DE3215369A1 - Verfahren zum erhoehen der ausbeuten im rahmen von metallothermischen prozessen - Google Patents

Description

Verfahren zum Erhöhen der Ausbeuten im Rahmen von metallothermischen Prozessen

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erhöhen der Ausbeuten im Rahmen von metallothermischen Prozessen, bei denen Gemische aus Metallen, Metalloxyden und Reduktionsmitteln gezündet werden, wobei Metallschmelzen und Schlackenschmelzen entstehen.

Die metallothermischen Prozesse, wie insbesondere das aluminosowie das silicothermische Verfahren zum Reduzieren von Metalloxyden zu Metallen, sind seit langem bekannt. So werden z. B. Chrommetall und Legierungen, wie Ferrovanadium (FeV) und Ferroniobium (FeNb), aluminothermisch und Ferromolybdän (FeMo) silicothermisch hergestellt. Ferrowolfram (FeW) wird aluminosilicothermisch hergestellt.

Der Ablauf solcher Verfahren vollzieht sich üblicherweise diskontinuierlich, und zwar wird ein fertig zubereitetes Gemisch aus Metalloxyd, Reduktionsmittel (Al, Si) und evtl. Metall (Fe) in ein ortsfestes oder verfahrbares Reaktionsgefäß eingebracht und gezündet. Hierzu verwendet man generell chemische oder elektrische Starter.

Ist die Zündung eingeleitet, so läuft die gewünschte Reaktion mit Vehemenz und hoher Geschwindigkeit ab; Eingriffe sind

praktisch unmöglich, da das Reaktionsgefäß aus Sicherheitsgründen mit einer möglichst dicht anliegenden Abzugshaube abgedeckt werden muß, um die heißen Abgase einer Gasreinigungsanlage zuführen zu können.

Nach 2 bis 4 Minuten hat sich die Metallphase von der Schlackenphase getrennt,und man läßt den Inhalt des Reaktionsgefässes abkühlen und erstarren. Frühestens nach Erkalten der Schlacke und des Metalls läßt sich gemäß dem Stand der Technik die Ausbeute lediglich ermitteln, während Maßnahmen zur Erhöhung derselben, wie bereits angedeutet, nicht möglich sind.

Die hier in Frage kommenden Metalloxyde sind teure Substanzen, die in den entsprechenden Erzen in zum Teil verschwindend geringen Konzentrationen vorliegen.

Das Ziel der Erfindung besteht demnach darin, ein Verfahren vorzuschlagen, das es erlaubt, die traditionellen Metallausbeuten in entscheidendem Maß zu verbessern. Dieses Ziel wird erreicht durch das erfindungsgemäße Verfahren, das vorsieht, ein Gemisch aus Metalloxyden und Reduktionsmitteln sowie evtl. Eisen zu zünden, wobei eine Metallschmelze sowie eine Schlackenschmelze entstehen, und das dadurch gekennzeichnet ist, daß man nach dem Abbrand die noch flüssige Schlacke zum Erhöhen ihrer elektrischen Leitfähigkeit mit einem geeigneten Mittel, vorzugsweise Flußspat, versetzt, daß man die Schmelze elektrothermisch erhitzt und sie während einem empirisch ermittelten

Zeitraum mit zusätzlichem Reduktionsmittel behandelt, bis nahezu das gesamte, noch in der Schlacke befindliche Metalloxyd umgesetzt und das entstandene Metall in die Metallphase abgewandert ist.

Der Grundgedanke, der zur Entwicklung des erfindungsgemäßen Verfahrens geführt hat, geht davon aus, daß es nicht sinnvoll ist, zum Beeinflussen der Ausbeuten bei einem metallothermischen Prozeß in die Prozeßphase einzugreifen, während welcher die eigentliche Reaktion abläuft. Viel ergiebiger muß es sein, wenn man diese Reaktion ablaufen läßt und die entstandenen Produkte zu einem Zeitpunkt, in welchem sie noch beeinflußt werden können, einer spezifischen Behandlung unterwirft. Dieser Zeitpunkt ist im wesentlichen dann gegeben, wenn sowohl die Metall- als auch die Oxydphase im flüssigen Zustand vorliegen. Die spezifische Behandlung besteht erfindungsgemäß in einer Nachreduktion der Schlackenschmelze unter Heizen und Umrühren.

