автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Физико-химические и технологические особенности выплавки передельного феррохрома с использованием руд Уральского региона

РГБ ОД 1 О ФЕВ 1998

На правах рукописи

ЧЕРНОБРОВИН Виктор Павлович

ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВЫПЛАВКИ ПЕРЕДЕЛЬНОГО ФЕРРОХРОМА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РУД УРАЛЬСКОГО РЕГИОНА

Специальность 05.16.02 - металлургия черных металлов

Автореферат Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск-1997

Работа выполнена на кафедре "Физическая химия" Южно-Уральско) сударственного университета и Челябинском электрометаллургическом ю нате.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор МИХАЙЛОВ Г.Г. Научный консультант - кандидат технических наук,

доцент ПАШКЕЕВ И. Ю. Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор ТЯГУНОВ Г.В.

кандидат технических наук, профессор МАЛЬКОВ Н.В.

Ведущее предприятие: Институт металлургии УрО РАН

Защита состоится 25 февраля 1998г., в 14-00 часов, на заседании диссертационного совета Д 053.13.04 по присуждению ученых степеней _ при Южно-Уральском государственном университете. С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮУрГУ.

Адрес: 454080, г. Челябинск, пр. им. В.И.Ленина, 76,

ЮУрГУ, Ученый Совет университета, тел. 39-94-23. Факс: (3512)33-95-56

Автореферат разослан 20 января 1998г.

Ученый секретарь диссертационного совета доктор физ.-мат. наук, профессор

ЪМ^Ч^ МИРЗАЕВ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время с общим ухудшением качест-а сырья, а также в связи с утратой традиционной рудной базы, поступающие [а ферросплавные заводы России хромитовые руды характеризуются неста-¡ильным отношением МдО/АЬОз, повышенным содержанием М§0 и, в ряде лучаев, низким содержанием Сг2Оэ. Вся практика работы и теоретические ис-ледования еще в недавнем прошлом, в основном, были ориентированы на ромитовые руды кемпирсайского массива Казахстана. На Урале имеется дос-аточное количество проявлений бедных хромитовых руд, которые не рассмат-1ивались в качестве источников сырья для производства феррохрома. Разве-1аннае в Челябинской области месторождения хромитов Варшавское, В.-'фалейское и на полярном Урале Рай-Из в сочетании с импортируемыми руда-ш становятся в настоящее время сырьевой базой металлургии феррохрома. В о же время, отсутствуют сведения о поведении руд уральских месторождений гри нагреве и карботермическом восстановлении, не изучены последователь-юсть и механизм восстановительных процессов, влияние флюсующих добавок [а режим плавки, не рассмотрены процессы шлакообразования для плавок, доводимых с использованием руд местных месторождений. Использование ¡»копленной практнги ргбеты кз богатых казахских рудах для управления тех-юлогическим процессом производства передельного феррохрома из посту-[ающих руд оказалось некорректным. Все вышеперечисленное делает настоящую работу актуальной для ферросплавных заводов и производств Урала и Си-ири.

Цель работы:

1. Разработка комплекса технологических рекомендаций для использова-:ия хромовых руд уральского региона при выплавке передельного (углероди-того) феррохрома.

2. Исследование природы фазовых превращений в местных уральских ру-ах при нагреве и восстановлении.

3. Разработка математической модели зависимости свойств шлака от со-

тава.

4. Определение технико-экономических параметров плавки с использова-ием руд уральского региона.

На защиту выносятся следующие полученные результаты исследова-ий, определяющие значение работы и ее новизну:

- результаты исследования физико-химических превращений при окисли-ельном нагреве руд Рай-Из, Варшавского, В.-Уфалейского, Саратовского ме-торождений и Камбулатовского проявления на Урале, а также импортируемых уд из Казахстана и Турции;

- результаты исследования карботермического восстановления бедных и огатых руд Урала и импортируемых из Казахстана и Турции;

- результаты исследования процесса твердофазного карботермического осстановления руд с добавкой извести и определение оптимального количест-а добавки;

- результаты исследования вязкости высокомагнезиальных синтетич ских и промышленных шлаковых расплавов;

- математическое описание зависимости вязкости и температуры начш затвердевания шлаковых расплавов от состава;

- результаты и анализ работы печи при выплавке феррохрома из необ< гащенных бедных руд уральских месторождений.

Практическая ценность работы.

1. Выполнены промышленные плавки и показана рентабельность работ металлургических агрегатов при выплавке передельного феррохрома с испол зованием бедных необогащенных руд уральских месторождений. Сделан практические рекомендации работы на комбинации уральских и импортеру мых руд.

