» » Опытная флюсовая плавка пудожгорских титаномагнетитов на Кузнецком металлургическом комбинате
03.02.2015

В 1949—1950 гг. на Кузнецком металлургическом комбинате были проведены опытные плавки пудожгорских агломератов под руководством академиков И.П. Бардина и Э.В. Брицке. Для этого была использована карбидная печь Кузнецкого меткомбината, установленная в специально приспособленном помещении. Указанное обстоятельство позволило оборудовать в непосредственной близости от здания опытной печи необходимые склады агломерата, чугуна в слитках, а также шлакового отвала общей площадью около 1000 м2 для хранения титанистого ишака. Карбидная печь Кузнецкого меткомбината оборудована печным трансформатором электросталеплавильного типа мощностью 3000 кВА. При включении обмоток низкой стороны ”в звезду” трансформатор имеет следующие шесть ступеней напряжения: 200, 182, 148, 137, 115 и 105 В. При соединении обмоток низкой стороны ”в треугольник” трансформатор имеет ступени напряжения: 115; 105; 85,4; 79; 66,4 и 60,5В. Соответственно номинальная мощность трансформатора по ступеням составляет: 3000, 3000, 2330. 2250, 1900 и 1740 кВА. Диаметр электродов был увеличен до 400 мм
Футеровка стен печи в верхней части была выполнена из шамотного кирпича. Подина и стенки печи на высоту 700 мм были выложены из угольных блоков.
Расстояние между центрами электродов было увеличено до 1300 мм при расположении электродов по вершинам равностороннего треугольника.
Доставляемые шихтовые материалы разгружали из железнодорожных вагонов непосредственно в бункере. В вагонетке они подавались в торец шихтового отделения, где были установлены вагон-весы. После дозировки шихта поступала в скип подъемника и направлялась на колошник печи. Параллельно шихтовому отделению, за стеной, под одной крышей располагался остывочный пролет, где проходили обработку разлитые чугун и шлак, которые затем направляли на склад чугуна и отвал шлака.
Характеристика шихтовых материалов. К началу опытных плавок в рудном складе у здания электропечной установки было заготовлено 556 т пудожгорского агломерата. Для производства агломерата с Пудожгорского месторождения водным путем по Онежскому и Ладожскому озерам в Ленинградский порт и далее по железной дороге на Гороблагодатскую обогатительную фабрику было доставлено 2500 т пудожгорской сырой руды.
Электромагнитное обогащение руды, измельченной до 60 меш, произведено по одностадиальной схеме, существующей на фабрике. При этом был получен концентрат, содержащий в среднем 53% Fe. Агломерацию этого концентрата производили в аглочашах с недостаточным вакуумом. В качестве топлива применяли губахинский коксик с большим избытком. Полученный агломерат (590 т) имел весьма неравномерный химический и вещественный состав, а также физические свойства. Он содержал значительное количество мелочи и требовал просева перед употреблением.
Результаты химических анализов приведены в табл. 15. Рассев генеральной пробы, произведенный OTK Кузнецкого металлургического комбината, дал следующую характеристику кусковатости агломерата: более 40 мм - 45,8%; 25-40 мм - 14,7%; 10-25 мм - 19,3%; 3-10 мм - 11,2%; менее 3 мм — 9,0%. Технологическая крупность агломерата 3-40 мм. Куски более 40 мм дробили на щековой дробилке.
Опытная флюсовая плавка пудожгорских титаномагнетитов на Кузнецком металлургическом комбинате

Опытная флюсовая плавка пудожгорских титаномагнетитов на Кузнецком металлургическом комбинате

Петрографические исследования образцов агломератов обнаружили непостоянство фазового и химического состава. Так, колебание содержания FеО составило 13-47%. В составе агломератов были обнаружены магнетит, ильменит, гематит, металлическое железо, аносовит, графит, фаялит и стекло. Из числа перечисленных минералов наиболее непостоянными количественными соотношениями отличаются магнетит и ильменит. Так, в разных образцах одной и той же пробы в одном случае наблюдается резкое преобладание ильменита, в другом — магнетита.
