Способ преобразования металлотермического шлака
Изобретение относится к металлотермическим процессам. Преобразование металлотермического шлака (4), особенно алюминотермического, силикотермического или их комбинаций ведут в ходе восстановления цветных металлов: V, Ni, Nb, Cr, Мо, Та, Ti, W под действием флюсов (5), которые добавляют на поверхность металлотермической шихты (2), подготовленной к зажиганию перед собственной металлотермической реакцией и/или после завершения указанной реакции на поверхность возникшего шлака (4). При этом возникает слой (6) прореагировавших флюса и шлака. Возникший слой (6) содержит легкоплавкие эвтетики флюса (5) и шлака. Флюсы (5) могут добавляться на поверхность возникшего шлака (4) после металлотермической реакции в промежутке времени, начиная с завершения указанной реакции, в течение 20 минут, преимущественно в пределах 5-10 минут после завершения указанной реакции. Флюсы (5) добавляются в количестве 40 мас.%, преимущественно в пределах 20-30 мас.% в пересчете на суммарную массу металлотермической шихты. Флюсы (5) отличаются размерами частиц, начиная с пыли до максимального размера зерен 100 мм, преимущественно в пределах 10-30 мм. Флюс (5) дозируется на поверхность металлотермической шихты (2) и/или на поверхность возникшего шлака (4) единовременно. Техническим результатом является изменение химического состава шлака, подходящего для дальнейшей обработки и избежание потерь металла. 7 з.п. ф-лы, 3 ил.
Область техники
Изобретение касается способа преобразования металлотермического шлака, особенно алюминотермического, силикотермического или их комбинаций, в процессе восстановления цветных металлов, особенно V, Ni, Nb, Cr, Мо, Та, Ti, W, под действием флюсов.
Настоящее состояние техники
Производство цветных металлов, таких как V, Ni, W, В, Мо, Cr, Nb, Та, Ti из их окислов, помимо методов классического восстановления в дуговых печах при помощи углеродных восстановителей, иногда оказывается возможным лишь при помощи металлотермических реакций с Al, Si, Са, Mg, Ti или их комбинациями.
Для производства сплавов указанных цветных металлов применяются в принципе две технологии или же их комбинация. Первой является технология, осуществляемая при помощи восстановителей, напр. Si, Al, или их сплавов, так что дело касается силикотермического или алюминотермического процесса. Вторая технология - это комбинация силикотермического и алюминотермического процессов. Дальнейшими используемыми технологиями являются оба вышеупомянутых процесса с поддержкой реакции дополнительного восстановления окислов тяжелых цветных металлов при помощи электрической дуги.
Немецкий патент DE 3215369 приводит технологию дозировки плавикового шпата в металлотермический шлак, в ходе которой шлак после металлотермического восстановления дозируется плавиковый шпат. Роль плавикового шпата в данном случае двоякая. Он, с одной стороны, служит в качестве разбавителя, а, с другой стороны, он добавляется для того, чтобы была создана возможность дополнительного восстановления шлака при помощи подвода электрического тока. Обогрев шлака в таком случае осуществляется благодаря увеличению проводимости шлака вследствие добавки плавикового шпата. Речь идет о технологии с относительно высокими затратами.
Патент США US 5865872 от 1999 г. решает проблематику подходящего химического состава металлотермических шлаков. В данном, а также предыдущем случаях однако дело касается использования оборудования с дополнительным подводом тепла, которое впоследствии способствует растворению добавляемых сжижающих компонентов в шлаке.
В восстановительные реакции тяжелых цветных металлов согласно предыдущим методам еще могут добавляться для регулировки теплового эффекта окислы железа, само железо, окислы Mg, Si или их комбинации. При этом возникают шлаки разного химического состава в зависимости от вида используемых восстановителей.
Переход к более высокому выходу восстанавливаемого цветного металла возможен лишь в случае понижения его содержания в шлаке. Учитывая повышающуюся цену сырья, особенно восстановителей, а также давления, направленные на экологическое использование возникающих отходящих шлаков, появляются требования, касающиеся модификации технологии с целью количественного повышения выхода цветного металла одновременно с образованием шлака, подходящего для последующей обработки.
