СПОСОБ ИЗВЛЕЧЕНИЯ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ, В ЧАСТНОСТИ МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ХРОМА, ИЗ СОДЕРЖАЩИХ ОКСИДЫ МЕТАЛЛОВ ШЛАКОВ В ДУГОВОЙ ЭЛЕКТРОПЕЧИ
EXTRACTION METHOD OF METALLIC ELEMENT, PARTICULARLY METALLIC CHROMIUM, FROM CHARGE CONTAINING METAL OXIDES IN ARC FURNACE

Изобретение относится к способу извлечения металлических элементов, в частности металлического хрома, из шлаков, которые содержат оксиды, в частности оксиды хрома, в дуговой электропечи, конвертере, а также при ковшовой металлургии.
При плавлении металлического лома в дуговой электропечи происходят процессы окисления, причем металлические элементы расплава реагируют с образованием оксидов. В случае высококачественных сталей, таких как хромовые и хромоникелевые стали, прежде всего будет окисляться дорогой хром. Параллельно этому оксиды снова восстанавливаются. В случае высокохромистых сталей основным механизмом является восстановление оксида хрома углеродом. При этом первичное окисление хрома одновременно компенсируется протекающим параллельно восстановлением растворенным в расплаве углеродом. Эта реакция происходит на поверхности пузырьков и у границы раздела фаз металл/шлак. Продукт реакции, металлический хром, снова возвращается в плавку. Образующийся монооксид углерода после диффузии в пузырьках на поверхности раздела отводится в атмосферу печи.
Протекают следующие реакции:
2
{О}=2[О] диссоциация (1)
[С]+[О]={СО} прямое обезуглероживание (2)
2
3
2[Cr]+3[0]=(CrO) окисление хрома (3)
Реакции протекают при следующем термодинамическом равновесии:
причем
где p является параметром.
Из-за неполноты восстановления хрома углеродом часть оксида хрома попадает в шлак в виде различных шпинелей. Содержание оксида хрома меняется в зависимости от проведения процесса и составляет выше 5%. Экономичность способа базируется на том, чтобы восстановить оксид хрома и извлечь металлический хром.
Для этого обычно в конце плавки проводится отдельное восстановление шлака высокоактивным кремнием в виде FeSi.
Из документа WO 00/79014 А1 известно решение, как сделать более рентабельным процесс извлечения металлического хрома из содержащих оксид хрома шлаков конвертерного процесса или вакуумного процесса. Предлагается не проводить обычного технологического этапа восстановления шлаков. Шлаки, которые имеются, например, в конвертере после процесса продувки кислородом или в ковше, отделяются от расплавленного металла невосстановленными и подаются в предусмотренную дополнительно дуговую электропечь. Путем добавления углерода и кремния из лома, загруженного в дуговую электропечь, и при необходимости, с добавкой пылевидного материала, пыли, в этом случае оксид хрома в шлаке в процессе расплавления восстанавливается непосредственно до металлического хрома.
Из документа WO 02/33130 А1 известно, что в металлургическом агрегате, в котором проводится как процесс плавки, так и продувки кислородом, в частности в способе фирмы Conarc извлечения металлического хрома достигают тем, что шлаки, образующиеся после первого процесса продувки кислородом, остаются в агрегате невосстановленными. Шлаки нагревают вместе со следующей загрузкой в том же агрегате, восстанавливают и затем сливают. Затем проводится следующий процесс продувки, причем образующиеся шлаки снова оставляют в сосуде.
Исходя из данного уровня техники в основе изобретения лежит задача предоставить экономически выгодный способ извлечения оксидов, в частности оксидов хрома, из шлака, который образуется после процесса плавки в электродуговой печи.
Эта задача решена в способе с отличительными признаками п.1 формулы изобретения, а также п.6. Предпочтительные модификации способа приведены в зависимых пунктах.
В качестве прототипов для заявленных решений можно указать соответственно следующие источники:
Гасик М.И. и др.: Теория и технология производства ферросплавов / М.: Металлургия, 1988, стр.375-378,
US 6544471 B1, C21C 5/52, 08.04.2003.
Основной идеей изобретения является отказ от обычного до сих пор восстановления шлаков после плавки при первой плавке. Технологический этап восстановления шлаков проводится только при второй или следующих плавках.
В частности, осуществляются следующие этапы способа: загрузка порции лома в дуговую электропечь и плавление с образованием расплавленного металла и шлака. Обычный этап восстановления шлака не проводят. Плавку выпускают, а шлаки с высоким содержанием хрома и насыщенные оксидами марганца и железа остаются невосстановленными в печи.
