Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:патенты / Сборник патентов_4022
.pdf
4.
Наибольшее извлечение кремния, титана и циркония наблюдается при образовании шлаков, в которых
одновременно выполняются следующие условия: (а) эквиваленты кремнезема равны или превышают сумму
эквивалентов других кислотных компонентов, (б) сумма эквивалентов оксида алюминия, извести и оксида
магния равна или превышает 75 процентов от эквивалентов кремнезема, а (в) эквиваленты оксида алюминия
равны или превышают 85 процентов от суммы эквивалентов извести и оксида магния.
5.
При содержании в основных продуктах, богатых известью, определенное количество оксида алюминия теряет
свои основные свойства и становится слабокислым, причем это количество нейтрализует более сильные
основания, известь и магний.
В этих обстоятельствах 70 и в той мере, в какой это обусловлено избытком сильнодействующих оснований,
которые необходимо нейтрализовать, оксид алюминия следует рассматривать как слабую кислоту.
Количество оксида алюминия, превышающее необходимое для достижения равновесия между кислотами и
основаниями, можно считать слабоосновным.
6.
Силикаты (или титанаты или цирконаты) извести и оксида магния в расплавленной реакционной смеси
гораздо менее благоприятны для восстановления кремнезема (или оксидов титана или циркония), чем
силикаты (или титанаты или цирконаты) оксида алюминия, и особенно самого оксида алюминия, и влияют на
извлечение кремния (или титана или циркония) соответственно.
7.
В целях экономии шихта должна содержать кремнезем в достаточном количестве, превышающем
необходимое для производства кремния, чтобы он являлся крупнейшим кислотным компонентом шлака.
Однако присутствие борной, титановой, оксидной и подобных слабых кислотных оксидов не оказывает
заметного влияния на количество извлекаемого кремния, и эти слабые кислотные оксиды в значительной
степени стабилизированы оксидом алюминия.
8.
Титан и цирконий восстанавливаются, когда их оксиды замещают то количество кремнезема, которое
используется в соответствии с изобретением для получения 100 кремния; и посредством этих замещений
легко получают сплавы металл-титан и металл-цирионий, которые обладают влиянием и соотношением по
отношению к углероду, кислороду и сере, аналогичными таковым у кремния и металл-кремниевых сплавов.
9.
При содержании в кислых средах, богатых кремнеземом, борсодержащие оксиды титана и циркония
превращаются из слабых кислот в слабые основания (110) в той же степени и с той же целью, что и при
превращении оксида алюминия, описанном в статье 5 выше, но в обратном порядке.
В этих условиях, следовательно, и в той степени, которая предписана избытком нейтрализуемого кремнезема
в 1 фунт, оксиды ионов железа, титана и циркония обладают слабощелочным действием, в то время как
любые количества, превышающие необходимые для стабилизации кислот и оснований, вновь обретают или
сохраняют свои кислотные свойства.
10.
Упомянутые ранее цветные металлы и их оксиды поглощают и растворяют кремний, титан и цирконий в
процессе восстановления в печи 12.
Таким же образом, как и железо, и, таким образом, увеличивая их удельную плотность, осаждает их в этом
состоянии раствора в ванне сплава, которая собирается под шлаком. 13() Мы подвергаем плавке в любом
подходящем типе печи, которая при желании может иметь углеродистый под или футеровку, загружаемую
углеродистым восстановителем, кремнеземом и/или силикатами (или оксидами титана и/или титанатами или
оксидами циркония и/или цирконатами), материалами, содержащими кислород, и легирующими металлами (с
железом или без него) и флюсами, соответствующим образом компаундированными и
пропорционированными для получения шлака в соответствии с фактами, указанными в вышеприведенном
списке, в частности, в статье (4).
При дозировании компонентов шихты углеродистый восстановитель 80 можно использовать в значительном
избытке, не опасаясь попадания вредного количества углерода в конечный сплав, не только потому, что
кремний, цирконий и титан нелегко соединяются с 85 углеродом, но и, как мы обнаружили, по той причине, что
оксид алюминия при контакте с достаточно горячим углеродом восстанавливается до алюминия, который, в
свою очередь, реагирует с диоксидом кремния в расплавленном флюсе, снова превращаясь в 90 оксид
алюминия и выделяя кремний.
Предпочтительно, чтобы в печи находилось небольшое количество расплавленного шлака от предыдущей
операции, чтобы новая загрузка могла опуститься в нее и, таким образом, защититься от атмосферы.
Предпочтительно, сырье перерабатывают в куски или брикеты, предварительно измельчив и тщательно
перемешав ингредиенты, используя смолу, минеральное масло или аналогичные вещества известным
способом в качестве углеродистого восстановителя; это также служит связующим веществом для
формирования из сырья желаемых кусков или брикетов.
