Ферритнокальциевый флюс, шихта для его получения, способ ведения конвертерного процесса и способы ведения доменной плавки

(51)7213/02,215/00, 215/04,215/28,215/36 ПАТЕНТНОЕ ВЕДОМСТВО РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН(72) Бабаев Эдуард ДантеновичХайдуков Владислав ПавловичБабаев Марат Дантенович(54) ФЕРРИТНОКАЛЬЦИЕВЫЙ ФЛЮС, ШИХТА ДЛЯ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ, СПОСОБ ВЕДЕНИЯ КОНВЕРТЕРНОГО ПРОЦЕССА И СПОСОБЫ ВЕДЕНИЯ ДОМЕННОЙ ПЛАВКИ(57) Изобретение относится к черной металлургии,а именно к использованию железосодержащих отходов металлургического комплекса при производстве синтетических флюсов на ферритнокальциевой основе для агломерационного, доменного и сталеплавильного производств. Ферритнокальциевый флюс состоит из оксидов элементов, входящих в железорудный материал, и(-4,1)-(-1,92), при этом содержание 2 во флюсе равно 17 мас. . Шихта для получения ферритнокальциевого флюса включает кальций- и магнийсодержащие материалы, топливо и железосодержащие отходы металлургического передела, в которых суммарное отношение общ./2 не менее 11, а содержание 2 находится в пределах от 0,5 до 5 мас. . Предложены способы ведения конвертерного процесса и доменной плавки с использованием флюса. В способе ведения доменной плавки, включающем загрузку в доменную печь железорудных материалов, шлакообразующего компонента и твердого топлива, предложено в качестве шлакообразующего компонента, регулирующего основность доменного шлака, использовать флюс с содержанием общ больше 50 и соотношением СаО/23 в интервале 0,15-0,55. Использование ферритно-кальциевого флюса в качестве компонента шихты, регулирующего основность шлака, позволило увеличить содержание нефлюсованных окатышей в шихте до 70 и получить необходимую основность шлака без добавления известняка. Изобретение относится к черной металлургии,а именно к использованию железосодержащих отходов металлургического комплекса при производстве синтетических флюсов на ферритнокальциевой основе для агломерационного, доменного и сталеплавильного производств. В последнее время все более активно предпринимаются попытки повторного вовлечения в металлургический передел железосодержащих отходов металлургического комплекса. Так, например, известен способ выплавки чугуна, когда для регулирования состава доменного шлака в шихту совместно с железорудной частью вводят шлак ферросплавного производства с основностью /21,151,65 (Куликов Я.П. Переработка металлургических шлаков на заводах Украинской Р. Экспресс-информация. М., 1977). Недостаток способа заключается в том, что шлак ферросплавного производства снижает содержание железа в доменной шихте, повышает выход шлака, приводит к увеличению расхода кокса. В составе доменной шихты используют также конвертерный шлак в количестве 50-70 кг/т чугуна(Куликов Я.П. Переработка металлургических шлаков на заводах Украинской ССР. Экспресс-информация. М., 1977). Однако в этом случае в чугуне увеличивается содержание фосфора. Поэтому наиболее распространенным способом ведения доменной плавки является использование в шихте, наряду с железосодержащей частью, сырого известняка (Даньшин В.В., Черноусов П.И. Справочник рабочего доменного цеха. Металлургия. 1989, с. 53-583. Это дает возможность получить шлак с заданной основностью, но приводит к повышению расхода металлургического кокса и снижению производительности доменных печей. При производстве синтетического флюса для сталеплавильных процессов предложено (а. с. СССР 1257099, кл.21 С 5/54 5/28 1986) использовать шихту, состоящую из отходов металлургического производства и содержащую конвертерную пыль, боксит, доломит, твердое топливо и известняк при следующем соотношении компонентов, мас.