Methods and installations for utilization of fine screenings of ferroalloys

Full Text

Введение

Производство ферросплавов исчисляется в мире сотнями тысяч тонн ежегодно. Мировыми лидерами по производимому объему являются феррохром, ферромарганец, ферросилиций и силикомарганец. Ферросплавы получают в восстановительных печах. Закристаллизовавшийся слиток ферросплавов необходимо подготовить к дальнейшей продаже на рынке. Слитки ферросплава проходят дробление и грохочение с целью формирования кусковой фракции размером от 10 до 250 мм. Такой размер фракции определен технологическим процессом получения сталей.

Фракция ферросплавов размером менее 10 мм составляет отсев. Основная часть отсева – пылевидная. Так, для ферросилиция марки 75 размер менее 1 мм составляет 45 % от общего объема отсевов [1]. Для ферромарганца и ферросиликомарганца эти показатели еще выше. Процентное соотношение от общего объема отсева этих ферросплавов можно увидеть на рис. 1 [2].

 

Рис. 1. Размер частиц и процентное соотношение отсева фракцией менее 1 мм [2]

 

Отсев ферросплавов является по сути уже готовым продуктом, технологическая ценность которого немногим меньше ценности товарного ферросплава. Наиболее простым способом его переработки была бы организация его переплава в руднотермической печи, в которой он был получен, но добавление фракции отсева в рудовосстановительную печь для его переплава в процессе реализации традиционной технологии производства ферросплава приводит к негативным последствиям работы печи, нарушается технологический процесс и электрический режим ее работы. Связано это с тем, что отсев имеет более низкое электросопротивление по сравнению с кусковой рудой, что приводит к изменению электрических параметров ванны, снижению газопроницаемости колошника, повышению содержания CO в объеме колошника, возможности образования свищей. Свищ – это высокотемпературный поток газа, вырывающегося под большим давлением из-под запекшегося верхнего слоя шихты. Свищи приводят к повреждению таких элементов конструкции печи, как кольцо гидроприжима, контактные щеки, водоохлаждаемые экраны и другие конструктивные элементы печи, находящиеся в непосредственной близости от колошника. При этом потери отсева на угар и улет составляют около 30–35 % от общего объема металла. Анализ распределения отсева между продуктами расплава показал, что мелкие и пылевые фракции практически полностью теряются со шламом в газоочистке и с отвальным шлаком. Кроме этого, как показали эксперименты на печах РПЗ-63 и РКГ-75, переплав отсева в печах такого типа оказался нецелесообразным по технико-экономическим параметрам [3].

Ежемесячное получение ферросплавов в России составляет 10–12 тыс. тонн, потери металла в отсев достигают 3–4 тыс. тонн, что приводит к постоянному накоплению отсева на полигонах, ухудшению состояния окружающей среды. При этом отсев ферросплавов является хорошим полуфабрикатом для получения товарного ферросплава. В связи с этим разрабатываются методы и установки для его переплава. Рассмотрим их особенности и характеристики.

Плазменные печи

Плазменные установки, как и руднотермические печи, используются для получения ферросплавов [4]. В отличие от руднотермических печей, в случае плазменной установки размер фракции не влияет на ее работу, что позволяет проводить переплав отсева ферросплавов без нарушения технологического режима получения ферросплава.

На рис. 2 показана установка с плазменной дугой, горящей непосредственно на переплавляемый материал. Данная печь предназначена для производства ферромарганца и переплава его отсева.

 

Рис. 2. Плазменная установка для получения ферромарганца и переплава его отсевов системы Voest-Alpine [5, 6]

 

На рис. 3 показана плазменная установка с так называемым перемещаемым факелом, разработанная компанией Tetronics Research and Development для переплава отсевов ферромарганца [7].

