Способ производства ферросплавов

 

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству ферросплавов, лигатур, предназначенных для производства низколегированных, легированных специального назначения сталей и сплавов. Разработан технологически несложный способ производства высококачественных ферросплавов с повышенным извлечением основного металла при использовании в качестве шихты отходов промышленного производства в оксидных формах. В предложенном изобретении найдено оптимальное соотношение вводимых в печь шихтовых материалов: доля оксидно-восстановительной части составляет 50-70% от массовой доли шихты и подается на расплав последовательно порционно в количестве 20-25%, при этом каждую последующую порцию подают на расплав металлической части после завершения процесса восстановления извлекаемого металла в предыдущей порции и выпуска шлака. 2 табл.

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству ферросплавов, лигатур, предназначенных для производства низколегированных, легированных специального назначения сталей и сплавов.

Известные способы, как правило, направлены на решение частных вопросов на конкретных стадиях производства того или иного вида ферросплава.

Например, в способе (1) для снижения в ферросплаве вредных примесей (S, P, As, Sn и др.) перед завалкой шихты в нагретую печь вводят сульфаты щелочных и щелочноземельных металлов с коксом. В способе (2) для улучшения технико-экономических показателей выплавки ферросплава часть восстановителя вводят непрерывно в определенный объем плавильного агрегата или созданию избыточного давления в загрузочных устройствах (3).

По технической сущности и решаемой задаче наиболее близким к предлагаемому является способ, включающий подготовку шихты (дозирование и смешивание шихтовых материалов), завалку шихтовых материалов, плавление с углетермическим восстановлением, выпуск металла и его разливку (4).

За счет оптимизации содержания сульфатов щелочноземельных материалов и углеродистого восстановителя путем дозирования шихты, при выплавке ферросплавов достигается повышение извлечения ведущего элемента на 8,5%, снижение расхода электроэнергии на 7,6-8,6%. Однако несмотря на положительные показатели процесса абсолютная величина извлечения основного элемента не превышает 80%. Кроме того не приводится сведений по содержанию вредных примесей, в частности серы, что важно, т.к. в технологическом процессе используются серасодержащие материалы.

Вместе с тем в современных условиях производства ферросплавов возникает необходимость использовать в качестве исходной шихты техногенные отходы; габаритные кристаллические отходы в виде стружки, скрапа, порошка и т.д. (так называемая первая группа отходов); окисленные формы металлов, в которых извлекаемые компоненты находятся в виде оксидов (вторая группа отходов).

В настоящей заявке поставлена задача разработать технологически несложный способ производства высококачественных ферросплавов с повышенным извлечением основного металла при использовании в качестве шихты отходов промышленного производства преимущественно второй группы.

Поставленная задача достигается тем, что подготовку шихты ведут раздельно, а именно, из металлической части, в том числе извлекаемого металла и из оксидной части извлекаемого металла в смеси с восстановителем в стехиометрически необходимом количестве для полного восстановления металла из оксидной части шихты, при этом доля оксидно-восстановительной части составляет 50-70% от общей массы шихты, а завалку оксидно-восстановительной части на расплав металлической части осуществляют порционно в количестве 20-25% от ее массовой доли в шихте, причем каждая последующая порция подается на расплав после полного завершения процесса восстановления извлекаемого металла в предыдущей порции и удаление полученного шлака из плавильной печи. При чем при подаче каждой порции оксидно-восстановительной смеси происходит бурный процесс образования вспененного шлака, который практически самостоятельно удаляется из плавильной печи.

Нижний предел доли оксидно-восстановительной части шихты 50% от общей массы шихты обусловлен развитием процессов вторичного окисления извлекаемого компонента в процессе выплавки при недостаточном количестве шлака, а также уменьшением поглощающей способности шлака вредных примесей (таких как сера). Ниже в табл. 1 приводятся экспериментальные данные, подтверждающие выбор нижнего предела доли оксидно-восстановительной части шихты.

Оценка данного параметра осуществлялась по выходу годного и качеству полученного металла. Шлаки, формируемые в процессе расплавления, выполняют следующие функции: а) предохранение расплава от вторичного окисления из газовой фазы; б) поглощение вредных примесей из расплава.

