Металлопрокат
Металлоконструкции
Обработка металла
Состав чугуна, порядок проведения опытов
Характеристика руд Пудожгорского месторождения титаномагнетитов приведена выше. Опытную продувку чугуна, выплавленного на агломерированном концентрате, из этих руд производили в 2-г конвертере литейного цеха Кузнецкого металлургического комбината. При проведении этих опытов, также как и при усовершенствовании продувки ванадистого чугуна на Чусовском металлургическом заводе руководствовались принципиальными положениями, изложенными в начале настоящей главы.
Учитывая отсутствие до настоящего времени производственного опыта по деванадации пудожгорского чугуна, а также перспективность использования пудожгорских титаномагнетитов в качестве нового минерального источника ванадия и титана, результаты проведенных опытов описаны более подробно по сравнению с технологией продувки кусинского чугуна на Чусовском металлургическом заводе.
Как видно из рис. 38 конвертер имел глухое днище. Подвод дутья осуществлялся с помощью трех медных водоохлаждаемых фурм, установленных под углом 63° к вертикальной оси. Внутренний диаметр сопла центральной фурмы 15 мм, двух крайних — 24 мм. Общее сечение воздушных сопел составляло 10,86 см2, т. е. около 5,4 см2/т, что весьма близко к удельному сечению сопел на конвертерах Чусовского завода (5,5 см2/т). При величине садки жидкого чугуна около 2 т расстояние от устья сопел до зеркала ванны при вертикальном положении конвертера составляло 150 мм. Продувка осуществлялась не с поверхности металла, а сбоку через толщу ванны и в отличие от используемых на Чусовском заводе конвертеров с нижним дутьем обеспечивала уменьшение количества выносимых из конвертера выдувок.
Следует отметить, что продувка сверху с помощью водоохлаждаемой фурмы для процесса получения ванадиевых шлаков нежелательна. Данный метод, при котором шлак обдувается непрерывно обновляемым газообразным окислителем, создает благоприятные условия для окисления ванадиевого шпинелида и, следовательно, ухудшения его минералогической структуры. Процесс окисления шпинелида и растворения продуктов его окисления в силикатном расплаве стимулируется характерной для процесса продувки сверху высокой температурой в свободном объеме конвертера. Более высокотемпературный ход процесса при продувке сверху затрудняет соблюдение необходимых для проведения деванадации температурных условий продувки. При продувке сверху с помощью водоохлаждаемой фурмы не соблюдается и другое важное условие, необходимое для завершения процесса деванадации в течение возможно более короткой по времени продувки, — максимальное развитие реакционной поверхности металл — газообразный окислитель
Наиболее рациональным методом подвода воздушного дутья к жидкой ванне в период ее деванадации следует признать использование верхней водоохлаждаемой фурмы с погружением ее в металл.
При этом устраняется обдувка шлака воздушной струей, достигается необходимое развитие реакционной поверхности между жидкой ванной и газообразным окислителем, предотвращается характерный для продувки сверху интенсивный разогрев ванны. Задача более интенсивного подстуживания ванны в процессе продувки легко решается заменой сухого воздушного дутья увлажненным.
Вдувание воздуха сверху с помощью погруженной в ванну водоохлаждаемой фурмы позволяет уменьшить потерю ванадия с выдувками по сравнению с обычным нижним дутьем и дает возможность поддерживать в процессе продувки температуру ванны на необходимом невысоком уровне, регулируя ее изменением глубины погружения фурмы и степенью увлажнения воздушного дутья.
Расход воздуха регистрировался самопишущим прибором на пульте управления. Величина расхода составляла от 22 до 27 м3/мин, т. е. 11—14 м3/мин на тонну, что ниже расхода воздуха на конвертерах Чусовского металлургического завода, где количество вдуваемого в конвертер воздуха составляет 15,5—18 м3/мин на тонну. Следует отметить, что расход воздуха при продувке пудожгорских чугунов может быть ниже, чем на Чусовском заводе вследствие отсутствия в чугуне хрома.
Футеровка конвертера была выполнена из стандартного магнезитового кирпича с теплоизоляционной засыпкой у кожуха.
