Спосіб отримання вуглецевого ферохрому

1. Спосіб отримання вуглецевого ферохрому, який вміщує проплавлення суміші хромової руди з вуглецевим відновлювачем та з кремнеземмістя 30533 таційним методом відокремлюється не менше 2023% фракції менше 10 мм. У такій ж мірі недоліком відомого способу є неможливість використання в якості відновлювача некоксівного дрібного вугілля. Задачею цього винаходу є розширення сировинної бази отримання вуглецевого ферохрому за рахунок використання дрібнодисперсних початкових матеріалів. Поставлена задача вирішується тим, що у способі отримання вуглецевого ферохрому, який включає проплавлення суміші хромової руди, з вуглецевим відновлювачем та кремнеземмістячими флюсуючими домішками, випускання сплаву та шлаку, суміш, яка складається з хромової руди, вуглецевого відновлювача та флюсуючих добавок, огрудковується з частинок фракції 0-1 мм, проплавляється в індукційній печі, при цьому флюсуючі домішки вводять в кількості та складі, які забезпечують в кінцевому шлакові 40±3% SiО2, 30±5% MgO та15±5% Аl2О3. Крім цього, проплавлення виконують у струмопровідному тиглі, а сплав випускають один раз після проплавлення трьох-чотирьох завантажень огрудкованої суміші та двух-трьох проміжних зливань шлаку. Суть пропонованого технічного рішення складається у прямому нагріванні вуглецевого відновлювача індуктуванням в ньому струмів при плавці в індукційній печі та прискорені відновлюючих процесів в електромагнітному полі індуктора. При цьому відновлення випереджує плавлення рудного залишку та послідуюче формування рідкого та рухомого шлаку, в якому вищі карбіди хрому рафінуються від вуглецю. При нагріванні брикетованої або огрудкованої моношихти, завдяки високорозвиненій поверхні контакту дрібнодисперсних початкових матеріалів, ущільнених при огрудкованні та завдяки особливостям індукційного нагрівання окислів заліза та хрому, відбувається при температурах дуже близьких до теоретичного необхідних (910ºС для заліза та 1130-1270ºС для хрому в залежності від форми його існування в руді та виду утвореного продукту - від вищого карбіду Сr3С2 до твердого розчину хрому в залізі). Вказаний рівень суттєво нижчий не тільки температур ліквідує в системі Сr-Fe-С (мінімум при 3,2% С дорівнює 1414°С), але і солідус (мінімум 1340ºС). Ще вище (1600ºС) температура плавлення шлаків, які відповідають складу порожньої породи хромової руди. Таким чином, при нагріванні початкової огрудкованої суміші відновлення випереджує плавлення продуктів реакції. Незалежно від виду зв'язуючого при огрудкуванні (сульфіт-спиртова барда або рідке скло) вона руйнується при вказаних температурах і грудки втрачають свою цілісність. В подальшому процесі беруть участь дрібнодисперсні матеріали, що є необхідним для пропонованого технічного рішення, але є абсолютно недопустимим в технічному рішенні по прототипу, так як приводить до різкого зниження газопроникнення шахти, не кажучи вже про неможливість формування тяжкого "рудного шару", який повинен розташовуватись нижче шлаку. При проведенні плавки періодичним процесом в індукційній печі з відносно неглибокою ванною питання про газопроникнення шахти не виникає зовсім, а достатньо повне відновлення шихти забезпечується підбором відповідних флюсуючих домішок, склад та кількість яких забезпечують більш високу температуру плавлення первинного відновленого сплаву по зрівнянню з температурою плавлення рудного залишку. Завдяки цьому формується суспензія твердого первинного високовуглецевого сплаву в рідкому високохромовому шлаку з розвиненою контактною поверхнею. Більш тяжкі вкраплення сплаву гравітаційно спускаються до подини та рафінуються в шарові шлаку від вуглецю. При цьому температура плавлення сплаву знижуються і він також розплавляється. Таким чином, підбір флюсуючих домішок дозволяє регулювати температуру плавлення шлаку. Аналіз діаграми складу системи SiО2-MgOАl2O3, які є основними компонентами хромових руд, крім відновлюваних окисів хрому та заліза, показують, що мінімальні температури плавлення (1350-1480°С) мають склади (43-70)% SiО2; (20-40)% MgO та (10-30)% Аl2O3. З урахуванням реальних концентрацій MgO и Аl2O3 в хромовій руді обрано слідуючий склад кінцевого шлаку з більш вузькою зоною концентрації вказаних компонентів: (40±3)% О2; (30±5)% MgO; (15+5)% Аl2O3, решта компоненти (Cr2O3, FeO, СаО та