конвертерная пыль 20-25 боксит 10-15 доломит 15-20 твердое топливо 8-10 известняк остальное. Полученный флюс содержит смесь окислов элементов, входящих в железорудный материал,состав которой должен удовлетворять условию О/(223)0,51,0 Такой флюс (прототип) обеспечивает активное образование расплава с высокой ассимилирующей способностью к извести, низкой вязкостью и низкой температурой плавления. Недостатком описанного флюса и шихты для его получения является то, что необходимость под держания во флюсе в заданных пределах соотношения /(223) приводит к увеличению расхода твердого топлива и увеличению газодинамического сопротивления спекаемой шихты вплоть до прекращения процесса горения твердого топлива. Наиболее близким аналогом для предложенной шихты является шихта, предложенная для получения сталеплавильного флюса (а. с. СССР 945209,кл.22 В 1/24, 1982), которая содержит в качестве наполнителя известняк или доломит крупностью 830 мм, а в качестве связующей части смесь конвертерного шлама, окалины, извести, известняка и топлива крупностью 0,1-2,0 мм, обеспечивающих общее соотношение /23 в флюсе в пределах 1,0-4,0, а в связке - 0,3-0,4 при следующем содержании исходных компонентов в связке, мас.известь 15-20 известняк иди доломит 10-12 топливо 8-10 конвертерный шлам иди окалина остальное. Использование указанного флюса снижает охлаждающее действие флюса в сталеплавильной ванне, он имеет повышенную механическую прочность кусков и стоек к гидратации. Недостаток предлагаемой шихты заключается в том, что применение в ее составе извести приводит к затруднениям регулирования влажности шихты перед подачей ее в барабан-смеситель и окомкователь и, следовательно, снижению технологических показателей работы агломашин, к ухудшению санитарногигиенических условий в процессе дозировки извести и транспортировке шихты по трактам аглопроизводства. Кроме того, при составлении шихты не учитывается уровень содержания кремнезема и его роль в процессе спекания, что может привести к ухудшению условий формирования структуры спека и нарушению процесса спекания из-за высокого содержания тугоплавкого двухкальциевого силиката. В 70-е годы Приходько Э.В. была разработана полуэмпирическая теория СНИР (Приходько Э.В. Система неполяризованных ионных радиусов и ее использование для анализа электронного строения и свойств веществ, Киев Наукова думка, 1973), которая открывала возможности для прогнозирования состава и структуры веществ с заданными физикохимическими свойствами. Основываясь на этой теории, автор предложил (Приходько Э.В. Металлохимия многокомпонентных систем. М. Металлургия, 1995) любую многокомпонентную оксидную композицию рассматривать как химически единую систему и, учитывая ее полный состав, для оценки связи составсвойство использовать интегральные модельные параметрыи е, где е - химический эквивалент состава многокомпонентного расплава, являющийся интегральной характеристикой взаимодействия катионов с анионами 2- стехиометрический коэффициент, показывающий, какое число катионовприходится в данной системе (представленной в виде МеЭ) на один анион (Э). Таким образом, в рамках рассматриваемой теории, для любого многокомпонентного расплава, его свойства как химически единой системы определяются сочетанием модельных параметрови е,характеризующих его химическое и структурное состояние. В основу полуэмпирического подхода к моделированию металлургических расплавов положен постулат, что в конденсированных фазах радиусы реальных ионови их эффективные зарядыне остаются неизменными, а варьируются в зависимости от расстояниямежду атомами, образующими связь, и химической индивидуальности соседей,причем величина заряда может быть дробной. Индивидуальность атомов характеризуется двумя исходными модельными параметрами - радиусом неполяризованного (изолированного) атомаи его поляризуемостью, которая выражается угловым коэффициентомиз уравнения -. Параметрыизависят от положения элементов в Периодической системе и систематизированы автором теории в систему неполяризованных ионных радиусов