Способ дефосфорации сплавов

Авторы патента:

C21C7/064 - удаление фосфора; удаление серы

Владельцы патента RU 2345147:

ООО "Регионстрой" (RU)

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам рафинирования металлов и сплавов от фосфора. Способ включает плавление шихты, состоящей из рудного и углеродсодержащего материалов, в плазменной печи. В качестве плазмообразующего газа используют водород. Плавку проводят в шахтной печи, причем в горне печи размещают по радиусу через 120° три плазмотрона под углом 40-50° к оси печи. Использование изобретения позволяет увеличить степень дефосфорации сплавов, увеличить производительность, снизить затраты на производство. 1 ил.

Изобретение относится к области металлургии, в частности к способам рафинирования металлов и сплавов от фосфора.

Известен ряд способов удаления фосфора из сплавов как при подготовке шихтовых материалов к плавке, которые подразделяются на химические, гидрометаллургические, биохимические методы дефосфорации, так и в ходе плавки электрометаллургические и металлотермические методы. Известные способы отличаются низкой степенью дефосфорации и высокими материальными затратами, при этом в ряде случаев не удается снизить концентрацию фосфора до требуемого низкого уровня [1, 2].

Известна также шахтная печь для плавки металлов, включающая шахту, передний горн с наклонно выполненными к подине стенками копильника горна и укрепленными в передней стенке горелками, причем на подине шахты выполнены каналы, соединяющие шахту с копильником, оси горелок направлены на наклонную стенку, а в шахте печи установлены перфорированные решетки [3].

Существенными недостатками данной шахтной печи являются:

- низкая эффективность использования тепла отходящих газов и неиспользование тепла от дожигания СО до CO₂ для подогрева переплавляемой шихты;

- нерациональная форма шахты печи, не позволяющая организовать хорошее газораспределение отходящих газов в шахте печи;

- расположение копильника горна сбоку от шахты печи создает дополнительные трудности с поступлением проплавленной шихты через канал из шахты в копильник;

- нерациональное месторасположение горелочных устройств и их низкая энергетическая эффективность.

Известна также шахтная печь для плавки материалов, преимущественно сульфата натрия в смеси с коксом, имеющая газоотвод, фурмы и горн с летками, в которой горн снабжен обогреваемой камерой, соединенной фурмами [4].

Существенным недостатком данной шахтной печи является низкая производительность печи из-за низкой энергетической мощности источников нагрева, а также из-за отсутствия использования тепла отходящих газов;

Известны также способы плавки стали и сплавов с использованием плазменного нагрева. В качестве плазмообразующего газа обычно используют азот, кислород или водород [5].

Однако известные способы плавки стали и сплавов с использованием плазменного нагрева связаны с высокими затратами на производство сплава, при этом степень дефосфорации зависит как от условий плавления (в частности шлакового режима и концентрации фосфора в шихтовом материале), так и от возможности образования летучих соединений между газом-носителем и удаляемым элементом (в нашем случае фосфором).

Известен выбранный в качестве прототипа способ дефосфорации металла, включающий обработку металла газами, отличающийся тем, что обработку расплава проводят активным азотом, парами углерода или смесью активного азота и паров углерода при массовом соотношении П:С=1:1 [6].

Существенными недостатками данного способа являются:

- невозможность получения низких концентраций азота в сплаве из-за использования в качестве плазмообразующего вещества азота;

- низкая производительность плавильного агрегата из-за неэффективного использования тепла отходящих газов;

- недостаточная эффективность плазмообразующего газа при дефосфорации в связи с более низкой активностью азота к фосфору по сравнению с активностью водорода к фосфору.

Желаемыми техническими результатами изобретения являются:

- увеличение степени дефосфорации;

- увеличение производительности;

- снижение затрат на производство.

Для этого предлагается способ дефосфорации сплавов в шахтной печи, включающий плавление шихты, состоящей из рудного и углеродсодержащего материалов, отличающийся тем, что плавку проводят в плазменной печи, в горне которой размещают по радиусу через 120° три плазмотрона под углом 40-50° к оси печи, при этом в качестве плазмообразующего газа используют водород.

