Способ получения чугуна из железорудного шлама
METHOD FOR PRODUCING CAST IRON FROM IRON ORE SLUDGE

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к способам выплавки чугуна в дуговых электропечах.
Известен способ получения чугуна в установке, содержащей ряд (1) печей для производства чугуна, состоящий из одной или нескольких печей, в которых железную руду преобразуют в жидкий горячий металл с помощью процесса, который включает восстановление железной руды, плавление и образование отходящего газа (3), при этом способ включает стадии: a. загрузки ряда (1) печей для производства чугуна железной рудой и коксом, b. введения окисляющего газа в ряд (1) печей для производства чугуна, c. обезуглероживания отходящего газа (3) ниже по потоку относительно ряда (1) печей для производства чугуна с получением таким образом потока (8) СО2-обогащенного отходящего газа и потока (9) обезуглероженного отходящего газа, содержащего не более 10 об.% СО2 и предпочтительно не более 3 об.% СО2, d. введения по меньшей мере 50% потока (9) обезуглероженного отходящего газа обратно в ряд (1) печей для производства чугуна в качестве рециркулируемого потока восстановительного газа, при этом способ отличается тем, что включает стадии: e. образования водорода и кислорода посредством разложения воды, f. введения по меньшей мере части водорода, образованного на стадии (е), в ряд (1) печей для производства чугуна и g. введения по меньшей мере части образованного кислорода в качестве окисляющего газа в ряд (1) печей для производства чугуна (RU 2770105 С2, C21B 5/06, 14.04.2022 г.)
Известен способ производства чугуна из предварительно восстановленной железной руды (ПВЖ), включающий следующие стадии, на которых:
(a) приготавливают шихту из предварительно восстановленной железной руды (ПВЖ), характеризующуюся металлизацией выше 90% и содержащую более 2,8 мас.% углерода, причем по меньшей мере 80% указанного углерода находятся в связанном с железом состоянии в виде цементита Fe3C,
(b) загружают шихту в электродуговую печь (ЭДП),
(c) плавят шихту в плавильной камере электродуговой печи (ЭДП) в восстановительной атмосфере и при избыточном внутреннем давлении, создаваемом газами, продуцируемыми восстановительными и протекающими на стадии (с) реакциями, с получением жидкого чугуна с предопределенным содержанием углерода, причем по меньшей мере 80 мас.% указанного предопределенного содержания углерода в чугуне получают из углерода в шихте из предварительно восстановленной железной руды (ПВЖ), при необходимости, для регулирования содержания углерода в чугуне проводят стадию (b1), на которой к шихте добавляют углеродистый материал, причем указанную стадию (b1) осуществляют одновременно со стадией (b), между стадиями (b) и (с), одновременно со стадией (с) или после стадии (с) (RU 2734853 С2, C21B 11/10, 23.10.2020 г.).
Наиболее близким аналогом является способ выплавки чугуна в дуговой электропечи, включающий загрузку в печь металлошихты, окисленных железорудных окатышей и флюсов, их плавление, получение расплава с заданным химическим составом, его выпуск и модифицирование, отличающийся тем, что металлошихту и окисленные железорудные окатыши загружают в виде твердой шихтовой заготовки, полученной из окисленных железорудных окатышей, залитых железоуглеродистым сплавом, а расплав выпускают при содержании в нем, % по массе, до 3,8 углерода, до 0,5 кремния, до 0,05 марганца и до 0,015 серы, при этом получение расплава с заданным химическим составом производят путем регулирования состава и/или количества окисленных железорудных окатышей в шихтовой заготовке, при этом отношение количества окисленных железорудных окатышей и железоуглеродистого сплава в шихтовой заготовке равно 1: (2: 12) (RU 2142516 С1, C21C 5/52, 10.12.1999 г.).
Основным недостатком указанных технических решений является то, что производят переработку предварительно восстановленной железной руды посредством введения флюсующих добавок и других материалов.
Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение, является переработка отходов производства горяче-брикетированного железа в электродуговой печи с восстановлением железа и других элементов из их оксидов посредством углерода кокса без введения флюсующих добавок и других материалов.
