Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
14
НАЦІОНАЛЬНА АКАДЕМІЯ НАУК УКРАЇНИ
ФІЗИКО-ТЕХНОЛОГІЧНИЙ ІНСТИТУТ МЕТАЛІВ ТА СПЛАВІВ
КАРПОВ Володимир Петрович
УДК 621.745.5
ВИВЧЕННЯ ПРОЦЕСІВ ТА ВДОСКОНАЛЕННЯ
ТЕХНОЛОГІЧНОГО ПЕРЕПЛАВУ ЗАЛІЗОНІКЕЛЕВОГО ЛОМУ
Спеціальність:05.16.02 - Металургія чорних металів
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
кандидата технічних наук
Київ - 1999
Дисертацією є рукопис
Робота виконана у Фізико-технологічному інституті металів та сплавів НАН України, м.Київ
Науковий керівник доктор технічних наук, СОКОЛОВ Владислав Михайлович, провідний науковий співробітник відділу фізико - хімії процесів формоутворення Фізико-технологічного інституту металів та сплавів НАН України
Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор ПОНОМАРЕНКО Олександр Георгійович , професор кафедри електро-металургії а конверторного виробництва сталі Донецького державного технічного університету Міністерства освіти України
кандидат технічних наук ЛИХОБАБА Олексій Васильович, старший науковий співробітник відділу плазменної та електрошлакової технології Інституту електрозварювання ім.Є.О.Патона НАН України
Провідна установа Державна металургійна академія України Міністерства
освіти України, м. Дніпропетровськ
Захист відбудеться 19 квітня 2000 р. о 12 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 11.052.01 Донецького державного технічного університету Міністерства освіти України (340000, м.Донецьк, в.Артема, 58)
З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Донецького державного технічного університету (340000, м.Донецьк, в.Артема, 58, 2 уч.корпус)
Автореферат розіслано 17 березня 2000 р.
Вчений секретар спеціалізованої
вченої ради Д 11.052.01, д.т.н., проф С.М.Саф’янц
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність роботи. Металургійна промисловість України на сьогодні є одним з найбільших споживачів нікельвмісної сировини при отриманні сталей та сплавів. За часів СРСР основним джерелом чистого нікелю були поставки з російських нікелевих комбінатів. Феронікель поставлявся з Режського (РНЗ), Побужського (ПНЗ) та Буруктальського (БНЗ) нікелевих заводів. На всіх цих виробництвах значну частину первинної шихти складала нікельвмісна первинна сировина. Із здобуттям Україною незалежності гостро постало питання власного спеціалізованого виробництва, яке здатне переробляти основну частину нікельвмісних відходів, що утворюються в Україні. Єдиний завод - виробник нікелю в Україні ПНЗ для цього не підходить внаслідок економічної нерентабельності.
Досить перспективним джерелом нікельвмісної сировини в Україні є відпрацьовані залізо-нікелеві акумулятори, що часто використовуються в шахтному та піднімально-транспортному обладнанні. Але їх утилізація проводилась тільки на Уралі на РНЗ. Тому доречно було організувати таке виробництво в м.Костянтинівка Донецької обл. на заводі “Втормет”, на якому разом з перевагою щодо розташування в регіоні, багатому шахтами, де створюються подібні відходи, парк обладнання відповідає рішенню поставленої задачі.
Іншим значним джерелом вторинної сировини є деталі списаної в результаті конверсії воєнної техніки. В результаті демонтажу двигунів літальних апаратів накопичується значна кількість відходів сплавів з високим вмістом - від 35 до 70% нікелю. При наявності в них 2 - 7% (W + Mo), їх пряме використання утруднене за рахунок незначних об’ємів номенклатури вольфрам- та молібленвмісних хромонікелевих сталей, що виплавляються в Україні. Таким чином, вилучення вольфраму із цих відходів дозволить використати нікель та молібден за призначенням. Технологія вилучення вольфраму грунтується на тому, що в окисних умовах цей елемент переходить до шлаку разом із хромом. Нікель разом з молібденом залишаються в сплаві. В світовій практиці були реалізовані різні модифікації даного підходу (окиснення газоподібним або твердим окисником) . Але фізико - хімічні процеси, що при цьому протікають залишались вивченими явно в недостатній мірі. А саме, не було розглянуте питання про вплив вмісту нікелю в вихідній шихті на ефективність процесу окиснення небажаних домішок. Не було повного пояснення ефекту негативного відхилення добутку розчинності [C][O] в розплавів від його рівноважних значень та інш., що спостерігається при виробництві феронікелю. Все це приводить до того, що відомі технології виконуються не на оптимальних режимах, і це, відповідно, підвищує вартість виробництва і знижує якість кінцевого продукту.
Задача розробки та дослідження процесів переплаву залізонікелевого лому є актуальною. За деякими елементами та деталями представлена робота не має аналогів у світовій практиці.