Заявляемые пределы выбраны исходя из следующих предпосылок.

Размещение плазмотронов по радиусу через 120° выбрано исходя из обеспечения качественного нагрева материала и его плавления, причем успешное плавление материала обеспечивается углом наклона плазмотронов 40-50° к оси печи. При изменении угла более 50° возможно разрушение футеровки, перегрев шихты и большой локальный перегрев шихты на периферии печи, в связи с чем процесс дефосфорации протекает неэффективно в части использования углеродсодержащих материалов, а при снижении угла менее 40° происходит образование «холодных зон» в печи, «обвалов» шихты, расстройство хода печи, снижение производительности и уменьшение степени дефосфорации.

Заявляемый способ плавки был опробован на экспериментальной шахтной печи по следующей схеме. Схема заявляемой шахтной печи приведена на фиг.1.

Шахта выполнена в виде двух усеченных конусов, сопряженных с помощью цилиндра большими основаниями Устройство для загрузки шихтовых материалов, выполненное в виде двух загрузочных усеченных конусов, позволяет исключить выброс отходящих газов из шахты печи.

Горн выполняется выкатным для удобства ремонта, причем для исключения просыпи шихтовых материалов из нижней части шахты имеется отсечное устройство.

Для хорошей эвакуации газов предусмотрены три отверстия, расположенные через 120° по радиусу. Очистка газа, состоящая из узла дожигания, огнеупорного газохода, камеры осаждения крупных частиц, куллера, бустера, блока рукавных фильтров, дымососа и трубы, позволяет снизить концентрацию вредных выбросов.

В верхней части подины расположены через 120° по радиусу три отверстия для отбора горячего газа из печи и вдувания отходящих из верхней части шахты печных газов, что позволяет проводить некоторые технологические операции по возгонке.

Система выпуска плавки, оборудованная шиберным затвором, обеспечивает качественную отсечку как металла, так и шлака.

Заявляемый способ дефосфорации в шахтной печи реализован следующим образом.

Загрузка печи шихтовыми материалами проводится через устройство для загрузки шихтовых материалов в печь (1) и представляет собой два конуса - верхний и нижний. Шихта подается на верхний конус, далее конус опускается и шихта ссыпается на нижний конус, верхний конус поднимается, далее опускается нижний конус и шихта попадает в шахту печи (4). Печные газы в результате такой загрузки не «выбиваются» из печи. Эвакуация печных газов осуществляется через три отверстия в верхней части печи по трубопроводу для отвода печных газов (2). В случае необходимости отходящие печные газы с высоким содержанием СО могут с помощью перекидного клапана (3) подаваться в горн печи. Кроме того, возможен отбор газов при высокой температуре (более 650-700°С) из горна печи для операции отбора возгоняемых оксидов (например, цинка, марганца). Шихта состоит из оксидных материалов (руд, отсевов, шлаков, шламов и прочее), флюсов (при необходимости) и восстановителя - коксика (или угольных брикетов). При прохождении через шахту печи (4) шихта нагревается. В печи выделяются три зоны восстановления.

Зона твердофазного восстановления при t=600-1100°C (в зависимости от химического состава материала)

МеО_(ТВ)+{СО}→МеО_(ТВ)+{СО₂}

{Н₂О}+С_(ТВ)→{Н₂}+{СО}

МеО_(ТВ)+{Н₂}→Ме_(ТВ)+{H₂O}

Зона твердофазного восстановления при t=1100-1300°C

{Н₂O}+С_(ТВ)→{Н₂}+{СО}

МеО_(ТВ)+{СО}→Me_(TB)+{CO₂}

МеО_(ТВ)+{Н₂}→Ме_(ТВ)+{Н₂O}

{CO₂}+C_(TB)→2{СО}

Зона твердофазного восстановления при t>1300°С

(МеО)+C_(TB)→[Me]+{СО}

[МеС]+(МеО)→[Me]+{СО}

Подогретая шихта из шахты поступает в горн печи (6), где осуществляется процесс плавления.

