Способ кислородно-конверторной переработки ванадийсодержащих чугунов

МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ К ПАТЕНТУ восстановительного периода. Анализ состояния системы показывает, что в окислительном периоде с продувкой ванны кислородом, углерод окисляется и удаляется из системы, образуя газовую фазу, а легирующие металлы и железо окисляются и остаются в ванне, образуя жидкую фазу оксидного шлака. Состав и состояние шлака при завершении кислородной продувки ванны в температурнотепловом отношении наиболее удовлетворяют параметры протекания восстановительных процессов, реализация которых открывает новое направление кислородно-конвертерного передела легированных чугунов, в частности по новому решает задачи комплексной переработки ванадиевых чугунов в кислородном конвертере. Кислородно-конверторная переработка ванадийсодержащих чугунов будет состоять из двух периодов а) окислительного с кислородной продувкой до полного окисления углерода, причем расход охладителей и шлакообразующих ограничивают загрузкой металлолома и окалины б) восстановительного периода с наводкой на зеркало шлакового расплава углеродсодержащих восстановительных реагентов (УВР). Нагрев и перемешивание слоев осуществляют продувкой горячим факелом сжатого газа причем стехиометрическое количество наводимого на шлак УВР (т/т чугуна) определяют по концентрации легирующих металлов в чугунном расплаве,окислительных при его кислородной продувке. В результате завершения прямого восстановления все металлы из оксидов шлака переходят обратно в состав металла и формируется бесшлаковый процесс. Металлический расплав,легированный восстановленными элементами выпускают через летку и используют по назначению.(72) Тлеугабулов Сулейман МустафьевичКойшина Гулзада МынгышкызыСмирнов Леонид АндреевичТлеугабулов Борис Сулейманович(73) Объединение юридических лиц Научнопроизводственная ассоциация ТехнопаркТемиртау Тлеугабулов Сулейман МустафьевичКойшина Гулзада Мынгышкызы Тлеугабулов Борис Сулейманович(54) СПОСОБ КИСЛОРОДНОКОНВЕРТОРНОЙ ПЕРЕРАБОТКИ ВАНАДИЙСОДЕРЖАЩИХ ЧУГУНОВ(57) Изобретение относится к металлургии железа и стали (черной металлургии), последовательному протеканию восстановительно-окислительной плавки железа соответственно в доменной печи и кислородном конвертере, в частности к переработке ванадийсодержащего железорудного сырья. Способ кислородно-конверторной переработки ванадийсодержащих чугунов, состоит не только в формировании ванадиевого шлака по ходу окислительной плавки, но и в организации восстановительных процессов в слое шлакового расплава. Оценка температурно-теплового режима конверторной плавки с позиции физикохимического состояния сформированного железованадиевого шлакового расплава позволяет дополнить окислительный период организацией Изобретение относится к металлургии железа и стали (черной металлургии), последовательному протеканию восстановительно-окислительной плавки железа соответственно в доменной печи и кислородном конвертере, в частности к переработке ванадийсодержащего железорудного сырья. Производство чугуна осуществляется в доменных печах в восстановительной атмосфере при температуре в горне 1450-1500 С и в непосредственном контакте со слоем кокса. В этих условиях восстановленное железо и сопутствующие металлы неизбежно науглераживаются. Содержание углерода в чугуне достигает до 4,5. Содержащиеся в исходном железорудном сырье оксиды таких металлов как ванадий, марганец, хром и др. также восстанавливаются и входят в состав чугуна. При значительных концентрациях перечисленных металлов в исходном сырье, образуются и выпускаются природнолегированные чугуны. Переработка Качканарского ванадийсодержащего железорудного сырья в доменных печах приводит к производству ванадийсодержащего чугуна. Переработка чугуна в сталь основана на выжигании растворенного углерода до уровня его концентрации в соответствующих сталях. Наиболее распрастраненный промышленный способ основан на окислительной кислородно-конвертерной