автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка технологии получения комплексных кальций- и барийсодержащих сплавов с использованием доменного шлака и некондиционных материалов

УРАЛЬСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ им. С.М. КИРОВА

БОРОДАЕНКО Людмила Никитична

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ ПОЛУЧЕНИЯ КОМПЛЕКСНЫХ КАЛЬЦИЙ-И БАРИЙСОДЕРЖАЩИХ СПЛАВОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ДОМЕННОГО ШЛАКА И НЕКОНДИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

Специальность 05.16.02-Металлургия черных

металлов

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

УДК 669.168

Свердловск-1990

Работа выполнена в Химико-металлургическом институте АН Казахской ССР и на Ермаковскоы заводе ферросплавов.

Научный руководитель: кандидат технических наук, старший

научный сотрудник Таненов Т.Д. Официальные оппоненты: доктор технических наук, старший

Ведущее предприятие: Челябинский электромзталлургический

комбинат иы. В.И.Ленина

на заоеданин специализированного сонета Д 063.14,01 в Уральском политехническом институте иы. С.Н.Кирова.

Отзывы в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью, прооии направлять по адресу: 620002, г.Свердловск, К-2, ул.Мира, 19, УПИ, ученому секретари специализированного совета Д 063.14.01

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке УПИ икиС.М.Ки

рова.

научный сотрудник Воробьев В.П.; кандидат технических наук, доцент Павлов В.А.

Защита состовтоя

■■ ¿9 .. ^¡РЛд/гЛ^-

1990 г. в

Автореферат разослан

Ученый секретарь специализированного совета, доктор технических наук, профессор

5 ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЬ

Актуальность работы. Согласно решениям ХХУП съезда НПСС и последующих пленумов ЦК КПСС, главная линия развития черной металлургии в СССР - значительное увеличение производства высококачественного металла и эффективных видов металлопродукции,обеспечиваемое ростом выплавки ферросплавов, и том числе комплексных кремнистых сплавов со щелочноземельными металлами (ЩЗМ), которые позволяют повысить механические и эксплуатационные свойства металлоизделий и экономить металл. Однако использование этих сплавов ограничено иысокой стоимостью, сложностью тихнологии. Поэтому Актуальна проблема разработки рациональной технологии получения эффективных комплексных ферросплавов, содержащих кальций и барий, . В настоящей работе предложена технология получения алюмокремнистых сплавов с кальцием (ФАСК) и с кальцием и барием (ФАСКБа) с использованием в шихте некондиционна материалов (баритов и выеокозольных каменных углей) и отходов производства (доменного шлака). Работа выполнялась по пленам Химико-металлургического института АН КаэССР, в том числе по Постановлениям ГКНТ СССР У 170 от 23 апреля 1975г. и Госплана СССР № 5В от 28 апреля 1987 г., а также по координации ЫЧМ СССР в период 1976-1960 г.г.

Цель работы. Основная цель заключалась в разработке малоотходной технологии получения комплексных ферросплавов с кальцием и барием углевоссгановитрчьным способом из недефицитного сырья, включая отходы производства (доменный шлак) и некондиционные материалы (баритовые руды и высокозольные углеродистые восстановители) с расширением сырьевой базы ферросплавного производства. Для реализации цгли выполнены задачи:

- рациональный выбор исходных сырьевых материаюв с обоснованием состава целчвых комплексных ферросплавов: ферроалюмосшшко-

кальция (SACK) и - с барием (ФАСКБа);

- установление оптимальных параметров карбоэлактротермическо-го процаоса: состава шихты и удельных расходных коэффициентов шихтовых материалов и электроэнергии, а также электрического режима;

- анализ и обоснование шлакового рекима опытных технологий;

- выявление физико-химических закономерностей формирования и особенности структуры опытных сплавов ИСК и ФАСКБа;

- использование опытных сплавов в производстве стали.

Методы исследований. Кинетика углевосстановительнаго процесса

получения сплава SACK изучалась газсобьемным методом. Температура плавления опытных сплавов определялась аналитически из данных химсостава. Плотность их - гидростатическим способом. Соотношения вторичных компонентов в шлаках электротермии сплавов ФАСК и ФАСКБа, а такие диаграммы фазового состава последних установлены термодинамически-диаграммным анализом 1ТДЛ), Микроструктура их изучалась металлографическим, рентгеноструктурныы и микрорентгеноспектраль-ньш методами. ИШакоиый режим электротермии изучали методам отбора проб, их анализа и замерами температуры в ванне электропечи. Технологические испытания выплавки и использования опышых солавое проводили на лабораторных, полупромышленных и промышленных агрегатах Химико-металлургического института АН КазССР (ХМИ), Ермаковс-кого завода ферросплавов СЕЗФ),Карагандинского и Кузнецкого металлургических комбинатов (КарМК и КМК), Волгоградского завода "Красный Октябрь", Новокарагаид!' ского машиностроительного завода (НЮ©).