Расплавление ванадистого чугуна осуществляли в малой вагранке литейного цеха KMK производительностью около 1,5 т/час. На каждую опытную продувку в вагранку загружали 7 колош весом по 300 кг чугуна каждая.
Температуру жидкого чугуна и полупродукта измеряли при повалках конвертера платино-платинородиевой термопарой, длина которой (2,5 м) обеспечивала постоянство температуры холодного слоя. Для защиты термопары применяли колпачок из прозрачного кварца, который иногда защищали снаружи тонкостенной графитовой трубкой.
В качестве твердого окислителя для интенсификации окисления и подстуживания ванны использовали магнитогорскую мартеновскую руду, содержащую 63,11% Fe и 5,83% SiO2. В ряде плавок руду заменяли железной окалиной, которая содержала 72% Fe и 1,5% SiO2.
Ванадиевый шлак отделяли от полупродукта так же, как на конвертерах Чусовского завода: полупродукт сливали в ковш, удерживая шлак в конвертере с помощью деревянного гребка. После окончания выпуска полупродукта шлак вываливали из конвертера в шлаковню.
Всего было проведено 13 плавок, в которых меняли состав чугуна, твердый окислитель (руда или окалина), метод разогрева полупродукта перед выпуском его из конвертера.
Изменение состава металлической ванны по ходу продувки
В табл. 33 приведен исходный состав чугуна в опытных плавках.
Как видно из анализа плавки 13, пудожгорский чугун содержит всего 0,05% Cr; содержание хрома в чугуне плавок 11 и 12 было специально повышено путем введения феррохрома в вагранку с целью изучения влияния хрома на протекание процесса продувки и состав образующегося ванадиевого шлака.
При содержании в пудожгорском агломерате около 0,43% V и 51,5% Fe удельный расход ванадия на тонну чугуна составляет около 2 т. В случае ведения плавки с соблюдением наиболее благоприятных условий для извлечения титана из агломерата в шлак, извлечение ванадия из агломерата в чугун можно принять близким к 70%. Этому соответствует содержание ванадия в чугунах, равное:
0,43*2*0,70 = 0,60%.
Из табл. 33 видно, что фактическое содержание ванадия в чугуне, использованном для опытных продувок, колебалось в пределах от 0,47 до 0,83%. Большой интервал содержания ванадия в чугуне позволил установить оптимальный состав пудо-жгорского чугуна по содержанию ванадия. Состав чугуна по содержанию кремния был также непостоянным и колебался от 0,27 до 0,73% Si. Содержание марганца в чугуне было невысоким и лишь в одной плавке составляло 0,48%. Чугун содержал около 0,1% P и был сильно загрязнен серой в результате использования при опытной плавке агломерата высокосернистого восстановителя. Содержание серы достигало 0,15%.
Заливку чугуна в конвертер производили при температурах 1180—1220°. Расход твердого окислителя, обеспечивающий завершение процесса деванадации при невысоких температурах, оказался меньшим по сравнению с производственными конвертерами Чусовского завода. Как отмечено при описании влияния твердого окислителя, это является следствием повышенного значения удельных тепловых потерь в конвертере малой емкости, который к тому же работал не непрерывно, а периодически, вследствие чего в каждой плавке большое количество тепла расходовалось на прогрев футеровки.
В табл. 34 приведены данные, характеризующие параметры процесса продувки.
Из рассмотрения данных табл. 34 следует, что использованная технология обеспечила благоприятные условия для окисления присутствующего в чугуне ванадия. Во всех плавках, за исключением плавок 11 и 12, в которых чугун имел искусственно повышенную концентрацию хрома, и плавки 13, в которой чугун содержал 0,83% V, остаточное содержание ванадия в полупродукте не превышает 0,02%, а в большинстве случаев измеряется тысячными долями процента.
Наиболее короткими по продолжительности продувки оказались плавки 4—10, в которых чугун содержал не более 0,60—0,657о V. Средняя продолжительность продувки этих плавок составляет 7 мин., а среднее значение расхода воздуха не выходит за пределы 100 м3/т, что весьма близко к расходу воздуха в конвертерах Чусовского завода при продувке ванадистого чугуна оптимального состава. Расход твердого окислителя в этих плавках, равный в среднем 14,0 кг/т, значительно меньше, чем на Чусовской заводе, что объясняется причинами, отмеченными выше.
