СПОСОБ ВЫПЛАВКИ РАФИНИРОВАННОГО ФЕРРОХРОМА
PROCEDURE FOR MELTING REFINED FERRO-CHROMIUM

Изобретение относится к металлургической промышленности и может быть использовано при производстве ферросплавов.
Известен способ выплавки низкоуглеродистого феррохрома [1], основанный на восстановлении оксидов хрома и железа хромовой руды кремнием ферросиликохрома в присутствии оксида кальция.
Признаками, совпадающими с признаками изобретения, являются:
- загрузка шихты;
- наведение шлака;
- совместное восстановление оксидов хрома и железа кремнием ферросиликохрома в присутствии оксида кальция;
- повышенное содержание оксида магния в составе хромовой руды;
- снижение температуры восстановительных процессов за счет ввода в шихту добавок;
- выпуск продуктов плавки.
Причины, препятствующие достижению технического результата:
- дефицит и высокая стоимость вводимых добавок;
- отсутствие эффекта, обеспечивающего стабилизацию высокотемпературных форм двухкальциевого силиката шлака после его охлаждения и получения продукта плавки с новыми технологическими свойствами.
Шлак, получаемый по этому способу, содержит в основном двухкальциевый силикат, который при охлаждении переходит в γ-форму с увеличением объема на 10-12%, вследствие чего шлак рассыпается в порошок. Последнее обстоятельство ограничивает сферу применения шлака и негативно воздействует на окружающую среду.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ выплавки рафинированного феррохрома [2], в котором общими с заявляемым способом являются следующие признаки:
- загрузка шихты, состоящей из ферросиликохрома и рудно-известковой части;
- повышенное содержание оксида магния в составе хромовой руды;
- введение в печь оксида бора, обеспечивающего стабилизацию шлака от силикатного распада при остывании;
- наведение шлака;
- восстановительная плавка;
- выпуск продуктов плавки;
- получение шлака с устойчивой структурой.
Достижению ожидаемого технического результата препятствуют следующие обстоятельства.
Введение в печь в составе шихты оксида бора в количестве, обеспечивающем стабилизацию шлака от силикатного распада при остывании, приводит к чрезмерному снижению температуры процесса вследствие раннего образования легкоплавкого борсодержащего шлакового расплава, способствующего холодному ходу печи, снижению полноты протекания восстановительных реакций и, как следствие, увеличению потерь оксидного хрома со шлаком и ухудшению технико-экономических показателей выплавки феррохрома.
В основу изобретения поставлена задача ограничить снижение температуры процесса на стадии раннего шлакообразования и обеспечить полноту протекания реакций восстановления хрома из рудно-известкового расплава с высокой интенсивностью.
Ожидаемым техническим результатом является:
- сокращение потерь хрома со шлаком;
- улучшение технико-экономических показателей выплавки рафинированного феррохрома.
2
3
Поставленная задача достигается тем, что в процессе выплавки рафинированного феррохрома, включающем загрузку кремнистого восстановителя, рудно-известковой части шихты и материала, содержащего оксид бора, наведение шлака, восстановительную плавку и выпуск продуктов плавки, выпуск продуктов плавки осуществляют с оставлением в ванне печи части борсодержащего шлака, а кремнистый восстановитель и рудно-известковую часть шихты загружают на оставшуюся в ванне печи часть борсодержащего шлака, а за 10-20 минут до выпуска продуктов плавки под электроды в шлаковый расплав загружают смесь материала, содержащего оксид бора, с кремнистым восстановителем и известью, при этом материал, содержащий оксид бора, при пересчете на ВО, вводят в количестве 0,20-0,30% от массы шлакового расплава.
Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.
