СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ЧУГУНА И ШЛАКА Российский патент 2001 года по МПК C21B11/00 

Изобретение относится к области металлургии, в частности к производству чугуна и шлака из шихта, содержащей оксиды железа в виде техногенных отходов (пыль сталеплавильного производства, красный шлам глиноземного производства и др.).

Широко известны традиционные способы переработки шихты с целью получения необходимого металла и шлака, пригодного для получения иной продукции (цемента, шлаковаты и др.). Все они предусматривают подготовку шихты к плавке, подачу ее в плавильный агрегат, подачу энергии на выплавку, выплавку металла, доводку его до заданного химического состава и до заданных параметров по различным нежелательным примесям.

Известно техническое решение по непрерывному рафинированию чугуна, по которому соответствующие реагенты вводятся в параболическую лунку, возникающую при вращении чугуна вращающимся электромагнитным полем [1]. Техническое решение обеспечивает только операцию рафинирования от примесей, но не имеет операций, связанных с выплавкой металла.

Известно техническое решение [2], в котором на последнем этапе рафинирования выплавляемой стали перед ее разливкой на МНЛЗ в промежуточном ковше методом центробежной сепарации сталь очищается от экзогенных и эндогенных неметаллических включений. Вращение стали при этом осуществляется за счет приложения электромагнитных сил. Данное техническое решение также не связано с непосредственной выплавкой металла.

Известен способ обработки выплавленного металла, при котором происходит массообмен между шлаком и механическим расплавом в противотоке шлака и металла [3]. При реализации этого способа имеет место эффективное рафинирование металлического расплава от некоторых примесей и восстановление оксидов металлов из шлаковой фазы. Способ эффективен в массообменных процессах на границе шлак-металл, но недостаточен по производительности, т.к. не имеет условий, позволяющих ускорить массообменные процессы.

Из уровня техники известен также принимаемый в качестве прототипа способ производства чугуна и шлака, в котором в плавильный агрегат подают перерабатываемую железосодержащую шихту, восстановитель, энергию на плавку, плавку жидкофазным методом, при котором оксиды железа восстанавливают углеродом и восстановленное железо насыщают углеродом до заданного содержания в чугуне (доводка), после чего чугун и шлак удаляются из плавильного агрегата [4].

По принимаемому за прототип способу подачу энергии на плавку обеспечивают за счет сжигания кислородом части вдуваемого в шлаковый расплав углеродистого материала, например, измельченного угля, а вторую часть углеродистого материала используют для восстановления оксидов железа в шлаке, причем при этих операциях из шлакового расплава выделяется газ, содержащий значительное количество окиси углерода CO, которая сразу сжигается.

Следует отметить два недостатка способа по прототипу: первый - эффект от сжигания окиси углерода над шлаком незначителен, т.к. только небольшая часть тепла от сжигания окиси углерода передается шлаку и далее металлу, а большая часть выносится с уходящими газами. Второй недостаток заключается в том, что скорость восстановления оксидов железа твердым вдуваемым в шлак углеродом и частично образуемым в шлаке газообразным (CO) восстановителем сравнительно мала. Она в несколько раз меньше по сравнению со скоростью восстановления углеродом из металлического расплава на границе шлак-металл [5, с. 78, табл. 1].

Новизна предлагаемого способа заключается в том, что плавку шихты и восстановление в ней железа из оксидов начинают на расплаве чугуна, содержащем 5-5,5% углерода, расплав перед подачей шихты в плавильный агрегат вращающимся электромагнитным полем приводят во вращение, причем энергию для плавки передают как со стороны вращающегося металлического расплава, так и через шлак, образующийся на лунке параболической формы, процесс переплава шихты ведут до момента, когда в металлическом расплаве останется углерода в пределах 2-3%, после чего шлак удаляют, а в оставшийся низкоуглеродистый чугун вводят углерод до содержания 5-5,5%, сохраняя вращение, операции по восстановлению железа из оксидов в шихте, удалению шлака и науглероживанию повторяют до накопления в плавильном агрегате заданного количества низкоуглеродистого чугуна, последнюю порцию шлака удаляют при вращении расплава, затем низкоуглеродистый чугун насыщают углеродом до заданного количества в товарном чугуне, вращение чугуна прекращают и заданное количество полученного чугуна сливают в ковш.

