Кафедра: Металлургия и Горное дело

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН

АКТЮБИНСКИЙ РЕГИОНАЛЬНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ им. К.ЖУБАНОВА

Факультет: Технический

Кафедра: Металлургия и Горное дело

Курсовая работа

 

По дисциплине: «Основы научных исследований и курсовая научно-исследовательская работа»

На тему: Термодинамический расчет состояния фаз при выплавке ферробора с помощью програмного комплекса «TERRA»

 

Выполнил: студент группы Мк-302 Туржанов И.А.

Принял: к.т.н. Жумагалиев Е.У.

Ақтөбе – 2017

СОДЕРЖАНИЕ

 

ВВЕДЕНИЕ. 3

1 ПРОИЗВОДСТВО ФЕРРОБОРА.. 5

1.1 Физико-химические свойства бора и его соединений. 5

1.2 Получение бора. 6

1.3 Применение и сортамент сплавов. 7

1.4 Борсодержащее сырье. 8

2 Технология производства сплавов бора.. 12

2.1 Особенности восстановления бора. 12

2.2 Способы выплавки ферробора. 13

2.3 Показатели процесса выплавки ферробора. 22

3 ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИЙ РАСЧЕТ СОСТОЯНИЯ ФАЗ ПРИ ВЫПЛАВКЕ ФЕРРОБОРА С ПОМОЩЬЮ ПРОГРАММЫ «TERRA». 24

3.1 Исходные данные для расчета. 24

3.2 Результаты расчета программы «TERRA». 24

3.3 Обработка результатов расчетов программы «TERRA». 26

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. 29

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.. 30

 

ВВЕДЕНИЕ

Ферросплавами называют сплавы железа с бором, кремнием, марганцем, хромом, ванадием и другими элементами, а иногда сплавы других элементов, например, сплав кальция и кремния — силикокальций, применяющиеся при выплавке стали для улучшения ее свойств (связывания вредных примесей, раскисления и легирования). По принятой терминологии в ферросплавах помимо основного элемента, обычно железа или кремния, имеются одни или несколько ведущих элементов, ради которых сплав выплавляют, нежелательные примеси, количество которых невелико и строго ограничивается, и вредные примеси, содержание которых ограничивается тысячными и сотыми долями процента. Например, в низкоуглеродистом феррохроме хром — ведущий элемент, железо — основной, кремний — нежелательная примесь, а углерод, фосфор и сера — вредные примеси. Комплексные ферросплавы содержат несколько ведущих элементов, например, в ферросиликохроме— кремний и хром. Лигатурами называют все сплавы иа иежелезиой основе (никелевой, хромовой и др.). Ферросплавы иа железной основе, применяемые только для легирования, часто также называют лигатурами (например, лигатура с бором, селеном, кремииймагниевая лигатура и др.). Целесообразность легирования стали и сплавов ферросплавами, а не технически чистыми металлами объясняется тем, что в этом случае достигается уменьшение угара ведущего элемента, облегчается его введение в сталь, а стоимость ведущего элемента в ферросплавах и лигатурах обычно значительно ниже, чем в технически чистых металлах. Как правило, ферросплавные заводы используют руды или рудные концентраты, не требующие дополнительного обогащения. Исключение составляют бедные марганцевые и реже хромовые руды, которые подвергают пирометаллургическому обогащению с получением богатых по содержанию ведущего элемента шлаков, которые затем перерабатывают в конечную продукцию, и железистого попутного продукта.