Зв’язок роботи з науковими програмами. Робота виконана згідно з реалізацією “Програми дослідження відходів виробництва та споживання на період до 2005 року”, затвердженої Кабінетом Міністрів України (Постанова № 5681 від27.05.98р). Розділ 3 виконувався в рамках проекту “Сортамент - УА”згідно програм спільних робіт Міністерства оборони України з Національною академією наук України.
Мета роботи. Дослідження процесів окиснення хрому, вольфраму, молібдену та інших небажаних домішок твердими окисниками та газоподібним киснем в розплавах на основі заліза та нікелю; встановлення впливу типу окисника та складу розплаву на дані процеси, розробка комплексної технології переробки нікельвмісного складнолегованого конверсійного лому з рафінуванням від небажаних домішок з метою отримання феронікелевих лігатур у вигляді зливків та гранул.
Наукова новизна.
Вивчено вплив фазового стану окислювача (твердий або газоподібний ) на процеси окиснення елементів у багатокомпонентному нікельвмісному розплаві. А саме з’ясовано, що для окиснення вольфраму та молібдену віддається перевага використанню газоподібного кисню.
На підставі теоретичних розрахунків та експериментальних даних встановлено, що у випадку окисного рафінування феронікелевих розплавів, що вміщують кисень, на відміну від загальновідомої думки, спостерігається незначний вплив температури на реакцію окиснення Cr та W на кінцевій стадії рафінування. Тільки на початкових стадіях при високому вмісті даних елементів необхідно використовувати традиційний підхід - зниження температури розплаву.
Шляхом математичного моделювання процесів твердіння сплавів на основі заліза з перерозподілом вуглецю та кисню надане пояснення уявленому відхиленню від рівноважної множини розчинності Вачера - Гамільтона [%С][ %О] в процесі плавки феронікелю в окисних умовах шляхом зміни цієї множини за рахунок лікваційних явищ при кристалізації металу.
Науково обгрунтовані перспективи спільного переплаву залізонікелевого акумуляторного лому та високолегованих конверсійних відходів на нікелевій основі, при цьому акумуляторні батареї є не тільки джерелом нікелю, але й рафінуючим реагентом.
Встановлено, що позитивні пластини, до складу яких входять гідрооксиди нікелю не є окисниками у шихті. Вони можуть бути використані, як легувальні нікельвмісні присадки до хромвмісних розплавів без суттєвих втрат хрому.
Розроблена методика отримання шляхом переплаву в дуговій сталеплавильній печі (ДСП) з кислою футерівкою та зміненою конструкцією склепіння печі, що дозволяє значно подовшити її кампанію. Позитивний ефект мікролегування феронікелю кремнієм при гранулюванні досягається за рахунок надходження його із кислої футерівки.
Практична цінність та реалізація результатів роботи.
Розроблена технологія та складена технологічна інструкція отримання якісного феронікелю із лому акумуляторних батарей та інших нікельвмісних відходів. При комплектуванні шихти для переплаву вперше приймаються до уваги марки батарей, що переплавляються і використовуються методи математичної комбінаторики. Матеріал, що отримується , відповідає вимогам діючих ТУ 48-3-59-84, а за деякими характеристиками, наприклад чистоті по фосфору, стабільності хімічного стану, значно його перебільшують. Дану технологію освоєно на Костянтинівському заводі “Втормет”. В процесі освоєння технології вирішено ряд екологічних задач, пов’язаних з процесом переплаву відходів в ДСП. Феронікель, що виробляється на заводі відіграє суттєву роль в стабілізації об’ємів виробництва щодо фінансового стану та забезпечення зайнятості на підприємстві. Практично вирішена проблема отримання феронікелю із вторинної сировини в Україні, припинено продаж або відправлення “дарової”сировини нікельвмісного акумуляторного лому за кордон.
Особистий внесок здобувача.
На основі багатого виробничого досвіду та огляду науково-технічної інформації здобувачем виконано постановку задачі , її обгрунтування та наукові дослідження . Згідно розробленим автором методикам були проведені теоретичні розрахунки, лабораторні та напівпромислові експерименти, що дозволили уточнити фундаментальні закономірності окиснення елементів в металургійних розплавах.
Здобувач безпосередньо керував промисловим впровадженням отриманих їм результатів в промислову практику.
Апробація роботи.
Матеріали дисертації доповідались на семінарі “Проблеми переробки відходів гальванічного та ливарного виробництва промислового комплексу України (м.Алушта, 1998р.), на конференції “Вилучення кольорових, рідкісних та дорогоцінних металів із відходів виробництва промислових та ювелірних підприємств України (м.Ялта, 1998р.).
Публікації.
За темою дисертації опубліковано п’ять статей, чотири з них у фахових виданнях ВАК України, тези 1 наукової доповіді, отримано 1 патент України.
Структура та обсяг дисертації.
Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку літератури та шести додатків. Робота містить 156 сторінок тексту, 32 таблиць , 32 рисунка, бібліографію з 111 найменувань.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обгрунтовано актуальність проведених досліджень, викладені задачі роботи та основні положення, що виносяться на захист, надано інформацію про апробацію та публікацію основних результатів роботи.
