ШИХТА И СПОСОБ АЛЮМИНОТЕРМИЧЕСКОГО ПОЛУЧЕНИЯ СПЛАВА НА ОСНОВЕ ХРОМА С ЕЕ ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ
CHARGE AND METHOD FOR ALUMINOTHERMIC PRODUCTION OF CHROMIUM-BASED ALLOY USING SAID CHARGE

Изобретение относится к металлургии и может быть использовано для алюминотермического получения сплавов на основе хрома, предназначенных для использования в различных отраслях промышленности для изготовления деталей приборостроения, технологического оборудования в различных отраслях промышленности. Значительный интерес для потребителей представляют сплавы на основе хрома, содержащие до 5% железа. Выплавку сплавов осуществляют в сталеплавильных агрегатах с использованием феррохрома, хрома металлического, в частности, получаемого внепечным алюминотермическим способом при расплавлении шихтовых материалов различного состава.
Из уровня техники (патент РФ №2430174) известна шихта, предназначенная для алюминотермического получения хрома металлического, содержащая компоненты при следующем соотношении, мас.%: окись хрома - 57,5-61,0, алюминий - 24,5-26,9, хромовый ангидрид - 4,9-6,9, натрия или калия бихромат - 3,7-4,6, гидроокись кальция - 1,2-1,6, соль поваренная - 0,5-0,7, 50-70 мас.% извести с содержанием углерода не более 0,2 мас.%, вводимой в шихту, - 2,3-2,5; остальные 30-50 мас.% извести с содержанием углерода не более 0,5 мас.%, загружаемой на колошник, плавиковошпатовый концентрат - 0,5-1,0 к массе окиси хрома. Использование указанной шихты не позволяет получать высококачественный хром металлический из-за примесного содержания в нем азота, углерода, не регламентируется строго содержание железа.
Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому результату является шихта, предназначенная для алюминотермического получения хрома металлического (патент RU №2495945), содержащая компоненты при следующем соотношении, мас.%: окись хрома - 56,5-57,3, алюминий - 24,2-25,4, натрия или калия бихромат - 8,4-8,6, хромовый ангидрид - 2,8-4,3, гидроокись кальция с содержанием углерода не более 0,2 мас.% - 2,55-2,65, соль поваренная - 0,40-0,45, концентрат плавиковошпатовый - 0,9-1,1 к массе окиси хрома, известь с содержанием углерода не более 0,2 мас.% - 1,4-1,7, известь с содержанием углерода не более 0,5 мас.% - 1.15-1,45.
Для указанного состава шихты также характерны отмеченные выше недостатки. Кроме того использование известной шихты в технологическом процессе получения хрома металлического не обеспечивает высокого извлечения хрома в металл, что ограничивает прямое целевое использование его для получения специальных сплавов.
Задачей изобретения является создание шихты, обеспечивающей возможность получения высококачественного сплава на основе хрома с содержанием железа до 5 мас.% непосредственно при осуществлении алюминотермического процесса получения хрома металлического.
Поставленная задача достигается тем, что в известном составе шихты, содержащей окись хрома, алюминий, натрия или калия бихромат, хромовый ангидрид, гидроокись кальция, соль поваренную, концентрат плавиковошпатовый, известь с содержанием углерода не более 0,2 мас.%, известь с содержанием углерода не более 0,5 мас.% предусмотрены следующие отличия: используют распыленный воздухом порошок железный, и снижены содержание окиси хрома в шихте и гидроокиси кальция с содержанием углерода не более 0,2 мас.%, повышено содержание соли поваренной, а компоненты шихты взяты при следующем количественном соотношении, мас.%: окись хрома - 55,8-56,2, алюминий - 24,1-24,6, натрия бихромат - 8,35-8,45, хромовый ангидрид- 2,78-2,82, гидроокись кальция с содержанием углерода не более 0,2 мас.% - 2,51-2,53, соль поваренная - 0,50-0,57, известь с содержанием углерода не более 0,2 мас.% - 1,4-1,7, распыленный воздухом порошок железный - 1,95-1,97, известь с содержанием углерода не более 0,5 мас.% - 1,15-1,40, концентрат плавиковошпатовый - 0,56-0,80.