 

Рис. 3. Плазменная установка с перемещаемым факелом для переплава отсева феррохрома [7]

 

Загрузка печи производится через труботечки, установленные в своде печи. Особенностью данной печи является вращающийся водоохлаждаемый катод, расположенный в верхней части свода. Скорость вращения катода вокруг вертикальной оси печи влияет на протекание технологического процесса плавки. В печи, изображенной на рис. 3, были проведены контрольные плавки отсева высокоуглеродистого ферромарганца [7]. Мощность печи составила 3 МВА. Удалось достичь скорости подачи сырья в труботечки 1000 кг/ч при вводимой в печь активной мощности, равной 696 кВт на тонну отсева. Напряжение дуги составляло 300 вольт, ток дуги 2100 ампер, температура в печи 1500 ºС.

Плазменно-дуговые установки показали возможность переплава в них отсева различных ферросплавов. Однако из-за отсутствия таких печей большой мощности и емкости, а следовательно, и производительности, а также довольно короткого срока жизни электродов данные печи не нашли большого применения в промышленной технологии переплава ферросплавного отсева.

Индукционные печи

Другими установками, позволяющими производить переплав отсева ферросплавов, являются индукционные тигельные печи (ИТП). Нагрев загрузки в индукционной печи происходит в электромагнитном поле за счет теплового действия вихревых токов, протекающих по нагреваемому материалу. Плавка в индукционных печах становится все более распространенным процессом в литейном производстве и производстве полуфабрикатов с учетом их технического и экономического потенциала. Основные преимущества индукционного метода плавки заключаются в прямом подводе тепла к шихтовым материалам, а также возможности управления интенсивностью перемешивания расплава. Эти свойства обеспечивают необходимую температуру расплава с минимально возможным температурным перепадом по его объему, возможность управления технологическим процессом, низкие потери за счет угара переплавляемого металла, снижение загрязнения окружающей среды, а также высокую стабильность и точность технологического процесса. Сформированная после дробления нетоварная фракция ферросплава может быть переплавлена в индукционной тигельной печи, работающей только с остаточной несливаемой емкостью расплавленного металла, называемого «болотом». Это обеспечивает минимально возможный угар мелкодисперсного отсева. Кроме этого, отсев ферросилиция, например, имеет в своем составе до 15 % вкраплений неметаллических компонентов, таких как SiO₂ и Al2O₃ (до 15 % объема отсева). Это приводит к образованию большого объема шлака на поверхности расплава. С увеличением объема шлака он закрывает собой ванну, а подаваемая в печь шихта будет охлаждать шлак, увеличивая его вязкость и затрудняя процесс плавки. Образование очень вязкого шлака приводит к частым перерывам в работе индукционной печи для удаления его с поверхности ванны.

В [8] описана ИТП, работающая на частоте от 60 до 1000 Гц и имеющая геометрию, способствующую оптимальному перемешиванию ванны расплава. Разработанная технология предусматривала добавление шлакообразующих веществ вместе с шихтовым материалом для снижения температуры плавления шлака и его вязкости при рабочей температуре расплава ферросплава. Благодаря этим мерам оказалось возможным начиная с уровня «болота» в 50 % запустить непрерывный процесс плавки без какого-либо промежуточного удаления шлака до тех пор, пока печь не будет загружена до номинальной емкости.

В [9] выполнены экспериментальные исследования для оценки возможности переплава отсева ферросплавов в индукционной тигельной печи без остаточной емкости – «болота». В ходе экспериментальных плавок различных ферросплавов были определены индуктивность системы «индуктор – загрузка» L и коэффициент добротности Q в зависимости от рабочей частоты тока индуктора (табл. 1). Добротность системы «индуктор – загрузка» определялась как отношение активной мощности, потребляемой индуктором при наличии загрузки, к активной мощности, потребляемой индуктором без загрузки.

 

Таблица 1. Характеристики системы «индуктор – загрузка» без загрузки [9]

Частота, Гц	Характеристики индуктора
	L (нГн)	Q (добротность)
1 000	12,8	0,9
5 000	12,51	4,3
10 000	12,48	8,3
20 000	12,44	15,5
30 000	12,42	22

 

Эксперименты показали, что при наличии в составе шихты большого количества частиц фракцией менее 3 мм снижается добротность Q, что влечет за собой уменьшение энергии, выделяемой в расплаве. Добавление в шихту кусков ферросплава размером 25 мм улучшают показатели выделения энергии в объеме шихты. При плавлении только мелкодисперсного отсева получалась добротность, которая была почти идентична добротности индуктора без загрузки, что указывает на отсутствие выделения мощности в шихте. На основе выполненных исследований была обоснована рабочая частота. Результаты экспериментов приведены в табл. 2.

