способ выплавки рафинированного феррохрома

Формула изобретения

Способ выплавки рафинированного феррохрома, включающий загрузку кремнистого восстановителя, рудно-известковой части шихты и материала, содержащего оксид бора, наведение шлака, восстановительную плавку и выпуск продуктов плавки, отличающийся тем, что выпуск продуктов плавки осуществляют с оставлением в ванне печи части борсодержащего шлака, кремнистый восстановитель и рудно-известковую часть шихты загружают на оставшуюся в ванне печи часть борсодержащего шлака, а за 10-20 мин до выпуска продуктов плавки под электроды в шлаковый расплав загружают смесь материала, содержащего оксид бора, с кремнистым восстановителем и известью, при этом материал, содержащий оксид бора, загружают в количестве, обеспечивающем содержание 0,20-0,30% В₂О₃ от массы шлакового расплава.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургической промышленности и может быть использовано при производстве ферросплавов.

Известен способ выплавки низкоуглеродистого феррохрома [1], основанный на восстановлении оксидов хрома и железа хромовой руды кремнием ферросиликохрома в присутствии оксида кальция.

Признаками, совпадающими с признаками изобретения, являются:

- загрузка шихты;

- наведение шлака;

- совместное восстановление оксидов хрома и железа кремнием ферросиликохрома в присутствии оксида кальция;

- повышенное содержание оксида магния в составе хромовой руды;

- снижение температуры восстановительных процессов за счет ввода в шихту добавок;

- выпуск продуктов плавки.

Причины, препятствующие достижению технического результата:

- дефицит и высокая стоимость вводимых добавок;

- отсутствие эффекта, обеспечивающего стабилизацию высокотемпературных форм двухкальциевого силиката шлака после его охлаждения и получения продукта плавки с новыми технологическими свойствами.

Шлак, получаемый по этому способу, содержит в основном двухкальциевый силикат, который при охлаждении переходит в -форму с увеличением объема на 10-12%, вследствие чего шлак рассыпается в порошок. Последнее обстоятельство ограничивает сферу применения шлака и негативно воздействует на окружающую среду.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является способ выплавки рафинированного феррохрома [2], в котором общими с заявляемым способом являются следующие признаки:

- загрузка шихты, состоящей из ферросиликохрома и рудно-известковой части;

- повышенное содержание оксида магния в составе хромовой руды;

- введение в печь оксида бора, обеспечивающего стабилизацию шлака от силикатного распада при остывании;

- наведение шлака;

- восстановительная плавка;

- выпуск продуктов плавки;

- получение шлака с устойчивой структурой.

Достижению ожидаемого технического результата препятствуют следующие обстоятельства.

Введение в печь в составе шихты оксида бора в количестве, обеспечивающем стабилизацию шлака от силикатного распада при остывании, приводит к чрезмерному снижению температуры процесса вследствие раннего образования легкоплавкого борсодержащего шлакового расплава, способствующего холодному ходу печи, снижению полноты протекания восстановительных реакций и, как следствие, увеличению потерь оксидного хрома со шлаком и ухудшению технико-экономических показателей выплавки феррохрома.

В основу изобретения поставлена задача ограничить снижение температуры процесса на стадии раннего шлакообразования и обеспечить полноту протекания реакций восстановления хрома из рудно-известкового расплава с высокой интенсивностью.

Ожидаемым техническим результатом является:

- сокращение потерь хрома со шлаком;

- улучшение технико-экономических показателей выплавки рафинированного феррохрома.

Поставленная задача достигается тем, что в процессе выплавки рафинированного феррохрома, включающем загрузку кремнистого восстановителя, рудно-известковой части шихты и материала, содержащего оксид бора, наведение шлака, восстановительную плавку и выпуск продуктов плавки, выпуск продуктов плавки осуществляют с оставлением в ванне печи части борсодержащего шлака, а кремнистый восстановитель и рудно-известковую часть шихты загружают на оставшуюся в ванне печи часть борсодержащего шлака, а за 10-20 минут до выпуска продуктов плавки под электроды в шлаковый расплав загружают смесь материала, содержащего оксид бора, с кремнистым восстановителем и известью, при этом материал, содержащий оксид бора, при пересчете на В₂О₃ , вводят в количестве 0,20-0,30% от массы шлакового расплава.

