Способ получения феррохрома из оксидного материала

МИНИСТЕРСТВО ЮСТИЦИИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН ОПИСАНИЕ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ К ПАТЕНТУ Технический результат полезной модели заключается в снижении требований к подготовке исходного сырья предвосстановления, упрощении технологической схемы, снижении расхода топлива и электрической энергии на стадии предвосстановления повышении производительности и снижении себестоимости углеродистого феррохрома,получаемого двухстадийным способом. Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения феррохрома из оксидного материала для предвосстановления хрома хромсодержащий материал предварительно измельчают до крупности менее 5 мм, смешивают с углеродистым восстановителем без брикетирования и подвергают восстановительному обжигу в тиглях с соотношением длины к диаметру больше 1 в туннельной печи при температуре 1300-1550 С в течение 15-60 часов, обожженную неспеченную смесь подвергают обогащению с выделением металлизированного полупродукта. После этого обогащенный предвосстановленный продукт переплавляют в электропечи с получением углеродистого феррохрома.(72) Сабитов Агибай РахымжановичПанфилов Владимир ПавловичРощин Антон ВасильевичШотанов Азамат Елемесович Коспанов Мурат МукашевичГриненко Валерий Иванович(54) СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ФЕРРОХРОМА ИЗ ОКСИДНОГО МАТЕРИАЛА(57) Полезная модель относится к области черной металлургии,в частности к получению углеродистого феррохрома из оксидного материала пирометаллургическим способом. Задачей полезной модели является упрощение технологии, снижение расхода электрической энергии и снижения себестоимости при получении углеродистого феррохрома двухстадийным способом. Область техники Полезная модель относится к области черной металлургии,в частности к получению углеродистого феррохрома из оксидного материала пирометаллургическим способом. Предшествующий уровень техники Основное количество высокоуглеродистого феррохрома получают в рудовосстановительных печахэлектрокарботермическим способом(Теория и технология производства ферросплавов Учебник для вузов / Гасик М.И., Лякишев Н.П.,Емлин Б.И -М. Металлургия, 1988. 784 с.). При этом эндотермические процессы восстановления хрома и железа из крупнокусковой руды происходят в нижних горизонтах агрегата. В качестве источника тепла для протекания этих процессов и плавления компонентов используется тепло, выделяющееся в результате протекания переменного электрического тока через жидкие и,частично, твердые составляющие шихты. В качестве восстановителя используется мелкая фракция кокса(коксик),играющего одновременно роль разрыхлителя шихты. Образующиеся горячие газы, поднимаясь вверх через слой шихты, частично отдают свое тепло твердым компонентам шихты, несколько снижая общий расход электроэнергии, который составляет порядка 5300-5700 МВтч/т хрома. Известен также процесс получения высокоуглеродистого феррохрома в печах постоянного тока . В этих печах смесь руды,восстановителя, и, при необходимости, флюсующих добавок, загружается в печи, конструктивно схожие с дуговыми печами постоянного тока для выплавки стали. Под действием тепла электрической дуги происходит нагрев, плавление и растворение в жидком шлаке рудной и флюсующей компонент шихты. В результате взаимодействия жидкого хромсодержащего шлака с плавающим на его поверхности твердым восстановителем происходит гетерофазное восстановление хрома и железа. Образующийся сплав, насыщенный углеродом,имея большую плотность, скапливается на дне печи. Достоинствами печей этого типа является возможность использования рудной мелочи - по данным (. , . , . ,,2010,110, . 717-724) печь 4 мощностью 60 МВт в ЮАР позволяет работать с рудой крупностью менее 6 мм, причем до 90 из нее приходится на класс -1 мм. Вторым преимуществом данных печей является возможность использования в качестве восстановителя дешевого угля вместо кокса, т.к. проблем с удалением СО в данной технологии нет. Еще одним преимуществом является возможность управления температурой путем изменения электрической мощности, вводимой в печь,независимо от состава шихтовых материалов и шлакового расплава. Недостатком таких печей является несколько повышенный расход электрической энергии на плавку, т.