В першому розділі дано огляд стану питання переробки вторинної нікельвмісної сировини у світі. Із більш ніж 300 тисяч напрямків використання нікелю, одним з найбільш поширених є його використання як легуючої домішки в корозійностійких сталях, за рівнем виробництва яких Україна відноситься до передових держав. Оскільки витрати електроенергії на виробництво однієї тони нікелю із лому в два рази нижче, ніж на виробництво первинного металу, то раціонально налагоджувати технології вторинної металургії нікелю. Але методи, засновані на гідрометалургії та електролізі не завжди ефективні із-за низької працездатності, суттєвої трудомісткості та складності процесів. Тому в світовій промисловій практиці часто застосовуються різні пірометалургійні методи переробки нікельвмісних відходів. Найбільш раціональними є технології переробки вторинної сировини на феронікель.
В роботі ретельно розглянуто технологію отримання феронікелю на Побужському нікелевому заводі (ПНЗ), що передбачає за вихідний матеріал як нікельвмісну руду так і вторинну нікельвмісну сировину. Низький вміст нікелю у вихідній окисненій руді привело до збитковості даного єдиного в Україні переробника нікельвмісних відходів. Разом з тим , із закордонних джерел відомі підходи, коли 100% вторинної сировини плавиться в ДСП з наступним рафінуванням розплаву на феронікель. ВАТ Костянтинівський завод “Втормет”володіє унікальними можливостями використовувати свій досвід та нестандартне обладнання для організації в Україні технології переробки акумуляторного лому та високолегованих конверсійних нікельвмісних відходів за аналогічними схемами.
Технології переробки акумуляторного лому до проведення даних досліджень була освоєна тільки на Режському нікелевому заводі (РНЗ) в Росії, куди звозили відходи з усього Радянського Союзу . В роботі наведено докладний аналіз даної технології. Встановлено, що питання переробки акумуляторного лому вивчене недостатньо, оскільки ще не було проведено серйозного аналізу вихідної сировини - залізо-нікелевих акумуляторів, як джерела нікелю. В промисловості використовується велике різноманіття марок акумуляторів і не відомо , яким чином використання різних марок акумуляторів може вплинути на якість феронікелю та вміст нікелю в ньому. Ще менше вивчені питання спільної переробки акумуляторного лому та інших видів відходів. Відмічено, що при окисному рафінуванні не реалізується можливість використання газоподібного кисню як окисника.
Не вивчені особливості окиснення небажаних домішок (C, Al, Cr, W, Mo та інш.) в умовах застосування акумуляторного лому як окисника. Крім того, не розглядалось раніше питання про вплив співвідношення між кількістю нікелю та заліза у шихті на протікання окисних реакцій.
Відмічено доцільність отримання гранульованого у воді феронікелю. Подальше використання цього матеріалу в такому вигляді має ряд суттєвих переваг в порівнянні з використанням феронікелю у вигляді відливків. При охолодженні гранул, що твердіють, в них інтенсифікуються реакції взаємодії вуглецю з киснем. В процесі виділення пузирі окислів вуглецю розривають гранули, що кристалізуються. Тому виникла необхідність вивчення реакції взаємодії вуглецю та хрому з киснем у феронікелевому розплаві, у тому числі і при його затвердінні з урахуванням ліквації елементів. В подробицях проаналізовані існуючі моделі, що дозволяють описувати процеси міждендритної ліквації елементів у металі при твердінні.
На підставі ретельного аналізу роботи Соколова В.М. із співавторами щодо моделювання процесу кипіння зливку сталі 08кп, показано переваги моделі Броді та Флемінгса для відображення процесів перерозподілу вуглецю та кисню в ході ліквації.
Таким чином, сформульовано задачі дослідження, що полягають в поглибленні фізико-хімічних основ теорії окисного рафінування феронікелевих розплавів, а також у вивченні та вдосконаленні технології окисного переплаву нікельвмісних відходів в ДСП.
У другому розділі проведені термодинамічні розрахунки окисних реакцій, що протікають при виробництві феронікелю.
Використання рівняння Броді та Флемінгса, яка дає середні результати відносно інших широко відомих методів (використання рівнянь, отриманого за правилом важіля або Шейла), при моделюванні процесів у ліквуючій чарунці дозволило пояснити відхилення значення множини розчинності вуглецю та кисню нижче рівноважної константи у феронікелі, що отримується із акумуляторного лому в ДСП. Це відхилення пов’язане з додатковим протіканням реакції окиснення вуглецю (при його вмісті більшому за 0,08%) під час твердіння феронікелю. Прийшли до висновоку, що для запобігання протікання цієї реакції, яка не бажана при формуванні гранул, необхідна наявність в розплаві розкиснювача. Для оцінки необхідної кількості розкиснювача для запобігання цієї реакції було проведено термодинамічний розрахунок. Необхідна незначна розрахункова кількість кремнію в розплаві (1,4 10-2 %) може бути отримано із кислої футерівки печі.
