В данной статье приведены примеры способов десульфураци, целью которых является повышение качества продукции без применения внепечной обработки сплава. Основными способами являются: использование шихтовых материалов с изначально низким содержанием серы или подготовленных шихтовых материалов, проведение плавки в условиях, обеспечивающих большой переход серы в шлак и внепечную обработку готового металла.
В последнее время ужесточились требования потребителей чёрных металлов к механическим и технологическим свойствам качественных сталей. Как правило, после введения ферросплавов в сталь содержащиеся в них вредные примеси полностью переходят в металл, резко ухудшая его физические свойства. В связи с этим на сегодняшний день наиболее актуальным для производителей ферросплавов является вопрос улучшения качества выплавляемой продукции (в частности высокоуглеродистого феррохрома), снижения содержания в сплавах вредных примесей, в том числе и серы.
Промышленный углеродистый феррохром содержит в большем или меньшем количестве различные примеси (цветные и редкие металлы, неметаллические включения, газы и др.). При выплавке сталей ответственных марок значительная часть этих примесей переходит в сплав, что оказывает их вредное влияние на качество металла.
Основными способами снижения концентрации серы в высокоуглеродистом феррохроме являются: использование шихтовых материалов с изначально низким содержанием серы или подготовленных шихтовых материалов, проведение плавки в условиях, обеспечивающих как можно больший переход серы в шлак и внепечную обработку готового металла. Последняя группа методов, как правило, требует больших затрат и сложна в исполнении.
По сложившейся традиции, требующей в настоящее время существенного обновления, поступающее сырьё без какой-либо физико-химической обработки поступает в печь, поэтому качество выплавляемых ферросплавов в общем и высокоуглеродистого феррохрома в частности, по уровню содержания фосфора, серы, цветных металлов и других примесей существенно не улучшается. Следует в принципе изменить сам подход к решению задачи повышения качества ферросплавов по вредным примесям и начинать борьбу за их качество на стадии подготовки сырья к плавке.
В таблице 1 приведено содержание серы в материалах, используемых на АЗФ при выплавке высокоуглеродистого феррохрома. Производство углеродистого феррохрома с содержанием серы 0,05% и ниже затруднено из-за высокой концентрации её в шихтовых материалах, особенно в коксе, где не должно быть более 0,40% S, а фактически содержится до 0,51%. Основные шихтовые материалы, используемые при производстве феррохрома, такие как хромовая руда, шлак ферросилиция, содержат небольшое количество серы и доля вносимой ими серы невелика (около 20%).
Таблица 1 – Содержание серы в шихтовых материалах (АЗФ)
Промышленное получение специальных видов кокса до сих пор не налажено. Ощущается острый дефицит мелких классов металлургического кокса. Ферросплавные заводы вынуждены использовать дорогостоящий углеродистый восстановитель, часто не отвечающий современным требованиям технологии выплавки ферросплавов. Поскольку основная масса вредных примесей находится в золе кокса, в настоящее время целесообразно вести поиск малозольных углеродистых материалов. К таким материалам можно отнести древесный уголь, нефтяной, пековый, торфяной коксы, отдельные сорта углей (антрациты, тощие угли и др.), отходы графитизации, гидролизный лигнин и т.п. [1]. Основные физико-химические свойства и состав углеродистых восстановителей приведены в таблице 2.
Как видно из таблицы 2, предпочтительным будет применение лигнина, поскольку его отличают одновременно малая зольность и низкое содержание вредных примесей. Интерес к этому материалу вызван наличием его крупных ресурсов, не находящих применения и специфичностью свойств, близких к древесному углю [4].
В работе [1] опубликованы итоги разработки технологии совместного использования нефтяного кокса и гидролизного лигнина, по ходу опытов, проводимых на Кузнецком заводе ферросплавов, изучались свойства данных восстановителей по сравнению с коксовым орешком и ангарским полукоксом.
По одному из наиболее важных показателей качества углеродистых восстановителей реакционной способности лигнин и нефтяной кокс противоположны (таблица 2). Поэтому для повышения химической активности смесь восстановителей должна содержать достаточно большое количество лигнина.
Таблица 2 - Физико-химические свойства и состав углеродистых восстановителей
Преимуществом опытных восстановителей является их высокое удельное сопротивление (УЭС), что должно способствовать улучшению электрического режима работы печи. Низкая структурная прочность восстановителей не может служить препятствием к использованию в производстве ферросплавов, где применяются низкошахтные печи. Результаты изучения поведения лигнина и нефтяного кокса при высокотемпературном нагреве свидетельствуют о преимуществе лигнина [1].
Таким образом, использование малозольных углеродистых восстановителей - гидролизного лигнина и нефтяного кокса - при выплавке ферросплавов позволяет частично или полностью заменять традиционные восстановители, при этом улучшать работу ферросплавных печей и получать сплав с низким содержанием серы.
Термическая подготовка шихты является одним из наиболее перспективных направлений улучшения использования сырья, а кроме того, топлива и электроэнергии в чёрной металлургии. Анализ зарубежной практики [2-4] показывает высокую эффективность предварительного нагрева шихты при выплавке феррохрома.