к. значительное количество тепла теряется с отходящими газами. По оценке, приводимой в работе (., . , С./ -//, . 249-262), потребление энергии в таких печах до 20 выше, чем в классических рудовосстановительных. Для снижения расхода дорогостоящей электрической энергии предложен ряд двухстадийных технологий. В частности,существует процесс Отокумпу, основанный на окислительном обжиге хромита о вращающейся трубчатой печи перед его загрузкой в рудовосстановительную печь. При этом достигается некоторое снижение расхода электрической энергии в рудовосстановительной печи во время плавки. Недостатком этого является то, что в ходе такого обжига происходит не восстановление, а окисление элементов, прежде всего железа. Поэтому после обжига смесь руды и восстановителя необходимо подавать в рудовосстановительную печь, в которой протекают те же процессы, что и при обычной выплавке феррохрома. И,хотя расход электрической энергии снижается,для восстановления в руднотермической печи попрежнему необходимо использовать кокс в качестве восстановителя,причем из-за большей окисленности руды, в повышенном количестве. Более совершенным является процесс ,реализованный в ЮАР. Процесс основан на частичном восстановлении (предвосстановлении) хрома и железа из рудоугольной смеси в специальном агрегате, являющимся комбинаций обжиговой машины и вращающейся трубчатой печи. Технология предусматривает окомкование рудной мелочи с углем, предварительный подогрев и обжиг на ленте, откуда окатыши перемещаются во вращающуюся печь, в которой за счет сжигания топлива с недостатком кислорода создается слабоокислительная атмосфера. За счет углерода,введенного в окатыши, при их нагреве в печи происходит частичное восстановление железа и хрома. Частично предвосстановленный материал далее загружается в плавильную печь вместе с кусковыми рудными материалами и восстановителем (О.Т.///2006, ,, , 5-82006, . 297-306). Недостатками реализованной технологии являются высокие капитальные затраты на строительство участка предвосстановления,необходимость предварительного окомкования рудной мелочи или концентрата с получением прочных окатышей, устойчивых к истиранию во вращающейся печи. Наиболее близким к сути полезной модели является Способ восстановления хромсодержащих материалов. Технология предусматривает компактирование смеси материала, содержащего оксид хрома (хромовой руды) и восстановителя(угля), предвосстановление полученных компактов в кольцевой печипри температуре ниже температуры плавления, после чего материал подается в плавильный агрегат, где происходит его плавление и довосстановление хрома. Патент 8262766 В 2, 11.09.2012. Накопленные в печи жидкий углеродистый феррохром и шлак периодически выпускаются из нее. Данный способ имеет следующие существенные недостатки. Нагрев в печах с вращающимся подом осуществляется, как правило, путем сжигания органического топлива (природного газа, продуктов конверсии угля, мазута и т.п.) в горелках,установленных над подом и нагревающих преимущественно свод и стены печи. Основным способом теплопередачи от свода и стен на компакты, уложенные на относительно холодный подвижный под, является излучение. Исходя из этого, укладка компактов на под вращающейся печи происходит не более, чем в 3-4, а в большинстве случаев всего в один слой. Компенсировать низкую плотность укладки шихты можно ускорением вращением пода, однако при этом снижается эффективное время пребывания компактов при температуре, превышающую кинетическую температуру начала восстановления,когда реакция восстановления хрома и железа из хромовой руды протекают с заметной скоростью. Поэтому компакты имеют небольшой размер в поперечном сечении (например, диаметр), порядка 10-30 мм. Из этого следует, что удельная производительность печи не высокая, как правило,она находится на уровне 20-30 кг с 1 м 2 пода в час. Повысить производительность можно за счет увеличения температуры. Для получения и поддержания температуры в печи за счет сжигания топлива, необходим некоторый избыток подачи окислителя (воздуха, обогащенного кислородом воздуха,кислорода) по отношению к стехиометрическому. При этом при подаче окислителя с избытком, наряду