Разом з тим відмічене підвищення вмісту хрому (більш, як 0,4%) у бракованих легковагомих гранулах. Вважається, що механізм цього явища пов’язаний з тим, що існуючі в розплаві оксиди хрому (FeO CrO(T); CrO(T)CrO(T) ) викликають фіксацію при твердінні у воді часток неправильної форми.
Для експериментальної перевірки цього положення було проведено аналіз плавок на лабораторній печі Таммана, проведених В.М.Соколовим із співавторами, на яких із чистих шихтових матеріалів отримували синтетичний феронікель з різним вмістом кремнію та хрому. Розплав, підігрітий до температури 187330К гранулювали у воді. На рис.1 відображені співвідношення між експериментальними значеннями вмісту кремнію, при яких отримували якісні або браковані гранули, та його теоретичними значеннями при відповідному вмісті хрому. Теоретичні рівноважні значення, отримані шляхом термодинамічного розрахунку реакції окислення хрому у феронікелевому розплаві до CrO при температурі сталеваріння (1873К). При цьому вдалось виділити область існування якісних гранул, що підтверджує позитивний вплив кремнію на процес гранулювання.
Таким чином кремній являє собою корисну домішку, яка запобігає негативному впливу вуглецю та хрому на процес гранулювання. Цей факт підтверджує доцільність використання кислої футерівки при виплавці феронікелю.
Крім того, нами було вивчено термодинаміку окиснення алюмінію, титану, хрому, молібдену та вольфраму - елементів, що доводиться або необхідно вилучати в процесі окисного рафінування складнолегованих відходів газоподібним киснем. Проводились порівняльні розрахунки вимірів вільної енергії Гіббса G в розплавах на основі заліза та нікелю. Особливість розрахунків полягала в тому, що окремо розглядалось окиснення газоподібним киснем та киснем, розчиненим у металі. Встановлено, що у випадку використання газоподібного кисню, вплив вибору елемента - основи шихти (заліза або нікелю) не є дуже суттєвим.
Рис.1 Співвідношення між експериментальним та теоретичним вмістом Si у феронікелі при визначених вмістах Cr: - якісні гранули; - браковані гранули;
Розрахунок проводили згідно реакції: 2[Si] (1%) + CrO(Т)= 2SiO(Т) + 3[Cr] (1%)
Для всіх реакцій окиснення розчиненим киснем віддається перевага їх протіканню у нікелевих розплавах. Це пов’язане з сильним позитивним впливом нікелю на активність розчиненого кисню. Реакція окиснення молібдену у даному випадку для залізних розплавів взагалі неможлива. Для вольфраму також віддається перевага окисненню газоподібним киснем в залізних розплавах Таким чином, при необхідності окиснення вольфраму та молібдену бажано використовувати газоподібний кисень.
За допомогою отриманих термодинамічних залежностей та параметрів взаємодії були розраховані залежності, що визначають вплив температури та кількості розчиненого кисню на рівноважний вміст хрому та вольфраму у феронікелі, а також залежності впливу вмісту нікелю у феронікелі на рівноважний з киснем вміст хрому. Встановлено, що температура істотно впливає на окиснення хрому тільки при низькому вмісті кисню (менше за 0,05%). Чим нижче температура, тим сильніше окиснення. Це відповідає загальновідомій думці. При високих значеннях вмысту кисню вплив температури на окиснення хрому не буде таким суттєвим. Для вольфраму такого ефекту не спостерігається. Вплив нікелю у феронікелі на залізній основі на процес окиснення хрому виявляється тільки при високих вмістах хрому (понад 1%).озрахункові залежності, представлені на рис.2 відповідають промисловим даним, отриманим при окисному рафінуванні феронікелю. Також встановлено, що при вмісті кисню понад 0,18% умови видалення для вольфраму та хрому стають майже однаковими. При більш низьких вмістах кисню залежність переважного окиснення хрому відносно вольфраму відповідає стандартній закономірності.
Рис.2 Залежність вмісту [Cr] та [W] від вмісту [O] у феронікелі (Ni - 40%) при температурі 1873К. 1 - для [Cr], 2 - для [W] ; експериментальні точки: - для Cr, - для W.
Третій розділ присвячено вивченню вторинної нікельвмісної сировини з позицій можливості її переробки. Особливу увагу, як найбільш перспективній, було приділено вторинній сировині у вигляді відпрацьованих залізонікелевих акумуляторних батарей. Для оптимального ведення процесу переробки було в подробицях вивчено будову акумуляторів та їх марочний хімічний склад.
Основним джерелом нікелю у залізонікелевих акумуляторах є позитивні пластини. Вміст нікелю в них пов’язаний з ємністю батарей, але залежить від ряду факторів. Показана методика визначення вмісту нікелю в акумуляторних батареях ТЖН шляхом плавки у печі ДС - 5 з використанням шихти, що складається із 100% цих батарей. Для аналогічних досліджень позитивних пластин запропоновано використовувати піч УШ - 159А шляхом проведення електро-шлакової тигельної плавки електродів, що втрачаються із даних пластин.
