СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ УГЛЕРОДИСТОГО ВОССТАНОВИТЕЛЯ
METHOD FOR OBTAINING CARBON REDUCTANT

Область техники
Изобретение относится к технологиям получения углеродистых восстановителей для получения металлов и сплавов восстановительной плавкой в электрических рудовосстановительных печах.
Уровень техники
Технический кремний и кремнистые ферросплавы получают в рудовосстановительных печах, в качестве рудной части шихты используют кварц или кварциты, в качестве восстановителей используют углеродистые материалы природного или техногенного происхождения. Основные требования к углеродистому восстановителю - минимальное содержание нежелательных примесей, которые переходят в конечную продукцию в процессе плавки: для технического кремния ограничивают содержание оксидов железа, для кремнистых ферросплавов ограничивают содержание оксидов алюминия. Наиболее распространенным восстановителем, который применяют в производстве технического кремния является древесный уголь (Венгин С.И., Чистяков А.С. Технический кремний. М., Металлургия, 1972, 208 с.). Недостатком данной технологии является большие потери восстановителя. Последнее объясняется тем, что древесный уголь очень непрочен и при введении в шихту и, особенно, при ее перегрузках переизмельчается, и в восстановительном процессе не участвует.
Известен способ получения углеродного восстановителя из бурого угля (SU 1406143, C10L 9/08, С10В 53/08, опубл 30.06.88), включающий его измельчение, выделение матовых литотипов из бурого угля, сушку и последующую термообработку до 850°С, а для повышения крупности и прочности углеродного восстановителя, выделяют матовые и полуматовые литотипы с размером кусков 35-40 мм, сушку ведут со скоростью 12 град./мин и термообработку со скоростью 2-3 град./мин. Недостаток данного способа заключается в сложности получения материала за счет разделения необходимых фракций угля по петрографическим признакам и высокие энергозатраты за счет проведения двукратного нагрева для сушки и термообработки исходного материала.
Известен способ получения металлургического брикета (патент RU 2655175, C10L 5/06, C10L 5/02, C10L 5/10, C10L 5/14, C10L 5/16, опубл. 24.05.2018 г.), получаемый путем смешения исходных компонентов - углеродсодержащего материала, представляющего собой мелочь коксовую марки МК-1, получаемую посредством среднетемпературной карбонизации бурого угля, двухкомпонентного связующего, содержащего смолу и второй компонент в соотношении (0,5-2):1, и воды с температурой от 1 до 99°С, с последующим прессованием брикетной смеси и сушки сформированного брикета, а в качестве второго компонента связующее содержит крахмал, и исходные компоненты смешивают в следующем соотношении, мас. %: углеродсодержащий материал не менее 50; двухкомпонентное связующее 8-20; вода - остальное. Недостатком данного брикета является повышенное содержание нежелательных примесей в золе, что ограничивает применение данного материала в качестве восстановителя для получения технического кремния.
Известен угольный брикет (патент RU 222007, C10L 5/02, C10L 5/06, опубл. 27.06.2002), состоящий из 100 вес. ч. угольной мелочи, 1-5 вес. ч. негашеной извести и 7-15 вес. ч. мелассы. Брикет предназначен для применения в плавильно-восстановительных процессах. Недостаток данного способа получения брикета в повышенной зольности, что ограничивает его применения в процессах, где ограничивают содержание золы в восстановителях.
Известен способ брикетирования углеродных восстановителей (патент RU 2669940, C10L 5/06, C10L 5/00, C10L 5/10, C10L 5/14, C10L 5/16, С01В 33/025, С22В 5/10, опубл. 17.10.2018 г.), при котором используется преимущественно буроугольный или каменноугольный полукокс (кокс), включающий смешение связующих материалов с полукоксом (коксом), прессование и сушку брикетов, а в качестве связующих материалов используют комбинированное связующее, содержащее высокотемпературный и низкотемпературный компоненты, причем сначала смешивают углеродный восстановитель с высокотемпературным компонентом, затем добавляют низкотемпературный компонент, при этом в качестве высокотемпературного компонента используют кубовые продукты переработки нефти в виде смолы пиролиза или каталитического газойля в количестве 25-30 масс. %, а в качестве низкотемпературного компонента используют органические вещества в виде раствора клейковины или мелассы в количестве 70-75 масс. %, при соотношении смеси комбинированного связующего и полукокса (кокса) составляет 1:2. Недостатком данного способа является применение компонентов, органическая часть которых не выдерживает высокотемпературную обработку и воспламеняется, что снижает качество брикетированного восстановителя из-за низкой механической прочности 13,6-23,4 МПа до 3,7-5,4 МПа.
По технической сущности, по наличию общих признаков, данное техническое решение принято в качестве ближайшего аналога заявленного способа получения углеродистого восстановителя.
В основу изобретения поставлена задача вовлечение в производство мелочи углеродистых материалов для использования их в качестве восстановителей при получении металлов и сплавов.
Техническим результатом является повышение прочности восстановителя.
Раскрытие изобретения
Технический результат достигается за счет того, что смешивают углеродистые материалы в виде   мелких фракций менее 5 мм и связующее, формируют и сушат брикет, при этом в качестве связующего используют термообработанную при температуре 200-240°С смолу пиролиза древесины при следующем  соотношении компонентов, мас.%:
углеродистые материалы       84-88
смола пиролиза древесины    12-16,
после сушки   проводят высокотемпературный обжиг брикета при температуре  320-380°С.