2. Получены результаты исследования превращений в рудах при окисл; тельном нагреве и карботермическом восстановлении. по методике, модел] рующей нагрев шихтовых материалов в реальных металлургических агрегатах

3. В результате исследования распада серпентина в пустой породе хром] товой руды объяснено влияние распада и возникающей при этом фазы БЮ2 I содержание кремния в конечном металле.

4. Установлен факт окисления Ре(Н) в хромитах при нагреве шихты, ч-способствует ускорению последующего восстановления.

5. Определена роль СаО в ускорении процесса карботермического во становления хромитов и найдено оптимальное количество добавки.

6. Получена математическая модель зависимости вязкости и температур начала затвердевания от состава шлака при отношении К^О/А12Оз = 3,5. Пок зано, что при отношении М§0/А120з в шлаке более 2,5 добавки БЮг практич ски не влияют на температуру начала затвердевания.

Результаты работы и вытекающие из них рекомендации нашли примен ние в практике работы ОАО ЧЭМК (Челябинский электрометаллургачесю комбинат) при выплавке передельного феррохрома. Основные научные пол жения диссертации могут быть использованы для расширения и развития пре ставлений о механизме карботермического восстановления хромитов и проце са шлакообразования при выплавке феррохрома.

Апробация работы. Основные результаты диссертации докладывались обсуждались на следующих конференциях:

1. 49-я научно-техническая конференция Челябинского государственно технического университета, Челябинск, ЧГТУ, 1997.

2. Научно-практический семинар «Проблемы окружающей среды» на м ждународной выставке «Уралэкология-97», Екатеринбург, 1997.

Результаты диссертационной работы применяются в технологии вьптла ки передельного феррохрома из руд уральских месторождений (Варшавскс В.-Уфалейское) в сочетании е рудами, импортируемыми из Турции и Казахст на.

Публикация результатов работы. По материалам диссертации опубл ковано: 1 монография, 4 статьи, 2 тезиса докладов, получен 1 патент на изоб; тение.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введе-ия, четырех глав, заключения, библиографического списка из 69 источников. Диссертация изложена на 153 страницах машинописного текста, и содержит 44 аблицы и 41 иллюстрации.

СОДЕРЖАНИЕРАБОТЫ

Характеристика руд Уральского региона

В настоящее время на ОАО ЧЭМК для производства феррохрома исполь-/ются руды не только импортируемые из Казахстана и Турции, но и бедные уды Уральского региона. Из наиболее известных крупных месторождений рала - это Сарановское месторождение. Металлургические свойства руд этого есторождения изучались, и накоплена практика применения этих руд для про-зводства феррохрома. Руды месторождений, таких как Варшавское, В.-фалейское и Рай-Из, открытое на приполярном Урале, практически не изуче-ы. В Челябинской области в 1947г. был закрыт рудник по добыче хромитов на ерблюжьегорском массиве, и с тех пор добычей и плановой разведкой хроми-зв не занимались. Таким образом, из-за ограниченного узконаправленного зучения только хромитов кемпирсайского массива Казахстана по другим ме-горождениям отсутствуют характеристики руд и их свойств, а информацией о изведанных запасах владеют только геологи. Это не позволяет планировать и эиентировать производство на устойчивое поступление сырья с какого-либо есторождения. Учитывая большой объем исследований и сложившуюся прак-1ку работы на казахских хромовых рудах, в диссертации приводится сравни-:льный анализ составов и свойств всех руд, поступающих на ОАО ЧЭМК.

В работе приводится характеристика хромсодержащего сырья для полугния высокоуглеродистого феррохрома, в которой дан анализ составов руд ме-горождений уральского региона, приведены их минералогические характери-гики, указаны запасы. Описаны руды Сарановского месторождения, месторо-дений Свердловской области, Полярного Урала (месторождение Рай-Из), Че-1бинской области (Варшавское, В.-Уфалейское, Верблгожьегорское месторож-;ния, Камбулатовское проявление), руды Башкортостана.

Хромшпинелиды основных рудных тел Актюбинского месторождения ха-истеризуются относительно постоянным составом, мас.%: 60-62 Сг203; 5-14 Ю; 11-14 МйО; 5-8 А1203; 1-8 Ре203. Отношение К203ЯЮ = 1,38-2,78. Хром-пинелиды представлены, в основном,, магаохромитом. Хромшпинелиды )альских и импортируемых руд, по данным настоящего исследования, пред-авлены хромпикотитом. В табл. 1 приведен химический анализ хромитов, по-упающих на ЧЭМК.