1. Выпуск продуктов плавки с оставлением в ванне печи части борсодержащего шлака, загрузка кремнистого восстановителя и рудно-известковой части шихты на оставшуюся в ванне печи часть борсодержащего шлака, при этом за 10-20 минут до выпуска из печи продуктов плавки под электроды в шлаковый расплав загрузка смеси материала, содержащего оксид бора, с кремнистым восстановителем и известью позволяет перенести основной акцент воздействия оксида бора непосредственно на шлак, а не на рудно-известковый расплав. В этом случае процесс плавления шихты и восстановление хрома из рудно-известкового расплава осуществляются при минимальном содержании оксида бора, сохраняемом в ванне печи (в гарнисаже и остаточном количестве шлакового расплава) после выпуска продуктов плавки, поскольку остаточный оксид бора в печи обеспечивает необходимую жидкоподвижность и температуру расплава с повышенным содержанием оксида магния для прохождения восстановительных реакций с достаточной полнотой и интенсивностью, если его вводить в смеси с кремнистым восстановителем и известью под электроды.
2
3
2. Введение материала, содержащего оксид бора, в печь перед выпуском, при пересчете на ВО в количестве 0,20-0,30% от массы шлакового расплава, позволяет обеспечить шлаку необходимые реологические свойства, улучшающие условия гидродинамического слияния (коагуляции) и осаждения восстановленных частиц из шлака в металл. При этом обеспечивается стабилизация шлака после остывания от силикатного распада.
Введение материала, содержащего оксид бора, в печь перед выпуском продуктов плавки в указанном количестве обеспечивает сохранение в ванне печи (за счет гарнисажа и остаточной массы шлака) практически постоянного и регулируемого в нужных пределах необходимого содержания оксида бора, обеспечивающего оптимальные условия ведения процесса выплавки рафинированного феррохрома с лучшими технико-экономическими показателями (ТЭП).
Таким образом, заявляемое изобретение соответствует критерию «новизна».
При анализе на соответствие критерию «изобретательский уровень» не обнаружено источников информации, указывающих на известность предложенных технологических решений по функциональному назначению и поставленной в изобретении задаче.
Заявляемые технологические решения могут быть реализованы в промышленности, а ожидаемый технический результат вытекает из совокупности существенных признаков изобретения, что свидетельствует о соответствии критерию «промышленная применимость».
2
3
Способ выплавки рафинированного феррохрома реализуется следующим образом. В печь загружают в обычном порядке шихту и осуществляют ее плавление и восстановительный процесс. За 10-20 минут до выпуска продуктов плавки под электроды в шлаковый расплав загружают материал, содержащий оксид бора, при пересчете на ВО, в количестве 0,20-0,30% от массы шлакового расплава. В качестве материала, содержащего оксид бора, может быть использован, например, борат кальция. Для лучшего усвоения расплавом борат кальция вводят вместе с кремнистым восстановителем и известью. Количество восстановителя в составе смеси определяется в зависимости от состояния работы печи, периода плавки, содержания кремния в металле, выплавляемой марки феррохрома и т.д. Количество извести в составе смеси определяется из расчета связывания в двухкальциевый силикат кремнезема, образующегося за счет довосстановления оксидов хрома из шлакового расплава, кремнием восстановителя, вводимого в состав смеси. В случае введения в состав смеси вместе с боратом кальция кремнистого восстановителя и извести используемое количество этих материалов снимается предварительно из состава шихты, загружаемой в печь в начале плавки. За 10-20 минут до выпуска продуктов плавки разбивают крестовину между электродами (если она образовалась) и по центральной труботечке в шлаковый расплав постепенно загружают смесь бората кальция с кремнистым восстановителем и известью, не допуская при этом бурного вскипания и ошлакования электродов и бортов ванны, добиваясь полного усвоения расплавом материалов смеси. В течение 5-10 минут после введения смеси происходит ее усвоение расплавом при небольшом перемешивании за счет взаимодействия кремния восстановителя с оксидами хрома и железа. По истечении ~10 минут после загрузки смеси из ванны печи отбирают пробу металла на содержание кремния, при необходимости осуществляют дополнительное рафинирование металла и осуществляют выпуск продуктов плавки.