Для доведения в низкоуглеродистом чугуне содержания углерода до 5-5,5% вводят шлам доменного производства. Для того чтобы шлак был пригоден для производства цемента, к шламу доменного производства рекомендуется добавлять красный шлам глиноземного производства, небалансовый боксит и известь.

Подачу энергии на плавку со стороны металлического расплава рекомендуется осуществлять путем его отбора из плавильного агрегата и возвращения в плавильный агрегат нагретым.

Углерод целесообразно вводить в зону отбора расплава на нагрев.

Подачу энергии на плавку через образующийся шлак рекомендуется осуществлять за счет сжигания топлива в образованной лунке параболической формы, причем в качестве сжигаемого топлива может использоваться окись углерода, которая выделяется из расплава в процессе восстановления оксидов железа, природный газ, мазут.

Энергию на плавку через образующийся шлак можно подавать от двух или трех дуг плазмотронов.

Доводку товарного чугуна по углероду рекомендуется осуществлять через ввод порошковой проволоки с графитовым наполнителем.

Из упомянутых выше публикаций [3, 5] следует, что наиболее эффективно оксиды железа восстанавливаются из шлакового расплава на границе шлак-металл углеродом металлического расплава и еще эффективнее будет проходить это восстановление в условиях противотока между шлаком и металлом. Предложение начинать процесс плавки шихты и восстановление железа из оксидов в шлаке на расплаве чугуна, который к тому же еще и вращается, позволяет сразу наиболее эффективно осуществлять восстановительный процесс. Поскольку вращение чугуна рекомендуется производить вращающимся электромагнитным полем, то из-за разного воздействия электромагнитного поля на металлический и шлаковый расплавы, происходит скольжение шлака относительно металла с обновлением поверхности взаимодействия, что и требуется для увеличения скорости восстановления.

Вращение металлического расплава вращающимся электромагнитным полем позволяет увеличить площадь контакта между металлическим и шлаковым расплавами в 2 и более раз по сравнению с площадью контакта при отсутствующем вращении металлического расплава. Это обстоятельство также способствует увеличению скорости восстановления железа из оксидов.

Увеличению скорости восстановления железа из оксидов способствует еще и имеющий место, так называемый, "центробежный эффект", проявляющийся в том, что при вращении чугуна и шлака углеродистая составляющая чугуна стремится к границе металл-шлак, т. к. углерод легче железа. Оксиды железа стремятся к границе шлак-металл, т.к. среди многих оксидов шлака (SiO₂, Al₂O₃, CaO и др. ) оксиды железа значительно тяжелее. Это обстоятельство еще более способствует эффективному восстановлению железа из оксидов углеродом металлического расплава.

В предлагаемом способе важное значение имеет то, как энергия поступает в процесс плавки. Она подается и через шлак, и через металл, и через стенку плавильного агрегата, что повышает эффективность процесса.

Подачу энергии за счет нагретого металлического расплава целесообразно производить путем отбора расплава из центральной части круглой камеры плавильного агрегата. Для этого к днищу камеры подсоединяется сдвоенная отъемная канальная единица (СОКИЕ), у которой в подовом камне имеется центральный канал, сообщающийся с двумя боковыми каналами. Направляемый на нагрев расплав может входить в центральный канал и выходить подогретым через боковые каналы во вращающийся чугун вблизи стенок плавильной камеры. При введении в зону забора расплава на нагрев углеродистый материал (предпочтительно измельченный) вместе с расплавом будет засасываться в центральный канал и уже частично растворенным в расплаве будет через боковые каналы поступать во вращающийся чугун у стенок плавильного агрегата и эффективно перемешиваться с чугуном.

