способ получения комплексного кремнистого ферросплава

Формула изобретения

Способ получения комплексного кремнистого ферросплава одностадийным непрерывным углеродотермическим процессом, включающий загрузку в печь и проплавление шихты, состоящей из кремнийсодержащего материала и брикетированной смеси рудной части шихты с углеродистым восстановителем при недостатке его во всей шихте, при этом в смесь для брикетирования рудной части шихты с углеродистым восстановителем дополнительно вводят интенсификатор процесса восстановления, отличающийся тем, что углеродотермический процесс осуществляют при температуре 1700-1850°С, в качестве кремнийсодержащего материала и упомянутого интенсификатора, дополнительно вводимого в смесь для брикетирования, используют кварцевый песок, а в качестве рудной части шихты используют природные сульфатные и карбонатные руды вида: гипс и/или целестин, и/или барит, и/или известняк, причем соотношение кварцевого песка и рудной части в шихте SiO ₂:(СаSO₄·2Н₂O+SrSO₄ +ВаSO₄+СаСО₃) поддерживают в пределах 2,0-100,0 массовых долей.

Описание изобретения к патенту

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.

Для получения комплексных сплавов, содержащих щелочноземельные металлы, наиболее выгодно использовать природные и относительно дешевые сульфатные и карбонатные руды: гипс (CaSO₄·H₂ O), известняк (СаСО₃), барит (BaSO₄), целестин (SrSO₄).

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.

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 ₂ 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.

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 ₂:(CaSO₄·2H₂O+SrSO₄ +BaSO₄+СаСО₃) 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.

Снижение массового отношения SiO₂:(CaSO ₄·2H₂O+SrSO₄+BaSO₄ +СаСО₃) 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 SiO₂ :(CaSO₄·2H₂O+SrSO₄+BaSO ₄+СаСО₃) 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.

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 SiO₂:(CaSO₄·2H ₂O+SrSO₄+BaSO₄+СаСО₃) поддерживают в пределах 2,0-100,0 массовых долей.

При этом в смеси используют несколько рудных компонентов одновременно или один из них.

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 ₂:(CaSO₄·2H₂O+SrSO₄ +BaSO₄+СаСО₃)=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 2:(CaSO4 2H2O+SrSO4+BaSO4+СаСО 3)	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