СПОСОБ ПЕРЕРАБОТКИ ВАНАДИЙСОДЕРЖАЩИХ ЧУГУНОВ
PROCESSING METHOD OF VANADIUM-BEARING CAST IRONS

Изобретение относится к черной металлургии, в частности к способу переработки ванадийсодержащих чугунов с получением стали и ванадийсодержащих шлаков, пригодных для дальнейшего использования.
Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату в настоящее время является типовой способ переработки ванадиевого чугуна дуплекс-процессом, предусматривающий заливку ванадиевого чугуна в конвертер, продувку его кислородом с присадкой расчетного количества охладителей, передел полупродукта в сталь путем заливки полупродукта, зажигания и продувки плавки кислородом, порционной присадки шлакообразующих и последующего выпуска металла в ковш, его науглероживания, раскисления, легирования и доводки (Технологическая инструкция ТИ 102-СТ.К-66-2004. Производство ванадиевого шлака и стали в конвертерах, ОАО «Нижнетегильский металлургический комбинат», стр.3, 4, 5, 6, 13, 14, 24, 29).
2
5
Известный способ позволяет получить товарный ванадиевый шлак, содержащий VO более 14,0% и металл-полупродукт, который перерабатывается на сталь.
При существующей технологии переработки ванадиевого шлака дуплекс-процесса на ОАО "Тулачермет" регламентируют в шлаке массовую долю оксида марганца до 12,0% и до 5,0% оксида кальция.
Для обеспечения выплавки такого ванадиевого шлака на ОАО «НТМК» в доменном переделе ограничивают массовую долю марганца в чугуне до 0,35%, а в конвертерном переделе при деванадации чугуна для снижения оксида марганца вводят в шлак ОКД (обожженную кремнийсодержащую добавку).
В технологической инструкции ОАО «НТМК» по производству ванадиевого шлака и стали в конвертерах ТИ 102-СТ.К-66-2004 в пункте 1.11.8 указывается следующее.
При содержании кремния в чугуне менее 0,25%, для получения кондиционного ванадиевого шлака, необходимо присаживать на плавку из расчета замены каждой 0,01% недостающей до 0,25% кремния в чугуне:
55-70 кг кремнеземсодержащей добавки (ОКД) при содержании марганца в чугуне 0,25-0,30%;
70-85 кг ОКД при содержании марганца в чугуне 0,31-0,35%.
При содержании марганца в чугуне более 0,35% ОКД не использовать.
Обожженная кремнеземсодержащая добавка (ОКД) содержит более 55,0% оксидов кремния, более 25,0% оксидов алюминия и более 5,0% оксидов кальция и магния.
Использование ОКД ухудшает качество ванадиевого шлака и при существующем химическом составе чугуна снижает в нем массовую долю пентаоксида ванадия с 23,7% до 17,4%.
Химический состав шлака, %
Fe<sub>общ</sub>
V<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
CaO
SiO<sub>2</sub>
MnO
TiO<sub>2</sub>
MgO
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
При использовании окалины
30,0
23,7
2,0
11,8
14,7
8,2
0,8
0,1
При использовании окалины + ОКД
30,0
17,4
2,4
18,7
10,8
6,0
1,5
4,6
Товарный ванадиевый шлак имеет температуру плавления более 1250°С (табл.1), выкантовывается из конвертера в шлаковую чашу в твердофазном состоянии, что приводит к большой неоднородности его химического состава в объеме шлакового слитка.
2
5
На стадии стального передела полупродукта образуется шлак, содержащий 2,0-4,0% VO, который не может быть использован в металлургическом переделе и вывозится на отвалы, загрязняя окружающую среду.
Переработка ванадиевых чугунов в конвертерах ОАО «НТМК» дуплекс-процессом сдерживает рост производства объема стали из-за потерь агрегатного времени, что не соответствует требованиям экономики. Поэтому в отдельные периоды для обеспечения максимального производства ванадиевый чугун перерабатывают монопроцессом.
Суммарный доход от производства ванадиевого шлака дуплекс-процессом существенно ниже, чем от производства стали монопроцессом.
Однако ванадийсодержащие шлаки монопроцесса в настоящее время не могут быть эффективно переработаны в химическом переделе с извлечением ванадия.
Использование моношлаков в доменном переделе ограниченно из-за накопления и увеличения фосфора в чугуне.
В доменных печах большого объема использование моношлаков не целесообразно.
Проблема эффективного использования моношлаков на ОАО «НТМК» является очень актуальной.