Таким образом, при продувке свободного от хрома пудожгорского чугуна, содержащего не более 0,65% V возможно снижение содержания ванадия в полупродукте до следов (вместо 0,04% V в полупродукте Чусовского завода) при аналогичном с чугунами Чусовского завода расходе воздуха и значительно меньшем расходе твердого окислителя.
Характерным при данном содержании ванадия в чугуне является изменение состава металла при продувке, представленное на рис. 33 (плавка 4).
Повышение содержания ванадия в чугуне сверх 0,60—0,65% приводит к увеличению расхода воздуха в продолжительности плавки, что хорошо видно из анализа результатов плавок 1,3 и 13, в которых чугун содержал соответственно 0,78; 0,72 и 0,83% V.
Следует отметить, что в плавке 13 процесс деванадации остался незаконченным, так как полупродукт содержал еще 0,05% V. На рис. 39 показано изменение состава металла при продувке чугуна с повышенным содержанием ванадия.
Выше подчеркивалась целесообразность проведения процесса деванадации в течение максимально короткой продувки. Сокращение продолжительности продувки за счет увеличения скорости подачи воздуха возможно лишь в весьма ограниченной степени, вследствие увеличения потерь ванадия с выдувками. Расход твердого окислителя также нельзя значительно увеличивать, так как это может вызвать чрезмерное охлаждение ванны и, кроме того, всегда связано с внесением в шлак большего количества посторонних окислов. Следовательно, наиболее рациональным методом сокращения продолжительности деванадации является правильный выбор состава чугуна. Из приведенных результатов опытных продувок можно заключить, что повышение содержания ванадия в чугуне сверх 0,60—0,65% нецелесообразно, так как это вызывает увеличение продолжительности продувки.
Данные табл. 34 наглядно иллюстрируют вредное влияние хрома на процесс деванадации. Например, из табл. 33, видно, что отношение содержаний хрома и ванадия в плавках 11 и 12 составляло 1,36 и 1,43 соответственно. При содержании ванадия в чугуне этих плавок 0,59 и 0,61% соответственно, деванадация полупродукта в них не была завершена, несмотря на относительно высокую продолжительность продувки этих плавок (10,5 и 12,5 мин. по сравнению с 7 мин. в свободных от хрома плавках 4—10 с аналогичным содержанием ванадия в чугуне). Сопоставление изменения состава металла при продувке плавок 4 и 11 было представлено выше на рис. 33.
Содержание кремния в полупродукте опытных плавок колебалось от 0,03 до 0,15%, что объясняется, по-видимому, шпинелидным характером ванадиевых шлаков. Значительная часть присутствующей в плавках закиси железа, входила в состав шпинелида. Количество кремнезема в шлаках превышало эквивалентное количество не связанной в шпинелиде закиси железа, которое необходимо для образования фаялита. В связи с этим
Одной из структурных фаз в шлаках, полученных при продувке пудожгорских чугунов являлся тридимит, т. е. свободный избыточный кремнезем. В проведенной серии плавок наблюдалась плохая воспроизводимость как количества тридимита в шлаке, так и степени полноты окисления кремния.
Наиболее короткими по продолжительности деванадации были плавки 5 (6 мин.), 8 (6 мин. 24 сек.) и 10(6 мин. 15 сек.). Содержание ванадия в чугуне этих плавок находилось в пределах от 0,54 до 0,65%, а содержание кремния составляло 0,44, 0,36 и 0,33% соответственно. Продолжительность деванадации плавки 6, в которой чугун содержал 0,61% V и 0,60 % Si, была больше и составила 8,5 мин. Содержание ванадия в шлаке плавки 6 оказалось меньшим, чем в плавках 5, 8 и 10.
В связи с этим был сделан вывод о том, что содержание кремния в пудожгорском чугуне целесообразно ограничить пределами 0,40—0,50%.