В процессе обработки шлакового расплава боратом кальция меняются реологические свойства шлака, снижается его вязкость, улучшаются условия гидродинамического слияния (коагуляции) и осаждения восстановленных частиц металла. В результате снижаются потери металла со шлаком, увеличивается выход годного, повышается использование хрома.
2
3
2
3
После выпуска продуктов плавки в ванне печи остается определенная часть шлака, содержащего оксид бора. Оксид бора содержится также в гарнисаже ванны печи. После загрузки очередной завалки шихты и начала следующей плавки оставшийся в ванне печи борсодержащий шлак способствует ускорению расплавления этой шихты и более раннему началу восстановительных реакций. В условиях использования для выплавки рафинированного феррохрома высокомагнезиальных хромовых руд, что имеет место в последние годы на заводах России и Казахстана, наличие в составе шихты небольшого (см. ниже) содержания оксида бора оказывает положительное технологическое влияние на процесс выплавки рафинированного феррохрома. Величина этого «полезного» (или «благоприятного») содержания оксида бора в рудно-известковом расплаве зависит от состава завалки шихты (главным образом от навески и качества извести, а также от содержания MgO в хромовой руде) и марки выплавляемого сплава. В среднем оно составляет 0,10-0,20% ВО. Поддержание этого содержания ВО в ванне печи во время плавки поддается регулированию за счет количества вводимого перед выпуском в шлаковый расплав оксида бора.
2
3
2
3
Минимальное количество оксида бора (0,20% от массы шлакового расплава) определяется минимально необходимым конечным содержанием ВО в шлаке (0,30% ВО), гарантирующим устойчивость структуры шлака от силикатного распада после его остывания.
2
3
2
3
Максимальное количество вводимого оксида бора (0,30% от массы шлакового расплава) определяется верхним пределом «полезного» (благоприятного) содержания ВО в рудно-известковом расплаве. При содержании в рудно-известковом расплаве свыше 0,20% температура процесса снижается, в результате наступает так называемый «холодный» ход печи, при котором снижается полнота протекания реакций восстановления оксидов хрома из расплава. В результате повышается остаточное содержание СrО в шлаке, увеличиваются потери хрома с отвальным шлаком. Для исправления «холодного» хода печи увеличивают в завалке шихты навеску извести, что, в свою очередь, приводит к увеличению кратности шлака и далее к увеличению расхода электроэнергии и ухудшению других технико-экономических показателей.
2
3
Обоснование количества оксида бора, вводимого в печь в расплав перед выпуском продуктов плавки, выполнено по результатам проведения опытно-промышленных испытаний. Оксид бора вводили в виде бората кальция (ВО≤43%) в составе смеси с ферросиликохромом и известью в соотношении по массе 1:2:2 соответственно. Массу шлакового расплава определяли по количеству вводимого СаО с известью и содержанию СаO,%, в шлаке. Результаты влияния содержания оксида бора в шлаке на некоторые технико-экономические показатели выплавки низкоуглеродистого феррохрома приведены в таблице 1.
Таблица 1
Зависимость технико-экономических показателей выплавки низкоуглеродистого феррохрома от количества вводимого В<sub>2</sub>О<sub>3</sub> в шлаковый расплав в печь перед выпуском продуктов плавки
№ п/п
Показатель
Ед. изм.