с ростом температуры пламени в продуктах сгорания увеличивается доля С 2 и Н 2. Как показали наши эксперименты, даже незначительное повышение доли С 2 в продуктах горения приводит к резкому снижению степени восстановления хрома. Поэтому возможность интенсификации процесса восстановления повышением температуры в кольцевой печи с подвижным подом, так же как и во вращающихся трубчатых печах (процессе), ограничена требованием сохранения неокислительной по отношению к хрому атмосферой. Учитывая высокую кинетическую температуру начала восстановления хрома (около 1300 С), и невысокую температуру факела при неполном сжигании топлива, использование такого режима нагрева ведет к повышенному расходу топлива. Задачей полезной модели является упрощение технологии, снижение расхода электрической энергии и снижения себестоимости при получении углеродистого феррохрома двухстадийным способом. Технический результат полезной модели заключается в снижении требований к подготовке исходного сырья предвосстановления, упрощении технологической схемы, снижении расхода топлива и электрической энергии на стадии предвосстановления повышении производительности и снижении себестоимости углеродистого феррохрома,получаемого двухстадийным способом. Указанный технический результат достигается тем, что в способе получения феррохрома из оксидного материала для предвосстановления хрома хромсодержащий материал предварительно измельчают до крупности менее 5 мм, смешивают с углеродистым восстановителем без брикетирования и подвергают восстановительному обжигу в тиглях с соотношением длины к диаметру больше 1 в туннельной печи при температуре 1300-1550 С в течение 15-60 часов, обожженную неспеченную смесь подвергают обогащению с выделением металлизированного полупродукта. После этого обогащенный предвосстановленный продукт переплавляют в электропечи с получением углеродистого феррохрома. В качестве сырья используют мелкие фракции хромсодержащих материалов,например,концентрат мелких классов обогащения хромовой руды, отходы производства хромового агломерата или окатышей или другого продукта с высоким содержанием С 2 О 3 (например, от 30 и выше) и восстановитель, в качестве которого можно использовать любой углеродсодержащий материал,например энергетический уголь. Хромсодержащие компоненты и восстановитель крупностью менее 5 мм смешиваются и через дозатор загружаются в составные вертикальные тигли, установленные на тележках. Тигли представляют собой полые цилиндры, цельные или составные, из нескольких цилиндров, которые устанавливаются один на другой так, чтобы получился глуходонный цилиндр с большим отношением высоты к диаметру. Примерные размеры тигля внешний диаметр до 50 см, общая высота - до 2-3 м. Тигли выполняются из углеродсодержащего материала, содержащего углерод в свободной форме (например, из графита или угля) или в форме карбидов (например, из карбида кремния). Для исключения контакта шихты с окислительной атмосферой печи тигли могут накрываться крышкой из материала тигля. На одной тележке может размещаться один или более тиглей. Тележки с установленными на них тиглями,заполненными шихтой,проходят сквозь туннельную нагревательную печь, аналогичную печам для обжига огнеупоров. Скорость прохождения тележки через печь выбирается таким образом, чтобы за время нахождения в горячей зоне шихта в тигле успела прогреться до температуры 1300-1550 С. Время нахождения в горячей зоне 3 определяется экспериментально и варьируется в зависимости от гранулометрического состава хромсодержащего компонента, диаметра тиглей и требуемой степени предвосстановления хрома от 15 до 60 часов. При температуре 1300 С скорость восстановления будет низкой и при указанных размерах тигля для достижения степени восстановления более 50 требуется выдержка в горячей зоне до 60 часов. При температуре ниже 1300 С скорость восстановления будет слишком низкой, потребуется длительная (более 60 ч) выдержка и затраты на предвосстановление приведут к заметному росту себестоимости получения предвосстановленного продукта и далее феррохрома. Таким образом, заявляемая цель не будет достигнута. По мере роста температуры скорость протекания восстановительного процесса повышается, и при увеличении температуры в