СНИР. Реальные размеры ионови их зарядысвязаны с межатомным расстояниемследующим образом АА-(/2) где-сферическая, а е/2 направленная компоненты эффективного заряда/2. Параметр е характеризует нарушение сферической симметрии электронных облаков взаимодействующих атомов, т. е. характеризует донорноакцепторную способность связи в целом. Он определяет часть электронов, переходящую с атомных орбиталей на связующие, вытянутые в направлении А- В. В результате численного решения системы (1) определяются радиусы ,и е для каждой пары атомов. Многокомпонентная система моделируется путем перебора всех парных связей в зависимости от структуры расплава с последующим определением интегральных физико-химических критериев путем усреднения параметров е, , а также зарядового состояния. При этом каждый из интегральных параметров рассчитывается как аддитивная величина с учетом вероятности образования парных связей пропорциональной концентрации компонентов, образующих расплав. Предусмотрен расчет взаимо действия каждого атома как с ближайшими, так и с дальними соседями. Предлагаемая модель электронных структур металлургических шлаков базируется на описании условий равновесия катионной и анионной подрешеток с помощью следующих уравнений стабильности.Э ( Э ме)Э ( ЭЭ )- средневзвешенные параметры зарядов и ме радиусов ионов в связи катиони анион . Из приведенной системыметодом последовательных приближений определяют ме- (входящее в нее в неявном виде) и соответствующие ему расстояния Ме-Ме и Э-Э. Информация, получаемая при решении уравнений стабильности , послужила основой для разработки полуэмпирического метода расчета физико-химических свойств расплавов. Как уже упоминалось, при выборе системы уравнений основной задачей являлось описание закономерностей изменения физико-химических свойств расплава в зависимости от состава путем ввода в связь между составом и свойствами промежуточного звена - интегральных параметрови е,характеризующих химическое и структурное состояние системы. Параметр е является интегральной характеристикой взаимодействия катионов с анионами, т.е. аналогом химического эквивалента состава многокомпонентного расплава. Если оксидный расплав записать в виде 11-, где А, В и С - катионы,и Е анионы, то уравнение расчета для е будет ееА-е-Е(1-)еС-Е (1-) (1-) Расчет стехиометрического коэффициентасистемы известного состава связан с переводом массовых концентраций его составляющих в количество атомови Э каждого соединения в 100 г расплава с последующим определением суммарного числа катионов и анионов и их соотношения. Приходько Э.В. предложил использовать упомянутые модельные параметры в качестве комплексной характеристики химической индивидуальности конкретного многокомпонентного состава и,используя большой экспериментальный материал,вывел уравнения, связывающие основные физико 3 9742 химические свойства системы с рассматриваемыми параметрами, абстрагированными от конкретного хи мического состава (Приходько Э.В., Хамхотько А.Ф., Тагобицкая Д.Н. Строение и физико-химические свойства металлургических шлаковых расплавов. М., 1983. Экспресс-информация Приходько Э.В. Металлохимия многокомпонентных систем. М. Металлургия, 1995) Так, например, выведены зависимости для вязкостии поверхностного натяжениядоменного расплава 130010,33-15,13-0,138 е (Н/с м 2)14007,7 -11,23-0,043 е 1500 6,55 -9,97 -0,047 е коэффициент корреляции 0,9 1550-1600606,18-67,0439,73 е 0,92 изменения концентрации фосфора (Р) и температуры металла (Тм) по ходу плавки для кислородноконвертерного передела (Тучина М.В. Технологические особенности передела чугунов различного состава с применением шлакообразующих материалов. 1993 (автореферат диссертации). Р 2,5750,0037(МО)-4,453-0,399 е 0,63 0,48 Тм 1391581,889,5 е Уравнения связи, основанные на теории Приходько Э.