Количество В<sub>2</sub>О<sub>3</sub>, вводимое в печь, % от массы шлакового расплава
база
0,15
0,20
0,25
0,30
0,35
0,40
1
Содержание В<sub>2</sub>О<sub>3</sub> в шлаковом расплаве в печи до введения бората кальция (остаточное содержание в ванне печи)
%
-
0,05
0,10
0,15
0,20
0,25
0,28
2
Содержание В<sub>2</sub>О<sub>3</sub> в конечном шлаке
%
-
0,18
0,28
0,37
0,45
0,52
0,60
3
Устойчивость структуры шлака от
силикатного распада, степень распада
%
100,0
30,0
0,03
0,0
0,0
0,0
0,0
4
Кратность шлака
шл./Ме
3,31
3,26
3,16
3,10
3,23
3,41
3,60
5
Содержание Сr<sub>2</sub>О<sub>3</sub> в конечном шлаке
%
5,30
5,25
4,83
4,67
4,97
5,73
6,30
6
Потери оксидного хрома со шлаком
% от заданного хрома
12,41
12,11
10,80
10,24
11,35
13,82
16,04
7
Удельный расход на 1 т Сr:
Известь
баз. кг
2513
2480
2400
2350
2450
2590
2730
Хромовая руда
баз. кг
3348
3357
3310
3229
3325
3410
3490
Ферросиликохром (48% Si)
баз. кг
1217
1218
1187
1120
1210
1232
1267
Электроэнергия
кВтч
5052
4975
4830
4735
4930
5205
5495
2
3
Из приведенных данных следует, что введение в печь в шлаковый расплав материала, содержащего оксид бора, способствует улучшению технико-экономических показателей выплавки рафинированного феррохрома. Особенно это наглядно видно на примере удельного расхода извести. От этого показателя напрямую зависит кратность шлака и расход электроэнергии. При увеличении количества вводимого оксида бора свыше 0,30% от массы шлакового расплава существенно ухудшаются условия для восстановления хрома, в результате возрастают потери оксидного хрома со шлаком и расход хромовой руды. Увеличение расхода извести приводит к повышению окислительной способности шлака и, как следствие, увеличению расхода ферросиликохрома. Рекомендуемыми пределами по количеству вводимого ВО являются 0,20-0,30% от массы шлакового расплава. Оптимальной величиной является 0,25%.
2
3
2
3
Во время промышленных испытаний определили оптимальное время для введения оксида бора в шлаковый расплав перед выпуском шлака. При вводе в расплав менее чем за 10 минут до выпуска оксид бора не полностью усваивался шлаком, о чем свидетельствует разброс по содержанию ВО в конечном шлаке и остаточное содержание ВО в ванне печи (таблица 2). Введение оксида бора за время свыше 20 минут до выпуска приводило к перегреву жидкоподвижного борсодержащего шлака вследствие выхода электродов на «открытую» дугу и бесполезному расходу электроэнергии. Кроме того, длительная работа печи в конце плавки с перегретым жидкоподвижным шлаком приводила к интенсивному размыву верхних слоев футеровки печи, особенно в районе летки. Пределы по времени введения оксида бора в печь в шлаковый расплав для решения поставленной задачи составляют 10-20 минут до выпуска продуктов плавки. Оптимальным временем для ввода оксида бора в расплав является 15 минут до выпуска продуктов плавки.
Таблица 2
Зависимость содержания В<sub>2</sub>О<sub>3</sub> в шлаке от времени ввода оксида бора в печь в шлаковый расплав (даны средние значения по 5 плавкам)
Показатель
Ед. изм.
Время ввода В<sub>2</sub>О<sub>3</sub> до выпуска плавки*)
5
10
15
20
25
30
Содержание В<sub>2</sub>О<sub>3</sub> в конечном шлаке
%
0,22**)
0,30
0,35
0,37
0,37
0,37
Содержание В<sub>2</sub>О<sub>3</sub> в ванне печи до ввода оксида бора в расплав на следующей плавке
%
0,28
0,20
0,15
0,13
0,13
0,13
*) Количество вводимого В<sub>2</sub>О<sub>3</sub> на всех опытах 0,25% от массы шлакового расплава
**) Шлак частично рассыпался
Источники информации
1. А.Г.Кучер, Н.В.Новиков, Н.Т.Таджибаев и др. Совершенствование силикотермического процесса выплавки низкоуглеродистого феррохрома. Сталь, №4, 1995 г., с.31-33.
2. Патент Республики Казахстан №12434 от 18.01.2002 г.
3. Патент РФ №2222629 от 18.03.2002 г.