Таблица ]

Химический анализ хромитов

Месторождение Сг20з% ГеОовщУо АЬ03% реО% Ре20з% РеО/ТегОз

Варшавское 49,1 26,88 7,5 14,82 18,6 9,19 2,02

В.-Уфалейское 62,6 20,45 10,45 6,45 13,9 7,27 1,91

Рай-Из 62,9 13,50 14,1 8,71 6,9 7,33 0,94

Камбулнговское 58,52 20,28 10,9 9,9 16,73 9,34 4,25

Донской ГОК 62,1 13,52 14,9 9,2 11,75 1,96 5,99

Турция 61,0 14,77 13,8 10,0 12,58 2,43 5,18

Сарановское 46,6 21,39 13,2 18,0 15,0 7,1 2,11

К настоящему времени нормативная документация составлена, а исследо вания минералогического состава хромовых руд проведены, в основном, при менительно к рудам с высоким содержанием оксида хрома. Практически пол ностью отсутствуют сведения о металлургических характеристиках и минера логических данных о рудах с пониженным содержанием оксида хрома.

В табл. 2 приведен химический анализ руд уральских месторождений.

Таблица

Состав бедных хромовых руд Уральских месторождений

Тип руд Содержание, мас.%

Сг20, ТеО А12Оз СаО MgO БЮг п.л.п.

Массивные В.-Уфал ейская 27,6-37,5 10,3-14,5 10,2-17,6 1,2-2,1 18,9-25,6 9,0-22,5 до 5,83

Вкрапленные В.-Уфалейская 20,6-24,7 10,8-12,2 8,6-9,6 и--1,8 25,0-27,2 21,2-21,8 -

Вкрапленные Варшавская 25,1 --8,0 23,7-18,3 12,5-6,3 0,4-6,7 32,9-20,5 37,3-20,8 0,3-5,0

В связи со сложившейся ситуацией с рудной базой ЧЭМК и других фер

росплавных заводов России, необходимо:

• исследовать полный состав руд различных месторождений уральского регис на;

• исследовать фазовые превращения в уральских рудах при нагреве;

• исследовать особенности углетермического восстановления руд уральског региона;

• исследовать возможности ускорения процесса углетермического восстаноЕ ления этих руд;

• определить физико-химические свойства шлаков передельного феррохрома в области высоких отношений MgO/AbOj и пути управления режимом шлакообразования при нестабильном составе сырья.

В работе приводятся результаты исследований превращений в пустой породе и в хромитах при окислительном и восстановительном нагреве для 27 составов руд 7 месторождений.

Методика эксперимента

С целью уточнения строения и минералогического состава руд уральских месторождений в дополнение к химическому анализу были выполнены микро-рентгеноспектральные исследования. Экспериментально установлено, что хромиты Варшавского и В.-Уфалейского месторождений содержат AI2O5, MgO и в целом их можно отнести к хромпикотитам. Пустая порода представлена серпентином Mg6(OH)8[SMOm]. Характерной особенностью уральских руд является наличие в них оксидов серебра, меди, никеля и марганца (около 2%). Суммарное содержание последних трех определено химическим анализом. При этом легковосстановимые оксиды серебра и меди входят в состав хромитов. Методика исследования превращений в хромовых рудах основана на термовесовом анализе образцов, нагреваемых с заданной скоростью. Исследования выполнены на дериватографе Q-1500D до 1500 °С, а при более высоких температурах (до 1750 °С) - на высокотемпературной установке термовесового анализа, которая позволяла вести нагрев также с заданной скоростью. Дериватографиче-ский анализ дополнен рентгенофазовым анализом образовавшихся продуктов. Навеску измельченной руды фракции не более 100 мкм массой 1 г нагревали на воздухе со скоростью 7,5 или 15 °С/мин. Такая скорость нагрева образца соответствует скорости нагрева шихты в реальных условиях в печи 16 MB А. Карбо-термическое восстановление руды, предварительно прокаленной при 1000 °С, проводили в защитной атмосфере аргона для устранения подсоса воздуха в реакционное пространство. В соответствии с химическим анализом руду смешивали с необходимым количеством углерода для восстановления оксидов хрома, железа и образования карбидов (в эксперименте применялся аморфный углерод). Навеску перетертой шихты нагревали в тигле с крышкой под кварцевым стаканом, в котором поддерживалась защитная атмосфера аргона, постоянно подаваемого со скоростью 5-10 л/час. Образующиеся промежуточные и конечные фазы подвергались рентгенофазовому анализу на рентгеноструктурном дифрактометре ДРОН-3.

Окислительный нагрев хромовых руд

Типичные дериватограммы окислительного нагрева импортируемой и уральской руды представлены на рис. 1, 2.