Начало промышленного производства ферросплавов относится к, 60-м годам XIX в., когда во Франции была освоена технология восстановительной плавки в тигельных печах. В последующем некоторое развитие получила выплавка ферросплавов в доменных печах, однако недостаточно высокая температура этих процессов не позволяла производить высокопроцентные сплавы и сплавы тугоплавких металлов. Это затруднение было устранено в дальнейшем путем использования электротермии. Основоположником электротермии был русский ученый В. В. Петров, открывший в 1802 г. явление электрической дуги и впервые в мире осуществивший восстановление окислов углеродом с применением электрической дуги. Электротермический способ производства низкоуглеродистых ферросплавов с использованием в качестве восстановителя кремния был разработан Ф. М. Бекетом в 1907 г. В дальнейшем этот метод получил самое широкое распространение. Другой способ получения низкоуглеродистых ферросплавов — алюминотермичесский процесс —был разработан русским академиком Н. Н. Бекетовым. Позднее были осуществлены процессы производства иизкоуглеродистьгх ферросплавов продувкой углеродистых сплавов окислительными газами, вакуумированием жидких и твердых сплавов, методом смешивания расплавов и позже путем смешивания жидкого расплава и твердого восстановителя. При оценке качества руд на первом месте стоит вопрос о содержании в них ведущего элемента, но и этот критерий изменяется. В связи с усиливающимся истощением запасов богатых руд в настоящее время потребители удовлетворяются все более бедными рудами. Ценность руды повышается с уменьшением содержания в ней вредных примесей: фосфора, серы, меди и т. п. Количество вредных примесей зачастую определяет технологию передела. Правильный выбор восстановителя и соответствующая его подготовка в значительной степени определяют технико-экономические показатели производства. По химическим свойствам в качестве восстановителей оксидов руды при выплавке ферросплавов можно применять многие элементы. Однако экономически выгодно применять углерод, кремний и алюминий. Наиболее широко используют углерод, а если необходимо предотвратить науглероживание выплавляемого сплава, то применяют более дорогие кремний и алюминий. В качестве углеродсодержащего восстановителя могут быть использованы различные материалы: древесный, бурый и каменный уголь, нефтяной, пековый или каменноугольный кокс, различные полукоксы, древесные отходы и Др. Углеродистые восстановители, применяемые при выплавке ферросплавов, должны обладать хорошей реакционной способностью, высоким удельным электрическим сопротивлением, соответствующим для каждого сплава химическим составом золы, достаточной прочностью, оптимальным размером куска, хорошей газопроницаемостью и термоустойчивостью, невысокой стоимостью.

ПРОИЗВОДСТВО ФЕРРОБОРА

Получение бора

Элементарный Бор из природного сырья получают в несколько стадий. Разложением боратов горячей водой или серной кислотой (в зависимости от их растворимости) получают борную кислоту, а ее обезвоживанием - борный ангидрид. Восстановление В₂О₃ металлическим магнием дает Бор в виде темно-бурого порошка; от примесей его очищают обработкой азотной и плавиковой кислотами. Очень чистый Бор, необходимый в производстве полупроводников, получают из его галогенидов: восстанавливают ВCl₃ водородом при 1200°С или разлагают пары ВВr₃ на танталовой проволоке, раскаленной до 1500°С. Чистый Бор получают также термическим разложением бороводородов.

Борсодержащее сырье

Наиболее важное промышленное значение имеют минералы кернит NaB4О7·2H2О и бура Na2В4O7·10Н2О с максимальным содержанием В2О3 соответственно 40—50 и 30—35 %, а также улексит NaCaB5О9 8Н2О и колеманит Са2В6О11·5Н2О. Для месторождений, важнейшим из которых является Индерское (Казахстан) характерны ашаритовые (MgBO2·OH) и гидроборацитовые (CaMgB6O11·6H2O) руды, содержащие 35—50 % В2О3, а также донбуритовые руды. Руды Индерского месторождения имеют следующий состав, %: 8–30 В₂О₃; 1,5–13 SiO₂; 15–25 CaO; 10–30 MgO; 2–5 FeO; 2–6 Na₂O; 2–3 C; 5–10 S; ≤0,01 Р. Из этой руды получают концентраты, борную кислоту (Н₃ВО₃), борный ангидрит (В₂О₃), диборат кальция (СаО∙В₂О₃∙2Н₂О), октаборат натрия (Na₂B₈O₁₃) и выплавляют ферроборал и ферросиликоборал. В табл. 17.2 приведен химический состав рудных концентратов, применяемых для выплавки сплавов бора. Для плавки чистых и богатых бором лигатур используют химически чистый (—98% В2О3) и технический (85—94 % В203) борный ангидрид, техническую борную кислоту (55—57 % В203) и борат кальция. При выплавке ферробора марок ФБ-2 и ФБ-3 вместо „алюминиевого порошка используют стружку вторичного алюминия, железо вводят в виде железной руды или железной окалины, в качестве флюса применяют свежеобожженную молотую известь.

По условиям образования месторождения бора подразделяются на эндогенные, эндогенно-экзогенные и экзогенные.Эндогенные месторождения бора связаны с известковыми и магнезиальными бороносными скарнами. Среди борных минералов в известковоскарных месторождениях преобладают боросиликаты – датолит (CaB(OH)[SiO4]) и данбурит (CaB2[Si2O8]); в магнезиально-скарновых – бораты – суанит (Mg2B2O5), котоит (Mg3(BO3)2)

К эндогенно-экзогенным относятся вулканогенно-осадочные месторождения, формирующиеся в слабопроточных и бессточных озерах вблизи вулканов в условиях аридного климата. Борные минералы представлены боратами Ca, Na и Na-Ca: колеманитом, тинкалом, конитом, бурой, кернитом и др.