ін.) в сумі (15±3)%. При використанні короткозамкнутого струмопровідного тиглю, нагрівання його, за рахунок індуктування в ньому струму, відбувається скоріше ніж нагрівання маси суміші в тиглі, що сприяє інтенсифікації процесу відновлення та плавлення за рахунок теплопередачі від нагрітого тиглю. Аналіз практичних результатів показує, що навіть при рідних та рухомих шлаках мають місце суттєві втрати з ним відновленого хрому (1,51,9% мас. від ваги шлаку). Це пов'язано з заплутуванням корольків металу в коротких висококремнеземних шлаках після їх випускання разом з металом. Тому доцільно виконувати два-три проміжних зливання шлаку в кількості 70-80% від. після відновлення з нього хрому та заліза з подальшим завантаженням в піч нових порцій огрудкованої суміші. При цьому відбувається нагромадження сплаву в тиглі печі, що збільшує прохідне витягання хрому до 92,8%. Таким чином, пропонований спосіб отримання вуглецевого ферохрому у порівнянні з прототипом забезпечує розширення сировинної бази з залученням в його виробництво дрібнодисперсних фракцій хромової руди та некоксівного вугілля. В результаті поширеного пошуку по патентній та науково-технічній літературі по відповідним рубрикам МПК та УДК совокупність суттєвих ознак, які повністю або частково зберігаються з даними та позволяють вирішувати поставлену винахідницьку задачу, не було знайдено в жодному з технічних рішень. Як висновок, пропонований винахід відповідає критерію "новизна". Із відомого рівня техніки совокупність суттєвих ознак пропонованого технічного рішення з очевидністю не витікає. Як висновок, пропонований винахід відповідає критерію "винахідницький рівень". Пропонований спосіб отримання вуглецевого ферохрому пройшов випробування в умовах 60 кг. тигільної індукційної печі (Акт додається). Передбачається, що нова технологія буде реалізована 2 30533 на Миргородському арматурному заводі, який обладнаний промисловими індукційними печами. Як висновок, пропонований винахід відповідає критерію "промислова застосовність", це підтверджується приведеними в табл. 1 прикладами його конкретного здійснення. Хімічний склад початкових матеріалів приведений в табл. 2. Співвідношення руди та вугілля на всіх дослідних партіях було однаковим, а кількість піску варіювали в границях від 60 (дослід № 1) до 300 кг/т руди (дослід № 8), що і визначило склад кінцевого шлаку. Початкові матеріали після змішування з 6% мас. рідкого скла брикетували і після сушіння при температурі 150°С проплавили в індукційній печі з набивним тиглем із електродної маси. Виняток складає плавка № 4, яку проводили в тиглі з плавленого магнезиту. Як показує аналіз даних табл. 1, ця плавка по кінцевим результатам ідентична плавці № 5. Однак, тривалість плавлення брикетів в магнезитовому тиглі було більш ніж удвоє більше, ніж при плавці у вуглецевому тиглі (№ 5). Це пов'язано з низькою магнітною проникністю холодних брикетів, яка збільшується по мірі їх нагрівання, що потребує значного часу. При використанні короткозамкнутого вуглецевого тиглю нагрівання за рахунок індуктування в печі струму проходить відносно швидко, а нагрівання брикетів прискорюється за рахунок теплопередачі від розігрітого тиглю. В якості головного оціночного параметру результатів дослідних плавок було прийнято ступінь відновлення хрому у сплав (ηCr), в якості додаткових - вміст хрому та кремнію у сплаві та кратність шлаку (Кшл). Склад брикетів досліду № 1 відповідає складу шихти по прототипу з тією лише різницею, що у нашому випадку руда мала фракцію 0-1,0 мм. Як виходить з табл. 1, зміст кремнезему в кінцевому шлаку цієї плавки не відповідає вимогам дійсного винаходу, що і обумовило його гетерогенний характер і виключило можливість відділення сплаву та шлаку. Добування хрому в сплав склало лише трохи більше 60% при розрахунковій кратності шлаку близької до 3. Оцінити фактичну кратність шлаку не вдалось, так як сухий дрібний шлак неможливо відділити від таких же дрібних корольків металу. Аналогічна картина була і на плавці № 2, де долю піску в шихті збільшили до 150 кг/т руди. При змісту кремнезему у шлакові 36,5% (плавка № 3) він уже був гомогенним, але його в'язкість була великою. В цьому досліді, як і в попередніх, ступінь відновлення хрому значно менше, ніж у прототипу (89-93%). Оптимальні результати досягнуто на плавках № 4-7, відповідних