На правах рукописи

Акимов Евгений Николаевич

ПОЛУЧЕНИЕ НИЗКОУГЛЕРОДИСТОГО ФЕРРОХРОМА

СОВМЕЩЕННЫМ АЛЮМИНО-СИЛИКОТЕРМИЧЕСКИМ

ПРОЦЕССОМ

Специальность 05.16.02 –

Металлургия черных, цветных и редких металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Челябинск 2014

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Уральский государственный университет» (национальный исследовательский университет) на кафедре металлургии и литейного производства и ОАО «Челябинский электрометаллургический комбинат»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, Рощин Василий Ефимович

Официальные оппоненты: Жучков Владимир Иванович, доктор технических наук, профессор, Институт металлургии УрО РАН (г. Екатеринбург) Чуватин Виктор Николаевич, кандидат технических наук, генеральный директор ЗАО «Саткинский инженернотехнологический центр» (г. Сатка).

Ведущая организация – Открытое акционерное общество «Научноисследовательский институт металлургии» (г. Челябинск)

Защита состоится «11» июня 2014 г. в 14 ч 00 мин, на заседании диссертационного совета Д 212.298.01 при Южно-Уральском государственном университете по адресу: 454080, г. Челябинск, проспект имени В.И. Ленина, 76, ауд. 1001 главного учебного корпуса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЮжноУральского государственного университета. Объявление о защите, диссертация и автореферат размещены в сети Интернет по адресу:

http://susu.ac.ru/ru/dissertation/d-21229801/akimov-evgeniy-nikolaevich Отзывы на автореферат диссертации (в двух экземплярах, заверенные печатью) просьба направлять по адресу: 454080, г. Челябинск, проспект имени В.И. Ленина, 76, Учный совет. Тел. (351) 267-91-23, факс (351) 267-92-28 Копии отзывов можно направлять по e-mail: [email protected]

Автореферат разослан «» 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, Мирзаев Джалал Аминулович д.ф-м.н, профессор

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность Требования к содержанию вредных примесей неуклонно ужесточаются. Известно, что свойства стали и сплавов в значительной степени зависят от содержания таких примесей как углерод, сера, фосфор, азот и другие. Особенно сложной является проблема снижения содержания фосфора в высокохромистых сталях и сплавах. К таким сталям относятся коррозионностойкие хромоникелевые и хромистые (суперферритные), а также сплавы с содержанием хрома до 40%.

Фосфор снижает свойства высокохромистых сталей, придавая им хрупкость и увеличивая склонность к хрупкому излому. При увеличении содержания фосфора на 0,01% в стали порог хладноломкости повышается на 20…25 °C, так как фосфор находится в твердом растворе и влияет на свойства стали посредством изменения свойств феррита и аустенита. Воздействие фосфора на свойства стали усугубляется его склонностью к ликвации.

Проблемами дефосфорации стали и ферросплавов, процессами рафинирования сплавов хрома и высокохромистых расплавов, разработкой методов шлаковой и газовой дефосфорации, а также технологиями производства низкофосфористого феррохрома занимались на протяжении многих лет сотрудники ряда научных коллективов, в том числе кафедры металлургии стали и ферросплавов НИТУ МИСиС.

В настоящее время проблема удаления фосфора из высокохромистой стали решается путм незначительного снижения содержания фосфора при смешивании двух расплавов (низкофосфористого нелегированного и фосфористого легированного с повышенным содержанием фосфора) или за счт использования низкофосфористых исходных шихтовых материалов.

Способы дефосфорации с помощью флюсов в слабоокислительных и восстановительных условиях малоэффективны вследствие значительных потерь хрома. К недостаткам таких способов относят большую кратность шлака, высокую активность флюса по отношению к огнеупорным материалам и рефосфорацию.

Известные способы дефосфорации (слабоокислительный, газовый, плазменный) имеют каждый свои достоинства, но не обеспечивают в полной мере выполнения основных требований, предъявляемых к процессу дефосфорации в современных условиях. Кроме того, они требуют увеличения числа дополнительных операций с использованием специального оборудования, что приводит к снижению производительности и увеличению затрат при обработке стали.

В частности, требуются достаточно простые процессы, возможность относительно простого включения их в технологическую схему, высокая степень дефосфорации, низкая стоимость применяемых материалов.

Гарантированным способом снижения содержания фосфора при производстве сталей и сплавов с высоким содержанием хрома является использование феррохрома с низким содержанием фосфора, так как основная часть фосфора поступает в сталь из низкоуглеродистого феррохрома. Поэтому использование низкофосфористого низкоуглеродистого феррохрома позволит выплавлять хромистые стали с требуемым содержанием фосфора.

