Способ получения чугуна из железорудного шлама Российский патент 2023 года по МПК C21B11/10 

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к способам выплавки чугуна в дуговых электропечах.

Известен способ получения чугуна в установке, содержащей ряд (1) печей для производства чугуна, состоящий из одной или нескольких печей, в которых железную руду преобразуют в жидкий горячий металл с помощью процесса, который включает восстановление железной руды, плавление и образование отходящего газа (3), при этом способ включает стадии: a. загрузки ряда (1) печей для производства чугуна железной рудой и коксом, b. введения окисляющего газа в ряд (1) печей для производства чугуна, c. обезуглероживания отходящего газа (3) ниже по потоку относительно ряда (1) печей для производства чугуна с получением таким образом потока (8) СО2-обогащенного отходящего газа и потока (9) обезуглероженного отходящего газа, содержащего не более 10 об.% СО2 и предпочтительно не более 3 об.% СО2, d. введения по меньшей мере 50% потока (9) обезуглероженного отходящего газа обратно в ряд (1) печей для производства чугуна в качестве рециркулируемого потока восстановительного газа, при этом способ отличается тем, что включает стадии: e. образования водорода и кислорода посредством разложения воды, f. введения по меньшей мере части водорода, образованного на стадии (е), в ряд (1) печей для производства чугуна и g. введения по меньшей мере части образованного кислорода в качестве окисляющего газа в ряд (1) печей для производства чугуна (RU 2770105 С2, C21B 5/06, 14.04.2022 г.)

Известен способ производства чугуна из предварительно восстановленной железной руды (ПВЖ), включающий следующие стадии, на которых:

(a) приготавливают шихту из предварительно восстановленной железной руды (ПВЖ), характеризующуюся металлизацией выше 90% и содержащую более 2,8 мас.% углерода, причем по меньшей мере 80% указанного углерода находятся в связанном с железом состоянии в виде цементита Fe3C,

(b) загружают шихту в электродуговую печь (ЭДП),

(c) плавят шихту в плавильной камере электродуговой печи (ЭДП) в восстановительной атмосфере и при избыточном внутреннем давлении, создаваемом газами, продуцируемыми восстановительными и протекающими на стадии (с) реакциями, с получением жидкого чугуна с предопределенным содержанием углерода, причем по меньшей мере 80 мас.% указанного предопределенного содержания углерода в чугуне получают из углерода в шихте из предварительно восстановленной железной руды (ПВЖ), при необходимости, для регулирования содержания углерода в чугуне проводят стадию (b1), на которой к шихте добавляют углеродистый материал, причем указанную стадию (b1) осуществляют одновременно со стадией (b), между стадиями (b) и (с), одновременно со стадией (с) или после стадии (с) (RU 2734853 С2, C21B 11/10, 23.10.2020 г.).

Наиболее близким аналогом является способ выплавки чугуна в дуговой электропечи, включающий загрузку в печь металлошихты, окисленных железорудных окатышей и флюсов, их плавление, получение расплава с заданным химическим составом, его выпуск и модифицирование, отличающийся тем, что металлошихту и окисленные железорудные окатыши загружают в виде твердой шихтовой заготовки, полученной из окисленных железорудных окатышей, залитых железоуглеродистым сплавом, а расплав выпускают при содержании в нем, % по массе, до 3,8 углерода, до 0,5 кремния, до 0,05 марганца и до 0,015 серы, при этом получение расплава с заданным химическим составом производят путем регулирования состава и/или количества окисленных железорудных окатышей в шихтовой заготовке, при этом отношение количества окисленных железорудных окатышей и железоуглеродистого сплава в шихтовой заготовке равно 1: (2: 12) (RU 2142516 С1, C21C 5/52, 10.12.1999 г.).

Основным недостатком указанных технических решений является то, что производят переработку предварительно восстановленной железной руды посредством введения флюсующих добавок и других материалов.

Технической проблемой, на решение которой направлено заявленное изобретение, является переработка отходов производства горяче-брикетированного железа в электродуговой печи с восстановлением железа и других элементов из их оксидов посредством углерода кокса без введения флюсующих добавок и других материалов.

Техническим результатом заявленного изобретения является упрощение производства за счет отсутствия введения флюсующих добавок при получении чугуна.