Невыгодным до сих пор для используемых процессов является тот факт, что в ходе металлотермического, особенно алюминотермического процесса возникают шлаки, в случае которых как финальный продукт реакции восстановления между металлом - алюминием и окислом восстанавливаемого металла возникают высокотемпературные алюминатные соединения, обладающие такими свойствами, что они переходят в твердое состояние раньше, чем восстановленный металл или его сплав.
В статье "Минералогические свойства и возможности использования алюминотермических шлаков от производства никеля и ванадия", опубликованной в журнале Руды 2, 38 от 1990 г. авторов Княпа, Блюмля и Крала, на стр.45-48 опубликованы данные о том, какие минералы возникают в результате алюминотермических реакций и в каких связаны элементы, вступающие в реакции. При помощи метода локального электронного микроанализа (LMA) были в шлаках обнаружены шпинели чистого Al2О3 и далее шпинели соединений типа МеО.Al2О3, в которых Me представляет восстанавливаемый металл, или особенно элементы щелочных земель, какими являются Mg и Са. Далее в более низких концентрациях встречаются фазы, содержащие Si, Fe и т.д. Отдельные фазы в таком случае представляют в свою очередь группу соединений, которые ответственны за потери элементов, представляющих интерес, в шлаках. Как указано дальше, вопрос знания состава шлака и термодинамических условий, имеющих место в технологии алюминотермического производства, является главным фактором понимания процесса распределения восстанавливаемого окисла металла между шлаком и металлом.
Далее известно, что алюминотермические шлаки отличаются от остальных уже известных шлаков, которые возникают в процессе производства чернового железа, стали или цветных металлов. Тогда, как при вышеприведенных технологиях, шлак выполняет комплексные требования - он должен действовать как источник тепла, как среда для его передачи, как носитель металла и средство для его аффинажа, то алюминотермический шлак является результатом одноступенчатого восстановительного процесса. Внесение добавок для увеличения выхода металла путем изменения химического состава шлака лимитировано, с одной стороны, величиной экзотермического теплового эффекта восстановительной реакции и расходом тепла на расплавление добавок, а, с другой стороны, увеличением потерь металла в шлаке вследствие увеличения объема шлака. Путем для решения комплекса указанных недостатков будет изменение химического состава шлака таким образом, чтобы было подавлено возникновение фаз, ответственных за потери металла, представляющего интерес, чтобы была понижена температура плавления шлака таким образом, чтобы максимально продлилось время для отделения капель восстановленного металла от шлака и для коагуляции этих капель и чтобы одновременно возник шлак, подходящий для дальнейшей обработки.
В настоящее время алюминотермическая обработка окислов металлов проводится таким образом, что создается смесь всех веществ - восстанавливаемых, восстанавливающих и шлакообразующих, засыпается в плавильные пространства и зажигается электрическим путем или другим подходящим средством зажигания, например высокотермическим поджигателем, представленным шариком зажигательной смеси. Металлотермическая реакция проходит в виде интенсивного горения на протяжении нескольких минут. Продолжительность реакции зависит от многих параметров, какими являются объем шихты, вид и чистота восстанавливаемой смеси, присутствие разбавителей-флюсов и т.д., реакция обычно завершается в течение 15 минут.
Нижеследующий термодинамический анализ нам даст представление, как действовать при создании подходящих шлаков.
Одно из условий, которые необходимо принимать во внимание - это иметь в распоряжении достаточную энтальпию расплава. Она в общих чертах для восстановления алюминием описывается при помощи уравнения зависимости температуры Тm от энтальпии реакции Q при исключении тепловых потерь, которое выражается отношением (1)
в котором
Tm - температура расплава всех продуктов реакции (°С),
Q - энтальпия реакции (Дж/грамм-атом),
Q'Me, Q'Str - энтальпии расплавленного металла и шлака при температуре их плавления (Дж/грамм-атом),
СpMe, СpStr - молярные энтальпии расплавленного металла и шлака (Дж/грамм-атом °С),
TtMe, TtStr - температуры плавления металла и шлака (°С).