Техническим результатом заявленного изобретения является упрощение производства за счет отсутствия введения флюсующих добавок при получении чугуна.
Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что способ получения чугуна, включающий загрузку шихты, ее расплавление и выпуск продуктов плавки, согласно изобретению в предварительно нагретую до температуры 200°С электродуговую печь производят загрузку первой порции шихты в виде железорудного шлама установки горячего брикетирования железа и отсева кокса с содержанием нелетучего углерода 79,1 мас.%, золы 17,9 мас.% и влажностью, не превышающей 9,4 мас.%, общей массой 11500 г c ее дальнейшим расплавлением, последующую послойную загрузку с последующим расплавлением соответственно второй порции шихты общей массой 11500 г, третьей порции шихты общей массой 11500 г и четвертой порции шихты общей массой 20630 г с интервалом времени загрузки 2400 с, при этом по окончании плавки осуществляют выпуск расплава металла температурой 1339°С, шлака и отходящих газов, а расплав выпускают при содержании в нем 94,8 мас.% железа, 2,62 мас.% углерода, 2,15 мас.% кремния и 0,43 мас.% остальных элементов.
Получение полупродукта осуществляется в периодически действующем металлургическом агрегате - электрической печи мощностью 100 кВт с углеродистыми электродами. В качестве основной железосодержащей составляющей шихты используется железорудный шлам установки горячего брикетирования железа (УГБЖ) влажностью 15,8% или ниже. Восстановление железа и других элементов из их оксидов происходит углеродом кокса, при этом введение флюсующих добавок и других материалов не требуется.
В гранулометрическом составе исходного шлама УГБЖ преобладают крупные-, средние- и мелкозернистые частицы размером от 100 до 1000 мкм, содержание грубых частиц размером более 1000 мкм составляет около 39%, тонкозернистые частицы размером менее 100 мкм присутствуют в количестве 16,9% (Таблица 1. Фракционный состав исходной сухой пробы шихты).
Таблица 1
Фракция, мм
+5
-5+3
-3+1
-1+0,5
-0,5+0,315
-0,315+0,1
-0,1+0,071
-0,071
Всего
г
94,60
68,97
160,97
67,89
67,13
236,78
73,05
68,30
837,69
%
11,29
8,23
19,22
8,10
8,01
28,27
8,72
8,18
100
При этом были исследованы пробы по фракциям и результаты фазового и химического составов проб фракций, приведенных в Таблице 1, представлены в Таблице 2 - Фазовый состав пробы фракции+5 мм, в Таблице 3 - Химический (элементный) состав пробы фракции+5 мм, в Таблице 4 - Фазовый состав пробы фракции -5+3 мм, в Таблице 5 - Химический (элементный) состав пробы фракции -5+3, в Таблице 6 - Фазовый состав пробы фракции -3+1 мм, в Таблице 7 - Химический (элементный) состав пробы фракции -3+1 мм, в Таблице 8 - Фазовый состав пробы фракции -1+0,5 мм, в Таблице 9 - Химический (элементный) состав пробы фракции -1+0,5 мм, в Таблице 10 - Фазовый состав пробы фракции -0,5+0,315 мм, в Таблице 11 - Химический (элементный) состав пробы фракции -0,5+0,315 мм, в Таблице 12 - Фазовый состав пробы фракции - 0,315+0,1 мм, в Таблице 13 - Химический (элементный) состав пробы фракции - 0,315+0,1 мм, в Таблице 14 - Фазовый состав пробы фракции - 0,1+0,071 мм, в Таблице 15 - Химический (элементный) состав пробы фракции - 0,1+0,071 мм, в Таблице 16 - Фазовый состав пробы фракции - 0,071 мм, в Таблице 17 - Химический (элементный) состав пробы фракции - 0,071 мм.
