Способ получения силикокальция

 

Изобретение относится к области производства ферросплавов, в частности получения силикокальция. При получении силикокальция в печь загружают металлосодержащие добавки, плавят их, затем загружают смесь, состоящую из извести, ферросилиция и флюса, плавят и восстанавливают смесь при температуре 1400 - 1550^oC, в качестве флюса используют алюмосодержащий материал. При восстановлении поддерживают соотношение извести и алюмосодержащих материалов равным 1: (0,20 - 0,50), при расходе алюмосодержащих материалов 200 - 500 кг/т сплава. Предлагаемый способ позволяет уменьшить потери сплава со шлаком в виде корольков в 2 -4 раза, повысить качество металла за счет уменьшения степени ликвации элементов и повышения содержания кальция, снизить расход электроэнергии на 350 - 500 кВт.ч. 1 з.п. ф-лы, 1 табл.

Изобретение относится к области производства ферросплавов, в частности получения силикокальция.

Известны два способа получения силикокальция: углетермический и силикотермический.

Углетермический способ является основным для получения силикокальция различных марок, преимущественно с повышенным содержанием кальция (≥30%).

Существенными недостатками углетермического способа являются: высокая температура сплава (≈ 1900^oC), что вызывает большие потери кальция и кремния в улет, достигающие 20%, значительная неравномерность состава сплава вследствие ликвации элементов и повышенное содержание в сплаве вредных примесей.

Известен силикотермический способ получения силикокальция, который наиболее близок по технической сущности к предлагаемому и взят в качестве прототипа.

Сущность известного способа заключается в том, что шихту, состоящую из извести, ферросилиция и плавикового шпата, загружают в печь и проплавляют, причем отношение извести к ферросилицию находится в пределах 0,9 - 1,1. После полного проплавления шихты в печь задают металлосодержащие добавки и после их расплавления производят выпуск плавки.

Этим способом получают сплавы с пониженным содержанием кальция (≅ 20%), но более чистые в отношении вредных примесей.

Кроме того, силикотермическим способом наиболее просто осуществить легирование сплава другими элементами, задавая те или иные металлосодержащие и их окисленные формы добавки. Следует отметить, что различные по ведущему элементу металлодобавки по разному влияют на качество сплава вследствие неодинаковой растворимости элементов в кальции. Наиболее трудное сочетание в этом отношении имеют такие элементы, как кальций и ванадий, не растворимые друг в друге. Тем не менее потребность в таком сплаве значительна, например, для легирования при производстве рельсовой стали.

Недостатками известного способа являются высокая температура процесса (1700 - 1800^oC) и, как следствие, большие потери кальция и кремния, высокий расход электроэнергии и низкое качество сплава в силу значительного развития ликвационных процессов.

Высокая температура процесса, обусловленная образованием двухкальциевого силиката и значительного количества карбида кальция, приводит к частичному или практически полному угару кальция, что визуально сопровождается сильным пироэффектом. Добавка в шихту плавикового шпата, дефицитного и дорогого материала, снижает температуру шлака, но его непродолжительное действие не позволяет стабилизировать температурный режим и добиться желаемого эффекта, в результате чего угар элементов остается на высоком уровне.

Кроме того, шлак, содержащий большое количество карбида кальция, тугоплавок и обладает высокой вязкостью, в результате чего имеют место большие потери сплава со шлаком в виде корольков.

Высокая температура процесса обусловливает и повышенный расход электроэнергии.

