На правах рукописи
ДУБАЧЕВ АНДРЕЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАФИНИРОВАНИЯ СПЛАВОВ ХРОМА ПРИ ПОМОЩИ ГАЗОВОЙ И ШЛАКОВОЙ ОБРАБОТКИ
Специальность 05.16.02 – “Металлургия черных, цветных и редких металлов”
Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Москва – 2012
Диссертационная работа выполнена на кафедре Металлургии Стали и Ферросплавов Национального исследовательского технологического университета “МИСиС”
(НИТУ “МИСиС”).
Научный руководитель:
ген. директор ФГУП “ЦНИИчермет им. И. П. Бардина”
профессор каф. МСиФ НИТУ “МИСиС”
доктор технических наук Косырев Константин Львович
Официальные оппоненты:
НИТУ “МИСиС”
профессор каф. ФНСиВТМ НИТУ “МИСиС”
доктор технических наук Серов Геннадий Владимирович
OOO “ЕНРС Маркетинг”
кандидат технических наук Островский Дмитрий Яковлевич
Ведущая организация: ОАО Научно-производственное объединение “Центральный научно-исследовательский институт технологии машиностроения”
(ОАО НПО “ЦНИИТМАШ”)
Защита состоится “24” мая 2012 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д.212.132.02 при Национальном исследовательском технологическом университете “МИСиС” (НИТУ “МИСиС”) по адресу: 119049, г. Москва, Ленинский проспект, д.6, ауд. 305. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Национального исследовательского технологического университета “МИСиС” (НИТУ “МИСиС”). Автореферат диссертации размещен на официальном сайте НИТУ “МИСиС”– http://www.misis.ru/. Текст автореферата и объявление о защите направлены для размещения в сети Интернет Министерством образования и науки Российской Федерации по адресу referat_vak@mon.gov.ru.
Отзывы на автореферат диссертации (в двух экземплярах, заверенных печатью учреждения) просьба направлять по адресу: 119049, г. Москва, Ленинский проспект, д. 4, Ученый Совет. Копии отзывов можно прислать на e-mail: a.dubachev@gmail.com. Справки по телефону: +7 (499) 236-8217.
Автореферат разослан “…” апреля 2012 года.
 Ученый секретарь Диссертационного совета Д.212.132.02
доктор технических наук, профессор Семин Александр Евгеньевич
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
В последние годы наблюдается увеличение спроса на стали с низким содержанием вредных примесей, особенно фосфора, который находится на предельно допустимом уровне и имеет тенденцию к росту.
Более интенсивному развитию металлургической отрасли препятствует отсутствие надежной сырьевой базы, в том числе и для ферросплавной отрасли. Разработанные и изученные железо - и хромсодержащие рудные месторождения остались на территориях других государств.
Истощение запасов отрабатываемых месторождений обострили проблемы в обеспечении качественным сырьем металлургических предприятий.
Глубокое рафинирование высоколегированных расплавов от фосфора без существенных потерь основных легирующих элементов является во многих случаях нерешенной задачей.
Одним из перспективных способом дефосфорации ферросплавов является внепечное рафинирование. Как известно исследуемые методы восстановительной дефосфорации позволяют удалять фосфор из высоколегированных расплавов без потерь легирующих элементов, однако данные способы имеют ряд существенных недостатков, которые не позволили им получить широкого применения в промышленности.
Особую актуальность данной проблеме придает непрерывный рост концентрации фосфора в товарных ферросплавах.
К тому же в настоящее время ряд потребителей товарного феррохрома предъявляют повышенные требования не только по содержанию фосфора, но и титана, а изменившаяся ситуация на рынке ферросплавов, в том числе и в России, привела к тому, что их производители стали использовать разное сырье, зачастую менее качественное, добываемое в различных регионах.
Это поставило вопрос не только в сохранении качества производимого продукта, но и нормального функционирования технологического процесса в условиях перехода от одного типа руды к другому.
Решению этих фундаментальных и практических вопросов и посвящено данное исследование, что делает его результаты актуальными в современных условиях.
Цель работы.