Научная новизна. Показана роль шлаковой фазы при электротермии сплава ферроалюмосиликокальция с использованием в шихте доменного шлака. Кинетическими и петрографическими исследованиями установлено, что активные элементы (Si , Са , AI ) восстанавливаются из сложных оксидов. С учетом данных диаграммы фазового состава

системы CaO - ЛI, Ол - SiOt , а тшото результатов эсшдирор&ния и термодинамических исследований показана последовательность возможных . взаимодействий в печных шлаках. Установлено рациональное коли'гестоо кварцита в ¡л; we, оэпмгатауощоа 50-78? кремнезема в ней, что обеспечивает условия восстановления кремния и формирования опытных сплавйв.

Впервые построены диаграммы фазового состава оксидных систем, базовых для шлаков плавки ЗАСК и SACKEa, использованные для обоснования интенсификации производства форроалпмосиликокальция введением в шихту баритовых руд. Посредством данных диаграмм состояния металлических систем, металлографического, рентгеноструктурного и микрорентген спектрального методов анализа изучена структура опытных сплавов. Выявлено, что активные элементы сплавов связаны в сложные ингерметаллиды, благоприятные для внепечной обработки стали.

Полученное данные - новый вклад в теорию и практику электротермии комплексных сплавов с щелочноземельными металлами ( Ca,Ba).

Практическая ценность. Разработаны технологии электротермии комплексных сплавов «АСК (а.с.СССР У 675035) и «АСКБа (а.с.СССР $ 1206329) малошлаковым способом из пихты, включающей доменный шлак, баритовые руды и высокозольныа восстановители: каменный уголь (А°»Зо-4(Ш и полукокс (А0« 30JS), позволяющие повысить экономику металлургической и горнодобывающей отраслей народного хозяйства и разрешить экологические вопросы. Применение опытных сплавов в производстве стали помимо снижения угара кремния и расхода чушкового алюминия улучшает структуру и пластические свойства опытного металла.

Основные пояснения диссертационной работы доложены и обсуждены на У научно-технической конференции молодых специалистов КерМК по повышенно эффективности производства и качества пподукции (г.Темиргау, 1976); научно-технических конференциях: республиквнс-

б.

кой но охране природы и рациональному использованию природных ресурсов (г.Караганда, 1977); областной - по рациональному использовании промшлешшх отходив в регионе (г.Караганда, 196-1); Ы и У1 Всесоюзных конференциях по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов (г.Свердловск, 1978, 19Ьо); Всесоюзном научно-техническом совещании ло повышению качества и эффективности производства' ферросплавов Сг.Челябинск, 1у7у)У УП Всесоюзном угольном совещании по ресурсам твердых горючих ископаемых, их увеличению и комплексному рациональномц использованию (г.Ростов-на-Дону, 1981.); У Республиканской научно-технической конференции ферросплавщиков Украины по комплексному использованию сырья и вторичных ресурсов н электротермии ферросплавов (г.Днепропетровск, 1982); П региональной научно-технической конференции по комплексному использовании руд Лисаковского месторождения (г.Темиртау, 1982); П Всесоюзной конференции по комплексному использованию руд и концентратов (г.Москва, 1983); Всесоюзном семинаре по комплексному использованию металлургического сырья и отходов в черной металлургии (г.Москва, 1984); научно-техническом семинаре по улучшению качества металла и его ¡экономии в литейном производстве за счет применения новых модификаторов для серого и высокопрочного чугуна (г.Челябинск, 1984); региональной научно-технической конференции литейщиков по технологическим процессам, обеспечивающим увеличение производительности труда и улучшение качества отливок (г.Караганда, 1986); УП Всесоюзном совещании ферросплавщиков (г.Челябинск,1907); Всесоюзной конференции по физико-химш процессов восстановления металлов (г.Днепропетровск, 1988).

По теме диссертации опубликовано 18 научных работ, из них 2 авторских свидетельства.

На защиту автор выносит: I. Результаты теоретических, экспериментальных и технологических исследований, направленна* на раз-

работку электротермии комплексных сплавов с активными элементами ( Са , Ва), включающие в качестве основных составляющих:

- диаграммы фазового состава оксидных и металлических систем, базовых для шлаков опытных технологий и сплавов;

- данные кинетических и термодинамических исследований восстановления ферроашомосиликокальция из оксидньй материалов;

- физико-химические характеристики опытных SACK и ФАСНБа;

- использование данных фазовых соотношений в модельных оксидных системах, состава таков и температур в ванне электропечи для анализа шлакового режима опытных технологий.

2. Новые технические решения в области электротермии комплексных сплавов с щелочноземельные элементами, включающие:

- использование отходов производства (доменного шлака) и высокозольных (35-4QS золы) каменных углой для получения ферроалюмо-силикокальция - сплава SACK (авт.свид.СССР - 675085);

- введение в ыгасту баритовых руд с получен, jm комплексного раснислителя-модифинатора с кальцием и барием - сплава ФАСКБа, исключающее применение дефицитной железной стружки (авт.свид.СССР » 1206329).

3. Результаты разработок технологии получения комплексных кремнийсодеряацих сплавов с кальцием и барием (ФАСК и ФАСКБа) и применения их для раскисления и модифицирования столл, обеспечивающие экономический эффект.

Структура и объем работы. Диссертация изложена на 123 страницах машинописного текста, включает введение, пять глав, заключение и приложения с технико-экономической оценкой предлагаемых разработок; содержит 26 рисунков, 23 таблицы, список литеватуры включает 177 наикенОьаний.