Сущность изобретения заключается в том, что понижение окиси хрома в шихте и соотношения ангидрида хромового и натрия бихромата при повышении соли поваренной и введение качественного распыленного воздухом порошка железного позволило понизить термичность проплавляемой шихты в пределах 72-75 кДж/г-атом и этим понизить теплосодержание сливаемого расплава, что положительно влияет на безопасность процесса, а понижение содержания гидроокиси кальция в шихте позволило снизить пылеунос шихты и повысить извлечение хрома в сплав.
При содержании окиси хрома ниже 55,8% увеличивается концентрация алюминия в металле, что изменяет соотношение хрома к железу возрастает термичность шихты, что приводит к «горячему» ходу плавки и требует изменения режима разливки расплава. При содержании окиси хрома выше 56,2% снижает термичность шихты, ход плавки становится «холодным», увеличивается остаточное содержание оксида хрома в шлаке.
2
3
При содержании алюминия ниже 24,1% снижается степень восстановления хрома из оксида, изменяется соотношение хрома к железу, увеличивается остаточное содержание CrO в шлаке. При содержании алюминия более 24,6% увеличивается содержание примеси алюминия в сплаве, изменяется соотношение хрома к железу.
При содержании натрия бихромата ниже 8,35% снижается термичность шихты, что приводит к «холодному» ходу плавки, а также возрастает содержание азота в металле, ухудшается качество сплава. При содержании натрия бихромата выше 8,45% возрастает термичность шихты, увеличивается скорость проплавления шихты и количество пылеуноса шихтовых материалов. В результате снижается извлечение хрома в сплав и изменяется соотношение хрома к железу.
При содержании хромового ангидрида ниже 2,78% снижается термичность шихты, ход плавки становится «холодным», ухудшаются условия расплавления распыленного воздухом порошка железного и увеличивается образование переплавного (грязного) металла на подине горна. При содержании хромового ангидрида выше 2,82% увеличивается термичность шихты, что приводит к размыванию футеровки плавильного горна, перегреву металла и шлака и необходимости изменения режима разливки.
При содержании гидроокиси кальция в шихте менее 2,51% уменьшается дегазирующий эффект, тем самым увеличивается содержание азота в металле.
При содержании гидроокиси кальция выше 2,53% увеличивается количество пылеуноса шихты с отходящими газами, снижается извлечение ведущего элемента.
При содержании порошка железного ниже 1,95% изменяется соотношение хрома к железу, а также увеличивается теплосодержание расплава, что приводит к перегреву металла, к размыванию футеровки плавильного горна и необходимости изменения режима разливки. При содержании распыленного воздухом порошка железного выше 1,97% уменьшается теплосодержание расплава, что приводит к «холодному» ходу плавки и ухудшению термодинамики окислительно-восстановительных процессов плавки.
Заявленный количественный состав компонентов позволяет решать поставленную задачу, а отклонения от указанных пределов их концентрации приводит к нарушению теплового режима плавки, ухудшению качества и технико-экономических показателей алюминотермического технологического процесса получения конечной продукции - сплава на основе хрома, содержащего железа до 5 мас.%.
Из уровня техники известны способы алюминотермического получения хрома металлического (патенты РФ №2260630, 2430174, 2495945).
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ алюминотермического получения хрома металлического (патент РФ №2495945), включающий подготовку, загрузку и проплавление шихты состава, мас.%: окись хрома 56,5-57,3, алюминий 24,2-25,4, натрия или калия бихромат 8,4-8,6 и хромовый ангидрид 2,8-4,3 при их соотношении, равном 1:(0,4-0,5), известь 1,4-1,7 и гидроокись кальция 2,55-2,65, содержащих углерод не более 0,2 мас.%, при их соотношении, равном 1:(1,7-1,9), соль поваренная 0,40-0,45, плавиковошпатовый концентрат 0,9-1,1, известь с содержанием углерода не более 0,5 мас.% 1,15-1.45. Известь с содержанием углерода не более 0.2 мас.% вводят непосредственно в шихту, а известь с содержанием не более 0,5 мас.% загружают на колошник за 2-4 мин до окончания проплавления шихты при соотношении извести с содержанием углерода не более 0,2 мас.% и извести с содержанием углерода не более 0,5 мас.%, равном соответственно (50-60):(40-50). Выпуск продуктов плавки осуществляют путем слива шлака и металла в стальную нефутерованную изложницу посредством наклона горна. Загрузку и проплавление шихты ведут в одну стадию, а после слива шлака в изложницу на гарнисаж на оставшийся жидкий шлак загружают плавиковошпатовый концентрат, после растворения, которого производят слив шлака и металла.