Экзогенные месторождения бора связаны с залежами морских калийно-магниевых солей (галогенные) или с процессами их выветривания

(элювиальные). Основные минералы бора – калиборит, гидроборацит, преображенскит, борацит, улексит, ашарит и др. В России экзогенные месторождения не имеют промышленного значения.

Кроме рудных месторождений источником бора могут являться воды минеральные, пластовые нефтяных и газовых месторождений.

По условиям образования, минеральному составу, технологическим свойствам борные руды подразделяются на боросиликатные, боратовые, комплексные борато-магнетитовые и олово-борные.

Наиболее крупные и богатые скопления боратовых руд в природе связаны с месторождениями вулканогенно-осадочного типа, которые обеспечивают 90% мировой добычи бора. Руды легкообогатимые, комплексные, из них извлекают также бентониты, цеолиты, серу, сурьму,стронций, галит и др. В России они пока не выявлены.

Основное промышленное значение в Российской Федерации имеют боросиликатные и комплексные борато-магнетитовые руды, связанные с эндогенными месторождениями скарнового типа.

Разработка боросиликатных месторождений, в отличие от боратов, требует сложных и затратных схем производства:

- подготовка горной массы к выемке ведётся буровзрывным способом;

- после крупного дробления руда подвергается усреднению в карьере и непосредственно на фабрике;

-обогащение руды производится по суспензионно-магнитно-флотационной схеме;

-флотация ведется по схеме прямого селективного выделенияборосиликатных минералов в содовой среде;

-полученный концентрат идёт на производство борной кислотысернокислотным способом.

Технология получения боропродуктов очень трудоемкая. Нигде в мире борная кислота подобным способом не производится. Себестоимость полученной боропродукции выше, чем у зарубежных аналогов.

Основной областью применения боропродуктов является производство специальных сортов стекла, стекловолокна, эмалей, глазури, керамики (бура техническая, борный ангидрид, борная кислота, борат кальция). В сельском хозяйстве бура техническая используется для производства удобрений, гербицидов, инсектицидов. Кроме того, боропродукты применяются в производстве моющих средств (перборат натрия, бура техническая) и в медицине (борная кислота, бура пищевая). Нитрид и карбид бора используются для производства абразивных и полупроводниковых материалов, тугоплавких сверхтвердых сплавов, в качестве поглотителей нейтронов в ядерных реакторах.

Помимо этого, бор используется в производстве постоянных магнитов на базе трехкомпонентного сплава неодима, железа и бора; электрических трансформаторов, в персональных стереосистемах и плеерах для компакт-дисков; сканирующих устройствах. Перспективной областью является производство аморфных железокремний-борных сплавов, применяемых для изготовления сердечников трансформаторов.

По условиям образования, минеральному составу, технологическим

свойствам борные руды подразделяются на боросиликатные, боратовые,

комплексные борато-магнетитовые и олово-борные.

Наиболее крупные и богатые скопления боратовых руд в природе

связаны с месторождениями вулканогенно-осадочного типа, которые

обеспечивают 90% мировой добычи бора. Руды – легкообогатимые,

комплексные, из них извлекают также бентониты, цеолиты, серу, сурьму,

стронций, галит и др.

Основные запасы боратов в мире размещены в Турции и США.

Запасы в США представлены, в основном, тинкалом и кернитом, а в

Турции – колеманитом.

Месторождение Крамер (США), расположенное в центре пустыни

Мохаве приблизительно в 160 км к северо-востоку от Лос-Анжелеса, является

одним из крупнейших борных месторождений мира. С начала своей эксплуатации (1926 г.) и по настоящее время месторождение рассматривается

как ведущий мировой поставщик борного сырья.

Месторождение приурочено к озерным отложениям миоценового

возраста. Главное рудное тело месторождения, залегающее среди сине-серых

глинистых сланцев на глубинах от 40 (северный и западный фланги) до 340 м

(южный фланг), представляет пластовую залежь мощностью от 24 до 90 м (в

среднем около 45-60 м), имеющую площадь около 2 км 2. Она состоит из

согласных пластов и прослоев мощностью до 10 см, а также линз, желваков и

включений буры, кернита и тинкалконита; реже встречаются сирлезит, улексит и проберит. Эти пласты и прослои разделены тонкими слоями монтмориллонитовой глины и вулканического туфа. На участках богатых руд

среднее содержание В 2 О 3 составляет 25-30% и более. После добычи в карьере руда измельчается, просеивается и растворяется с получением насыщенной жидкости и ее фильтрацией. В результате кристаллизации этой жидкости образуются рафинированные кристаллы декагидрата и пентагидрата буры.