ОСНОВНОЕ СОДЕРШИЕ РАЮШ

В первой главе рассмотрено состояние вопроса использования и производства комплексных ферросплавов со щелочноземельными металлами - кальцием и барием, пригодных для внепечной обработки металла. Показано, что наиболее эффективны сплавы с содержанием кальция до 1% к бярия 10—205?. Барий усиливает раскисляющие и модифицирующие свойства Кальция, поешая эффективность и технологичность применения комплексных сплавов, которые способствуют образованию в мет&ч-ле мелких глобулярных включений, положительно влияющих на ее эксплуатационные свойства. Преимущества применения их реализуются при правильном подборе композиций сплава при большой концентрации ведущих элементов и высоком их извлечении. Рекомендовано получать сплавы с массовым отношением бария к кальцию, равным 1:3 - 3:1.

Доказано, что имеются резервы по совершенствованию электротермии (снижение энерго- и трудоемкости, использование недефицитного сырья) сплавов с барием и кальцием, широкое применение которых в производстве чугуна и стели сдерживается отсутствием рациональных технологий их производства. Поэтому рассмотрен вопрос о возможности использования доменного шлака и высокозольных каменных углей Карагандинского и Экибастузского бясрейнов как полиметаллического сырья для электротермии ашомокремнистых сплавов с кальцием (ФАСК) и с кальцием и барием (ФАСКБа), что актуально как в плане производства эффективных раскислителей и модификаторов нового поколения, так и с позиций санитарно-гигиенических и экологических вопросов, связанннх с утилизацией отходов производства (доменного шлака) и некондиционных материалов (высокозольных углей), а также расширения сырьевой базы страны. Характеристика и области применения последних обсуждены и рекомендовано использовать доменный шлак основностью 1,0 и угли зольностью 35-40$.

. С учетом изложенного поставлены задачи исследований.

Вторая глава посвгсцена теоретическому обосновали*) производства сплавов SACK и ФАСКБа. Представлены результаты термодинамически-диаграммного анализа (ТДА) системы FeQ-ВаО- Са0-А1,0,-Ы0 и ее подсистем FcO-taO-AltQy-SiOj , BaO-CaO• А1г0,- SiOt , базовых для шлаков плавки опытных сплавов, и построены диаграммы фазового состава этих систем с, соответственно, 40,23 к 26 областями равновесно сосуществующих оксидов. Вьделены квазисистемы, включалщио возможную троекторио изменения состава шлаков электротермии опытных сплавов. Исходная анхта для выплавки ФАСК с легкоплавким (Тпл.I573K) доменным таком, составлявши 1/3 минеральной части ее, образует на базе этого шлака первичный расплав (39,5»0, ; 44,0?ё СаО ; 16,8% Ait0j )состава области тройной эвтектики квазисистемы CS-- CAS, - СгА$ { A-AljOjfC'CaO, ), где не обеспечиваются

условия восстановления кремния (рис.1а).

Освоение кварцита первичным расплавом повышает тугоплавкость шлаков выведением их из области эвтектики за счет снижения содержания галенита и повышения - анортита и волластонита с дальнейшим переходом шлака в кваэисистему S-CS-£AS?. Температура разогрева печных шлаков достигает I923-2073K против I643K (начало восстановления кремния). Для этого кремнезема в шихте должно быть в количестве 50-78Х по массе: верхний предел (с учетом - 13% SiC в промежуточных олаках) соответствует составу тройной эвтектики квазисистемы 5-CS-CAS,, а нижний - исходя1 из содержания Si02 по конноде CS-CAS3 присутствии железно» стружки теоретическая температура начала восстановления кремнии,. койденная с учетом энергий взаимообмена компонентов металлического расплава на 143° Hvur.e, чем из свободного диоксида. Согласно этому кремний активно восстанавливается из расплавов квазисистемы S-C$-CASV что переводит состав шлака в квазисистему CS - CASt'C^A^.

Рис.1. Траектория изменения состава печных шлаков электротермии сплавов САСК (а) и ФАСКБа (б"

Преимущественное восстановление волластонита определяет тенденцию перехода шлаков в квазисистему С$-Сг5-С1Л$ и дальнейшее завершение процесса в (сы.рисЛа).

Восстановление алюминия и кальция углеродом возможно в средних горизонтах печи при 2120К (на 200-300° ниже, чем из свободных оксидов) согласно:

1/3 Д,$г + С5 + С* - 2/3 СА$3 * А1 * с„0 (I) 4 СБ + А^г + Су - 3 САЬг + Са СцО (2)

В квазисистемах СВ-Сг$-СгА$>,Сг$-СгА$-СА рост доли оксида алюмиьия в шихте увеличивает в шлаке содержание геленита и снижает - ларнига. Последнее наблюдается и при увеличении доли кремне-

зема в шихте, что позитивно влияет на стабилизацию ггроцосса, в частности, ввиду снижения возможной гетерогенности шлака из-за ларнита с температурой плаалекия 2403К.

