Использование ванадиевого кварцита в производстве хромистых ферросплавов

В статье представлены результаты теоретических исследований, направленных на улучшение шлакового режима плавки, снижение расхода металлургического кокса и электроэнергии, повышение степени извлечения целевых компонентов. Изучен комплекс физико-химических свойств различных материалов - отходов химических и металлургических производств Казахстана и некондиционного сырья — в целях использования их в качестве шихтовых добавок для улучшения качества шлакового расплава. 

При производстве высокоуглеродистого феррохрома и ферросиликохрома в качестве флюсующей добавки и основного шихтового материала (продукта) используются кварциты, в которых отсутствуют такие полезные компоненты для плавки, как углерод, пентаоксид ванадия и щелочные металлы кроме кремнезема.

В целях улучшения технико-экономических показателей технологии по получению хромистых ферросплавов нами предложено поменять традиционные флюсы на углисто-ванадиевые кремнистые сланцы (ванадиевые кварциты). Результаты теоретических исследований позволили предположить, что использование их в шихте вышеуказанных производств может улучшить шлаковый режим плавки, позволит снизить расход металлургического кокса, электроэнергии, а также повысить степень извлечения целевых компонентов.

При вовлечении в производство хромистых ферросплавов нетрадиционных шихтовых материалов необходимо знать ряд физико-химических свойств конечного шлака и вязкость шлакового расплава, от которой зависят кинетика реакций восстановления в электропечи и процессы тепло- и массопереноса в расплавах металла и шлака. Эти параметры оказывают большое влияние на полноту восстановления оксидов хрома и железа, а также на величину потерь феррохрома со шлаком.

В процессе плавки хромистой шихты при повышении температуры расплава выше эвтектической точки плавления шлак обогащается тугоплавкими компонентами и объединяется восстанавливаемыми оксидами. Термодинамические процессы зависят от температуры в печи и непрерывно меняющихся активностей компонентов в шлаковом расплаве. Кинетика этих процессов определяется развитием контактных поверхностей и условиями для диффузии взаимодействующих частиц, в первую очередь катионов. Заметим, что коэффициент скорости диффузии (D) в общем виде является величиной, обратной динамической вязкости: D. η = const. Таким образом, диффузия ускоряется с повышением температуры или с понижением вязкости расплава.

В практике выплавки углеродистого феррохрома как в Казахстане, так и за рубежом признано целесообразным ведение плавки на шлаках с равными содержанием кремнезема, магнезии и глинозема, т.е. SiO2 : MgO : А12Оз = 1:1:1, причем сумма этих оксидов составляет 90-95 мас. % [1]. Такой состав конечного шлака обеспечивает оптимальную температуру ликвидуса и вязкость шлаковой системы.

Так, при работе печи на легкоплавком шлаке возрастает вязкость за счет образования хромсодержащей шпинели типа (МgO·(Cr, А1)2О3). Феррохром, скапливающийся на подине печи, будет находиться в тестообразном состоянии, что затруднит выход сплава через летку. Нагрев тугоплавкого шлака (вблизи эвтектической точки 1700 °С) до жидкотекучего состояния требует высоких температур и значительных затрат электроэнергии. При таком режиме работы в электропечи будет значительный перегрев сплава, что может привести к разъеданию футеровки и проникновению в нее жидкотекучего расплава. Поэтому отклонения состава сливаемого шлака в ту или другую сторону от оптимального ведет к нарушению режима работы печи и, как правило, к значительным потерям хрома.

