Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ЧИСТОГО НИОБИЯ

Изобретение относится к области металлургии тугоплавких редких металлов, в частности к получению и рафинированию ниобия, а также к пирометаллургической переработке его высокометаллизированных отходов.

Известен способ получения ниобия восстановлением его пентаоксида алюминием и кальцием, термической обработкой и последующим многократным электронно-лучевым переплавом (RU 2137857, опубл. 20.09.99).

Известный способ не позволяет существенно уменьшить потребление первичного пентаоксида ниобия на операции восстановления и снизить себестоимость продукции.

Наиболее близким к заявляемому изобретению является способ получения чистого ниобия, раскрытый в патенте RU 2490347 (опубл. 20.08.2013) и включающий восстановительную плавку шихты, содержащей пентаоксид ниобия, кальций и алюминий, при соотношении компонентов в шихте по массе Nb₂O₅:Al:Ca=1:(0,22÷0,24):(0,27÷0,29), с получением черновых слитков, удаление шлака с их поверхности и многократный электронно-лучевой переплав с последующей обточкой слитков чистого ниобия. В способе предусмотрено добавление в шихту возгонов, полученных после проведения второго и последующих электронно-лучевых переплавов в количестве до 4,5% от массы пентаоксида ниобия.

Описанный способ позволяет существенно уменьшить потребление первичного пентаоксида ниобия на операции восстановления за счет использования образующихся в процессе электронно-лучевой плавки возгонов и снизить себестоимость продукции без ухудшения качества рафинированного ниобия.

Однако этот способ не обеспечивает утилизацию отходов в виде стружки ниобия с обточки поверхностного слоя слитков.

Задачей заявляемого изобретения является снижение себестоимости изготовления металла за счет использования в процессе восстановительной плавки образующихся при получении ниобия отходов как в виде возгонов электронно-лучевых переплавов, так и в виде стружки за счет снижения расхода первичного пентаоксида ниобия, при одновременном повышении извлечения ниобия в процессе восстановительной плавки.

Технический результат достигается тем, что в способе получения чистого ниобия, включающем восстановительную плавку шихты, содержащей пентаоксид ниобия, кальций и алюминий при соотношении компонентов в шихте по массе Nb₂O₅:Al:Ca=1:(0,22÷0,24):(0,27÷0,29) и добавлении в шихту возгонов второго и последующих электронно-лучевых переплавов в количестве до 4,5 мас.% от массы пентаоксида ниобия, с получением черновых слитков, удаление шлака с их поверхности и многократный электронно-лучевой переплав с последующей обточкой слитков, восстановительную плавку шихты ведут с добавлением просушенной стружки металлического ниобия длиной до 20 мм в количестве 1,1-1,8% от массы пентаоксида ниобия.

Предпочтительно использовать преимущественно неокисленные возгоны второго и последующих электронно-лучевых переплавов.

Для случая добавления в шихту стружки, полученной обточкой слитков с использованием смазочно-охлаждающей жидкости, указанную стружку предварительно отмывают обезжиривающим раствором.

При соблюдении указанных условий теплоты реакции восстановления достаточно для усвоения подгруженных оборотов в виде стружки и возгонов и обеспечения жидкотекучести шлака, состоящего из окислов СаО и Al₂O₃, необходимой для максимально полного разделения с восстановленным металлом (ниобием). При этом проявляется эффект дополнительного доизвлечения ниобия из шлака, что, предположительно, связано с «кристаллизацией на подложке». В результате происходит повышение выхода металла на восстановительной плавке.

Стружка, подгруженная на этапе восстановительной плавки совместно с возгонами второго и последующих электронно-лучевых переплавов, проходит все стадии рафинирования от избыточных примесей, что обеспечивает требуемое качество готовых слитков ниобия.

Сочетание всех известных и новых существенных признаков заявляемого изобретения позволяет решить задачу, заключающуюся в получении металла, соответствующего установленным требованиям, с одновременной переработкой отходов ниобия как в виде возгонов второго и последующих электронно-лучевых переплавов, так и в виде стружки с обточки слитков; а также снизить себестоимость полученного металла за счет частичной замены первичного пентаоксида ниобия на отходы ниобия при одновременном повышении извлечения ниобия в слитки восстановительных плавок.

Для проверки заявляемого изобретения была выполнена следующая работа.

Стружку, полученную при обточке слитков первого и последующих электроннолучевых переплавов, готовили одним из следующих способов:

1) сливную витую стружку длиной более 20 мм измельчали до размеров: длина не более 20 мм, толщина и ширина не более 3 мм;

2) стружку, полученную с охлаждением смазочно-охлаждающей жидкостью, перед подгрузкой на восстановительную плавку отмывали обезжиривающим раствором и сушили до полного высыхания;

3) стружку, полученную с охлаждением проточным конденсатом, перед подгрузкой сушили до полного высыхания.