 

Таблица 2. Характеристики системы «индуктор – загрузка» при различной загрузке

Частота	Характеристики при различной загрузке
	Пыль 0–105 мм		Пыль 0–2 мм		Пыль 0–3 мм		Пыль 0–3 мм с добавками кусков 25 мм
Гц	L (нГн)	Q	L (нГн)	Q	L (нГн)	Q	L (нГн)	Q
1 000	13,09	0,9	12,78	0,9	12,76	0,9	13,7	0,9
5 000	12,79	4,3	12,82	4,4	12,52	4,4	12,9	4
10 000	12,76	8,4	12,49	8,5	12,49	8,4	12,7	7,1
20 000	12,72	15,7	12,45	15,8	12,45	15,6	12,5	11,94
30 000	12,7	22,2	12,43	22,3	12,42	21,6	12,4	15,73

 

Время плавления зависит от мощности, вводимой в печь. Масса загрузки варьировалась от 104 до 114 кг. На рис. 4 представлен график зависимости логарифма энергии от времени, необходимого для расплавления одной тонны отсевов.

 

Рис. 4. Зависимость логарифма энергии, необходимой для расплавления одной тонны отсева ферросплава, от времени плавки [9]: 1 – зависимость, построенная по экспериментальным данным; 2 – зависимость, полученная в результате обработки данных эксперимента

 

Обработка методом наименьших квадратов экспериментальных точек, изображенных на рис. 4, дает следующую зависимость:

$\text{Log}G=0.049t+\mathrm{2.98,}\frac{\log \frac{\text{Дж}}{\text{т}}}{\text{мин}}$.

Эксперимент показал, что потребление энергии составило 850 кВт на 1 тонну отсева ферросплава. В результате выполненных исследований было установлено, что для расплавления 110 кг мелочи ферросплавов за 45 мин потребуется 140 кВА при частоте тока 1,8–1,9 кГц [9].

Индукционные печи, несмотря на свои преимущества (интенсификация процесса, низкий угар металла, равномерное распределение температуры, быстрая скорость плавки), имеют значительные недостатки (малые объемы переплавляемого отсева в ИТП, дорогие источники питания, необходимость в квалифицированном персонале), которые делают их применение для промышленного переплава отсевов ферросплавов нецелесообразным.

Дуговые печи постоянного тока

Переплав отсева ферросплавов также возможен в дуговой печи постоянного тока (ДППТ).

Экспериментальные плавки в ДППТ проводились на базе компании «Сибэлектротерм». Экспериментальная установка имела мощность 140 кВт, диапазоны напряжения и тока составляли 0…140 В и 0…2000 А [1]. Электропечь имела по одному электроду на своде и подине. Печь работала в постоянном режиме плавления без отключения питания. Слив металла проводился без наклона печи через летки, расположенные сбоку ванны. После слива на дне ванны оставалось около 20 % расплава. Плавка производилась в течение 40–50 минут с открытой дугой. Мощность, вводимая в установку, составила 120 кВт, напряжение и ток на электроде составляли 60 В и 2 кА соответственно.

Состав полученного ферросилиция представлен в табл. 3. Полученные результаты удовлетворяют по составу конечной продукции. Удельный расход энергии на 1 тонну ферросилиция 75 % и 50 кг флюса составил 920 кВт·ч. На основе полученных экспериментальных данных были определены параметры ДППТ емкостью 6 т и мощностью 4,5 мВт с расчетной производительностью 88,3 т в сутки или соответственно 32,23 тыс. т в год.

