СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВАНАДИЕВОГО ЧУГУНА ИЗ ЖЕЛЕЗОВАНАДИЕВОГО СЫРЬЯ
METHOD FOR OBTAINING VANADIUM CAST IRON FROM IRON-VANADIUM RAW MATERIALS

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к разделу прямого восстановления оксидосодержащих материалов.
2
5
Титаномагнетитовые руды являются источниками ванадия, титана и железа. Оксиды ванадия в мировых запасах этих руд содержаться в пределах от 0,1 до 1,7 % [1]. В Российской федерации разрабатывается единственное месторождение титаномагнетитовых руд – Качканарская группа железорудных месторождений. Содержание пентаоксида диванадия (VO) в этих рудах составляет 0,14 % [2]. Содержание пентаоксида диванадия в обогащенном титаномагнетите – железованадиевом концентрате Качканарского ГОКа достигает 0,55 % [3].
Из железованадиевых агломерата и окатышей Качканарского ГОКа в доменных печах Нижне-Тагильского металлургического комбината выплавляют ванадиевый чугун, который имеет следующий химический состав, %: C 4,5 – 4,8, Si 0,15 – 0,40, Mn 0,20 – 0,55, Ti 0,10 – 0,35, V 0,40 – 0,55, P 0,05 – 0,10, S 0,025 – 0,040, Cr 0,04 – 0,06 [4]. В источнике [5] имеется ссылка на марку ванадиевого чугуна – ЧХ22, который содержит ванадия 0,15 – 0,35 %.
В доменном процессе «Высшие оксиды ванадия легко восстанавливаются газом в области умеренных температур, а низшие оксиды восстанавливаются твердым углеродом только при высоких температурах (≥ 1800 °C). Условиями высокой степени перевода ванадия в металл являются основные шлаки и повышенный приход тепла» [6]. Это требует увеличения расхода дефицитного дорогостоящего кокса. Кроме того приходится увеличивать температуру дутья. Горячее дутье обеспечивается применением громоздких воздухонагревателей. Следовательно, основа способа получения ванадиевого чугуна в доменной печи заключается в загрузке офлюсованного агломерата из железованадиевых материалов, полученных из титаномагнетита, качественного кокса, горячего дутья. Шихта доменной печи должна иметь определенный состав, который формируется попеременной загрузкой скипами железорудных материалов, кокса, флюсов в нужных соотношениях.
Таким образом, упрощение способа получения ванадиевого чугуна является актуальной проблемой.
Известен способ получения чугуна в электродуговой печи (ЭДП) (патент РФ № 2612330) [7]. Способ прямого восстановления металлов из оксидсодержащих материалов, включающий металлизацию путем прямого восстановления оксидов металлов и расплавление полученного продукта. Оксидсодержащие материалы в смеси с твердым восстановителем и шлакообразующими материалами непрерывно подают через полость полого электрода в зону электродуговой печи, находящуюся между донным и полым электродами. Прямое восстановление оксидов металлов и их расплавление осуществляют за счет тепла Ленца-Джоуля, выделяющегося в межэлектродном пространстве электродуговой печи, содержащей донный электрод и, по крайней мере, один полый электрод. Оксидсодержащие материалы и твердый восстановитель подают в полость электрода в измельченном, окатанном или гранулированном состоянии с поддержанием их слоя на уровне высотой от 1 до 10 диаметров полости электрода в зависимости от среднего диаметра гранул.
Электрическая дуга имеет высокую температуру (более 5000 °C) В результате работы ЭДП получается чугун с содержанием углерода до 4 %.
Преимуществом данного способа является менее сложное оборудование для получения чугуна по сравнению, например, с традиционной плавкой чугуна в доменной печи.
Проблемой данного способа является выплавка чугуна сравнительно простых марок без указания конкретных способов получения высококачественных легированных чугунов и, в частности, ванадиевого чугуна.
Таким образом, предложен способ выплавки ванадиевого чугуна в ЭДП путем прямого восстановления металлов из оксидсодержащих материалов, включающий металлизацию путем прямого восстановления оксидов металлов и расплавление полученного продукта, при котором оксидсодержащие материалы в смеси с твердым восстановителем непрерывно подают через полость полого электрода в зону электродуговой печи, находящуюся между донным и полым электродами, а прямое восстановление оксидов металлов и их расплавление осуществляют за счет тепла Ленца-Джоуля, выделяющегося в межэлектродном пространстве электродуговой печи, содержащей донный электрод и, по крайней мере, один полый электрод, при этом оксидсодержащие материалы и твердый восстановитель подают в полость электрода в окатанном или гранулированном состоянии отличающийся тем, что в смесительный агрегат загружают в качестве оксидсодержащих материалов железованадиевый концентрат с концентрацией ванадия 0,1 ÷ 1,7 %, в качестве твердого восстановителя загружают измельченный малосернистый каменный уголь, а также измельченный известняк для получения основности шлака более 1,4, полученную смесь из смесительного агрегата подают в полость полого электрода.