При передаче электромагнитной энергии на вращение обеспечивается эффект электромагнитного перемешивания, а он, как известно, способствует ускорению процессов плавки шихты и в данном случае равносилен снижению затрат энергии, которая подается на плавку сверху и снизу.

В случае сооружения агрегата сравнительно большой производительности и мощности, энергии, передаваемой на плавку со стороны вращающегося металлического расплава, может оказаться недостаточно. Недостающая мощность в этом случае должна подаваться сверху через шлак, причем эффект подачи энергии сверху увеличивается за счет того, что энергия факела пламени от горелок или от двух или трех дуг плазмотронов воспринимается увеличенной поверхностью, которая образуется в результате вращения расплавов. При применении плазменной техники наиболее удобно энергию в расплав вводить от двух дуг двух плазмотронов, т. к. они хорошо размещаются и управляются на крышке плавильного агрегата и не требуют применения подового электрода. Вместе с тем, применение двух плазмотронов требует применения постоянного тока для их питания, либо компенсации сдвига фаз. Применение трех дуг плазмотронов позволяет использовать переменный ток от распространенной трехфазной системы энергопитания и не требует применения подового электрода для замыкания силового контура.

Чтобы футеровка плавильного агрегата работала продолжительный срок, желательно ее не нагревать выше 1500-1550^oC. Эвтектический чугун (содержание углерода 4,2%) имеет температуру плавления 1130^oC, при содержании 2% C и 5,5% C температура плавления чугуна соответственно 1350^oC и 1400^oC. Чтобы чугун с содержанием углерода в пределах от 2% до 5,5% был жидкотекучим и перегретым не менее чем на 100^oC при указанных содержаниях по углероду, необходимо в процессе плавки температуру чугуна иметь 1500-1550^oC. Такой температуры будет достаточно, чтобы эффективно шло восстановление железа из оксида углеродом, чтобы можно было науглероживать чугун и расходовать углерод из чугуна в пределах более 3% и чтобы температуру футеровки иметь в тех пределах, при которых футеровка будет служить большой срок.

Поскольку в перерабатываемой шихте содержание железа может быть сравнительно незначительным, например, 20-40%, то при плавке такой шихты образуется много шлака. После выплавки из такой шихты указанного количества железа, которое сразу науглероживается и превращается в чугун, удалять одновременно шлак и чугун нецелесообразно. Выгодней в процессе плавки несколько раз удалить освобожденный от железа шлак, а затем накопившуюся порцию чугуна, причем поскольку между операциями по удалению шлака содержание углерода в чугуне может изменяться с 5,5% до 2%, то когда наступит необходимость слива чугуна (после слива последней отработанной порции шлака) и в чугуне будет минимальное содержание углерода, то это может быть неприемлемым для товарного чугуна. В связи с этим перед сливом чугуна его рекомендуется науглеродить, но не до 5,5%, а до заданного содержания в товарном чугуне, например, до 3,5-4,0%, причем рекомендуется науглероживать качественным углеродом, например, порошковой проволокой, начиненной порошком углерода или углеродом карбида железа.

Примером переработки шихты со сравнительно низким содержанием железа может быть красный шлам (КШ) глиноземного производства (содержание Fe₂O₃ - до 38%), забалансовый боксит (содержание Fe₂O₃ - до 25%) и шлам доменного производства (содержание Fe₂O₃ - до 40% и углерода до 30%). Совместная переработка указанных компонентов в шихте, причем с добавкой извести, позволяет получить по способу чугун и шлак, пригодный для производства цемента. Но в шламе доменного производства (ШДП) содержится углерод, который может бьпъ использован для восстановления железа из оксидов как в самом ШДП, так и в КШ и забалансовых бокситах. В связи с этим при производстве шлака для получения цемента рекомендуется в качестве носителя углерода применять ШДП, а в составе других компонентов шихты КШ, забалансовый боксит и известь.