плавке. Окислительная плавка сопровождается продувкой ванны чугунного расплава техническим кислородом, при которой наряду с углеродом практически полностью окисляются все ранее восстановленные в доменной печи легирующие металлы - , , , С, . Все эти металлы обладают большим сродством с кислородом, и их окисление сопровождается экзотермическими реакциями и образованием конденсированной фазы соответствующих оксидов. Экзотермические реакции окисления углерода с образованием газовой фазы и легирующих металлов с образованием жидкой фазы оксидов сопровождаются перегревом ванны. Поэтому способ окислительной кислородноконверторной плавки включает дополнительно загрузку в конвертор охладителей и шлакообразующих материалов для регулирования температуры системы, состава и жидкоподвижности шлакового расплава. Ванадий, как легирующий металл, является наиболее ценным элементом, вносимым расплавом чугуна. Его извлечение и использование в качестве легирующего металла имеет стратегическое значение в производстве высококачественных конструкционных сталей. Поскольку при кислородно-конверторном переделе ванадийсодержащих чугунов в процессе кислородной продувки чугуна весь ванадий окисляется и переходит в шлак, его дальнейшее извлечение осуществляют из оксидного шлака. Поэтому ванадийсодержащие шлаки представляют собой ценный побочный продукт процесса. Все технологические процессы при кислородноконверторном переделе ванадиевых чугунов преследуют одну цель - наиболее глубокий перевод ванадия из чугуна в шлаки,получение 2 ванадийсодержащего шлака с возможно высоким содержанием оксида ванадия - 25. Известен способ кислородно-конверторной плавки ванадийсодержащих чугунов монопроцессом Патент РФ. 2113497, кл. С 21 С 5/06, С 21 С 5/28,С 21 С 5/36, С 21 С 5/54, включающий кислородную продувку металлической ванны, завалку в качестве охладителя и окислителя окалины и флюса с получением ванадиевого шлака. Завалка флюсов позволяет повысить извлечение ванадия из чугуна в шлак в виде пятиокиси ванадия. В процессе плавки происходит полное окисление углерода и ванадия. Шлак с установленной концентрацией оксида ванадия,которая выпускается и реализуется для извлечения ванадия. Однако известный способ имеет следующие недостатки- шлакообразующие флюсы и часть охладителя переходят в состав шлака и увеличивают его общую массу, тем самым усредненная концентрация оксида ванадия в нем уменьшается- снижается эффективность реализации и переработки ванадиевого шлака. Повышение концентрации ванадия в шлаке может быть достигнуто в период повышенной скорости окисления ванадия и ограниченном количестве первичного шлака. Учитывая это,разработан способ переработки ванадиевого чугуна дуплекс-процессом с выработкой первичного и вторичного шлаков Патент РФ 1272705, кл. С 21 С 5/28. В качестве присадки шлакообразующих материалов используют карбонаты в виде доломита,дунита и извести. Первичный шлак образуется в период ускоренного окисления ванадия и довольно высокой остаточной концентрации углерода в металле. Поэтому отдельный выпуск первичного шлака позволяет повысить концентрацию в нем оксида ванадия с соответствующим повышением эффективности его реализации и переработки. Вторичный шлак образуется и выпускается при завершении полного окисления углерода из металла,имеет гораздо низкую концентрацию оксида ванадия. Поэтому он не может быть использован как товарный продукт. Представленный аналог имеет следующие недостатки двушлаковый процесс увеличивает продолжительность процесса и тем самым снижает производительность агрегата- снижается суммарный выход ванадия при реализации и переработке ванадиевого шлака- ценность вторичного ванадиевого шлака снижается. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату является Способ переработки ванадийсодержащих чугунов Патент РФ 2385349, кл. С 21 С 5/28. Отличительной особенностью прототипа является снижение вязкости шлака, тем самым более глубокое извлечение корольков металла и повышение выхода ванадия при остаточной концентрации углерода в металлической ванне 2.0 30875 2.8 за счет присадки марганцевого агломерата в качестве шлакообразующего. Добавки в ванну расплава охладителей и шлакообразующих в виде марганцевого агломерата приводят к понижению температуры реакционной зоны до 1350-1400 С, что компенсируется экзотермическим эффектом окисления элементов, , , , . Вязкость шлака снижается и приводит к уменьшению в нем корольков металла. Ванадиевый шлак обогащается оксидом марганца МО за счет снижения , что повышает его ценность при переработке. Наряду с достигнутыми положительными результатами в сопоставимом способе имеются следующие недостатки- технология ограничена регулированием состава, свойств и качества ванадиевого шлака, не затрагивая возможности извлечения ванадия- введение в конвертор большого количества марганцевого агломерата, как шлакообразующего,увеличивает выход шлака- наряду с полезным оксидом марганца,дополнительно вводятся балластные оксиды,которые снижают долю ванадия в шлаке- снижение концентрации вюстита в шлаке за счет повышения концентрации оксидов марганца не обеспечивают существенного повышения концентрации пятиокиси ванадия- получение и выпуск ванадиевого шлака фактически заменен марганцевисто-ванадиевым шлаком. В прототипе и во всех аналогах кислородноконверторного передела ванадийсодержащего чугуна на данном этапе принято рассматривать ванадиевый шлак, как самостоятельный побочный продукт- предложенные способы ограничены только возможностями регулирования его состава и выпуска из агрегата для реализации- не рассмотрены возможности переработки расплава ванадиевого шлака непосредственно в самом конвертере для извлечения из него ванадия. Для выполнения указанных недостатков поставлена цель, которая состоит не только в формировании состава, состояния ванадиевого шлака по ходу кислородно-конвертерной плавки и выпуска его для реализации, но и в создании нового способа переработки ванадиевых чугунов окислительно-восстановительной плавкой. Новый способ обеспечивает завершение окисления растворенного углерода и легирующих металлов из чугуна в первом периоде, полное восстановление ванадия и других легирующих металлов во втором периоде, не выпуская шлак из конвертора. Поставленная цель достигается решением следующей задачи. Задача состоит в расширении кислородноконверторного передела легированных чугунов, в частности ванадийсодержащих чугунов окислительной плавкой в окислительновосстановительную плавку, которая принципиально отличается тем, что кислородно-конвертерная переработка ванадийсодержащих чугунов состоит из двух периодов а) окислительного с кислородной продувкой до полного окисления углерода, расход охладителей и шлакообразующих ограничивают загрузкой металлолома и окалины б) восстановительного периода с наводкой углеродсодержащих реагентов на зеркало шлакового расплава и продувкой горячим факелом сжатого газа для нагрева и перемешивания слоев причем количество наводимого на шлак углеродосодержащих реагентов (кг/т чугуна) определяют по формуле/0,75103(1,140,290,780,660,460,29/,где элементы в квадратных скобках - концентрация соответствующих элементов в чугуне,0,75 - отношение атомной массы углерода к атомной массе кислорода 103 - количество килограммов в тонне.- доля окисления железа из чугуна,Ср - содержание углерода в углеродсодержащем реагенте, . В результате завершения реакции все легирующие металлы из оксидов переходят обратно в металл, практически шлака не остается в конвертере, формируется бесшлаковый процесс. Легированный восстановленными элементами металлический расплав выпускают через летку и используют по назначению. Организация работы. Как видно, реализация процесса представляет глобальную технологию окислительно-восстановительной плавки. Перевод кислородно-конверторного агрегата на двухстадийный режим приводит к беспрецедентному в мировой практике безшлаковому конверторному процессу. Все полезные легирующие металлы, окисленные в первом