Для других руд, например, Варшавского месторождения следует отметить характерные температуры разложения MgCOj - 605°С, серпентина -

те

ШГА

Хромовая руда Донской ГОК № 60402419 Т =1000°С

шах

1РЗД/МИН

'600

Выделение БЮ, при распаде серпе1пи 825 дш=3,7 мас.%

855 Раалсвкение /765 СаСО,

680

Выделение Н20 при распаде серпентина

Рис.1. Дериватограмма казахской хромовой руды. Нагрев на воздухе до 1000°С

Разложение СаСО,

Хромовая руда В.Уфалей № 64390263 Т^ЮОО'С V___„=10 град/мин

Вьшеление Н,0 при распаде серпентина

Дт=9,5 мае .Я

Рнс.2. Дериватограмма хромовой руды В.-Уфалейского месторождени; Нагрев на воздухе до 1000°С

15°С, СаС03 - 850°С, чему соответствует три пика на кривой ОТО. Фазовые ереходы сопровождаются уменьшением массы образцов до 16,25 %. Для об-азцов руды Варшавского месторождения с высокой потерей массы химиче-ким анализом установлено значительное содержание кальция и углерода. Это видетельствует о наличии карбоната кальция в руде, так как свободного угле-ода в рудах нет. В среднем же потеря массы образцов для Варшавского и В.-'фалейского месторождений составляет 7,5-8,5 % и определяется прежде всего ысоким содержанием серпентина, но в этом случае содержание карбонатов еэначительно.

Разложение карбонатов при нагреве хорошо изучено и поведение их в ру-ах не отклоняется от общих закономерностей. Высокотемпературные же пре-ращения серпентина М&(ОН)8[814Ою] и роль этих превращений в технологиче-ком процессе получения феррохрома не изучены.

В настоящей работе дериватографическими исследованиями совместно с ентгенофазовым анализом хромовых руд и природного серпентина при нагре-знии установлено, что суммарный процесс разложения серпентина сопровож-ается выделением пара воды и образованием двух новых твердых фаз МвО-БЮг и БЮ-.

М^ОНМвмОю] -»3(2МёО-8Ю2) + БЮ, + 2Н20. (1)

епловой эффект выделения воды из серпентина определен из сравнения пло-[адей пиков на кривой ОТА разложения СаСОз и серпентина: АН,т разложе-ия = 1230 кДж/кг. Температурный пик разложения серпентина с выделением )ды для различных месторождений несколько смещается, что определяется гепенью чистоты природного соединения: Варшавского месторождения - 68015 °С, Камбулатовского проявления - 685-690 °С, Сарановского - 685-690 °С. импортируемых турецких рудах разложение серпентина происходит в преде-IX 655-680 °С, а в казахских - 680-690 °С. Распад обезвоженного остатка сер-:нтина с выделением Б Юг происходит в интервале температур 820-850 °С.

При дальнейшем нагреве хромовой руды в интервале температур 1000— 500 °С в результате взаимодействия

2МеО-5Ю2 + БЮг 2(Мё08Ю2) (2)

:чезает фаза 5102, но образуется новая фаза М§ОЗЮ2 - клиноэнстатит. Па-1ллельн0 рассмотренным процессам, протекающим в пустой породе, происхо-1Т окисление хромита.

Нагрев синтезированного хромита РеСг204 показал, что начиная с 350 °С юисходит окисление Ре2+ в хромите до Ре3+, рис. 3.

При электрохимическом исследовании термодинамической прочности Я зафиксированы фазовые переходы в интервале 1050 - 1100 "С. По резуль-там электрохимических и дериватографических исследований можно предложить следующее. При окислительном нагреве руд происходит окисление юмита и дальнейшее его превращение с образованием твердого раствора :03 в Сг203.

4 РеСьО., + О? (2 Ре203 + 4 Сг203>п,оаст™ (3)

В соответствии с диаграммой состояния Ре-Сг-О и условий теомолинами-

UTC.m¿, ..,.-........ „,.«.!■«......

o

IcCr/),

чувств. DTA 0,25 mB

(Fe304),

ческой устойчивости окислительный нагрев хромита РеСг204 должен привести к смене фазовых равновесий - к переходу в твердый раствор (Те20з +

.раств.

При 1050-1100 °С происходит образование раствора Ре203 в Сг203 с перестройкой решетки исходного хромита, что и наблюдается при дериватографи-ческом анализе. Плавление руд при нагреве до 1500 °С не наблюдается, но следует отметить спекание руд В.-Уфалейского и Варшавского месторождений.