So sieht das erfindungsgemäße Verfahren vor, daß man zum Erhitzen der Schmelze und zum gleichzeitigen Rühren der geschmolzenen Schlacke zumindest ein Elektrodenpaar in die Schlacke taucht und mit einem Zweiphasenstrom von etwa 65 V/12500 A versorgt, wobei man vorzugsweise wassergekühlte Graphitelektroden verwendet.

Die einzelnen Verfahrensschritte werden anhand der Beschreibung der Zeichnung erläutert, in denen die Fig. T, 2 und 3 scherna-

tische Darstellungen der einzelnen Prozeßphasen zeigen.

Fig» 1 zeigt ein Reaktionsgefäß 0, das auf nicht dargestellten Schienen verfahrbar angeordnet ist. Das Gefäß wird mit einem Gemisch 1 aus Metalloxyd, wie z. B. Nb205, Eisen in der Form von Pulver oder feinen Schrotten sowie Aluminiumpulver gefüllt. Das Gemisch 1 kann ein Gewicht von mehr als 3 t aufweisen.

Nach dem Verfahren des Reaktionsgefässes 0 unter eine heb- und senkbare Schutz- und Absaughaube 20 wird, wie in Fig.. 2 dargestellt, das Gemisch 1 gezündet. Hierbei reagiert der Gefäßinhalt heftig, die Haube 20 wird abgesenkt, nach 2 bis 4 Minuten angehoben und das heiße Gefäß rasch zu der nächsten, in Fig. 3 dargestellten Prozeßstufe verfahren.

Inzwischen ist die Reaktion abgeklungen, die Schlacken 2 und die Metallphase 3 liegen noch weitgehend in flüssiger Form vor. Die Schlacke 2 wird mit Calciumfluorid (CaF2) versetzt und dadurch ihre Leitfähigkeit erhöht. Dann werden in die Schlacken 2 ein oder mehrere Elektrodenpaare 30 eingetaucht, die mit einem Leistungstransformator 31 verbunden sind. Letzerer liefert einen Zweiphasenstrom von etwa 65 V/12500 A. Der nun folgende Prozeß begreift ein kontinuierliches elektrothermisches Heizen der Schlacken sowie des Metallbades nach dem bekannten ES-Modus, wobei es innerhalb der Schlacken zu einer ausgeprägten Bewegung kommt. In der Tat induzieren die von den Elektroden ausgehenden Magnetfelder in den leitfähigen

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Schlacken Ströme, die in Analogie zur Rührtechnik, so wie sie in den Stranggießkokillen üblich ist, wirken. Bei Versuchen, die zum Zweck hatten, das Heizen mit Hilfe starker Gasbrenner als Alternative zum elektrischen Heizen zu erproben, mußte festgestellt werden, daß die Schlacken wärmeisolierend wirken. Jedenfalls konnten die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens notwendigen Wärmemengen nur unter hohem Aufwand erzielt werden, so daß die Heizung über Elektroden sich als vorteilhafter erwies.

Zur praktischen Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gehört selbstverständlich eine Prozeßkontrolle. Erfindungsgemäß wird vorgesehen, daß man im Verlauf der Nachreduktion der Schlacken mit einem Reduktionsmittel Schlackenproben entnimmt und die Gehalte an nicht umgesetztem Reduktionsmittel sowie Metalloxyd ermittelt. In der Tat muß man das erfindungsgemäße Behandeln von Metalloxyden mit metallischem Aluminium oder Silizium sorgfältig durchführen, wobei insbesondere zu beachten ist, daß einerseits immer genügend Reduktionsmittel zur Verfügung steht, um die Nachreduktion aufrechtzuerhalten. Gleichzeitig ist die Verwendung von Überschüssen zu vermeiden, da eine hohe Aufnahme von Aluminium oder Silizium in dem herzustellenden Metall bzw. der Ferrolegierung nicht erwünscht ist.

