EA011206B1 - Способ переработки пылевых отходов металло- и ферропроизводства - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам переработки пылевых отходов металло- и ферропроизводства и может быть использовано для выплавки ферросплавов, а также различных металлических сплавов. Изобретение представляет собой способ переработки пылевых отходов металло- и ферропроизводства, включающий наведение в печи шлаковой ванны путем переплавки в электродуговом режиме первого состава шихтовых материалов, при этом после наведения шлаковой ванны в печь подают второй состав шихтовых материалов следующего фракционного состава: пылевая фракция размером от 0,001 до 3 мм - до 80%; кусковая фракция размером от 3 до 50 мм - остальное. Таким образом, заявляемое изобретение, представляющее собой способ переработки пылевых отходов металло- и ферропроизводства, благодаря особенностям организации технологического процесса делает возможным использование пылевой фракции шихтовых материалов, что в свою очередь позволяет рационально и полностью использовать исходное сырье, повысить производительность металлургического процесса, а также позволяет обеспечить экономию электроэнергии и повышение экономической целесообразности реализации способа.

Description

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам переработки пылевых отходов металло- и ферропроизводства, и может быть использовано для выплавки ферросплавов, а также различных металлических сплавов.

Получение ферросплавов, а также различных металлических сплавов с использованием отходов металло- и ферропроизводства с применением как дуговых, так и электрошлаковых технологий широко известно и успешно применяется. В известных способах производства указанных сплавов применяется, в основном, только кусковая фракция шлака и отходов металло- и ферропроизводства. Пылевые отходы металло- и ферропроизводства и пылевая фракция шлаков могут использоваться в известных способах только после предварительного брикетирования с применением связующих материалов, таких как цемент, каменноугольный пек и другие, что, в свою очередь, затрудняет и нарушает ход печи. В известных способах осуществляется жесткая регламентация размеров кусков шихтовых материалов, поскольку при осуществлении известных технологических процессов мелкофракционные материалы нарушают проницаемость шихты и затрудняют выход газов, что приводит к затруднению осуществления технологического процесса в целом. Кроме того, в литературе широко отмечено, что пылевая составляющая отходов металло- и ферропроизводства или шлаков выносится восходящими газовыми потоками из печи открытого типа, поэтому возможность их использования затруднена. Следует отметить, что пылевая фракция размером от 0,001 до 3 мм в объеме шлаков и отходов металлопроизводства, например производства ферросилиция, составляет от 25 до 35%, а после выборки из общей массы кусковых материалов и того больше. Кроме того, в течение небольшого времени нахождения на отвалах под действием разности температур окружающей среды и влаги, в результате подверженности разложению некоторых марок ферросилиция и их шлаков, доля пылевой составляющей превосходит 40% от общего объема, причем количество корольков и пыли ферросилиция в пылевых отходах производства доходит до 45-48% от общей их массы, а такое сырье уже можно применять для промышленного производства. На практике же, такой большой объем пригодного для промышленного применения сырья никак не используется, что приводит к нерациональному расходу исходного сырья. Кроме того, хранение не подлежащих переработке пылевых отходов металло- и ферропроизводства, зачастую осуществляющееся с нарушениями условий хранения, может приводить к значительному усложнению экологической обстановки. Таким образом, становится актуальной проблема разработки способа переработки пылевых отходов металло- и ферропроизводства.

Известны шихтовые материалы, включающие компоненты с размером фракции 3 мм и более, а также способы осуществления различных металлургических процессов с применением такой шихты. Однако все указанные процессы не предназначены для переработки пылевых отходов металло- и ферропроизводства.

Известен способ переработки отходов металло- и ферропроизводства, описанный в патенте Украины № 66958, включающий наведение в печи шлаковой ванны путем переплавки шихтовых материалов. Указанный способ направлен на получение ферросилиция. Шихтовые материалы включают отходы производства ферросилиция, углеродосодержащий материал, а также известь или известняк. Плавление шихтовых материалов осуществляют в бездуговом, электрошлаковом режиме постоянным током, причем подачу шихтовых материалов в печь осуществляют порциями. Процесс начинают наведением шлаковой ванны путем полного расплавления порций шихтовых материалов. Размер фракции отходов производства ферросилиция находится в пределах от 3 до 20 мм.