Предлагаемый способ относится к способам прямого восстановления металлов из железованадиевого концентрата и включает металлизацию путем прямого восстановления оксидов металлов с расплавлением полученного продукта.
Заявленный способ отличается тем, что через полость полого электрода в зону электродуговой печи, находящуюся между донным и полым электродами, непрерывно подают из смешивающего агрегата смесь железованадиевого концентрата с измельченным малосернистым каменным углем – твердым восстановителем, а прямое восстановление оксидов железованадиевого концентрата и их расплавление осуществляют за счет тепла Ленца-Джоуля, выделяющегося в межэлектродном пространстве электродуговой печи, содержащей донный электрод и, по крайней мере, один полый электрод, при этом железованадиевый концентрат и малосернистый каменный уголь подают в полость электрода в измельченном состоянии и поддерживают в ней на уровне высотой до одного диаметра полости электрода. В смесь железованадиевого концентрата и восстановителя добавляют шлакообразующие материалы для получения высокой основности шлака, текучесть которого обеспечивается высокой температурой в зоне восстановления. Для улучшения протекания процесса восстановления материалы шихты перед подачей их в полость электрода перемешиваются в смесительном агрегате.
Устройство для прямого восстановления металлов из железованадиевого концентрата, как и известное устройство, содержит высокотемпературную электродуговую печь, устройства подачи железованадиевого концентрата, смешанных с каменным углем и шлакообразующими материалами, слива расплавов металла и шлака. В заявленном устройстве электродуговая печь выполнена в виде огнеупорной емкости, содержащей, донный электрод и, по крайней мере, один полый электрод, выполненный с возможностью непрерывной подачи через его полость железованадиевого концентрата в смеси с малосернистым каменным углем и шлакообразующими материалами, внутренний канал полого электрода выполнен расширяющимся книзу, полый электрод установлен вертикально и соединен с источником тока с возможностью вертикального перемещения.
Сущность изобретения заключается в следующем. В заявленном способе смешиваются  железованадиевый концентрат, малосернистый каменный уголь и шлакообразующими материалами подаются в зону максимально высоких температур электродуговой печи, эта температура возникает между торцом полого электрода и донного электрода, находящегося либо под слоем жидкого шлака, либо под слоем жидкого металла. Как обосновано в прототипе, «под жидким шлаком процесс идет в токовом режиме при температуре 1900-2000°С (тепло Ленца-Джоуля), а при наличии жидкого металла или при непосредственном приближении к донному угольному электроду на определенном расстоянии зажигается дуга, которая поддерживается автоматикой печи, как правило, по току, чем обеспечивается высокая температура от 5000°С и выше в зоне горения дуги внутри трубчатого электрода. В зоне высоких температур частицы оксидов размерами до 0,1-0,5 мм восстанавливаются за 0,001-0,01 секунды за счет углерода малосернистого каменного угля и одновременно расплавляется до степени жидкого расплава металла и шлака» [7]. Шлакообразующие материалы вводятся также через полый электрод. Благодаря высокой температуре, появляется возможность значительно увеличить основность шлака без его загустевания, что позволяет увеличить выход серы в шлак [8]. Отстаивающиеся жидкие продукты отводятся от электродов и выводятся для дальнейшего передела.
Загрузка железованадиевого концентрата позволяет получить жидкий металл – ванадиевый чугун в одну операцию в агрегате конструктивно более простом по сравнению с доменной печью. Подача измельченного железованадиевого концентрата и угля позволяет обеспечить максимальные скорости восстановительного процесса.
Тепло от отходящих газов внутри полого электрода электродуговой печи подогревает шихту с железованадиевым концентратом, что приводит к снижению расхода электроэнергии – дорогостоящего энергоносителя. В восстановлении железованадиевого концентрата помимо углерода подаваемого угля в составе шихты также вносят вклад углерод полого электрода, т.к. железованадиевый концентрат поступает непосредственно в зону выделения тепла, и оксид углерода, образующийся в зоне плавления шихты и проходящий через слой загружаемой шихты внутри полого электрода. С целью обеспечения малого аэродинамического сопротивления для отходящих газов наибольшую толщину слоя шихты внутри полого электрода следует ограничить размером, равным диаметру полости электрода.