Известные способы имеют общие недостатки - технология производства, качество шихтовых материалов и составы шихты не позволяют получить качественный сплав на основе хрома со стабильным содержанием 5 мас.% железа. Кроме этого технологический процесс сопровождается повышенной термичностью шихты и теплосодержанием расплава - факторов, определяющих технико-экономические показатели, стабильность и безопасность получения хрома металлического с низким содержанием химических элементов, негативно влияющих на его качественные характеристики.
Задачей изобретения является создание эффективного, простого и надежного способа получения высококачественного сплава на основе хрома, содержащего до 5 мас.% железа, непосредственно при осуществлении алюминотермического технологического процесса производства хрома металлического.
2
Поставленная задача достигается тем, что в отличие от известного способа алюминотермического получения хрома металлического, включающего подготовку шихты, при которой предварительно в смесительный барабан загружают натрия или калия бихромат и гидроокись кальция с содержанием углерода не более 0,2 мас.% и перемешивают в течение 4-5 минут, а затем загружают остальные компоненты шихты, загрузку и проплавление шихты со скоростью 360-460 кг/м, содержащей окись хрома, алюминий, окислитель в качестве которого используют натрия или калия бихромат и ангидрид хромовый, гидроокись кальция, соль поваренную, известь с содержанием углерода не более 0,2 мас.%, вводимую непосредственно в шихту, загрузку извести с содержанием углерода не более 0,5 мас.% на колошник за 2-4 мин до окончания проплавления шихты с учетом их соотношения, равного соответственно (50-60):(40-50) и соотношения извести и гидроокиси кальция, содержащих углерод не более 0,2 мас.%, равного 1:(1,7-1,9), а после слива части шлака в изложницу на гарнисаж на оставшийся жидкий шлак загружают плавиковошпатовый концентрат, после растворения которого производят слив шлака и металла, в заявленном способе получения сплава на основе хрома компоненты шихты взяты при следующем содержании, мас.%: окись хрома - 55,8-56,2, алюминий - 24,1-24,6, натрия бихромат - 8,35-8,45, хромовый ангидрид - 2,78-2,82, гидроокись кальция с содержанием углерода не более 0,2 мас.% - 2,51-2,53, соль поваренная - 0,50-0,57, концентрат плавиковошпатовый - 0,56-0,80, известь с содержанием углерода не более 0,2 мас.% - 1,4-1,7, известь с содержанием углерода не более 0,5 мас.% - 1,15-1,40, распыленный воздухом порошок железный - 1,95-1,97.
2
Сущность предлагаемого способа характеризуется тем, что в смесительный барабан загружают натрия бихромат и гидроокись кальция с содержанием углерода не более 0,2 мас.% и смешивают в течение 4-5 минут, затем загружают окись хрома, алюминий, хромовый ангидрид, соль поваренную и известь с содержанием углерода не более 0,2 мас.% и перемешивают с получением смеси. Плавку полученной смеси ведут в горне со скоростью проплавления смеси 360-460 кг/(м×мин), при этом после проплавления 50-75% смеси в горн на поверхность расплава рассредоточено по мере проплавления оставшейся смеси загружают распыленный воздухом порошок железный, который коагулирует мелкие частицы восстановленного хрома и способствует переносу их из шлака в металл. За 2-4 минуты до окончания плавки на колошник загружают известь с содержанием углерода не более 0,5 мас.%. После плавки производят слив в изложницу 30-40% шлака для образования гарнисажа, а на оставшийся в горне жидкий шлак загружают концентрат плавиковошпатовый и после его растворения сливают шлак и расплав металла под слой шлака в изложницу, причем плавку ведут при соотношении извести с содержанием углерода не более 0,2 мас.% и извести с содержанием углерода не более 0,5 мас.%, равном (50-60):(40-50), при соотношении извести и гидроокиси кальция с содержанием углерода не более 0,2 мас.%, равном 1:(1,7-1,9), при соотношении натрия бихромата и хромового ангидрида, равном 1:(0,33-0,34), чем оптимизируют устойчивость термодинамических и кинетических условий протекания процессов окисления и восстановления, при получении сплава на основе хрома, снижая и повышая их активность, соответственно в металлическом и шлаковом расплавах.