Основными недостатками описанного способа является то, что он не пригоден для использования пылевой фракции шихтовых материалов с размером менее 3 мм, что, в свою очередь, обуславливает нерациональное использование исходного сырья. Для использования пылевой фракции при реализации данного способа необходимо производить предварительное брикетирование пылевой фракции с применением связующих материалов, что, в свою очередь, ухудшает ход печи и значительно усложняет технологический процесс в целом.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является способ переработки пылевых отходов металло- и ферропроизводства, описанный в патенте Украины № 53306, включающий наведение в печи шлаковой ванны путем переплавки в электродуговом режиме первого состава шихтовых материалов. Состав шихтовых материалов следующий: шлак ферросилиция, углеродосодержащий материал, гашеная известь, раскислитель шлака и отходы древесины. При этом шлак ферросилиция имеет фракцию размером от 3 мм, что относится к пылевой фракции, и до 10 см, что относится к кусковой фракции. При осуществлении способа шихтовые материалы подаются одномоментно, то есть загружается вся масса указанных материалов сразу.

Недостатками описанного способа является то, что при его реализации не используется пылевая фракция шихтовых материалов с размером менее 3 мм, что, в свою очередь, обуславливает нерациональное использование исходного сырья. Кроме того, при одномоментной подаче всей массы шихтовых материалов осуществить полное расплавление указанных материалов крайне проблематично, поскольку указанный состав шихтовых материалов в твердом состоянии неэлектропроводен. Процесс протекает только при наличии стабильного дугового контакта между рабочим и подовым электродами, то есть плавка происходит, практически, полностью в дуговом режиме, при котором имеют место значительные

- 1 011206 потери кремнийсодержащих соединений и углеродосодержащих материалов восстановителя при значительных температурах электрической дуги и, следовательно, большом расходе тепловой и электрической энергии, что приводит к экономической нецелесообразности реализации способа.

В основу изобретения поставлена задача создания способа переработки пылевых отходов металлои ферропроизводства, в котором благодаря особенностям организации технологического процесса будет возможным использование пылевой фракции шихтовых материалов, что, в свою очередь, позволит рационально и полностью использовать исходное сырье, повысить производительность металлургического процесса, а также обеспечить экономию электроэнергии и повышение экономической целесообразности реализации способа.

Поставленная задача решается тем, что способ переработки пылевых отходов металло- и ферропроизводства включает наведение в печи шлаковой ванны путем переплавки в электродуговом режиме первого состава шихтовых материалов, при этом после наведения шлаковой ванны в печь подают второй состав шихтовых материалов следующего фракционного состава:

пылевая фракция размером от 0,001 до 3 мм - до 80%; кусковая фракция размером от 3 до 50 мм - остальное.

В зависимости от необходимого конечного продукта первый состав шихтовых материалов может включать различные компоненты. Предпочтительно первый состав шихтовых материалов включает кусковую фракцию отходов металло- или ферропроизводства размером от 3 до 50 мм, известняк флюсовый, стальную стружку, или скрап, или другие металлоотходы. Введение флюсового известняка осуществляется для образования шлака и регулирования его состава. Также введение известняка позволяет обеспечить десульфацию, то есть удаление серы из расплава. При этом сера прочно связывается в сульфид кальция Са8 и переходит в шлак, что позволяет обеспечить повышение качественных характеристик конечного продукта за счет эффективной очистки расплава от вредных примесей и неметаллических включений. Введение стальной стружки, или скрапа, или других металлоотходов осуществляется для увеличения электропроводности шихтовых материалов, что позволяет значительно ускорить процесс наведения шлаковой ванны, следовательно, снизить энергоемкость металлургического процесса, в целом, и повысить его экономическую целесообразность. Кроме того, введение стальной стружки, скрапа или других металлоотходов позволяет обеспечить стабильное горение электрической дуги при электродуговом режиме плавки первого состава шихтовых материалов, что также обуславливает большую скорость наведения шлаковой ванны. При наведении шлаковой ванны используется электродуговой режим плавки, при этом обеспечивается возможность достижения высокой температуры в зоне дуг и, следовательно, возможность быстрого расплава и получения жидкоподвижного металлизированного зеркала шлаковой ванны по всей площади печи, что также обеспечивается подбором компонентов первого состава шихтовых материалов.