Причинно-следственная связь между совокупностью существенных признаков заявляемого изобретения и достигаемым техническим результатом заключается в следующем.

1. Выпуск продуктов плавки с оставлением в ванне печи части борсодержащего шлака, загрузка кремнистого восстановителя и рудно-известковой части шихты на оставшуюся в ванне печи часть борсодержащего шлака, при этом за 10-20 минут до выпуска из печи продуктов плавки под электроды в шлаковый расплав загрузка смеси материала, содержащего оксид бора, с кремнистым восстановителем и известью позволяет перенести основной акцент воздействия оксида бора непосредственно на шлак, а не на рудно-известковый расплав. В этом случае процесс плавления шихты и восстановление хрома из рудно-известкового расплава осуществляются при минимальном содержании оксида бора, сохраняемом в ванне печи (в гарнисаже и остаточном количестве шлакового расплава) после выпуска продуктов плавки, поскольку остаточный оксид бора в печи обеспечивает необходимую жидкоподвижность и температуру расплава с повышенным содержанием оксида магния для прохождения восстановительных реакций с достаточной полнотой и интенсивностью, если его вводить в смеси с кремнистым восстановителем и известью под электроды.

2. Введение материала, содержащего оксид бора, в печь перед выпуском, при пересчете на В₂О₃ в количестве 0,20-0,30% от массы шлакового расплава, позволяет обеспечить шлаку необходимые реологические свойства, улучшающие условия гидродинамического слияния (коагуляции) и осаждения восстановленных частиц из шлака в металл. При этом обеспечивается стабилизация шлака после остывания от силикатного распада.

Введение материала, содержащего оксид бора, в печь перед выпуском продуктов плавки в указанном количестве обеспечивает сохранение в ванне печи (за счет гарнисажа и остаточной массы шлака) практически постоянного и регулируемого в нужных пределах необходимого содержания оксида бора, обеспечивающего оптимальные условия ведения процесса выплавки рафинированного феррохрома с лучшими технико-экономическими показателями (ТЭП).

Таким образом, заявляемое изобретение соответствует критерию «новизна».

При анализе на соответствие критерию «изобретательский уровень» не обнаружено источников информации, указывающих на известность предложенных технологических решений по функциональному назначению и поставленной в изобретении задаче.

Заявляемые технологические решения могут быть реализованы в промышленности, а ожидаемый технический результат вытекает из совокупности существенных признаков изобретения, что свидетельствует о соответствии критерию «промышленная применимость».

Способ выплавки рафинированного феррохрома реализуется следующим образом. В печь загружают в обычном порядке шихту и осуществляют ее плавление и восстановительный процесс. За 10-20 минут до выпуска продуктов плавки под электроды в шлаковый расплав загружают материал, содержащий оксид бора, при пересчете на В₂О₃, в количестве 0,20-0,30% от массы шлакового расплава. В качестве материала, содержащего оксид бора, может быть использован, например, борат кальция. Для лучшего усвоения расплавом борат кальция вводят вместе с кремнистым восстановителем и известью. Количество восстановителя в составе смеси определяется в зависимости от состояния работы печи, периода плавки, содержания кремния в металле, выплавляемой марки феррохрома и т.д. Количество извести в составе смеси определяется из расчета связывания в двухкальциевый силикат кремнезема, образующегося за счет довосстановления оксидов хрома из шлакового расплава, кремнием восстановителя, вводимого в состав смеси. В случае введения в состав смеси вместе с боратом кальция кремнистого восстановителя и извести используемое количество этих материалов снимается предварительно из состава шихты, загружаемой в печь в начале плавки. За 10-20 минут до выпуска продуктов плавки разбивают крестовину между электродами (если она образовалась) и по центральной труботечке в шлаковый расплав постепенно загружают смесь бората кальция с кремнистым восстановителем и известью, не допуская при этом бурного вскипания и ошлакования электродов и бортов ванны, добиваясь полного усвоения расплавом материалов смеси. В течение 5-10 минут после введения смеси происходит ее усвоение расплавом при небольшом перемешивании за счет взаимодействия кремния восстановителя с оксидами хрома и железа. По истечении ~10 минут после загрузки смеси из ванны печи отбирают пробу металла на содержание кремния, при необходимости осуществляют дополнительное рафинирование металла и осуществляют выпуск продуктов плавки.