Магнетит обычно образует довольно крупные зерна или кристаллы. Ильменит наблюдается в виде мелких зерен, часто округленных с краев. Нередко группы зерен ильменита характеризуются одинаковой оптической ориентировкой, угасая полями. Довольно часто ильменит образует также периферические окаймления вокруг крупных кристаллов магнетита. Гематит распространен в меньшем количестве, чем перечисленные компоненты. Наиболее часто он наблюдается в виде мельчайших округлых включений в зернах магнетита или в виде тонких полосочек, следующих по направлению спайности магнетитовых зерен. Местами гематит наблюдается также в виде дендритов в шлаковой массе. Металлическое железо находится преимущественно в образцах агломерата, обогащенных магнетитом, имея характер корольков или извилистой формы обособлений. Аносовит был обнаружен только в некоторых образцах исследованных проб в виде бесформенных зерен, имеющих характер псевдоморфоз по кристаллам ильменита. От последнего он отличается значительно более слабой отражательной способностью. Графит образует обособленные скопления, наблюдаемые в отдельных образцах агломерата. Во многих образцах кристаллы фаялита характеризуются довольно крупными размерами (до 0,1 мм) и отчетливой кристаллизацией. Стекло заполняет промежутки между кристаллами фаялита. Довольно большая неравномерность в химическом составе агломерата выявилась впоследствии при анализе среднесменных проб. Содержание в агломерате SiO2 колебалось в пределах 4,5-8,5%; FeO - 28-47 и С - 0,5-4%.
Применяемый при опытных плавках в качестве восстановителя отсортированный коксик с крупностью кусков 15—25 мм имел в среднем следующий технический анализ (в мас.%): 13,5 - зола; 1 - летучие; 0,5 и 85 - С нелетучий. Состав золы коксика (в мас.%): 50 - SiO2; 28 - Al2O3; 5 - Fe2O3; 1,5 - MgO; 0,25 - MnO и 0,82 -P2O5. Влажность коксика, равная в среднем 10%, в период опытных плавок колебалась в пределах 8-12%. При наличии в коксике мелочи -5 мм более 10-15% производили отсев на наклонных ситах.
В качестве флюса использовали известь, доломит и кварцит. В опытных плавках использовалась известь карбидного производства. Средний химический анализ извести (в мас.%) приводится ниже: 88 - CaO; 3,5 - SiO2; 4 - полуторных оксидов; 4,5 - CO2. Содержание CO2 в период опытных плавок колебалось в пределах 0,73-9,4%, влажность - в пределах 0,0-2,14%. Кусковатость ее была установлена в первый период 5-60 мм (допускалась даже до 80 мм), во второй период строго соблюдалась кусковатость 5-40 мм. Содержание мелочи размером менее 5 мм допускалось до 15%.
Во второй период опытов применяли обожженный доломит, просеянный до размеров кусков 5-15 мм следующего состава (в мас.%): 4,4 - SiO2; 5,62 - Al2O3; 3,68 - Fe2O3; 53,62 - CaO; 31,83 - MgO: п.п.п. - 0,12.
В качестве флюса (первый период плавки) в шихту добавляли небольшое количество песка (86% SiO2) или песка и кварцита.
Электроплавка пудожгорских титаномагнетитов. На основе изучения физико-химических свойств титанистых шлаков были установлены следующие оптимальные соотношения между компонентами: CaO: SiO2 = 0,6-1; Ti2O3: TiO2 = 0,25-0,51 и TiO2/SiO2 = 1,4-2. Состав шлака при таком соотношении компонентов гарантировал содержание кремния в чугуне 0,4-0,5% и переход ванадия в чугун на 70-80%. Расчетный удельный расход материалов на 1 т чугуна (в т): пудожгорский агломерат -1,82; коксик - 0,29; известь - 0,13; песок - 0,035; кратность шлака -0,7 и расход электродов 30 кг/т. Масса одной подачи была установлена исходя из условий работы печи (в кг): пудожгорский агломерат - 150; коксик - 26; известь - 11.