При использовании водорода в качестве газа-носителя атомы водорода реагируют с фосфором, образуя летучие гидриды фосфора и фосфиды водорода типа РН₃, P₂H₄, P₂Н, P₅H₂, P₉H₂, P₁₂H₆ [7]. Образующиеся газообразные соединения имеют низкую температуру возгонки и легко удаляются из реакционной зоны.

Горн конструктивно состоит из огнеупорных свода (7) и подины (8). В своде (7) через три отверстия, расположенных по радиусу через 120°, вводятся три плазмотрона (5). Для удобства плавления угол ввода плазмотронов может изменяться от 40 до 50° к оси печи. Для удобства ремонтов шахта печи (4) может быть разъединена от горна печи отсечным устройством (10), в результате чего свод печи (7) и подина (8) могут быть подвергнуты торкретированию или ремонту. Во время ремонта под шахту печи может устанавливаться новый горн. Леточный узел (11) оборудован шибером (9) для успешного закрытия. Для исключения выпуска металла из горна печи полностью легочный узел (11) располагается выше нижней точки расплавленного металла, т.е. печь всегда работает на расплавленной металлической подложке. Выпуск плавки осуществляется периодически, причем металл выпускается в ковш со шлаком, а отделение металла от шлака проводится в ковше.

Шахтная печь оборудована газоочисткой. Сразу после отводящего кольца (12) газы поступают в узел дожигания (13), представляющий собой установку типа труба в трубе, где за счет подсоса воздуха в камере происходит дожигание СО до СО₂. Соединения водорода с фосфором при этом распадаются на безвредные атомарный водород (или вступает в соединение с СО с образованием молекулы воды) и оксиды фосфора. Далее газы поступают в огнеупорный газоход (14) и попадают в камеру осаждения крупных частиц (15). После чего газы поступают в куллер (16), представляющий собой трубопровод с высокой поверхностью контакта, где газы остужают до 150°С. Если температура на выходе из куллера более 150°С, то включается дополнительный насос - бустер (17), который «разбавляет» печные газы атмосферным воздухом, в результате чего температура смеси понижается до 150°С. Очистка газов осуществляется в блоке рукавных фильтров (18). Для создания требуемого разрежения используется дымосос (19). Очищенные газы с запыленностью менее 5 мг/м³ выбрасываются через трубу (20) в атмосферу.

Следует отметить, что способ позволяет успешно удалять летучие гидриды фосфора и фосфиды водорода и создает необходимые условия, препятствующие их разложению или осаждению на частицах шихты и для дальнейшего их рециклинга (обратного перехода в сплав).

Заявляемый способ был реализован при плавке железоуглеродистых сплавов, ферромарганца, силикомарганца, феррованадия и ферротитана. Плавка проводилась в вышеописанной печи с использованием соответствующей руды (марганцевой, титансодержащей или ванадийсодержащей в зависимости от выплавляемого ферросплава или лигатуры), углеродсодержащего восстановителя (угля и коксового орешка), флюса (известняка). Восстановление проводили карботермическим способом. При этом, например, для выплавки силикомарганца использовали 430 кг марганцевой руды с содержанием марганца 36%, 430 кг марганцевого концентрата с содержанием марганца 48%, 120 кг кварцита и 180 кг коксика орешка и 80 кг угля. Степень дефосфорации сплава при этом составляла от 44 до 80% (при плавке в руднотермических печах не более 20%). При плавке ферромарганца степень дефосфорации достигала 84%. При плавке титанистых лигатур и сплавов с ванадием степень дефосфорации составляла 60-87%,

Расчетная производительность печи по сравнению с руднотермической печью повысилась в 1,1-1,4 раза, заявляемый способ позволяет производить сплавы с содержанием фосфора менее 0,05%, затраты на производство в среднем снижены на 4,9% на тонну сплава.