105 Процесс плавки может быть продлен на короткое время после прекращения выделения газов, а образец
шлака после охлаждения имеет светло-серый, почти белый цвет.
110 Мы также обнаружили, что среди практических применений настоящего изобретения: (а) Композитные
сплавы, такие как железо-кобальт-никель-кремний, железо-хром-молибден-вольфрам-кремний,
железо-марганец-цирконий-кремний и подобные четвертичные и более сложные сплавы, содержащие
кремний, железо и два или более цветных металлов, получают в гомогенном состоянии путем плавки шихты
из смешанных руд, штейнов, штейнов и тому подобного (которые были обожжены, если содержат мышьяк или
серу), кремнеземного материала, углеродистых восстановителей и флюсов в такой пропорции, чтобы они
соединялись с земной материей и образовывали шлаки, как указано выше.
(b) Металлокремниевые сплавы, содержащие два или более компонентов, имеющих одинаковые свойства.
130 Согласно настоящему изобретению, вышеупомянутые выводы или законы применяются к процессу
восстановления или регенерации для получения, с помощью углеродистого восстановителя,
низкоуглеродистых сплавов кремния, титана или циркония или их примесей с любым легколегирующим
металлом или металлами. Как указано выше, таким металлом или металлами могут быть кобальт, медь, хром,
железо, молибден, никель, тантал, торий, вольфрам, уран и ванадий с марганцем или без него.
На странице 565 своей книги «Электрометаллургия» (3-е издание, 1903 г.) доктор Борчерс утверждает, что
низкоуглеродистые металло-кремниевые сплавы известных металлических элементов можно получить путем
восстановления оксидов металлов и кремнезема углеродсодержащим восстановителем в электропечи.
Однако такие процессы приводят к расточительству металлов (включая кремний, цирконий и титан),
содержащихся в шихте печи, а также к расточительству тепла, необходимого для получения сплава с
содержанием кремния более 9 процентов. В то время как наш процесс позволяет получать достаточно
экономичные сплавы, содержащие 9 и более процентов кремния, циркония, титана или их примесей.
Хотя наше изобретение в основном заключается в производстве этих сплавов в указанных условиях, мы
знаем, что аналогичные сплавы, рассматриваемые как продукты других процессов, известны, и поэтому мы не
считаем сами продукты новыми, если они не получены нашим способом.
Когда в конечный сплав вводят марганец, он находит особое металлургическое применение, например, для
раскисления и обессеривания пульпы, особенно если содержание марганца составляет один или более
процентов. Безусловно, десульфурирующее действие марганца хорошо известно, но особые
марганцевообогащенные сплавы, созданные по нашему изобретению, удивительно эффективны. Фактически,
мы обнаружили, что сплав железа, циркония, кремния и марганца с титаном или без него более эффективен
для целей раскисления и удаления серы, чем даже сплавы на основе зеркального железа и ферросплавы
марганца или кремния.
556 Что касается источника легирующих металлов, мы обнаружили это на основе накопленного опыта, и это
следует из вышеупомянутых фактов.
Если обеспечить правильное смешивание и пропорционирование флюсующих материалов, то можно
получить удовлетворительные результаты независимо от того, являются ли легирующие металлы рудами,
оксидами металлов или просто шлаками и металлургическими отходами, содержащими необходимые
металлы.
При практическом применении нашего изобретения химические характеристики, такие как наличие сильных
раскисляющих свойств или аналогичное влияние на удаление или минимизацию негативного воздействия
серы, позволяют достичь лучших результатов, чем сплавы, имеющие только один такой компонент, отчасти
благодаря непрерывному и равномерному действию, обеспечиваемому наличием нескольких силицидов и их
различными температурами плавления. Примерами таких сплавов, которые легко получить этим методом,
являются:
Железо-марганец-цирконий-кремниевые сплавы с добавлением меди или титана или без них.
(При использовании вышеуказанных методов для обескислорождения или десульфуризации, разумеется,
необходимо поддерживать хорошо известные благоприятные температуры и шлаки).
(c) Медно-кремниевые сплавы, используемые для раскисления при производстве меди или медных сплавов, а
также их отливок, легко и дешево производятся этим процессом. Целесообразно подготовить восприимчивый
шлак путем плавления алюмосиликата, например, глины или шлака, оставшегося после предыдущей
операции, в который затем загружают брикетированную смесь кремнезема, эмальмонового вещества и
флюсов, образующих шлаковый состав, указанный выше. Затем брикеты из диоксида кремния, углерода и
флюса покрываются брикетированной реакционной смесью оксида меди, углеродистых веществ и флюсов,
как описано (в других испытаниях вместо брикетов из оксида меди использовали очищенную медную стружку
или лом). Из-за своей удельной плотности расплавленная медь, образующаяся в результате восстановления,
или лом, медленно опускается через реагирующую смесь кремнезема и углерода, растворяясь в ней или
поглощая ее по пути (см. факт 10 выше), которая, из-за своей удельной плотности, медленно поднимается
вверх.