К моменту завершения деванадации содержание марганца в полупродукте снижалось до следов, результат, который в отличие от поведения кремния в опытных плавках, оказался хорошо воспроизводимым и аналогичным наблюдаемому при продувке ванадистых чугунов других типов. Помимо низкой температуры процесса, энергичному окислению марганца при деванадации чугунов способствует прочная фиксация двух- и трехзарядных его катионов в решетке шпинелида. Учитывая указанные выше высокие пределы допустимого содержания кремния в чугуне, следует ограничить содержание марганца в нем пределом 0,20%, что при низком содержании марганца в пудожгорском агломерате не вызовет затруднений.
При высоком содержании ванадия в шлаках опытных плавок и отсутствии в них свободной от шпинелида закиси железа, фосфор из металлической ванны в заметных количествах не удалялся. В некоторых плавках вследствие угара железа концентрация фосфора в полупродукте после деванадации оказалась даже несколько более высокой, чем в исходном чугуне (табл. 35). Тем не менее шлаки опытных продувок характеризуются небольшим содержанием фосфора, близким к 0,17% P2O5, что вполне сопоставимо со шлаками Чусовского завода, содержащими 0,16—0,21% P2O5.
Выше отмечалось, что вследствие использования при плавке пудожгорского агломерата высокосернистого восстановителя чугун был сильно загрязнен серой. Процесс деванадации, протекающий при невысоких температурах в окислительной атмосфере и при отсутствии в шлаке элементов, обладающих высокой десульфурирующей способностью, не может сопровождаться заметным переходом серы из металлической фазы в шлаковую. За счет угара железа при продувке можно ожидать повышения концентрации серы в полупродукте по сравнению с исходным чугуном, что и было отмечено в действительности. Например, плавке 9 содержание серы в чугуне составляло 0,15%, а в полупродукте по окончании процесса деванадации — 0,22%. Это указывает на необходимость использования при плавке пудожгорского агломерата низкосернистого восстановителя. В противном случае окажется необходимым производить специальную десульфурирующую обработку жидкого чугуна или полупродукта.
Принятая в опытных плавках технология предусматривала получение полупродукта с возможно более высоким содержанием углерода, что требует сокращения продолжительности продувки и предотвращения разогрева ванны в течение процесса деванадации. Если исключить из рассмотрения плавку 10, нехарактерную вследствие пониженного содержания углерода в чугуне (см. табл. 33), то, как видно из табл. 34, снижение содержания углерода в полупродукте до 2,4—2,5% имело место лишь в тех плавках, которые заканчивались при температуре полупродукта, равной или превышающей 1350°, особенно если продолжительность продувки возрастала до 10 и более минут. К числу таких плавок относятся плавки 3, 12, 13. Наиболее важным является, однако, температурный фактор. Например, в плавке 1 (см. табл. 34), несмотря на большую продолжительность продувки, углерод в полупродукте сохранился на сравнительно высоком уровне, что объясняется низкой температурой протекания этой плавки. В плавках 4—9 и 11, продолжительность продувки которых составляла от 6 до 10,5 мин., а температура полупродукта к моменту завершения деванадации не превышала 1350°, содержание углерода в полупродукте находится в пределах 2,76—2,90%. Следует отметить, что несколько пониженное содержание углерода в полупродукте связано с необычно низким содержанием углерода в исходном чугуне. Тем не менее результаты опытов показывают, что при деванадации пудожгорского чугуна получение полупродукта, содержащего около 3% С, вполне возможно. Необходимыми предпосылками для этого являются: соблюдение условий, обеспечивающих завершение деванадации в течение короткой по времени продувки и проведение этого процесса при температуре, не превышающей 1350°.
Температурный режим продувки и расход твердого окислителя
Температура чугуна при заливке в конвертер ниже 1200° нежелательна, так как процесс в этом случае протекает вяло, что заставляет удлинять продолжительность продувки. Заливка чугуна в конвертер при температурах, превышающих 1220— 1230°, также нецелесообразна, так как при этом может происходить излишний перегрев ванны к моменту первой повалки конвертера. Понижение температуры ванны, перегретой в процессе продувки, обычно весьма затруднительно.
При температуре полупродукта во время продувки 1300—1330° процесс деванадации протекает достаточно быстро и полно. Дальнейшее снижение температуры продувки пудожгорских чугунов вряд ли целесообразно из-за увеличения количества металлических включений в шлаках. Повышение температуры процесса сверх 1350° также нецелесообразно вследствие развития реакции обезуглероживания. Оптимальным для ведения процесса деванадации пудожгорских чугунов следует признать температурный интервал от 1300 до 1350°.