Карботермнческое восстановление хромовых руд

Скорость восстановления руд изучалась на образцах, предварительно прокаленных до температуры 1000 °С, для того, чтобы избежать наложения эффектов диссоциации. Скорость определялась по первой производной функции Дт =ХХ)« полученной на дериватограмме. В этом случае скорость восстановления представляет собой изменение содержания кислорода "в хромите в единицу времени. Восстановление руд начинается при 730-1000 °С, наибольшая скорость восстановления наблюдается при 1350-1360 °С, а наибольшая степень восстановления 97% достигаемая при 1500 °С характерна для руд месторождения Рай-Из. Для руд В.-Уфалейского месторождения характерно наличие двух пиков скоростей восстановления, что указывает на разделенные во времени две стадии процесса восстановления. Это известные процессы восстановления оксидов железа из хромита и оксида хрома с образованием карбида хрома.

Положительным качеством руд В.-Уфалейского и Варшавского месторождений является высокая степень восстановления 76% и 82% соответственно по достижении 1500 "С, при скорости восстановления не ниже импортируемых руд.

Сравнение скоростей восстановления руд месторождения Рай-Из и турецкой руды представлено на рис. 4. Восстановление казахской руды протекает медленнее и полностью не заканчивается по достижении температуры шлакообразования. Характерной особенностью восстановления В.-Уфалейской руды является появление металлического расплава при 1460 - 1480 °С, а процесс восстановления идет без образования карбидов. Восстановление казахских и турецких хромовых руд протекает через карбидную фазу.

Восстановление кремния пз хромовых руд

При производстве передельного феррохрома из руд Варшавского и В.-Уфалейского месторождений концентрация кремния в феррохроме достигает 56%, в то время как в сложившейся практике работы на казахских рудах - всего 0,6-0,9 %. Этот факт требует объяснения.

Нагрев руды в окислительных условиях сопровождается распадом серпентина при 655-850 °С с выделением воды и фазы БЮ* При дальнейшем нагреве в интервале температур 1100-1500 °С фаза БЮ2 исчезает в результате твердофаз-

ной реакции с форстеритом (21^0 • БЮ2), и образуется новая фаза клиноэнст, тит (М§0 • в Юг)- Однако, в восстановительных процессах фаза 5Ю2) выдели; шаяся в результате распада серпентина, вступает во взаимодействие с восстанов] телем. Выделившаяся мелкодисперсная фаза БЮг обладает повышенной реакш онной способностью, поэтому процесс ее восстановления протекает достаток легко в области низких температур 1280-1500 °С. На рис. 5 представлено сравн* ние скоростей восстановления серпентина и бакальского кварцита.

Рис. 4. Скорость восстановления турецкой хромовой руды и руды месторождения Рай-Из: 1 - турецкая хромовая руда; 2 - руда месторождения Рай-Из

Рис. 5. Скорость восстановления серпентина и бакальского кварцита: 1 - серпентин; 2 - бакальский кварцит

Снижение скорости восстановления серпентина при 1500 °С следует объяснить полным восстановлением активной фазы БЮг, и дальнейшее восстановление ЭЮ2 идет из оставшегося магниевого силиката. Именно то, что серпентин восстанавливается с большой скоростью, в 3-4 раза большей чем у кварцита, в области низких температур, а также высокое содержание его в бедных рудах В.-Уфалейского и Варшавского месторождений в сочетании с появлением металлического расплава при 1460-1480 °С объясняет повышенное содержание кремния (5-6%) в передельном феррохроме, выплавляемом из этих руд. В свою очередь высокое содержание кремния в металле снижает растворимость в нем углерода.

Влияние добавок СаО на восстан овлен и е хромовых руд

Данные о влиянии СаО на процесс восстановления при производстве углеродистого и передельного феррохрома отсутствуют.

В настоящей работе изучалось влияние добавки СаО на карботермиче-ское восстановление турецкой руды. Для этой цели в навеску шихты, состоящую из прокаленной при 1000 °С руды и графита добавляли предварительно прокаленный СаО. В каждом опыте исходное содержание (Сг203 + РеО) оставалось постоянным, а увеличивалось только содержание СаО, Результаты исследований представлены на рис.б.Добавки СаО в шихту увеличивают степень восстановления хромита и при нагреве со скоростью 15 "С/мин степень восстановления увеличивается на 12% по достижении 1500 °С. Увеличение дополнительно на 12% степени восстановления дает 15-минутная выдержка при этой температуре. Определено оптимальное количество добавки СаО- 5,5-6,0% от массы хромита в руде. Характерно, что начало интенсивного восстановления руды с добавлением СаО сдвигается в область низких температур. Как было показано ранее, при нагреве руды происходит окисление РеО до Ре20з и образование твердого раствора Ре203 в Сг203. Наличие СаО в шихте приводит к образованию феррита кальция. Оксид железа Ре203 с СаО образует ряд ферритов, из которых только СаРе204 может находиться в равновесии с СаО, т.е. должна быть предельная концентрация вводимой добавки СаО. Эта оптимальная концентрация определялась по излому на графике а,% = / (СаО/(Сг2Оз+РеО)), где к.% - степень восстановления. При выделении образовавшегося феррита кальция из раствора (Ре203 + Сг2Оз)тр происходит обогащение раствора оксидом хрома. Последнее приводит к возрастанию термодинамической активности Сг20з и увеличению скорости восстановления. В результате и высокотемпературная стадия восстановления несколько смещается в сторону пониженных температур. *