Крім того проведено аналіз можливості використання у шихті високолегованих відходів нікельвмісних марок сталей та сплавів. Потужна конверсія, що провадиться в Україні, поставила задачу утилізації великої кількості висколегованих нікельвмісних сплавів із списаної воєнної техніки. Попередньо нами було проведено роботу по аналізу подібних відходів в кількісному та якісному аспектах. Встановлено, що в результаті розбирання двигунів ракет та літаків створюється велика кількість відходів сплавів з високим вмістом нікелю (лопатки, лопаткотримачі, жарові камери та інш.) та виявлені найбільш розповсюджені марки. У зв’язку з високою та багатокомпонентною легованістю цих сплавів безпосереднє введення їх у шихту для виробництва корозійностійких марок сталей у ролі легуючих компонентів у переважній більшості випадків утруднено. Було створено програму (CHARGE 2.0) розрахунку шихтових карток для плавки складнолегованих марок сталей. В даному випадку як вихідні дані використовують такі показники: хімічні складові шихтових матеріалів, які є в наявності; вигар елементів, значення якого можна змінювати в залежності від способу переплаву; хімічний склад матеріалу, який необхідно отримати; маса вихідних шихтових матеріалів; маса плавки; вартість шихтових матеріалів.
Розрахунок може проводитися за 15 елементами (нікель, хром, молібден, вольфрам, кобальт, алюміній, мідь, титан, ванадій, марганець, кремній, вуглець, залізо, фосфор, сірка). Якщо якогось матеріалу на шихтовому дворі не вистачає, то для отримання заданої маси плавки провадиться підшихтовка іншими матеріалами. В програмі передбачено можливість урахування вартісних характеристик шихтових матеріалів. Так, спочатку пропонується самий дешевий варіант шихтовки.
Нами було проведено розрахунки частоти можливого використання конверсійних сплавів при виплавці сталі 08Х18Н10Т (ГОСТ 5632 - 72). Встановлено, що частіше за все у шихті можна використовувати марки ЭП 202, ЭИ 602, ЭИ 598. Але практичне використання цих марок обмежене із-за присутності в них молібдену та вольфраму, залишковий вміст яких в корозійностійких сталях суворо регламентується (Mo< 0,3%, W>0,2%). Дану програму зручно також використовувати для формування партій гранульованого феронікелю шляхом комбінаторики плавок різного хімічного складу. Показано, що такий підхід дозволяє значно стабілізувати хімічний склад феронікелю, що виробляється.
Проведено досліди щодо окисного рафінування нікельвмісних відходів у 200-кг індукційній печі. Такі експерименти дозволили визначити коефіцієнт вилучення нікелю із відходів при окисному рафінуванні газоподібним киснем феронікелквих розплавів, що вміщують Cr, W, Mo. Виявлення даної величини на великих промислових плавках утруднене внаслідок неможливості визначення точного хімічного складу вихідної шихти та встановлення маси окиснених кінцевих продуктів (шлаку та пилу).
По мірі розплавлення металу з метою окиснення домішок в нього вводили кисень. Продувку зверху вели за допомогою трубки з невитратним занурюваним наконечником зовнішнього діаметру 12 мм із нітриду бору (розроблено Інститутом проблем матеріалознавства НАН України). Витрати кисню підтримували постійними 9,28м/год. Визначення вели по ротаметру РЭС - 7 із поплавком із нержавіючої сталі. Дана величина витрати є максимально допустимою, оскільки при більш високій інтенсивності подання кисню спостерігається значне випліскування металу з тигля. В процесі роботи вивчена кінетика окиснення небажаних елементів. Згідно повного аналізу кінцевих продуктів плавки встановлено, що коефіцієнт вилучення нікелю перебільшує 99%.
В четвертому розділі на підставі проведених досліджень розроблена технологія переробки залізонікелевої вторинної сировини в ДСП марки ДС - 5. Обладнання Костянтинівського заводу “Втормет”не тільки дозволяє ефективно виплавляти нестандартні нікельвмісні відходи, але й виключити при цьому порівняно коштовну операцію брикетування цієї сировини шляхом проникнення операції підпресування сировини в процесі плавки модернізованим для цієї мети грейпферним захватом. Таким чином поєднання операцій завантаження та підпресування шихти в дуговій печі дозволили підняти щільність матеріалу, що завантажується на 25 ... 40% та підвищити стабільність електричних режимів роботи печі. Але як показали перші дослідні плавки, що проводились на напівпромисловій 1,5 тонній дуговій печі згідно традиційної технології РНЗ, значні температурні градієнти в області розташування економайзерів склепіння печі, виводили із ладу футерівку склепіння печі, а стандартна конструкція димовідсосів печі не справлялася із задачею пило- газовидалення. При цьому спостерігалось обгоряння електродів із-за високої реакційної здатності відхідних газів в зоні сполучення електрод - економайзер. В цій же зоні спостерігалось також швидке роз’їдання склепіння. Крім того необхідно було вирішити задачу промислової санітарії в електроплавильному цеху шляхом конструктивних змін системи пило- газовидалення із робочого простору ДСП.