Таким образом, медь и кремний в легированном состоянии опускаются и накапливаются под слоем шлака
толщиной 46 мкм.
(d) Руды указанных цветных металлов, бедные оксидами металлов или отбракованные и не находящие
применения в торговле из-за неприемлемого содержания фосфора, косвенно представляют собой хороший
источник для получения желаемых металлов посредством этого процесса. Например, высокофосфорные
марганцевые руды, которых много в Бразилии и других странах, были выплавлены с использованием
реагента, содержащего углерод, при этом применялся обратный метод хорошо известной практики, в
результате которой железо и практически весь фосфор восстанавливались, а металл, особенно подходящий
для основных процессов рафинирования, был получен в результате производства ценного фосфоритового
шлака. В результате восстановительной обработки значительная часть марганца с небольшим количеством
железа и практически без фосфора перешла в шлак, из которого он был легко извлечен описанным здесь
способом в виде чрезвычайно богатого и чистого марганцево-кремниево-железного сплава.
(e) Еще одно и особенно полезное применение данного изобретения заключается в использовании его в
качестве части усовершенствованного процесса экономичного производства железосодержащих сплавов,
имеющих суммарное содержание углерода и кремния менее 1,0 процента. В данной области техники
известно, что для получения сплавов этого класса восстанавливаемые материалы, из которых должны быть
получены легирующие металлы, должны использоваться в таком избытке по сравнению с теоретическими
требованиями (указанными в химических уравнениях реакций), чтобы в результате реакции с подходящим
восстановителем образовывались шлаки, очень богатые легирующими металлами, и до сих пор наличие
такого большого количества металла в шлаках представляло собой значительную потерю.
Однако, согласно настоящему изобретению, практически все легирующие металлы, содержащиеся в таких
шлаках, извлекаются, 90 и поэтому при производстве железосодержащих сплавов, как указано выше, мы
используем значительный избыток восстанавливаемых материалов для плавки с восстановителем, и
фактически мы предпочитаем использовать значительный избыток, поскольку полученный шлак, богатый
легирующим металлом, обрабатывается в соответствии с настоящим изобретением для извлечения
содержащегося в нем металла в виде восстановителя. Особый интерес представляет полезность настоящего
изобретения в связи с производством железосодержащих сплавов, содержащих кобальт, хром, марганец,
молибден, вольфрам и тому подобные элементы. Например, при производстве рафинированных
железо-хромовых сплавов всех классов, видов и с различным содержанием хрома мы можем действовать
следующим образом: Сначала мы плавим хромосодержащий шлак или хромит или их смеси с подходящим
источником кремния, таким как диоксид кремния, избыток углерода и флюсы, все в таких пропорциях, чтобы
получить железо-хромо-кремниевый сплав и шлак, как указано выше, в частности, в статье (4).
115 Во-вторых, мы используем этот железо-хромо-кремниевый сплав в качестве восстановителя, который
плавится с избытком хромита, в результате чего получается желаемый рафинированный
железо-хромо-кремниевый сплав и шлак, богатый хромом. Наконец, мы используем этот хромосодержащий
шлак в повторении первой итерации, что делает процесс циклическим. Для этих двух операций мы можем
использовать две отдельные печи; первая может быть электрической печью, покрытой углеродными
материалами или другим подходящим материалом, вторая — предпочтительно с подушкой из углеродных
материалов и внутренней поверхностью. Для обеспечения активной реакции при высоких температурах во
второй печи при использовании железо-хром-кремниевого сплава в качестве восстановителя мы
предпочитаем, чтобы содержание кремния в восстановителе превышало 15 процентов. Следует понимать,
что подходящие флюсы, такие как известь, флюорит, бура и тому подобное, добавляются к хромиту для
заполнения печи на втором этапе, а также что при производстве нержавеющей стали, железа и сплавов,
богатых железом, реакция происходит над ванной из расплавленного соответствующим образом очищенного
железа или стали, которая может быть покрыта обычным неокисляющимся известковым защитным шлаком.
Металлическая ванна может быть частично или полностью очищена от углерода, кремния, фосфора и серы
перед использованием во втором, т.е.
Операции по легированию и рафинированию 2 0 выполняются способами, хорошо известными в электропечах
и других областях, а соответствующие добавки для обогащения и деоксидации могут быть внесены до и после
выпуска расплава.
Под термином «эквиваленты» следует понимать химические эквиваленты или молекулярные массы, которые
представляют собой молекулярные массы, деленные на валентность.
Датировано 6 ноября 1924 года.