1. Теоретическое и экспериментальное изучение новых методов удаления фосфора из высокоуглеродистого феррохрома – шлаковыми смесями с переводом фосфора в газовую фазу.
2. Теоретическое и экспериментальное изучение возможности рафинирования феррохрома от титана за счет обработки металлического расплава хлоридами железа с переводом титана в виде летучих соединений с хлором в газовую фазу.
3. Разработка технологических приемов и обоснование условий процесса, обеспечивающих эффективное удаление фосфора и титана из феррохрома.
Научная новизна.
1. Разработан и опробован новый способ рафинирования высокоуглеродистого феррохрома от фосфора за счет одновременной шлаковой и газовой обработки при оптимально установленном уровне окисленности системы.
Предложен механизм, в соответствии с которым фосфор переходит из металла в шлак, а затем в газовую фазу в виде летучих оксидов фосфора низшей валентности.
2. Получены новые экспериментальные данные по переводу фосфора из высокоуглеродистого феррохрома в газовую фазу при помощи одновременной газовой и шлаковой обработки (зависимость степени дефосфорации феррохрома при шлаковой обработке и продувке аргоном, оксидом углерода или газовой смесью СО-СО2 от количества и состава металла и шлака, расхода газа и продолжительности обработки).
3. Показана принципиальная возможность рафинирования феррохрома от титана за счет обработки металлического расплава хлоридами железа. Представлено математическое описание процесса удаления титана из металлического расплава за счет его перевода в виде летучих соединений с хлором в газовую фазу. Определены количественные зависимости степени удаления титана от основных параметров плавки (продолжительности обработки, расход аргона и др.).
Практическая значимость.
Работа выполнена в рамках Аналитической Ведомственной Целевой Программы “Развитие научного потенциала высшей школы (2009÷2010 гг.)” (проект № 2.1.2/6832). В диссертации решены следующие практические задачи:
1. Предложены технологические решения важной научно-технической проблемы по рафинированию феррохрома от вредных примесей (фосфора, титана и др.) в результате их перевода через шлак в газовую фазу.
2. Полученные в работе результаты могут быть положены в основе новых печных процессов рафинирования ферросплавов хрома.
Апробация работы:
Основные положения и результаты работы докладывались на следующих конференциях:
VII конгресс сталеплавильщиков, г. Магнитогорск, Россия, 2002 г.
Международная конференция “Проблемы и перспективы развития ферросплавного производства”, г. Актобе, Казахстан, 2003 г.
VII Международная конференция “Molten Slag, Fluxes and Salts”, г. Кейптаун, Южная Африка, 2004 г.
Публикации.
По теме диссертационной работы опубликовано 6 печатных работ, в том числе 1 работа в изданиях рекомендованных ВАК РФ.
Объем и структура работы.
Диссертация состоит из введения, семи глав, основных выводов по работе, списка использованных источников из 147 наименований. Работа изложена на 169 страницах, содержит 49 рисунков, 24 таблицы и 7 приложений.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, ее научная новизна и практическая значимость, определены цели и задачи исследования.
В первой главе представлен обзор мирового рынка хромового сырья и феррохрома: запасы и объемы добычи хромовых руд; описание разрабатываемых месторождений, способов добычи и видов производимой продукции на основных добывающих предприятиях; динамика и тенденции развития мирового рынка хромовых руд и феррохрома. Рассмотрено влияние примеси (фосфора) на служебные характеристики стали и проведен литературный анализ существующих способов получения феррохрома с низким содержанием примеси.
Во второй главе рассмотрены вопросы удаления вредных примесей из хромсодержащих расплавов. Особое внимание уделено удалению серы, фосфора, кремния и титана.
Как уже отмечалось, в настоящее время предъявляются все более жесткие требования к качеству ферросплавов. Традиционным способом получения феррохрома с низким содержанием вредных примесей является использование чистых руд, флюсов и других компонентов, входящих в состав шихты. Истощение запасов такого сырья делает этот способ все более трудно реализуемым. Одновременно снижение содержания основного компонента и повышение доли пустой породы в руде делает необходимым снижение концентраций таких примесей как фосфора в готовом ферросплаве. Обработка расплава углеродистого феррохрома карбидом кальция не приводит к снижению концентрации фосфора.