Було проведено вдосконалення конструкції плавильного агрегату. Три окремі економайзери булли об’єднані в один водоохолоджувальний вузол з розподіленою підвіскою від склепіння печі, що дозволило значно підвищити термін служби склепіння, підняти ступінь надійності та безпеки печі та спростити складання склепінної частини печі , оскільки в цому випадку не потребується додаткового прив’язування окремих економайзерів відносно розташування електродів. Така реконструкція привела до того, що кампанія печі до капітального ремонту стала складати 1828 плавок. Для підвищення ефективності відсосу відхідних газів над піччю було встановлено унікальну трикаскадну екранну систему, приєднану до стандартної витяжної труби. Система розосередження відхідних газів дозволила максимально знизити можливість контакту відхідних газів із графітовими електродами і тим самим знизити їх витрати.
Приведені три основні концепції завалки шихти, що за правило використовуються на промислових плавках. Плавки проводять у ДСП з динасовою футерівкою. Використання кислої футерівки обумовлено рядом причин: її низькою вартістю та доступністю в Донецькому регіоні, високою експлуатаційною стійкістю, простотою використання.
У випадку використання в шихті конверсійних нікелевих відходів, що вміщують хром, молібден та вольфрам , була розроблена технологія їх окисного рафінування. Плавки проводились у півторатонній дуговій сталеплавильній печі з лужною футерівкою з використанням як твердих окисників (руда високозалізиста нікелева, лом залізонікелевих акумуляторів, негативні пластини залізонікелевих акумуляторів, технічний закис нікелю та залізна окалина), так і газоподібного кисню (продувка металічними трубками, що витрачаються, витрати кисню 100м/т) разом з твердим окисником. Комбіноване використання твердих (акумуляторних) відходів та газоподібних окисників захищене патентом України. В ролі флюсоутворюючих домішок використовували вапно та кварцит. Отримані результати добре корелюють з даними Фінської фірми “OV - Eng.Oy”, не зважаючи на те, що дана фірма не використовує акумуляторний лом як окисник.
Нова технологічна промислова методика дозволила провести унікальну балансову плавку з використанням тільки позитивних пластин. Вона дозволила встановити неефективність оксидів нікелю як окисника, оскільки вміст вуглецю у феронікелі 2,56%, що на декілька порядків вище ніж при плавці нерозібраних акумуляторів. Таким чином, нами установлено, що тільки оксиди заліза із негативних пластин є ефективним окисником. Раніше вважалось, що оксиди нікелю, які входять до складу позитивних пластин, є ефективними окисниками при плавці. В дійсності, при нагріванні шихти взагалі від- бувається розкладання гідроксидів - оксидів нікелю: Ni(OH) 2 = Ni + O2 + H2. Таким чином позитивні пластини вносять до розплаву тільки Ni, і не можуть бути широко використані для окиснення.
Заходи щодо вдосконалення технології плавки акумуляторного лому забезпечили відповідність розробленого процесу існуючим екологічним нормам, а також більш високі техніко-економічні показники виробництва феронікелю відносно раніше відомої та до цього часу поширеної при переробці російської та казахської сировини технології РНЗ. Отриманий феронікель відповідає ТУ 48-3-59-84 та вимогам щодо шихти найпоширініших нікельвмісних марок сталей, а саме 08Х18Н9Т.
В таблиці наведені основні результати статистичних розрахунків, згідно яких можна зробити висновок , що вміст нікелю значно стабільніше у феронікелі Костянтинівського заводу, що несе вигоду споживачам. Крім того в цьому матеріалі вміст корисного хрому також вище. Коливання вмісту шкідливих домішок стабільно низьке в обох феронікелях.
Таблиця - Результати статистичної обробки даних промислових плавок
(розрахунок дисперсій коливання хімічних складів)
|
Під-при-ємст-во* |
Хімічний елемент |
|
Ni |
Cr |
Mo |
Cu |
C |
P |
S |
|
вміст |
дисп. |
вміст |
дисп. |
вміст |
дисп. |
вміст |
дисп. |
вміст |
дисп. |
вміст |
дисп. |
вміст |
дисп. |
|
|
%мас дол. |
% відн. |
%мас дол. |
% відн. |
%мас дол. |
% відн. |
%мас дол. |
% відн. |
%мас дол. |
% відн. |
%мас дол. |
% відн. |
%мас дол. |
% відн. |
|
|
1 |
,6 |
.37 |
,739 |
,322 |
,156 |
> 0,01 |
,193 |
> ,01 |
,107 |
> 0,01 |
,02 |
> 0,01 |
,076 |
> 0,01 |
|
2 |
,5 |
,7 |
,130 |
> 0,01 |
,362 |
> 0,01 |
,327 |
> 0,01 |
,011 |
> 0,01 |
,01 |
> 0,01 |
,104 |
> 0,01 |
*1 - Костянтинівський завод “Втормет”; 2 - РНЗ
Таким чином очевидні переваги використання українського феронікелю. Після впровадження запропонованої технології витратні показники його отримання (енергоспоживання та витрати допоміжних матеріалів) будуть також більш економічними в порівнянні з технологією РНЗ.