Для Р. У. Стимсона и У. Борчерса, White, Lanoner, Stevens & Parry, дипломированных патентных поверенных,
Jessel Chambers, 88-90, Чансери-лейн, Лондон, W.C. 2, и 177, Уильям-стрит, Нью-Йорк, США.
ПОЛНАЯ СПЕЦИФИКАЦИЯ.
Усовершенствования, касающиеся производства сплавов.
Мы, Роберт Викершем Стимон, проживающий по адресу: Вест 56-я улица, 17, Нью-Йорк, штат Нью-Йорк,
Соединенные Штаты Америки, гражданин Соединенных Штатов Америки, и Вильгельм Борцимес,
проживающий по адресу: Людвигс-аллея, 15, Ахен, Германия, гражданин Германской Республики, настоящим
заявляем о характере данного изобретения и о способе его осуществления, которые будут подробно описаны
и установлены в следующем заявлении:
Настоящее изобретение относится к производству сплавов, в которых любое количество металлоидов —
кремния, титана и циркония — соединено с любым количеством смешивающихся металлических элементов,
например, кобальтом, медью, хромом, железом, марганцем, молибденом, никелем, танталом, торием,
вольфрамом, ураном и ванадием, — при этом главной целью является производство сплавов с помощью
нового или усовершенствованного «процесса прямого восстановления», в котором металлические
компоненты могут быть извлечены с использованием углеродистых раскислителей из источников, которые до
сих пор считались нецелесообразными и невыгодными, а именно: металлоносных шлаков, побочных
продуктов и некоммерческих агрегатов соединений и руд, хотя изобретение в равной степени применимо и
включает использование коммерческих руд, металлоносных концентратов, агрегатов соединений и
окисленных металлических соединений. «Процесс прямого восстановления, как будет понятно, — это
процесс, в котором все компоненты металлического продукта извлекаются из смеси восстанавливаемых
материалов, содержащих различные металлы, и в случае настоящего изобретения это процесс, в котором
металлоидные и металлические элементы одновременно извлекаются из смеси, которая включает
восстанавливаемое вещество, содержащее соединения любого количества металлоидов: кремния, титана и
циркония, а также восстанавливаемое вещество, содержащее соединения металлов, которые с ними
смешиваются».
Углерод, алюминий и кремний являются восстановителями, обычно используемыми в данной области
техники. 85 Из них углерод является наименее дорогим и наиболее эффективным, но железистые сплавы,
полученные в его присутствии, поглощают процентное содержание углерода, приближающееся к содержанию
углерода в чугуне, и относятся к классу 90, известному как «железистые сплавы» или «легированный чугун».
Следовательно, другие реагенты используются, когда целью является непосредственное производство
«специальных сталей» или «легированных сталей», имеющих содержание углерода ниже 2,20% от агрегатов.
Изобретение относится конкретно к производству сплавов типа, определенного в первом абзаце, которые
содержат более 1,00% любого количества из 100 указанных металлоидов и относятся к низкоуглеродистым
или сталелитейным маркам, определенным в последнем абзаце, и которые в дальнейшем будут
обозначаться и пониматься в данном описании и прилагаемых пунктах формулы изобретения как «указанные
сплавы».
Поскольку восстановление материалов, содержащих кислородсодержащие соединения цветных
металлических элементов (например, хромита), углеродсодержащими веществами нецелесообразно, когда
целью является непосредственное извлечение низкоуглеродистых сплавов, обычно используются
восстановители, содержащие алюминий или кремний. В массовом производстве было установлено, что
алюминий редко извлекается более чем на 70%, а кремний редко извлекает более 40% цветного металла,
содержащегося в рудах, тогда как выход металла, достигаемый с помощью углеродсодержащих реагентов,
обычно превышает 90% от общего количества. Поэтому, чтобы минимизировать потери металла, вызванные
использованием алюминия или кремния, принято смешивать руду со шлаками, образующимися в результате
реакций, и включать такие смеси металлоносных материалов в последующие загрузки печи, подлежащие
восстановлению углеродистым веществом, благодаря чему металл в значительной степени извлекается, но в
высокоуглеродистом состоянии. Из вышеизложенного следует, что лишь часть металла, получаемого из руд
цветных металлов, извлекается в виде низкоуглеродистых продуктов.
Давно известно, что кремний, титан и цирконий обладают свойством снижать растворяющую способность
железосодержащих сплавов по отношению к углероду, и теперь мы обнаружили, как усилить и увеличить
раскисляющую способность углерода при его выплавке с кислородсодержащими соединениями этих
элементов. Необходимые условия: тесное присутствие кислородсодержащих соединений (а) любого
количества этих металлоидов и (б) любого количества металлов, предпочтительно, но не обязательно
состоящих из железа или включающих его в состав, а также (в) определенного флюсующего вещества, как
описано здесь, и (г) реактивная температура, т.е.