Задача изобретения - разработка экономически целесообразной технологии переработки ванадиевого чугуна в кислородных конвертерах дуплекс-процессом с использованием ванадийсодержащих шлаков монопроцесса и/или стальных шлаков дуплекс-процесса.
Технический результат, достигаемый при решении данной задачи, - увеличение выхода годного, повышение извлечения ванадия в товарные ванадийсодержащие шлаки и исключение экологически опасных отвальных шлаков.
Техническое решение данной задачи сводится к оптимизации производительности конвертеров (с учетом их капитальных ремонтов) и машин непрерывного литья заготовок без ухудшения извлечения ванадия в товарный шлак и увеличения экологически опасных техногенных образований.
Технический результат достигается тем, что в известном способе, включающем переработку ванадиевого чугуна в кислородных конвертерах на ванадиевый шлак, полупродукт или сталь, предусматривающем заливку ванадиевого чугуна в конвертер, продувку его кислородом, подачу охладителей и шлакообразующих материалов, выпуск металла в ковш, накопление шлака в конвертере и выкантовывание шлака в шлаковую чашу, по изобретению при переработке ванадиевого чугуна на полупродукт вместо обожженной кремнеземсодержащей добавки на завершающей плавке цикла накопления ванадиевого шлака в качестве окислителей-охладителей в конвертер присаживают ванадийсодержащие шлаки монопроцесса и/или стальные шлаки дуплекс-процесса.
Изобретение основано на том, что для увеличения выхода годного в конвертерном переделе при деванадации чугуна целесообразно работать с накоплением в конвертере шлака двух-четырех плавок. Для уменьшения окисленности ванадиевых шлаков последнюю плавку цикла накопления завершают при температуре выше 1400°С, максимально снижая массовую долю железа в шлаке. Для повышения температуры на завершающей плавке цикла накопления ванадиевого шлака в конвертер присаживают дробленые до 200 мм ванадийсодержащие шлаки монопроцесса и/или стальные шлаки дуплекс-процесса в количестве 1,5-20,0 кг/т чугуна с обеспечением температуры металла в конце продувки на 100-200°С выше температуры ликвидуса.
Ванадиевые шлаки выливаются из конвертера в жидком состоянии, практически не реагируют с попадающим в чаши полупродуктом и после кристаллизации содержат меньше дисперсного железа и металловключений.
Использование при деванадации чугуна моно- и стальных шлаков с массовой долей пентаоксида ванадия более 2,0% увеличивает извлечение ванадия в товарные ванадийсодержащие шлаки на 1,5-2,0%.
Сущность изобретения заключается в том, что использование ванадийсодержащих шлаков монопроцесса и стальных шлаков, полученных при продувке полупродукта от последней плавки цикла накопления, позволяет сохранить максимальное количество железа в жидком полупродукте и увеличить извлечение ванадия в товарные ванадиевые шлаки.
Использование предлагаемой технологии по сравнению с известной позволяет при сохранении всех преимуществ переработки ванадиевых чугунов в кислородных конвертерах дуплекс- и монопроцессом получать товарные ванадийсодержащие шлаки с заданными физико-химическими свойствами для переработки по различным технологиям, повысить выход годного, увеличить сквозное извлечение ванадия и исключить попадание экологически опасных соединений в окружающую среду.
Опыты проводили на металлургическом комплексе, оснащенном кислородными конвертерами емкостью 160 т. Провели 4 серии плавок с продувкой ванадиевого чугуна на сталь дуплекс-процессом. Параметры плавки были следующими.
I серия плавок. В конвертер заливали 167 т ванадиевого чугуна следующего химического состава, мас.%: V 0,44; Si 0,08-0,11; Mn 0,32-0,34; Ti 0,15-0,17; S 0,023-0,025 и Р 0,055-0,058 (табл.2).
2
3
2
2
3
Продувку плавки проводили кислородом через четырехсопловую фурму с интенсивностью 370-390 куб.м/мин в течение 6-8 минут. В начале продувки фурму устанавливали на высоте 2,0 м над уровнем спокойного металла, затем в течение 2 минут фурму опускали до 1,0 м. На первых минутах продувки плавки по тракту сыпучих материалов присаживали по 7500-7600 кг окалины следующего химического состава, мас.%: 3,9 - FeO; 90,4 - FeO; 0,8 - СаО; 3,6 - SiO; 0,8 - MnO; 0,3 - MgO; 0,2 - AlO; 0,02 - S.