30 !--1-1--¡-1-1-——

О 0.02 0.04 0,06 ОМ Cao '

Cr¡Q¡+FeO

Рис. 6. Влияние добавок СаО на углетермическое восстановление турецкой руды при нагреве до 1500 °С со скоростью 15 град/мин: U¡ - степень восстановления руды по достижении 1500 °С; а2 - степень восстановления руды с 15-минутной изотермической выдержкой при 1500 °С;

Исследование вязкости и определение температуры затвердевания расплавов систем! Mg0-Ab03-Si02 и шлаков передельного феррохрома

При выплавке феррохрома приходится в настоящее время работать с шлаковыми расплавами, для которых отсутствует информация о вязкости температуре начала затвердевания. Отношение MgO/АЬОз в шлаках, если ош нивать по химическому составу руд, может достигать 3—3,5, а в некоторых сл; чаях 4,1.

Анализ литературных данных по исследованию свойств шлаков произволе ва углеродистого феррохрома и расплавов системы Mg0-Al203-S¡02, показал, m математического описания связи состава шпака с его вязкостными свойствами не Все результаты и выводы относятся только к определенным составам шлаков и hi сят качественный характер.

Целью данного раздела работы является изучение вязкости и температур затвердевания синтетических шлаков системы MgO-AljQrSiOj, близких по соста! к современным шлакам производства углеродистого феррохрома, и получению м тематической зависимости вязкости и температуры начала затвердевания шлака <

его состава в виде полинома и-ой степени:

у= ¿fe + , ' (■

I

"де у - параметр оптимизации шлака (вязкость и температура начала затверде-$ания);х, - процентное содержание компонентов; Ь\ - коэффициенты полинома, сарактеризующие влияние компонента шлака на параметр оптимизации; Ьц • соэффициенты парного взаимодействия компонентов.

Для исследования вязкости оксидных расплавов в работе применялся ам-шиудный вариант вибрационного метода. Он заключался в определении вяз-сости расплава по изменению амплитуды колебаний погруженного в расплав «мерительного зонда вискозиметра при фиксированной частоте. Политермы шкости расплавов исследованных составов представлены на рис. 7, 8. Температура начала затвердевания расплавов (Тта) определялась по политермам вяз-сости и проверялась для некоторых составов на высокотемпературной установ-се термического анализа.

Таблица 3

Условия проведения полного факторного эксперимента ПФЭ 24

по исследованию вязкости шлаков

Факторы, параметры оптимизации БЮз, % Ре203, % Ыа20, % СаО, % 1680-С Ю-'-Па-с т °г 1 затв, ^

X» У! х| х2 х3 Х4 У1 У2

Хо 36,0 2,0 0,2 2,0

Дх| 2,5 0,5 0,1 1,0

+1 38,5 2,5 0,3 3,0

-1 33,5 1,5 0,1 1,0

^О = 44,0 %; А1203 = 12,8 %; Сг203 = 3,0 %, MgO / А1,03= 3,5

По экспериментальным результатам определены коэффициенты линей-юй части полинома (4)

= 12,6 - 0,6л, + 0,26х2 + 0,43*3 + 0,13*4, (5)

ДА,=±0,13,

де У1 - вязкость расплавов,Па-с Проверка математической модели по С и Р — ;ритериям показала адекватность модели. Аналогично определена зависимость емпературы начала затвердевания расплавов от состава.

у2 = 1624 - 26л:, +1,0^2 - 6,2х3 -19,3х4, (6)

Д6,=±0,83,

де у 2 - температура начала затвердевания расплавов. После приведения ко-ффициентов уравнения (6) к Дхг=1%, получили изменение величины темпера-уры начала затвердевания от состава при изменении концентрации компонен-ов на 1%.

Ауг = -1,0х, + 02х2 - 6,0*3 ~ !'9х4- (7)

Рис. 7. Полнтермы вязкости. Цифры у кривых соответствуют номеру в таблице 4.

Рис. 8. Политермы вязкости. Цифры у кривых соответствуют номеру в таблице 4.