Ниже представлены примеры выполнения способа.

По предлагаемому способу перерабатывается железоглиноземистое сырье, причем, чтобы получить чугун и шлак, пригодный для производства цемента, в способе используются рекомендации, упомянутые в патенте РФ N 2086659 [6]. Ставится задача из компонентов шихты, содержащей красный шлам (КШ) глиноземного производства, забалансовый боксит (ЗБ), шлам доменного производства (ШДП) и известь, выплавить две тонны чугуна и получить шлак, пригодный для производства цемента.

Первоначально в плавильной круглой камере агрегата, например, с внутренним диаметром 1,2 м, расплавляется две тонны чугуна с содержанием углерода 3,5-4,2% (T_пл = 1150^oC). Это позволит иметь в плавильной части агрегата "болото" высотой приблизительно 0,2 м.

Далее с помощью вращающегося электромагнитного поля чугуну обеспечивается вращение 50-60 об/мин. При таком числе оборотов глубина параболической лунки в расплавленном чугуне будет около 0,5-0,6 м.

На следующем этапе в чугун вводится такое количество ШДП (желательно в брикетах), чтобы содержание углерода в чугуне довести до 5,5% и сделать выдержку по времени, в течение которой температуру чугуна необходимо будет повысить до требуемого значения 1550^oC. На этом этапе целесообразно начинать подачу энергии сверху, за счет сжигания природного газа или мазута.

Затем в плавильный агрегат вводится установленная порция шихты, включающая заранее подготовленные (желательно в брикетах) просушенные и взвешенные компоненты из КШ, ЗБ и извести, причем сначала вводятся брикеты из одного КШ, а потом брикеты из смеси КШ, ЗБ и извести. Масса порции шихты должна включать такое количество оксидов железа, чтобы при расходе из чугуна примерно 3% углерода, эти оксиды и оксиды железа в ШДП были восстановлены до железа. Три процента углерода в двух тоннах чугуна поставляют 60 кг углерода. Такого количества углерода хватит, чтобы из оксидов железа восстановить примерно 200 кг железа. Если в составе порции шихты суммарное количество из всех ее компонентов составит 20% чистого железа, т.е. 200 кг, то порция шихты должна иметь массу в 1 т. Таким образом, после проведения операции по восстановлению железа из оксидов шихты, масса чугуна увеличится на 200 кг, шлак, который надо будет удалить из плавильного агрегата, например шлакоотсосом, будет иметь массу 630-650 кг. Из перерабатываемой 1 т шихты примерно 150-170 кг перейдет в газовую фазу, причем часть газовой фазы, состоящая из окиси углерода, может быть окислена до CO₂ с выделением соответствующего количества тепла.

Время переработки порции шихты зависит от энергии, которая поступает через металлический расплав, и, главным образом, от энергии, которая подается от энергетического устройства, размещаемого на крышке плавильного агрегата. На скорость плавки влияет и электромагнитное поле, подаваемое расплаву через стенку плавильного агрегата. В данном примере подводимую мощность, поступающую через металлический расплав, примем в размере 1000 кВт и от устройств на крышке - 9000 кВт. Выполненные расчеты показывают, что на расплавление 1 т шихты, доведения расплава до необходимой температуры, на операцию восстановления железа из оксидов и на разного вида потери при плавке требуется до 1000 кВт.

Если на каждую тонну перерабатываемой шихты будет расходоваться примерно 1000 кВт, то в час перерабатывается 10 т шихты, из которой может быть получено 2,0 т чугуна и 6,3-6,5 т шлака. Цикл между подачами очередных порций шихты составит 6 мин.