В Турции находится более двух третей мировых разведанных запасов

бора. Основные месторождения бора расположены в западной части страны в

провинциях Эскишехир, Балыкесир, Кютахья и Бурса. Добыча бора в Турции

находится под контролем государственной компании Eti Mine Works G.M.

Самое крупное из известных в настоящее время месторождений борного сырья

− Кырка (Сарикайа) − находится в провинции Эскишехир в 240 км от Анкары.

Оно связано с плиоценовыми озерными отложениями. Озерные карбонатно- глинистые отложения с прослоями вулканического пеплового материала занимают площадь около 10 км 2, залегая на породах фундамента − туфах и лавах основного и кислого состава. Озерные отложения повсеместно

перекрыты массивными известняками неогена мощностью в десятки метров. В рудном поле Кырка в настоящее время добывается около 450 тыс. т преимущественно натрово-боратовых руд; они поставляются на завод в Бандирме, где получают различные борные соединения, включая борную кислоту, декагидрат и пентагидрат буры.

В Южной Америке значительные запасы бора имеются в Аргентине: в

провинции Сальта (месторождения Tincalayu и Sijes), а также в провинции

Жужуй (пересыхающие озера Salars Cauchari и Diabillo). Основные минералы

− колеманит, гидроборацит, кернит, тинкаль и улексит.

Запасами минералов бора располагает Китай, где обнаружено более 100

залежей боратов в 14 провинциях. При этом 80% всех месторождений

сосредоточено в северо-восточной провинции Ляонин и западной Цинхай. По

некоторым источникам китайские запасы легкодоступных борных руд будут

исчерпаны в 2013 г.

Запасы боратов имеются также в ряде других стран, в частности в

Боливии, Чили. В последнее время достаточно крупные месторождения бора

выявлены в Косово.

Таблица 17.2. Химический состав, %, концентратов борсодержащих материалов

Руду перед плавкой обжигают во вращающихся печах при ~700°С для удаления кристаллизационной влаги, резко снижающей технико-экономические показатели процесса (рис. 5), и измельчают до 10—20 мм.

 

Способы выплавки ферробора

Внепечной плавкой с верхним запалом успешно выплавляют ферроборовую лигатуру с высоким содержанием алюминия по способу, предложенному В. А. Боголюбовым и И. С. Кумышом. Колоша шихты состоит из 10 кг борного ангидрида, 12 кг железной окалины, 5 кг алюминиевого порошка, 8 кг алюминиево-магниевого порошка, 1 кг плавикового шпата и 0,2 кг натриевой селитры. Продолжительность плавки на шихте из 50 колош — около 1 мин. Лигатура содержит 17—20% В, 8—11% А1, 0,5—0,7% 51. Извлечение бора достигает 75%. В связи с низкой плотностью образующегося сплава очень эффективно использование железотермитного осадителя, что позволяет увеличить использование бора на плавке с 50 до 70 % и снизить расход алюминия на 40 %.

Электропечной способ плавки позволяет проводить рафинирование ферробора от примесей, изменять состав и жидкоподвижность шлака, выбирать необходимую температуру его плавления, обеспечивает снижение (на 45%) расхода алюминия и повышение содержания бора в сплаве. Значительное улучшение показателей может быть достигнуто ведением плавки с предварительным проплавлением боратовой руды, что позволяет снизить ее потери с 17 до 3 % и уменьшить расход алюминия в результате удаления сульфатной серы (на взаимодействие с которой расходуется ~19%А1). Химический состав сырой (А) и обожженной (Б) боратовой руды при проплавлений в электропечи изменяется следующим образом, % (числитель — до проплавлення, знаменатель — после):

 

Выплавку ферробора марок ФБ-0 и ФБ-1 ведут в электропечи с набивной футеровкой из электродной мас­сы (толщина 150—180 мм), металлоприемник выклады­вают из магнезитового кирпича. Ванна печи сменная и помещена на выкатывающейся тележке. Состав шихты приведен в табл. 24.