Изучение распределения серы, поступающей в углеродистый феррохром из шихты, показало, что около 60% её переходит в шлак, 30% - в улёт и только 10% - в сплав [5]. Распределение серы при выплавке углеродистого феррохрома, по данным лабораторных плавок, зависит от содержания углерода и кремния в сплаве:
Причём коэффициенты распределения серы в равновесных условиях могут колебаться от 2,78 до 14,7 (против 3-7 по промышленным данным). Таким образом, в промышленных шлаках содержание серы выше равновесного с металлом, поэтому в процессе выпуска углеродистого феррохрома и шлака из печи сера переходит из шлака в металл, что приводит к повышению её содержания в сплаве на 10-15%.
Исследование гранулометрического состава хромовой руды [6] показывает, что несмотря на это, содержание мелочи <20 мм вполне удовлетворяет требованиям для использования руды в закрытых и герметичных печах. Кроме того, при проектировании шахтной печи специально для обжига кусковой хромовой руды можно уменьшить высоту шахты, за счёт чего дополнительно снизить выход мелочи при обжиге.
Установлено, что фракция 0-20 мм содержит 48-50% фракции 10-20 мм. Таким образом, в обожжённой руде содержится в среднем 12,2% мелочи <10 мм.
Обзор литературных данных показывает многообразие способов десульфурации высокоуглеродистого феррохрома.
Основными способами являются: использование шихтовых материалов с изначально низким содержанием серы или подготовленных шихтовых материалов, проведение плавки в условиях, обеспечивающих как можно больший переход серы в шлак и внепечную обработку готового металла. Последняя группа методов, как правило, требует больших затрат и сложна в исполнении. В то время как жёсткий контроль за химическим составом используемых в процессе плавки шихтовых материалов, в частности правильный подбор восстановителя, являющегося основным поставщиком серы в печь, - наиболее простой путь к получению качественных ферросплавов.
Изучение некоторых теоретических закономерностей получения углеродистого феррохрома, а также опытных наработок ферросплавных заводов в области десульфурации позволяет сделать следующие рекомендации:
- Предъявлять к шихтовым материалам, поступающим на завод и предназначенным для выплавки углеродистого феррохрома, высокие требования по содержанию вредных примесей (в том числе и серы). Прежде всего это относится к восстановителю и рудной части шихты.
- Использовать в качестве восстановителя малозольные и низко-сернистые углеродистые материалы, например нефтяной, пековый, торфяной коксы, отдельные сорта углей, отходы графитизации, гидролизный лингин и др.
- Применять в качестве рудной части шихты предварительно подготовленные материалы: обожжённую хромовую руду, хромовые окатыши, брикеты, концентрат и др.
- Поскольку на активность серы в феррохроме значительное влияние оказывает углерод и кремний (установлено, что с увеличением содержания углерода в феррохромном сплаве при 1600-17600С коэффициент активности серы повышается; влияние кремния несколько меньше, чем углерода, однако также велико) в процессе плавки необходимо обеспечить получение сплава с достаточно высоким (но, не превышающим требования стандартов и ГОСТов) содержанием углерода и кремния в металле.
- В процессе плавки необходимо обеспечить десульфурирующее действие шлака, для чего нежелательна слишком большая вязкость (то есть, следует наводить легкоплавкие шлаки). Также следует иметь глубокую посадку электродов.
Обобщая вышесказанное, необходимо отметить значительное разнообразие способов десульфурации углеродистого феррохрома. В целях разработки метода десульфурации применительно к условиям АЗФ, целесообразно рассмотреть возможность проведения на заводе соответствующих исследований.
Литература
- Страхов В.М., Минаев В.М., Меньшенин В.М., Канаев Ю.П. Использование малозольных углеродистых восстановителей при выплавке ферросплавов // Производство ферросплавов. - Челябинск: Металлургия, 1991. - С. 21-29.
- Кудрявцев В.С., Мураховский В.В., Хитрик С.И. и др. Особенности выплавки 75%-ного ферросилиция из шихт, окускованных с полукоксом и гидролизным лингином // Сталь. -1974. -№ 2. - С. 129-131.
- Хитрик С.И., Емлин Б.Н., Ем А.П. и др. Электрометаллургия феррохрома. - М.: Металлургия, - 147 с.
- Колоярцев В.Л. , Загуменко В.И., Аганичев П.В. и др. Выплавка углеродистого и передельного феррохрома из частично восстановленных и нагретых окускованных шихт // Информация ин-та «Черметинформация». Сер. 5. - Вып. 4. - 1972. - 13 с.
- Миронов А.А., Федоренко Н.В., Дегтянников С.Н. Обжиг хромовой руды в шахтной печи // Повышение эффективности и качества ферросплавов. МЧМ СССР. - М.: Металлургия, - С. 5-12.
- Федоренко Н.В., Сафиуллин Р.Б., Приходько Т.И., Замыслов В.Г. Испытания обожжённых хромитовых окатышей при выплавке высокоуглеродистого феррохрома // Производство ферросплавов. - Челябинск: Металлургия, 1991. - С. 16-21.