Выполнение устройства для восстановления материалов, содержащих оксиды металлов с получением расплава металла в виде огнеупорной емкости типа «печь», содержащей, по крайней мере, один полый электрод, размещенный в ванне емкости с возможностью работать в режиме печи сопротивления под слоем шлака при непрерывной подаче смеси оксидсодержащих материалов с твердым восстановителем в полость электрода, позволяет одномоментно, в одну операцию получать расплав металла, например чугун, из железорудного концентрата с чистотой первородного металла и получить впоследствии сталь высокого качества после удаления углерода в агрегате, например, печи-ковше или конвертере. Выполнение внутреннего канала электрода коническим с расширением вниз позволит снизить или исключить риск кострения оксидсодежащего материала внутри полости электрода, который при определенных условиях не исключается при цилиндрическом или сужающемся канале.
Способ иллюстрируется рисунком, где на фиг. показано устройство для реализации способа с одним полым электродом.
Устройство содержит корпус реактора 1 (крепление на показано), полый трубчатый электрод 2 с держателем 3, смесительный агрегат 4, дозирующие питатели 5 - 7, шлаковую летку (окно) 8, донный электрод 11, холодильник 10 и чугунную летку 9.
Устройство в установившемся режиме работают следующим образом. Между электродами 2 и 11 горит электрическая дуга, разогревающая зону восстановления. Через полость электрода 2 подается подготовленная в смесительном агрегате 4 шихта: смесь концентрата, восстановителя и флюса. В смесительный агрегат составляющие шихты подаются из дозаторов 5 – 7. При необходимости через шлаковое окно (летку) 8 подбрасывают и наводят жидкий шлак или жидкий металл из лома. В зоне высоких температур реактора 1 оксиды восстанавливаются углеродом твердого восстановителя внутри полого электрода и, одновременно оплавляясь, металл, проходя через слой шлака, отстаивается на подине реактора. При достижении уровня металла до уровня летки 9, металл выпускают и разливают либо в чушки, либо гранулируется. Возможен вариант переработки в агрегате печь-ковш в жидком состоянии. Шлак также поддерживается на определенном уровне за счет слива избытка через окно-летку 8. Длительная работоспособность реактора обеспечивается охлаждением нижнего электрода и подины охладителем 11.
Технический результат достигается тем, что предложен способ получения в электродуговой печи чугуна, легированного ванадием, за один передел без предварительного восстановления путем загрузки через полый электрод смеси ванадийсодержащего концентрата, каменного угля и флюса в требуемой пропорции. Для получения смеси применен смесительный агрегат, например, барабанного типа. Содержание ванадия с концентрацией 0,1 ÷ 1,7 % обусловлено его содержанием в титаномагнетитовой руде. Такой чугун обеспечивает широкий спектр преимуществ при его дальнейшей переработке на ванадиевую сталь.
Новый технический результат так же, достигаемый изобретением, заключается в многократном увеличении интенсивности процесса восстановления металлов в зоне высоких температур превышающих обычные температуры, применяемые в известных системах металлизации (700÷1000°С) в два-три раза (2000-5000°С), с использованием мелкого концентрата и получение жидкого металла – ванадиевого чугуна.
Использованные источники
1. Мировые месторождения титаномагнетитовов. Код доступа http://metal-archive.ru/titanomagnetity/879-mirovye-mestorozhdeniya-titanomagnetitov.html.
2. Качканарское месторождение железа / Код доступа http://geomineral.ru/kachkanarskoe-mestorozhdenie-zheleza/
3. Качканарский ГОК / Код доступа https://zavodfoto.livejournal.com/5231839.html
4. Металлургия стали / В.И. Явойский, Ю.В. Кряковский, В.П. Григорьев [и др.]. – М. : Металлургия, 1983. – 584 с.
5. ГОСТ 7769-82. Чугун легированный для отливок со специальными свойствами. Марки (с Изменением N 1)
6. Металлургия чугуна / Под ред. Ю. С. Юсфина. – М. : ИКЦ «Академкнига», 2004. – 774 с.
7. Патент Российской Федерации № 2612330. Способ способ получения чугуна в электродуговой печи.
8. Воскобойников, В. Г. Общая металлургия : учеб. для вузов / В. Г. Воскобойников, В. А. Кудрин, А. М. Якушев. – М. : Металлургия, 1998. – 768 с.