БРИКЕТ, СОДЕРЖАЩИЙ КРЕМНИЙСОДЕРЖАЩИЕ ОСТАТКИ (ВАРИАНТЫ), И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК C22B1/242 

Изобретение относится к кремнийсодержащим добавкам для металлургических процессов выплавки железа, главным образом к формированию в брикеты кремнийсодержащих остатков, оно имеет экономическую целесообразность, а также относится к защите окружающей среды, что связано с проблемой удаления или утилизации в особенности таких остаточных продуктов, содержащих кремний, которые образуются при производстве органосиланов с помощи непосредственной реакции порошка кремния с метилхлоридом в присутствии медного катализатора.

В производстве органосиланов с помощью вышеупомянутой так называемой "непосредственной реакции", в которой кремний вступает в реакцию с метилхлоридом, предпочтительно формируется так называемая контактная масса, сформированная из порошка кремния и частиц меди, которая реагирует с органическим галогенидом. Расходуемая контактная масса накапливается как кремнийсодержащий остаток, который в дополнение к кремнию и меди, содержит другие элементы, такие как алюминия и железо. Когда хлорсиланы, в частности три- и тетрахлорсиланы, производятся с помощью реакции размолотого или измельченного технического кремния или ферросилиция с газообразным хлором или газообразным хлоридом водорода, загрязнения, находящиеся в исходном материале, содержащем кремний, главным образом железо и кальций, накапливаются в кремнийсодержащем остатке реакции. Кремнийсодержащие остатки также формируются при других технических или металлургических процессах, связанных с кремнием, например в отфильтрованной пыли, получаемой при дроблении или разломе элементарного кремния, в процессе чего подобные малоразмерные и содержащие железо остатки главным образом образуются в виде пыли.

Упомянутые кремнийсодержащие остатки, а также другие являются трудоемкими и дорогостоящими при дальнейшей обработке с целью восстановления ценных составляющих и поэтому в большинстве случаев сбрасываются без дальнейшего использования на специальные свалки отходом.

В патенте EP 0287934 A2 под названием "Дезактивация использованного порошка кремния" описано использование запасов кремнийсодержащих остатков, образуемых при производстве хлорсиланов с помощью прямого синтеза. Для решении проблемы этих остатков, которые весьма реакционноспособны с водой, причем реакция проходит экзотермически, было предложено сбрасывать кремнийсодержащие остатки на свалку в виде гранул, имеющих высокое содержание органического связующего. Первой целью использования органического связующего, предпочтительно лигнина, является обеспечение достаточной механической прочности гранул так, чтобы они не раскалывались при обработке и транспортировке; другая цель - обеспечить покрытие реакционноактивных частиц с тем, чтобы защитить их от влаги. Для того чтобы уменьшить вероятность раскалывания, гранулы должны быть по размеру меньше 2 см. Они производятся с помощью прессования давлением или с помощью агломерации миксером из смеси кремнийсодержащих остатков, связующего вещества и предпочтительно воды. Гранулирование с помощью прессования давлением может производиться в поршневом или формовочном прессе, таблеточном прессе, лощильном прессе, гранулирующей мельнице или винтовом прессе, а гранулирование миксером с помощью миксерной агломерации может происходить, например, во вращающемся барабанном агломераторе, лопастной мешалке, используемой в качестве месильной машины, или в поточном миксере. Полученные в результате этого гранулы сушатся при температуре 250^oC.

Изобретение имеет целью достижение экономического эффекта и защиту окружающей среды благодаря тому, что кремнийсодержащие остатки указанного типа не будут сбрасываться на свалку, а также не будут подвергаться дорогостоящей обработке, но будут непосредственно использоваться, разумеется, сформованные соответствующим образом, для полезного технического применения. Подходящая техническая область касается производства кремнийсодержащего железа или стали, особенно при производстве чугуна в вагранке с использованием кремнийсодержащих добавок.

При производстве чугуна в вагранке как добавки для регулирования качества железа используются легирующие элементы. Эти легирующие элементы добавляются непосредственно в массу плавильной печи или же в расплавленный чугун после выпуска металла из печи. Обычно в качестве кремниевой добавки к расплавленному железу используется ферросилиций. Однако ферросилиций является дорогостоящим материалом. Другими легирующими элементами, которые могут добавляться непосредственно в массу, находящуюся в печи, являются медь, хром и марганец, которые в основном добавляются в виде медного металлического лома или же феррохрома или ферромарганца.

С точки зрения достижения экономического эффекта или защиты окружающей среды, техническая проблема настоящего изобретения состоит в получении добавок для использования в плавильной печи благодаря использованию указанных кремнийсодержащих остатков.

Предпосылкой решения этой проблемы является учет определенных параметров.