В процессе обработки шлакового расплава боратом кальция меняются реологические свойства шлака, снижается его вязкость, улучшаются условия гидродинамического слияния (коагуляции) и осаждения восстановленных частиц металла. В результате снижаются потери металла со шлаком, увеличивается выход годного, повышается использование хрома.

После выпуска продуктов плавки в ванне печи остается определенная часть шлака, содержащего оксид бора. Оксид бора содержится также в гарнисаже ванны печи. После загрузки очередной завалки шихты и начала следующей плавки оставшийся в ванне печи борсодержащий шлак способствует ускорению расплавления этой шихты и более раннему началу восстановительных реакций. В условиях использования для выплавки рафинированного феррохрома высокомагнезиальных хромовых руд, что имеет место в последние годы на заводах России и Казахстана, наличие в составе шихты небольшого (см. ниже) содержания оксида бора оказывает положительное технологическое влияние на процесс выплавки рафинированного феррохрома. Величина этого «полезного» (или «благоприятного») содержания оксида бора в рудно-известковом расплаве зависит от состава завалки шихты (главным образом от навески и качества извести, а также от содержания MgO в хромовой руде) и марки выплавляемого сплава. В среднем оно составляет 0,10-0,20% В₂О₃. Поддержание этого содержания В₂О₃ в ванне печи во время плавки поддается регулированию за счет количества вводимого перед выпуском в шлаковый расплав оксида бора.

Минимальное количество оксида бора (0,20% от массы шлакового расплава) определяется минимально необходимым конечным содержанием В₂О₃ в шлаке (0,30% В₂О₃), гарантирующим устойчивость структуры шлака от силикатного распада после его остывания.

Максимальное количество вводимого оксида бора (0,30% от массы шлакового расплава) определяется верхним пределом «полезного» (благоприятного) содержания В₂О₃ в рудно-известковом расплаве. При содержании в рудно-известковом расплаве свыше 0,20% температура процесса снижается, в результате наступает так называемый «холодный» ход печи, при котором снижается полнота протекания реакций восстановления оксидов хрома из расплава. В результате повышается остаточное содержание Сr₂О ₃ в шлаке, увеличиваются потери хрома с отвальным шлаком. Для исправления «холодного» хода печи увеличивают в завалке шихты навеску извести, что, в свою очередь, приводит к увеличению кратности шлака и далее к увеличению расхода электроэнергии и ухудшению других технико-экономических показателей.

Обоснование количества оксида бора, вводимого в печь в расплав перед выпуском продуктов плавки, выполнено по результатам проведения опытно-промышленных испытаний. Оксид бора вводили в виде бората кальция (В₂О₃ 43%) в составе смеси с ферросиликохромом и известью в соотношении по массе 1:2:2 соответственно. Массу шлакового расплава определяли по количеству вводимого СаО с известью и содержанию СаO,%, в шлаке. Результаты влияния содержания оксида бора в шлаке на некоторые технико-экономические показатели выплавки низкоуглеродистого феррохрома приведены в таблице 1.

