铝热还原法生产铌铁

以金属铝还原铌精矿或氧化铌生产铌铁中间合金的过程。铌熔点高，还原困难，但如有铁存在，被还原的铌与铁生成合金，不仅容易还原，而且由于铌铁的熔点比铌低，更适于作炼钢或高温合金的添加剂。生产铌铁一般使用纯Nb2O5和铌精矿两种原料。以纯Nb2O5为原料生产的铌铁杂质含量少、纯度高，称为高级铌铁，主要用于炼制高温合金等。以铌精矿为原料生产的铌铁称为标准级铌铁，含铌60%～65%，主要用作炼钢的添加剂。根据合金中的铌含量又可将铌铁分为高品位铌铁(NB>65%)、中品位铌铁(Nb约50%)和低品位铌铁(Nb<30%)。根据还原熔炼使用的设备可分为炉外铝热还原法和电炉铝热还原法。

原理铝热还原为阶段反应过程，其主要反应为：

总反应式(4)的标准反应自由能变化△G298=0.2855MJ，反应可以自动进行。还原反应的三个阶段均为放热反应。总反应式(4)放出大量的热，如△H298=2．66MJ、△H931=3．224MJ(931K为铝熔点)、△Hl785=2．713MJ(1785K为Nb2O5熔点)、△H2303=3．237MJ(2303K为△1203熔点)、△H274l=2．57lMJ(2741K为铌熔点)。反应释放出的热量可以使反应物达到2473K的温度，大大超过了铌铁(Fe2Nb)的熔点(1873K)和炉渣的熔点(约2073K)，足以使铌氧化物完全被还原成金属，以及合金与熔渣得到良好分离。

炉外铝热还原法在无外加热的炉内实现还原熔炼反应的过程。反应完毕后，拆开熔炼炉，取出反应产物，将合金和渣在炉外分离。炉外铝热还原法的特点是在熔炼过程中不从熔炼炉中放出液态反应产物，因此过程比较简单，一般采用建造费用少、可拆卸的圆筒熔炼炉。炉外铝热还原法由于反应生成的液态金属和渣在同一反应器中进行凝固结晶，而两种产物的最佳凝固结晶条件是不一样的，因而存在不易获得高的技术经济指标，原材料和耐火材料消耗大，间歇操作，砌炉、拆炉和清除合金中混杂的熔渣和耐火材料的劳动强度大等问题。为此，已开发出一种可以分别放出液态金属或熔渣的倾斜式熔炼炉。

炉外铝热还原法只适用于处理杂质含量低的铌精矿或氧化铌，尤其要严格限制原料中有害杂质磷、硫、铅、砷、锑、锡、铋的含量。为确保还原反应完全，原料和还原剂铝均需磨至细的粒度并混合均匀，使物料之间有最大的还原反应接触面积。物料只有经过充分混匀才能获得高的还原反应速度和高的铌回收率。还原剂铝粉的用量除保证铌和铁的还原外，还应计算杂质还原所消耗的铝，一般为理论量的110%。铝粉用量过多不仅不能提高铌的回收率，还导致反应过分激烈，使铌中残留的铝含量增加。用铁精矿作添加剂时，其硅、磷含量要少。根据对铌铁纯度的要求，常使用铁屑或电解铁粉添加剂。铁的加入量以使合金接近Fe2Nb的低共熔点为宜。用纯Nb2O5原料时，铁用量以氧化铌质量的30%～40%为宜。降低炉渣的粘度可使合金和炉渣易于分离。通常在熔炼过程中加入熟石灰、氧化钡、氧化镁、萤石等助熔剂来降低炉渣的粘度。助熔剂的加入量必须适中，如加入的熟石灰过量太多，则易生成铌酸钙，使铌的损失增大；助熔剂过多还会侵蚀炉衬耐火材料。此外，为了补充热量，有时还需加入发热剂如氯酸钠等。引发反应常用的强氧化剂有氯酸盐、硝石和镁粉等，也可用电容丝点火。物料必须预先干燥，反应器和砂窝要保持干燥，以防爆炸。

巴西矿业冶金公司用间歇式铝热还原法生产铌铁的规模居世界首位。一次还原可获得含铌66%的标准级铌铁11t。其物料的配料量为烧绿石精矿18000kg(含Nb2O565%)、氧化铁(赤铁矿含铁60%)400kg、铝粉6000kg、萤石750kg、石灰500kg。每批物料在旋转混合器中混合90min，然后装入内衬镁砂的钢筒反应器中。反应器直径3．7m、高1．8m，将其放置在萤石和石灰作内衬的圆形凹坑中。放置前预先在硅砂床上制备好凹坑。反应器外层底部用沙堤密封。物料装入反应器后，上层放置氯酸钾和铝粉，然后用火引燃，反应自动进行15min，反应温度高达2473K。反应完毕冷却数小时，先除去渣，底部铌铁再冷却数小时，取出于空气中放置数小时，然后破碎到粒径小于100ram。铌回收率为96%～97%。还原所得铌铁成分(质量分数w/%)为：。Nb66.0，Fe30．5，si1．5，Al0.5，Ti0.1，S0.04，C0.08，Pb0.02，炉渣成分(质量分数(w/%)为：A12O348，Ca025，Ti024，Ba()2，REzC)34，ThO2，U3080.5。

电炉铝热还原法铝热还原过程中采用电能补偿加热的生产方法。这种方法能较易控制还原反应的速度，可获得较高质量的产品，并节省铝粉，技术经济指标亦较炉外铝热还原法高。电炉铝热还原法生产铌铁有一段法和二段法充分。一段法是物料在电弧作用下一次完成还原反应，产出铌铁。二段法是先用电弧炉熔化物料，然后进行铝热还原熔炼。为使电极深插合适和保持炉况稳定，必须严格控制炉膛电阻。炉膛电阻受炉料组成、铝粉粒度和数量、炉渣化学成分、炉膛尺寸和电极间距、炉内温度分布等因素的影响。中国一些工厂以铌铁矿为原料，采用三相电弧炉生产中、高品位铌铁，冶炼温度1973～2073K，氧化铌回收率96%，氧化钽回收率83%，铌铁中的铌含量为50%～70%。