Кремнийсодержащие остатки должны быть представлены в виде компактных брикетов, которые не образуют пыль и не повреждаются влагой, для которых можно применять общедоступную технологию гранулирования в соответствии с EP 0287934 A2, используя связующее вещество. С другой стороны, с точки зрения высоких температур в печи, нельзя использовать связующее вещество, в результате применения которого брикеты распадались бы уже во время их ввода сверху расплавляемой массы, как это можно предположить, в случае применения органических связующих веществ в соответствии с EP 0287934 A2. Вместо этого брикеты должны достичь нижней части расплавленной массы, не разламываясь и не распадаясь, таким образом, гарантируя соответствующее воздействие в печи. В соответствии с этим наилучшими были бы прессованные формы в виде брикетов, которые были бы в достаточной степени стабильными по отношению к термическим и механическим воздействиям.

Вышеупомянутые требования можно пояснить следующим образом. Загружаемую массу, которая будет подвергнута плавлению, подают через верхнюю часть вагранки.

Определяющее воздействие на качество чугуна обеспечивается с помощью различных добавок, которые предпочтительно смешиваются с загружаемой массой, причем на процесс оказывается воздействие, например, на взвешивающем устройстве при формировании загружаемой массы. В качестве альтернативы добавки могут быть загружены в виде последовательных слоев сверху на расплавляемую массу. Горячие газы, формируемые во время процесса плавления, восходят из вагранки и подвергают предварительному нагреву загружаемый материал в верхней части, а затем выходят наружу как выпускаемый газ. Если, например, в качестве добавки для регулирования качества чугуна используются прессованные формы в виде брикетов, и указанные прессованные формы частично состоят из кремнийсодержащих остатков, эти брикеты не должны разрушаться, прежде чем они достигнут зоны плавления. В противном случае можно ожидать следующее отрицательное явление. Если они будут разрушаться на раннем этапе, брикеты будут высвобождать кремний в виде частиц мелкого размера, так что часть данного кремния будет выбрасываться наружу вместе с выпускаемым газом, и она будет утеряна для плавильного процесса. Кроме того, следует опасаться того, что другая часть освобожденного, но не выброшенного наружу мелкого кремниевого материала будет понижать проникающую способность для газа расплавленной массы, нарушая, таким образом, равномерный газовый поток по направлению вверх через плавильную массу, что в конце концов приведет к неравномерному предварительному нагреву массы, которая будет подвергаться расплавлению по всему поперечному сечению печи.

Предполагая, что брикеты, включающие кремнийсодержащие остатки, используются как добавки при производстве железа, возможно также добавлять все другие вещества и, в частности, легирующие элементы, необходимые для достижения запланированного качества железа или стали с помощью непосредственного их ввода в состав брикетов во время процесса брикетирования, так что брикеты в конце концов будут представлять собой единый источник легирующей смеси, применение которой избавляет от необходимости добавления веществ различного сорта.

В соответствии с настоящим изобретением решение вышеупомянутой технической задачи достигнуто в соответствии с описанием пункта 1 с помощью брикетов, включающих кремнийсодержащие остатки, которые по сухой массе представляют собой смесь из 1-10% по весу картонной фибры, 5-40% по весу гидравлического цемента, 0-20% по весу частиц металла или сплава металлов, остальное представляет собой кремнийсодержащие остатки.

В соответствии с зависимыми пунктами 2-4 формулы изобретения брикеты, которые представляют собой добавки при производстве железа в вагранках, предпочтительно содержат 2-5% по весу картонной фибры и 10-30% по весу гидравлического цемента, предпочтительно, портландцемента, хотя также допустимо использовать любой другой гидравлический цемент, например кальций-алюминатный цемент.

В соответствии с настоящим изобретением эти брикеты могут содержать дополнительные легирующие элементы, такие как металлические частицы типа меди и/или сплавов, таких как ферросилиций, феррохром, ферромарганец, и, если требуется, любые другие элементы или сплавы.

Неожиданно добавление некоторого количества волокон картона обеспечило хорошую прочность сырой формовочной смеси брикетов, даже когда цемент еще не затвердел, так что брикеты можно было уже обрабатывать и использовать по назначению непосредственно после формовки.

В соответствии с настоящим изобретением производствo брикетов выполнялось с помощью смешивания компонентов, растирая их до пастообразного состояния с водой, и затем с помощью формовки полученной в результате этого влажной массы с формированием брикетов с помощью прессования давлением в соответствии с одной из известных технологий, предпочтительно с помощью брикетирования выдавливанием. Смешивание компонентов может начинаться в сухом состоянии, сопровождаемом добавлением воды, или смешиванием, выполняемым сразу же в присутствии воды. Общее содержание воды по отношению к сухой массе составляет от 5 до 20% по весу. Было учтено, что применяемый материал кремнийсодержащий остатков обычно сам содержит воду. Примеры содержания воды в кремнийсодержащих остатках, представлены в таблице, приведенной ниже.

