СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПЛЕКСНОГО КРЕМНИСТОГО ФЕРРОСПЛАВА
PROCEDURE FOR PRODUCTION OF COMPLEX SILICEOUS FERRO-ALLOY

Изобретение относится к области металлургии, а именно к получению комплексных ферросплавов, содержащих щелочноземельные металлы, для рафинирования и модифицирования стали и чугуна.
Предлагаемый способ может быть использован на металлургических и машиностроительных заводах для получения специальных малотоннажных ферросплавов, необходимых для внепечной обработки железоуглеродистых расплавов.
Известен способ получения силикокальция, включающий загрузку и проплавление шихты, содержащей кусковые кварцит, известь, древесный уголь, каменный уголь и кокс [см. Производство ферросплавов. Рысс М.А. М.: Металлургия. 1985. 344 с.].
В соответствии с указанным способом восстановление кремния и кальция осуществляют углеродом при значительном (16-20%) его избытке в шихте и крайне неравномерном распределении ее компонентов в ванне печи при температуре порядка 1900°С.
Это приводит к постепенному зарастанию ванны печи карбидной настылью и прекращению кампании выплавки сплава, длительность которой не превышает 2,5-3,0 месяца.
Недостатками способа являются также низкое извлечение кальция и кремния в сплав вследствие высокой температуры, высокий удельный расход электроэнергии, необходимость ежегодного капитального ремонта печи, использование дефицитного и дорогого древесного угля.
4
2
3
4
4
Для получения комплексных сплавов, содержащих щелочноземельные металлы, наиболее выгодно использовать природные и относительно дешевые сульфатные и карбонатные руды: гипс (CaSO·HO), известняк (СаСО), барит (BaSO), целестин (SrSO).
Известен способ получения сплавов с барием, в котором в качестве барийсодержащего материала в шихту при углетермической плавке вводят барит [А.С. SU 255958. Способ получения сплавов с барием. Опубл. 04.11.1969. Бюл. №34].
В соответствии с указанным способом барий восстанавливают из барита углеродом в рудовосстановительной печи при температуре 600-1900°С.
Недостатками этого способа являются низкое извлечение бария в сплав, повышенный расход электроэнергии вследствие высокой температуры процесса.
Известен способ получения стронцийсодержащего ферросилиция, включающий загрузку в печь и проплавление шихты, состоящей из смеси кусковых материалов: кварца, целестина, древесного угля, древесной щепы и каменного угля [Patent US 3374086 A. Process for making strontium-bearing ferrosilicon. Mar. 19, 1968].
В соответствии с указанным способом сплав получают углеродотермическим процессом в дуговой электрической печи при большом (20-30%) избытке количества углерода в шихте.
Недостатками способа являются технологические затруднения при выпуске сплава из печи и прекращение его выплавки вследствие зарастания ванны печи карбидной настылью. Кроме того, в указанном способе используют дорогие и дефицитные шихтовые материалы - кварц и древесный уголь.
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому эффекту является способ получения комплексного кремнистого ферросплава одностадийным непрерывным углеродотермическим процессом, описанный в п. РФ №2247169 по кл. С22С 33/04, з. 23.06.03, оп. 27.02.05.
Известный способ получения комплексного кремнистого ферросплава одностадийным непрерывным углеродотермическим процессом включает загрузку в печь и проплавление шихты, состоящей из кварцита и брикетированной смеси рудной части шихты с избытком углеродистого восстановителя, необходимого для восстановления ведущих элементов, при недостатке восстановителя во всей шихте, при этом в смесь для брикетирования рудной части шихты с углеродистым восстановителем дополнительно вводят интенсификатор процесса восстановления и отходы собственного производства в виде ферросплава крупностью менее 1 мм, шлака и возгонов в количестве соответственно 2-10% и 1-15%, причем в качестве интенсификатора используют сульфиды и/или оксиды меди и никеля, боратовую руду и плавиковый шпат.