Продувка чугуна в полупромышленном конвертере емкостью 2 т отличается от производственных условий более высоким значением удельных тепловых потерь. Из опыта работы конвертеров Чусовского завода известно, что разогрев ванны с 1200—1230 до 1300—1330° требует продувки в течение всего 1,5—2 мин. Поэтому продолжительность продувки пудожгорских чугунов в производственных условиях с соблюдением указанных температур чугуна и полупродукта будет меньше, чем это имело место в полупромышленных опытах.
Выше отмечалось, что расход твердого окислителя в опытах по продувке пудожгорского чугуна был весьма небольшим вследствие высоких тепловых потерь конвертера. Однако, сравнивая расход твердого окислителя в различных плавках, можно выявить его зависимость от состава чугуна. Наименьший расход твердого окислителя наблюдается при продувке чугуна, в котором не содержится хрома, а содержание ванадия не превышает 0,65%. Средний расход твердого окислителя в плавках 4—10 при содержании ванадия в чугуне от 0,47 до 0,65% составил 13,8 кг/т. В плавках 1 и 3 при содержании ванадия в чугуне, превышающем 0,7%, расход твердого окислителя возрос до 20—23 кг/т. При содержании ванадия в чугуне, превышающем 0,80% расход твердого окислителя должен быть еще выше, так как в плавке 13 (0,83% V в чугуне) расход твердого окислителя, равный 21,10 кг/т, для полного окисления ванадия оказался недостаточным. Данные по расходу твердого окислителя указывают на нецелесообразность повышения содержания ванадия в чугуне сверх 0,60—0,65%. Необходимо также учитывать, что в производственных условиях вследствие меньших удельных тепловых потерь в крупных конвертерах расход твердого окислителя будет значительно превосходить указанные выше величины, выявленные для конвертера небольшой емкости.
Использование для продувки погруженных в ванну водоохлаждаемых фурм и применение увлажненного воздушного дутья уменьшит (или полностью устранит) расход твердого окислителя в конвертере.
Состав ванадиевых шлаков
Состав шлаков, полученных в опытных продувках, приведен в табл. 36. В таблице приведены также количества металла в измельченных пробах. Однако эти величины не могут характеризовать действительной степени содержания корольков металла в шлаке и приведены лишь для пересчета концентраций ванадия на безжелезистую массу шлака как это принято на Чусовском заводе. Такой пересчет позволяет непосредственно сравнивать шлаки опытных продувок со шлаками, получаемыми в производственных условиях.
Как видно из табл. 36, шлаки всех экспериментальных плавок характеризуются довольно высоким содержанием кремнезема (от 18,52 до 25,30%), что является следствием повышенного содержания кремния в исходном чугуне. Относительно низкое содержание кремнезема было получено в шлаке плавок 5, 8 и 10. в которых продувке подвергали чугун с пониженным содержанием кремния.
По содержанию марганца состав проанализированных на этот элемент шлаков оказался весьма стабильным. Содержание марганца в ванадистых шлаках достаточно постоянное и невысокое (3—5% MnO), что объясняется низким содержанием марганца в исходном пудожгорском чугуне. Невысоким и постоянным оказалось также и содержание в шлаках титана, которое в пересчете на TiO2 находится в пределах от 1,74 до 2,20%.
Полученные шлаки практически свободны от окиси кальция, содержание которой во всех проанализированных шлаках не превышает следов; содержание окиси магния в шлаке, несмотря на то, что футеровка конвертера была выполнена из магнезитового кирпича, также оказалось весьма низким, и составляло не более 0,30%, а в некоторых шлаках лишь следы. Низкое содержание окиси магния объясняется высокой тугоплавкостью шлаков и образованием их в высоковязком или твердом состоянии, при котором они практически не взаимодействовали с футеровкой.
По содержанию фосфора шлаки оказались весьма чистыми. Максимальное содержание пятиокиси фосфора 0,17%, — такое же, как в шлаках Чусовского завода. При значительно более высоком содержании ванадия шлаки, полученные при продувке пудожгорского чугуна характеризуются более высоким отношением концентрации ванадия и фосфора, чем шлаки Чусовского завода.