Совокупность заявленных существенных признаков предопределяет решение поставленной задачи по достижению технического результата - созданию эффективного простого надежного способа получения высококачественного сплава на основе хрома со стабильны содержанием железа до 5 мас.%.
Реализация способа осуществляется на существующем металлургическом оборудовании с использованием известных доступных сырьевых компонентов.
Сущность изобретения подтверждается примерами конкретного выполнения. Для реализации заявленного способа применяют следующие компоненты: окись хрома техническая металлургическая по ГОСТ 2912-79 и/или по ТУ 2123-055-54138686-2010, порошок алюминия по СТО 03-74-11, хромовый ангидрид технический по ГОСТ 2548-77, натрия бихромат технический по ГОСТ 2651-78, известь молотая по СТО 03-75-11, распыленный воздухом порошок железный, по ГОСТ 9849-86 и/или ТУ 14-1-5365-98, соль поваренная по ТУ 2152-027-00204872-2011 или по ТУ 2111-044-00203944-2011, концентрат плавиковошпатовый металлургический по ГОСТ 29220-91 и/или концентрат плавиковошпатовый по ТУ 176952-001-45608905-2001, гидроокись кальция с содержанием углерода не более 0,2 мас.%. Шихту рассчитывают на 4000 кг окиси хрома.
2
При подготовке шихты в смесительный барабан загружают натрия бихромат и гидроокись кальция с содержанием углерода не более 0,2 мас.% и перемешивают в течение 4-5 минут, а затем загружают остальные компоненты шихты, за исключением распыленного воздухом порошка железного, извести с содержанием углерода не более 0,5 мас.% и плавиковошпатового концентрата, компоненты тщательно перемешивают с получением смеси. Внепечную алюминотермическую плавку подготовленной смеси проводят с нижним зажиганием ее в наклоняющемся горне в одну стадию со скоростью проплавления 360-460 кг/(м·мин), при этом известь с содержанием углерода не более 0,5 мас.% из отдельного бункера загружают на колошник за 2-4 минуты до окончания плавки, а затем производят слив продуктов плавки в стальную нефутерованную изложницу наклоном горна, при этом сначала сливают в изложницу 30-40% шлака для образования гарнисажа, а затем загружают в плавильный горн на оставшийся жидкий шлак концентрат плавиковошпатовый, и после его растворения сливают шлак и металл под слой шлака в изложницу, причем загрузку распыленного воздухом порошка железного осуществляли после проплавления 50-75% смеси рассредоточено в плавильный горн, при одновременной загрузке и проплавлении оставшейся смеси.
2
Пример 1 (прототип). Для получения хрома металлического с содержанием азота не более 0,02 мас.% масса подготовленной на плавку шихты составила 7080 кг. Загружали и проплавляли в одну стадию со скоростью 360-460 кг/(м·мин) шихту следующего состава, кг (мас.%):
окись хрома
4000,00 (56,5)
алюминий
1780,00 (25,14)
хромовый ангидрид
250,00 (3,53)
натрия бихромат
600,00 (8,47)
гидроокись кальция (углерод не более 0,2 мас.%)
180,00 (2,55)
соль поваренная
30,00 (0,42)
известь (углерод не более 0,2 мас.%)
100,00 (50,0)
известь (углерод не более 0,5 мас.%)
100,00 (50,0)
плавиковошпатовый концентрат (на шлак)
40 (0,56)
Известь с содержанием углерода не более 0,2 мас.% вводили непосредственно в шихту, а известь с содержанием не более 0,5 мас.% загружали на колошник за 2-4 минуты до окончания проплавления шихты, при этом соотношение извести с содержанием углерода не более 0,2 мас.% и извести с содержанием углерода не более 0,5 мас.% равно соответственно (50-60):(40-50).