Таблица 2
Фаза
Состав
Массовая доля, %
Кварц
SiO<sub>2</sub>
6,4
Магнетит
Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>
21,7
Гематит
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
20,0
Вюстит
FeO
9,4
Кальцит
CaCO<sub>3</sub>
10,6
Железо (альфа)
Fe
22,6
Гетит
FeOOH
3,1
Цементит
Fe<sub>3</sub>C
6,2
Таблица 3
Элемент
Массовая доля, %
Fe
62,01
Ca
4,68
Si
4,25
Al
0,939
Mg
0,442
S
0,065
Ti
0,047
P
0,022
Mn
0,0318
K
0,029
Cr
0,021
Cu
0,023
Ni
0,010
Таблица 4
Фаза
Состав
Массовая доля, %
Кварц
SiO<sub>2</sub>
7,3
Цементит
Fe<sub>3</sub>C
9,0
Магнетит
Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>
20,5
Гематит
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
15,2
Вюстит
FeO
9,7
Кальцит
CaCO<sub>3</sub>
10,4
Железо (альфа)
Fe
27,8
Таблица 5
Элемент
Массовая доля, %
Fe
63,670
Ca
4,320
Si
4,800
Al
1,190
Mg
0,468
Ti
0,046
S
0,072
P
0,026
Mn
0,030
K
0,033
Cr
0,009
Таблица 6
Фаза
Состав
Массовая доля, %
Кварц
SiO<sub>2</sub>
6,0
Цементит
Fe<sub>3</sub>C
9,3
Магнетит
Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>
18,2
Гематит
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
13,0
Вюстит
FeO
12,2
Кальцит
CaCO<sub>3</sub>
8,8
Железо (альфа)
Fe
32,5
Таблица 7
Элемент
Массовая доля, %
Fe
66,680
Ca
3,810
Si
4,440
Al
1,080
Mg
0,411
S
0,067
Ti
0,044
Mn
0,028
K
0,022
P
0,027
Cr
0,008
Таблица 8
Фаза
Состав
Массовая доля, %
Кварц
SiO<sub>2</sub>
5,4
Цементит
Fe<sub>3</sub>C
10,0
Магнетит
Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>
19,2
Гематит
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
15,0
Вюстит
FeO
11,5
Кальцит
CaCO<sub>3</sub>
9,8
Железо (альфа)
Fe
29,0
Таблица 9
Элемент
Массовая доля, %
Fe
65,010
Ca
4,030
Si
4,560
Al
1,200
Mg
0,435
Ti
0,047
S
0,060
Sn
0,043
Mn
0,030
K
0,026
P
0,030
Co
0,013
Ni
0,011
Cr
0,009
Таблица 10
Фаза
Состав
Массовая доля, %
Кварц
SiO<sub>2</sub>
5,5
Цементит
Fe<sub>3</sub>C
6,6
Магнетит
Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>
19,1
Гематит
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
17,6
Вюстит
FeO
116
Кальцит
CaCO<sub>3</sub>
4,3
Железо (альфа)
Fe
33,8
Гетит
FeOOH
2,1
Таблица 11
Элемент
Массовая доля, %
Fe
67,46
Si
4,11
Ca
3,43
Al
0,929
Mg
0,471
S
0,044
Ti
0,042
Mn
0,036
P
0,019
K
0,028
Cu
0,023
Cr
0,019
Ni
0,011
Таблица 12
Фаза
Состав
Массовая доля, %
Кварц
SiO<sub>2</sub>
5,7
Цементит
Fe<sub>3</sub>C
8,2
Магнетит
Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>
21,6
Гематит
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
19,3
Вюстит
FeO
11,0
Кальцит
CaCO<sub>3</sub>
11,6
Железо (альфа)
Fe
22,7
Таблица 13
Элемент
Массовая доля, %
Fe
52,54
Ca
7,17
Si
6,19
Al
1,50
Mg
0584
S
0,059
Ti
0,056
K
0,041
P
0,048
Mn
0,030
Cr
0,018
Ni
0,011
Co
0,009
Zn
0,009
Таблица 14
Фаза
Состав
Массовая доля, %
Кварц
SiO<sub>2</sub>
7,8
Цементит
Fe<sub>3</sub>C
7,2
Магнетит
Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>
22,7
Гематит
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
16,4
Вюстит
FeO
9,6
Кальцит
CaCO<sub>3</sub>
14,0
Железо (альфа)
Fe
22,4
Таблица 15
Элемент
Массовая доля, %
Fe
51,44
Ca
9,67
Si
6,49
Al
1,51
Mg
0,663