В начале плавки, после проплавления запальной ших­ты и прогрева расплава, в печь равномерно загружают основную шихту. Затем при поднятых электродах для более полного осаждения из шлака корольков сплава на поверхность расплава дают осадитель. По окончании плавки через летку выпускают шлак. Затем проплавляют вторую часть основной и осадительной шихт и снова вы­пускают шлак. Сплав извлекается из печи после затвердевания (через 36—40 ч). Полученный сплав содержит >17% B, 1,5—3% Si и 1,5—5% Al.

Низкокремнистый ферробор выплавляют внепечным способом из борного ангидрида или борной кислоты. В качестве восстановителя используют смесь первичного алюминиевого и 50%-ного алюминий-магниевого порошков. Вследствие бурного протекания процесса (удельная теплота 2930 кДж/кг, или 700 ккал/кг) его ведут с верхним запалом. Полученный сплав содержит ≤20% В и < 1 % Si.

Наиболее распространенный сплав с бором — ферро­бор марок ФБ-2 и ФБ-3 (ферроборал). Его получают внепечной плавкой с нижним запалом, чаще электро­печной плавкой в сменных шахтах. Состав шихты на электропечную плавку ферроборала приведен в табл. 25.

Применение железотермитного осадителя (его загружают на поверхность расплава после проплавления основной шихты) увеличивает извлечение бора с 50 до 71% при сокращении расхода алюминия на 40%. Электропечную плавку ферроборала ведут аналогично электропечной плавке ферробора. При использовании шихты без предварительного смешивания подача составляющих осуществляется послойно, боратовая руда, смешанная с железной стружкой (или без нее), подается непрерывно, а алюминиевая стружка задается порциями. Первая половина шихты задается с недостатком восстановителя (примерно на 30%), а последующие порции с избытком. Для получения 1 т сплава необходимо 1500 кг боратовой руды (20% B₂O₃), 550 кг алюминиевой стружки, 400 кг железной окалины, расход электроэнергии 800 кВт·ч.

Наиболее широко употребляемый сплав с бором —ферробор марок ФБ10 и ФБ6 выплавляют в электропечи, футерованной набивкой из электродной массы, металлоприем ник выкладывают из магнезиального кирпича. Шихта состоит из трех частей: запальной смеси (боратовой руды, железной окалины и вторичного алюминия), основной шихты (боратовой руды, железной окалины и вторичного алюминия) и осадителя (железной окалины и вторичного алюминия). Количество запальной смеси 8—10 % от общей массы шихты, основной шихты — 70%, осадителя 20—22 %. При электропечной плавке ферробора этих марок обычно в одном горне после слива первой плавки проводят проплавление второй навески шихты, затем вновь сливают шлак и охлаждают плавку в горне в течение 32 ч. Применяемую вместо алюминиевого порошка для снижения стоимости сплава алюминиевую стружку перед плавкой сушат при 400—450 °С и просеивают для удаления примесей. При электропечной плавке получают сплав, содержащий 8—12 % В, 6—10 % Si, 6—10 % А1. На 1 т сплава (5 % В) расходуется 935 кг обожженной боратовой руды, 500 кг алюминиевой стружки, 60 кг чушкового алюминия, 30 кг борной кислоты, 360 кг железной окалины и 130 кг железной стружки и 20 кг извести. Расход электроэнергии 1980 МДж (550 кВтч). Сквозное извлечение бора (с учетом потерь при обжиге)—составляет > 50%. Никельбор можно выплавлять как внепечным, так и электропечным методами. Состав шихты приведен в табл.Внепечную плавку ведут в горне с магнезиальной футеровкой с верхним запалом, скорость 350 кг/(м2 • мин) при удельной теплоте процесса в 5,23 кДж/т. Плавка идет очень бурно. Электропечную плавку ведут при рабочем напряжении 64 В. Рудную часть шихты проплавляют форсированно в течение 29—30 мин, чтобы избежать разрушения магнезиальной футеровки, и после 5—10 мин выдержки загружают восстановительную шихту и после ее проплавления на поверхность расплава загружают осадитель. Затем расплав прогревают 10 мин, выпускают шлак и печь отключают. Наплавленный блок разделывают через 30— 40 ч. Примерный состав сплава, %: В 13; А1 7; Si 11,5; С 0,1; Р 0,08; S<0,010; никель остальное. На 1 т сплава (5 % В) расходуется 1330 кг борного ангидрида (или эквивалентное количество борной кислоты), 1265 кг оксида никеля (NiO), 1155 кг первичного алюминиевого порошка, 725 кг извести. Расход электроэнергии составляет 9936 МДж (2760 кВт -ч).