В результаті економічних розрахунків доведена доцільність пірометалургійної переробки акумуляторного лому на феронікель як для внутрішнього споживання, так і для зовнішнього ринку. Стабільний прибуток отримується при любому зафіксованому коливанні біржевих цін на кольорові метали.
ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ
1. На підставі аналізу підходів до переробки вторинної нікельвмісної сировини показано перспективність організації спеціалізованого технологічного циклу пірометалургійної переробки акумуляторного лому та іншої вторинної нікелевої сировини на феронікель в Україні. Показана необхідність розробки нової технології переплаву в ДСП, відмінної від закордонних аналогів.
. Математичне моделювання реакцій зневуглецювання у твердіючому феронікелі з використанням моделі Броді та Флемінгса, що описують процес ліквації, дало пояснення уявленого негативного відхилення добутку розчинності [%С][%О] в рідкому феронікелі від його рівноважних значень.
. Проведені термодинамічні розрахунки реакцій окиснення домішок у феронікелі дозволили встановити, що причинами виникнення бракованих за формою гранул феронікелю при вмісті вуглецю більшому за 0,08% та хрому більшому за 0,4% може бути іх окиснення. Обгрунтовано використання кремнію як розкиснювача для поліпшення якості гранул.
. Шляхом термодинамічних розрахунків встановлено порядок окиснення домішок при рафінуванні феронікелевих розплавів. Показано, що у випадку використання твердих окисників нікель позитивно впливає на процес рафінування. Для вилучення молібдену необхідно використовувати газоподібний кисень. При високому вмісті кисню (більше за 0,1%) у феронікелевому розплаві температура майже не впливає на процес окиснення хрому та вольфраму.
. Проведений аналіз вторинної нікельвмісної сировини, що накопичується на підприємствах України, показав перспективи спільної переробки залізонікелевого акумуляторного лому, який є не тільки джерелом нікелю, а й рафінуючим реагентом за рахунок оксидів заліза із негативних пластин, і високолегованих конверсійних відходів на нікелевій основі. Встановлено, що при додатковому використанні газоподібного кисню, можна отримати феронікель, що відповідає діючим вимогам (ТУ 48-3-59-84).
6. Експериментально показана можливість отримання феронікелю із конверсійного лому в 200-кг індукційній печі шляхом продувки розплаву киснем для видалення вольфраму та хрому. Підтверджено можливість розрахунку матеріального балансу за аналізами кінцевих продуктів плавки, коли не має можливості визначити склад вихідної шихти. Коефіцієнт вилучення нікелю при цьому складає понад 99%.
. Уточнено механізм окисного рафінування розплаву за рахунок акумуляторного лому. Встановлено, що оксиди нікелю із позитивних пластин, загалом розкладаючись при нагріванні шихти, не можуть відігравати істотної ролі як окисника в розплаві. Окиснення відбувається в основному за рахунок оксидів заліза із негативних пластин. Позивні пластини можна використовувати для легування хромвмісного розплаву без суттєвих втрат хрому.
. На базі теоретичних, лабораторних та напівпромислових досліджень розроблено та впроваджено у виробництво Коснянтинівського заводу “Втормет”унікальний технологічний процес комплексної переробки вторинної нікельвмісної сировини. Проведений техніко-економічний аналіз показав значні переваги даного процесу порівняно з технологією РНЗ, яка широко використовуються в Росії, за рахунок підвищення стабільності вмісту нікелю у феронікелі, що отримується, на 13%, та зниження матеріальних витрат на його виробництво.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ ВИКЛАДЕНО В РОБОТАХ
5. Карпов В.П, Соколов В.М. Отечественные технологии предпочтительнее. Получение ферроникеля из вторичного сырья на Константиновском заводе “Втормет”// Рынок металлов, 1999. - № 2.- С. 60-62. (Показав економічну доцільність застосування феронікелю).
АНОТАЦІЯ
Карпов В.П. Вивчення процесів та удосконалення технології переплаву залізонікелевого лому. - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук зі спеціальності 05.16.02 - Металургія чорних металів.- Донецький державний технічний університет, Донецьк, 1999.
Дисертація присвячена вирішенню проблеми створення технології переробки нікельвмісних відходів в Україні. В результаті проведення аналізу літератури сформульовано задачі дослідження, які полягають у вивченні процесів окисного рафінування розплавів на залізонікелевій основі. Захищаються встановлені закономірності послідовності окиснення елементів, вплив температурного фактору, фазового та хімічного складів окисника на реакції окиснення, закономірності процесів взаємодії вуглецю з киснем у розплавах на основі заліза в процесі твердіння, вплив домішок на схильність феронікелю до грануляції. Розроблена методика переплаву нікельвмісних відходів, в тому числі акумуляторного лому в дуговій сталеплавильній печі. Запроваджена технологія одержання феронікелю заданого хімічного складу.
Ключові слова: плавка, окиснення, відходи, феронікель, гранула, технологія, домішки.