Существующая классическая печная технология с использованием ферросиликохрома, являющимся восстановителем хрома и железа из хромовой руды позволяет получать низкоуглеродистый феррохром с содержанием фосфора не более 0,05%. При определенном подборе шихтовых материалов можно получать феррохром с содержанием фосфора не более 0,03%. Основное количество фосфора в низкоуглеродистый феррохром поступает вместе с ферросиликохромом и известью. Снижение количества извести и ферросиликохрома за счт использования низкофосфористого восстановителя позволит понизить концентрацию фосфора в низкоуглеродистом феррохроме. Существующая алюминотермическая технология позволяет получать безуглеродистый феррохром с содержанием фосфора менее 0,01% за счт низкого расхода извести и использования алюминия, который практически не содержит фосфор. Алюминотермическая технология подразумевает использование подготовленных шихтовых материалов, что существенно повышает себестоимость сплава. Использование других кремний- и алюминийсодержащих материалов, например ферросилиция или ферросиликоалюминия не позволит значительно снизить содержание фосфора в низкоуглеродистом феррохроме.

Частичное использование более доступного кускового алюминия совместно с ферросиликохромом и малое количество извести в существующем производстве, скорее всего, позволят понизить содержание фосфора в феррохроме до 0,015%.

Разработка технологии получения низкоуглеродистого феррохрома с низким содержанием фосфора совмещенным алюминосиликотермическим процессом позволит повысить качество легированной стали, что является актуальной задачей.

Цель и задачи исследования Цель работы – разработка теоретических основ и технологии получения низкоуглеродистого феррохрома с содержанием фосфора менее 0,015% совмещенным алюмино-силикотермическим процессом.

Для достижения этой цели необходимо решить задачи:

Выполнить термодинамический расчт силикотермического и алюминотермического процессов производства низкоуглеродистого феррохрома. Оценить возможность получения низкоуглеродистого феррохрома с содержанием фосфора менее 0,015%.

Установить закономерности изменение количества и состава металлической и шлаковой фаз от расхода восстановителей и извести, а также последовательности их использования.

На основании результатов термодинамического расчта разработать технические решения использования алюмино-силикотермического процесса получения низкоуглеродистого феррохрома c ограниченным содержанием фосфора на стандартном оборудовании и из традиционных шихтовых материалов. Реализовать предложенные технические решения в промышленных условиях. Оценить технологическую эффективность предложенных решений.

Выполнить технико-экономический анализ и оценить целесообразность предложенных технических решений.

Исследовать свойства шлаков, образующихся при алюминосиликотермическом процессе. Определить зависимости влияния компонентов шлака на его электропроводность.

Основные положения, выносимые на защиту 1. Термодинамический расчт влияния расхода алюминия, ферросиликохрома, извести на состав металла и шлака при производстве низкоуглеродистого феррохрома.

2. Результаты промышленных испытаний алюминосиликотермической технологии выплавки низкоуглеродистого феррохрома.

3. Исследования влияния количества глинозма и оксида хрома на электропроводность шлаков алюмино-силикотермического производства низкоуглеродистого феррохрома.

Научная новизна 1. Выполнен термодинамический расчт химических превращений при алюмино-силикотермическом процессе получения низкоуглеродистого феррохрома c ограниченным содержанием фосфора. Установлены закономерности изменение количества и состава металлической и шлаковой фаз от расхода восстановителей и последовательности их использования.

2. Показано, что алюмино-силикотермический процесс получения низкоуглеродистого феррохрома c ограниченным содержанием фосфора целесообразно проводить в два периода. Первый период с использованием в качестве восстановителя алюминия и получением металла с низким содержанием фосфора и высоким – кремния и шлака с низким содержанием оксида хрома. Второй период с использованием в качестве восстановителя ферросиликохрома и получением металла заданного химического состава.

3. Подтверждено образование двухвалентного хрома в алюминотермическом, силикотермическом и алюмино-силикотермическом процессах. Установлены закономерности влияния расхода восстановителей и извести на концентрацию оксида двухвалентного хрома.

4. Разработаны теоретические основы и технические решения использования алюмино-силикотермического процесса получения низкоуглеродистого феррохрома c ограниченным содержанием фосфора на стандартном оборудовании и с использованием традиционных шихтовых материалов.

5. Получены количественные данные влияния содержания оксидов алюминия и хрома на электропроводность шлаков производства низкоуглеродистого феррохрома. Установлено, что повышение содержания оксида хрома и алюминия в шлаковом расплаве приводит к снижению его электропроводности.