Источники информации

1. М.А.Рысс. Производство ферросплавов. - М.: Металлургия, 1985. - 344 с.

2 М.И.Гасик, Н.П.Лякишев. Теория и технология электрометаллургии ферросплавов. - М.: СПИнтермет Инжиниринг, 1999. - 764 с.

3. А.с. СССР №389375, кл. F27B 1/00.

4. А.с. СССР №381853, кл. F27B 1/00.

5. В.Дембовский. Плазменная металлургия. - М.: Металлургия, 1981. - 280 с.

6. Патент РФ №2001123, кл. С21С 7/064.

7. Химическая энциклопедия: в 5 т: т.5. - М.: Большая Российская энциклопедия, 1998. - 783 с.

Способ дефосфорации сплавов в шахтной печи, включающий плавление шихты, состоящей из рудного и углеродсодержащего материалов, отличающийся тем, что плавку проводят в плазменной печи, в горне которой размещают по радиусу через 120° три плазматрона под углом 40-50° к оси печи, при этом в качестве плазмообразующего газа используют водород.

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано при внепечной обработке стали кальцийсодержащими материалами. .

Способ рафинирования стали // 2323262

Изобретение относится к металлургии, а именно к рафинирующей смеси, используемой при ковшевой обработки стали, преимущественно в цехах с установками МНЛЗ. .

Комплексный синтетический легкоплавкий флюс для черной металлургии // 2321641

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано для металлургических процессов выплавки чугуна и стали. .

Композиционный материал для внепечной обработки расплава стали (варианты) // 2318878

Изобретение относится к черной металлургии и может быть использовано в сталеплавильном производстве, в частности для раскисления и легирования стали с ограниченным содержанием кремния.

Способ легирования стали марганцем // 2304623

Изобретение относится к области металлургии, в частности к внепечной обработке стали марганцем. .

Проволока для внепечной обработки металлургических расплавов // 2299248

Изобретение относится к области металлургии, а именно к внепечной обработке чугуна порошкообразными реагентами. .

Рафинирование стали в ковше // 2285052

Изобретение относится к области металлургии, конкретно к обработке стали в ковше. .

Композиционный материал для раскисления и/или десульфурации сталей и/или шлаков // 2249058

Изобретение относится к металлургии, в частности к производству ферросплавов и лигатур для десульфурации и легирования расплавленного металла, а также раскисления сталей и шлаков.

Материал для рафинирования стали // 2245390

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано в сталеплавильном производстве. .

Проволока для присадки магния в расплавы на основе железа // 2234539

Изобретение относится к черной металлургии, а именно к внепечной десульфурации чугуна порошкообразными реагентами. .

Способ обработки с механическим перемешиванием хромсодержащего расплавленного железа // 2556195

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано в процессе рафинирования при механическом перемешивании хромсодержащего расплавленного железа в резервуаре для рафинирования, имеющем круглое горизонтальное поперечное сечение внутренней стенки, посредством лопастной мешалки, выполненной в виде цельной детали с осевым стержнем, покрытым огнеупорным материалом, и вращающейся вокруг центральной оси осевого стержня с осью вращения в вертикальном направлении, при этом для каждой перемешиваемой загрузки регулярно или нерегулярно переключают режим перемешивания по выбору между режимом концентрического перемешивания расплавленного железа с центрированием по центральной оси упомянутого резервуара оси вращения лопастной мешалки и режимом эксцентрического перемешивания расплавленного железа с децентрированием относительно центральной оси упомянутого резервуара оси вращения лопастной мешалки. Изобретение позволяет продлить срок службы лопастной мешалки и осевого стержня, выполненных в виде цельной детали друг с другом. 11 з.п. ф-лы,1 табл., 6 ил.