Шлаки оказались также чистыми по содержанию хрома, не превышающему в пересчете на Cr2O3 приблизительно 0,5%. Высокое содержание хрома в шлаках плавок 11 и 12 объясняется наличием в чугунах этих плавок хрома, который был специально введен в чугун при расплавлении его в вагранке.
По содержанию ванадия шлаки опытных плавок (за исключением плавок 11 и 12 с добавкой хрома) оказались значительно более богатыми, чем шлаки Чусовского завода. Наиболее высокое содержание ванадия в шлаках получено при продувке чугунов с содержанием ванадия, не выходящим за пределы 0,60—0,65%. Как отмечено выше, продувка таких чугунов характеризуется минимальной продолжительностью и небольшим расходом твердого окислителя. Таким образом, повышение содержания ванадия в пудожгорских чугунах сверх 0,65% является нецелесообразным, так как использование чугуна, содержащего 0,49—0,65% V, вполне обеспечивает получение шлака с концентрацией ванадия не менее 15% (около 27% V2O5) при минимальной продолжительности продувки.
Концентрация ванадия в шлаке в сильной степени зависит от содержания в исходном чугуне кремния (см., например, плавку 1 табл. 33, 36). При содержании кремния в пудожгорском чугуне в пределах 0,40—0,50% содержание ванадия в нем должно быть 0,60—0,65%. При более низком содержании кремния возможно понижение содержания ванадия в чугуне до 0,50—0,60%.
По физическому состоянию полученные в опытных плавках шлаки были твердыми. Из конвертера они высыпались в виде несвязанных между собой гранулей. Внешний вид шлаков показан на рис. 17.
Степень извлечения ванадия в шлаки
Для получения надежных данных по достигнутому коэффициенту извлечения ванадия в шлак необходима разделка сравнительно больших навесок шлака (не менее 25 кг), без чего нельзя дать оценку количества присутствующих в шлаке металлических корольков. В целях усреднения результатов такое определение количества металлических корольков было произведено не для отдельных плавок, а во всем валовом количестве шлака, собранном в первых пяти плавках (1,3—6), равном 558.5 кг. При разделке пробы этого шлака весом 67 кг из нее было выделено 10 кг металлических корольков, что составляет примерно 15%.
В табл. 37 приведены данные, необходимые для определения коэффициента извлечения ванадия в шлак по этим плавкам. Количество металлических корольков в шлаке принимается равным 15%.
Средневзвешенный коэффициент извлечения ванадия по плавкам 1, 3—6 составляет 86,5%. Полученную величину коэффициента извлечения ванадия в шлак следует признать высокой, если учесть, что в опытных плавках в конвертер не добавляли шлаковые отходы и конвертерные выдувки, как это практикуется в производственных условиях. Достижению высокого коэффициента извлечения ванадия в опытных плавках, проводившихся на твердые рассыпчатые шлаки, способствовало использование конвертера с боковым дутьем, что обеспечивало сокращение потерь ванадия с выдувками по сравнению с продувкой в конвертерах Чусовского завода, имеющих нижнее дутье.
Выполненные в Центральном научно-исследовательском институте черной металлургии опыты показали, что обжиг полученных шлаков позволяет перевести более 90°/о присутствующего в них ванадия в водную вытяжку. Количество ванадия, дополнительно извлекаемое из шламов при их кислотной обработке, оказывается незначительным. При таком соотношении между водо- и кислотно-растворимым ванадием кислотная обработка шламов становится необязательной, так как не увеличивая заметно суммарного извлечения ванадия, она будет сопровождаться получением растворов с повышенным содержанием фосфора.
Использование жидкого полупродукта
Использованный в опытных плавках чугун не был характерным по содержанию фосфора и серы. Пудожгорский агломерат может обеспечить получение чугунов с содержанием не более 0,03% P и таким же содержанием серы. Поскольку оба эти элемента в процессе деванадации переходят в шлак лишь в весьма незначительной степени, можно ожидать аналогичного содержания их в полупродукте. Полупродукт с таким содержанием фосфора и серы целесообразно использовать в качестве жидкой завалки электросталеплавильных печей для выплавки качественных сталей.