В., удовлетворительно описывают различные металлургические процессы и обеспечивают достаточный уровень точности для массивов, объединяющих данные различных технологических процессов, что свидетельствует об универсальности подученных закономерностей. Основное достоинство описанного подхода заключается в том, что он позволяет линеаризовать сложные зависимости физико-химических свойств многокомпонентных оксидных систем от состава. В настоящее время теория Приходько Э.В. успешно используется в прикладной металлургии, позволяя с достаточной для практических целей точностью, используя интегральные модельные параметрыи е, прогнозировать физико-химические свойства металлургического оксидного расплава для любого сочетания и соотношения компонентов, а также прогнозировать состав расплава, обладающего необходимыми основными свойствами. Ферритнокальциевый флюс с заданными физико-химическими свойствами и снижение расхода твердого топлива, необходимого для его получения, достигают следующим образом. Флюс содержит смесь окислов железа, кальция, магния, кремния и других элементов, входящих в железорудный материал, в таком соотношении, что стехиометрический коэффициент смеси находится в пределах от 0,75 до 0,82, а ее химический эквивалент е в пределах от -4,1 до -1,92,при этом содержание 2 в смеси не должно превышать 7 . Наши исследования показали, что только флюс,для которогои е укладываются в пределы от 0,75 до 0,82 и от -4,1 до -1,92, соответственно при содержании 2 не более 7 имеет удовлетворительные физико-химические характеристики. Выходи/или е за указанные пределы, а также содержание в флюсе 2 больше 7 приводит к ухудшению механической прочности флюса, его флюсующей и ассимилирующей способностей, повышению его температуры плавления и вязкости. Шихта для получения флюса содержит отходы иди смесь отходов металлургического передела,кальций- и магнийсодержащие материалы и твердое топливо, при этом отношение еобщ./2 в отходах или их смеси не должно быть менее 11, а содержание 2 должно быть равно 0,5-5,0 мас. . Состав шихты для получения флюса заданного состава с содержанием в нем 2 в интервале 17 мас.определяется исходя из соблюдения материального и теплового баланса, но при этом важно,чтобы в железосодержащих отходах суммарное отношение еобщ./2 было не менее 11, при содержании 2 от 0,5 до 5 мас. . При суммарном содержании оксида кремния в железосодержащих отходах больше 5 мас.процесс агломерации не осуществляется, что объясняется высокой степенью образования в высокотемпературной зоне трудноплавящегося двухкальциевого силиката (2 СаО 2) и снижения за счет этого количества жидких фаз. Уменьшение суммарного отношения бщ/2 в железосодержащих отходах также приводит к уменьшению количества жидких фаз и затрудняет процесс агломерации. В качестве кальцийсодержащего и магнийсодержащего компонентов обычно используют известняк, доломитизированный известняк, доломит или их смесь. Получен синтетический флюс на ферритнокальциевой основе из отходов производства, причем в зависимости от его предполагаемого использования можно получить именно тот флюс, который в данном конкретном случае даст оптимальный результат. Так, флюс может быть, например, использован в качестве шлакообразующего компонента в конвертерном процессе или при проведении доменной плавки. Показано, что для использования в конвертере оптимальным будет флюс, имеющий состав, стехиометрический коэффициент которого равен 0,780,82, а химический эквивалент е от (-4,1) до (-3,8). Для доменной же плавки предпочтительно использовать флюс, у которого 0,75 - 0,78, а е(-2,3) -(-1,92). При этом, если состав флюса удовлетворяет условию, что соотношение СаО/е 2 О 3 составляет 0,15-0,55, а содержание бщ во флюсе больше 50 мас. , то его использование в составе доменной шихты позволяет получить необходимую основность шлака без добавления известняка и увеличить при этом содержание в шихте неофлюсован 4 9742 ных окатышей и/или высокопрочного железорудного