Перспективы получения и применения комплексных ниобиевых ферросплавов

В работе приведены сведения об областях применения ниобия и масштабах его производства в мире и РФ. Большинство ниобиевых месторождений России представлены пирохлоровыми, апатит-пирохлоровыми и колумбит-пирохлоровыми типами руд, которые содержат значительное количество фосфора. В связи с этим, все схемы обогащения данных руд содержат стадию дефосфорации, удорожающую продукт и снижающую степень извлечения ниобия. В работе изучена возможность усовершенствования сквозной схемы производства: ниобиевая руда – обогащение – ниобиевый ферросплав. Основная масса феррониобия предназначена для микролегирования стали и может быть заменена на комплексные ферросплавы с пониженным содержанием ниобия. Рассмотрены вопросы получения комплексных ниобиевых ферросплавов из бедного по ниобию чернового концентрата. Установлено, что добавка к двухкомпонентной металлической системе Fe ‒ Nb кремния (25 ‒ 40 %) или алюминия (12 ‒ 30 %) приводит к переводу ниобиевых ферросплавов из разряда тугоплавких в легкоплавкие материалы с температурой начала кристаллизации менее 1400 °С. Дано обоснование применения вместо феррониобия комплексного ниобиевого ферросплава, имеющего пониженное содержание ниобия и повышенное кремния или алюминия. Отмечаются более благоприятные служебные характеристики комплексного ферросплава по сравнению с феррониобием (температура начала кристаллизации и плотность), которые способствуют повышению степени усвоения ниобия при использовании комплексного ферросплава для микролегирования стали. Приводятся данные о возможности дефосфорации ниобиевых материалов методами пироселекции и возгонки фосфора в процессе высокотемпературной плавки с получением комплексных ферросплавов. Предложена усовершенствованная схема получения ниобийсодержащих ферросплавов с применением черновых ниобиевых концентратов, позволяющая проводить процесс выплавки с дефосфорацией и получением комплексного ферросплава с пониженным количеством ниобия и повышенным кремния (алюминия), который может более эффективно применяться для микролегирования стали.

1. Информационно-технический справочник по наилучшим доступным технологиям. ИТС 24-2017. Производство редких и редкоземельных металлов. Москва: Бюро НДТ, 2017. 202 с.

2. Быховский Л.З., Архипова Н.А. Рудная база стратегических редких металлов России: состояние, перспективы освоения и развития // Горный журнал. 2017. № 7. С. 4–10. https://doi.org/10.17580/gzh.2017.07.01

3. Dufresne C., Goyette G. The production of ferroniobium at the Niobec mine // Niobium, Science and Technology: Proceedings of the Int. Symp. Niobium 2001. Orlando, FL, United States, 2001. Code 62351. Р. 29–35.

4. Geologica U.S. Mineral Commodity Summaries. U.S. Geological Survey, Reston. 2016. Р. 117.

5. Волков А.И. Состояние и перспективы использования редких металлов в черной металлургии // Разведка и охрана недр. 2020. № 3. С. 11–18.

6. Нечаев А.В., Поляков Е.Г., Белоусов Е.Б., Пикалова В.С., Быховский Л.З. Минерально-сырьевая база ниобия России: приоритеты освоения // Минеральные ресурсы России. Экономика и управление. 2020. № 4‒5. С. 8‒15.

7. Silvestre L., Langenberg P., Amaral T., Carboni M., Meira M., Jordão A. Use of niobium high strength steels with 450 MPA yield strength for construction // HSLA Steels 2015, Microalloying 2015 and Offshore Engineering Steels 2015 Conf. Proceedings. 2015. P.931–939.

8. Никишина Е.Е., Дробот Д.В., Лебедева Е.Н. Ниобий и тантал: состояние мирового рынка, области применения, сырьевые источники. Часть 2 // Известия вузов. Цветная металлургия. 2014. № 1. С. 29–41.

9. Лисов В.И. Редкие металлы России: Ресурс технологических инноваций. Москва: ЦентрЛитНефтегаз, 2018. 509 с.

10. Мелентьев Г.Б. Перспективы обеспечения собственным редкометальным сырьем и развития производств феррониобия в России // Труды научно-практической конференции «Перспективы развития металлургии и машиностроения с использованием завершенных фундаментальных исследований и НИОКР: ФЕРРОСПЛАВЫ». Екатеринбург: Альфа-Принт, 2018. С. 36–46.

11. Paraiso-Fo O.D.S., Fuccio R., Betz E.W. Mining, ore preparation and niobium based materials production at Araxа, Brazil. High Temperature Materials and Processes, 1993. Vol. 11. No. 1–4. Р.119–138.

12. Alves A.R., Coutinho A.R. Life cycle assessment of niobium: A mining and production case study in Brazill // Minerals Engineering. 2019. Vol. 132. P. 275‒283.

13. Wang G., Du Y.X., Wang J.S., Xue Q.G. Carbothermic reduction behaviors of Ti–Nb-bearing Fe concentrate from Bayan Obo ore in China // International Journal of Minerals, Metallurgy and Materials. 2018. Vol. 25. No. 1. P. 28‒36. https://doi.org/10.1007/s12613-018-1543-5

14. Zhang Q.F. Analysis on mineralogical characteristics of niobiumbearing resources in Baiyunebo deposit // Nonferrous Metals. 2005. Vol. 57. No. 2. Р. 111.

15. Государственный доклад «О состоянии и использовании минерально-сырьевых ресурсов Российской Федерации 2019 году». Москва: «ВНИГНИ», «Гидроспецгеология». 2019. 426 с.

