Технология получения ферробора

Алюминотермический способ. Производимый ферробор по химическому составу должен удовлетворять требованиям ГОСТ 14848-69 (табл. 17.3).

Таблица 17.3.Химический состав, %, алюминотермического ферробора

Марка по ГОСТ 14848-69	В, не менее	Si	Al	C	S	P	Cu
ФБ20		≤2	≤3	≤0,05	≤0,01	≤0,015	≤0,05
ФБ17		≤3	≤5	≤0,20	≤0,02	≤0,03	≤0,10
ФБ17А		≤4	≤0,5		–	–	–
ФБ10		7–15	8–12	–	–	–	–
ФБ10А		≤5	8–12	–	–	–	–
ФБ6		≤12	6–12	–	–	–	–
ФБ6А		≤5	6–12	–	–	–	–

Для получения ферробора и его сплавов наиболее широко применяется электропечная плавка на блок. Основная часть шихты при выплавке ферробора марок ФБ17 и ФБ10 включает боратовую руду и стружку вторичного алюминия (0,1% С, 5% Si, 0,01% S; сл. – Р; 7% Cu). Железотермитный осадитель состоит из железной окалины (0,2% С; 1,2% Si; 0,02% S; 0,03% P и 0,12% Cu) и стружки вторичного алюминия. Доля железного осадителя составляет 20–23% от общей массы шихты. Запальная смесь включает обожженную боратовую руду, железную окалину и вторичный алюминий. Примерные составы шихты для выплавки ферробора приведены в табл. 17.4.

Таблица 17.4.Состав шихты для получения алюминотермического ферробора (числитель – т, знаменатель – %)

Компонент	Запальная смесь	Основная смесь	Осадитель
Боратовая руда	1,25/11,62	92,5/81,86	6,25/13,34
Железная окалина	6,25/58,14	–/–	30,0/64,03
Алюминиевый порошок	2,00/18,62	20,5/18,14	10,6/22,63
Железная стружка	1,25/11,62	–/–	–/–
Всего	10,75/100	113,0/100	46,85/100

Ферробор выплавляют в электропечи мощностью 100 кВ∙A. Металлоприемник футеруют магнезитовым кирпичом. Ванну печи, установленную на тележке, закатывают под электроды. Плавку можно разделить на три периода: образование расплава, восстановление оксидов и обработка шлака осадителем.

Полученный ферробор содержит 10–11% В; 7–12% Si; 0,03–0,2% Al. При этом расходуется на 1 т сплава (базовое содержание бора 5%) 1200 кг обожженной руды, 500 кг вторичного алюминия в виде стружки и 60-70 кг алюминия в виде чушек, 130 кг стальной стружки, 380 кг окалины, 20 кг извести при расходе электроэнергии 500 кВт∙ч. Извлечение бора 60–65%. Шлак имеет следующий состав, %: 6–10 В₂О₃; 0,6–1,2 SiO₂; 10–14 CaO; 3–7 MgO; 2–4 FeO; 65–73 Al₂O₃. Минералогический состав шлака следующий: корунд (a-Al₂O₃), гексаалюминат кальция (CaO∙6Al₂O₃), шпинель (MgO∙Al₂O₃), алюминаты кальция (CaO∙2Al₂O₃ и CaO∙Al₂O₃) и бораты кальция (2CaO∙B₂O₃; CaO∙B₂O₃). В состав стекла входят оксиды кальция, бора, алюминия; кроме того, наблюдается до 5% включений ферробора. Плотность шлака составляет 3,58-3,94 г/см³.

Материальный и тепловой балансы выплавки ферробора алюминотермическим процессом приведены в табл. 17.5.

Плавка ферробора возможна и в наклоняющейся печи с выпуском сплава и шлака. Это позволяет использовать для следующей плавки разогретую ванну печи, способствует снижению расхода огнеупоров и цикла плавки.

Карботермический способ. Традиционно ферробор получают дорогим алюминотермическим способом восстановления В₂О₃ порошком алюминия. Вместе с тем, при выплавке сталей многотоннажного сортамента с содержанием 0,2–0,5% С целесообразно применять высокопроцентный ферробор (20–28% В), получаемый по карботермической технологии*.