На этот шлак подают затем следующую загрузку. Эта загрузка включает лом, а также восстановитель для шлаков, в частности углерод и/или кремний. Рекомендуется добавлять углерод и/или кремний в виде обогащенных углеродом и кремнием легирующих материалов. Углерод и кремний имеются, например, в хромовой шихте, феррохроме или ферроникеле. Они обеспечивают преобладающую долю восстановления. В определенных случаях могут добавляться дополнительные углеродные и/или кремниевые добавки, такие как ферросилиций или алюминий. Восстановитель может содержаться также в добавленной пыли.
С помощью этих восстановителей шлаки в процессе плавки под действием электрической энергии восстанавливаются напрямую. В электропечи при атмосферном давлении происходит прямое восстановление оксида хрома углеродом или кремнием. Протекающее в процессе расплавления окисление металла компенсируется (избыточно) таким образом путем реакций восстановления и регенерируется металлический хром. Затем шлак удаляют. Аналогичный способ имеет место в ковшовой металлургии, причем там металл уже находится в виде расплава.
Осуществление способа в дуговой электропечи значительно улучшается тем, что способ осуществляют в режиме работы с остающейся ванной расплавленного металла. Благодаря ванне расплавленного металла качество восстановления шлака существенно повышается. При этом первая плавка выпускается не полностью, а оставляют часть ванны расплавленного металла в плавильном сосуде. Это имеет то преимущество, что шлаки остаются в печи плавающими на этой ванне расплавленного металла, и тем самым они не могут пристать или прилипнуть к поду печи. Для этого благоприятного усовершенствования цикл плавки состоит из фазы начальной плавки, конечной плавки, а также проходящей между ними повторяющейся фазой расплавления и восстановления. В отличие от известного способа в процессе фирмы Conarc, который состоит из расплавления и продувки кислородом для получения стали, предлагаемый способ относится к извлечению хрома при плавке в дуговой электропечи, причем процесс является в сравнении проще и короче. Также и содержание хрома является несопоставимым: содержание хрома в шлаке при плавке ниже и составляет примерно 14-15%.
Предлагаемый способ применяется, в частности, для высококачественных сталей, содержащих хром или никель и хром. В зависимости от общей технологии, то есть технологии получения высококачественной стали без отдельного этапа восстановления шлака в дуговой электропечи, этот способ может быть осуществлен оптимально по издержкам и затратам энергии. Для способа несущественно, находятся ли шлаки в твердом, жидком или промежуточном состоянии. Это имеет влияние только на время плавки или на расход энергии в дуговой электропечи.
Перемешивание, требуемое для восстановления в процессе плавки, предпочтительно производится инертными газами, которые вводятся в дуговую электропечь через нижнюю продувочную пробку в дне и/или боковые сопла, и/или через верхнюю фурму. Благодаря этому увеличивается реакционная поверхность между шлаком и металлом.
В целом, предлагаемый способ имеет следующие достоинства:
сокращение полного времени обработки расплава на срок до 15 мин в зависимости от типа технологии из-за того, что отказываются от обычного отдельного этапа восстановления;
снижение расхода ферросилиция;
снижение расхода шлакообразующих;
высокий выход металла;
повышенный срок службы огнеупорных материалов печи;
повышенный срок службы пробок сталь-ковшей/продувочных пробок;
улучшенный энергетический баланс дуговой электропечи;
повышение степени чистоты металла.
Отдельные стадии способа будут далее описаны более подробно с помощью чертежа, который в виде схемы последовательности операций показывает продвижение металла в EAF-процессе, т.е. процессе с дуговой электропечью.
На первом этапе начальную плавку плавят без «болота» из расплава прошлой плавки. Для этого лом расплавляют с образованием расплава металла и шлаков. Расплав выпускают частично, так что часть ванны расплавленного металла с плавающим на ней шлаком остается в печи. Шлаки не восстановлены.
Теперь на следующей фазе плавки и восстановления лом загружают на эту оставленную ванну расплавленного металла со шлаком. Кроме того, добавляют восстановитель для шлаков, такой как углерод и кремний. В процессе расплавления шлак восстанавливается. При этом протекают реакции восстановления:
2
3
(CrО)+3[С]=2[Cr]+3{СО}
2
3
2
2(CrO)+3[Si]=4[Cr]+3 (SiO)
с углеродом или кремнием. При этом содержание оксида хрома в шлаке снижается до величины меньшей, чем исходное значение.
Восстановленные шлаки сливают. Далее выпускают расплав, опять только частично, оставляя ванну расплавленного металла на дне печи. На эту ванну расплавленного металла снова вводят металлическую шихту. Шлаки, опять образующиеся при расплавлении, снова восстанавливаются напрямую. Эти этапы повторяют для каждой плавки одного цикла. Когда цикл закончится, проводят не частичный, а полный выпуск плавки вместе с «болотом» и шлаком.
Данный способ может быть проведен в дуговой электропечи или других плавильных печах, а также в ковшовой металлургии или конвертерной металлургии, или других металлургических агрегатах.