АГЛОМЕРАТ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВАНАДИЙСОДЕРЖАЩЕГО ЧУГУНА В КОНВЕРТЕРЕ
AGGLOMERATE FOR TREATMENT OF VANADIUM CONTAINING IRON IN CONVERTER

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к составам твердых окислителей и флюсов, используемых для обработки ванадийсодержащих чугунов с извлечением из них ванадия в товарный шлак.
Известно применение для деванадации чугуна железорудных материалов - прокатной окалины, железной руды, агломератов и других твердых окислителей, основу которых составляют окислы железа [1].
Недостатком этих материалов как окислителей является относительно невысокая окислительная способность, связанная с тем, что значительная часть кислорода, например, в окалине связана в наиболее прочный окисел-закись железа. Этот недостаток особенно проявляется при переделе низкомарганцовистых чугунов и здесь встречаются затруднения с достижением требуемой полноты деванадации чугуна. Причиной этому являются осложнения с формированием ванадийсодержащего шпинелидного зерна, возникающие в условиях недостаточного количества образующихся окислов кремния. Варьирование количеством присаживаемой окалины желаемого результата не дает.
Кроме того, указанные материалы не обладают требуемой флюсующей способностью, вызывая осложнения с формированием правильной формы и однородного состава ванадийсодержащего шпенелидного зерна.
Известен флюс для обработки ванадийсодержащего чугуна [2], включающий пятиокись ванадия, двуокись кремния, окись кальция и окислы железа при следующем соотношении компонентов, вес.%:
пятиокись ванадия
0,4-3,0
двуокись кремния
2-20
окись кальция
1-10
окислы железа
остальное
Указанный флюс характеризуется низким выходом ванадия в шлак и неудовлетворительным качеством шлака с точки зрения получения его оптимальной структуры и состава, а также невозможностью получения углеродистого полупродукта высокого качества, что связано с недостаточной сорбционной способностью флюса по отношению к ванадию, содержащемуся в металле, а также узким температурным интервалом (1250-1360°С), при котором сорбционная способность шлака сохраняется на высоком уровне.
Повышение температуры обработки выше 1400°С приводит к резкому снижению сорбционной способности флюса по отношению к ванадию, содержащемуся в металле, и, как следствие, повышению его концентрации в металле до 0,08-0,12%, вместо требуемых 0,02-0,04%. Вынужденное снижение температуры конца деванадации не позволяет получить углеродистый полупродукт высокого качества, что ограничивает достижение высоких технико-экономических показателей последующего передела его в сталь.
Наиболее близким по составу и достигаемому результату к предлагаемому является агломерат для извлечения ванадия [3], включающий, мас.%:
SiO<sub>2</sub>
3,8-5,2
Аl<sub>2</sub>O<sub>3</sub>
1,2-1,5
FeO
32,8-43,5
Fе<sub>2</sub>О<sub>3</sub>
43,7-53,4
Fe
63,4-64,6
MnO
1,8-1,9
CaO
0,66-0,90
MgO
9,8-1,0
V<sub>2</sub>O<sub>5</sub>
0,44-0,46
Использование агломерата на стадии деванадации чугуна увеличивает жидкоподвижность образующегося шлака и повышает извлечение ванадия из ванадиевого чугуна в шлак.
Однако недостатком использования этого материала является ограниченная его окислительная способность, связанная с тем, что преимущественная часть кислорода, например в окалине, связана в наиболее прочный окисел - закись железа. Кроме того, указанный материал не обладает хорошей флюсующей способностью, вызывая осложнения с формированием правильной формы и однородного состава ванадийсодержащего шпинелидного зерна.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является получение нового материала для обработки ванадийсодержащего чугуна с улучшенными свойствами формирования ванадийсодержащего шлака, а также увеличение степени перехода в шлак ванадия.
Технический результат изобретения достигается тем, что предложенный агломерат для обработки ванадийсодержащего чугуна в конвертере, содержащий пятиокись ванадия, двуокись кремния, окись кальция, окись алюминия, окись магния и окислы железа, дополнительно содержит двуокись титана при следующем соотношении компонентов, мас.%:
пятиокись ванадия
0,2-2,0
окись кальция
0,1-1,2
двуокись кремния
2,0-10,0
окись алюминия
1,5-4,0
окись магния
0,8-1,5
двуокись титана
0,2-2,0
окислы железа
остальное
Введение в конвертерный агломерат, наряду с окислами железа, пятиокисью ванадия, окислами кальция и алюминия, двуокисью кремния и окислами магния, дополнительно двуокиси титана повышает сорбционную способность агломерата по отношению к ванадию в металле, расширяет температурный интервал, сохраняя нужный уровень сорбции агломерата по отношению к этому элементу, облегчает формирование шлака в процессе деванадации в т.ч. и в конце, увеличивает выход ванадия в шлак, повышая качество шлака, а также качество полученного в процессе обработки углеродистого полупродукта.
