Феррониобий
В чистом виде ниобий является пластичным серебристо-серым металлом с атомной массой 92,91. Плотность вещества составляет 8,6 г/см3, плавление происходит при температуре 2468 °С, ниобий может быть двух, трёх, четырёх и пяти валентным. Промышленные сплавы, в состав которых входит 50 – 60 % Nb, имеют температуру плавления примерно равную 1600 °С. Реакции ниобия с углеродом приводят к образованию карбидов NbC и Nb2C, при взаимодействии с кислородом образуются оксиды NbO2, Nb2O5, NbO.
Применение ниобия в качестве легирующей добавки при производстве жаропрочных и нержавеющих марок стали повышает их пластичность и устойчивость к коррозии. Добавление этого металла в состав конструкционных сталей позволяет улучшить их свариваемость, увеличить прочность, добиться большей пластичности, предотвратить поражение сварного шва коррозией.
Этот элемент достаточно редкий – его процентное содержание в составе земной коры всего 0,001 %. Обычно ниобий встречается в земных породах вместе с танталом. Сырьем, используемым для производства сплавов ниобия, является концентрат, содержащий свыше 37 % смеси Nb2O5 и Ta2O5. В ниобиевый концентрат входит примерно 12 % ZrO2. Также для изготовления сплавов может применяться технический Nb2O5, на 90 – 98 % состоящий из пятиоксида ниобия. Его получение основано на химической переработке ниобиевого концентрата.
Технология производства феррониобия
Для получения феррониобия производится восстановление пятиоксида ниобия кремнием, углеродом или алюминием. Подобные реакции осуществить достаточно просто. При использовании метода углетермического восстановления сплав загрязняется углеродом, поэтому с его помощью перерабатывают только бедные концентраты. Получаемый сплав содержит от 22 до 37 % ниобия, примерно 5 % углерода, достигается извлечение 98 % Nb, входящего в состав концентрата.
Силикотермический способ, при котором для восстановления пятиоксида ниобия и последующего получения феррониобия используется кремний, практически не применяется. Это обусловлено тем, что при данном способе происходит неполное восстановление ниобия кремния с получением низших оксидов, довосстановление которых весьма затруднительно, в результате получается кремнистый сплав, содержащий до 12 % Si. Значительное количество ниобия теряется, удаляясь со шлаком, процент его извлечения составляет примерно 70 %.
Наиболее востребованным промышленным методом получения феррониобия является алюминотермический, имеющий множество вариантов. Реакции восстановления Nb2O5 протекают с выделением 3220 кДж энергии на 1 кг пятиоксида ниобия. Из-за значительного содержания в концентратах кристаллизационной влаги и с трудом восстанавливаемых оксидов восстановительные процессы имеют недостаточную удельную теплоту на 1 грамм-атом шихты:
46 — 50 кДж/г-атом, вместо необходимых для промышленной плавки 92 кДж/г-атом.
Увеличить удельную теплоту до необходимых значений позволяет введение железной руды в сочетании с бертолетовой солью либо натриевой селитрой. Добавление к чистому Nb2O5 железной руды вызывает выделение достаточного количества тепла, обеспечивающего нормальное прохождение процесса выплавки, без необходимости использования термитных добавок.
Как правило, при металлотермическом способе получения феррониобия в составе колоши шихты содержится:
• концентрат ниобия - 100 кг;
• порошкообразный первичный алюминий - 40 – 43 кг;
• железная руда – 8,5 кг;
• натриевая селитра – 26 кг.
Для плавки феррониобия применяют разъемные чугунные шахты с футеровкой из магнезитового кирпича, используя нижний запал. Диаметр шахт составляет 1,6 м, подача хорошо смешанной дозированной шихты производится шнековым питателем. Процесс плавки 2400 кг концентрата обычно длится 6 – 7 минут. Иногда после окончания плавки шлак сливается, сплав выпускается в изложницу и в остывшем виде дробится, проходит очищение и упаковывается.
Получаемый при выплавке шлак имеет примерно следующий состав:
Al2O3 – 60 %, CaO – 10 %, SiO2 – 5,9 %, ZrO2 – 4,9 %, TiO2 – 4 %, Na2O – 4 %, Nb2O5 – 2,6 %, MgO – 1,7 %, FeO – 0,9 %. Проплавку шихты производят в электропечах, что позволяет уменьшить расход ниобиевого концентрата и алюминия.