горячей зоне печи до 1550 С время выдержки сокращается до 15 часов. При превышении 1550 С возможно спекание или подплавление компонентов шихты, что усложняет извлечение полученного предвосстановленного полупродукта из тигля, приводит к ускоренному износу тиглей и росту операционных расходов. После обжига в туннельной печи материал извлекается из тиглей и направляется на этап жидкофазного разделения, например, в дуговой печи постоянного тока. При этом материал дополнительно может быть подвергнут сепарации(например, для снижения содержания углерода в продукте, направляемом на следующие этапы) и/или компактирован(например,методами брикетирования, окатывания или экструзии). За счет остатка углерода восстановителя из шихты после расплавления происходит довосстановление хрома и железа с получением углеродистого феррохрома и шлака. Жидкий металл и шлак периодически выпускаются из печи. Жидкий металл разливается в слитки или гранулируется. В отличие от прототипа при реализации заявленного способа 1) нет непосредственного контакта продуктов горения топлива с шихтой, что позволяет сжигать топливо до С 2 и Н 2, использовать сернистое топливо без риска загрязнения обжигаемого материала, а также при необходимости достигать высокой степени восстановления хрома и железа 2) вместо излучения теплопередача в печи осуществляется конвективным теплопереносом, а от тигля к шихте - теплопроводностью, что позволяет снизить термическую нагрузку на футеровку свода и повысить ее стойкость 3) за счет организации противоточного принципа движения холодной шихты и горячих продуктов сгорания топлива в зоне нагрева и горячих тиглей с шихтой и холодного воздуха, поступающего на горение, в зоне охлаждения и более эффективного теплообмена повышается общий тепловой КПД печи и снижается расход органического топлива 4) не требуется предварительно измельчать хромсодержащий компонент до 70 класса менее 4 75 мкм, достаточно крупности компонентов менее 5 мм. Это позволяет использовать в качестве исходного хромсодержащего материала непосредственно концентрат обогащения хромовых руд без его дополнительного измельчения, что позволяет обойтись без дополнительного оборудования (мельниц) на стадии подготовки шихтовых материалов и связанных с ними затрат электрической энергии и вспомогательных материалов на переделе (шары, броня мельниц и т.п.) 5) за счет более простой конструкции печи туннельного типа и отсутствия необходимости предварительного окускования материала снижаются капитальные затраты на промышленную реализацию способа 6) за счет более компактного расположения нагреваемого материала в печи снижается требуемая площадь цеха 7) плавление (подплавление) тугоплавких компонентов, протекающее при температуре более 1600 С происходит не в печи предвосстановления за счет сжигания органического топлива, как описано в прототипе, а в специализированном плавильном агрегате, например в дуговой печи с более высоким тепловым КПД. При этом за счет достижения высокой степени предвосстановления хрома в полупродукте электроэнергия расходуется преимущественно на расплавление материалов. При этом получение в туннельной печи охлажденного предвосстановленного продукта упрощает его транспортировку до плавильной печи и загрузку в нее. Пример реализации заявленного способа В первом случае брали хромовый концентрат класса крупности 0-71 мкм. В качестве восстановителя использовали измельченные (50 крупностью менее 75 мкм) отсевы угля, количество которого определяли из необходимости восстановления всего хрома из С 23 до карбида С 73, а железа - издо металла только за счет нелетучего углерода угля. Полученную смесь загружали в тигель внутренним диаметром 210 мм на высоту 230-240 мм (полная высота рабочего пространства 250 мм). Установленный в печь тигель с хромо-угольной смесью накрывали графитовой крышкой с отверстием в центре для термопары. Через отверстие на крышке тигля в него устанавливали термопару таким образом, чтобы горячий спай находился в центре насыпанной шихты. В процессе обжига замеряли температуру в центре тигля и в печи под тиглем и над ним. Нагрев осуществляли со скоростью 1,5-1,7 С/мин до 1300 С. Продолжительность выдержки при этой температуре варьировали от 5 до 60 часов, после чего печь