Таблица 4

Условия проведения и результаты эксперимента ПФЭ 24 _

№ 8!02, % Ре2Оз, % Ыа20, % СаО, % 1680°С п т °г л за ТВ) т т 1 затв, ^

10"'-Па-с поБТА по П =яп

1 38.5 2,5 0,3 3,0 13,2 1525

2 33,5 2,5 0,3 3,0 14,1 1640

3 38,5 1,5 0,3 3,0 12,3 1545 1545

4 33,5 1,5 0,3 3,0 14,6 1657

5 38,5 2,5 0,1 3,0 10,6 1654

6 33,5 2,5 0,1 3,0 13,2 1639 1633

7 38,5 1,5 0,1 3,0 9,9 1552

8 33,5 1,5 0,1 3,0 11,8 1631

9 38,5 2,5 0,3 1,0 13,6 1615 1614

10 33,5 2,5 0,3 1,0 14,1 1638

11 38,5 1,5 03 1,0 11,0 1649 1648

12 33,5 1,5 0,3 1,0 113 1663

13 38,5 2,5 0,1 1,0 12,6 1632

14 33,5 2,5 0,1 1,0 11,4 1652 1652

15 38,5 1,5 од 1,0 12,8 1614

16 33,5 1,5 0,1 1,0 14,9 1673

17 36,0 2,0 од 2,0 11,1 1648

18 36,0 2,0 0,2 2,0 10,8 1650

19 36,0 2,0 0,2 2,0 10,5 1642 1645

а1,03

Рис. 9. Зависимость температуры начала затвердевания расплавов системы М^ - А120з - БК^ от состава

На высокотемпературной установке термического анализа определена завис! мость температуры затвердевания расплавов системы MgO-AKC^-SiCb от с< ставов шлаков передельного феррохрома рис. 9. Из рис. 9 видно, что влият концентрации SiC>2 на Гзатв расплавов для отношений Mg0/Al203=l,0-1,5 MgO/AbOi=2,5-3,3 совершенно различное, то есть в области высоких отнош! ний MgO/АЬОз регулирование Тут путем добавки SiOj в шихту малоэффекти] но.

Промышленная выплавка передельного феррохрома с использованием руд уральских месторождений

Освоение выплавки высокоуглеродистого феррохрома с использованием Е Уфалейской и Варшавской хромовых руд проводили на промышленной nei мощностью 30 МВА, а последующее производство на печи мощностью 16,5 MB; Уфалейская хромовая руда характеризуется повышенным содержанием ока дов кальция и кремния, что делает эту руду в отличие от хромовой руды До! ского ГОКа природнофлюсованной. Оксид кальция при использовании Уф лейской руды, в дополнение к разрушению хромитов, по-видимому, позволя! также разрушать кремнеземистый барьер на поверхности кусков хромшпин лидов, и этим способствует ускорению процесса восстановления хрома и жел за из руды за счет перевода восстанавливаемых оксидов в шлаковый расплав, котором процессы протекают с большей скоростью, чем в твердом хромшпин лиде. Оксид кальция так же образует феррит кальция, связывая трехвалентн< железо в хромите, что способствует распаду хромита и увеличению скорое восстановления. Выплавка углеродистого феррохрома с использованием ру,а Варшавского месторождения возможна с получением сплава с пониженным с держанием хрома. Для получения марочного состава феррохрома необходи!* добавка либо богатых руд, либо хромистых отходов.

Практика производства высокоуглеродистого феррохрома показала, ч-использование местных хромовых руд В.-Уфалейского и Варшавского мест рождений характеризуется достаточной рентабельностью в сравнении с туре кой или казахской рудами за счет более низкой стоимости руды. Повышенш затраты на электроэнергию и технологические расходы компенсируются сн жением стоимости руды и интенсификацией процесса плавки, а также сни» нием потерь хрома за счет подбора оптимального состава шлака, в частност по содержанию СаО. Стоимость рудной части шихты при выплавке феррохр ма на уральских рудах меньше, чем при использовании казахской руды, и с ставляет 26,26% и 53,10% соответственно. Основной расходной статьей npoi водства феррохрома при обоих видах используемых хромовых руд остает электроэнергия 66,25% на местной руде и 63,59% на казахской. Однако, в i лом, себестоимость высокоуглеродастого феррохрома, выплавляемого на ме< ных рудах, снизилась на 10,02% по сравнению с феррохромом, выплавляем! из импортируемой казахской руды.

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Исследована возможность использования бедных хромовых руд ураль-шх месторождений для выплавки углеродистого и передельного феррохрома, (пределены физико-химические и технологические параметры процессов вос-гановительной плавки хромовых руд различных месторождений.