Таблица 1
Зависимость технико-экономических показателей выплавки низкоуглеродистого феррохрома от количества вводимого В2О3 в шлаковый расплав в печь перед выпуском продуктов плавки
№ п/п	Показатель	Ед. изм.	Количество В2О3, вводимое в печь, % от массы шлакового расплава
база	0,15	0,20	0,25	0,30	0,35	0,40
1	Содержание В2 О3 в шлаковом расплаве в печи до введения бората кальция (остаточное содержание в ванне печи)	%	-	0,05	0,10	0,15	0,20	0,25	0,28
2	Содержание В2О3 в конечном шлаке	%	-	0,18	0,28	0,37	0,45	0,52	0,60
3	Устойчивость структуры шлака от
	силикатного распада, степень распада	%	100,0	30,0	0,03	0,0	0,0	0,0	0,0
4	Кратность шлака	шл./Ме	3,31	3,26	3,16	3,10	3,23	3,41	3,60
5	Содержание Сr2 О3 в конечном шлаке	%	5,30	5,25	4,83	4,67	4,97	5,73	6,30
6	Потери оксидного хрома со шлаком	% от заданного хрома	12,41	12,11	10,80	10,24	11,35	13,82	16,04
7	Удельный расход на 1 т Сr:
	Известь	баз. кг	2513	2480	2400	2350	2450	2590	2730
	Хромовая руда	баз. кг	3348	3357	3310	3229	3325	3410	3490
	Ферросиликохром (48% Si)	баз. кг	1217	1218	1187	1120	1210	1232	1267
	Электроэнергия	кВтч	5052	4975	4830	4735	4930	5205	5495

Из приведенных данных следует, что введение в печь в шлаковый расплав материала, содержащего оксид бора, способствует улучшению технико-экономических показателей выплавки рафинированного феррохрома. Особенно это наглядно видно на примере удельного расхода извести. От этого показателя напрямую зависит кратность шлака и расход электроэнергии. При увеличении количества вводимого оксида бора свыше 0,30% от массы шлакового расплава существенно ухудшаются условия для восстановления хрома, в результате возрастают потери оксидного хрома со шлаком и расход хромовой руды. Увеличение расхода извести приводит к повышению окислительной способности шлака и, как следствие, увеличению расхода ферросиликохрома. Рекомендуемыми пределами по количеству вводимого В₂О₃ являются 0,20-0,30% от массы шлакового расплава. Оптимальной величиной является 0,25%.

Во время промышленных испытаний определили оптимальное время для введения оксида бора в шлаковый расплав перед выпуском шлака. При вводе в расплав менее чем за 10 минут до выпуска оксид бора не полностью усваивался шлаком, о чем свидетельствует разброс по содержанию В₂О₃ в конечном шлаке и остаточное содержание В₂О₃ в ванне печи (таблица 2). Введение оксида бора за время свыше 20 минут до выпуска приводило к перегреву жидкоподвижного борсодержащего шлака вследствие выхода электродов на «открытую» дугу и бесполезному расходу электроэнергии. Кроме того, длительная работа печи в конце плавки с перегретым жидкоподвижным шлаком приводила к интенсивному размыву верхних слоев футеровки печи, особенно в районе летки. Пределы по времени введения оксида бора в печь в шлаковый расплав для решения поставленной задачи составляют 10-20 минут до выпуска продуктов плавки. Оптимальным временем для ввода оксида бора в расплав является 15 минут до выпуска продуктов плавки.

Таблица 2
Зависимость содержания В2О3 в шлаке от времени ввода оксида бора в печь в шлаковый расплав (даны средние значения по 5 плавкам)
Показатель	Ед. изм.	Время ввода В2О3 до выпуска плавки*)
5	10	15	20	25	30
Содержание В2О3 в конечном шлаке	%	0,22**)	0,30	0,35	0,37	0,37	0,37
Содержание В2О3 в ванне печи до ввода оксида бора в расплав на следующей плавке	%	0,28	0,20	0,15	0,13	0,13	0,13
*) Количество вводимого В2О3 на всех опытах 0,25% от массы шлакового расплава
**) Шлак частично рассыпался

Источники информации

1. А.Г.Кучер, Н.В.Новиков, Н.Т.Таджибаев и др. Совершенствование силикотермического процесса выплавки низкоуглеродистого феррохрома. Сталь, № 4, 1995 г., с.31-33.

2. Патент Республики Казахстан № 12434 от 18.01.2002 г.

3. Патент РФ № 2222629 от 18.03.2002 г.