При разливке и охлаждении силикокальция в значительной степени развиваются ликвационные процессы, которые предопределены как условиями охлаждения слитка, так и температурой расплава, природой элементов, входящих в сплав, и способностью их взаимного растворения. В большей степени, чем остальные элементы, подвержены ликвации кальций и ванадий, вводимый в сплав при выплавке силикокальция с ванадием. Этот процесс усугубляется и тем, что загрузку металлосодержащих добавок в известном способе производят после проплавления всей шихты. Расплав, имеющий более низкую температуру даже при значительном перегреве, не может в короткое время расплавить металлосодержащие добавки, например ванадийсодержащие, и они опускаются на подину в силу более высокой плотности. Растворение их также не происходит, так как кальций и ванадий взаимно нерастворимы, а вакансии кремния заняты кальцием. Таким образом, при любой добавке образующийся расплав неоднороден по составу, которая усиливается в процессе охлаждения, что делает сплав малопригодным для легирования сталей вследствие непредсказуемости получения результатов.

Целью изобретения является повышение качества, снижение потерь сплава и расхода электроэнергии. Поставленная цель достигается тем, что, согласно способу получения силикокальция, включающему загрузку смеси, состоящую из извести, ферросилиция и флюса, ее проплавление, загрузку металлосодержащих добавок, их проплавление и выпуск плавки, отличающийся тем, что загрузку извести и ферросилиция ведут в смеси с алюмосодержащими материалами, при восстановлении поддерживают соотношение извести и алюмосодержащих материалов 1 : (0,20 - 0,50) и расходе алюмосодержащих материалов в количестве 200 - 500 кг/т сплава, загрузку металлосодержащих добавок осуществляют перед загрузкой смеси, а плавление и восстановление ведут при температуре 1400 - 1550^oC.

Кроме того, при выпуске плавки в печь ковш или струю металла задают 1 - 10 кг/т сплава алюминия.

Количество алюмосодержащих материалов и их соотношение с известью определено на основании экспериментальных данных и обусловлено получением шлаков нужного состава и возможным содержанием оксида алюминия в алюмосодержащих материалах.

В качестве алюмосодержащих материалов могут использоваться бокситы, глиноземы, шлаки алюмотермического производства и др. с содержанием оксида алюминия 50 - 80% и более.

Добавка алюмосодержащих материалов уже на стадии плавления, а в этот период одновременно интенсивно развиваются процессы восстановления, позволяет сформировать жидкоподвижный активный шлак, обеспечивающий проведение процесса плавления и восстановления при температуре 1400 - 1550^oC.

Такие температурные условия улучшают проведение экзотермической реакции.

4CaO + 5Si + Al₂O₃ = 2(CaSi₂) + 2CaO · Al₂O₃ · SiO₂.

ΔG⁰_Т = -153374 + 2,37 Т дж/моль и смещают равновесие реакции в сторону образования дисилицида кальция.

Снижение температуры процесса обеспечивает значительное уменьшение расхода электроэнергии и потерь кальция в виде испарения. Кроме того, снижение температуры процесса благоприятно сказывается на условиях охлаждения слитка ввиду небольшого перегрева расплава, в результате чего сплав менее подвержен ликвационным процессам.

Добавка алюмосодержащего материала позволяет стабильно, на протяжении всей плавки поддерживать жидкоподвижный шлак. Этому способствует и то обстоятельство, что оксиды алюминия активно разрушают образующиеся карбиды кальция.

Наличие жидкоподвижного шлака способствует и уменьшению потерь сплава со шлаком в виде корольков.

Загрузка металлосодержащих, например ванадийсодержащих добавок, осуществляется на подину печи перед загрузкой основной части шихты. Это обусловлено тем, что при плавлении и восстановлении кремний лейбоита не участвует в реакции и попадает в расплавленном состоянии на подину, растворяя находящийся там ванадий. На подине концентрируется и образующийся в результате реакции раствор кальция и кремния. Кремний, имеющий неограниченную растворимость как с кальцием, так и с ванадием, активно растворяет их, образуя расплав более равномерного состава и потому менее подверженный при охлаждении развитию ликвационных процессов.

Образованию расплава более равномерного состава способствует и присадка алюминия. Алюминий, имея неограниченную растворимость с кальцием, ванадием и кремнием, активно в них растворяется и таким образом оказывает благоприятное воздействие на получение сплавов более постоянного состава, в которых ликвационные процессы значительно менее выражены.