2
Недостатком известного способа является относительно низкая степень извлечения кремния в сплав вследствие малой контактной поверхности кусков кварцита с углеродистым восстановителем. Кроме того, при использовании сульфатной руды в отсутствии SiO в брикете взаимодействие сульфатов с углеродом приводит к образованию устойчивых сульфидов и резкому снижению из-за этого степени извлечения щелочноземельных металлов.
Задачей является повышение степени извлечения кремния и щелочноземельных металлов при снижении стоимости шихты и энергоемкости процесса.
2
4
2
4
4
3
Поставленная задача решается тем, что в способе получения комплексного кремнистого ферросплава одностадийным непрерывным углеродотермическим процессом, включающем загрузку в печь и проплавление шихты, состоящей из кремнийсодержащего материала и брикетированной смеси рудной части шихты с углеродистым восстановителем при недостатке его в шихте, при этом в смесь для брикетирования рудной части шихты с углеродистым восстановителем дополнительно вводят интенсификатор процесса восстановления, согласно изобретению углеродотермический процесс осуществляют при температуре 1700-1850°С, в качестве кремнийсодержащего материала и интенсификатора используют кварцевый песок, который дополнительно вводят в смесь для брикетирования, а в качестве рудной части шихты используют природные сульфатные и карбонатные руды: гипс и/или целестин и/или барит и/или известняк, причем соотношение кварцевого песка и рудной части в шихте SiO:(CaSO·2HO+SrSO+BaSO+СаСО) поддерживают в пределах 2,0-100,0 массовых долей.
Использование в брикетированной смеси в качестве кремнийсодержащего материала и одновременно интенсификатора процесса кварцевого песка позволяет получить более равномерное распределение компонентов в смеси, увеличить их контактную поверхность и тем самым повысить реакционную способность реагентов, что сокращает время плавления и время осуществления реакций жидких силикатов с углеродом и карбидом кремния, снижая тем самым энергоемкость процесса. Более интенсивное развитие этих реакций приводит к повышению степени извлечения металлов в сплав, снижению расхода электроэнергии и шихтовых материалов.
2
4
2
4
4
3
2
4
2
4
4
3
Снижение массового отношения SiO:(CaSO·2HO+SrSO+BaSO+СаСО) в шихте менее 2,0 приведет к уменьшению температуры в нижних зонах ванны печи и снижению извлечения щелочноземельных металлов в сплав вследствие чрезмерно высокой скорости проплавления шихты, обусловленной увеличением содержания легкоплавких силикатов и, наоборот, уменьшением содержания тугоплавкого карбида кремния в продуктах реакций. Увеличение массового отношения SiO:(CaSO·2HO+SrSO+BaSO+СаСО) более 100,0 приведет к снижению скорости проплавления шихты, чрезмерному увеличению температуры в ванне печи и снижению содержания щелочноземельных металлов в сплаве.
Технический результат - повышение степени извлечения кремния и щелочноземельных металлов в сплав при снижении затратности способа.
Заявляемый способ обладает новизной в сравнении с прототипом, отличаясь от него такими существенными признаками как осуществление углеродотермического процесса при температуре 1700-1850°С, использование в качестве кремнийсодержащего материала и в качестве интенсификатора процесса кварцевого песка, который дополнительно вводят в смесь для брикетирования, использование в качестве рудной части шихты природных сульфатных и карбонатных руд: гипса и/или целестина и/или барита и/или известняка, при поддержании соотношения кварца и рудной части в шихте в пределах 2,0-100,0 массовых долей, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата.
Заявителю неизвестны технические решения, обладающие указанными отличительными признаками, обеспечивающими в совокупности достижение заданного результата, поэтому он считает, что заявляемый способ соответствует критерию «изобретательский уровень».
Заявляемый способ может найти широкое применение в области металлургии, а потому соответствует критерию «промышленная применимость».
Предлагаемый способ получения комплексного кремнистого ферросплава одностадийным непрерывным углеродотермическим процессом заключается в следующем.