Проведенный анализ возможной траектории изменения состава печных шлаков хороао согласуется с донными отбора проб и замершли температуры пианов при электротермии сплава SACK

Показано,vчто восстановление крешия из конденсированного его монооксида углародом возможно при температуре на 77° выше начала его ыоестяноменил из диоксида в присутствии железной стружки. Восстановление кремнезема углеродом такие предпочтительнее, чем карбидом, что справедливо и для силикатов и способствует накоплению карбида кремния в шаках и печи в виде гарнйссажа.

Шлаки производства 5АСКБа с учетом образования соединений бария модачирумтся по этапам процесса квазисистемами (рис.16):

С}$-СгА5-СА-ВА (У). Возмогшие взаимодействия по ходу изменения состава илька при производстве SACK сохраняя? силу и при электротермии ЭАСКБа, поскольку по этапом плавки его шлаки содержат те же конгруэнтные соединения, что и илаки SACK и барийсодертащий компонент.

В'квазясиствмах CS-CAS,SrtSt, CS•СА5г~ BASt образуются непрерывные растворы на основе цадьзиана и анортита с температурой ликвидус, повышающейся с ростом содержания цельзивна,что увеличивает температуру „ печи. По замерам температура шлака при выплавке ФАСКБа на уровнях до 600 мм ст колошника на 60-90° выше, чей для 5АСК. Для квазисисгемы CS • CtS -СгА$- 8А$} характерно сосуществование цельзиана-и геленита. Последний с ларнитом и анортитом образует эвтектики, что закономерно и для систем геленит-цельзиан, лариит-цельдиан. Это обусловливает снижение температуры процесса к выпуску'по сравнению с плавкой SACK на 120-150° (по дан-

нш практики). Выявлен mint, переходный к прогнозируемому этапу У на основе ларнита и цельэйана ('"ЭО^) с отношением 3:4, что соответствует. возможному составу эвтектики и объясняет низкотемпературный ход заключительной стадии плавки.

Силикаты бария образуются из его сульфата в присутствии кремнезема при I773-I873K и энергично воссталесливаятся углеродом в высокопрочный силицид, т.к. температура начала этого процесса равна I473K. Указанное существенно облегчает карботермшо ФАСКБа ввиду растворимости в кем кальция к алюминия. Снижение температуры начала восстановления компонентов опытного сплава на сотни градусов при применении барийсодержащик материалов позволяет исключить из шихты дефицитную железную стружку.

Приведены результаты исследования кинетики восстановления шихты для выплавки ВДСК, Опиты проводились газообъемньм методом в изотермическом режиме при температурах 1773-2I73K с шагом 100°. Продукты опытов анализировались химическим, петрографическим и рент-геноструктурным методами. Восстановление интенсивно в первые 12 минут, а через 20-25 минут практически прекращается. Для изменения скорости восстановления во времени характерен относительно сглаженный максимум. При низких (1773-Ш73К) температурах максимум более размыт, а при высоких (I973-2I73K) - ярко выражен,т.е. кремний, кальций и иддляиий интенсивно восстанавливаются практически с I973K Скорость восстановления при 2I73K в ,4 раза выше, чем при I773K,соответственно степень восстановления с повышением температуры резко растет и при 2I73K достигает 80$ через 12 минут. Кажущаяся энергия

активации суммарного процесса восстановления в интервале 1773 -

i

2I73K равна (326-384)^(25-30) кДк/моль. Согласно данным кинетических исследований влияние температуры на скорость и степень восстановления при карботермии SACK значительно.

Петрографическим анализом термообработанной шихты показано,

IJ.

что .уже при 177Ж углерод взаимодействует с кремнеземом с образованием мелкодисперсного карбида кремния. При I873K выявлены мелки« корольки металла и зерна карбида кремния на границе уголь-шлак. При 197ЗК в массе стекла рентгеноструктурно обнаружены ран-кинит и муллит, а на поверхности контакта восстановителя со ишаком - корольки металла, зерна и агрегаты карбида кремния. При Z073K и 2Г/ЗК в шлаке найдены корольки металла с достаточно высоким содержанием кремния, кальция, вломиния и муллит. Указанное согласуется с данными по карботермии комплексных ферросплавов с ЩЗМ (Кожевников Г.Н., Рябчиков И.В..Жучков В.И. и др.) и возможными превращениями в шлаках электротермии сплава ÍACK, полученными на основе ТДА оксидной системы. Устойчивые при высоких температурах анортит, геленит, волластонит, ларнит выяьить оптически не удалось из-за нераскристаллизованности стекловидного шлака.

В трегьей главе изложены результаты крупнолабораторных и опьггно-промишленных испытаний выплавки сплава ФАСК с использованием в шихте доменного шлака и высокозольных каменных углей Карагандинского и Экибастузского угольных бассейнов.

Проведено две серии крупнолабораторных плавок ферроалюмосили-кокальция в однофазной электропечи мощностью 200 кВа на шихте, включающей доменный шлак Карагандинского металлургического комбината (Кар!Ж) основноетью 1,0, железную стружку (первая серия) или железную руду Атасуйского месторождения (вторая серия) и экибас-гузский уголь. Первая серил плавок выявила принципиальную возможность получения целевого сплава из шихты с доменным шлаком. Вторая серия плавок, с содержанием железа в сплаве вдвое меньшем, чем в первой (28,против ¿9,3%), позволила установить линейную зависимость концентраций кальция и алюминия от кремния и железа в сплаве {% по массе) с коэф^щиентами корреляции 0,87; 0,88.