Второй состав шихтовых материалов предпочтительно включает пылевую и кусковую фракции отходов металло- и ферропроизводства. Фракционный состав второго состава шихтовых материалов обусловлен возможностями осуществления металлургического процесса. При введении более 80% пылевой фракции размером от 0,001 до 3 мм, соответственно, уменьшается доля вводимой кусковой фракции размером от 3 до 50 мм, что, в свою очередь, приводит к тому, что при выходе газов, скапливающихся в зоне проплава, при достижении ими критического давления пылевая фракция частично выносится восходящими газовыми потоками, при этом количества оставшейся пылевой фракции второго состава шихтовых материалов недостаточно для получения расплава необходимого количества и состава. Использование кусковой фракции размером более 50 мм является нецелесообразным, поскольку приводит к увеличению времени расплавления второго состава шихтовых материалов, что, в свою очередь, приводит к повышению энергоемкости технологического процесса, а, следовательно, к снижению экономической целесообразности осуществления способа.

Второй состав шихтовых материалов подают в количестве большем, чем количество первого состава шихтовых материалов, предпочтительно в соотношении 9:1. Такое соотношение обусловлено тем, что основное сырье для получения ферросплава или получаемого металлического сплава входит во второй состав шихтовых материалов, поэтому для получения конечного продукта в необходимом количестве и необходимого качества предпочтительно соблюдать указанное соотношение первого и второго составов шихтовых материалов.

Целесообразно осуществлять подачу пылевой и кусковой фракций второго состава шихтовых материалов слоями раздельно. Как уже было сказано выше, постепенно в зоне проплава скапливаются образующиеся в ходе процесса плавки газы, которые удерживаются внизу полурасплавленным слоем и весом остальных холодных находящихся сверху шихтовых материалов. При достижении газами в закрытой герметично зоне плавления критического давления поток газа прорывается вверх, в основном, по электроду, в виде так называемого свища. Для снижения критического давления газов в зоне плавления и, следовательно, для облегчения выхода газов осуществляется подача различных фракций второго состава шихтовых материалов слоями и раздельно. Такая реализация способа позволяет обеспечить возможность применения пылевых отходов металло- и ферропроизводства, поскольку пылевая фракция второго состава шихтовых материалов вместе с кусковой фракцией обваливается в пустоты, которые образуются

- 2 011206 при выходе потоков газа, при этом свищи принудительно закрываются плавильщиком, и, таким образом, осуществляется полный расплав как кусковой фракции, так и пылевой фракции второго состава шихтовых материалов с минимальным выносом пыли с газом.

Предпочтительной является подача второго состава шихтовых материалов в печь несколькими порциями. Подача в печь после наведения шлаковой ванны всей массы второго состава шихтовых материалов одновременно не позволяет осуществить расплавление шихтовых материалов, поскольку шихтовые материалы нагреваются, но не расплавляются, а верхние слои шихтовых материалов остаются холодными. Таким образом, в данном случае необходимы значительные затраты электроэнергии и значительное увеличение длительности процесса плавки, что является экономически нецелесообразным. Подача второго состава шихтовых материалов порциями, а не одномоментно, позволяет оптимизировать процессы плавки и рафинирования, а также снижает возникающее критическое давление образующихся газов.

Целесообразной является подача известняка в количестве до 1% от массы второго состава шихтовых материалов перед подачей в печь кусковой фракции второго состава шихтовых материалов. Введение известняка в указанном количестве, в общем, направлено на снижение температуры плавления шихтовых материалов, а также на увеличение жидкоподвижности образующегося шлака.

Целесообразной является подача в печь на поверхность расплава после переплавки каждой порции второго состава шихтовых материалов известняка в количестве 2-3% от массы расплава. Добавление известняка позволяет повысить степень активности шлака. Таким образом, введение известняка облегчает дальнейшее проведение процесса плавки. Кроме того, введение известняка повышает окислительную способность шлака, что, в свою очередь, обеспечивает возможность осуществления процессов десульфации получаемого сплава.