Überschüsse an Aluminium bzw. Silizium garantieren zwar bei der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens hervorragende

Ausbeuten, doch geschieht dies auf Kosten der Qualität des Endproduktes, wenn dieses weder hoch Al- noch Si-haltig sein soll.

Jedenfalls ist es erfordert, den Zeitpunkt der Schlackenprobeentnahme sowie die Mengen der bereits erfolgten Zugaben festzuhalten und auf diesem Wege Erfahrungswerte zu sammeln, die es gestatten, das Verfahren ohne analytische Kontrolle durchzuführen und die Zugabe an Reduktionsmittel rein zeitmäßig zu regeln.

Die durch.das erfindungsgemäße Verfahren erzielbaren Vorteile lassen sich wie folgt zusammenfassen:

Betrachtet man beispielsweise die Herstellung von Ferroniob (FeNb) ausgehend von Nb2O5, Eisen und Aluminium, so sind gemäß dem Stand der Technik in den Schlacken rund 6 % Nb vorhanden. Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet es, den Gehalt an Nb in den Schlacken praktisch auf Null zu reduzieren, wobei man allerdings eine relativ hohe Al-Konzentration im Endprodukt in Kauf nehmen müßte. Sieht man jedoch von einer drastischen Nachreduktion ab, so lassen sich die Nb-Gehalte in den Schlacken auf 1,5 - 2 % verringern, ohne daß es zu qualitätskritischen Aufnahmen an Al im Endprodukt kommt. Somit können dank dem erfindungsgemäßen Verfahren Nb-Ausbeuten oberhalb 98 % erreicht werden. Die Nachreduktion gemäß der Erfindung dauert im vorliegenden Fall nur 20 - 35 Minuten.

Nicht unerheblich ist schließlich die Tatsache, daß das erfindunsgemäße Verfahren es gestattet, diese hohen Ausbeuten zu erreichen, ohne von dem traditionellen und unter bequemen Bedingungen durchführbaren "top-firing" abzuweichen, bei dem das Ausgangsgemisch von oben her gezündet wird.

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Claims (4)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Erhöhen der Ausbeuten im Rahmen von metallothermischen Prozessen zum Herstellen von Metallen sowie Ferrolegierungen, das vorsieht, ein Gemisch aus Metalloxyden, Reduktionsmitteln und evtl. Eisen zu zünden, wobei eine Metallschmelze sowie eine Schlackenschmelze entstehen, dadurch gekennzeichnet, daß man nach dem Abbrand die noch flüssige Schlacke zum Erhöhen ihrer elektrischen Leitfähigkeit mit einem geeigneten Mittel, vorzugsweise Flußspat, versetzt, daß man die Schmelze elektrothermisch erhitzt und sie während einem empirisch ermittelten Zeitraum mit zusätzlichem Reduktionsmittel behandelt, bis nahezu das gesamte, noch in der Schlacke befindliche Metalloxyd umgesetzt und das entstandene Metall in die Metallphase abgewandert ist.

2. Verfahren nach dem Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Erhitzen der Schmelze und zum gleichzeitigen Rühren der ge-

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schmolzenen Schlacke zumindest ein Elektrodenpaar in die Schlacke taucht und mit einem Zweiphasenstrom von etwa 65 V/12500 A versorgt.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß man wassergekühlte Elektroden, vorzugsweise aus Graphit, verwendet.

4. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man zum Verhindern einer übermäßigen Aufnahme von nicht umgesetztem Reduktionsmittel in die Metallphase im Verlauf des Behandeins der Schlackenschmelze mit einem Reduktionsmittel Schlackenproben entnimmt, den Zeitpunkt der Entnahme festhält und auf Grund der in den Proben ermittelten Gehalte an nicht umgesetztem Reduktionsmittel sowie Metalloxyd die Zugabe weiterer bestimmter Mengen an Reduktionsmittel vornimmt bzw. abbricht.