Огносительно стабильный химсостав полученного сплава (35-40;6 крем нин, 3-11$ кальция, алюминия, остальное - железо и примеси)

и устойчивый ход процесса свидетельствуют о технологичности карбо-термии сплава ФАСК с использованием доменного шлака и высокозольных (35-40^ А°) каменных углей.

Опытно-промышленные испытания ьыллавки сплава ФАСК проведены в трехфазной электропечи мощностью 1,2 МЬ.А Ермаковского завода ферросплавов (ЕЗФ) из шихты: доменный шлак КарЖ, отсевы кварцита и железная стружка, каменные угли Карагандинского (1,Ш,1У кампании) и Зкибастузского (П кампания) бассейнов в качестве восстановителя.

Наиболее стабильные и высокие показатели (табл.1) отмечены в опытных плавках при напряжении 58,5 В СI,П и 1У кампании). При напряжении 60,2 В процесс сопровождался увеличенным расходом шихты и большими потерями тепла из-за мелкой' посадки электродов и горячей работы колошника с частим его вскрытием. При этом наблюдалась тенденция к зарастанию ванны карборундовыми настылями (до 64% бгС ), значительно повысились потери кальция, алюминия в газовую фазу и извлечение их в сплав понизилась до (против 54,3 и 71,4$ соот-вегстЕенно при 58,5 В), что определило высокий расход электроэнергии (11,0 МЬт-ч/т) и показало нецелесообразность работы на напряжении 68,2 В и выше. В целом, карботермия сплава 4АСК с использованием в шихте отходов производства (доменного шлака)и некондиционных материалов (высокозольных, 35-40$ Ас, каменных углей) обеспечивает относительно высокие технико-экономические показатели элактооплаьки. При этом благоприятные физико-химические условия электротерьми £АСК создаются введением в шихту железной стружки и кварцита в количестве, определяющем суммарное содержание кремнезема (71,6-75,7$) в ней з соответствии с прогнозными данными ТДА

(оо_7ах). .

С целью получения комплексных сплавов повышенной модифицирую-

Таблица I

Технико-экономический показатели электротермии МСК

Показатели ' I-Са^плмок-

_ '•"м-1 112! .414

Продолжительность сут. 19 15 7 15

Напряжение рабочее В 66,5 ' 58,5 68,2 • 58,5

Получено сплава т 22,6 15,9 7,0 • 15,2

Состав сплава: {% масс)

кремний 45,2 47,6 48,4 45,9

кальций 7,7 8,0 9,2 10,2

алюминий 8,2 7,5 4,4 6,0

фосфор . 0,03 0,06 0,04 0,04

сера 0,004 0,009 0,01? 0,03

углерод . 0,17 0,06 0,13 0,27

железо+прнмесн 31,5 25,0 30,2 30,6

Расход материалов, т/т

каменного угля 1,3 1,4 1,2 1,0

доменного шлака 0,5 0,7 0,6 0,6

отсевов кварцита 0,7 0,8 0,7 0,8

железной стружки 0,2 0,14 0,2 0,1?

Извлечение в свлав, %

кремния 87,3 74,4 91,0 84',2

кальция 52,9 37,4 40,0 54,3

алюминия 72,6 63,0 43,3 71,4

Расход электроэнергии МВ.ч/т 9,0 9,5 Ц,0 9,1

Кратность шлака 0,13 0,10 0,15 0,10

Себестоимость сплава руб/т 198,0

щей способности ввиду возросшей потребности в них, проиедены испытания по выплавке сплава МСК с бьрием (ФАЙШа).

Четвертая глава отражает результаты крупнолабораторных и опытно-промышленных испытаний технологии выплавки сплава ФАСКБа.

Крупнолабораторные плавки проведены в электропечи мощностью 200 кБ.А из имхты, составленной доменным шлаком КарМК, кварцитом, баритовой рудой месторождения Комбобассор (33,?^ и 42,0% ВаО )• Восстановителем взята смесь кокса и каменноугольной породы Карагандинского бассейна. В результате плавок получен сплав ФАСгШа, содержащий до 90$ активных элементов (кремния, кальция, бария и алюминия) при исключении из шихты железной стружки.

На основании данных ТДА. системы Ва0-Са0-А1г03-$101 и результатов крупнолабораторных плавок проведены в трехфазной дуговой электропечи мощностью 1,2 МВ.А ЕЭй серии полупромышленных испытали с шихтой: доменным шлаком (щебнем) КарМК, кварцитом, баритовой руд месторождений Комбобассор (I) и Джалаир (П,Ш,1У серии), коксон и полукоксом. Технико-экономические показатели процесса дану в табли це 2. Лучшие параметры процесса получены во 2-ой серии с' восстановителем - смесью кокса и полукокса.

По данным технологических испытаний согласно результатам ТДА использование в шихте барийсодериащих материалов при исключении железной стружки интенсифицирует электротермии с улучшением пара).« ров технологии (см.табл.2).