 

Таблица 3. Химический состав полученного ферросплава [1]

№ образца	Состав шлака, кг		Вес металла, кг	Состав, %
	Ферросилиций	Флюс		Si	Al	Ca	Mn	Ti	P
1	50,0	2,5	44.9	72,7	1,94	0,63	0,40	0,12	0,03
2	50,0	5,0	46.0	74,6	1,90	0,60	0,38	0,12	0,03

 

На ферросплавном заводе в Актобе были проведены экспериментальные плавки на дуговой печи постоянного тока мощностью 1,8 МВА. В качестве шихты использовался отсев высокоуглеродистого феррохрома [10]. Как и предыдущая, данная печь также имеет по одному электроду, расположенному на подине футеровки и на своде. Печь работала с открытой дугой. Пуск печи осуществлялся на коксовую постель, которая подкладывалась под электрод. Затем в печь загружали отсев высокоуглеродистого феррохрома. Слив печи производится путем ее наклона.

Главным недостатком ДППТ является то, что переплав отсева производится с открытой дугой, что приводит к большому его угару.

Рудно-термические печи

Сложная проблема повышения уровня извлечения металлической фазы из нестандартного отсева была решена в [3] путем разработки и внедрения технологии, предназначенной для переплавки отсева в существующей электропечи РКЗ-22,5. Печь была реконструирована. В ходе реконструкции были уменьшены диаметр электродов и глубина ванны печи, что позволило увеличить удельную мощность [3].

Загружаемые материалы подавались в печь по загрузочным трубам в центральную часть свода под электроды и по периферии ванны. Шихта из ферросилиций-марганцевого отвального шлака и шлако-металлических отходов в соотношении 0,05 и 0,12 добавляется к отсеву, чтобы увеличить электрическое сопротивление в ванне печи и обеспечить удовлетворительный электрический режим технологического процесса. В результате исследований установлено, что необходимо вводить различную по фракционности и составу загрузку материалов в центр печи и на ее периферию. Это приводит к понижению вероятности спекания колошника, обеспечивая приемлемые электрические и газовые условия эксплуатации.

В ходе исследований было установлено, что оптимальное значение активной мощности составляет около 10–15 МВт. В рабочем режиме плавки сила тока составляет 45–55 кА. В процессе работы сопротивление под электродами постепенно снижается, сила тока растет, а размер тигля увеличивается. Перед сливом расплава технологические условия начинают ухудшаться – сопротивление под электродом снижается с 1,5 до 0,6–0,9 мОм, сила тока увеличивается до 60–75 кА, а мощность снижается до 7–9 МВт. Слив расплава длится 20–30 минут. Масса расплава составляет 25–35 т металла и 7–15 т шлака. Химический состав металла с точки зрения состава марганца и фосфора соответствует составу отсева в твердой фазе. Концентрация кремния в сплаве находится в стабильном диапазоне 16–17 %. Выход годного металла составил 85 %. Удельный расход электроэнергии составил 767 кВт·ч на тонну полученного расплава и 554 кВт·ч на тонну переплавленной шихты.

Распределение шихты разной проводимости по объему колошника усложняет технологический процесс и его контроль. Несоответствие проводимости ванны печи может привести к потерям большего количества металла и остановке печи. Рост проводимости в конце плавке и резкие скачки тока могут привести к быстрому росту температуры ванны и, соответственно, к увеличению угара отсева и газообразования. Кроме этого, данный процесс переплава отсева ферросплавов сопровождается получением большого объема шлака (до 30–40 % от объема ферросплава), периодически сливаемого из печи.

Самораспространяющийся высокотемпературный синтез

Принципиально иным способом утилизации пылевидных и других отходов ферросплавного производства является предложенный в [11] металлургический самораспространяющийся высокотемпературный синтез (СВС-процесс). Новая технология основана на применении различных металлургических сплавов в качестве основного сырья, включая пылевидные отходы производства ферросплавов. При минимальном расходе электроэнергии металлургический СВС-процесс позволяет получать высококачественные композиционные материалы на основе неорганических соединений со связкой из железа и/или сплава на его основе для внедрения в сталеплавильном и доменном производстве. Традиционный СВС-процесс протекает за счет тепла реакций прямого синтеза [11]. В его металлургическом варианте основными реагентами исходной экзотермической шихты являются ферросплавы или их отсевы, и процесс реализуется посредством обменных экзотермических реакций. Они близки к металлотермическим реакциям. Основным сырьем металлургического СВС-процесса являются сплавы железа: силициды (FeSi,FeSi₂, MnSi₂), интерметаллиды (VFE, TiFe, Nb₁₉Fe₂₁), бориды (FEB, FEBN) и различные их сочетания. При реализации СВС-процесса с их участием образуется композиционный материал на основе неорганических соединений (карбидов, боридов, нитридов и т. д.) со связкой из железа и/или сплава на его основе [12].