16. Alves A.R., Coutinho A.R. The evolution of niobium production in Brazil // Materials Research. 2015. Vol. 18. No. 1. Р. 106–112. https://doi.org/10.1590/1516-1439.276414

17. Быховский Л.З., Архипова Н.А. Редкометалльное сырье России: перспективы освоения и развития минерально-сырьевой базы // Разведка и охрана недр. 2016. № 11. С. 26–30.

18. Mashkovtsev G.A., Bakanova T.V. On mineral resources for ferroalloy production // Theoretical and Practical Conf. with Int. Participation and School for Young Scientists “FERROALLOYS: Development prospects of metallurgy and machine building based on completed Research and Development”. 2019. Р. 29‒45.

19. Морозова Л.Н., Баянова Т.Б., Базай А.В. и др. Редкометалльные пегматиты Колмозерского литиевого месторождения арктического региона Балтийского щита: новые геохронологические данные // Вестник Кольского научного центра РАН. 2017. №1(9). С. 43–52.

20. Толстов А.В., Самсонов Н.Ю. Томтор: геология, технологии, экономика // ЭКО. 2014. № 2 (476). С. 36–44.

21. Новые минерально-сырьевые металлургические комплексы России (краткий обзор) / Под ред. Г.А. Машковцева. Москва: ВИМС, 2007. 44 с.

22. Нечаев А.В., Смирнов А.В., Сибилев А.С. и др. Гидрометаллургическая переработка колумбитового концентрата Зашихинского месторождения // Химическая технология. 2017. Т. 18. № 2. С. 81–88.

23. Маслов А.А., Оствальд Р.В., Шагалов В.В. и др. Химическая технология ниобия и тантала. Томск: Томский политехнический университет, 2010. 97 с.

24. Liu M.D., You Z.X., Peng Z.W. Enrichment of rare earth and niobium from a REE–Nb–Fe associated ore via reductive roasting followed by magnetic separation // JOM. 2016. Vol. 68. No. 2. Р.567–576. https://doi.org/10.1007/s11837-015-1679-y

25. Xv J., Bulin C.K., Zhao R.C. Recovering iron and beneficiating niobium from rough niobium concentrate by magnetization roast–magnetic separation process // Hydrometallurgy China. 2013. Vol. 32. No. 2. Р. 75.

26. Jiang M., Sun T.C., Kou J., Ji Y., Xu Y. Distribution behavior of niobium in process of coal-based direct reduction roasting of Nbbearing iron concentrates // Xiyou Jinshu/Chinese Journal of Rare Metals. 2011. Vol. 35. No. 5. Р. 731–735. https://doi.org/10.3969/j.issn.0258-7076.2011.05.019

27. Жучков В.И., Андреев Н.А., Заякин О.В., Островский Я.И., Афанасьев В.И. Состав и служебные характеристики хромовых ферросплавов // Сталь. 2013. № 5. С. 36–37.

28. Гасик М.И., Гладких В.А., Жданов А.В., Жучков В.И., Заякин О.В., Леонтьев Л.И., Овчарук А.Н. Расчетное определение ценности марганцеворудного сырья // Электрометаллургия. 2009. № 1. С. 32–34.

29. Смирнов Л.А., Жучков В.И., Заякин О.В., Михайлова Л.Ю. Комплексные ванадийсодержащие ферросплавы // Металлург. 2020. № 12. С. 91–95.

30. Есенжулов А.Б., Островский Я.И., Афанасьев В.И., Заякин О.В., Жучков В.И. Использование российского хроморудного сырья при выплавке высокоуглеродистого феррохрома в ОАО «СЗФ»// Сталь. 2008. № 4. С. 32–36.

31. Yessengaliyev D., Baisanov S., Issagulov A., Zayakin O., Abdirashit A. Thermodynamic diagram analysis (TDA) of MnO–CaO– Аl2O3 –SiO2 and phase composition of slag in refined ferromanganese production // Metalurgija. 2019. Vol. 58. No. 3–4. Р. 291–294.

32. Жучков В.И., Заякин О.В., Леонтьев Л.И., Есенжулов А.Б., Островский Я.И. Основные направления переработки бедного отечественного хроморудного сырья // Электрометаллургия. 2008. № 5. С. 18–21.

33. Заякин О.В., Жучков В.И., Лозовая Е.Ю. Время плавления никельсодержащих ферросплавов в стали // Известия вузов. Черная металлургия. 2007. № 5. С. 13–16.

34. Андреев Н.А., Жучков В.И., Заякин О.В. Изучение плотности хромсодержащих ферросплавов // Электрометаллургия. 2012. № 6. С. 15–16.

35. Akuov А., Samuratov Y., Kelamanov B., Zhumagaliyev Y., Taizhigitova M. Development of an alternative technology for the production of refined ferrochrome // Metalurgija. 2020. Vol. 59. No. 4. Р. 529–532.

36. Жучков В.И., Заякин О.В., Михайлова Л.Ю. Физическая химия и технология в металлургии ферросплавов. Екатеринбург: ООО «Альфа Принт», 2021. 272 с.

37. Zhuckov V.I., Zayakin O.V., Mikhailova L.Yu. Obtaining of niobium-containing ferroalloys from the Russian ore raw materials // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2020. Vol.966. Article 012037. http://doi.org/10.1088/1757-899X/966/1/012037

38. Roine A. Outokumpu HSC Chemistry for Windows. Chemical Reactions and Equilibrium Software with Extensive Thermochemical Database. Pori: Outokumpu research OY, 2002. 268 р.

39. Заякин О.В., Михайлова Л.Ю., Уполовникова А.Г. и др. Термодинамический анализ силикотермического получения ферросплавов из ниобийсодержащих концентратов // Труды конгресса с международным участием и конференции молодых ученых «Фундаментальные исследования и прикладные разработки процессов переработки и утилизации техногенных образований»: «ТЕХНОГЕН-2021». Екатеринбург: УрО РАН, 2021. С.202–205.