ГЩК для пыли исходных материалов и продуктов плавки составил! 2 мг/м3, что практически нетоксично. Оксид углерода, диоксид серы фтористый водород на рабочих местах определены в следовых концент рациях (ниже ДЦК). Сплав ФАОСБа соответствует по вредным выделена У1 классу токсичности (относительно безвредно), ш&к-У классу (практически нетоксично).

Таблица 2,

Технико-экономические показатели процесса Получения сплава &АСКВа (печь мощностью 1200 кВ.А)

Показатели Серии плавок

!иэм! 2 ! 2 ! 3 1 4

Продолжительность суг. 6 12 & 46

Напряжение В 58,5 58,5 58,5 58,5

Получено сплава т 5,6 12,3 5,3 50,3

Удельный расход материалов т/т

кокса -• О.ВО 0,86 0,Ш

полукокса 1,22 С,30 - -

кварцита 0,90 1,11 0,87 1.1

доменного шлака 0,56 0,56 0,56 0,58

барита 0,62 0,57 .0,69 0,48

Состав сплава ■ % (касс.)

кремний 52,54 55,54 54,9 56,9

кальций 6,7?. 10,4 8,0 9,3

барЫ 15,40 13,7 12,6 13,4

алюминий 2,Ь0 3,9 4,4 3,6

фосфор 0,020 0,02 3 0,021 0,02

сера . 0,023 0,025 0,013 0,016

углерод 0,25 0,4 0,30 0,33

железо и примеси ост. ост. ост. ост.

Извлечение в сплав %

кремния 00,9 77,7 03,7 84,2

кальция 48,4 60,6 62,6 56 Д

бария 85,6 81,1 '78,4 . 85,6

алюминия 37,5 58,2 52,4 48,3

серы 0,4 0,4 0,2 0,5

Расход электроэнергии мВт.ч/т 14,0 15,4 15,8 13,2

Кратность шлака о,п 0,18 0,20 0,18

Себестоимость сплава руб. 334

1В.

Реальный экономический эффект выплавки 90г сплава ФАСКБа в полупромышленных условиях ЕЗФ (электропечь 1,2 МВ,А) составил 14 тыс.руС, Сквдаэмый экономический эффект производства сплавов ФАСК и ФАСКВд при годовом их объеме 14,5 и 10,1 тыс.т в промышленных условие ЕЗФ (электропечь 21,0 мЗ.А) составит соответственно 2X30 и 1345 тыс,руб,

сплавов 6АСК и ФАСКВл, а выявлением их структуры посредством ТДА металлической системы и металлографического, рентгеноструктурного и микрорентгеноспектрального методов. Положительные свойства опытных сплавов: большая плотность (3,0-4,0 кг/дм3), высокая температура плавления (1423-1533К), малая загрязненность включениями шлака и карбидов, низкое содержание кислорода, азота, серы и фосфора, способность не рассылаться при хранении.

Показано, что в сплавах ФАСК и ФАСКБа активные элементы присутствуют в виде сложных интерыеталлидов 8а( Б*,/5/ и СаА1г$10и способствуют измельчению и глобуляризации оксидных и сульфидных включений в обработанном ими металла, что подтверждено при промышленном использовании опытных сплавов при ковшевом раскислении как качественных и рядовых, токии литейных марок стали, & также в составе шлакообразующих экзотермических брикетов и смес>. ; при сифонной резливке стали.

Сплав САСК испытан взамен ферросилиция ФС65 при ковшевом раскислении низкоуглеродистой стали ХП и 10СП на КарМН, углеродисто! стали пониженной прокаливаеыости (04-60ПП) и взамен силикскальция нержавеющей стали Ш(12)Х1Ш20Г на КаК. Использование 0АСК значительно сокращает, а при повышенном его расходе исключает применение ашомкния, при этом.в стали уменьшаются содержание оксидных не металлических включений (НВ) на 27-44% (масс.) и средний балл сул фидных включений, остаточные НВ имеют вид глобулей, что способств,

посвгедвня изучении физико-химических свойств

ет повышению пластических свойств металла. Поверхность проката опытных плавок улучшается: средний балл качества поверхности ПО дефектах! " лена", "рванина" снижается в среднем на

Опытный сплав ЙАСКБа при внепечлой обработка в условиях КарМК лонжеро1шой стали 15 ГЮТ и 20 ШГ и судовой стали 3 СП способствовал понижению, расхода алюминии, повышению степени усвоения кремния и марганца, измельчению и глобуляризации остаточных НВ, подавлению легкодвформируемых сульфидов, росту ударной вязкости более чем в 2 раза. Причем модифицирующий эффект возрастает с повышением расхода сплава.

Опытные сплавы ФАСК и ОАСКБа применяли а условиях Волгоградского завода "Кррсный Октябрь" (ЗКО) взамен силикокальция СК25-30 в составе шлакообразующих экзотермических.брикетов и смесей при сифонной разливке ниэкоуглеродистой стали ЮША и коррозионно-стойкой нержавеющей стали ЭИ654. Загрязненность опытной и обычной стали КБ по данным металлографического анализа на одном уровне: 2,4 и 2,5. балла по оксидам и 3,0-3,2 балла по сульфидам, У электростали Ун6э4(17-19& Сг , П-13& № )при расхода опытного СГ1Лавй 0,51 кг/т снижается на 30-35% количество "рванин" и "заворот"' от кристаллизации корки оксидов, пластичность возрастает На 3,3#отн,» ударная вязкость - на 1,6% отн.