Подачу стружки осуществляли равномерно в каждый канал металлоприемника шахтной печи в количестве 1,1%, 1,6%, 1,8% и 2,7% от массы пентаоксида ниобия, загруженного на плавку. Стружку подгружали совместно с преимущественно неокисленными возгонами второго и последующих электронно-лучевых переплавов. Количество возгонов составляло - 3,7 и 4,5% от массы пентаоксида ниобия, загружаемого на плавку. Возгоны вводили в состав шихты. Соотношение масс пентаоксида ниобия и восстановителей (Са, Al) составляло: Nb₂O₅:Al:Са=1:(0,22÷0,24):(0,27÷0,29). Удаление остатков шлака осуществляли механическим способом. Полученный черновой ниобий подвергали двукратному рафинировочному электронно-лучевому переплаву.

Для всех восстановительных плавок определяли качество полученных черновых слитков (химический состав и внешний вид), извлечение ниобия в черновые слитки и химический состав слитков рафинированного ниобия после первого электронно-лучевого переплава, а также соответствие готовых слитков рафинированного ниобия (после второго электронно-лучевого переплава) предъявленным техническим требованиям. С целью подтверждения доизвлечения ниобия из шлака в черновые слитки определяли массовую долю ниобия в шлаке всех опытно-промышленных восстановительных плавок. Кроме того, по каждому варианту осуществляли пересчет количества чистого пентаоксида ниобия, затраченного на получение одной тонны ниобия в чистоте.

Для сравнения использовали результаты 4-х восстановительных плавок, проведенных по прототипу, с подгрузкой возгонов второго и последующих электронно-лучевых переплавов в количестве 4,5% от массы пентаоксида ниобия, а также результаты контроля качества полученных из них слитков рафинированного ниобия после первого и второго электронно-лучевых переплавов.

Сравнительные результаты представлены в таблице.

Из таблицы видно, что при подгрузке на восстановительную плавку стружки ниобия в количестве до 1,8% (опыты 1-4) от массы пентаоксида ниобия за счет доизвлечения ниобия из шлака повышается его содержание в черновых слитках на 0,52-0,94 мас.% по сравнению со средним содержанием по прототипу. Извлечение ниобия в слитки повышается на 1,4-4,2%, экономия пентаоксида ниобия в чистоте составляет 50-77 кг на 1000 кг чистого ниобия, снижается содержание ниобия в шлаке. При этом увеличение количества стружки более 1,6% от массы пентаоксида ниобия не приводит к дополнительной экономии первичного пентаоксида ниобия, а при увеличении количества стружки более 1,8% от массы пентаоксида ниобия (2,7% в опыте 5) выход металла на восстановительной плавке снижается до уровня прототипа, эффект доизвлечения ниобия из шлака не проявляется. Причина снижения экономических показателей процесса восстановления при увеличении количества подгружаемой стружки (более 1,8% совместно с 4,5% возгонов) заключается в том, что при большем количестве стружки теплоты реакции восстановления, часть которой затрачивается на нагрев и плавление оборотов, становится недостаточно для обеспечения высокой жидкотекучести шлака и металлического расплава, тем самым ухудшаются условия их разделения. Кроме того, из-за недостатка теплоты реакции при содержании стружки 2,7% происходит недостаточное усвоение оборотов, вследствие чего ухудшается качество черновых слитков ниобия: на поверхности слитков наблюдается наличие выступающих нерасплавленных кусков оборотов, препятствующих полному удалению шлака с поверхности при ее механической зачистке. При подаче стружки на восстановительную плавку в количестве менее 1,1% отличия технико-экономических показателей от прототипа не выявлено.

Следовательно, оптимальными с точки зрения качества продукции и экономических показателей являются варианты, соответствующие опытам 1-4, т.е. подгрузка на восстановительную плавку ниобия стружки в количестве 1,1-1,8% совместно с возгонами в количестве не более 4,5% от массы пентаоксида ниобия.

Содержание ниобия и примесей в слитках опытно-промышленных плавок после 1-го электронно-лучевого переплава находилось на уровне характеристик рафинированных слитков 1-х электронно-лучевых переплавов черновых слитков, полученных по прототипу. Готовые слитки рафинированного ниобия, полученные путем двукратного электронно-лучевого переплава черновых слитков, полученных по прототипу, соответствовали предъявленным техническим требованиям. Количество рафинирующих электронно-лучевых переплавов в связи с подгрузкой стружки на восстановительную плавку не увеличилось.

Таким образом, представленные результаты свидетельствуют, что заявленный способ переработки отходов ниобия обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в получении металла, соответствующего установленным требованиям, а также снижение себестоимости изготовления металла, полученного с использованием отходов ниобия (стружка, возгоны), за счет повышения извлечения ниобия в слитки восстановительной плавки и снижения расхода первичного пентаоксида ниобия.