при температуре, превышающей 1200 °C. С помощью данного изобретения «указанные сплавы» могут быть
получены непосредственно при плавке смеси соответствующих восстанавливаемых материалов с
углеродистым веществом без добавления к металлическим продуктам большего количества углерода, чем
содержится, например, после растворения высококачественного ферросилиция в легированных сталях.
Изобретение в значительной степени основано на результатах экспериментов, проведенных с целью
использования шлаков и других металлосодержащих отходов в качестве источников для извлечения
металлических элементов в низкоуглеродистом состоянии, и в частности таких металлов, как хром, которые
образуют стабильные карбиды, способные оставаться твердыми при обычных температурах
сталеплавильного производства. Вкратце, эксперименты выявили следующий закон, касающийся «указанных
сплавов»: выбор флюсов и их количество, добавляемые в процессе плавления, оказывают существенное
влияние на (а) количество кремния, титана и циркония, которые могут быть извлечены с помощью углерода,
(б) содержание углерода в металлических продуктах и (в) количество независимой тепловой энергии, которое
необходимо приложить для начала и завершения реакции извлечения. Иными словами, было обнаружено, что
различное количество металла извлекалось из равных количеств одних и тех же материалов и в одинаковых
условиях 70 с точки зрения применения и потребления независимой тепловой энергии, когда для улучшения
жидких свойств шлаков использовались различные флюсы.
Впоследствии было обнаружено, что существуют определенные постоянные соотношения между химическим
составом конечных шлаков, с одной стороны, и количеством металлизированных материалов, а также
количеством независимого тепла, поглощенного при осуществлении реакций, с другой стороны, и теперь мы
выяснили, как эти соотношения или принципы могут быть выгодно использованы в данной области техники.
Три важных принципа, выявленных в ходе вышеупомянутых экспериментов и других исследований,
направленных на извлечение больших количеств кремния, титана и циркония из их кислородсодержащих
соединений, заключаются в следующем:
(1) что конечный шлак не должен обладать ни сильно основным, ни сильно кислым характером; (2) что
преобладающий основной компонент конечного шлака сам по себе должен обладать лишь слабым, а не
сильным основным химическим характером; и (3) 95 что условия (1) и (2) должны сосуществовать.
Мы установили, что преобладающим основным компонентом конечных шлаков должен быть оксид алюминия,
с которым может быть связан оксид магния и другие основные оксиды.
И хотя основным флюсом может быть коммерчески чистый глинозем, целесообразно использовать
природные глиноземистые материалы, такие как корунд, бокситовые глины и полевой шпат, а также, в
особенности, глиноземистые шлаки от других металлургических операций, руды или агрегаты, содержащие
кислородсодержащие соединения желаемых металлических элементов, и пустую породу, богатую глиноземом
и кремнеземом.
Более конкретно, эксперименты, направленные на получение «указанных сплавов» путем одновременного
извлечения компонентов из смеси их 115 оксидов, установили следующие законы природы: (1). Если оксид
алюминия рассматривать как основной оксид, то из шихты печи (129), дающей основные конечные шлаки,
извлекаются большие количества кремния, титана и циркония, чем из эквивалентных шихт, дающих кислые
конечные шлаки.
(2). Что касается кремния, титана и циркония, то ни количества, которые извлекаются в условиях, приводящих
к образованию сильнощелочных конечных шлаков, ни количества, извлекаемые в условиях, приводящих к
образованию сильнокислотных конечных шлаков, не столь велики, как количества, извлекаемые в условиях,
приводящих к образованию слабощелочных и слабокислотных конечных шлаков.
(3). Химический состав шлаков 5as, в частности невосстанавливаемых соединений, оказывает большее
влияние, чем их химические свойства, на количество кремния, титана и циркония, которые могут быть
извлечены путем металлургического восстановления их оксидов. В условиях, приводящих к образованию
слабокислотных, нейтральных и слабощелочных конечных шлаков, наблюдаются вариации в количестве
извлекаемых элементов, при прочих равных условиях. Однако в 16 случаях, когда известь является
второстепенным, а не преобладающим основным компонентом слабокислотных, слабощелочных и
нейтральных конечных шлаков, степень извлечения металлоидов неизменно выше.
(4) Наибольшее извлечение кремния, титана и циркония сопровождается образованием конечных шлаков, в
которых одновременно соблюдаются следующие условия: (а) химическое количество диоксида кремния
превышает сумму 26 эквивалентов других кислых компонентов, и (б) сумма химических эквивалентов оксида
алюминия, извести и оксида магния составляет не менее 75% от эквивалентов диоксида кремния, а (в)
химическое количество оксида алюминия составляет не менее 85% от суммы эквивалентов извести и оксида
магния.