Ферробор повышенного качества (марок ФБ20 и ФБ17) выплавляют в электропечи «на блок», используя борный ангидрид (для марки ФБ10) или борную кислоту (для ФБ6) и порошок первичного алюминия. Процесс ведут с двумя выпусками шлака, для чего основную часть шихты и железотермптный осадитель делят на две равные части. Плавка начинается с проплавлення запальной части шихты и затем на образующемся расплаве зажигают дуги. После проплавлення первой части шихты при отключенной печи проплавляют первую половину осадптеля. Расплав выдерживают ~10 мин, затем выпускают шлак, проплавляют оставшуюся шихту и вновь сливают шлак. После окончания процесса ванну выкатывают из-под электродов и охлаждают до полной кристаллизации сплава (~40 ч). Оптимальная скорость проплавлення шихты 120—130 кг/(м2Х Хмин). Увеличение скорости проплавлення может привести к выбросам шихты, а при снижении скорости проплавлення увеличивается слой гарнисажа и, следовательно, потери бора. Предварительный прогрев ванны печи газом до 800°С позволил повысить извлечение бора на 3—5%.

В соответствии с ГОСТ 14848 - 69 ферробор поставляют в виде кусков массой не более 10 кг. При этом количество метгочи, проходящей через грохот с отверстиями 10 х 10 мм, не должно превышать 5 % общей массы ферробора.
Порошковые смеси с участием аморфного бора, ферробора, карбида бора, ферроборала, активаторов и инертных наполнителей, ранее использовавшиеся для диффузионного борирования сталей, не обеспечивали необходимую скорость насыщения, были нетехнологичны из-за спекания или сравнительно быстрой нстощаемости, часто не давали стабильных, воспроизводимых результатов.
При содержании порошка первичного алюминия ниже 29,2% снижается термичность шихты, ход плавки становится «холодным», понижается содержание бора в сплаве и повышается остаточное содержание оксида бора в шлаке, в результате снижается извлечение бора в металл. При содержании порошка первичного алюминия выше 30,8% увеличивается содержание алюминия в сплаве, увеличивается термичность шихты, что приводит к «горячему» ходу плавки и разбросу шихты, увеличивается скорость проплавления шихты и количество пылеуноса шихтовых материалов.

При содержании извести обожженной ниже 4,8% ухудшаются условия связывания образующегося глинозема и затрудняются условия восстановления бора алюминием. Возрастает температура плавления шлака и снижается извлечение бора в блок металла. При содержании извести обожженной более 6,4% шлак получается более легкоплавкий, жидкоподвижный и возрастает аварийность при выплавке.

Концентрат плавиковошпатовый введен для образования флюса на основе оксидов CaO-CaF₂-Al₂O₃, аккумулирующего кремнезем и серу, а также для снижения температуры плавления шлака, что облегчает осаждение капель ферробора.

При содержании концентрата плавиковошпатового менее 0,8% возрастает температура плавления шлака, что приводит к неполному осаждению капель металла из шлака, ухудшается рафинирующее влияние шлака на химический состав металла. При содержании концентрата плавиковошпатового более 1,0% снижается извлечение бора в металл за счет угара алюминия кислородом воздуха и шлак получается более легкоплавкий, что может увеличить аварийность при выплавке.

Соль поваренная выварочная введена для улучшения физических свойств шлака и получения плотного чистого слитка металла и для обеспечения улучшенного разделения продуктов плавки и уменьшения потерь металла при чистке слитка металла.

При содержании соли поваренной выварочной менее 0,8% металл получается менее плотный с газовыми полостями, шлак получается более тугоплавкий, ухудшается разделение фаз на границе шлак-металл, что приводит к увеличению потерь при чистке металла, и снижается извлечение бора в сплав. При содержании соли поваренной выварочной более 1,0% качественные показатели металла и шлака не улучшаются, но расход соли поваренной выварочной увеличивается неоправданно.

Состав шихты используется для получения ферробора электропечным алюминотермическим способом.