Восстановление в идеальных условиях проходит почти количественно. Предполагаем, что продуктом восстановления является чистый металл и единственной фазой шлака является окись алюминия при условии отсутствия металла в шлаковой фазе. Предполагаем, что дело касается гомогенной системы и эксплуатируемые данные встречаются в стандартном состоянии. В таком случае можем отнести энтальпию Q к одному грамм-атому расплава.
Поэтому, руководствуясь целью как можно больше приблизиться к термодинамическому отношению, а также к реальным условиям, нашим стремлением является, чтобы температура плавления металла TtMe была как можно ближе температуре TtStr плавления шлака, и в таких условиях положение описывается уравнением
в котором
n - количество возникающих грамм-атомов в расплаве,
Qmin - удельная энтальпия, необходимая для возникновения шлака (Дж).
Из вышеприведенного вытекает, что во избежание потерь металла в шлаке необходимо добавить вещества, образующие с окисью алюминия легкоплавкую эвтектику.
В результате термодинамического анализа вышеприведенных уравнений (1, 2) становится очевидным, что если не хотим уменьшить тепловой баланс процесса, если вследствие этого не хотим понизить выход металла и если хотим как можно больше приблизиться хотя бы состоянию, описываемому уравнением (2), то становится необходимым понизить точку или же интервал температур плавления шлака.
Указанного можно добиться несколькими способами - добавками плавикового шпата, жженой извести, окиси магния, окислов железа, кварцевого песка, ферросилиция, флюсов вообще и т.д., в шихту до ее зажигания. Это однако приводит к нежелательному росту объема шлака и, следовательно, к потерям элемента, представляющего интерес, который содержится в шлаке, и одновременно также к нежелательному расходу тепла на расплавление указанных добавляемых компонентов.
Сущность изобретения
Вышеприведенные недостатки устраняются или существенным способом органичиваются в случае использования способа преобразования металлотермического шлака в ходе восстановления тяжелых цветных металлов под действием флюсов в соответствии с настоящим изобретением, суть которого заключается в том, что флюсы добавляются на металлотермическую шихту либо до начала металлотермической реакции, т.е. до ее зажигания, либо после металлотермической реакции, т.е. после зажигания. Флюсы добавляются на поверхность металлотермической шихты, подготовленной к зажиганию, до собственной металлотермической реакции и/или после завершения указанной реакции на поверхность возникшего шлака, который возникает на поверхности расплава металла в ходе металлотермической реакции.
Когда флюсы добавляются на поверхность металлотермической шихты, подготовленной к зажиганию, до собственной металлотермической реакции, то в ходе металлотермической реакции возникает на поверхности сплава металла шлак и на его поверхности возникает слой прореагировавших флюса и шлака, который содержит легкоплавкие эвтектики флюса и шлака.
Когда флюсы добавляются на поверхность возникшего шлака после завершения металлотермической реакции, то до этого в ходе металлотермической реакции в первую очередь возникает сплав металла и на его поверхности образуется шлак и после завершения металлотермической реакции и добавки флюсов возникает слой прореагировавших флюса и шлака, который содержит легкоплавкие эвтектики флюса и шлака. На поверхности этого слоя находятся остатки непрореагировавшего флюса.
Флюсы добавляются после металлотермической реакции в промежутке времени, начиная с момента непосредственного завершения указанной реакции, в течение 20 минут. В самом выгодном варианте флюсы добавляются на поверхность возникшего шлака после металлотермической реакции, в частности в интервале 5-10 минут после завершения указанной реакции. В результате металлотермического восстановления возникает шлак, который реагирует с флюсом. Возникающий шлак содержит легкоплавкие эвтектики флюса и окисла восстанавливающего металла.