(5). При нахождении в щелочном шлаке определенная доля оксида алюминия теряет свои основные
химические свойства и становится слабокислотной, причем это количество необходимо для нейтрализации
более сильных оснований — извести и оксида магния. В этих обстоятельствах и в той мере, в какой это
обусловлено избытком сильнодействующих оснований, подлежащих нейтрализации, оксид алюминия следует
рассматривать как слабую кислоту. Количество оксида алюминия, превышающее необходимое для
достижения равновесия между кислотой и основанием, можно считать слабоосновным.
(6). Присутствие силикатов (или титанатов или цирконатов) извести и оксида магния в совокупности
реагирующих материалов гораздо менее благоприятно для восстановления несвязанного кремнезема (или
оксидов титана и циркония), чем алюмосиликатов (или алюмотитанатов или алюмоцирконатов), и особенно
самого оксида алюминия, и, соответственно, влияет на количественное извлечение кремния (или титана или
циркония).
(7). В целях экономии шихта в печи должна содержать кремнезем в достаточном количестве, превышающем
требуемое для получения кремния, чтобы он являлся наиболее кислотным компонентом конечных шлаков.
Однако случайное присутствие незначительных количеств борных, титановых, циркониевых и подобных им
слабокислотных оксидов не оказывает заметного влияния на количество извлекаемого кремния, и эти
слабокислотные оксиды легко нейтрализуются оксидом алюминия.
(8). Титан и цирконий извлекаются, когда их оксиды замещают по меньшей мере то количество кремнезема,
которое используется в соответствии с изобретением для получения кремния, и посредством этих замещений
получают титаносодержащие и цирконийсодержащие сплавы, которые обладают влияниями и связями по
отношению к углероду, сере и кислороду, аналогичными влияниям и связям кремния и кремнийсодержащих
сплавов.
(9). При содержании в кислых шлаках, богатых кремнеземом, борным титаном и оксидом циркония,
происходит переход от слабых кислот к слабым основаниям в той же степени и с той же целью, что и у оксида
алюминия, как указано в вышеупомянутой статье (5), хотя переход 8 и последующие свойства являются
обратными.
В этих условиях, следовательно, и в той степени, которая предопределена избытком нейтрализуемого
диоксида кремния, борные, титановые и циановые оксиды обладают слабоосновными свойствами, в то время
как количества, превышающие необходимые для достижения нейтрального состояния между кислотами и
основаниями, вновь обретают или сохраняют свои природные кислотные химические свойства.
(10). Перечисленные ранее смешиваемые металлы легко растворяются и соединяются с кремнием, титаном и
цирконием при одновременном извлечении из смеси материалов, содержащих их кислородсодержащие
соединения, и, благодаря обычно более высокой средней удельной плотности, легированные кремний, титан
и цирконий легко оседают на шлаках и собираются в виде металлических ванн.
Согласно настоящему изобретению, описанные выше природные законы применяются в процессе прямого
восстановления при производстве «указанных сплавов», и следует особо отметить, что в отличие от
предыдущих предложений известь не является основным компонентом наших конечных шлаков. На странице
565 своей книги «Электрометаллургия», 3-е издание (1903 г.), доктор В. Борчерс утверждает, что
низкоуглеродистые сплавы, содержащие кремний и металлические элементы, могут быть получены путем
выплавки оксидов металлов и кремнезема с углеродсодержащими восстановителями в электропечи.
Однако такие процессы являются расточительными с точки зрения извлекаемых металлических элементов и
тепловой энергии, если предпринимается попытка получить металл с содержанием кремния, превышающим
9% от общего количества. В то время как с помощью нашего настоящего процесса можно экономически
выгодно производить сплавы, содержащие более 9% любого количества металлоидов — кремния, титана и
циркония, — еще одним достижением является то, что практически все извлекаемые металлические
элементы, содержащиеся в шихте печи, извлекаются и восстанавливаются вместе с металлоидами.
Следует понимать, что в следующем иллюстративном плане эксплуатации процесса материалы, содержащие
соответствующие соединения титана и циркония, могут использоваться вместо восстанавливаемых
кремнезема и силикатов, а для упрощения описаний в дальнейшем будут упоминаться только соединения
кремния, поскольку цель и намерение заключаются в том, чтобы ссылки относились к соответствующим
соединениям титана и циркония и включали их.
При практическом применении изобретения мы можем использовать любой подходящий тип печи (например,
электропечь), которая предпочтительно имеет углеродистый под, и плавить в ней шихту, содержащую (а)
кремнезем, в состав которого могут входить соответствующие силикаты, (б) материалы, содержащие
восстанавливаемые соединения смешивающихся металлических элементов, (в) восстанавливающие агенты и
(г) флюсы, которые выбираются и пропорционируются по отношению к другим нереактивным, т. е. земляным
веществам в шихте печи таким образом, чтобы в результате реакции образовывался конечный шлак в
соответствии с принципами, упомянутыми в вышеприведенном списке статей, в частности, в статье (4).