S
0,066
Ti
0,066
P
0,049
Mn
0,035
K
0,036
Cr
0,019
Cu
0,017
Zn
0,012
Ni
0,009
Таблица 16
Фаза
Состав
Массовая доля, %
Кварц
SiO<sub>2</sub>
3,8
Цементит
Fe<sub>3</sub>C
8,2
Магнетит
Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>
18,8
Гематит
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
25,7
Вюстит
FeO
10,2
Кальцит
CaCO<sub>3</sub>
16,3
Железо (альфа)
Fe
17,0
Таблица 17
Элемент
Массовая доля, %
Fe
52,540
Ca
6,980
Si
5,760
Al
1,710
Mg
0,714
P
0,045
Ti
0,053
S
0,062
Mn
0,041
K
0,033
Zn
0,030
Cr
0,012
Используемый при плавке полупродукт УГБЖ в основном состоит из элементарного альфа-железа (27,1%), а также железа окисленного в форме магнетита, гематита и вюстита с суммарной массовой долей оксидов железа 49,9%. Количество пустой породы в виде кварца и кальцита не превышает 14,5% (Таблица 18. Фазовый состав пробы исходной шихты).
Таблица 18
Фаза
Состав
Массовая доля, %
Кварц
SiO<sub>2</sub>
6,4
Цементит
Fe<sub>3</sub>C
8,6
Магнетит
Fe<sub>3</sub>O<sub>4</sub>
25,0
Гематит
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
13,9
Вюстит
FeO
11,0
Кальцит
CaCO<sub>3</sub>
8,1
Железо (альфа)
Fe
27,1
Основным элементом, присутствующим в УГБЖ, является железо (61,420%). Другими элементами являются кремний (5,260%), кальций (4,570%), алюминий (1,410%) и магний (0,456%). Остальные определенные химическими анализами элементы присутствуют в количестве менее 0,1% каждый (Таблица 19. Химический (элементный) состав шихты).
Таблица 19
Элемент
Массовая доля, %
Fe
61,420
Ca
4,570
Si
5,260
Al
1,410
Mg
0,456
Ti
0,051
P
0,029
S
0,053
K
0,040
Mn
0,032
Gd
0,014
Ni
0,012
Co
0,010
Cr
0,008
V
0,003
Используемый углеродистый восстановитель представлен отсевом кокса с содержанием нелетучего углерода 79,1%, золы 17,8% и влажностью, не превышающей 9,4% (Таблица 21. Технический состав отсева кокса).
Таблица 20
Элемент
Массовая доля, вес.%
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
9,35
SiO<sub>2</sub>
49,44
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
16,48
CaO
12,12
MgO
7,54
TiO<sub>2</sub>
0,46
MnO<sub>2</sub>
0,16
Na<sub>2</sub>O
1,18
K<sub>2</sub>O
1,20
BaO
0,20
NiO
0,03
CoO
0,21
Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
0,05
ZnO
0,70
SrO
0,15
P<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
0,67
Прочие
0,06
Сумма
100,00
Таблица 21
Влага
Зола
S
Летучие
С<sub>фикс</sub>
9,4
17,8
0,60
2,5
79,1
2
3
2
2
Введение в шихту данного восстановителя способствует дополнительному привносу железа за счет присутствия 9,35% FeO в золе кокса. Наличие относительно большого количества оксидов щелочных металлов (NaO+KO>2%), оксидов других легколетучих металлов в условиях плавки не представляет опасности для технологии в связи с их удалением в пыль, что в перспективе позволяет рассматривать пыль газоочистки в качестве сырья для производства цветных металлов (Таблица 20. Химический состав золы отсева кокса). Кроме восстановления элементов из оксидов углерод кокса также выполняет функцию науглероживания восстановленного железа, что позволяет получать металл в жидком виде в условиях плавки в данной электропечи.