2
2
5
2
2
3
По ходу продувки третьей плавки завершающего цикла накопления шлака в конвертер по тракту сыпучих материалов загрузили 900 кг моношлака, содержащего, мас.%: FeO 18-25, CaO 38-44, SiO 8-12, VO 4-5, TiO 2-3, MnO 3-5, MgO 5-10, AlO 1-2, Р 0,4-0,6, мет.вкл. 6-12. На последнюю плавку цикла накопления шлака окалину в конвертер не присаживали.
В результате продувки последней плавки цикла накопления получили полупродукт с температурой 1460°С следующего химического состава, мас.%: С 2,8; V 0,10; Si 0,001; Mn 0,03; Ti 0,001; S 0,024 и Р 0,053.
Полупродукт передавали на другой конвертер для переработки на сталь.
Ванадийсодержащий шлак в конвертере получили в жидком состоянии, его слили в шлаковую чашу и после охлаждения выкантовали на шлаковый двор, раздробили до фракции менее 200 мм и отобрали усредненную пробу.
общ
2
5
2
2
Шлак имел следующий химический состав, мас.%: Fe 25,4; VO 22,2; CaO 4,9; SiO 13,9; MnO 14,5; TiO 9,9; MgO 1,6; Р 0,10 и мет.вкл. 5,8.
II серия плавок. В конвертер заливали 167 т ванадиевого чугуна следующего химического состава, мас.%: V 0,43-0,44; Si 0,09-0,11; Mn 0,33-0,34; Ti 0,16-0,18; S 0,025-0,027 и Р 0,056-0,058.
2
3
2
2
3
Продувку плавок проводили кислородом через четырехсопловую фурму с интенсивностью 370-390 куб.м/мин в течение 6 минут. В начале продувки фурму устанавливали на высоте 2,0 м над уровнем спокойного металла, затем в течение 2 минут фурму опускали до 1,0 м. На первых минутах продувки плавки по тракту сыпучих материалов присаживали по 7500-7600 кг окалины следующего химического состава, мас.%: 3,9 - FeO; 90,4 - FeO; 0,8 - СаО; 3,6 - SiO; 0,8 - MnO; 0,3 - MgO; 0,2 - AlO; 0,02 - S.
2
2
5
2
2
3
По ходу продувки четвертой плавки завершающего цикла накопления шлака в конвертер по тракту сыпучих материалов загрузили 1400 кг моношлака, содержащего, мас.%: FeO 18-25, CaO 38-44, SiO 8-12, VO 4-5, TiO 2-3, MnO 3-5, MgO 5-10, AlO 1-2, Р 0,4-0,6, мет.вкл. 6-12. На последнюю плавку цикла накопления шлака в конвертер окалину не присаживали.
общ
2
5
2
2
В результате продувки последней плавки цикла накопления получили полупродукт с температурой 1470°С следующего химического состава, мас.%: С 2,7; V 0,09; Si 0,001; Mn 0,02; Ti 0,001; S 0,023 и Р 0,054. Полученный ванадийсодержащий шлак имел следующий химический состав, мас.%: Fe 24,0; VO 21,9; CaO 5,1; SiO 14,9; MnO 15,2; TiO 10,0; MgO 1,7; Р 0,096 и мет.вкл. 6,9 (табл.2).
III серия плавок. В конвертер заливали 167 т ванадиевого чугуна следующего химического состава, мас.%: V 0,42-0,44; Si 0,09-0,11; Mn 0,33-0,35; Ti 0,16-0,18; S 0,023-0,025 и Р 0,055-0,056.
2
3
2
2
3
Продувку плавок проводили кислородом через четырехсопловую фурму с интенсивностью 380-390 куб.м/мин в течение 6 минут. В начале продувки фурму устанавливали на высоте 2,0 м над уровнем спокойного металла, затем в течение 2 минут фурму опускали до 1,0 м. На первых минутах продувки плавки по тракту сыпучих материалов присаживали по 7600 кг окалины следующего химического состава, мас.%: 3,9 - FeO; 90,4 - FeO; 0,8 - СаО; 3,6 - SiO; 0,8 - MnO; 0,3 - MgO; 0,2 - AlO; 0,02 - S.
2
2
5
2
2
3
По ходу продувки третьей плавки завершающего цикла накопления шлака в конвертер по тракту сыпучих материалов загрузили 2000 кг стального шлака, содержащего, мас.%: FeO 14-16, CaO 44-45, SiO 11-13, VO 3-4, TiO 1-2, MnO 2-3, MgO 8-10, AlO 1-2, Р 0,4-0,5, мет.вкл. 2-6. На последнюю плавку цикла накопления шлака в конвертер окалину не присаживали.