Предпочтительно, печь содержит небольшое количество расплавленного глиноземистого неметаллического
вещества, такого как шлак от предыдущего плавления, чтобы новая загрузка могла опуститься в нее и тем
самым быть защищенной от атмосферы. Предпочтительно, шихта спрессована в комки или брикеты такого
размера, который наиболее подходит для быстрой загрузки, при этом ее ингредиенты измельчены или
перемолоты и тщательно перемешаны, а использование смолы, минерального масла, сахара, углерода или
другого клейкого углеродсодержащего вещества в качестве части 4.5 требуемого восстановителя также
служит связующим веществом или агглютинантом для удержания реакционноспособных материалов в
контакте друг с другом.
Для запуска 550 и осуществления химических реакций к заряду подводится независимая тепловая энергия.
Когда кипение, вызванное выходом газов, почти прекращается, мы можем добавить сжижающий флюс,
например, флюорит, буру и кислые оксиды, такие как кремнезем, а также повысить температуру ванны и
периодически подавать небольшие количества углеродистого вещества на шлак, пока он не станет серым, что
указывает на его неокисляющее и демиетированное состояние.
Что касается источников, из которых можно получить ранее перечисленные смешивающиеся металлические
элементы, мы обнаружили, что, исходя из вышеперечисленных принципов, выбор и пропорциональное
использование флюсования, а именно тщательное наблюдение за веществом, могут быть
удовлетворительными результатами независимо от того, являются ли источниками металлических элементов
товарные руды или агрегаты рудного класса, содержащие металлосодержащее соединение, или шлаки и
продукты переработки, содержащие кислородсодержащие соединения желаемых металлических элементов.
Что касается дозирования углеродсодержащих восстановителей, их можно использовать в значительном
количестве, превышающем теоретические требования, указанные в уравнениях реакций, без опасения, что
обычное количество углерода попадет в металлическую ванну. Низкокарбоновое состояние указанных
сплавов, полученных в соответствии с изобретением, может быть объяснено двумя причинами, поскольку
было установлено, что:
(I) Использование заданного количества углеродсодержащего реагента приводит к необычайно высокому
выходу металлоидов кремния, титана и циркония, и (II) часть металлоидов извлекается из их
кислородсодержащих соединений с помощью алюминия в зародышевой фазе.
Что касается причины (I): (a) — помимо более эффективного использования известных свойств металлоидов
по отношению к углероду, дополнительное значение увеличения количества кремния, титана и циркония,
извлекаемых с заданным количеством углеродсодержащего окислителя, заключается в следующем: (b) —
большая доля углерода фактически используется для целей реакции в соответствии с настоящим процессом;
и (c) — высокая температура, необходимая для жидкого алюминиевого шлака, усиливает окисление углерода
за счет его склонности к соединению с металлическими элементами, в то время как влияние высокой
температуры на кремний, например, 10.
ple не идентичны. Что касается причины (II):-Поскольку было установлено, что часть кремния, титана и ::rno
im:n извлекается посредством алюминия, предполагаемый результат массового действия заключается в том,
что часть углерода, которая в противном случае образовала бы металлические карбиды, расходуется на
восстановление оксида алюминия также, когда горячий зарождающийся алюминий реагирует, например, с
кремнеземом, алюминием, а не с 11.
Углерод находится в непосредственной близости от металлизированного элемента.
Что касается конечных шлаков, то из результатов реакций следует особо отметить, что, за исключением
незначительных количеств алюминия, которые могут либо улетучиваться в парообразном состоянии, либо
попадать в металлическую ванну, алюминий не отделяется от смеси реагирующих материалов и шлака, и в
конце плавки в конечном шлаке обнаруживается примерно такое же количество оксида алюминия, какое
первоначально присутствовало в печи или поступало в нее. Однако это не относится к диоксиду кремния 1
(для гнезда используется только кремний 130 на брикетах из оксида меди). Из-за своей удельной плотности
жидкая медь, выходящая из реагирующих материалов, или, возможно, расплавленный медный лом медленно
опускается через реагирующую смесь кремнезема и углерода и растворяется в кремнии или поглощает его по
пути (см. статью (10) выше), который из-за своей низкой удельной плотности медленно поднимается вверх. В
этом целостном состоянии медно-кремниевый сплав имеет удельную плотность 75, что заставляет его
опускаться сквозь шлак и накапливаться в металлической ванне, образующейся под ним.
(с). Руды и другие материалы, содержащие перечисленные ранее металлические элементы, которые после
обогащения или обработки, оказывающейся обогащенной, находят мало применения в данной области
техники из-за нежелательных металлических включений или нежелательных металлоидных примесей,
косвенно 8.5 представляют собой хороший источник для извлечения металлов с помощью этого процесса.