Выход хрома металлического марки Х99Н2 (ГОСТ 5905-2004. Массовая доля: Cr не менее 99,0, Al не более 0,20, Fe не более 0,5, С не более 0,03, N не более 0,02) за кампанию составил 68,7%.
2
Пример 2 (заявляемый способ). Для получения сплава на основе хрома с содержанием железа 5 мас.% и с содержанием азота не более 0,02 мас.% масса подготовленной на плавку шихты составила 7140 кг. Загружали и проплавляли в одну стадию со скоростью 360-460 кг/(м·мин) шихту следующего состава, кг (мас.%):
окись хрома
4000,00 (56,02)
алюминий
1740,00 (24,37)
хромовый ангидрид
200,00 (2,8)
натрия бихромат
600,00 (8,4)
гидроокись кальция (углерод не более 0,2 мас.%)
180,00 (2,52)
распыленный воздухом порошок железный
140 (1,96)
соль поваренная
40,00 (0,56)
известь (углерод не более 0,2 мас.%)
100,00 (1,4)
известь (углерод не более 0,5 мас.%)
100,00 (1,4)
плавиковошпатовый концентрат
40 (0,56)
Известь с содержанием углерода не более 0,2 мас.% вводили непосредственно в шихту, а известь с содержанием углерода не более 0,5 мас.% загружали на колошник за 2-4 минуты до окончания проплавления шихты, при этом соотношение извести с содержанием углерода не более 0,2 мас.% и извести с содержанием углерода не более 0,5 мас.% равно 50:50. Распыленный воздухом порошок железный, чтобы не оставалась часть его в смесительном барабане, задавали на ленту транспортера, подающего шихту из смесительных барабанов плавильный горн после проплавления 50-75% смеси параллельно с загрузкой оставшейся смеси.
Выход сплава на основе хрома с содержанием железа 5 мас.% (массовая доля: Cr не менее 94,5, Fe - 5,0, С не более 0,012, N не более 0,02) составил 100%.
Сравнительные результаты выплавки по известному способу (прототипу) и заявляемому техническому решению (примеры 1, 2) приведены в Таблице
Как видно из приведенной таблицы, разработан технологически несложный способ, получения сплава на основе хрома с содержанием 5% железа повышенного качества, при использовании в шихте в качестве железосодержащего сырья распыленного воздухом порошка железного. В предлагаемом изобретении найдены оптимальные соотношения массы хромосодержащих и железосодержащих материалов, а также соотношения массы натрия бихромата и хромового ангидрида, которые стабилизируют термичность алюминотермической шихты для плавки сплава на основе хрома в пределах 72-75 кДж/г-атом.
Оптимизация термодинамических условий протекания восстановительного процесса обеспечивает массовый выход качественного сплава на основе хрома с содержанием 4,9-5.2% железа при снижении содержания алюминия и азота в металле. При этом извлечение хрома увеличено в сравнении с 88,86% в прототипе до 90,86% по заявленному способу.
По окончательной рецептуре при реализации заявленного состава шихты и заявленного способа получения сплава на основе хрома металл имеет содержание хрома 94,6 мас.%, содержание железа 5 мас.%, содержание алюминия 0,1 мас.%, содержание азота 0,020 мас.% и содержание углерода 0,012 мас.% и может быть использован без дальнейшего переплава для производства различных изделий, в частности при производстве интерконнекторов твердооксидных топливных элементов (ТОТЭ) (патент RU 2303838).
Использованные источники
1. RU, патент 2430174, МПК С22 в 34/32.
2. RU, патент 2495945, МПК С22 в 34/32.
3. RU, патент 2260630, МПК С22 в 34/32.
4. RU, патент 230383, МПК Н01М 8/24.