Технология плавки включает предварительный нагрев печи до 200 °С, послойную укладку первой порции ЗГБЖ и отсева кокса общей массой 11500 г из расчета 150 г углеродистого восстановителя на 1000 г шлама в предварительно нагретое пространство реактора печи, расплавление первой порции шихты и последующую послойную укладку дополнительных трех порций шихты массой 11500 г (2-я и 3-я порции) и 20630 г (4-я порция) с интервалом в 2400 с (Таблица 22. График загрузки шихтовых материалов).
Таблица 22
№п/п
Расход шихтовых материалов, г
Время, с
1
115000
2400
2
115000
2400
3
115000
2400
4
206300
2400
Всего
551300
9600
Суммарное время проплавления и восстановления 55130 г шихты занимает 9600 с с получением 26300 г горячего металла температурой 1339°С, 11100 г шлака и 16300 г отходящих газов (Таблица 23. Материальный баланс укрупненной плавки). Одновременный выпуск продуктов плавки (металла и шлака) осуществляется через летку в изложницу.
Таблица 23
До плавки, г
После плавки, г
Шлам ЗГБЖ
47900
Металл
26300
Отсев кокса
7200
Шлак
11100
Удаляется с газами
16300
Остаточный углерод
800
Всего
55100
Всего
54500
Невязка, кг
600
Невязка, %
1100
Суммарные затраты электроэнергии для получения 26300 г металла составляют 540 МДж, которые расходуются на нагрев шихты и расплавление восстановленного металла, нагрев пространства печи и футеровки печи, компенсацию потерь тепла в результате выноса газа и пыли, протекания эндотермических реакций, излучения кладкой печи (Таблица 24. Энергетический баланс укрупненной плавки).
Таблица 24
Приход
МДж
%
Расход
МДж
%
Электроэнергия
540,0
100,0
Полезный расход энергии
159,67
29,72
Эндотермические реакции
121,25
22,57
Потери с отходящими газами
14,81
2,76
Нагрев кладки печи и рабочего пространства печи
217,35
40,45
Потери тепла печью
24,20
4,50
Всего
540,0
100,0
Всего
537,28
100,0
Невязка, МДж
2,72
Невязка, %
0,50
По окончании плавки проводится выпуск продуктов плавки через летку в изложницу. Энергопотребление на разогрев и плавку составило 150 кВт⋅ч.
Получаемый в результате плавки ЗГБЖ металл состоит из 94,8% железа, 2,62% углерода, 2,15% кремния и 0,43% других элементов, что в соответствии с ГОСТ 4832-95 близко по составу к литейному чугуну марки Л4, класса А, категории 4 (Таблица 25. Химический (элементный) состав металла).
Таблица 25
Элемент
Массовая доля, вес.%
С
2,62
Si
2,15
Mn
0,0393
P
0,0377
S
0,0562
Cr
0,315
Mo
0,0013
Ni
0,0071
Al
0,0276
Co
0,00042
Cu
0,0061
Nb
0,0015
Ti
0,05999
V
0,0048
W
0,00064
Pb
0,00083
Mg
0,00058
As
0,0026
Zr
0,00004
Bi
0,00053
Sb
0,00040
Zn
0,00060
La
<0,0001
N
0,0072
O
0,0090
Fe
94,8
Сумма
100,0
2
2
3
2
2
3
В составе шлака преобладают кислые оксиды кремния SiO в количестве 37,280% и алюминия AlO (9,410%), что позволяет отнести полученный шлак к кислым, так как (CaO+MgO)/(SiO+AlO)<1 (Таблица 26. Химический (элементный) состав шлака).
Таблица 26
Элемент
Массовая доля, вес.%
Fe<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
4,490
SiO<sub>2</sub>
37,280
Al<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
9,410
CaO
36,410
MgO
8,420
TiO<sub>2</sub>
0,355
MnO
0,984
Na<sub>2</sub>O
0,319
K<sub>2</sub>O
0,258
BaO
0,161
NiO
0,009
CuO
0,041
Cr<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
1,320
SrO
0,121
ZrO<sub>2</sub>
0,116
V2O5
0,024
S
0,251
P
0,013
Таким образом, в результате осуществления заявленного способа получения чугуна выход железа в чугун составил 93,1%, а потери железа со шлаком - 6,9%.