по складу кінцевого шлаку вказаним співвідношенням основних компонентів. Сплав, отриманий на цих плавках, відповідає вимогам ГОСТ 4757 по хімічному складу. Підвищення концентрації кремнезему в шлакові вище 44,0% мас. (плавка № 8) приводить, з одного боку, до різкого збільшення змісту кремнію у сплаві, вище рівня ніж передбачено ГОСТ 4757 (£2,0%), та деякому зниженню концентрації хрому, а з другої сторони - до суттєвого зниження витягнення останнього у сплав завдяки збільшенню кратності шлаку. Таким чином, дані наведені у табл. 1, підтверджують правильність вибору границь концентрації кремнезему в шлакові 40,0±3,0% мас. Спеціальні експерименти по уточненню допустимих границь концентрації магнезиту та глинозему в шлаці не проводили, так як, по-перше, вони достатньо обгрунтовані виходячи з фізико-хімічного аналізу діаграми плавкості системи SiО2 – MgO - Аl2О3, що підтверджується експериментами в частині кремнезему, а по-друге, у зв'язку з тим, що границі коливань концентрації цих оксидів в реальних хромових рудах, як правило, забезпечують попадання в указані границі змін їх концентрацій в шлаку. Аналіз табл. 1 показує, що на всіх плавках, крім проміжних шлаків плавки № 5, мали місце суттєві втрати відновленого хрому зі шлаком (1,5-1,9% мас. від ваги шлаку навіть при рідкому та рухливому шлаку оптимального складу). Це пов'язано із заплутуванням корольків металу в коротких висококремнеземистих шлаках в процесі їх випускання сумісно з металом. Тому на плавці № 5 здійснили два проміжних зливання шлаку в кількості 70-80 від. після відновлення з нього хрому та заліза з подальшим завантаженням в піч нових порцій брикетів. При цьому відбувалось нагромадження сплаву у тиглі печі. Як слідує з табл. 1, зміст відновленого хрому в цих шлаках дуже невеликий (£0,3%), що, природно, збільшує наскрізне витягування хрому до 92,8%. На закінчення визначимо, що получені результати поступаються прототипу лише в концентрації хрому в готовому металі та кратності шлаку (див. табл. 1). Це пов'язано з тим, що в прототипі використовуються більш багаті по хрому кускові руди (Сr2O3³50%, Сr2O3:FeO³3,5). В той же час пропонований спосіб дозволяє залучити у виробництво ферохрому пиловидні руди. Таким чином, пропоноване технічне рішення забезпечує випереджаючий характер процесів відновлення у порівнянні з плавленням матеріалів, отримання легкоплавких рідких та рухомих шлаків з температурою плавлення нижче температури плавління первісного металопродукту, але вище температури початку відновлення оксидів заліза та хрому, дозволяє отримати вуглецевий ферохром з пиловидних руд, а застосування вуглецевої футеровки тигля індукційної печі та періодичне випускання металу після проплавлення трьох-чотирьох завантажень шихти та проміжне зливання шлаку забезпечує реалізацію допустимого для практики продуктивного процесу та його технікоекономічних показників, які не поступаються прототипу. 3 30533 Таблиця 1 Характеристика та результати експериментів виплавлення вуглецевого ферохрому з пиловидних руд № плавки Склад кінцевого шлаку, % мас. 15,4 13,5 Cr2O3 общ 22,9 19,3 Сr мет 4,6 3,5 32,0 15,3 14,5 3,2 31,7 32,7 31,4 31,2 30,5 29,7 26,5 15,1 14,9 15,0 14,8 14,6 13,4 12,6 6,6 4,8 5,2 6,0 6,1 6,3 6,3 6,2-7,7 1,8 0,2 0,3 1,9 1,6 1,5 1,7 3,2-3,9 SiО2 MgO Al2O3 1 2 19,6 28,3 31,5 28,2 3 36,5 4 37,2 39,5 38,7 38,3 39,0 42,8 44,7 5 6 7 8 прототип 29-33 43-45 14-16 Характеристика шлаку Кратність шлаку, К FeO общ 5,7 гетерогенний 2,76 4,8 -"2,86 гомогенний 2,3 2,10 вязкий 2,2 2,00 гомогенний, 1,3 рідкий, рухо1,2 мий 1,3 1,92 1,3 -"1,88 1,5 -"2,10 1,3 -"2,40 1,0- рудний шар + 1,1-1,2 -1,5 шлак Склад металу, % мас. Витяг хрому hCr, % Сr С Si 60,3 62,3 63,6 62,3 8,9 9,1 0,1 0,1 75,0 63,0 8,8 0,2 89,2 92,8 91,8 91,2 88,0 66,0 66,1 66,7 65,1 64,5 7,9 7,8 7,9 7,7 8,0 0,6 0,8 1,1 1,8 3,0 89,0-93,0 69-71 £8,0 £2,0 Таблиця 2 Хімічний та гранулометричний склад початкових матеріалів Склад, % Сr2O3 FeO SiO2 Аl2O3 Руда 40,0 13,2 7,1 10,5 Зола вугілля 20,8 49,6 22,3 Пісок 0,2 98,3 0,7 Вугілля С - 79,0; А - 9,7; ППП - ост. Матеріал MgO 22,0 2,6 0,3 CaO 1,4 3,0 0,5 __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 35 прим. Зам._______ ____________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 ___________________________________________________________ 4 Фракція, мм -1,0 -0,5 -1,0