Сразу за удалением 630-650 кг отработанного шлака за 10-15 с при сохраняющемся вращении низкоуглеродистого чугуна в плавильном агрегате и при продолжающемся вращении чугуна за 20-30 с в чугун вводится часть порции шихты, состоящей из ШДП, в которой должно быть углерода не менее 60 кг. Далее подают часть порции шихты из КШ и затем оставшуюся часть порции шихты, состоящей из смеси КШ, ЗБ и извести.

Чтобы получить для слива 2 т чугуна, необходимо, следовательно, произвести 10 циклов подач компонентов шихты и осуществить 10 удалений отработанного шлака.

По окончании 10-го цикла в низкоуглеродистом чугуне содержание углерода доводят до 3,5-4,0%, вращение чугуна прекращают, раскрывают сливную летку, товарный чугун сливают в ковш для чугуна и летку перекрывают.

Приведенные примеры представлены с учетом того, что происходит восстановление только железа из его оксидов, имеет место содержание железа в шихте примерно 20%, задана определенная порция шихты для одного цикла работы агрегата. В действительности условия плавки могут быть иными, т.к. может быть другое содержание железа в шихте и другой восстановитель и другая масса порции шихты и т.д., но в любом случае принцип реализации способа должен сохраниться.

Технический результат от применения предлагаемого способа заключается в следующем:
ускоряется восстановление металла из оксидов, поскольку этот процесс осуществляется в основном углеродом металлического расплава; в процессе плавки реализуется центробежный эффект, когда углерод в металлическом расплаве стремится к границе металл-шлак, а оксиды железа, которые надо восстанавливать и которые являются относительно тяжелыми, стремятся к границе шлак-металл; имеет место противоток между металлом и шлаком;
достигается сравнительно большая производительность при небольшой массе оборудования, т. к. становится возможной концентрация большой мощности в небольшом объеме плавильной части агрегата;
увеличивается в 1,5-2 раза активная площадь на границе шлак-металл по сравнению с площадью, когда в агрегате отсутствует вращение металла и шлака;
обеспечивается защита стенок плавильного агрегата от агрессивного воздействия шлака и от мощного излучения дуг (дуги) плазмотрона, если в качестве энергетического устройства на крышке агрегата применяется плазменная техника;
обеспечивается возможность переработки техногенных образований, переплавка которых в существующих способах затруднена и неэффективна из-за больших количеств образующегося шлака.

Источники информации
1. Повх И.П., Капуста А.Б., Чекин Б.В. Магнитная гидродинамика в металлургии. М.: Металлургия, 1974, с. 194-195.

2. Лопухин Г. А. Новости черной металлургии за рубежом. М.: Черметинформация, 1997, N 1, с. 64-67.

3. Верте Л.А. МГД - технология и производство черных металлов. М.: Металлургия, 1990, с. 64-70.

4. Роменец В.А. Жидкофазное восстановление в черной металлургии. Сб. науч. тр. "Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке", Т. 2, М.: Металлургия, 1994, с. 91-97.

5. Капустин Е.А. Перспективы альтернативных металлургических процессов (в порадке обсуждения)/ Сталь, 1998, N 8, с. 77-81.

6. Патент РФ N 2086659. Способ переработки железоглиноземистого сырья/ С. П. Буркин, Ю. Н. Логинов, Е.А. Коршунов и др., МКИ C 21 B 11/00, C 22 B 7/00, заявл. 18.08.95, опубл. 10.08.97, БИ N 22.