Углеродистый восстановитель может включать природные каменные и/или бурые угли и/или продукты их обогащения и/или термической обработки с низким содержанием примесей (обогащенный бурый и/или каменный угли и/или полукокс бурого и/или каменного углей и/или древесный уголь).
Смолы пиролиза древесины, прошедшая термическую обработку для удаления влаги, легких фракций смолы и креозотовых фракций, обладает поверхностной активностью, что благоприятно сказывается на прочной связке углеродистых компонентов (Киприанов А.И., Процесс разгонки древесной смолы в трубчатых печах, М., 1970), а последующая термическая обработка брикета за счет удаления летучих древесной смолы превращает смолу в древесный пек, повышает прочность и пористость брикета, что увеличивает его технологическую пригодность как углеродистого восстановителя.
Сравнение предлагаемого способа получению углеродистого восстановителя не только по прототипу, но по другим аналогам показывает, что:
- известно получение углеродистого восстановителя брикетированием бурого угля;
- известен способ брикетирования углеродистых восстановителей состоящих углеродистой части в виде буроугольного или каменноугольного полукокса (кокса);
- известно брикет из мелочи угля для применения в плавильно-восстановительных процессах;
- известно использование в качестве связующего мелассы;
- известно использование в качестве комбинированного связующего смолы пиролиза нефти и органического компонента в виде раствора клейковины или мелассы;
- известно использование в качестве комбинированного связующего тяжелой смолы пиролиза нефти и органического связующего в виде картофельного крахмала.
Совокупность признаков как известных, так и неизвестных в их взаимосвязи позволяет получать технический результат более высокого уровня, по сравнению с известными, а именно:
- более высокую механическую прочность.
Сравнительный анализ известных технических решение не выявил идентичных и эквивалентных признаков предлагаемому решению, а, именно:
- получение углеродистого восстановителя с использованием в качестве связующего отстойной смолы пиролиза древесины, прошедшей стадию температурной обработки при температуре 200-240°С;
- проведение термической обработки брикета при температуре 320-380 °С.
Таким образом, предлагаемое техническое решение отвечает критериям изобретения - изобретательский уровень и промышленная применимость.
Осуществление изобретения
Авторами проведены опыты по получению углеродистого восстановителя. Углеродистые материалы включали малозольные природные каменные и/или бурые угли и/или продукты их обогащения и/или термической обработки (полукоксы) с низким содержанием примесей, древесный уголь, углеродистые материалы использовались в виде мелких фракций (менее 5 мм), которые являлись продуктами рассева восстановителей на целевые фракции более 5 мм, и связующее в виде термообработанной смолы пиролиза древесины, смешивали, проводили окомкование, сушку и термическую обработку полученного брикета для превращения смолы в пек.
Примеры осуществления способа
Пример 1. Обогащенный каменный уголь, малозольный полукокс бурого угля, взятые в пропорции: 1:1, и связующее смешали и сформировали брикет. Содержание углеродистых материалов составило 95 мас. %, связующего 5 мас. %. Брикет высушили и обожгли при температуре 300°С. После остывания прочность составила 19,7 МПа.
Пример 2. Обогащенный каменный уголь, малозольный полукокс бурого угля, древесный уголь, взятых в пропорции: 1:1:1, и связующее смешали и сформировали брикет. Содержание углеродистых материалов составило 90 мас. %, связующего 10 мас. %. Брикет после сушки обожгли при температуре 300°С. После остывания прочность составила 19,2 МПа.
Пример 3. Обогащенный каменный уголь и древесный уголь, взятые в пропорции: 2:1, смешали со связующим и сформировали брикет. Содержание углеродистых материалов составило 88 мас. %, связующего 12 мас. %. Брикет высушили и обожгли при температуре 320°С. После остывания прочность составила 24,9 МПа.
Пример 4. Полукокс бурого угля смешали со связующим и сформировали брикет. Содержание полукокса составило 86 мас. %, связующего 14 мас. %. Брикет после сушки обожгли при температуре 380°С. После остывания прочность составила 25,6 МПа.
Пример 5. Обогащенный каменный уголь и связующее смешали для формирования брикета. Содержание углеродистых материалов составило 84 мас. %, связующего 16 мас. %. Брикет высушили и обожгли при температуре 340°С. После остывания прочность составила 24,8 МПа.
Пример 6. Обогащенный каменный уголь, малозольный полукокс бурого угля, взятых в пропорции: 1: 1 и связующее смешали и сформировали брикет. Содержание углеродистых материалов составило 84 мас. %, связующего 16 мас. %. Брикет обожгли при температуре 450°С. После остывания прочность составила 17,4 МПа.
Пример 7. Малозольный полукокс бурого угля и древесный уголь, взятые в пропорции 1:2, связующее смешали для формирования брикета. Содержание углеродистых материалов составило 75 мас. %, связующего 25 мас. %). Брикет высушили при температуре 120°С и провели обжиг при температуре 420°С. После остывания прочность составила 18,6 МПа.
Анализ опытов по получению кусковых углеродистых восстановителей из материалов фракции 0-5 мм показал, что оптимальным соотношением углеродистый материал-связующее является соотношение масс. %: углеродистый материал 84-88, связующее 12-16 (примеры 3-6). Оптимальной является обжиг полученного восстановителя - при температурах 320-380°С (примеры 3-5). Высокотемпературный обжиг повышает механическую прочность полученного окомкованного восстановителя и повышает его технологическую пригодность.