Основным достоинством настоящего изобретения является понижение температуры плавления металлотермического шлака без того, чтобы имели место потери восстанавливаемого металла, а скорее наоборот - испытания подтвердили небольшое улучшение выхода восстанавливаемого металла. При этом в ходе одной технологической операции возникнет металлотермический шлак подходящего состава для последующей экологической утилизации, особенно в качестве синтентического десульфурирующего шлака в технологии производства железа и стали, содержащего легкоплавкие минералы, что предопределяет низкую температуру плавления шлака в ходе его последующего использования. Преимуществом настоящего изобретения является элегантное решение, когда в результате одной операции металлотермического производства тяжелых цветных металлов сверх основного продукта получается дальнейший продукт, а именно шлак для сталелитейной промышленности. Способ преобразования шлака в соответствии с настоящим изобретением способствует также утилизации частичного избытка тепла металлотермической реакции для расплавления, оплавления и прореагирования компонентов флюса со шлаком, возникшим в результате металлотермической реакции. Благодаря тому, что на поверхности шлака возникнет слой прореагировавших флюса и шлака, который содержит легкоплавкие эвтектики флюса и шлака, улучшается растворение алюминатных или силикатных соединений в сталелитейных шлаках. Одновременно также понижаются энергетические требования, направленные на обогрев шлака, и ускоряется сталеплавильный процесс.
Когда флюсы добавлятся на поверхность шлака после зажигания, то их часть не успеет прореагировать. Остаток непрореагировавшего флюса не оказывается однако помехой, так как флюс все равно должен добавляться в ходе последующих стандартных сталеплавильных технологических операций.
Согласно настоящему изобретению флюсы не добавляются в металлотермическую шихту, но на поверхность шихты, подготовленной к зажиганию, что понижает потери восстанавливаемого металла в шлаке. До сих пор считается обычным, когда флюсы добавляются в шихту, несмотря на потери. Флюсы, которые добавляются на поверхность металлотермической шихты, только прореагируют требуемым способом с возникающим шлаком, и в конечном результате они препятствуют отводу тепла из прореагировавшей шихты. Разница в степени прореагирования флюсов с поверхностью металлотермической шихты до и после зажигания металлотермической реакции зависит от объема шихты. Дозировка до зажигания используется в случае небольших шихт около 1000 кг массы. Дозировка флюсов после зажигания используется в случае более крупных шихт. В случае небольших шихт потери тепла оказываются настолько крупными, что становится более выгодным дозировать флюсы на поверхность шихты до зажигания. В случае более крупных шихт, когда тепловой избыток металлотермической реакции достаточно высок, выгодно флюсы дозировать непосредственно после реакции или в определенном интервале времени после завершения указанной реакции. Чем крупнее шихта для реакции, тем позже можно флюсы добавлять.
Флюсы могут добавляться в объеме до 40% мас. в пересчете на суммарную массу металлотермической шихты. Оптимальным является, когда флюсы добавляются в объеме 20-30% мас. в пересчете на суммарную массу металлотермической шихты. В случае, что флюсов добавилось бы больше чем 40% мас. в пересчете на суммарную массу металлотермической шихты, то не успела бы завершиться полностью и даже не частично реакция флюса с поверхностью возникающего шлака, учитывая его большое количество. Подсчеты и эксперименты подтвердили, что оптимальный объем добавки флюсов колеблется в пределах 10-30% мас. в пересчете на шихту, что гарантирует технологически оптимальное прореагирование флюса с поверхностью шлака в оптимальном периоде времени - до 20 минут.
Флюсы добавляются с размером частиц, начиная с пыли, вплоть до максимального размера зерн 100 мм, причем самый выгодный гранулометрический состав оказывается в пределах 10-30 мм. Определенный размер частиц гарантирует, что флюсы в ходе бурной реакции или непосредственно после нее не улетучиваются с поверхности шихты в каналы для отходящих газов. Пылевидная форма флюсов может в определенных случаях оказаться выгодной, особенно если необходимо, чтобы флюсы лучше прореагировали с возникающим шлаком. Это касается прежде всего флюсов с более высокой удельной массой, таких как плавиковый шпат и криолит. В случае некоторых видов флюсов, как например жженой извести, могут быть использованы даже более крупные частицы. Оптимальный размер частиц - это зерна размерами 10-30 мм, которые подходят лучше всего для флюсов с более низкой удельной массой, как например жженая известь.