Из уровня техники известен способ получения ферробора повышенной чистоты для производства магнитных сплавов типа Nd-Fe-B (RU 2242529 С2, 2002 г.), включающий перемешивание борсодержащего материала с алюминиевым порошком и внепечное восстановление реакционной смеси в кокиле. При этом перед перемешиванием с порошком алюминия борсодержащий материал обжигают на воздухе при температуре 300-500°C в течение 3 часов, а в качестве борсодержащего материала используют смесь борной кислоты с порошковым оксидом железа в соотношении 1:1. В данном изобретении процесс обжига необходим для разложения борной кислоты до ангидрида борного (В₂О₃), исходя из сущности алюминотермического восстановления. После этого в обожженную смесь добавляют порошковый алюминий. Расчет количества алюминия ведется по известной методике определения процентного содержания алюминия, необходимого для восстановления металлов из оксидов. Прокаленную смесь смешивают с алюминиевым порошком, загружают в кокили и нагревают до 300°C. Затем смесь сжигают внепечным способом с верхним запалом, при этом порошкообразная шихта находится под слоем расплава. После остывания кокилей производят выбивку слитков ферробора. Масса исходной смеси 8 кг, масса слитка 1,6 кг. Химический состав металла, мас.%: В - 11,7, Al<2,2, Si<l,5, С<0,1, Mn+Cr<0,5.

Недостатками этого способа являются: необходимость наличия дополнительного агрегата для обжига борсодержащего материала с поддержанием определенного интервала температур и времени нагрева смеси; низкое содержание бора и повышенное содержание примесей в сплаве; малые объемы плавки, что ограничивает производительность.

Недостатками известного способа являются: во-первых, сложность технологической схемы скачивания шлака с последующей заделкой летки; во-вторых, при проплавлении шихты возможны набросы ее на угольные стенки и науглероживание сплава; в- третьих, при проплавлении осадителя при включенной печи высока вероятность науглероживания восстанавливающихся железа и бора; в-четвертых, низкое содержание бора и большое содержание примесей (Al, Si, С); в-пятых, требуется необходимость обжига боратовой руды перед плавкой.

Также известен способ (Лякишев Н.П., Плинер Ю.Л., Лаппо С.И. Борсодержащие стали и сплавы. - М.: Металлургия, 1986. С.38-46) алюминотермического получения ферробора с повышенным содержанием бора (марки ФБ20 и ФБ17) электропечной плавкой ферробора, получаемого из ангидрида борного. Плавку осуществляют «на блок» в трехфазной электропечи мощностью 1000 кВА с выдвижной ванной, футерованной электродной массой и установленной на футерованном поддоне. Стенки плавильного агрегата полностью выкладывают магнезитовым кирпичом для уменьшения содержания углерода в металле. Шихта состоит из запальной (I), основной (II) и осадительной (III) частей. Процесс ведут с двумя выпусками шлака, для чего основную часть шихты и железотермитный осадитель делят на две равные части. Плавку начинают с проплавления запальной части шихты, затем на образующемся шлаке зажигают дуги и после набора нагрузки вводят в печь порциями первую половину основной части шихты и по окончании ее проплавления при включенной печи задают первую половину осадительной части. Для более полного осаждения капель металла из шлака расплав выдерживают ~10 минут, затем шлак сливают, закрывают летку и проплавляют вторую половину основной и осадительной частей шихты. По окончании процесса ванну выкатывают из-под электродов и охлаждают вместе с продуктами плавки до полной кристаллизации сплава. Предварительный нагрев ванны печи газом до 800°C позволяет повысить извлечение бора на 3-5%.

Недостатками известного способа являются: сложность технологической схемы скачивания шлака с последующей заделкой летки; при проплавлении осадителя при включенной печи высока вероятность науглероживания восстанавливающихся железа и бора;

Известные промышленные способы имеют общие недостатки: например, сложности в части гарантированного обеспечения устойчивого необходимого критического уровня ее термичности, скорости проплавления, определяющих степень извлечения бора в сплав; склонность к возгону оксидов бора и к выбросам горящей шихты и расплавленных продуктов плавки; большие потери тепла аккумуляцией футеровкой печного агрегата (тигля, ванны, горна) и повышенный расход футеровочных материалов при разовом использовании печного агрегата.

Предлагаемое и способом ферробора, кондиционного по химическому составу, при использовании ангидрида борного.

Задачей изобретения является создание простого надежного способа получения высококачественного ферробора, обеспечивающего высокий выход высших марок ферробора в соответствии с требованиями ГОСТ 14848-69.

Поставленная задача достигается тем, что для улучшения технологического процесса при получении ферробора используют электропечной алюминотермический способ восстановления железа и бора из оксидов, используя шихту с достаточно необходимой термичностью, чем оптимизируют устойчивость термодинамических и кинетических условий процессов окисления алюминия и восстановления металлов из оксидов, снижая и повышая их активность, соответственно в металлическом и шлаковом расплавах. Также стенки и подину плавильного горна футеруют периклазовым кирпичом, чем исключают контакт образующегося металла с углеродсодержащими материалами и снижают вероятность просачивания образующегося сплава в футеровку горна.