Технический результат заявленного изобретения достигается тем, что способ получения чугуна, включающий загрузку шихты, ее расплавление и выпуск продуктов плавки, согласно изобретению в предварительно нагретую до температуры 200°С электродуговую печь производят загрузку первой порции шихты в виде железорудного шлама установки горячего брикетирования железа и отсева кокса с содержанием нелетучего углерода 79,1 мас.%, золы 17,9 мас.% и влажностью, не превышающей 9,4 мас.%, общей массой 11500 г c ее дальнейшим расплавлением, последующую послойную загрузку с последующим расплавлением соответственно второй порции шихты общей массой 11500 г, третьей порции шихты общей массой 11500 г и четвертой порции шихты общей массой 20630 г с интервалом времени загрузки 2400 с, при этом по окончании плавки осуществляют выпуск расплава металла температурой 1339°С, шлака и отходящих газов, а расплав выпускают при содержании в нем 94,8 мас.% железа, 2,62 мас.% углерода, 2,15 мас.% кремния и 0,43 мас.% остальных элементов.

Получение полупродукта осуществляется в периодически действующем металлургическом агрегате - электрической печи мощностью 100 кВт с углеродистыми электродами. В качестве основной железосодержащей составляющей шихты используется железорудный шлам установки горячего брикетирования железа (УГБЖ) влажностью 15,8% или ниже. Восстановление железа и других элементов из их оксидов происходит углеродом кокса, при этом введение флюсующих добавок и других материалов не требуется.

В гранулометрическом составе исходного шлама УГБЖ преобладают крупные-, средние- и мелкозернистые частицы размером от 100 до 1000 мкм, содержание грубых частиц размером более 1000 мкм составляет около 39%, тонкозернистые частицы размером менее 100 мкм присутствуют в количестве 16,9% (Таблица 1. Фракционный состав исходной сухой пробы шихты).

Таблица 1 Фракция, мм +5 -5+3 -3+1 -1+0,5 -0,5+0,315 -0,315+0,1 -0,1+0,071 -0,071 Всего г 94,60 68,97 160,97 67,89 67,13 236,78 73,05 68,30 837,69 % 11,29 8,23 19,22 8,10 8,01 28,27 8,72 8,18 100

При этом были исследованы пробы по фракциям и результаты фазового и химического составов проб фракций, приведенных в Таблице 1, представлены в Таблице 2 - Фазовый состав пробы фракции+5 мм, в Таблице 3 - Химический (элементный) состав пробы фракции+5 мм, в Таблице 4 - Фазовый состав пробы фракции -5+3 мм, в Таблице 5 - Химический (элементный) состав пробы фракции -5+3, в Таблице 6 - Фазовый состав пробы фракции -3+1 мм, в Таблице 7 - Химический (элементный) состав пробы фракции -3+1 мм, в Таблице 8 - Фазовый состав пробы фракции -1+0,5 мм, в Таблице 9 - Химический (элементный) состав пробы фракции -1+0,5 мм, в Таблице 10 - Фазовый состав пробы фракции -0,5+0,315 мм, в Таблице 11 - Химический (элементный) состав пробы фракции -0,5+0,315 мм, в Таблице 12 - Фазовый состав пробы фракции - 0,315+0,1 мм, в Таблице 13 - Химический (элементный) состав пробы фракции - 0,315+0,1 мм, в Таблице 14 - Фазовый состав пробы фракции - 0,1+0,071 мм, в Таблице 15 - Химический (элементный) состав пробы фракции - 0,1+0,071 мм, в Таблице 16 - Фазовый состав пробы фракции - 0,071 мм, в Таблице 17 - Химический (элементный) состав пробы фракции - 0,071 мм.

Таблица 2 Фаза Состав Массовая доля, % Кварц SiO₂ 6,4 Магнетит Fe₃O₄ 21,7 Гематит Fe₂O₃ 20,0 Вюстит FeO 9,4 Кальцит CaCO₃ 10,6 Железо (альфа) Fe 22,6 Гетит FeOOH 3,1 Цементит Fe₃C 6,2

Таблица 3 Элемент Массовая доля, % Fe 62,01 Ca 4,68 Si 4,25 Al 0,939 Mg 0,442 S 0,065 Ti 0,047 P 0,022 Mn 0,0318 K 0,029 Cr 0,021 Cu 0,023 Ni 0,010

Таблица 4 Фаза Состав Массовая доля, % Кварц SiO₂ 7,3 Цементит Fe₃C 9,0 Магнетит Fe₃O₄ 20,5 Гематит Fe₂O₃ 15,2 Вюстит FeO 9,7 Кальцит CaCO₃ 10,4 Железо (альфа) Fe 27,8