Целесообразным также является подача в печь на поверхность расплава после переплавки каждой порции второго состава шихтовых материалов металлической стружки в количестве 0,2-0,3% от массы расплава. Такая реализация способа позволяет значительно ускорить протекание металлургического процесса, поскольку металлическая стружка имеет малое электрическое сопротивление, что обеспечивает возможность осуществления электродугового режима плавки, а, следовательно, обеспечивает возможность полного расплава подаваемой порции второго состава шихтовых материалов.

Целесообразным является чередование электродугового и электрошлакового режима плавки в процессе плавки второго состава шихтовых материалов. Осуществление электродугового режима плавки позволяет преобразовывать электрическую энергию в тепловую, которая используется для нагревания и плавки подаваемых материалов. Тепло выделяется при прохождении электрического тока сквозь газовый слой и шихтовые материалы, которые имеют высокое электрическое сопротивление. Процесс характеризуется возможностью достижения высоких температур в области горения электрических дуг, что способствует быстрому наведению шлаковой ванны, а также быстрому расплавлению подаваемых материалов. Электродуговой режим плавки используется кратковременно, поскольку длительная работа в электродуговом режиме предусматривает сосредоточение тепла в локальной области, что приводит к местному перегреву расплава в зоне дуги, а это, в свою очередь, значительно препятствует возможности поддержания однородной температуры шлаковой ванны по всему объему. Неоднородность температуры шлаковой ванны может привести к различию условий для протекания разных реакций в шлаковой ванне, что, в свою очередь, может негативно повлиять на качество конечного продукта. Кроме того, длительное воздействие электрической дуги приводит также к быстрому износу эксплуатируемого металлургического оборудования. Исходя из вышесказанного, осуществляют чередование электродугового режима плавки и электрошлакового режима плавки, то есть материалы, подаваемые в печь на поверхность расплава после переплавки очередной порции второго состава шихтовых материалов, переплавляются в электродуговом режиме, а каждая порция второго состава шихтовых материалов переплавляется в электрошлаковом режиме. Плавление в электрошлаковом режиме исключает возможность локального введения тепла и позволяет рассредоточить его выделение по всему объему расплава. Также создаются одинаковые условия для протекания различных реакций и проведения рафинирования во всем объеме расплава, что, в свою очередь, обуславливает достижение высокого качества конечного продукта.

Предпочтительным является увеличение температуры плавки перед проведением последнего этапа плавки и введение на этом этапе рафинирующего и модифицирующего компонентов. Увеличение температуры плавки происходит за счет целенаправленного поддержания критически максимального уровня тока для разогрева расплава перед сливом. В качестве рафинирующего и модифицирующего компонентов используют известняк в количестве 0,7-1% от массы расплава и барийсодержащий модификатор в количестве 0,3-0,5% от массы расплава. Введение известняка способствует рафинированию расплава, то есть очистке его от ненужных или вредных примесей. Введение барийсодержащего модификатора, который уже в малых количествах способствуют кристаллизации структурных составляющих, улучшает механические свойства конечного продукта.

Предпочтительным является осуществление плавки в открытой малообъемной печи электрошлакового переплава с графитизированным тиглем, то есть полностью токопроводящим.

Способ переработки пылевых отходов металло- и ферропроизводства реализуется следующим образом.

Для реализации способа применяется открытая малообъемная печь электрошлакового переплава с

- 3 011206 диаметром графитизированного тигля б_внутр., равным 550 мм, и глубиной 11. равной 840 мм, в который опущен графитизированный электрод диаметром ά, равным 150 мм.

В печь загружают первый состав шихтовых материалов и наводят в печи шлаковую ванну путем переплавки в электродуговом режиме первого состава шихтовых материалов. После наведения шлаковой ванны на зеркало расплава подают второй состав шихтовых материалов следующего фракционного состава: пылевая фракция размером от 0,001 до 3 мм - 80%; кусковая фракция размером от 3 до 50 мм остальное. Расплав второго состава шихтовых материалов идет в зоне нахождения нижнего конца электрода печи на условной границе шлаковой ванны и пылевой фракции, которая уже достаточно разогрета теплом шлаковой ванны и подпитывается поступающими токами, проходящими по проплавляемому в данный момент слою. Остальная шихта сверху проплавляемого слоя прогревается, но не плавится, при этом ее электрическое сопротивление гораздо больше сопротивления проплавляемого слоя. Постепенно в течение определенного времени (от 10 до 25 мин) в зоне проплава скапливаются образующиеся в процессе плавки газы, которые удерживаются снизу кольцевого столба шихтовых материалов полурасплавленным (пластилинообразным) слоем и весом остальной, холодной, находящейся вверху шихты. По достижении газами в закрытой герметично зоне плавления критического давления поток прорывается вверх, в основном, по электроду, в виде свища. Для снижения критического давления газа второй состав шихтовых материалов подают раздельно слоями. Первичная засыпка второго состава шихтовых материалов осуществляется в три слоя, причем верхний слой кусковой. Последующие две засыпки осуществляются в два слоя, верхний слой также является кусковым. Под кусковой слой второго состава шихтовых материалов подают известняк в количестве до 5 кг.