Сплав ФАСКБа применялся в качестве раскислитеЛя взомей ФС45 в производстве литейной стали 35Л на НКМЗ, Расход опытного сплава (2,5-3,0 кг/т) определяли, . исходя из требуемого содержания кремния в стали. По составу опытная сталь удовлетворяла Г0СГ, Концентрация остаточного кислорода в ней была низкой (0,014%). Значения ударной вязкости и предела текучести изменялись в пределах 4,2-4,6 кгм/см^

о

и 32,1-50,0 кг/ьи , что в 1,2-1,3 и 1,2-1,8 раза выше регламента ГОСТ. Наибольший эффект (меньшие угар активных кантоне гтов и расход раекислителя) достигается при применении опытного сплава в

кошэ»

Согласна испытаниям в производственных условиях К<ьрЖ,КМК, 3KQ и НШ£3 комплексные сплавы ФАСК и ФАСКБа более эффективно вводить в металл на завершающей стадии раскислении - доводке,т.к. кальций в этом случае вызывает дополнительное удаление НВ н их шдифадраешше,

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

I, Показам» перспективность применения в производстве стали комол енсннх сплавов с кальцием до 15(& и барием 10-20^ и возможности использования при юс выплавке доменных шлаков (основностью •"!> ft высокозольных каменных углей' (зольностью 36-40%).

йоявлены наиболее вероятные преобразования в оксидных ма-тераадяч па ходу электроидавки:, Обоснована возможность интенсификации. эдектротерикш кварцитом, при содержании кремнезема в количестве от минеральной части шихты, и баритом. Еарий, исключая стружку из тахты» интенсифицирует процесс, повышает его технологичность,

3. Иссдедаваалияма кинетики восстановления шихты и петрографии ее образцов по. ходу- процесса уск аноьлено, иго сплав SACK формируется при ~ 2000 К при значительном! влиянии температуры на электротермию.

4, Крупнолаборагорными плавками на печи 200 кВА доказана принципиальная возможность выплавки сплавов ФАСК и ФАСКБа с использованием доменного шлака, баритовых руд и высокозольных восстановителей: каменных углей и полукокса.

5; В опьггно-промышленных условиях на печи 1,2 vBA асвоена технология выплавки сплавов ФАСК и ФАСКБа с содержанием до 10J6 кальция и 15% бария при расходе электроэнергии соответственно 9,5 и 15,0 МВт-ч на тонну сплава. Увлечение в сплав (в скобках

¿?r

для ФАСКЕ*) было равным, %: 04,2 (7Ь,0) кремния; &4.3 (61,0) кальция; VI,4 (5ь,2) алюминия и 61 бария.

6. Определены плотность (3,4-4,0 кг/дм3) и температуры плавления (14^3-1531 К), микроструктура и фазовый состав ФАСК и ФАСКБа. Выявлены фазы сложного состава, в частности, обнаруженная впервые фаза Ва ( 5i , AI Применение опытных сплавов в производстве стали снизило угар кремния на 4-9% (отн), уменьшило расход алюминия на 26-Ь0$ (или исключило его), повысило степень десульфурации на 7-23%. Как составляющие экзотермических шлакообразухлцих брикетов и смесей опытные сплавы уменьшают брак на ЗО-ЗЭД и улучшают пластические свойства металла.

7. Ожидаемый экономический эффект электротермии сплавов ФАСК и ФАСКБа при объема 14,5 и 10,1 тыс.т в год (электропечь 21,0 МВД' составит 2130 и IB45 тыс.руб. соответственно. Реальный экономический эффект производства ~ 90 г сплава ФАСКБа в условиях Ермаковс-кого завода ферросплавов составил 14,0 тыс.руб.

Ochoêhoô содеряание диссертации опубликовано в работах:

1. Медведев Г.В., Лаппэ С.И., Бородаенко Л.Н. Получение комплексного сплава ферро&люмосиликокальция из доменного шлака./Пути рационального использования рудного сырья Казахстана.-Алма-Ата: Наука КазССР, 1975,- C.78-Ü2.

2. Экибастузский уголь - комплексное металлургическое сырье. /Г.В.Медведев, В.Г.Руина, Л.Н.Никольская, Л.И.Бородаенко и др.// Комплексное использование минерального сырья. -А-..itа:Наука, 1978, № 3.- С.79-&2.

3. Гакенов Т.Д., Габдуллин Т.Г., Бородаенко Л.Н. Термодинамика формирования сплава железо-кремний-алюииний-кальций./Тез.научн.' сообщ. Iii Всесоюзн.конф. по строению и свойствам металлических и шлаковых расплавов. ч.2. Свердловск: Изд.УНЦ АН ССС -1978.-С.219-

4. A.c. № 675085 СССР, MKii C22c 35/00. Ыихта для получения комплексного сплава-раскислиталя ферроалюмосиликокальция /Г.В.Медведев, С.И.Лалпо, Я.Н.Бородаенко и др.(СССР)- »1970730/02/101064; Заявлено 24.12.73. Опубл. в Б.И.- 197У.1 $ 27.