Таблица 5 Элемент Массовая доля, % Fe 63,670 Ca 4,320 Si 4,800 Al 1,190 Mg 0,468 Ti 0,046 S 0,072 P 0,026 Mn 0,030 K 0,033 Cr 0,009

Таблица 6 Фаза Состав Массовая доля, % Кварц SiO₂ 6,0 Цементит Fe₃C 9,3 Магнетит Fe₃O₄ 18,2 Гематит Fe₂O₃ 13,0 Вюстит FeO 12,2 Кальцит CaCO₃ 8,8 Железо (альфа) Fe 32,5

Таблица 7 Элемент Массовая доля, % Fe 66,680 Ca 3,810 Si 4,440 Al 1,080 Mg 0,411 S 0,067 Ti 0,044 Mn 0,028 K 0,022 P 0,027 Cr 0,008

Таблица 8 Фаза Состав Массовая доля, % Кварц SiO₂ 5,4 Цементит Fe₃C 10,0 Магнетит Fe₃O₄ 19,2 Гематит Fe₂O₃ 15,0 Вюстит FeO 11,5 Кальцит CaCO₃ 9,8 Железо (альфа) Fe 29,0

Таблица 9 Элемент Массовая доля, % Fe 65,010 Ca 4,030 Si 4,560 Al 1,200 Mg 0,435 Ti 0,047 S 0,060 Sn 0,043 Mn 0,030 K 0,026 P 0,030 Co 0,013 Ni 0,011 Cr 0,009

Таблица 10 Фаза Состав Массовая доля, % Кварц SiO₂ 5,5 Цементит Fe₃C 6,6 Магнетит Fe₃O₄ 19,1 Гематит Fe₂O₃ 17,6 Вюстит FeO 116 Кальцит CaCO₃ 4,3 Железо (альфа) Fe 33,8 Гетит FeOOH 2,1

Таблица 11 Элемент Массовая доля, % Fe 67,46 Si 4,11 Ca 3,43 Al 0,929 Mg 0,471 S 0,044 Ti 0,042 Mn 0,036 P 0,019 K 0,028 Cu 0,023 Cr 0,019 Ni 0,011

Таблица 12 Фаза Состав Массовая доля, % Кварц SiO₂ 5,7 Цементит Fe₃C 8,2 Магнетит Fe₃O₄ 21,6 Гематит Fe₂O₃ 19,3 Вюстит FeO 11,0 Кальцит CaCO₃ 11,6 Железо (альфа) Fe 22,7

Таблица 13 Элемент Массовая доля, % Fe 52,54 Ca 7,17 Si 6,19 Al 1,50 Mg 0584 S 0,059 Ti 0,056 K 0,041 P 0,048 Mn 0,030 Cr 0,018 Ni 0,011 Co 0,009 Zn 0,009

Таблица 14 Фаза Состав Массовая доля, % Кварц SiO₂ 7,8 Цементит Fe₃C 7,2 Магнетит Fe₃O₄ 22,7 Гематит Fe₂O₃ 16,4 Вюстит FeO 9,6 Кальцит CaCO₃ 14,0 Железо (альфа) Fe 22,4

Таблица 15 Элемент Массовая доля, % Fe 51,44 Ca 9,67 Si 6,49 Al 1,51 Mg 0,663 S 0,066 Ti 0,066 P 0,049 Mn 0,035 K 0,036 Cr 0,019 Cu 0,017 Zn 0,012 Ni 0,009

Таблица 16 Фаза Состав Массовая доля, % Кварц SiO₂ 3,8 Цементит Fe₃C 8,2 Магнетит Fe₃O₄ 18,8 Гематит Fe₂O₃ 25,7 Вюстит FeO 10,2 Кальцит CaCO₃ 16,3 Железо (альфа) Fe 17,0

Таблица 17 Элемент Массовая доля, % Fe 52,540 Ca 6,980 Si 5,760 Al 1,710 Mg 0,714 P 0,045 Ti 0,053 S 0,062 Mn 0,041 K 0,033 Zn 0,030 Cr 0,012

Используемый при плавке полупродукт УГБЖ в основном состоит из элементарного альфа-железа (27,1%), а также железа окисленного в форме магнетита, гематита и вюстита с суммарной массовой долей оксидов железа 49,9%. Количество пустой породы в виде кварца и кальцита не превышает 14,5% (Таблица 18. Фазовый состав пробы исходной шихты).