Лучшие результаты достигаются, когда металлотермической шихтой является алюминотермическая шихта и/или силикотермическая шихта и если добавляется хотя бы один из группы флюсов, включающих в себя плавиковый шпат, жженую известь, криолит, окислы железа, кварцевый песок, окись магния, доломитовую известь, фтористый алюминий или их комбинации. В результате применения силикотермической шихты достигается высокий выход восстанавливаемого металла, однако такая шихта применяется реже, так как используемый восстановитель кремний относительно дорог. Шлаки от силикотермического восстановления используются хуже из-за высокого содержания SiO2. Алюминотермическая технология в сравнении с силикотермической проще с технологической точки зрения и она в большинстве случаев также более доступна с точки зрения использования восстановителя - крупы металлического алюминия. В результате использования алюминотермической шихты получается шлак, содержащий минимально 70% мас. окиси алюминия, который очень хорошо подходит для вторичного использования, например в технологии производства цемента, или же синтентических шлаков для металлургии железа и стали.
Добавка флюсов на поверхность металлотермической шихты и/или заново возникшего шлака в соответствии с настоящим изобретением решается путем единовременной дозировки, особенно жженой извести, плавикового шпата или криолита на не совсем отвердевшую, пластическую поверхность возникающего шлака. Благодаря тому, что контакт флюса и шлака имеет место еще в пластическом состоянии, то происходит частичная реакция между шлаком, возникшим на поверхности в результате металлотермического процесса и флюсом, а также частичное понижение точки плавления поверхностных слоев шлака. Этот факт оказывает благоприятное влияние также на продление периода времени, в течение которого восстановленный металл имеет возможность коагулировать и опускаться на дно, где он собирается без того, чтобы проходили нежелательные обратимые реакции, приводящие к потерям элемента, представляющего интерес, в шлак. Способ преобразования состава и свойств шлака согласно указанному альтернативному решению способствует тому, что из-за лимитирующего объема тепла, выделенного вследствие реакции, часть добавляемого флюса успевает раствориться в шлаке и непрореагировавшая его часть остается на поверхности.
Можно использовать один вид флюса или смесь нескольких. Вид флюса подбирается также в зависимости от последующего способа утилизации шлака. Например, в случае использования алюмино-термических шлаков в технологии производства стали и железа, в качестве флюса хорошо подходят жженая известь, плавиковый шпат или криолит или же их смеси в разных пропорциях для эффективного прохождения химической реакции.
Изобретение детально описывается далее на примерах использования, схематически изображенных на чертежах, на которых
фиг.1 - настоящее состояние техники;
фиг.2 - дозировка флюсов на шихту, подготовленную к зажиганию;
фиг.3 - дозировка флюсов на шлак, возникший после зажигания.
Примеры исполнения изобретения
Пример 1
Фиг.1
Настоящее состояние техники
Фиг.1 изображает состояние техники
В верхней части Фиг.1a изображено вертикальное сечение ковшом для металлотермической реакции 1 с металлотермической шихтой 2, подготовленной для зажигания. В нижней части Фиг.1б изображено вертикальное сечение ковшом для металлотермической реакции, в нижней части которого находится восстановленный металл или же сплав 3, выше которого находится образовавшийся металлотермический шлак 4.
Фиг.1а, следовательно, схематически изображает настоящее состояние техники перед зажиганием и Фиг.1б - состояние техники после зажигания.
Металлотермическая шихта 2 состоит примерно из 1860 кг V2O5, 960 кг Al-восстановителя, 150-170 кг железа, или приблизительно из 1860 кг V2O5, 150-170 кг железа, 690 кг Si-восстановителя.
Основные уравнения, описывающие восстановление металла, приведены ниже, и как пример приводится восстановление V2O5 металлическими Si и Al.
Добавляемое Fe в результате реакции всегда образует с восстановленным V сплав 3 FeV.
Шлак 4 образован окислами соответствующего восстановителя, т.е. SiO2, Al2O3 и остатками невосстановленного окисла соответствующего металла, т.е. V.
2/5 V2O5+Si=4/5 V+SiO2 (1700°C - температура плавления SiO2)
2/5 V2O5+4/3 Al=4/5 V+2/3 Al2О3 (2050°С - температура плавления Al2О3)
Левая сторона уравнения представляет всегда шихтовый материал 2, правая сторона уравнения описывает в упрощенном виде возникающие продукты реакции.