периоде при кислородной продувке чугуна и образовании высокотемпературного шлакового расплава (1400-1500 С), без коренного изменения состояния системы могут быть с высокой скоростью восстановлены твердым углеродом и возвращены обратно в состав металла. В связи с такой постановкой задачи образующийся в окислительном периоде шлак является не побочным продуктом для реализации, а промежуточным продуктом, из которого при соответствующей обработке может быть дополнительно образован металлический расплав. Именно поэтому необходимо ограничивать завалку в конвертер шлакообразующих добавок в виде извести, доломита, марганцевых концентратов,которые увеличивают выход шлака за счет повышения концентрации оксидов - СаО, ,А 2 О 3 и уменьшают массовую долю выхода металла. В окислительном периоде завалка компонентов ограничивается охладителями - металлоломом и прокатной окалиной. Окисленное в первом периоде 3 железо оказывает разжижающее действие на шлак,легко и полностью восстанавливается во втором периоде. Таким образом, исключительно окислительная кислородно-конверторная плавка, будучи дополнена восстановительным переделом шлакового расплава и образует комплекс окислительновосстановительной плавки в кислородном конверторе. Окислительный период плавки на практике отработан и дает достоверные результаты,как в опытном, так и в расчетном вариантах. Кислородная продувка завершается полным окислением углерода в металле. При таком уровне окисления углерода, все легирующие металлы и часть железа окисляются и переходят в состав шлака. Поэтому выход шлака из единицы (1 т),чугуна, как сумма оксидов окисленных металлов,поддается достаточно точному расчету по формуле шл 10-2(1,781,29092,14-1,66,46150,29), т/т В массе образованного оксидного шлака окисленные металлы находятся в виде следующих оксидов 25, , О 2, Т 2, С 2 О 3, . Из баланса газифицируемого кислорода указанных оксидов металла можно определить расход углеродосодержащего восстановительного реагента по формуле (1). Рассчитанную по данной формуле массу углеродсодержащего восстановительного реагента загружают в конвертер на зеркало шлакового расплава. Прямое восстановление перечисленных окисленных металлов при высокой теплопередаче реализуется по эндотермическим реакциям Для компенсации затрат тепловой энергии на эндотермические реакции, поддержания нагрева и перемешивания системы, смесь шлакового расплава с углеродосодержащим реагентом продувают горячим факелом горения топлива. При высокотемпературном взаимодействии оксидного шлака с углеродсодержащим реагентом происходит полное расходование шлакообразующих оксидов и восстановительного реагента. Практически оксидный слой шлака исчезает, превращаясь в металлический расплав и газ - СО. Период восстановительной плавки завершается практически полным восстановлением оксидов металлов, т.е. бесшлаковым процессом плавки. Результатом реализации способа конвертерной окислительно-восстановительной плавки является производство легированной стали,которое практически исключает проблему раскисления и внепечной обработки сырой стали. 1. Ограничение загрузки охладителя и шлакообразующих металлоломом и прокатной окалиной преследуют цель снижения массы неметаллических оксидов в шлаке за счет увеличения восстанавливаемых металлических оксидов, в основном оксидов железа. Металлическое железо в металлоломе и окалине действует как охладитель, сохраняет баланс металлической ванны. Оксид железа в виде , как шлакообразующее, взаимодействует только с ограниченным количеством 2, полученным за счет окисления чугуна по реакциям 4(2)224 - легкоплавкий фаялит 2. Кислородная продувка металлической ванны до завершения окисления углерода обеспечивает одношлаковый процесс, формирование состава шлака исключительно из оксидов окисленных металлов без добавок балластных шлакообразующих извне. Увеличение концентрации оксида железаза счет прокатной окалины и окисления железа приводит к формированию легкоплавкого минерала - фаялита, и повышает жидкоподвижность шлака. 