В нашем случае в печь давалась оксидно-восстановительная смесь, содержащая стехеометрически необходимое количество восстановителя, следовательно, шлак получается в процессе выплавки высокораскисленным, а значит с высокой вязкостью. Таким образом мелкие корольки восстановленного металла запутываются в нем, что при определенных условиях приводит к повышению потерь извлекаемого металла.

Из табл. 1 видно, что при доле оксидно-восстановительной части шихты в массе шихты 45% (по массе), приводит к развитию процессов вторичного окисления более оптимального уровня и снижению выхода годного до 98%. Извлечение серы из расплава также снижается в силу меньшей массы шлака.

Верхний предел доли оксидно-восстановительной части шихты 70% от общей массы шихты, обусловлен развитием процессов запутывания корольков восстановленного металла в массе вязкого, хорошо раскисленного шлака, а также отсутствием улучшения качества полученного металла. Как видно из табл. 1 потери восстанавливаемого элемента от запутывания корольков металла в шлаке, с увеличением массы оксидно-восстановительной части шихты до 75% (по массе), возрастают на 1,1% от оптимальной массы отходов 2-й группы. В тоже время процессы вторичного окисления замедляются, однако, сквозной выход годного падает на 1% от оптимального. Процесс поглощения серы из расплава, также не получает дальнейшего развития в следствии снижения активности шлака.

При осуществлении процесса подготовки шихты к выплавке, окисленная часть шихты выделялась из общего объема шихты и смешивалась с восстановителем в стехиометрически необходимом количестве. Данная смесь разделялась на 15-30% от общей массы оксидно-восстановительной части шихты. После завалки отходов I группы и их расплавление на поверхность расплава подавалась первая порция шихты 2 группы, с восстановителем, после завершения процесса восстановления и удаления шлака из рабочего пространства печи на поверхность расплавленного металла подавалась вторая порция шихты второй группы и процесс восстановления происходили вновь. Данная операция повторялась до полного расхода шихты 2-й группы в смеси с восстановителем.

Как видно из табл. 2 выбор нижнего предела количества порций 20% (по массе), обусловлен развитием процессов вторичного окисления извлекаемого компонента в процессе выплавки при недостаточной массе шлака, а также уменьшением поглощающей способности шлаком вредных примесей, а в частности серы. При снижении количества завалки порций окислительно-восстановительной части шихты от общей доли оксидно-восстановительной части шихты до 15% приводят к увеличению потерь вследствие развития процессов вторичного окисления на 1,1% (по массе) извлекаемого элемента, с уменьшением потерь восстанавливаемого элемента от запутывания корольков металла в шлаке на 0,1%. Однако выход годного снижается на 1% по сравнению с оптимальным уровнем.

Верхний предел порций 25% (по массе), обусловлен развитием процессов запутывания корольков восстановленного металла в шлаке вследствие увеличения общей массы шлака, а также отсутствием улучшения качества полученного металла. Как видно из табл. 1 потери восстанавливаемого элемента от запутывания корольков металла в шлаке, с увеличением количества порций оксидно-восстановительной части шихты до 30% (по массе) возрастают на 1,1%, одновременно со снижением потерь от вторичного окисления на 0,1% (по массе). Процесс поглощения серы из расплава также не получает дальнейшего развития в следствие снижения активности шлака.

Таким образом оптимальным соотношением количества каждой порции завалки окислительно-восстановительной части шихты, следует признать соотношение 20-25% от общей доли окислительно-восстановительной части шихты, причем доля окислительно-восстановительной части шихты при реализации процесса восстановления оптимальна при 50-70% от общей массы всей шихты.

При указанных соотношениях последовательной порционной подаче шихты на расплав происходят активные процессы восстановления химических компонентов как на границе раздела металл-шлак, так и в шлаковой фазе при расплавлении каждой порции окислительно-восстановительной части шихты, при этом образуется активный, подвижный, вспененный шлак, из которого за счет эффекта борботирования и гравитационного осаждения корольки извлекаемого металла быстро оседают на расплав. Легкий, подвижный шлак эффективно защищает поверхность металлического расплава от вторичного окисления, способствует удалению вредных примесей. Указанный шлак имеет объем в 3-5 раза больше по сравнению со шлаком, образуемым в процессе реализации по известному способу. Вспененный шлак практически самостоятельно удаляется из печи.