Самая низкая температура TtFeV плавления сплава FeV составляет 1680°С, что демонстрирует, что температуры плавления шлаков выше, чем температура плавления собственного сплава.
Пример 2
Фиг.2
Силикотермическая шихта 2 и дозировка флюса 5 непосредственно до зажигания:
Фиг.2 изображает подготовку шихты в соответствии с настоящим изобретением в конкретном исполнении приведенного примера. В верхней части Фиг.2а изображено вертикальное сечение ковшом для металлотермической реакции 1 с металлотермической шихтой 2, подготовленной для зажигания, перекрытой дозой флюса 5, подготовленного для реакции. В нижней части Фиг.2б изображено вертикальное сечение ковшом для металлотермической реакции 1, в нижней части которого находится восстановленный металл или же сплав 3, над которым находится образовавшийся металлотермический шлак 4 и слой 6 прореагировавшего флюса со шлаком в соответствии с нижеприведенным уравнениями.
Фиг.2а, следовательно, схематически изображает преобразование шлака металлотермической шихты в соответствии с настоящим изобретением перед зажиганием и Фиг.2б после зажигания.
Шихта 2 состоит примерно из 1860 кг V2О5, 960 кг Al-восстановителя, 150-170 кг железа или приблизительно из 1860 кг V2O5, 150-170 кг железа, 690 кг Si-восстановителя. К шихте добавляется в качестве флюса 5 жженая известь в количестве 490 кг, следовательно, в объеме примерно 18% мас. от суммарной массы шихты 2. Флюс 5 в данном случае добавляется до зажигания
Основные уравнения, описывающие восстановление металла, указаны ниже, и как пример приводится восстановление V2O5 металлическим Si:
2/5 V2O5+Si=4/5 V+SiO2 (1700°C)
2/5 V2O5+Si+CaO=4/5 V+CaO.SiO2 (1540°C)
2/5 V2О5+Si+2CaO=4/5 V+2CaO.SiO2 (2130°C)
2/5 V2O5+Si+3/2CaO=4/5 V+1/2 3 CaO.2 SiO2 (1475°C)
2/5 V2O5+Si+3 CaO=4/5 V+3 CaO.SiO2 (1900°C)
Добавляемое Fe в результате реакции всегда образует с восстановленным V сплав 3 FeV.
Шлак 4 образован окислом соответствующего восстановителя, т.е. SiO2 и остатками невосстановленного окисла соответствующего металла, т.е. V.
Слой 6 флюса и шлака образован комбинацией SiO2, CaO.SiO2, 2CaO.SiO2, 3CaO.2SiO2, 3CaO.SiO2, а также остатком невосстановленного окисла V.
В вышеприведенных уравнениях в скобках указываются температуры плавления возникающих продуктов реакции, которые всегда ниже, чем температуры плавления чистых компонентов, как указано дальше:
Температуры плавления продуктов, возникших в результате реакции, как вытекает из вышеприведенных данных, ниже, чем в случае чистых соединений, и они зачастую приближаются или оказываются даже более низкими, чем температуры плавления FeV, или других сплавов и металлов.
В соответствии с вышеприведенными реакциями восстановления можно заменить V2O5 другим окислом, особенно NiO, Nb2O3, МоО3, TiO2, Та2О5, WO3.
Пример 3
Фиг.2
Алюминотермическая шихта 2 с добавкой жженой извести перед зажиганием:
Исполнение данного примера изображено на Фиг.2. Металлотермическую реакцию представляет реакция между алюминием и соответствующим окислом металла.
Шихта 2 состоит примерно из 1860 кг V2O5, 960 кг Al-восстановителя, 150-170 кг железа и 590 кг жженой извести перед зажиганием. Флюс 5, т.е. жженая известь добавляется, следовательно, к шихте в объеме примерно 20% в пересчете на суммарную массу шихты 2.