2. Исследованы превращения, протекающие в хромитах и пустой поро-е, при окислительном нагреве руд уральских месторождений и импортируе-ых из Казахстана и Турции. Установлено, что при нагреве происходит распад грпентина Мц6(ОН)8[3'14От] в интервале температур 655 - 690 °С - с выделе-ием водяного пара; в интервале 820 - 840 °С — легковосстановимой фазы Юз, а также разложение карбонатов магния и кальция, присутствующих в ру-ах в различных количествах. При этом параллельно протекает процесс окис-гния хромита.

3. Определена температура начала окисления хромита (350 °С). Установ-гны ступенчатый характер окисления РеО в хромите до Ре203 и последующий аспад исходного хромита с образованием твердого раствора (Те^О, + Сг203).

4. В восстановительных условиях повышенное количество серпентина в удах, его распад с выделением легковосстановимой в низкотемпературной об-1ста фазы ЗЮ2 в сочетании с появлением при 1450-1480 °С жидкого металла пределяют повышенное содержание (4-5 мас.%) в передельном феррохроме ри использовании руд Варшавского и В.-Уфалейского месторождений.

5. Впервые выполнен сравнительный анализ скоростей карботермическо-> восстановления хромовых руд уральских месторождений и импортируемых i Казахстана и Турции. Наибольшей скоростью восстановления обладают рул уральских месторождений. При этом скорость их восстановления в 2-2,5 ш выше скорости восстановления импортируемых руд. Восстановление руд аршавского и В.-Уфалейского месторождений протекает с появлением метал-«еского расплава, в то время как восстановление импортируемых руд из Ка-хстана и Турции характеризуется появлением при этих температурах карбидах фаз. Наибольшей скоростью восстановления из уральских руд с повышения содержанием СьОз обладают руды месторождения Рай-Из.

6. Установлено, что добавки СаО способствуют распаду хромитов с об-□ованием ферритов кальция. Наибольшую скорость карботермического вос-•ановления наблюдается при оптимальной добавке СаО в количестве 5,5-6,0 1с.% от суммарного содержания РеО и Сг203 в рудах. При этом СаО и хромо-1Я руда должны быть в измельченном виде, так как взаимодействие между нил идет в твердой фазе.

7. Исследована вязкость расплавов системы М§0-А120з-5Ю2 для отно-ения М§0/А120з = 3,5 и определена количественная зависимость влияния «центрации БЮ2, Ре20з, Ма20 и СаО в оксидных расплавах на их вязкость и мпературу начала затвердевания. Установлено, что введение БЮз в оксидные сплавы для снижения температуры затвердевания шлаков при отношении дО/АЬОз > 2.5 не эффективно.

В. Определены технико-экономические показатели работы рудовосстано-вительных печей при использовании хромовых руд месторождений Челябинской области для производства феррохрома. Обоснована экономическая целесообразность применения руд Варшавского и В.-Уфалейского месторождений для выплавки передельного и углеродистого феррохрома на ОАО ЧЭМК.

ПУБЛИКАЦИИ

1. Чернобровин В.П., Пашкеев АК, Михайлов ГГ. Определение температуры затвердевания высокомагнезиальных шлаков производства углеродистого феррохроме / Известия вузов. Черная металлургия. -1997. - № 5. - С.25-27.

2. Чернобровин В.Г1 и др. Исследование технологических свойств хромовых руд южно-уральских месторождений И Черная металлургия: научные проблемы и технические решения. Сб. научн. тр. / В.П. Чернобровин, Г.Г. Михайлов, И.Ю. Пашкеев, МВ. Судариков, Н.В. Герасимова - Челябинск: Изд-во ЧГТУ, 1997. - С.137-148.

3. Чернобровин В.П., Михайлов Г.Г., Пашкеев И.Ю., Пашкеев А.И. Исследова ние вязкости и температуры затвердевания высокомагнезиальных расплавсн системы М£0-А1г0з-8Ю2 с добавками оксидов натрия и кальция И Высокотем пературные расплавы. - 1997.1. - С.47-53.

4. Чернобровин В.П., Зайко В.П., Михайлов Г.Г. Разработка и внедрение ресур сосберегающей технологии получения высокоуглеродистого (передельного феррохрома с использованием хромсодержащего сырья // Проблемы охрань окружающей среды. Тезисы докладов научно-практического семинара на меж дународной выставке «Уралэкология - 97». - Екатфинбург: УрО РАН, 1997. -С.72.

5. Чернобровин В.П., Михайлов ГГ., Хан АЛЗ., Строганов АИ. Состояние и пёр с пектины производства хромистых сплавов в условиях челябинского электрометал лургического комбината. -Челябинск: Изд-во ЧГТУ, 1997. - 224 с.