С, восстанавливаются из раствора в расплаве-растворителе твердым углеродом в порядке возрастания величины энергии образования, а восстановленные металлы осаждаются из раствора на дно ванны печи, образуя ферромарганец.

Полученный ферромарганец и расплав СаF₂ слили из печи. Из общей массы слитого расплава в 56 кг масса ферромарганца составила 12 кг.

В таблице приведены результаты анализа химического состава исходного марганцевого концентрата и полученных продуктов.

П р и м е р 2. В ванну электропечи, футерованную угольными блоками, загрузили 500 кг флюорита СаF₂ и 500 кг криолита 3NaF*AlF₃ и затем расплавили до получения расплава-растворителя температурой 1000^о С. В полученный раствор-растворитель загрузили 800 кг, марганцевого концентрата и 200 кг металлургического кокса. По растворении концентрата раствор окислов выдержали в печи при установленной температуре в течение 3 ч. Полученный в процессе избирательного восстановления окислов FeO и Р₂О₅, энергия образования которых соответствует 1000^о С, феррофосфор слили из печи через летку в днище ванны.

Оставшийся в ванне печи раствор окислов в расплаве-растворителе разогрели до 1400^о С, соответствующей энергии образования MnO и выдерживали при этой температуре в течение 3 ч до полного восстановления MnO и частично SiO₂. Полученный силикомарганец слили из печи через летку в днище ванны. Масса силикомарганца из общей массы расплава 1200 кг составила 300 кг.

В ванну печи к 900 кг расплава-растворителя догрузили смесь флюорита и криолита из расчета получения 1000 кг расплава. Затем после установления температуры расплава 1000^о С загрузили новую порцию шихты, состоящую из 800 кг марганцевого концентрата и 200 кг кокса. Далее процесс повторяется.

П р и м е р 3. В ванну руднотермической печи мощностью 90 кВт, футерованную углеродистой массой, после расплавления 20 кг флюорита загрузили 16 кг железорудного концентрата Коршуновского ГОКа (состав которого согласно спецификации, мас. Fe 62,5; SiO₂ 4,26; Al₂O₃ 2,57; СaO 1,66; MgO 3,37; MnO 0,101; P 0,103; S 0,06; TiO₂ 0,154; п.п.п. 1,4) и 4 кг каменного угля крупностью 3,0 мм.

После загрузки шихты плавку вели в руднотермическом режиме в течение трех часов при температуре ≈ 1500^о С.

После охлаждения печи, полученный остывший расплав извлекли целиком из ванны, отделили донную часть, в которой обнаружили плотный чистый металл, содержащий практически чистое железо с незначительными примесями, мас. Si 0,5; Al 0,1; Mg 0,05; Ca 0,06; Mn 0,5; Ti 0,04; а также следы Nb, Ag, Sn и шлак, содержащий 0,6% Fe, а также Si, Al, Ca, Mg, Ti, Mn.

Выход Ме и шлака по массе следующий: Ме 8,5 кг, шлак 25 кг.

Таким образом при реализации предлагаемого способа восстановление окисла до металла идет практически до конца, потери металла с отвальными шлаками исключаются полностью, отпадает необходимость сегрегации окислов металлов полиметаллических руд на стадии обогащения; в случае переработки железорудного концентрата непосредственно в электродуговой печи ликвидируются пeределы: производств, обжиг и восстановление железорудных окатышей; получение легированной стали осуществляется введением непосредственно в шихту окислов соответствующих металлов.

Ввиду того, что для заявляемого способа пригоден любой твердый углеродистый восстановитель исключается потребность в металлургическом коксе, при этом ликвидируется коксохимическое производство.

Формула изобретения

СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОВ И СПЛАВОВ, включающий растворение окислов в расплаве галогенидов щелочных и/или щелочноземельных металлов и жидкофазное восстановление окислов из раствора их в расплаве-растворителе, отличающийся тем, что восстановление окислов осуществляют твердым углеродом при температуре, соответствующей энергии их образования, причем после восстановления окислов расплав-растворитель отделяют от металла и повторно используют для растворения исходного продукта.

РИСУНКИ

Рисунок 1