Основные уравнения, описывающие восстановление металла, указаны ниже, и как пример приводится восстановление V2O5 металлическим Al:
2/5 V2O5+4/3 Al=4/5 V+2/3 Al2О3
2/5 V2O5+4/3 Al+2/3 CaO=4/5 V+2/3 Al2О3.СаО (1600°С)
2/5 V2O5+4/3 Al+2 CaO=4/5 V+2/3 Al2О3.3СаО (1535°С)
2/5 V2O5+4/3 Al+10/9 CaO=4/5 V+2/9 3Al2O3.5СаО (1455°С)
2/5 V2O5+4/3 Al+2/5 CaO=4/5 V+2/15 5Al2O3.3СаО (1720°С)
Добавляемое Fe образует с восстановленным V сплав 3 FeV.
Шлак 4 образован окислом соответствующего восстановителя, т.е. Al2O3 и остатками невосстановленного окисла соответствующего металла, т.е. V.
Слой 6 флюса и шлака образован комбинацией Al2О3, Al2О3.СаО, Al2О3.3СаО, 3Al2O3.5СаО, 5Al2O3.3СаО, а также остатком невосстановленного окисла V.
В вышеприведенных уравнениях в скобках указываются температуры плавления возникающих продуктов реакции, которые всегда ниже, чем температуры плавления чистых компонентов, как указано дальше:
Температуры плавления продуктов, возникших в результате реакции, ниже, чем в случае чистых соединений алюминотермической реакции и добавляемого флюса, или они даже ниже, чем температура плавления FeV, или других сплавов и металлов. Настоящее преобразование шлаков в соответствии с исполнением изобретения согласно приведенному примеру создает возможность более продолжительного времени сегрегации востановленного металла от шлака. Благодаря этому повышается выход металла.
Пример 4
Фиг.3
Апюминотермическая шихта 2 и флюс 5, дозируемый после зажигания:
Фиг.№ 3 изображает преобразование шихты в соответствии с настоящим изобретением в конкретном исполнении по примеру. В верхней части Фиг.3а изображено вертикальное сечение ковшом для алюминотермической реакции 1 с металлотермической шихтой 2, подготовленной к зажиганию. В нижней части фиг.3б изображено вертикальное сечение ковшом для алюминотермической реакции 1, на дне которого находится восстановленный металл, или же металлический сплав 3, над которым находится металлотермический шлак 4. Над металлотермическим шлаком 4 имеется слой флюса, прореагировавшего со шлаком в соответствии с уравнениями, приведенными ниже. Сверху, над слоем 6 флюса, прореагировавшего со шлаком, находится оставшийся непрореагировавший флюс 5.
Шихта 2 состоит примерно из 1860 кг V2O5, 960 кг Al-восстановителя, 150-170 кг железа и 550 кг жженой извести. Жженая известь в качестве флюса 5 была использована в гранулометрическом составе, начиная с пыли, вплоть до размеров частиц 30 мм. Флюс 5 дозировался на поверхность шихты 2 единовременно, 15 минут спустя после зажигания шихты 2 либо электрическим путем, либо зажигательным шариком.
Основные уравнения, описывающие восстановление металла, указаны ниже, и как пример приводится восстановление V2O5 металлическим Al:
2/5 V2O5+4/3 Al=4/5 V+2/3 Al2О3
2/5 V2O5+4/3 Al+2/3 CaO=4/5 V+2/3 Al2О3.СаО (1600°С)
2/5 V2O5+4/3 Al+2 CaO=4/5 V+2/3 Al2О3.3СаО (1535°С)
2/5 V2O5+4/3 Al+10/9 CaO=4/5 V+2/9 3Al2O3.5СаО (1455°С)
2/5 V2O5+4/3 Al+2/5 CaO=4/5 V+2/15 5Al2О3.3СаО (1720°С)
В вышеприведенных уравнениях в скобках указываются температуры плавления возникающих продуктов реакции, которые всегда ниже, чем температуры плавления чистых компонентов, как указано дальше:
В основных вышеприведенных реакция описываются реакции с известью. Особенно в данном случае можно добавку флюса 5 - извести заменить добавкой других флюсов, какими являются например плавиковый шпат, криолит, доломитовая известь, или фтористый алюминий, или их комбинации. Указанные добавки обеспечивают более совершенное разбавление шлаков и образование эвтектик с еще более низкими температурами плавления.