Сущность: способ включает подачу в плавильный агрегат железосодержащей шихты и восстановителя, подачу энергии на плавку. Плавку шихты и восстановление в ней железа из оксидов начинают на расплаве чугуна, содержащем 5-5,5% углерода, перед подачей шихты расплав раскручивают вращающимся электромагнитным полем, причем энергию для плавки передают как со стороны вращающегося металлического расплава, так и через шлак, образующийся на лунке параболической формы. Процесс ведут до момента, когда в металлическом расплаве останется углерода в пределах 2-3%, после чего шлак удаляют, в оставшийся низкоуглеродистый чугун вводят углерод до содержания 5-5,5%, операции по восстановлению железа из оксидов в шихте, удалению шлака и науглероживанию повторяют до накопления в плавильном агрегате заданного количества низкоуглеродистого чугуна, последнюю порцию шлака удаляют при вращении расплава, затем низкоуглеродистый чугун насыщают углеродом до заданного количества в товарном чугуне, вводя, например, порошковую проволоку с графитовым наполнителем, после чего вращение чугуна прекращают и заданное количество чугуна сливают в ковш. Для насыщения низкоуглеродистого чугуна углеродом вводят шлам доменного производства, а также красный шлам глиноземного производства, небалансовые бокситы и известь. Углерод вводят в зону отбора расплава на нагрев. Подачу энергии на плавку через образующийся шлак осуществляют в образованной лунке параболической формы за счет сжигания топлива, в качестве которого используют окись углерода, выделяющуюся из расплава в процессе восстановления оксидов железа, и природный газ или мазут. Подачу энергии на плавку через образующийся шлак осуществляют от двух или более дуг плазмотронов. Техническим результатом является увеличение производительности процесса выплавки металла, в том числе из техногенных отходов. 9 з.п. ф-лы.

1. Способ производства чугуна и шлака, включающий подачу в плавильный агрегат железосодержащей шихты и восстановителя, подачу энергии на плавку, плавку шихты с восстановлением оксидов железа углеродом и насыщением восстановленного железа углеродом до заданного содержания в чугуне, удаление шлака, доводку и удаление чугуна, отличающийся тем, что плавку шихты и восстановление в ней железа из оксидов на расплаве чугуна, содержащем 5 - 5,5% углерода, перед подачей шихты в плавильный агрегат расплав вращающимся электромагнитным полем приводят во вращение, причем энергию для плавки передают как со стороны вращающегося металлического расплава, так и через шлак, образующийся на лунке параболической формы, процесс плавки шихты ведут до момента, когда в металлическом расплаве останется углерода в пределах 2 - 3%, после чего шлак удаляют, в оставшийся низкоуглеродистый чугун вводят углерод до содержания 5 - 5,5%, сохраняя вращение расплава, операции по восстановлению железа из оксидов в шихте, удалению шлака и науглероживанию повторяют до накопления в плавильном агрегате заданного количества низкоуглеродистого чугуна, последнюю порцию шлака удаляют при вращении расплава, затем низкоуглеродистый чугун насыщают углеродом до заданного количества в товарном чугуне, вращение чугуна прекращают и заданное количество чугуна сливают в ковш. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для насыщения низкоуглеродистого чугуна углеродом вводят шлам доменного производства. 3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что в качестве компонентов шихты используют красный шлам глиноземного производства, забалансовые бокситы и известь. 4. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу энергии на плавку со стороны металлического расплава осуществляют путем его отбора из плавильного агрегата и возвращения в плавильный агрегат нагретым. 5. Способ по пп.1 и 4, отличающийся тем, что углерод вводят в зону отбора расплава на нагрев. 6. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу энергии на плавку через образующийся шлак осуществляют за счет сжигания топлива в образованной лунке параболической формы. 7. Способ по пп.1 и 6, отличающийся тем, что в качестве сжигаемого топлива используют окись углерода, выделяющуюся из расплава в процессе восстановления оксидов железа. 8. Способ по пп.1 и 6, отличающийся тем, что в качестве топлива используют природный газ или мазут. 9. Способ по п.1, отличающийся тем, что подачу энергии на плавку через образующийся шлак осуществляют от двух или трех дуг плазмотронов. 10. Способ по п.1, отличающийся тем, что доводку товарного чугуна по углероду осуществляют вводом порошковой проволоки с графитовым наполнителем.