отключали и охлаждали до 200 С, затем тигель извлекали из печи и разгружали. Усредненные данные по восстановлению хрома приведены в таблице 1. Видно, что времени выдержки менее 15 часов степень восстановления хрома, определяемая как отношение хрома в металле к общему содержанию хрома в пробе Степень восстановления хрома в зависимости от времени выдержки Время выдержки, часов 5 15 24 60 Во втором случае эксперимент проводили по описанной выше методике, но использовали хромовый концентрат класса крупности 0-1 мм, а в качестве восстановителя использовали измельченные (50 крупностью менее 75 мкм) отсевы угля. Продолжительность выдержки при температуре 1320 С составила 36 часов. Результаты послойной оценки восстановления хрома по зонам приведены в таблице 2. Таблица 2 Результаты анализа предвосстановленного материала при выдержке 36 часов Наименование точки отбора пробы осевая, верхний слой периферийная, верхний слой осевая, средний слой периферийная, средний слой осевая, нижний слой периферийная, нижний слой проба после усреднения Видно, что даже более при использовании более крупного сырья за 36 ч средняя степень восстановления хрома составляет более 80, при этом наблюдается достаточно равномерное распределение восстановленного хрома по объему пробы. Далее выполнен переплав полученного предвосстановленного хромового сырья. Плавку проводили в графитовом тигле в высокотемпературной печи сопротивления. При температуре около 1620-1650 С наблюдали практически полное расплавление материалов. Через 2 минуты после расплавления без перемешивания расплава печь отключили, тигель охладили в печи до комнатной температуры, после чего извлекли и разрезали вдоль. Наблюдали Степень восстановления хрома хорошее разделение металла и шлака. Основная часть шлака легко отделилась от металла. В металле содержалось 68 С и 9,5 С. В третьем случае в качестве исходного сырья была взята хромовая руда, раздробленная до крупности 5 мм. В качестве восстановителя использовали молотые отходы графитированных электродов крупностью 0-5 мм. Смесь руды с восстановителем насыпали в графитовый тигель и нагревали со скоростью 5070 С/мин в электрической печи сопротивления с графитовым нагревателем. После выдержки при температуре 1550 С тигель извлекали из печи, смесь охлаждали. После термообработки материал остался порошкообразным. Результаты анализа полученного металла и шлака приведены в таблице 3. Таблица 3 Результаты восстановительного нагрева молотой хромовой руды Состав в точках Исходая руда Металл Оксидный остаток Представленные в таблицах результаты свидетельствуют о восстановлении из хромовой руды металла, содержащего хром, железо и частично кремний, с образованием металлических частиц, соответствующих составу феррохрома, и оксидного остатка,представленного преимущественно тугоплавкими оксидами магния и алюминия (см. таб. 3). При повышении температуры выдержки шихты до 1600-1650 С наблюдали спекание и подплавление шихты. Использование в промышленности Предлагаемый способ восстановления хрома из оксидного материала может найти применение в металлургии при переработке мелковкрапленных хромовых руд, концентратов хромовых руд, мелких хромсодержащих отходов которые в настоящее время в классических рудовосстановительных печах не перерабатываются без предварительного окускования. Переработка таких материалов предлагаемым способом не требует уникального оборудования, она может быть осуществлена с помощью стандартного оборудования и инструментария,изготавливаемого как отечественной,так и зарубежной промышленностью. ФОРМУЛА ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ Способ получения феррохрома из оксидного материала, включающий предвосстановление хрома и переплав предвосстановленного продукта в электропечи отличающийся тем,что хромсодержащий материал предварительно измельчают до крупности менее 5 мм, смешивают с углеродистым восстановителем без брикетирования и подвергают восстановительному обжигу в тиглях с соотношением длины к диаметру больше 1 в туннельной печи при температуре 1300-1550 С в течение 15-60 часов, обожженную неспеченную смесь подвергают обогащению с выделением металлизированного полупродукта и дальнейшим переплавом с получением хромсодержащего сплава.