Для получения низкокремнистого феррониобия используют технический Nb2O5 и гематитовую малофосфористую железную руду. Шихта должна содержать 100 кг технического Nb2O5, от 47 до 50 кг порошкообразного первичного алюминия, от 30 до 40 кг прошедшей обогащение железной руды, от 10 до 20 кг извести. Достичь максимального уровня извлечения ниобия можно путем увеличения количества содержащегося в шихте восстановителя до 110 % (по отношению к теоретически требуемому количеству), при этом масса извести в шихте должна составлять 30 % от массы используемого пятиоксида ниобия, а сплав должен содержать 4,5 % Al и 72 — 76 % ниобия.
Для плавки используется нижний запал, процесс проходит в плавильном горне, имеющем магнезитовую футеровку. В конструкцию приемной изложницы входят чугунное кольцо и служащий подиной изготовленный из металлического хрома блок толщиной 200 – 250 мм. При нормальном протекании процесса плавки зеркало расплава закрыто шихтой. Скорость ее проплавления – от 160 до 180 кг/(м2•мин). Непосредственно после загрузки шихты производится загрузка извести. Когда она растворится, шлак и сплав сливают, выдерживая 1 – 2 минуты после частичного слива шлака, что способствует образованию шлакового гарнисажа.
Когда блок остынет, сплав очищают, разделывают и упаковывают. Получаемый шлак имеет примерно следующий состав: Al2O3 – 73,5 %, CaO – 15,2 %, Nb2O5 – 6,1 %, MgO – 3,21 %, FeO – 1,15 %, SiO2 – 0,42 %, Cr2O3 – 0,18 %. Чтобы получить 1 т базового сплава при производстве феррониобия из концентратов используется: концентрата 2440 кг, алюминия – 600 кг, железной руды – 160 кг. Количество израсходованной электроэнергии достигает 2000 кВт/ч, при использовании этого способа извлечение ниобия составляет 98,5 %. Если для выплавки применяется Nb2O5 (2525 кг), то потребуется алюминия – 480 кг, железной руды – 900 кг, извести – 400 кг, при этом методе извлекается 95 % ниобия.
При применении для плавки дуговой электропечи, имеющей магнезитовую футеровку, отмечается улучшение показателей производства. Выплавляя феррониобий с помощью оснащенной сводом дуговой печи без использования термитной добавки и выпуская затем в изложницу образующийся сплав и шлак, можно повысить количество используемого ниобия, снижая расход алюминиевого порошка. Это позволяет значительно снизить содержание в феррониобии титана (более чем в 2 раза), алюминия (в 3 раза), серы (в 5 раз), газов (в 4 раза) при сравнении с внепечным способом выплавки.
Применение ниобия в качестве легирующей добавки при производстве жаропрочных и нержавеющих марок стали повышает их пластичность и устойчивость к коррозии. Добавление этого металла в состав конструкционных сталей позволяет улучшить их свариваемость, увеличить прочность, добиться большей пластичности, предотвратить поражение сварного шва коррозией.
Этот элемент достаточно редкий – его процентное содержание в составе земной коры всего 0,001 %. Обычно ниобий встречается в земных породах вместе с танталом. Сырьем, используемым для производства сплавов ниобия, является концентрат, содержащий свыше 37 % смеси Nb2O5 и Ta2O5. В ниобиевый концентрат входит примерно 12 % ZrO2. Также для изготовления сплавов может применяться технический Nb2O5, на 90 – 98 % состоящий из пятиоксида ниобия. Его получение основано на химической переработке ниобиевого концентрата.
Технология производства феррониобия
Для получения феррониобия производится восстановление пятиоксида ниобия кремнием, углеродом или алюминием. Подобные реакции осуществить достаточно просто. При использовании метода углетермического восстановления сплав загрязняется углеродом, поэтому с его помощью перерабатывают только бедные концентраты. Получаемый сплав содержит от 22 до 37 % ниобия, примерно 5 % углерода, достигается извлечение 98 % Nb, входящего в состав концентрата.
Силикотермический способ, при котором для восстановления пятиоксида ниобия и последующего получения феррониобия используется кремний, практически не применяется. Это обусловлено тем, что при данном способе происходит неполное восстановление ниобия кремния с получением низших оксидов, довосстановление которых весьма затруднительно, в результате получается кремнистый сплав, содержащий до 12 % Si. Значительное количество ниобия теряется, удаляясь со шлаком, процент его извлечения составляет примерно 70 %.Наиболее востребованным промышленным методом получения феррониобия является алюминотермический, имеющий множество вариантов. Реакции восстановления Nb2O5 протекают с выделением 3220 кДж энергии на 1 кг пятиоксида ниобия. Из-за значительного содержания в концентратах кристаллизационной влаги и с трудом восстанавливаемых оксидов восстановительные процессы имеют недостаточную удельную теплоту на 1 грамм-атом шихты:
46 — 50 кДж/г-атом, вместо необходимых для промышленной плавки 92 кДж/г-атом.