Пример. Испытание способа проводили в электродуговой печи ДС-СН с футеровкой из графитовых блоков.

На подину печи загрузили металлодобавки и включили ток. По известному способу металлодобавки загрузили в печь после проплавления всей шихты. После проплавления и образования жидкого расплава постепенно завалили основную часть шихты, состоящую из смеси извести, ферросилиция и алюмосодержащего материала. После проплавления и восстановления всей шихты произвели выпуск плавки. Перед выпуском в ковш задали необходимое количество алюминия. В процессе плавки периодически замеряли температуру.

Пример испытания способа приведен на получение силикокальция, легированного ванадием. Аналогичным способом выплавляется силикокальций с другими легирующими элементами.

Как видно из табличных данных, по предлагаемому способу потери сплава со шлаком в виде корольков снижаются в 2 - 4 раза, значительно улучшается качество металла за счет уменьшения степени ликвации элементов и повышения содержания кальция. Расход электроэнергии снижается на 350 - 500 кВт/ч на тонну сплава. Процесс выплавки проходит спокойно, без каких-либо отклонений (варианты 3 - 5). При температуре ниже 1400^oC процесс до конца не идет, металл перемешан со шлаком (вариант 6). Необходим подвод дополнительного количества тепла.

Оптимальное количество задаваемых алюмосодержащих материалов составляет 200 - 500 кг/т сплава при соотношении извести и алюмосодержащих материалов 1 : (0,20 - 0,50).

Изменение количества задаваемых алюмосодержащих материалов и их соотношения с известью в большую или меньшую сторону не приводит к достижению поставленной цели, так как образуются вязкие шлаковые расплавы с более высокой температурой, при этом ухудшаются условия протекания восстановительных реакций. Для поддержания шлакового расплава в жидкоподвижном состоянии необходим подвод дополнительного тепла, что увеличивает расход электроэнергии, потери сплава и угар кальция.

Процесс следует вести при температуре 1400 - 1550^oC.

Ведение плавки ниже 1400^oC замедляет плавление, ухудшает кинетику процесса восстановления вследствие образования гетеродинного шлакового сплава и приводит к низкому содержанию кальция в сплаве.

Ведение плавки выше 1550^oC ухудшает термодинамику процесса, увеличивает потери кальция испарением и приводит к повышенному расходу электроэнергии. Расход алюминия в количества 1 - 10 кг/т сплава является оптимальным.

Расход алюминия в количестве менее 1 кг/т сплава существенно не оказывает влияния на получение расплава более равномерного состава вследствие недостаточного развития процессов растворения, при этом степень ликвации остается на прежнем уровне.

При расходе алюминия 10 кг/т сплава обеспечивается значительно более равномерное распределение элементов в сплаве и дальнейшее увеличение его расхода не улучшает существенно качество сплава, но при этом происходит ухудшение экономических показателей.

Эффект от использования предлагаемого способа складывается за счет уменьшения потерь сплава, повышения его качества, экономии электроэнергии и использования более дешевого и менее дефицитного флюса.

1. Ист. инф. М. А. Рысс. Производство ферросплавов М. 1985 г. с. 106 - 129.

Формула изобретения

1. Способ получения силикокальция, включающий загрузку смеси, состоящую из извести, ферросилиция и флюса, ее плавление и восстановление, загрузку металлосодержащих добавок, их плавление и выпуск плавки, отличающийся тем, что загрузку металлосодержащих добавок и их плавление осуществляют перед загрузкой смеси, в которой в качестве флюса используют алюмосодержащие материалы, плавление и восстановление осуществляют при 1400 1550^oС, при восстановлении поддерживают соотношение извести и алюмосодержащих материалов равным 1 (0,20 0,50) при расходе алюмосодержащих материалов 200 500 кг/т сплава.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в печь, ковш или струю металла задают алюминий в количестве 1 10 кг/т сплава.

РИСУНКИ

Рисунок 1