Производят загрузку в печь и проплавление шихты, состоящей из брикетированной смеси кремнийсодержащего материала и рудной части шихты с углеродистым восстановителем при его недостатке во всей шихте. При этом в смесь для брикетирования рудной части шихты с углеродистым восстановителем дополнительно вводят интенсификатор процесса восстановления, в качестве которого используют кварцевый песок.
2
4
2
4
4
3
Углеродотермический процесс осуществляют при температуре 1700-1850°С. В качестве рудной части шихты используют природные сульфатные и карбонатные руды: гипс и/или целестин, и/или барит, и/или известняк, причем соотношение кварцевого песка к рудной части шихты SiO:(CaSO·2HO+SrSO+BaSO+СаСО) поддерживают в пределах 2,0-100,0 массовых долей.
При этом в смеси используют несколько рудных компонентов одновременно или один из них.
2
4
2
4
4
3
Способ, согласно изобретению, осуществляют следующим образом. Кварцевый песок, углеродистый восстановитель, например газовый уголь или отсевы кокса, и руду, в качестве которой используют барит и/или целестин, и/или гипс, и/или известняк, смешивают при указанном соотношении SiO:(CaSO·2HO+SrSO+BaSO+СаСО)=2,0-100,0 массовых долей. Затем в смесь добавляют связующее, например жидкое стекло, и повторно смешивают и брикетируют. Полученные брикеты подвергают естественной сушке и упрочнению в течение не менее двух суток. Сухие брикеты загружают в печь и осуществляют непрерывный процесс плавки при температуре 1700-1850°С с периодической загрузкой шихты в печь по мере ее проплавления и периодическим или непрерывным выпуском ферросплава в ковш с последующей разливкой в изложницы.
Пример осуществления способа (только для кремния) иллюстрируется таблицей (см. ниже).
Для проведения сравнительных испытаний известного и предложенного способов оценивали удельный расход электроэнергии и извлечение кремния в сплав. Комплексные кремнистые ферросплавы (силикокальций, силикобарий) выплавляли в дуговой печи мощностью 250 кВ·А по известному и предложенному способам. В качестве шихты использовали брикеты или смесь брикетов с кварцитом (прототип). Состав шихты и результаты испытаний приведены в таблице.
Из приведенных в таблице данных следует, что при получении силикокальция и силикобария извлечение кремния выше, а расход электроэнергии меньше в сравнении с известным способом.
В сравнении с прототипом заявляемый способ позволяет повысить степень извлечения щелочноземельных металлов и кремния в сплав и снизить расходы на производство.
Результаты сравнительных испытаний получения комплексного кремнистого ферросплава
Содержание в брикете, мас.%:
Номер опыта
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
Прототип
11*
12**
гипс
-
22,0
0,2
0,1
0,1
-
-
-
-
-
-
-
известняк
29,2
-
1,0
0,5
0,4
-
-
-
-
-
43,0
-
баритовый концентрат
-
-
-
-
-
32
25
1,4
1,0
0,6
-
38,0
кварцевый песок
39,8
42,8
57,8
58,1
58,5
38
44
57,6
58,0
58,0
-
-
газовый уголь
31,0
36,2
41,0
41,3
41,0
30,0
31,0
41,0
41,0
41,4
48,0
53,0
сульфиды никеля и меди
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
4,0
-
боратовая руда
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
4,0
ферросплав крупностью менее 1 мм
-
-
-
-
-
-
-
-
-
-
5,0
5,0
Отношение SiO<sub>2</sub>:(CaSO<sub>4</sub>•2H<sub>2</sub>O+SrSO<sub>4</sub>+BaSO<sub>4</sub>+СаСО<sub>3</sub>)
1,4
2,0
50
100
110
1,4
2,0
50
100
110
-
-
Извлечение кремния, %
79
83
86
82
78
82
87
89
85
81
77
79
Расход электроэнергии, кВт·ч/кг сплава
13,1
12,8
12,5
12,6
13,2
11,7
11,5
11,0
11,2
11,3
13,3
11,8
* силикокальций; ** силикобарий