5. Термодинамически-диаграмлчый анализ процессов в системе FeO - СаО - AljQs-5'<.0г /Г.Д.Галенов, Л.Н.Бородаенко, С.О.Ьайсанов, Т.Г.Габдуллин//Ксмплексное использование минерального сьфья.-А-Ата: Наука, I9ÖI- .V 3,- С.45-50.

6. Использование доменного мака и высокоэольных углей для получения ферроалюмосиликокальция (сплава ¿АСК)./Л.Н.Бородаенко, Т.Г.Габдуллин, Т.Д.Такенов, Г.Б.Ывдведев//Новое в технологии ферросплавного производства (M4Ü СССР) .И. -.Металлургия.-19ЬЗ. -С.40-43.

7. Получение феррэалюмосиликокальция из доменного илака и высокозольных углей и применение его при производстве стали/Л.Н.Бо-родаенко, И.П.Басаев, Т.Д.Такенов и др.-Сталь.-15d4..ft).-C.42-45.

6. Выплавка комплексного сплава кремний-кальций-алюминий с барием./Л.Н.Бородаенко, Т.Д.Такенов, Т.Г.Габдуллин и др.//Гез. докл,научно-техн.сешнара"Улучш0Иие качества металла и его экономия в литейном произведетье за счет применения новых модификаторов для серого и высокопрочного чугуна.-Челябинск.-ТЭЬ4.-С.13-14.

9. Особенности микроструктуры комплексных кальций и барий-содершцих сплавов/Л.А.Канарская, Л.Ь.Бородаенко, Г.И.Морозова, Т.Г.Габдуллин// там же.- С.14-15.

10. Термодинамически-диаграммный анализ системы FeO-BaO-

-CaO-Atä-SiO,

/Л.Н.Бородаенко, Т.Д.Такенов, В.И.Жучков и др.// АН КазССР, Химико-металлургический институт.-Караганда,1966.-19 с.-Деп. в ВИНИТИ 07.01.Во £ I66-B.

IТеоретические аспекты и интенсификация электротермии фер-роалюмосиликокальция с использованием ОариЯсодерка^их материалов

/Г.Д.Такемов, Л.Н.Бородаенко, T.f.Габдуллнн, Ь.И.Жучков// Комплексное использование минерального сырья.-А-Ата:Наука,I9ö6.-h« 10.- С. 51-56.

12. A.c. № 1206329 СССР, Ш С22с 35/00. Шихта для получения комплексного сплава, содержащего кальций /Г.Г.Гаодуллин, Л.Н.Бо-родаенко, Т.Д.Такенов и др. (СССР). - # 3746ÖGci/22-02. Заявлено 04.06.64. Опубл. в Б.И.- 1936,- £ 3.

13. Комплексный сплав ферроалюмоскликокальций с барием/Л.Н. Бсродаенко, Т.Д.Такенов, ТЛ'.Габдуллин и др.//Производство ферро-сплавов.-Новокуанецк: Изд.Сиб.мет.ин-т.-I9B6(1987).-С.96-101.

14. Об оксидных расплавах электротермии ферроалюмосиликокаль-ция с барием/Л.Н.Бородаенко, Т.Д.Такенов, Т.Г.['абдуллин и др.// Тез.научнсообщ.У1 Всесоюзной конф.по строению и св-вам металлических и шлаковых расплавов. ч.З, Свердловск, УНЦ АН СССР,-1966.-

-С,65-67.

15. Применение экзотермических шлакообразующих смесей для улучшения .качества поверхности стальных слитков./Т.В.Шеф, И.П.Ьа-ctiüb, 2>.Ф.Чистяков, Л.Н.Вородаенко/Дез .докл.научно-техн.конф. литейщиков. Технологические процессы литейного производства,обеспечивающие увеличение производительности труда и улучшения качества" отлихюк. -Караганда: Изд.Обкома партии.-1966.-С,27-28.

16. Вородаенко Л.Н., Такенов Т.Д., Габдуллин Т.Г. О термодинамических условиях производства сплава железо-кремний-кальций-алюминий MACK) углеродовосстановительнай плавкой оксидных матери ало в//А! I Каз ССР, Х.имико-мет аллург. инст -т. -Караганда. -1987. -13с.-Дец. в ЕШПТй 07.ОБ.67 № 5761-1367.

17. Вородаенко Л.Я., Габдуллин Т.Г., Першина Р.Ф, 0 кинетике карботермии комплексного сплава с кальцием/Дез .докл. Всесоюзн. конф. по физико-химии процессов восстановления металлов.-Днепра-

петровек,- 1980.-С.107.

18. Бородаенко Л.Н., Такенов Т.Д., Гобдуллин Т.Г. и др. Электротермия е использованием доменного шлака алюмокремнистого сплава о кальцием и бариьм для внепачной обработки стали.-Сталь.-1989.-№ 10.- С.42-4а.