Таблица 17.5.Материальный баланс плавки ферробора в электропечах на блок с использованием борного ангидрида

Задано	Количе- ство, кг	Получено	Количе- ство, кг
Борный ангидрид (93 % В2О3)		Ферробор (21,77% В)
Железная руда (90% Fe2O3)		Шлак сливной (9,43% В2О3)
Алюминий (99,2% Al)		Шлак надблочный (10,6% В2О3)
Известь (88% СаО)		Подина (12,7% В2О3)
Периклазовый кирпич		Пыль газохода (28,1% В2О3)
Итого		Итого

Тепловой баланс плавок ферробора в электропечах на блок с использованием борного ангидрида

Приход тепла	%	Расход тепла	%
Химические реакции		Тепло шлака	49,2
Электроэнергия	21,3	Тепло ферробора	16,7
Реакции образования ин- терметаллидов и шлака	9,7	Дегидратация ангидри- да	0,5
		Тепло, аккумулирован- ное электропечью	24,2
		Потери тепла излуче- нием	8,4
Итого		Итого

Бор, как микролегирующий элемент, даже при небольших добавках в стали оказывает большое влияние на комплекс механических свойств и способствует экономии дорогих и дефицитных легирующих элементов, минерально-сырьевых и энергетических ресурсов. Бор влияет на прокаливаемость стали, причем это проявляется наиболее значительно при концентрациях его в твердом растворе в пределах 0,001-0,004%. Поэтому можно использовать ферробор с 20% бора и содержанием углерода до 6% (табл. 17.6).

Карботермическая технология получения ферробора основана на использовании попутных материалов производ-

________________________

* Гасик М.И., Порада А.Н., Кисельгоф О.Л. и др. /Разработка и промышленное освоение технологии выплавки высокопроцентного ферробора карботермическим способом //Сталь, 1995. – № 3 . – С. 31–34.

ства карбида бора (В₄С). Шихта для плавки ферробора состоит из борсодержащих материалов, в которых бор содержится в виде В₄С, а также окалины Fe₃O₄ и нефтекокса. С учетом соответствующей стехиометрии участвующих компонентов шихты, химизм процесса можно описать реакциями:

В₄С + Fe₃O₄ + C = Fe₂B + CO,

В₄С + Fe₃O₄ + C = FeB + CO.

Таблица 17.6. Требования к химическому составу карботермического ферробора (ТУ 3-05-00222226-40-93, Украина)

Наименование показателей	Норма для марок
ФБ10	ФБ20
Массовая доля бора, %, не менее
Массовая доля кремния, % не более
Массовая доля алюминия, %, не более
Массовая доля углерода, %, не более
Массовая доля серы, %, не более	0,02	0,02
Массовая доля фосфора, %, не более	0,03	0,03
Массовая доля меди, %, не более	0,1	0,1

При использовании попутного материала – уловленной в рукавных фильтрах пыли В₂О₃ без применения содержащих В₄С компонентов процесс можно представить реакциями:

В₂О₃ + Fe₃O₄ + C = Fe₂B + CO,

В₂О₃ + Fe₃O₄ + C = FeB + CO.

Относительно низкие температуры начала реакций объясняются образованием в продуктах реакций термодинамически прочных химических соединений Fe₂B (8,79% В и 91,2% Fe) и FeB (16,17% В и 83,8% Fe). Энтальпия образования Fe₂B ∆Н = –71,06 Дж/моль, а FeB ∆Н = –71230 Дж/моль.

Наряду с окалиной для снижения удельного расхода электроэнергии в шихтовых смесях рекомендуется использовать железную стружку.

Удельные расходы шихтовых компонентов (в кг) и электроэнергии (в кВт×ч/т) на получение ферробора с 20% В приведены ниже:

Попутный В4С-содержащий материал (фракция минус 63 мкм)
Шлам карбида бора	34,5
Возвратные отходы ферробора предыдущих плавок
Железная окалина
Железная стружка
Электроэнергия

Полученный ферробор содержит 21,6–24,9% В, 0,3–0,8% С, 0,1–0,2% Si, 0,3–0,7% Al, 0,003–0,004% S, 0,012–0,018% Р.

Присадка ферробора в предварительно раскисленную сильным раскислителем (алюминием) сталь обеспечивает высокое усвоение бора (до 70%) при стабильном его содержании (0,0020–0,0025% В).