В настоящее время отсутствуют промышленно освоенные технологии для удаления этих примесей из ферросплавов.
Создание надежного промышленного метода дефосфорации позволит значительно уменьшить стоимость производства феррохрома за счет использования более дешевого сырья.
В этой связи в данном разделе представлены дополнительные исследования по этому вопросу.
Предварительные термодинамические расчеты проводили с использованием программы “Оракул”1, позволяющей оценить равновесные составы металла и шлака.
Основная задача исследования - это разработка способов снижения содержания титана и кремния, а также, по возможности, серы и фосфора в металле при производстве высокоуглеродистого феррохрома с помощью обработки смесями шлаков на основе системы  -  -  , имитирующих отвальные шлаки производства хромовых ферросплавов.
Для расчета использовали следующие исходные материалы: высокоуглеродистый феррохром, массой 180 г., химический состав представлен в таблице 1, шлак системы (30 %) - (30 %) - (40 %) – в количестве 12,6 г. (7 % от массы металла), а также хромовая руда (таблица 2 ) и железорудная руда в виде окатышей (таблица 3).
Был рассчитан 21 вариант равновесных составов металла со шлаком системы - - с присадками от 10 до 30 % хромой руды или железной руды в смеси.
Таблица 1 - Химический состав углеродистого феррохрома “Elkem Rana”, (%)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Сумма
|
0,95
|
0,17
|
0,016
|
0,055
|
7,6
|
58,08
|
0,32
|
0,085
|
0,15
|
34,2
|
101,626
|
0,93
|
0,17
|
0,016
|
0,054
|
7,48
|
57,15
|
0,31
|
0,084
|
0,15
|
33,65
|
100
|
Таблица 2 - Химический состав хромовой руды, (%)
|
|
|
|
|
|
|
|
Сумма
|
43,10
|
17,24
|
8,40
|
16,00
|
10,70
|
1,14
|
0,27
|
0,02
|
96,87
|
44,49
|
17,80
|
8,66
|
16,52
|
11,05
|
1,18
|
0,28
|
0,02
|
100
|
Таблица 3 - Химический состав железной руды, (%)
|
|
|
|
|
|
|
|
Сумма
|
97,680
|
1,040
|
1,070
|
0,040
|
0,050
|
0,065
|
0,050
|
0,005
|
100
|
Предварительные результаты расчетов показали возможность удаления кремния из сплава за счет его обработки шлаковыми смесями, при этом концентрация кремния в расплаве снижалась с 0,93 до 0,82 % при добавке к шлаку всего 10 % хромовой руды и до 0,6 % при добавке 30 % (см. рисунок 1 (а))
|
|
а) Концентрация в сплаве, %
|
б) Концентрация в сплаве, %
|
|
|
в) Концентрация в сплаве, %
|
г) Концентрация в сплаве, %
|
Рисунок 1 - Расчетная концентрация примеси в феррохроме, отвечающая равновесию
металл-шлак по программе “Оракул”, %.
|
Цифрами на рисунке 1 обозначено:
1. – присадка в шлак хромовой руды; 2. – присадка в шлак железной руды.
|
Концентрация серы в расплаве снижается существенным образом с незначительными добавками рудных материалов. Присадки рудных материалов в шлак приводят к увеличению окисленности шлака и, как следствие, к ухудшению условий десульфурации.
При этом, как показано на рисунке 1 (в) в результате такой обработки конечное содержание серы в металле увеличивается с увеличением добавок руды.
Концентрация фосфора снижалась незначительно и оставалась на уровне 0,01600,0163 % (см. рисунок 1 (б)), а концентрация титана оставалась практически постоянной (см. рисунок 1 (г)).
Таким образом, по результатам предварительных термодинамических расчетов, обработка металла смесями шлака не приводит к удалению фосфора и титана, но может быть использована как для удаления серы, так и кремния. |