Температура плавления углеродистого феррохрома, содержащего 65-70% Cr и 6-8% С, ≈1550 °С. Поэтому шлак должен иметь температуру плавления выше 1650 °С [2]. Необходимое количество флюсов определяется по диаграмме плавкости тройной системы SiO2—MgО—Al2O3 [3]. Оптимальный состав для выплавки феррохрома следующий, %:

 

В настоящее время добываются на АО «Донской ГОК» и перерабатываются на АО «Феррохром» магнезиальные хромовые руды. При плавке таких руд образуются шлаки с большим содержанием оксида магния, а отношение MgO:Al2O2 в них возрастает до (2÷2,5): 1, что позволяет отнести эти шлаки к тугоплавким и вязким расплавам. Для обеспечения нормального слива сплава и шлака из печи часто необходимы либо значительный перегрев их на 100-200ºС и более, в зависимости от тугоплавкости и жидкотекучести шлакового расплава, либо присадки в шихту значительного количества флюсов, в частности глиноземсодержащих материалов. Однако оба указанных пути улучшения физических свойств шлакового расплава имеют существенные недостатки: в первом случае требуется значительный расход дорогостоящей электроэнергии, во втором — значительные потери хрома с резко возрастающим объемом отвальных шлаков.

Оптимальный и экономически оправданный путь снижения температуры плавления и вязкости расплава — это использование в шихте специально подобранных добавок, при этом они должны выполнять задачу флюса при плавке на феррохром.

Нами изучен комплекс физико-химических свойств различных материалов - отходов химических и металлургических производств Казахстана и некондиционного сырья — в целях использования их в качестве шихтовых добавок для улучшения качества шлакового расплава. Проведены плавки на углеродистый феррохром хромовой руды состава, мас. %: 48,0 Сг2О3, 11,5 Fe; 10,8 А12О3; 6,7 SiO2; 15,2 MgO. Для формирования жидкоподвижных шлаков и снижения температуры расплава использовали различные добавки: оксиды алюминия, железа, кремния, ванадия, щелочных и щелочноземельных металлов, вносимые в шихту с полевошпатными материалами, отсевами кварцита, отвальным шлаком ферросиликохрома. Хромовую руду, кокс и флюсовые добавки загружали в алундовые тигли и плавили в индукционной печи при 1600°С в течение 1 ч. По окончании плавки производили разделение сплава и шлака. Сплав взвешивали и определяли выход его от количества загруженной шихты. Шлак поступал на определение вязкости вибрационным методом [4]. Для измерения вязкости использовали вискозиметр, работающий в режиме затухающих колебаний. Выбор данного метода обусловлен следующими его достоинствами:

  • дает более точные и устойчивые показания, чем применение ротационных вискозиметров;
  • имеет широкий диапазон измерений от 0,005 до 10 Па·с;
  • позволяет работать с малым количеством шлака (7-8 г).

Выводы:

  1. при добавках в шихту V2O5 в количестве 0,008 мас. % вязкость шлака зафиксирована на уровне известных в практике способов, а выход сплава не увеличивается;
  2. повышение V2O5 в шихте от 0,01 до 0,10 мас. % снижает вязкость шлака до 0,13 Па·с и увеличивает выход сплава на 0,1-0,5 мас. %;
  3. дальнейшее повышение V2O5 выше 0,10 мас. % не влияет на вязкость шлака и на выход сплава. Показано, что оксид ванадия можно вводить в шихту в виде ванадийсодержащих добавок: ванадиевых кварцитов и ванадиевых шлаков, а также других материалов.

  

Литература

  1. Владимиров Л.П. Термодинамические расчеты равновесия металлургических реакций. - М., 1970. - 528 с.
  2. Предпатент № 2030 Республики Казахстан. Способ выплавки углеродистого феррохрома /Алыбаев Ж.А., Сухарников Ю.И. и др.
  3. Давлетов Д.Н., Новиков Н.В., Петлюк П.С., Сухарников Ю.И., Алыбаев Ж.А. Опытно-промышленные испытания  по выплавке высокоуглеродистого феррохрома с использованием в качестве флюса ванадийсодержащих кварцитов. - Алматы: КИМС, 1995. - № 3. - С. 25-28.
  4. Щедровицкий Я.С. Производство ферросплавов в закрытых печах. - М., 1975. - 312 с.
Фамилия автора: Ж.А. Алыбаев,  Г.Б. Байдильдаева 
Год: 2011
Город: Павлодар