Анализируя вышеизложенное, можно сделать вывод, что в предлагаемом изобретении имеются признаки, являющиеся новыми существенными, позволяющие достичь поставленную задачу, по сравнению с известным способом, а заявляемый способ соответствует критерию "новизна".

Из известных источников информации не выявлено использование новых признаков заявленного способа по их функциональному назначению и достигаемому результату, что соответствует критерию изобретательский уровень.

Пример осуществления способа.

Предлагаемый способ был реализован в промышленных условиях при получении феррониобия в печи ДСП-3,0.

В качестве отходов 1 группы использовали скрап, стружку, порошок металлического ниобия марки НБ-1 (содержание ниобия 99,8% (по массе).

В качестве отходов 2 группы использовали окисленные отходы, возгоны, образующиеся в электронно-лучевой печи в процессе получения чистого ниобия. Состав возгонов: ниобия (10-70%), алюминия (5-45%), железа (3-20%).

Данные типы отходов загружались в сталеплавильный агрегат (ДСП-3,0). Причем отходы 1 группы давались в завалку на 100%, с добавлением железа по расчету получения 50% феррониобия.

Отходы второй группы тщательно перемешивались с восстановителем (алюминиевым порошком), и порционно по 15-30% (от массы оксидно-восстановительной части шихты), загружались в сталеплавильный агрегат по расплавлению отходов 1 группы.

Масса окислительно-восстановительной части шихты составляла 45-75% от общей массы шихты при плотности 3 г/см³. Количество восстановителя определялось теоретически необходимым соотношением для полного восстановления ниобия из пятиокиси ниобия, с учетом угара восстановителя.

В результате восстановления пятиокиси ниобия шлак "закипал" и практически самопроизвольно удалялся через загрузочное отверстия в шлаковню. Данный шлак содержал 0,3-2,2% пятиокиси ниобия, остальные компоненты не представляли ценности (CaO - 15-20%, Al₂ O₃ - 70-85%, MgO - 5-10%, P₂O₅ - 0,1-0,3% и т. д. ). Причем шлак содержал также магнитную фракцию, которую методом магнитной сепарации отделяли от основного шлака и рассчитывали % корольков металла, оставшегося в шлаке; корольки металла составляли 1,8-0,5 (по массе).

При проведении выплавки по известному способу шихту, состоящую из отходов первой и второй группы, загружали одновременно в печь. Причем оксидно-восстановительная часть составляла 60% от общей завалки шихты.

В результате совместного плавления процесс затянулся вследствие низкой теплоотдачи шлака состоящего из смеси восстановителя и окислов извлекаемого металла к нерасплавленным отходам 1 группы находящимся на подине печи. Металл, получившийся в результате протекания процессов восстановления в шлаковой фазе, не переходил в расплав, а оставался в шлаке, где подвергался вторичному окислению, но особенно большие потери при данном способе получал процесс запутывания корольков металла в шлаке, из-за повышенной массы последнего.

Так потери от протекания данного процесса составили 19,5% извлекаемого металла. Сквозной выход годного не превышал 80%. Шлак, полученный в результате данного способа, содержал 28% Nb₂O₅.

Таким образом, предлагаемый способ производства ферросплавов обеспечивает высокое извлечение основного компонента, упрощает технологический процесс. Способ может быть реализован на существующем оборудовании металлургических предприятий и не требует специального оборудования.

Формула изобретения

\ \ \ 1 Способ производства ферросплавов, включающий подготовку шихтовых материалов, их завалку, плавление и восстановление, выпуск металла и шлака, разливку, отличающийся тем, что раздельно осуществляют подготовку металлической части шихтовых материалов, включающей извлекаемый металл, и оксидной части извлекаемого металла, которую смешивают с восстановителем в стехиометрически необходимом количестве для обеспечения полного восстановления извлекаемого металла из оксидной части, при этом доля оксидно-восстановительной части составляет 50 - 70% от общей массы шихтовых материалов, а завалку оксидно-восстановительной части осуществляют на расплав металлической части порциями в количестве 20 - 25% от ее массовой доли в шихтовых материалах, причем каждую последующую порцию подают на расплав металлической части после завершения процесса восстановления извлекаемого металла в предыдущей порции и выпуска шлака.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2