Таблица 18 Фаза Состав Массовая доля, % Кварц SiO₂ 6,4 Цементит Fe₃C 8,6 Магнетит Fe₃O₄ 25,0 Гематит Fe₂O₃ 13,9 Вюстит FeO 11,0 Кальцит CaCO₃ 8,1 Железо (альфа) Fe 27,1

Основным элементом, присутствующим в УГБЖ, является железо (61,420%). Другими элементами являются кремний (5,260%), кальций (4,570%), алюминий (1,410%) и магний (0,456%). Остальные определенные химическими анализами элементы присутствуют в количестве менее 0,1% каждый (Таблица 19. Химический (элементный) состав шихты).

Таблица 19 Элемент Массовая доля, % Fe 61,420 Ca 4,570 Si 5,260 Al 1,410 Mg 0,456 Ti 0,051 P 0,029 S 0,053 K 0,040 Mn 0,032 Gd 0,014 Ni 0,012 Co 0,010 Cr 0,008 V 0,003

Используемый углеродистый восстановитель представлен отсевом кокса с содержанием нелетучего углерода 79,1%, золы 17,8% и влажностью, не превышающей 9,4% (Таблица 21. Технический состав отсева кокса).

Таблица 20 Элемент Массовая доля, вес.% Fe₂O₃ 9,35 SiO₂ 49,44 Al₂O₃ 16,48 CaO 12,12 MgO 7,54 TiO₂ 0,46 MnO₂ 0,16 Na₂O 1,18 K₂O 1,20 BaO 0,20 NiO 0,03 CoO 0,21 Cr₂O₃ 0,05 ZnO 0,70 SrO 0,15 P₂O₅ 0,67 Прочие 0,06 Сумма 100,00

Таблица 21 Влага Зола S Летучие С_фикс 9,4 17,8 0,60 2,5 79,1

Введение в шихту данного восстановителя способствует дополнительному привносу железа за счет присутствия 9,35% Fe₂O₃ в золе кокса. Наличие относительно большого количества оксидов щелочных металлов (Na₂O+K₂O>2%), оксидов других легколетучих металлов в условиях плавки не представляет опасности для технологии в связи с их удалением в пыль, что в перспективе позволяет рассматривать пыль газоочистки в качестве сырья для производства цветных металлов (Таблица 20. Химический состав золы отсева кокса). Кроме восстановления элементов из оксидов углерод кокса также выполняет функцию науглероживания восстановленного железа, что позволяет получать металл в жидком виде в условиях плавки в данной электропечи.

Технология плавки включает предварительный нагрев печи до 200 °С, послойную укладку первой порции ЗГБЖ и отсева кокса общей массой 11500 г из расчета 150 г углеродистого восстановителя на 1000 г шлама в предварительно нагретое пространство реактора печи, расплавление первой порции шихты и последующую послойную укладку дополнительных трех порций шихты массой 11500 г (2-я и 3-я порции) и 20630 г (4-я порция) с интервалом в 2400 с (Таблица 22. График загрузки шихтовых материалов).

Таблица 22 №
п/п Расход шихтовых материалов, г Время, с 1 115000 2400 2 115000 2400 3 115000 2400 4 206300 2400 Всего 551300 9600

Суммарное время проплавления и восстановления 55130 г шихты занимает 9600 с с получением 26300 г горячего металла температурой 1339°С, 11100 г шлака и 16300 г отходящих газов (Таблица 23. Материальный баланс укрупненной плавки). Одновременный выпуск продуктов плавки (металла и шлака) осуществляется через летку в изложницу.

Таблица 23 До плавки, г После плавки, г Шлам ЗГБЖ 47900 Металл 26300 Отсев кокса 7200 Шлак 11100 Удаляется с газами 16300 Остаточный углерод 800 Всего 55100 Всего 54500 Невязка, кг 600 Невязка, % 1100

Суммарные затраты электроэнергии для получения 26300 г металла составляют 540 МДж, которые расходуются на нагрев шихты и расплавление восстановленного металла, нагрев пространства печи и футеровки печи, компенсацию потерь тепла в результате выноса газа и пыли, протекания эндотермических реакций, излучения кладкой печи (Таблица 24. Энергетический баланс укрупненной плавки).

Таблица 24 Приход МДж % Расход МДж % Электроэнергия 540,0 100,0 Полезный расход энергии 159,67 29,72 Эндотермические реакции 121,25 22,57 Потери с отходящими газами 14,81 2,76 Нагрев кладки печи и рабочего пространства печи 217,35 40,45 Потери тепла печью 24,20 4,50 Всего 540,0 100,0 Всего 537,28 100,0 Невязка, МДж 2,72 Невязка, % 0,50

По окончании плавки проводится выпуск продуктов плавки через летку в изложницу. Энергопотребление на разогрев и плавку составило 150 кВт⋅ч.

Получаемый в результате плавки ЗГБЖ металл состоит из 94,8% железа, 2,62% углерода, 2,15% кремния и 0,43% других элементов, что в соответствии с ГОСТ 4832-95 близко по составу к литейному чугуну марки Л4, класса А, категории 4 (Таблица 25. Химический (элементный) состав металла).

Таблица 25 Элемент Массовая доля, вес.% С 2,62 Si 2,15 Mn 0,0393 P 0,0377 S 0,0562 Cr 0,315 Mo 0,0013 Ni 0,0071 Al 0,0276 Co 0,00042 Cu 0,0061 Nb 0,0015 Ti 0,05999 V 0,0048 W 0,00064 Pb 0,00083 Mg 0,00058 As 0,0026 Zr 0,00004 Bi 0,00053 Sb 0,00040 Zn 0,00060 La <0,0001 N 0,0072 O 0,0090 Fe 94,8 Сумма 100,0

В составе шлака преобладают кислые оксиды кремния SiO₂ в количестве 37,280% и алюминия Al₂O₃ (9,410%), что позволяет отнести полученный шлак к кислым, так как (CaO+MgO)/(SiO₂+Al₂O₃)<1 (Таблица 26. Химический (элементный) состав шлака).

Таблица 26 Элемент Массовая доля, вес.% Fe₂O₃ 4,490 SiO₂ 37,280 Al₂O₃ 9,410 CaO 36,410 MgO 8,420 TiO₂ 0,355 MnO 0,984 Na₂O 0,319 K₂O 0,258 BaO 0,161 NiO 0,009 CuO 0,041 Cr₂O₃ 1,320 SrO 0,121 ZrO₂ 0,116 V2O5 0,024 S 0,251 P 0,013

Таким образом, в результате осуществления заявленного способа получения чугуна выход железа в чугун составил 93,1%, а потери железа со шлаком - 6,9%.

Изобретение относится к области черной металлургии, а именно к способам выплавки чугуна из железорудного шлама в дуговых электропечах. В предварительно нагретую до температуры 200°С электродуговую печь производят загрузку первой порции шихты в виде железорудного шлама установки горячего брикетирования железа и отсева кокса с содержанием нелетучего углерода 79,1мас.%, золы 17,9 мас.% и влажностью, не превышающей 9,4 мас.%, общей массой 11500 г c ее дальнейшим расплавлением, последующую послойную загрузку с последующим расплавлением соответственно второй порции шихты общей массой 11500 г, третьей порции шихты общей массой 11500 г и четвертой порции шихты общей массой 20630 г с интервалом времени загрузки 2400 с, при этом по окончании плавки осуществляют выпуск расплава металла температурой 1339°С, шлака и отходящих газов, а расплав выпускают при содержании в нем, мас.%, 94,8 железа, 2,62 углерода, 2,15 кремния и 0,43 остальных элементов. Изобретение упрощает производство за счет отсутствия введения флюсующих добавок при получении чугуна. 26 табл.

Способ получения чугуна, включающий загрузку шихты, ее расплавление и выпуск продуктов плавки, отличающийся тем, что в предварительно нагретую до температуры 200°С электродуговую печь производят загрузку первой порции шихты в виде железорудного шлама установки горячего брикетирования железа и отсева кокса с содержанием нелетучего углерода 79,1 мас.%, золы 17,9 мас.% и влажностью, не превышающей 9,4 мас.%, общей массой 11500 г c ее дальнейшим расплавлением, последующую послойную загрузку с последующим расплавлением соответственно второй порции шихты общей массой 11500 г, третьей порции шихты общей массой 11500 г и четвертой порции шихты общей массой 20630 г с интервалом времени загрузки 2400 с, при этом по окончании плавки осуществляют выпуск расплава металла температурой 1339°С, шлака и отходящих газов, а расплав выпускают при содержании в нем 94,8 мас.% железа, 2,62 мас.% углерода, 2,15 мас.% кремния и 0,43 мас.% остальных элементов.