Например, подготовленные или обогащенные фосфорсодержащие марганцевые руды, которых много в
Бразилии и других странах, плавили с использованием углеродистых материалов и подходящих флюсов, но
обычные химические и термические методы были изменены (т. е. мы использовали кислоту вместо щелочи и
избегали сильных восстановительных условий и высоких температур, которые способствуют извлечению
марганца из его оксида), в результате чего оксиды железа и фосфора восстанавливались, в то время как
оксид марганца, практически не содержащий фосфора и лишь часть которого состояла из оксида железа,
переходил в неметаллический побочный продукт, или шлак, или поглощался им и удерживался в нем.
Таким образом был получен шлак, содержащий большее соотношение марганца к йолину, чем обычно
встречается в марганцевых рудах более высокого качества. Затем этот неметаллический вспомогательный
продукт подвергался описанному здесь процессу металлизации 110, в результате которого был получен
марганцево-железо-кремниевый сплав, чрезвычайно чистый и богатый марганцем, а также конечный шлак,
исключительно свободный от металлов и, следовательно, особенно подходящий для использования в
производстве цемента и искусственного камня. Кроме того, высокофосфористый чугун, извлеченный из
марганцевой руды, был очищен с помощью традиционной мартеновской технологии, в результате чего была
получена рафинированная углеродистая сталь и ценный высокофосфористый удобрительный шлак.
(д). Еще одно и особенно полезное применение изобретения заключается в том, что оно может служить
частью усовершенствованного циклического процесса для экономичного производства железосодержащих
сплавов, содержащих один или несколько легирующих элементов: кобальт, хром, марганец, молибден. 130
Эти элементы добавляются в металлическую ванну, но при преобладающей температуре незначительные
количества кремния сгорают в атмосфере на верхней поверхности шлака и образуют газообразное
соединение с серой, в этом состоянии оно также улетучивается в атмосферу. Таким образом, конечные шлаки
представляют собой превосходный флюс для использования в последующих плавках и требуют минимальной
обработки, за исключением добавления необходимых количеств соответствующего металлоносного
материала и кремнезема, которые могут использоваться в различных формах, таких как углеродистые
соединения и кремнеземистые шлаки, побочные продукты и агрегаты соединений, а также природные
материалы, такие как песок, кварц, кварцит и руды, имеющие пустую породу, богатую кремнеземом.
Хотя наше изобретение в основном заключается в производстве «указанных сплавов» в условиях, описанных
в настоящем документе, мы знаем, что аналогичные сплавы были получены с помощью других процессов, и
поэтому мы не считаем эти продукты новыми сами по себе, за исключением случаев, когда они производятся
с помощью нашего процесса.
Изобретение нашло широкое практическое применение, и среди них мы обнаружили, что: (а). Сплавы, такие
как железо-кобальт-никель-кремний, железо-хром-молибден-вольфрам-кремний,
железо-марганец-цирконий-кремний и подобные четвертичные и более сложные сплавы, содержащие
кремний и любое количество из перечисленных выше металлических элементов, могут быть получены в
низкоуглеродистом однородном состоянии путем плавки тщательно перемешанной шихты, состоящей из руд,
штейсов, штейнов и тому подобного (которые были обожжены, если содержат нежелательные летучие
элементы, например, мышьяк и сера), кремнеземистого материала, углеродистых восстановителей и флюсов
в таких пропорциях, которые будут соединяться с другими невосстанавливаемыми веществами в шихте печи
и образовывать конечный шлак, как описано и определено выше.
(б). С помощью этого процесса легко и дешево производятся медно-кремниевые сплавы, такие как
раскислители, используемые при производстве меди, сплавы, содержащие медь, и отливки из них.
Предпочтительно готовить восприимчивую неметаллическую ванну путем плавления природного
алюмосиликата, такого как глина или алюминиевый шлак, полученный в ходе предыдущей операции, в
которую затем подается брикетированная смесь кремнеземного углеродистого вещества и флюсующего
вещества, как описано выше. Затем брикеты из кремнезема, углерода и флюса покрываются
брикетированной реактивной смесью, состоящей из оксида меди, углеродистых материалов и флюсов, как
описано выше (в других испытаниях очищенная медная стружка или лом заменяли сплавы титана,
вольфрама, урана и тому подобного, которые содержат углерод!). Содержание кремния и других элементов,
составляющее менее 2,20%, а также суммарное содержание фосфора и серы, составляющее менее 0,50% от
общего количества заполнителей. В данной области техники известно, что для получения сплавов этого
класса методом прямого восстановления руды кислородсодержащие металлоносные материалы, из которых
извлекаются металлические компоненты, должны использоваться в таком избытке по сравнению с
Соседние файлы в папке патенты