Увеличить удельную теплоту до необходимых значений позволяет введение железной руды в сочетании с бертолетовой солью либо натриевой селитрой. Добавление к чистому Nb2O5 железной руды вызывает выделение достаточного количества тепла, обеспечивающего нормальное прохождение процесса выплавки, без необходимости использования термитных добавок.
Как правило, при металлотермическом способе получения феррониобия в составе колоши шихты содержится:
• концентрат ниобия - 100 кг;
• порошкообразный первичный алюминий - 40 – 43 кг;
• железная руда – 8,5 кг;
• натриевая селитра – 26 кг.
Для плавки феррониобия применяют разъемные чугунные шахты с футеровкой из магнезитового кирпича, используя нижний запал. Диаметр шахт составляет 1,6 м, подача хорошо смешанной дозированной шихты производится шнековым питателем. Процесс плавки 2400 кг концентрата обычно длится 6 – 7 минут. Иногда после окончания плавки шлак сливается, сплав выпускается в изложницу и в остывшем виде дробится, проходит очищение и упаковывается.
Получаемый при выплавке шлак имеет примерно следующий состав:
Al2O3 – 60 %, CaO – 10 %, SiO2 – 5,9 %, ZrO2 – 4,9 %, TiO2 – 4 %, Na2O – 4 %, Nb2O5 – 2,6 %, MgO – 1,7 %, FeO – 0,9 %. Проплавку шихты производят в электропечах, что позволяет уменьшить расход ниобиевого концентрата и алюминия.
Для получения низкокремнистого феррониобия используют технический Nb2O5 и гематитовую малофосфористую железную руду. Шихта должна содержать 100 кг технического Nb2O5, от 47 до 50 кг порошкообразного первичного алюминия, от 30 до 40 кг прошедшей обогащение железной руды, от 10 до 20 кг извести. Достичь максимального уровня извлечения ниобия можно путем увеличения количества содержащегося в шихте восстановителя до 110 % (по отношению к теоретически требуемому количеству), при этом масса извести в шихте должна составлять 30 % от массы используемого пятиоксида ниобия, а сплав должен содержать 4,5 % Al и 72 — 76 % ниобия.
Для плавки используется нижний запал, процесс проходит в плавильном горне, имеющем магнезитовую футеровку. В конструкцию приемной изложницы входят чугунное кольцо и служащий подиной изготовленный из металлического хрома блок толщиной 200 – 250 мм. При нормальном протекании процесса плавки зеркало расплава закрыто шихтой. Скорость ее проплавления – от 160 до 180 кг/(м2•мин). Непосредственно после загрузки шихты производится загрузка извести. Когда она растворится, шлак и сплав сливают, выдерживая 1 – 2 минуты после частичного слива шлака, что способствует образованию шлакового гарнисажа.
Когда блок остынет, сплав очищают, разделывают и упаковывают. Получаемый шлак имеет примерно следующий состав: Al2O3 – 73,5 %, CaO – 15,2 %, Nb2O5 – 6,1 %, MgO – 3,21 %, FeO – 1,15 %, SiO2 – 0,42 %, Cr2O3 – 0,18 %. Чтобы получить 1 т базового сплава при производстве феррониобия из концентратов используется: концентрата 2440 кг, алюминия – 600 кг, железной руды – 160 кг. Количество израсходованной электроэнергии достигает 2000 кВт/ч, при использовании этого способа извлечение ниобия составляет 98,5 %. Если для выплавки применяется Nb2O5 (2525 кг), то потребуется алюминия – 480 кг, железной руды – 900 кг, извести – 400 кг, при этом методе извлекается 95 % ниобия.
При применении для плавки дуговой электропечи, имеющей магнезитовую футеровку, отмечается улучшение показателей производства. Выплавляя феррониобий с помощью оснащенной сводом дуговой печи без использования термитной добавки и выпуская затем в изложницу образующийся сплав и шлак, можно повысить количество используемого ниобия, снижая расход алюминиевого порошка. Это позволяет значительно снизить содержание в феррониобии титана (более чем в 2 раза), алюминия (в 3 раза), серы (в 5 раз), газов (в 4 раза) при сравнении с внепечным способом выплавки.