Способ производства трубной стали // 2564373

Изобретение относится к области черной металлургии, в частности к производству трубных сталей с внепечной обработкой и разливкой на установках непрерывной разливки стали. Выпуск металла в сталь-ковш осуществляют в течение 4-8 мин при температуре металла не мене 1650°С, во время выпуска присаживают алюминий в количестве 2,1-2,5 кг/т стали при содержании углерода в металле перед выпуском до 0,055% и в количестве 1,7-2,1 кг/т стали при содержании углерода в металле перед выпуском не менее 0,055%, и известь в количестве 4,0-6,1 кг/т стали при содержании серы в чугуне до 0,025% и в количестве 6,1-7,5 кг/т стали при содержании серы в чугуне не менее 0,025%, а во время внепечной обработки осуществляют продувку металла аргоном в течение не менее 50 мин, и производят обработку металла кальций содержащим реагентом из расчета 0,05-0,5 кг кальция на тонну стали. Изобретение позволяет снизить содержание неметаллических включений в трубной стали и повысить ее коррозионную стойкость. 2 табл.

Способ одновременной дефосфоризации и извлечения ванадия из ванадийсодержащего расплавленного чугуна // 2571969

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для одновременной дефосфоризации и извлечения ванадия из ванадийсодержащего расплавленного чугуна. В способе осуществляют подачу ванадийсодержащего расплавленного чугуна в конвертер для извлечения ванадия и регулирование температуры чугуна в диапазоне 1230-1250°C, выплавку расплавленного чугуна при вдувании в него кислорода при постоянной скорости потока, равной 17000-25000 нм3/мин, а также выпуск сталистого чугуна и выведение ванадийсодержащего шлака из конвертера. В первую стадию выплавки продувают кислородом и добавляют известь для регулирования основности шлака, которая составляла 2-4, в конвертер добавляют также окалину в количестве 15-20 кг/т железа, на второй стадии - продувают и добавляют окалину в количестве 5-18 кг/т железа, а на третьей стадии - продувают и добавляют известь в количестве 0,5-2 кг/т железа. Изобретение позволяет исключить коррозию в отношении материалов футеровки печи и одновременно осуществлять дефосфоризацию и извлечение ванадия из ванадийсодержащего расплавленного чугуна, а также снизить количество железа в ванадийсодержащем шлаке. 6 з.п. ф-лы, 3 пр.

Способ дефосфорации марганцевых руд и концентратов // 2594997

Изобретение относится к дефосфорации расплавов марганцевых руд и концентратов. Селективное восстановление фосфора из расплава ведут газообразным монооксидом углерода (СО), который продувают через расплав. Может быть использован газообразный монооксид углерода, полученный в газогенераторе и содержащий примеси диоксида углерода (СО2) и азота (N2), а также газообразный монооксид углерода в виде отходящих газов закрытых или герметичных рудно-термических печей для углеродотермической выплавки ферросплавов. Обеспечивается способ дефосфорации расплава марганцевых руд и концентратов без потерь марганца с попутным металлом. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 1 пр.

Содержащее битум обессеривающее средство // 2610987

Изобретение относится к области металлургии и может быть использовано для обессеривания расплава доменного чугуна или стали. Средство содержит оксид кальция, битум, а также от 0,01 до 10 вес. % по меньшей мере одного придающего текучесть средства, выбранного из группы, состоящей из многоатомных спиртов, длиннопламенных углей, силиконовых масел и смесей из них, при этом средство не содержит карбида кальция, магния и магниевого сплава. Средство изготавливают путем смешивания оксида кальция, битума, по меньшей мере одного придающего текучесть средства и измельчения полученной смеси до порошка с гранулометрическим составом, при котором по меньшей мере 80 вес. % порошка представлено частицами размером меньше чем 32 мкм, по меньшей мере 85 вес. % порошка представлено частицами меньше чем 45 мкм, по меньшей мере 90 вес. % порошка представлено частицами размером меньше чем 63 мкм и по меньшей мере 95 вес. % порошка представлено частицами размером меньше чем 90 мкм. Изобретение позволяет получить средство на основе оксида кальция, которое обеспечивает высокую эффективность обессеривания расплава доменного чугуна или стали. 3 н. и 14 з.п. ф-лы, 2 пр.