АННОТАЦИЯ
Карпов В.П. Изучение процессов и совершенствование технологии переплава железоникелевого лома. - Рукопись.
Диссертация на соискание ученой степени кандидата технический наук по специальности 05.16.02 - "Металлургия черных металлов". - Донецкий Государственный технический университет, Донецк, 1999.
Диссертация посвящена решению проблемы создания технологии по переработке никельсодержащих отходов в Украине. В диссертации приведен обзор трудов, посвященных современным методам переработки никельсодержащих отходов. Показано, что пирометаллургический передел вторичного сырья на ферроникель оптимален для украинской промышленности. В то же время известные зарубежные методы такого передела имеют ряд недостатков, оказывающих отрицательное влияние на возможности их реализации в Украине.
Решение научной проблемы переплава никельсодержащего вторичного металлургического сырья выполнена при комплексном исследовании процессов, протекающих в высокотемпературных металлических расплавах. Были использованы методики математического моделирования на основе физико-химической теории, а также лабораторные эксперименты. Полученные результаты позволили существенно усовершенствовать технологию переплава никельсодержащих отходов в дуговой сталеплавильной печи, что дало возможность успешно реализовать ее в промышленности Донбасса, региона, богатого данными вторичными ресурсами.
Математическое моделирование процессов взаимодействия углерода с кислородом в сплавах на железной основе позволило объяснить явление отклонения значений произведений растворимости углерода и кислорода ниже равновесной константы в ферроникеле, получаемом из аккумуляторного лома в ДСП. Это отклонение связано с дополнительным протеканием реакции окисления углерода при затвердевании образцов ферроникеля.
Подробно изучены причины получения бракованных легковесных гранул ферроникеля при его грануляции. Они связаны с реакциями окисления хрома и углерода в процессе образования гранул. Теоретически и экспериментально установлено положительное влияние раскислителей, в частности, кремния на процесс грануляции.
Изучена термодинамика окисления алюминия, титана, хрома, молибдена и вольфрама - элементов, которые приходится или необходимо удалять в процессе окислительного рафинирования сложнолегированных отходов, газообразным кислородом. Проводились сравнительные расчеты изменения свободной энергии Гиббса G в расплавах на основе железа и никеля. Отдельно рассматривалось окисление газообразным кислородом и кислородом, растворенном в металле. Установлено, что для удаления молибдена и вольфрама необходимо предварительно удалять алюминий, хром и титан. В случае применения газообразного кислорода влияние выбора элемента - основы шихты (железа или никеля) не очень существенно.
Для всех реакций окисления растворенным кислородом предпочтительнее их протекание в никелевых расплавах. При необходимости окисления вольфрама и молибдена желательно использовать газообразный кислород. Установлено, что температура существенно влияет на окисление Cr только при его высоком содержании: чем ниже температура, тем выше окисление. Это соответствует общеизвестному мнению. Для вольфрама, а также для хрома при его низких значениях, влияние температуры не столь существенно. Влияние Ni в ферроникеле на железной основе на процесс окисления хрома сказывается только при высоких содержаниях Cr (более 1%).
Разработана методика плавки аккумуляторного лома в дуговой сталеплавильной печи с подпрессовкой, позволяющей использовать в шихте до 100% такого сырья. Балансовые плавки позволили установить, что выход металла из аккумуляторного лома составляет в среднем 62,3%. Плавка на 100% положительных пластин позволила установить, что в данных условиях положительные пластины, содержащие гидроокислы никеля не являются окислителями в шихте. Усовершенствование конструкции печи позволило значительно повысить срок ее службы, использовать оптимальную для данного процесса динасовую футеровку, улучшить расходные показатели процесса и экологическую обстановку. Решена проблема оптимальной утилизации сложнолегированных никельсодержащих отходов совместно с аккумуляторным ломом.
Технология внедрена в производство в условиях Константиновского завода "Втормет". По ряду основных показателей она имеет технические и экономические преимущества в сравнении с традиционной технологией Режского никелевого завода.
Ключевые слова: плавка, окисление, отходы, ферроникель, гранула, технология, примеси.
SUMMARY
Karpov V. P. Research and perfect of the technology for remelting the iron - nickel scrap. - Manuscript.
Thesis for a Candidate of Technical sciences degree on specialty 05.16.02. "Metallurgy of Ferrous Metal". - The Donetsk State Technical University, Donetsk, 1999.
Thesis is devoted to the problem of designing technology of recycling nickel containing wastes in Ukraine. As a result of literature analyses the problems of researching the process oxygen refining alloys on the iron-nickel basis are stated. The established regularity sequence of oxidizing elements, the influence of the temperature factor, phase and chemical composition of oxidizer on the oxidizing reaction, the regularity of the process of the interaction for the carbon and oxygen in the alloys on the iron basis in the solidification process, the influence of admixtures to the ferronickel susceptibility for granulation are announced. The methods for remelting of nickel containing wastes, including accumulator scrap in the arc furnace were worked out. The technology of producing the ferronickel of needed chemical composition is implemented.
key words: melt, oxidizing, scrap, ferronickel, granule, technology, admixtures