При выходе газа образующиеся пустоты заполняются шихтовыми материалами, а свищи закрываются принудительно. Процесс плавления каждой порции второго состава осуществляется в электрошлаковом режиме плавки.

Далее на зеркало расплава подают известняк и металлическую стружку, плавку которых осуществляют в электродуговом режиме плавки. Далее подают вторую порцию второго состава шихтовых материалов, которые переплавляются в электрошлаковом режиме плавки. Процесс повторяют таким образом еще дважды до наполнения расплавом тигля печи на 9/10 его объема. После чего в расплав вводят 1 кг барийсодержащего модификатора и 3-5 кг известняка, таким образом осуществляют разжижение шлака. Средняя продолжительность процесса плавления - 65-80 мин.

Таким образом, заявляемое изобретение, представляющее собой способ переработки пылевых отходов металло- и ферропроизводства, благодаря особенностям организации технологического процесса делает возможным использование пылевой фракции шихтовых материалов, что, в свою очередь, позволяет рационально использовать исходное сырье, повысить производительность металлургического процесса, а также позволяет обеспечить экономию электроэнергии и повышение экономической целесообразности реализации способа.

Claims (11)

1. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

   1. Способ переработки пылевых отходов металло- и ферропроизводства, включающий наведение в печи шлаковой ванны путем переплавки в электродуговом режиме первого состава шихтовых материалов, отличающийся тем, что после наведения шлаковой ванны в печь подают второй состав шихтовых материалов, следующего фракционного состава:

   пылевая фракция размером от 0,001 до 3 мм - до 80%;

   кусковая фракция размером от 3 до 50 мм - остальное.
2. 2. Способ по п.1, отличающийся тем, что второй состав шихтовых материалов подают в количестве большем, чем количество первого состава шихтовых материалов, предпочтительно в соотношении 9:1.
3. 3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что пылевую фракцию и кусковую фракцию второго состава шихтовых материалов подают слоями раздельно.
4. 4. Способ по п.3, отличающийся тем, что второй состав шихтовых материалов подают в печь несколькими порциями.
5. 5. Способ по п.3, отличающийся тем, что перед подачей кусковой фракции второго состава шихтовых материалов в печь подают известняк в количестве до 1% от массы второго состава шихтовых материалов.
6. 6. Способ по п.3, отличающийся тем, что после переплавки каждой порции второго состава шихтовых материалов в печь на поверхность расплава подают известняк в количестве 2-3% от массы расплава.
7. 7. Способ по п.3, отличающийся тем, что после переплавки каждой порции второго состава шихтовых материалов в печь на поверхность расплава подают металлическую стружку в количестве 0,2-0,3% от массы расплава.
8. 8. Способ по одному из пп.1-7, отличающийся тем, что в процессе плавки второго состава шихтовых материалов чередуют электродуговой и электрошлаковый режим плавки.
9. 9. Способ по одному из пп.1-8, отличающийся тем, что перед окончанием плавки увеличивают температуру плавки и вводят рафинирующий и модифицирующий компоненты.

   - 4 011206
10. 10. Способ по одному из пп.1-9, отличающийся тем, что в качестве рафинирующего и модифицирующего компонентов используют известняк в количестве 0,7-1% от массы расплава и барийсодержащий модификатор в количестве 0,3-0,5% от массы расплава.
11. 11. Способ по одному из пп.1-10, отличающийся тем, что плавку осуществляют в открытой малообъемной печи электрошлакового переплава с графитизированным тиглем.