При электроплавке пудожгорских титаномагнетитов ставилась задача получения низкокремнистого чугуна с максимальным содержанием ванадия и титанистого шлака с наибольшим содержанием титана.
Химический состав титанистого шлака определяется условиями электроплавки. Наибольшее содержание титана в шлаке может быть достигнуто при электроплавке титаномагнетитов без применения флюсов. В этом случае состав шлака следующий (в мас.%) : 42 - TiO2; 26 - SiO2; 16 - Al2O3 ; 8 - CaO и 3,7 - MgO. Такой шлак, имеющий весьма высокую температуру плавлеyия, при 1510°С неустойчив, и считалось, что он не может обеспечить получение низкокремнистого ванадиевого чугуна. Высокая температура плавления шлака будет способствовать также образованию карбидов титана, ухудшающих свойства шлака. При желании получить малокремнистый чугун необходимо было бы путем перевода печи на холодный ход создать сильно железистые шлаки, что привело бы к резкому снижению восстановления ванадия в чугун и снижению содержания титана в шлаке. Такой процесс был бы нерациональным. Рациональным является способ работы с применением флюсов в небольшом количестве, необходимом для получения устойчивых по технологическим свойствам титанистых шлаков, содержащих до 35% TiO2, при плавке доставленного на Кузнецкий меткомбинат агломерата. Путем кристаллизации и дальнейшего обогащения кристаллических шлаков может быть получен титановый шлак с содержанием до 55% TiO2. Этому способствует то обстоятельство, что весь титан практически концентрируется в одной фазе — аносовите. Так сложилась возможность обогащения титанистых шлаков перед их химической переработкой.
Шихта первого этапа плавок была рассчитана, исходя из среднего химического состава агломерата, для получения шлаков с наибольшим содержанием оксида кальция (22,0%), для создания лучших условий для перехода ванадия в чугун и имела следующий расчетный химический состав (в мас.%): 25 - SiO2; 33,5 - TiO2; 12,5 - Al2O3; 22 - CaO; 2,5 MgO и 2,5 - FeO. Отношение Ti2O3/TiO2 в шлаке (отношение Э.В. Брицке) было принято равным 0,25. Расчетный химический состав чугуна (в мас.%) : 0,6 - Si; 0,29 - Ti; 0,75 - V; 4 - С. При оценке расхода углерода косвенное восстановление было принято 20%. С учетом расхода электродов, установленного во время предварительных плавок, необходимое количество сухого кокса было принято исходя из стехиометрического расхода углерода.
Удельный расход шихтовых материалов на 1 т чугуна, согласно расчетным данным (в т): агломерат - 1,82; коксик - 0,29; известь - 0,13; песок - 0,035; кратность шлака - 0,7; расход электродов - 30 кг/т Весовой состав подачи (в кг): агломерат - 150; коксик - 26: известь -11; песок 3-5.
В первые дни опытных плавок небольшое количество песка вводили в шихту для того, чтобы гарантировать стабильность хода печи, которая могла быть нарушена из-за колебания содержания SiO2 в агломерате (4,5-8,5%). Затем корректировку состава шлака производили снижением добавки в шихту оксида кальция. С переходом на шлаки с повышенным содержанием MgO песок из шихты совсем был снят.
Электрический режим. Промышленные опыты были проведены в низкошахтной электропечи. Общие размеры печного пространства: высота шахты - 1460 мм, диаметр - 2500 мм. Предполагалось плавку титаномагнетитов вести на больших токах и низком напряжении, считая, что высокие напряжения - ’’дуговой режим плавки” - способствовал бы повышенному содержанию кремния и титана в чугуне. Для ступени 66,4 В электрический режим представлен в табл. 16.
Опытная флюсовая плавка пудожгорских титаномагнетитов на Кузнецком металлургическом комбинате

Xoд технологического процесса плавки пудожгорских титаномагнетитов. Первые дни работы показали наличие избытка углерода в шихте.