При этом, как и в известном флюсе, введенные в состав агломерата окислы титана играют роль зародышевых центров и инициируют образование и дальнейшее формирование комплексного шпинелида, увеличивая размеры шпинелидного зерна, и способствют сохранению реакционной способности конвертерного агломерата в течение всего периода деванадации.
Роль вводимых в агломерат окислов кальция и кремния в указанном соотношении также сводится к тому, что при температуре обработки они совместно с окислами железа образуют жидкую фазу, в которой непрерывно в течение всего периода обработки происходят растворение частиц ванадиевого шпинелида и последующая их сегрегация с формированием кристаллов шпинелида. При этом пределы содержания двуокиси кремния находятся на уровне (2-10%), а нижний предел содержания окислов кальция снижен до 0,1% из условий использования материалов для получения высококачественных ванадиевых шлаков, содержащих не более 0,2% СаО.
Введенные в состав агломерата окислы ванадия (0,2-2,0), как и во флюсе-прототипе, играют роль зародышевых центров, инициируют образование и дальнейшее формирование комплексного шпинелида, увеличивая размеры шпинелидного зерна, и способствуют сохранению экстракционной способности конвертерного агломерата в течение всего периода деванадации.
Окислы алюминия, как тугоплавкие компоненты, также служат в процессе формирования шлака центрами зародышеобразования ванадийсодержащих шпинелидов.
Дополнительно введенные в состав заявляемого агломерата окислы титана при его обработке ванадийсодержащего чугуна входят в шпинелидную составляющую образующегося шлака и поэтому, при его образовании, выполняют роль зародышевых центров. Увеличение числа зародышевых центров существенно усиливает сорбционную, по отношению к ванадию, способность агломерата, так как образующиеся при обработке чугуна окислы ванадия могут изоморфно замещать указанные окислы, чем обеспечивается быстрая и полная достройка комплексного шпинелида, формирование зерен правильной геометрической формы и увеличение их размеров.
Преимуществом предлагаемого твердого агломерата - охладителя для обработки ванадийсодержащего чугуна - является сохранение его сорбционной способности по отношению к ванадию при более высоких, чем обычные, температурах обработки. Это, с одной стороны, является следствием уже отмеченного увеличения количества зародышевых центров, с другой - более высокой устойчивостью образующегося комплексного шпинелида за счет вытеснения окислов магния и титана в поверхность. Последнее существенно уменьшает склонность окислов ванадия к обратному переходу в металл, что позволяет значительно повысить стабильность результатов процесса деванадации в условиях высоких температур, а также при пониженном содержании кремния в чугуне.
2
Указанные эффекты достигаются преимущественно в интервале содержания окислов титана соответственно 0,2-1,0%. При меньшем содержании 0,2% ТiO эффекта практически не наблюдается, а при большем - происходит чрезмерное разбавление комплексного шпинелида не содержащими ванадий фазами. Кроме того, в случае превышения верхнего предела содержания титана сорбционная способность агломерата по отношению к ванадию при повышении температуры обработки до 1400-1440°С уже практически не изменяется.
3
2
5
В состав предлагаемого нового продукта могут входить следующие оксиды и элементы как MgCO, PO, Си и др. в сумме до 2,0%, которые являются примесями и могут попадать в состав флюса с материалами, при помощи которых вводятся основные ингредиенты. Указанные компоненты в этом количестве не оказывают отрицательного влияния на достижение поставленной задачи изобретения и влияют существенно на сорбционную способность флюса, изменение ее с температурой и качество ванадиевого шлака.
Предлагаемый агломерат для обработки ванадийсодержащего чугуна может быть образован механическим смешением известных железорудных (окалина, агломерат, концентраты), а также магний и титансодержащих материалов, включающих окислы указанных элементов, а также углеродсодержащих материалов в виде коксика, взятых в расчетном количестве.
В частном случае использовали механические смеси прокатной окалины, железорудного концентрата, агломерационной руды, дробленного мартита и отсева агломерата. В качестве топлива использовалась коксовая мелочь.
Пример 1
Опытно-экспериментальные работы по производству окислительно-охладительного агломерата для деванадации чугуна производились на агломашинах ОАО «ЕВРАЗ ВГОК».
Для производства окислительно-охладительного продукта использовались следующие компоненты:
- прокатная окалина сухая мелкочешуйчатая;
- концентрат ММС ВОЦ;
- мартит рядовой (дробленный);
- отсев агломерата (отсеян на стационарных грохотах).
Из дробленного мартита и концентрата ММС готовилась смесь и дозировалась в шихту. Отсев железорудного агломерата дробили и после чего использовали в шихту. В качестве топлива использовалась коксовая мелочь.
2
Подготовка конвертерного агломерата к спеканию велась по рядовой схеме подготовки обычных агломератов. Высота слоя шихты флюса составляла 250-300 мм, скорость аглоленты 1,3-16 м/ мин, температура спекания 1260°С, разрежение в коллекторе 860 мм вод. ст., удельная производительность 0,835 т/м час.