3. Наведение на зеркало слоя оксидного шлака стехиометрического количества углеродосодержащего восстановительного реагента обеспечивает процессы восстановления металлов из оксидных соединений шлакового расплава. После завершения периода кислородной продувки образованный шлаковый расплав при высокой температуре,имеет достаточную жидкоподвижность и состоит из суммы окисленных металлов. Температурно-тепловое состояние оксидного шлака соответствует условиям прямого восстановления и возобновлению металлического расплава с минимальным расходом тепла и восстановительного реагента. 4. В связи с эндотермическим эффектом прямого восстановления металлов для компенсации дефицита тепловой энергии сверху продувают шлаковый расплав горячим факелом продуктов горения топлива. Продувка горячего потока газа дополнительно перемешивает слой углеродосодержащих реагентов и шлакового расплава,тем самым ускоряет ход восстановительного процесса. 5. Полное восстановление металлов из оксидного шлакового расплава обеспечивает бесшлаковый процесс и образование легированного металлического расплава, который исключает процессы раскисления и внепечной обработки стали, легированный металлический расплав выпускают и используют по назначению. Пример 1. В результате кислородной продувки и экзотермических реакций окисления углерода,кремния, марганца, хрома, ванадия, титана и железа образуется избыток тепла, который в расчете на 1 т чугуна определяется по формуле экз С 10 кДж/т где С, , , , , ,- тепловые эффекты окисления соответствующих элементов, кДж/кг, , , , ,- концентрации соответствующих элементов в чугуне, которые окисляются свободным кислородом,Далее задаваясь количеством заваливаемой прокатной окалины на 1 т чугуна в количестве по 60 кг, в котором среднее содержание железа 67,8 в виде 3 О 4, определяем расход растворенного углерода из чугуна на прямое восстановление этого количества железа по реакции 344 С 34 С 0,28567,810-26011,6 кг/т чугуна,где 0,285 - стехиометрический расход углерода на восстановление 1 кг . Из суммы всего растворенного в чугуне углерода свободным кислородом окисляется следующее количество углерода 45,0-11,633,4 кг/т чугуна Пример 2. Концентрации остальных элементов в чугуне полностью окисляются свободным кислородом. Подставляя численные значения соответствующих величин в уравнение экзотермического теплового эффекта из реакции (3)(8) получим экз 33,4( 2,52,82,25,62,79,0)1050033,4(221162,550812,850552,2151875,6144642,7 28359,0)350700(552901422711121850473905425515) 350700230253580953 кДж/т чугуна,На прямое восстановление железа из окалины по реакциям 34 С 3 СО-1157 ССО-2835 В сумме -3992 кДж/кг на эндотермические реакции восстановления железа из прокатной окалины, расход тепла составит энд 10-267,8603992162394 кДж/т На нагрев и плавление железа прокатной окалины расход тепла составит по попл п 0,9415006084600 кДж/т,где спо, пл - теплоемкость прокатной окалины,кДж/кгград температура плавления, С. При окислении 45 кг углерода чугуна образуется количество газа г 22,4/124584,0 м 3/т,которое с температурой 1500 С покидает рабочее пространство конвертера. С газом уносится следующее количество тепла г сг 1,6150084,0201600 кДж/т,где ссо - теплоемкость газа 1,6 кДж/м 3 град. Суммарный расход тепла на эндотермические реакции и плавления железа из прокатной окалины и выносимого газа составит эндпог 16239484600201600448594 кДж/т чугуна. Тогда фактический избыток тепла составит экзэкз - 580953 - 448594132359 кДж/т чугуна. который расходуется на плавление железа металлолома по балансу млсплтэкз,откуда расход металлолома где ,- теплоемкость железа (кДж/кгград),коэффициент использования тепла, соответственно откуда определяем расход охладителя металлолома.мл Пример 3. При кислородной продувке до завершения окисления углерода, т.