Пример 5
Фиг.3
Алюминотермическая шихта 2 и флюс 5, дозируемый после зажигания:
Исполнение по примеру указано на Фиг.3. Металлотермическую реакцию в данном случае представляет реакция между алюминием и соответствующим окислом металла.
Шихта 2 состоит примерно из 1860 кг V2O5, 960 кг Al-восстановителя, 150-170 кг железа и 250 кг жженой извести. Была использована жженая известь зернистостью до 50 мм. В течение 5 минут после зажигания зажигательным шариком или электрическим путем была осуществлена добавка флюсов 5 на поверхность прореагировавшей шихты 2.
Основные уравнения, описывающие восстановление металла, указаны ниже, и как пример приводится восстановление V2O5 металлическим Al:
2/5 V2O5+4/3 Al=4/5 V+2/3Al2О3
2/5 V2O5+4/3 Al+2/3 CaO=4/5 V+2/3 Al2О3.СаО (1600°С)
2/5 V2O5+4/3 Al+2 CaO=4/5 V+2/3 Al2О3.3СаО (1535°С)
2/5 V2O5+4/3 Al+10/9CaO=4/5 V+2/9 3Al2O3.5СаО (1455°С)
2/5 V2O5+4/3 Al+2/5CaO=4/5 V+2/15 5Al2O3.3СаО (1720°С)
В вышеприведенных уравнениях в скобках указываются температуры плавления возникающих продуктов реакции, которые всегда ниже, чем температуры плавления чистых компонентов, как указано дальше:
Более крупные гранулометрические классы флюсов 5 можем в данном случае добавить непосредственно после реакции, потому что вследствие увеличения размера частиц уменьшится объем выброса пыли в каналы для отходящих газов.
Указанные примеры исполнения не являются исчерпывающими. Возможны также другие комбинации флюсов 5 и восстановителей и восстанавливаемых окислов металлов в рамках пределов идеи формулы изобретения настоящего патента.
Возможность использования изобретения в промышленности
Решение подходит для металлургии тяжелых цветных металлов и для производства железа и стали.
1. Способ преобразования шлака в процессе алюминотермического, силикотермического или их комбинации восстановления металлов: V, Ni, Nb, Cr, Мо, Та, Ti, W, под действием флюсов, включающий подготовку металлотермической шихты к зажиганию и металлотермическую реакцию с получением сплава металла и шлака на его поверхности, отличающийся тем, что флюсы добавляют на поверхность металлотермической шихты, подготовленной к зажиганию, перед металлотермической реакцией и/или после завершения указанной реакции на поверхность шлака.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что флюсы добавляют на поверхность металлотермической шихты, подготовленной к зажиганию, перед металлотермической реакцией, с получением в ходе металлотермической реакции на поверхности сплава металла шлака и с образованием на его поверхности слоя прореагировавших флюса и шлака, содержащего легкоплавкие эвтектики флюса и шлака.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что флюсы добавляют на поверхность шлака после завершения металлотермической реакции с образованием слоя прореагировавших флюса и шлака, содержащего легкоплавкие эвтектики флюса и шлака, и находящихся на поверхности указанного слоя остатков непрореагировавшего флюса.
4. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что флюсы добавляют на поверхность шлака после металлотермической реакции в промежутке времени, начиная с момента непосредственного завершения указанной реакции, в течение 20 мин, преимущественно в пределах 5-10 мин после завершения указанной реакции.
5. Способ по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что флюсы добавляют в количестве до 40 мас.% в пересчете на суммарную массу металлотермической шихты, преимущественно, в количестве 20-30 мас.% в пересчете на суммарную массу металлотермической шихты.
6. Способ по п.1, отличающийся тем, что флюсы добавляют с размерами частиц, начиная с размера пыли до максимального размера 100 мм, преимущественно в пределах 10-30 мм.
7. Способ по п.6, отличающийся тем, что флюс дозируют на поверхность металлотермической шихты и/или на поверхность возникшего шлака единовременно.
8. Способ по любому из пп.1-3 и 6, отличающийся тем, что добавляемый флюс - это флюс из группы, включающей в себя плавиковый шпат, жженую известь, криолит, окислы железа, кварцевый песок, окись магния, доломитовую известь, фтористый алюминий или их комбинации.