агломерата с основностью 0,9-1,0. С уменьшением содержания железа во флюсе снижается выход чугуна, повышается выход шлака из единицы железорудных материалов, увеличивается расход кокса. Использование же флюса с нарушенным соотношением Са/23, как правило, приводит к ухудшению газодинамических условий в печи, что ведет к снижению ее производительности. Приведенные примеры иллюстрируют предложенное решение, не ограничивая его. При проведении расчетов нами была использована программа, разработанная в Днепропетровском институте черной металлургии на основе уравнений,упомянутых выше. Программа позволяет рассчитать основные физико-химические свойства оксидного раствора в зависимости от его состава, используяи е в качестве промежуточных параметров. Пример 1 Известно, что на экономические показатели работы конвертера особенно существенно влияют такие свойства ферритнокальциевого расплава, как вязкость , температура плавления (Тпл), ассимилирующая способность . Используя для расчетов накопленный массив экспериментальных данных, мы показали, что указанные свойства имеют оптимальные значения(0,06-0,08 Пас, 1200-1300 С и 7,1-9,1 мг/см 2 соответственно) для оксидных расплавов, стехиометрический коэффициент и химический эквивалент которых находятся в интервале 0,78-0,82 и (-4,1)-(-3,8) соответственно, а состав отвечает следующим условиям (приведены основные окислы, мас. ) 33-42 е 2 О 3 Шихта для получения флюса состояла из конвертерного шлама (в котором бщ/230, 2 2,0 ), смеси известняка и доломита (соотношение 11) и твердого топлива. Расчет содержания исходных компонентов в шихте осуществляли на основании уравнений материального баланса по выходу твердого продукта при спекании, по железу, кальцию и кремнию. Количество необходимого твердого топлива определяли исходя из теплопотребности процесса. Для расчета состава шихты использовали усредненные оптимальные значения состава флюса е 2 О 3 37 ,11(в пересчете на еобщ 34,5 ),СаО 41 , 2 5 ,4 . Расчеты показали, что на получение 1 тонны флюса требуется (в кг) конвертерного шлама- 58 Ферритнокальциевый флюс, полученный при спекании шихты приведенного состава, содержал еобщ 32,7 ,39,5 , 2 6,7 ,3,9 .(расчетные модельные параметры 0,8 е-3,9) и имел Тпл 1210 С, вязкость 0,07 Пас и ассимилирующую способность 8,4 мг/см 2. Результаты использования полученного флюса при проведении плавки в 160-тонных конвертерах приведены в табл. 1. Из табл. 1 видно, что применение предложенного флюса позволило интенсифицировать процесс шлакообразования и улучшить основные техникоэкономические показатели работы конвертера. Так,удельный расход чугуна снизился на 17 кг/т стали за счет снижения потерь металла со шлаком, снижения процесса искрения и уменьшения выбросов время продувки кислорода снизилось с 15 до 14,5 минут при экономии извести 7 кг/т стали расход на продувку при этом снизился с 55 до 50 м 3/т стали. Температура чугуна, оС Состав металла на повалке Температура металла, оС Состав шлака/2 Время продувки, мин Пример 2 Наиболее важными характеристиками флюса при его использовании в доменном процессе являются восстановимость по методу Похвиснева А.Н.(оптимальные значения 42-46 ) механическая прочность, выход фракций более 5 мм (ГОСТ 15137-77, 85-88 ) температурный интервал размягчения Т 70-80 С, Тконца плавления 12501280 С). Расчеты показали, что по прогнозам такими свойствами должен обладать оксидный раствор, для которого параметрыи е будут равны (0,750,78) и (-2,3)(-1,92) соответственно, а содержание основных окислов укладывается в следующие интервалы 4-6 3-6. О 2 Как уже отмечалось, в настоящее время при проведении доменной плавки в качестве шлакообразующего компонента наиболее часто используется известняк. Установлено, что если при проведении доменной плавки, включающей загрузку в доменную печь железорудных материалов, шлакообразующего компонента и твердого топлива, использовать в