В таблице 1 приведены усредненные химические составы компонентов, входящих в состав агломерата-охладителя.
Использование конвертерного агломерата при переделе ванадийсодержащих чугунов с извлечением ванадия в товарный шлак позволяет повысить стабильность результатов деванадации в условиях пониженного содержания кремния в чугуне (менее 0,17%). Кроме того, благодаря применению такого материала удается увеличить количество ванадия в товарном шлаке, минуя стадию восстановления ванадия из окислов в чугун и последующего окисления его из металла.
Опытное опробование патентуемого агломерата проводилось в конвертерном цехе Нижнетагильского металлургического комбината на конвертерах с полезным объемом 160 т.
Пример 2
Ванадийсодержащий чугун состава, мас.%: С 4,4, Si 0,18, V 0,46, Ti 0,29, Mn 0,26, P 0,07, S 0,027 заливали в количестве 159 т в конвертер.
Температура чугуна в конвертере составляла 1290°С. Затем на поверхность чугуна присаживали 8,0 т конвертерного агломерата, содержащего, мас.%: окись кальция 0,8, двуокись кремния 5,8, пятиокись ванадия 0,7, окись магния 0,97, двуокись титана 0,6, окись алюминия 2,45, оксиды железа - остальное. Агломерат содержал примеси с общей массой примерно равной 1,5%.
3
Затем через 0,5 мин после подачи предлагаемого материала на поверхность ванадиевого чугуна сверху через опущенную фурму вводили кислород с интенсивностью продувки 380 м/ мин. После 6,8 мин такой совместной обработки температура обработанного металла-полупродукта поднялась до 1430°С, содержание в нем углерода снизилось до 2,7%, а ванадия - до 0,02%. Полученный в результате рафинирования ванадиевого чугуна шлак содержал, мас.%: пентаоксид ванадия 19,2, диоксид кремния 15,8, оксид марганца 8,2, оксид титана 7,2, оксид кальция 1,9, металловключения 5,5, оксиды алюминия, магния, фосфора - около 5, оксиды железа - остальное. Преимущественный размер зерна ванадиевого шпинелида составлял 35-65 мкм. Все зерна имели правильную геометрическую форму. Температура металла-полупродукта составила 1440°С, содержание ванадия 0,02%, извлечение ванадия из чугуна в шлак составило 91,5%.
В других опытах экспериментировали с ванадийсодержащим чугуном того же состава, но с другими составами флюса. Для сравнения были проведены также опытные плавки с применением известных флюсов. Результаты проведенных опытов приведены в таблице 2.
Как следует из данных, приведенных в таблице 2, предлагаемый состав конвертерного агломерата для деванадации чугуна обладает повышенной сорбционной способностью по сравнению с известными и повышает полноту извлечения ванадия (до 93%) в более высоком температурном интервале металла-полупродукта (до 1400-1440°С). В то же время применение агломерата-охладителя улучшает качество шлака, снижая количество металловключений (до 5,0% - в таблице этот показатель не указан), и способствует стабилизации формы и размера зерна ванадиевого шпинелида до 35-65 мкм при формировании их правильной геометрической формы во всем диапазоне размеров.
Присутствие в шихте агломерата множества дисперсных титаномагнетитовых ванадийсодержащих кристалликов служат зародышами для формирования шпинелидных зерен и способствует окислению ванадия. Ускоренное шлакообразование существенно снижает потери металла в конвертерной плавке.
Определенность в выборе материалов для патентуемого продукта исходит из того, что в них содержатся окислы железа, титана, магния и ванадия, образующие желелезованадиевую шпинель, которая в процессе деванадации играет основную роль зародышевого центра, вокруг которого идет формирование ванадиевого шпинелида.
Сопоставительный анализ заявляемого технического решения и прототипа показывает, что предлагаемая композиция конвертерного агломерата для деванадации чугуна отличается тем, что дополнительно содержит окислы магния и титана в соответствующих количествах, которые способствуют созданию указанных выше преимуществ.
Таким образом, данное техническое решение соответствует критерию "новизна".
Анализ патентов и научно-технической информации не выявил использования новых существенных признаков, используемых в предлагаемом решении по их функциональному назначению, например:
SU №399535, С21С 5/06, 1974,
SU №316727, С21С 5/54, 1967,
SU №581152, С21С 5/54, 1977,
RU №1412316, С21С 5/54, 1994,
RU №2118376, С21С 5/28, 1998,
RU №2023726, С21С 5/36, 1994.
Изложенное позволяет утверждать, что предлагаемое решение отвечает критерию "изобретательский уровень".
Источники информации
1. А.с. СССР №316727, кл. С21С 5/54, 1967.
2. А.с. СССР №581152, кл. С21С 5/54, опубл. 02.12.1977.
3. А.с. СССР №404380, кл. С21С 5/36, опубл. 24.04.1972.