Неожиданным оказалось то, что количество кремния в чугуне, полученном с помощью брикетов, в соответствии с настоящим изобретением показало такой же хороший коэффициент использования добавляемого кремния, порядка 85%, как и в случае применения комкового ферросилиция вместо брикетов. Это означает, кроме того, что не происходит никакого выноса или потери исходного малоразмерного кремниевого материала с выходящими газами благодаря внедрению кремнийсодержащих остатков в брикеты, содержащие картонную фибру и цемент.

Пример. Брикеты, состоящие из кремниевых остатков, картонной фибры, портландцемента, ферросилиция и воды, получались в гидравлическом плунжерном прессе. Давление составляло 100 МПа, прессование выполнялось при комнатной температуре, и сформированные брикеты имели диаметр 50 мм и высоту 20 мм. Перед прессованием различные компоненты были интенсивно смешаны в лабораторном миксере (типа RO2 производства компании Айрих (Eirich, Германия).

Прочность на сжатие производимых таким образом брикетов измерялась при комнатной температуре непосредственно после производства, а затем после нагрева брикетов до температуры 1000^oC в восстанавливающей атмосфере.

В таблице представлены различные составы смеси и их прочность на сжатие при низких и высоких температурах.

Как видно из таблицы, исследуемые брикеты имеют превосходную исходную прочность на сжатие и хорошую прочность на сжатие после нагрева до 1000^oC. В случае применения их на практике брикеты не разрушаются во время их фактического нахождения в верхней части загружаемой в вагранку плавильной массы.

В таблице представлен только один упомянутый эксперимент, объясняющий дополнительное примешивание других легирующих компонентов (эксперимент N 7). Без ограничения рассмотрения настоящего изобретения в брикеты могут быть подмешаны любые другие металлы или сплавы для регулирования или улучшения качества чугуна или любых других видов железа или стали, причем указанный эксперимент должен рассматриваться как пример при достижении других полезных результатов в соответствии с настоящим изобретением, причем все эти дополнительные вещества могут входить в состав брикетов, применение которых вследствие этого избавляет от необходимости добавления веществ различных видов. Однако основным преимуществом настоящего изобретения является полезная и дешевая утилизация кремнийсодержащих остатков, которые до настоящего времени оставались неиспользованными и которые должны были быть выброшены на свалку после дорогостоящей переработки отходов.

Сущность: кремнийсодержащие остатки, которые накапливаются особенно во время синтеза органосиланов из металлического кремния и метилхлорида, обрабатываются с формированием брикетов, которые используются в дальнейшем в качестве добавки для регулирования качества чугуна в вагранках, что позволяет избежать применения дорогостоящей регенерации для восстановления ценных компонентов или же полного выброса в отходы указанных кремнийсодержащих остатков. Брикеты включают также 1-10% по весу картонной фибры, 5-40% по весу гидравлического цемента и 2-20% по весу дополнительных добавок, которые влияют на качество чугуна. Брикеты получают путем смешивания кремнийсодержащих остатков с картонной фиброй и гидравлическим цементом, последующего добавления в смесь воды и формирования из полученной пастообразной смеси брикетов посредством уплотнения под давлением. Диаметр поперечного сечения брикета составляет около 20 мм, а высота около 50 мм. Брикеты являются в достаточной степени механически и термически стабильными для работы в плавильной печи. Показатель использования вводимых в чугун частиц кремния малых размеров составляет около 85% и достигает, таким образом, того же показателя, что и для комкового ферросилиция. 3 с. и 4 з.п. ф-лы, 1 табл.

1. Брикет, содержащий кремнийсодержащие остатки в качестве добавок для металлургических целей, отличающийся тем, что он состоит по сухому весу из 1 - 10% по весу картонной фибры, 5 - 40% по весу гидравлического цемента, а остальное - кремний. 2. Брикет по п.1, отличающийся тем, что содержание картонной фибры составляет 2 - 5% по весу, а содержание гидравлического цемента 10 - 30% по весу. 3. Брикет, содержащий кремнийсодержащие остатки в качестве добавки для металлургических целей, отличающийся тем, что он состоит по сухому весу из 1 - 10% по весу картонной фибры, 5 - 40% по весу гидравлического цемента, 2 - 20% по весу по меньшей мере одного металла и/или металлического сплава, а остальное - кремний. 4. Брикет по п. 3, отличающийся тем, что он содержит по меньшей мере медь, и/или ферросилиций, и/или феррохром, и/или ферромарганец в виде частиц металла и/или сплавов металлов. 5. Брикет по п.3, отличающийся тем, что диаметр его поперечного сечения составляет около 20 мм, а высота около 50 мм. 6. Способ получения брикета, содержащего кремнийсодержащие остатки, отличающийся тем, что кремнийсодержащие остатки смешивают с 1 - 10% по весу картонной фибры и 5 - 40% по весу гидравлического цемента и добавляют в смесь воду с последующим формированием брикета из пастообразной смеси посредством уплотнения под давлением. 7. Способ по п.6, отличающийся тем, что по сухому весу компонентов для перетирания используют 5 - 20% по весу воды с учетом содержания воды в кремнийсодержащих остатках.