е. до остаточной концентрации углерода в металле С 0,2-0,5 происходит полное окисление элементов 0,28 0,25 С 0,22 0,56 0,27 частично железа на 0,9 . При этом образуется шлак исключительно из окисленных металлов,5 количество которого при завалке 100 т чугуна на плавку определяется по формуле (2) шл 10 (1,780,56 1,29090,282,140,251,460,221,660,271,28580,9) 10010(0,99680,36140,5350,32120,44821,1572)10038,1980100 3820 кг/плавку Пример 4. На прямое восстановление всех окисленных металлов, т.е. на превращение оксидов обратно в металлы и образование бесшлакового процесса расход углеродсодержащего восстановительного реагента по формуле (1)/0,75103(1,140,250,29090,280,460,220,780,560,660,27 0,290,9)/Ср 0,75103 (0,2850,081450,10120,436800,1780,261)/Ср 0,751,343103/С 1007/ Ср При Ср 50 /1007 кг/плавку /2014 кг/т чугуна. Пример 5. Образованный по примеру 3 шлаковый расплав находится при высокой температуре - 1550-1600 С и на восстановление из него металлических оксидов обратно в металл требуется только расход тепла на компенсацию эндотермических тепловых эффектов прямого восстановления металлов углеродом по реакциям(3)-(8), который определен в примере 2 за исключением первого члена уравнения в количестве эн.шл.230253 кДж/т чугуна. При завалке 100 т чугуна, т.е. на плавку общий расход тепла составит эн.шл. 23025300 кДж/плавку. Для компенсации этого количества тепла необходимо продувать поверхность углеродсодержащего восстановительного реагента и шлакового расплава следующим количеством высокотемпературного факела фсг (1-2)23025300,где 1, Т 2 - температура на входе и на выходе, сг теплемкость газа 2,3 кДж/м 3 град. Соответственно, 11800 С Т 21500 С. тогда ф С учетом коэффициента потерь 0,9 при расходе факела ф 1250 м 3/мин, указанное количество горячего факела необходимо продувать в течении За 30 мин продувки горячим факелом завершится полное восстановление всех металлов из слоя шлака и слой шлака исчезнет. Образуется бесшлаковый процесс. Способ кислородно-конвертерной переработки ванадийсодержащих чугунов, состоящий из двух периодов 1) окислительного и 2) восстановительного,обеспечивающий полное окисление содержащихся в чугуне углерода и легирующих металлов в первом периоде и полное восстановление окисленных металлов в оксидном шлаке наведением стехиометрического количества углеродсодержащего восстановительного реагента и продувкой горячим газовым факелом во втором периоде,имеет высокий технологический,экономический эффект,открывает новое направление бесшлакового передела природнолегированного чугуна и решает экологическую проблему, исключая накопление конвертерных шлаков на отвалах. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ Способ кислородно-конверторной переработки ванадийсодержащих чугунов, включающий завалку охладителей и шлакообразующих, в частности оборотного высокомарганцовистого агломерата и заливку природнолегированного, в частности,ванадийсодержащего чугуна в конвертер,окислительную плавку кислородной продувкой до определенного предела остаточной концентрации углерода в металлической ванне, деванадизацию чугуна, выпуск металла и ванадиисодержащего шлака,отличающийся тем,что завалку охладителей и шлакообразующих ограничивают загрузкой металлолома и окалины, вместо только окислительной плавки вводится окислительновосстановительная плавка, состоящая из двух периодов 1) в окислительном периоде кислородную продувку легированного чугуна, в частности ванадиисодержащего чугуна проводят до полного завершения окисления углерода, при которой образующийся шлак будет состоять из оксидов металлов, 2) в восстановительном периоде на слой металлооксидного шлакового расплава наводят стехиометрическое количество углеродосодержащего восстановительного реагента(УВР), нагрев и перемешивание слоев УВР и шлака регулируют продувкой горячего факела газов стехиометрический расход УВР, определяют по формуле/0,75-103(1,140,290,780,660,460,29)-Пч/Ср где, Пч - производительность по заливаемому чугуну, т который обеспечивает полное восстановление металлов из оксидного шлака и их переход в состав расплава металла легированный металлический расплав выпускают через летку.