Как выяснилось, причиной этому явилось колебание содержания углерода в агломерате от 0,5 до 4,5%. Это определило высокую посадку электродов, переход на дуговой режим, что способствовало значительному восстановлению кремния в чугун, а открытый колошник при плавке - заметному пересъему электроэнергии. В результате длительных исследований, в основном благодаря соответствующему подбору шихтовки по углероду, были подобраны условия стабильной плавки. Удельный расход электроэнергии в этот период оказался высоким и составил 2900 кВт*ч/т чугуна.
Высокое содержание в чугуне серы вызвано, с одной стороны, повышенным ее содержанием в агломерате и, с другой — недостаточным содержанием CaO + MgO в шлаке (20-23%). Минимальное содержание серы 0,06% было постигнуто при CaO + MgO в шлаке 26-28%.
После корректировки шихты началась устойчивая ровная работа печи на установленном технологическом режиме. Удельный расход электроэнергии резко снизился, суточная производительность печи стала ровной. Расход самоспекающихся электродов на 1 т чугуна составил в этот период 40-45 кг. Средний удельный расход на 1 т чугуна (в т) : пудожгорского агломерата - 1,84; коксика - 0,28; извести - 0,13; флюса (извести и извести + обожженного доломита) - 0,10. Начался второй период разработки и освоения технологии плавки пудожгорских титаномагнетитов с получением ванадиевых чугунов и шлаков с высоким содержанием диоксида титана. Второй период опытных плавок разделяется на три этапа, которым соответствовало получение трех типов шлаков и чугуна с характерным для каждого этапа содержанием кремния и ванадия.
Во время первого этапа при неизменном составе шихты содержание TiO2 колебалось в пределах 30,48-36,14% и SiO2 - в пределах 22,44-29,04%. Содержание ванадия в чугуне 0,6-0,7% (табл. 17). Установлено значительное влияние содержания CaO+MgO в шлаке на содержание ванадия в чугуне. Так, верхний предел содержания V в чугуне соответствует верхнему пределу содержания CaO в шлаке. На данном этапе работы печи на шлаках с повышенным содержанием CaO переход ванадия в чугун составил 75-82% от общего его количества. Однако средний удельный расход извести оставался высоким и равнялся 0,128. Это вызывало кристаллизацию перовскита, что затрудняло обогащение высокотитанистых шлаков.
Опытная флюсовая плавка пудожгорских титаномагнетитов на Кузнецком металлургическом комбинате

Продолжительность второго этапа - 7 суток непрерывной работы. В качестве флюса использовали известь, затем смесь, состоящую из 2/3 извести и 1/3 обожженного доломита. Количество извести и в дальнейшем извести и доломита в шихте удалось снизить в среднем до 0,1 на единицу чугуна. Однако избежать полностью кристаллизации перовскита не представилось возможным. Шлак содержал 25,04-29,64% SiO2 и 30,60-34,54% TiO2. Полное изъятие песка из шихты позволило снизить до 21,68-25,90% SiO2 и увеличить содержание диоксида титана до 32,57-36,89%.
Чугун в среднем содержал 0,4-0,5% Si. Содержание ванадия колебалось в зависимости от изменения суммы CaO+MgO в шлаке(табл. 18). Переход ванадия в чугун на данном этапе работы печи составил в среднем 71%. Вследствие низкой обессеривающей способности данных шлаков содержание серы в чугуне колебалось в пределах 0,14-0,29%.
Опытная флюсовая плавка пудожгорских титаномагнетитов на Кузнецком металлургическом комбинате

Температура кристаллизации этих шлаков, измеренная платино-платинородиевой термопарой, оказалась равной 1420 С для обоих шлаков. Разница же в содержании CaO в шлаке на 4,5% вызвала резкое колебание в содержании ванадия от 0,8 до 0,52% при практически постоянном содержании кремния.