Перспективным применением переплавляемых отсевов ферросплавного производства является их азотирование в СВС-процессе. Азотирование отсевов ферросилиция приводит к образованию Si₃N₄-Fe, который используется в качестве упрочняющей добавки в неформованных огнеупорах. Азотирование отсева феррованадия позволяет получить два типа нитрида феррованадия: плавленый и спеченный. Первый предназначен для кускового легирования сталей в ковше, второй используется в качестве наполнителя порошковой проволоки для корректировки содержания азота перед разливкой. Нитрид ванадия может быть использован при выплавке различных марок высокопрочных сталей, а также рельсовой и быстрорежущей стали.

Сложность контроля процесса, подготовки сырья, небольшие объемы получаемой продукции указывают на то, что данный метод сейчас не может быть основным при переработке мелкодисперсного отсева ферросплавов.

Выводы

Из рассмотренных методов переработки отсевов каждый имеет свои преимущества и недостатки.

Несмотря на хорошие показатели индукционных тигельных печей по выходу металла и скорости плавки, они имеют ряд недостатков: маленькая емкость печей, наличие источников питания повышенной частоты, которые являются дорогостоящими и сложными в обслуживании. Учитывая объем образующегося ежегодно отсева ферросплавов, можно утверждать, что индукционные тигельные печи не смогут покрыть нужды ферросплавного производства по их переплаву.

Плазменные печи имеют малые объемы рабочей ванны, а также короткий ресурс работы катодов и высокую цену содержания печи.

Метод самораспространяющегося высокотемпературного синтеза не распространен, сложен в реализации и требует специально обученного персонала.

Плавка отсевов в дуговых печах постоянного или переменного тока производится открытыми дугами, что приводит к большому угару шихты и образованию пылегазовой смеси, удаляемой из печи, что снижает выход конечной продукции и наносит вред персоналу и окружающей среде.

Как показывает анализ существующих методов переплава отсева ферросплавного производства, наиболее экономичным по угару мелкодисперсной шихты является режим плавления с остаточной емкостью в индукционных тигельных печах, а по объемам и производительности наиболее приемлемой является технология переплава в трехфазных электродных электропечах. Сочетание достоинств этих методов переплава возможно в технологическом процессе, реализуемом в режиме шлакового переплава отсева ферросплавов в электропечи, конструктивно аналогичной дуговой сталеплавильной печи с тремя графитированными электродами, погруженными в жидкий шлак. При этом эксплуатация трехфазных электродных шлаковых печей значительно проще, чем индукционных тигельных и плазменных печей, а также дуговых сталеплавильных переменного и постоянного тока. Персонал ферросплавного завода имеет навыки работы с подобными установками, что упрощает процесс ввода их в эксплуатацию и обучение персонала. Источники питания переменного тока дешевле и проще в обслуживании, чем постоянного. Все это говорит о том, что трехфазная электродная печь, работающая с выделением тепла в жидкой шлаковой ванне, является наиболее приемлемым решением для переработки отсева «больших» ферросплавов.

About the authors

Victor D. Kochkin

Novosibirsk State Technical University

Email: alif@ngs.ru

Postgraduate Student

Russian Federation, 20, avenu K. Marks, Novosibirsk, 630073

Alexander I. Aliferov

Novosibirsk State Technical University

Email: alif@ngs.ru

(Dr. (Techn.)), Professor

Russian Federation, 20, avenu K. Marks, Novosibirsk, 630073

Vladislav V. Zolotarev

Novosibirsk State Technical University

Author for correspondence.
Email: alif@ngs.ru

Postgraduate Student

Russian Federation, 20, avenu K. Marks, Novosibirsk, 630073

References

Supplementary files