качестве шлакообразующего компонента, регулирующего основность доменного шлака, не известь, а ферритнокальциевый флюс, в котором от 0,12 0,022 0,007 1650 16,5 16,0 17,9 17,0 50,0 51,0 2,84 2,00 2,79 3,00 15,0 14,5 ношение (СаО)/(е 2 О 3) составляет 0,15-0,55 при содержании в нем 2 от 1 до 7 и еобщ. больше 50 , то уменьшается расход кокса, необходимого для проведения плавки, и улучшаются показатели доменного производства. Для получения флюса желаемого нами состава е 2 О 3 64 , еО 13(в пересчете на еобщ 54,8 ), 11 , 2 5,5 ,5 , (СаО/е 2 О 3 0,172, 0,76, е - 2,1) использовали шихту, состоящую из отвального шлама, окалины, смеси известняка и доломита (соотношение 11) и кокса. Концентрация 2 в отвальном шламе - 6,57 в окалине - 1,89 . Отношение еобщ/2 - 7,53 и 37,90 соответственно. Расчеты, основанные на уравнениях материального баланса, показали, что для получения 1 тонны флюса шихта должна содержать (в кг) отвального шлама- 50 Расчет суммарной концентрации 2 и отношения бщ/О 2 в железосодержащей части шихты дает значения 4,79 и 12,26 соответственно. Полученный при спекании шихты способом агломерации флюс имеет механическую прочность по выходу фракций (5) 86 , восстановимость 43 ,температурный интервал размягчения Т 70 С. Таблица 2 Состав доменной шихты Состав шихты Удельный расход, кг/т Кусковая руда Губкинский агломерат Михайловские окатыши Известняк Доломит Содержание железа в рудной части шихты,Сухой кокс Основность шлака Михайловские окатыши Комплексный флюс Содержание железа в рудной части шихты,9742 Сухой кокс Основность шлака Испытания, проведенные в производственных условиях (табл. 2), показали, что использование полученного ферритнокальциевого флюса в качестве компонента доменной шихты, регулирующего основность доменного шлака, позволило увеличить содержание неофлюсованных окатышей в шихте до 70 и получить необходимую основность шлака без добавления известняка. При этом содержание железа в рудной части шихты увеличилось на 0,9 абс. ,удельный расход рудной части шихты снизился с 1,777 до 1,759 т/т чугуна, расход кокса уменьшился на 70 кг/т чугуна. ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ 1. Ферритнокальциевый флюс, состоящий из оксидов железа, кремния, кальция, магния и других элементов, входящих в железосодержащий материал, отличающийся тем, что флюс имеет состав,стехиометрический коэффициенткоторого равен 0,75-0,82, а его химический эквивалент е равен(-4,1)-(-1,92), при этом содержание О 2 во флюсе равно 1-7 мас. . 2. Флюс по п. 1, отличающиийся тем, чтонаходится в интервале (0,78-0,82), а е - в интервале (-4,1)-(-3,8). 3. Флюс по п. 1, отличающиийся тем, чтонаходится в интервале (0,75-0,78), а е - в интервале (-2,2)-(-1,92). 600 1,05 4. Флюс по п. 1, отличающийся тем, что содержание в нем общ составляет больше 50 , а отношение СаО/2 О 3-0,15-0,55. 5. Шихта для получения ферритнокальциевого флюса, включающая железосодержащие отходы или смесь отходов металлургического передела, кальцийсодержащий материал, магнийсодержащий материал и топливо, отличающаяся тем, что в качестве железосодержащих отходов или их смеси используют материал, в котором отношение бщ/О 2 составляет не менее 11, а содержание О 2 находится в пределах от 0,5 до 5 мас. . 6. Способ ведения конвертерного процесса, отличающийся тем, что в качестве шлакообразующего компонента используют флюс по п. 2. 7. Способ ведения доменной плавки, включающий загрузку в доменную печь железорудных материалов, регулятора основности доменного шлака и твердого топлива, отличающийся тем, что в качестве регулятора основности доменного шлака используют флюс по п. 3. 8. Способ ведения доменной плавки, включающий загрузку в доменную печь железорудных материалов, шлакообразующего компонента и твердого топлива, отличающийся тем, что в качестве шлакообразующего компонента, регулирующего основность доменного шлака, используют флюс по п. 4.