Следует отметить, что резкое снижение содержания оксида кальция в шлаке (до 14,34%) при непостоянной концентрации SiO2 в агломерате способствовало получению шлаков с повышенной плавкостью. Оксид кремния в данных условиях снижает плавкость этих шлаков. Поэтому несистематическая добавка песка в шихту продолжалась и на данном этапе работы печи. После установления допустимого предельно низкого содержания CaO в шлаке 1/3 извести была заменена обожженным доломитом. Повышенное содержание оксида магния в шлаке до 4-5% позволяет сохранить их плавкость и устойчивость и при уменьшении содержания CaO до 14%. Это обстоятельство позволило полностью исключить из шихты песок, что привело к снижению кратности шлака и позволило несколько повысить содержание TiO2 в шлаке.
При изменении содержания извести в шихте или замене части извести доломитом в первом и втором этапах опытных плавок полностью подтвердились данные лабораторных исследований о возможности управления процессами кристаллизации отдельных шлаковых фаз: при небольшом снижении CaO в шлаке перестал кристаллизоваться перовскит и шлаковая фаза состояла из аносовита и титанита, повышение содержания оксида магния с 2-2,5% до 3,5-4,5% вызвало резкое изменение вещественного состава шлака, при этом титанит перестал кристаллизоваться и шлак состоял из аносовита и титанавгита.
Во время третьего этапа была предпринята попытка интенсифицировать процесс плавки. Печь была переведена на нерациональный режим работы (см. табл. 16) увеличением мощности при возможном соотношении между напряжением и током печи. Это привело к более быстрому сходу колош и резкому увеличению содержания FeO в шлаке до 10,08%. Содержание кремния и ванадия в чугуне снизилось (0,09-0,24% Si; 0,21-0,50% V) при содержании в шлаках (в мас.%): 18,32-24,80 - SiO2; 32,18-34,54 - TiO2; 14,86-18,52 - СаО; 4,32-10,09 - FeO. Шлаки с повышенным содержанием FeO имеют весьма низкую температуру кристаллизации. Например, температура кристаллизации, измеренная платино-платинородиевой термопарой для шлака выпуска 397, содержащего (в мас.%) 24,80 - SiO2; 33,95 -TiO2; 17,48 - СаО; 4,19 - MgO; 6,30 - Fe0, оказалась равной 1320°С. Переход на установившийся электрический режим позволил вернуться к показателям второго этапа плавок.
Изменение состава шихты при опытных плавках приводило к изменению количества образующегося в печи шлака с 0,85 до 0,7-0,75 на 1 т чугуна. Это сказывалось обычно на получении соответственно нестабильного расхода электроэнергии. При кратности шлака 0,7 удельный расход электроэнергии составил 2380 кВт*ч/т чугуна. Работа печи на шлаке с более высоким содержанием MgO и оптимальной концентрацией CaO характеризовалась наименьшим удельным расходом электроэнергии 2250-2325 кВт*ч/ т чугуна. При снижении кратности шлака до 0,45-0,5, как это бывает при плавке железных руд, удельный расход электроэнергии уменьшается до 2230 кВт*ч/т. Средняя величина удельного расхода электроэнергии за проведенную компанию — 2530 кВт*ч/т чугуна. Следует отметить, что за границей, согласно литературным данным, средний удельный расход энергии при выплавке чугуна на коксе из обычных руд составляет от 2600 до 3000 кВт*ч/т.
За время опытных плавок проплавлено 400 т просеянного агломерата, выплавлено 215 т чугуна и 175 т высокотитанистого ишака.
Опытные плавки подтвердили правильность научных основ новой технологии электроплавки пудожгорских титаномагнетитов - использование свойств оксидов титана в сочетании с другими компонентами шихты для создания устойчивых высокотитанистых шлаков, физико-химические свойства которых допускают значительное колебание в их химическом составе.
В результате опытных плавок установлено наименьшее допустимое содержание в них SiO2 и CaO для обеспечения непрерывной устойчивой работы печи при выплавке низкокремнистого ванадиевого чугуна.