Сущность предлагаемого способа заключается в том, что в отличие от известного способа получения ферробора, включая подготовку, загрузку и проплавление шихты, содержащей ангидрид борный, железосодержащий компонент (железную руду или окалину железную), порошок алюминия и известь обожженную, в плавильном агрегате, в заявленном электропечном алюминотермическом способе ферробор получают в наклоняющемся горне, футерованном периклазовым кирпичом, алюминотермическим восстановлением бора из оксидов ангидрида борного и железа из оксидов окалины железной в процессе последовательного проплавления частей шихты в смеси с порошком первичного алюминия, флюсами (известью обожженной, концентратом плавиковошпатовым и солью поваренной выварочной), а компоненты шихты взяты при следующем содержании, мас.%: ангидрид борный - 27,3-28,1, окалина железная - 34,4-35,3, порошок первичного алюминия - 29,2-30,8, известь обожженная - 4,8-6,4, концентрат плавиковошпатовый - 0,8-1,0, соль поваренная выварочная - 0,8-1,0. Плавку ферробора ведут с нижним запалом шихты. Длительность плавки под дугами 25-40 минут. Причем вначале в горн насыпают на подину запальную часть шихты, содержащую окалину железную (9,6-12 мас.% от общей навески окалины), порошок первичного алюминия по стехиометрии и известь обожженную (15-26 мас.% от общей навески извести) для связывания образующегося глинозема в однокальциевый алюминат, и зажигают ее запальной смесью (магниевая стружка и натриевая селитра), после чего включают электропечь и зажигают дуги, а затем загружают из печного бункера в плавильный горн по мере проплавления основную шихту, содержащую всю навеску ангидрида борного, концентрата плавиковошпатового и соли поваренной выварочной, окалину железную (16-20 мас.% от общей навески окалины), порошок первичного алюминия по стехиометрии, известь обожженную (36-52 мас.% от общей навески извести) для связывания образующегося глинозема в гексаалюминат кальция, стараясь держать колошник закрытым небольшим слоем шихты. При этом токовую нагрузку поддерживают в пределах 3-5 кА, чтобы не допускать местных перегревов расплава и уменьшить улет оксидов бора, а также чтобы не допустить погружения графитированных электродов в расплав и науглероживания металла. После проплавления основной шихты в горне проплавляют осадительную часть шихты, содержащую оставшуюся часть окалины железной, порошка первичного алюминия и извести обожженной, не допуская вспенивания расплава и сильного дымовыделения. По окончании плавки расплав выдерживается в горне в течение 5-10 минут для окончания восстановительных реакций и осаждения капель металла, а затем сливают в шлаковню для полной кристаллизации продуктов плавки. При этом сначала в шлаковню подливают шлак на высоту 200-250 мм и делают выдержку 3-6 минут для образования шлакового гарнисажа, после чего сливают оставшийся расплав. После кристаллизации и охлаждения блок с продуктами плавки извлекают из шлаковни, металл отделяют от шлака, чистят и пакуют в готовую продукцию.

Совокупность заявленных существенных признаков предопределяет решение поставленной задачи по достижению технического результата - создания простого надежного способа получения высококачественного ферробора электропечным алюминотермическим способом без применения кремнийсодержащих восстановителей. Выплавка нескольких плавок в наклоняющемся горне с разливкой продуктов плавки позволяет снизить удельный расход футеровочных материалов и электроэнергии. Реализация способа осуществляется на существующем металлургическом оборудовании с использованием известных доступных сырьевых компонентов.

Для реализации заявленного способа применяют следующие компоненты: ангидрид борный по ТУ 2123-010-49534204-2009, содержащий в форме оксидов, мас.%: B₂O₃ - 99,8; SiO₂ - 0,01; FeO - 0,01; Р - 0,002; С - 0,01; S - 0,005; порошок алюминия первичного по СТО 03-74-11, производимый из алюминия первичного по ГОСТ 11069-2001; известь обожженная по СТО 03-75-11; окалина железная по ГОСТ 2787-75 или ТУ 0781-006-05798700-2006; концентрат плавиковошпатовый по ГОСТ 29219-91 или по ТУ 176952-001-45608905-2001; соль поваренная выварочная без добавок по ТУ 9192-027-00204872-95.

Заявленный способ позволяет решать поставленную задачу, а отклонения от указанных пределов и режимов приводят к нарушению теплового режима плавки, ухудшению качества и технико-экономических пока<