общ
2
5
2
2
В результате продувки последней плавки цикла накопления получили полупродукт с температурой 1450°С следующего химического состава, мас.%: С 3,0; V 0,08; Si 0,001; Mn 0,03; Ti 0,001; S 0,024 и Р 0,056. Полученный ванадийсодержащий шлак имел следующий химический состав, мас.%: Fe 18,0; VO 22,9; СаО 11,7; SiO 17,4; MnO 15,9; TiO 10,5; MgO 2,8; Р 0,170 и мет.вкл. 5,9 (табл.3).
IV серия плавок. В конвертер заливали 167 т ванадиевого чугуна следующего химического состава, мас.%: V 0,43-0,44; Si 0,09-0,12; Mn 0,34-0,35; Ti 0,16-0,18; S 0,024-0,026 и Р 0,056-0,058.
2
3
2
2
3
Продувку плавок проводили кислородом через четырехсопловую фурму с интенсивностью 380-390 куб.м/мин в течение 6 минут. В начале продувки фурму устанавливали на высоте 2,0 м над уровнем спокойного металла, затем в течение 2 минут фурму опускали до 1,0 м. На первых минутах продувки плавки по тракту сыпучих материалов присаживали по 7500-7600 кг окалины следующего химического состава, мас.%: 3,9 - FeO; 90,4 - FeO; 0,8 - СаО; 3,6 - SiO; 0,8 - MnO; 0,3 - MgO; 0,2 - AlO; 0,02 - S.
2
2
5
2
2
3
По ходу продувки четвертой плавки завершающего цикла накопления шлака в конвертер по тракту сыпучих материалов загрузили 3000 кг стального шлака, содержащего, мас.%: FeO 14-16, СаО 44-45, SiO 11-13, VO 3-4, TiO 1-2, MnO 2-3, MgO 8-10, AlO 1-2, Р 0,4-0,5, мет.вкл. 2-6. На последнюю плавку цикла накопления шлака в конвертер окалину не присаживали.
общ
2
5
2
2
В результате продувки последней плавки цикла накопления получили полупродукт с температурой 1440°С следующего химического состава, мас.%: С 3,1; V 0,07; Si 0,001; Mn 0,02; Ti 0,001; S 0,023 и Р 0,056. Полученный ванадийсодержащий шлак имел следующий химический состав, мас.%: Fe 20,0; VO 23,4; СаО 9,6; SiO 17,4; MnO 16,2; TiO 10,7; MgO 2,4; Р 0,152 и мет.вкл. 5,4 (табл.3).
Учитывая высокую концентрацию остаточного ванадия (0,07-0,10% вместо 0,04% по инструкции) в полупродукте последних плавок цикла накопления шлака, стальной шлак после продувки этого полупродукта на сталь выкантовывали в отдельную чашу, после охлаждения дробили и использовали совместно с моношлаком при деванадации чугуна.
Приведенные примеры не исчерпывают все возможные варианты реализации изобретения, и на практике могут быть легко получены другие варианты способа, не выходящие за рамки изобретения.
Нижний предел расхода ванадийсодержащих шлаков монопроцесса и стальных шлаков дуплекс-процесса в количестве 1,5 кг/т чугуна обусловлен тем, что ему соответствует минимум материальных и энергетических затрат, связанных с подготовкой и использованием этих шлаков.
Верхний предел расхода ванадийсодержащих шлаков монопроцесса и стальных шлаков дуплекс-процесса в количестве 20,0 кг/т чугуна связан с получением товарных ванадиевых шлаков, кондиционных по содержанию оксидов кальция и фосфора.
Использование новой технологии по сравнению с существующей позволит следующее.
Увеличить в шлаке массовую долю пентаоксида ванадия с 17-20% до 22-24% за счет введения его из моношлака и снижения оксидов железа, кремния и алюминия.
Увеличить сквозное извлечение ванадия в товарный шлак на 1,0-1,5%.
Ежегодно получать дополнительно более 200 тонн ванадия в товарном шлаке.
Перерабатывать более 8500 тонн моно- и стальных шлаков в год.
Продувать 2-3 плавки ванадиевого чугуна монопроцессом ежедневно.
Исключить рост экологически опасных техногенных образований (отвальных шлаков).
Экономический эффект при внедрении новой технологии ежегодно составит более
200·350000=70000000 руб. (350000 руб. - стоимость 1,0 тонны ванадия).
Источники информации
1. Производство ванадиевого шлака и стали в конвертерах. Технологическая инструкция ТИ 102-СТ.К-66-2004, ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат».