Способ прямого получения чугуна из фосфорсодержащей железной руды или концентрата с одновременным удалением фосфора в шлак Российский патент 2023 года по МПК C21B11/10 

Изобретение относится к области металлургии, в частности, к получению металла путем прямого восстановления из оксидсодержащего (или сульфидного) сырья с одновременным удалением вредных примесей, таких как фосфор, сера, кремний и др. в процессе высокотемпературного восстановления с получением жидкофазного металла в виде чугуна.

Известен способ восстановления оксидов металлов путем восстановления газами и твердым восстановителем в виде кокса в общеизвестной доменной печи, где процесс восстановления происходит вначале в зоне относительно низких температур (700 – 1100⁰С) в режиме твердофазного восстановления газами (водород, монооксид углерода). Впоследствии восстановленный металл в твердой фазе поступает в зону более высоких температур, где происходит расплавление и образование чугуна и шлака. В этом процессе, называемом доменным, удаление вредных примесей, особенно фосфора из металла практически невозможно реализовать. Как правило, фосфор переходит в металл и его удаление возможно только в конвертере путем двойного скачивания шлака, чтобы удалить фосфор и получить сталь необходимого качества, что приводит к удорожанию конечного продукта – стали (С.И.Лившиц Производство стали в конвертерах. Металлургиздат. 1960г.) [1].

Известен способ твердофазного восстановления металла в шахтной печи восстановительными газами (водород, монооксид углерода), так называемый процесс «Мидрекс», осуществляемый без использования кокса в отличие от доменного процесса (Н.А. Тулин, В.С. Кудрявцев, С.А.Пчелкин и др. Развитие бескоксовой металлургии, М.Металлургия, 1987, стр. 230) [2]. Этот процесс требует использования сырья, очищенного от вредных примесей, таких как как фосфор, сера, кремний и других, т.к. при твердофазном восстановлении эти вредные примеси в основном остаются в металле, что также требует дополнительного процесса очистки от этих примесей для получения качественной стали из этого продукта.

Известны также способы предварительного удаления вредных примесей, особенно фосфора в процессе обогащения руды по железу.

Недостатками этих способов являются большая дороговизна, невозможность полной очистки, неэкологичность химических процессов удаления фосфора в раствор.

Задачей изобретения является создание технологии переработки высокофосфористых железных руд с одновременным удалением практически всех примесей (фосфор, сера, кремний, цветные металлы и др.) и получением жидкого металла, в частности в виде чугуна, с их содержанием в допустимых для получения стали пределах без предварительной подготовки руды, включая глубокое обогащение, ограничиваясь сухой магнитной сепарацией.

Поставленная задача достигается тем, что способ прямого получения чугуна из фосфорсодержащей железной руды или концентрата с одновременным удалением фосфора в шлак, включает прямое восстановление железа в электродуговой печи с полым электродом, при этом фосфористую железную руду или концентрат смешивают с известью или известняком в соотношении СаО/ SiO₂ 2,0-2,7 и твердым восстановителем в стехиометрическом соотношении в зависимости от содержания железа в полученной шихте, и восстанавливают в зоне горения электрической дуги, подавая шихту из фосфорсодержащей железной руды, извести или известняка и восстановителя через полый электрод в зону горения дуги электродуговой печи до получения металла в жидкой фазе в виде чугуна с содержанием остаточного фосфора 0,1-0,15%.

Восстановление железа предпочтительно осуществлять в электродуговой печи постоянного тока.

Сущность изобретения заключается в следующем. В заявленном способе фосфорсодержащие руды, содержащие в своем составе до 58% железа (Fe_общ), около 1% фосфора и около 8% SiO₂ (кремнезёма) и другие примеси не годятся для использования в доменном процессе, по причине того, что фосфор, как наиболее нежелательная вредная примесь в шихте, полностью переходит при восстановлении в металл, как правило, обогащаясь до 2% и более. Дальнейшая переработка чугуна с таким содержанием фосфора в сталь становится экономически нерентабельной.

Предлагаемое изобретение позволяет удалить фосфор в шлак в процессе прямого восстановления железа в электродуговой печи за счет высокотемпературного (до 5000 °С) восстановления и получение чугуна в присутствии предпочтительно СаО с обеспечением соотношения СаО/SiO₂ (кремнезёма), содержащегося в руде (~8%) в пределах 2,0-2,7%. При использовании известняка СаСО₃ часть тепла расходуется для диссоциации известняка по формуле CaCO₃ →СаО + СО₂↑, что может привести к увеличению расхода электроэнергии или угля.

Расплавленное железо, шлак и фосфор в процессе плавления в зоне высоких температур до 5000 °С в дуге, контактируя с СаО, внесенным в шихту, образуют стабильное (прочное) соединение с фосфорным ангидридом Р₂ О₅ в виде (СаО)₄ ⋅ Р₂О₅. Такое соединение, не разрушаясь выносится со шлаком. Кроме того, СаО расходуется и для связывания SiO₂ (кремнезёма), т.к. в присутствии SiO₂ СаО в первую очередь расходуется на образование также стабильного (прочного) соединения (СаО)₂ ⋅ SiO₂ силиката кальция. Таким образом, наличие кремнезёма в шихте и шлаке является ограничивающим фактором для удаления фосфора из шихты (или металла) с использованием СаО, поэтому его добавляют в шихту с учетом содержания кремнезёма в исходной руде, т.к. предварительное снижение кремнезёма также является затратным и малоэффективным.

Предлагаемое изобретение позволяет удалять основные вредные примеси фосфористой руды, фосфор и кремний в процессе восстановления железа, используя высокотемпературную технологию в зоне температур 2000 – 5000 °С, возникающих при горении электрической дуги.

При соотношении СаО/ SiO₂ менее 2,0 имеющееся в руде содержание SiO₂ (кремнезема) не позволяет полностью удалять фосфор из железа в шлак, т.к. реакция образования соединения (СаО)₄ Р₂О₅ начинается только после удаления SiO₂ в шлак полностью в соединение (СаО)₂ SiO₂.

При соотношении СаО/ SiO₂ более 2,7 расходование СаО снижается, что приводит к излишним затратам как самого СаО, так и электроэнергии за счет увеличения шлака.

При остаточном содержании в чугуне фосфора 0,1-0,15 эффективность удаления фосфора снижается, и дальнейшее снижение экономически не оправдывается. При этом содержание фосфора в чугуне ниже 0,1-0,15 процентов не представляет проблему для получения стали с соответствующим содержанием фосфора по требованиям заказчиков.

Таким образом, реализуется эффект двух взаимосвязанных механизмов удаления вредных примесей – кремнезёма и фосфора в процессе восстановления железа, ранее не используемой в практической металлургии, а именно высокотемпературного восстановления в плазме дуги, что является существенным эффектом, как с точки зрения технико-технологической, так и экономической.

Способ позволит снизить трудозатраты, максимально извлечь железо из руды, исключив потери с хвостами до 10-20%, являющимися неизбежным результатом процесса обогащения, с одновременным получением фосфористых шлаков, пригодных к использованию в качестве удобрений в сельском хозяйстве, что позволит приблизиться к безотходному производству с претензией на «зелёный» процесс как по твердым отходам, так и по газовым выбросам, который по СО₂ не превысят стехиометрической величины по реакции восстановления железа из Fe₂О₃.

Новый технический результат, достигаемый изобретением, заключается в удалении фосфора в одну стадию совместно с восстановлением железа.

Если в руде фосфора нет, то восстановление в электродуговой плазме с получением чугуна высокой чистоты достигается практически без использования флюсов, включая СаО, так как незначительные количества кремния удаляются известными методами продувки чугуна кислородом или воздухом в конвертерном процессе.

При известных способах получения чугуна, например доменном процессе, удаления фосфора в процессе восстановления обеспечить не удается, т.к. при относительно низких температурах менее 2000 °С процесс замедляется.

Кроме того, предлагаемое изобретение не требует окомкования исходного сырья, также, как и обогащения, и предварительной подготовки.

Заявленный способ может быть реализован в известном устройстве для прямого восстановления металлов из оксидсодержащих материалов (RU2612330, опубл. 07.03.2017) [3].

В качестве фосфорсодержащей руды может быть использована непосредственно руда, измельченная до крупности 0 – 5÷10 мм или концентрат после обогащения 0,044-0,071 мм, включая любые пыли (доменную, конвертерную, электросталеплавильную), включая цинксодержащие.

В корпус устройства по RU2612330 при первоначальном запуске загружают некоторое количество коксика для исключения разгара нижнего электрода. Опусканием электрода специальным механизмом зажигается дуга в реакторе и разогревается зона восстановления. При необходимости через шлаковое окно (летку) подбрасывают и наводят жидкий шлак или жидкий металл из лома. После появления жидкого расплава, так называемого «болота» начинают подавать через полость электрода подготовленную смесь концентрата и твердого восстановителя (угля) через воронку и дозирующий питатель. При попадании подготовленной шихты в зону высоких температур реактора оксиды восстанавливаются углеродом твердого восстановителя внутри полого электрода и, одновременно оплавляясь, металл, проходя через слой шлака, отстаивается на подине реактора. При достижении уровня металла до уровня летки, металл начинает вытекать и разливается либо в чушки, либо гранулируется. Возможен вариант переработки в агрегате печь-ковш в жидком состоянии. Шлак также поддерживается на определенном уровне за счет слива избытка через окно-летку. Получают металла в жидкой фазе в виде чугуна с содержанием остаточного фосфора 0,1-0,15%.

Таким образом, заявленный способ позволяет получать металл путем прямого восстановления из оксидсодержащего (или сульфидного) сырья с одновременным удалением вредных примесей, таких как фосфор, сера, кремний и др. в процессе высокотемпературного восстановления с получением жидкофазного металла в виде чугуна.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к получению металла путем прямого восстановления в электродуговой печи с полым электродом из оксидсодержащего или сульфидного сырья с одновременным удалением вредных примесей, таких как фосфор, сера, кремний в процессе высокотемпературного восстановления с получением жидкофазного металла в виде чугуна. Фосфорсодержащую железную руду или концентрат смешивают с известью или известняком в соотношении СаО/SiO₂ 2,0-2,7 и твердым восстановителем в стехиометрическом соотношении в зависимости от содержания железа в полученной шихте и восстанавливают в зоне горения электрической дуги при подаче шихты из фосфорсодержащей железной руды или концентрата, извести или известняка и восстановителя через полый электрод в зону горения дуги электродуговой печи до получения металла в жидкой фазе в виде чугуна с содержанием остаточного фосфора 0,1-0,15%. Изобретение позволяет получать чугун прямым восстановлением с одновременным удалением вредных примесей с одну стадию и без предварительной подготовки исходного сырья. 1 з.п. ф-лы.

1. Способ прямого получения чугуна из фосфорсодержащей железной руды или концентрата с одновременным удалением фосфора в шлак, включающий прямое восстановление железа в электродуговой печи с полым электродом, при этом фосфорсодержащую железную руду или концентрат смешивают с известью или известняком в соотношении СаО/SiO₂ 2,0-2,7 и твердым восстановителем в стехиометрическом соотношении в зависимости от содержания железа в полученной шихте и восстанавливают в зоне горения электрической дуги при подаче шихты из фосфорсодержащей железной руды или концентрата, извести или известняка и восстановителя через полый электрод в зону горения дуги электродуговой печи до получения металла в жидкой фазе в виде чугуна с содержанием остаточного фосфора 0,1-0,15%.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что восстановление железа осуществляют в электродуговой печи постоянного тока.