Практическая значимость Предложена технология выплавки низкоуглеродистого феррохрома с низким содержание фосфора совмещенным алюминосиликотермическим процессом путем использования ферросиликохрома и алюминия в качестве восстановителей. Технология позволяет получать сплав с содержанием фосфора менее 0,015% при использовании традиционных шихтовых материалов (хромовая руда, ферросиликохром, алюминий, известь) без изменения технологической схемы на существующем оборудовании.

Результаты работы доложены на XIV и XV международных научных конференциях «Современные проблемы электрометаллургии стали»

(г. Челябинск, 2010 и 2013 гг.), XIII Российской конференции «Строение и свойства металлических и шлаковых расплавов» (г. Екатеринбург, 2011 г.), четвертой и пятой научной конференции аспирантов и докторантов (г. Челябинск, 2012 и 2013 гг.), 64-й научной конференции профессорскопреподавательского состава, аспирантов и сотрудников ЮУрГУ (г. Челябинск, 2012 г.), восьмой всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов с международным участием (г. Старый Оскол, 2012 г.), XII международном конгрессе сталеплавильщиков (г. Выкса, г.), уральском промышленном конгрессе "Металлургия и машиностроение XXI века: наука, производство, потребление, кадры" (г. Челябинск, г.), Всемирном конгрессе ферросплавщиков ИНФАКОН XIII (Казахстан, г.

Алма-Ата, 2013 г.), международной научно-технической конференции «Современные металлические материалы и технологии» (г. Санкт-Петербург, 2013 г.) Личный вклад автора Научно-теоретическое обоснование, подготовка и непосредственное участие в проведении научных исследований и экспериментов, анализе, обобщении и обработке полученных результатов, подготовка научных публикаций.

По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, из них 5 статей в рецензируемых журналах по перечню ВАК РФ, 6 статей в других журналах и сборниках научных трудов.

Структура и объм диссертации Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка использованных источников и одного приложения. Содержание работы изложено на 107 страницы машинописного текста, включая 48 рисунков, 23 таблицы, список использованных источников включает 102 наименования.

Аналитический обзор литературных источников по состоянию проблем дефосфорации стали и сплавов с высоким содержанием хрома показал актуальность работы. Рассмотрены основные источники поступления фосфора в высокохромистую сталь и способы е дефосфорации.

Показано, что способы дефосфорации высокохромистых стальных расплавов с помощью флюсов в слабоокислительных и восстановительных условиях малоэффективны вследствие значительных потерь хрома, высокой кратности шлака, высокой активности флюсов по отношению к огнеупорным материалам; кроме того, существует возможность рефосфорации.

Процессы связаны с увеличением числа дополнительных операций и использованием специального оборудования, что приводит к увеличению затрат при обработке стали и снижению производительности.

Эффективным способом снижения содержания фосфора в высокохромистых сталях является использование низкофосфористого низкоуглеродистого феррохрома.

Из анализа способов дефосфорации низкоуглеродистого феррохрома следует, что используемые способы дефосфорации не отвечают в полной мере требованиям, предъявляемым к ним в современных условиях, таким как простота процесса, возможность использования существующей технологической схемы, высокая степень дефосфорации, низкая стоимость применяемых материалов.

Из литературных источников, а также согласно расчту балансов промышленных плавок и их анализу следует, что повышение содержания фосфора в сплаве обусловлено, в основном, его повышенным содержанием в шихте (80…90% фосфора переходит в металл). Снижение содержания фосфора в низкоуглеродистом феррохроме обычно достигается контролем качества шихтовых материалов, в первую очередь ферросиликохрома, т.к.

содержащийся в нем фосфор полностью переходит в сплав. Поэтому для снижения содержания фосфора до 0,015% в сплаве целесообразно снизить количество ферросиликохрома за счт использования низкофосфористого восстановителя – алюминия, и снизить расход извести.

Для определения количества шихтовых материалов для выплавки низкоуглеродистого феррохрома с содержанием фосфора ниже 0,015%, а также состава металла и шлака выполнили термодинамический расчт.

Термодинамический расчт процессов получения низкоуглеродистого феррохрома Термодинамический расчт проводили с использованием программного комплекса «TERRA». Расчеты выполняли для пяти вариантов состава шихты (табл.1). Первый вариант расчета соответствует силикотермическому процессу, второй – алюминотермическому, третий – комплексному одновременному использованию восстановителей, четвертый – использованию алюминия в 1 период и ферросиликохром – во 2 период. После определения количества восстановителей для получения сплава с содержанием фосфора менее 0,015% в пятом варианте расчетов исследовали влияние извести на состав металла и шлака.

Таблица 1 – Расход шихты по вариантам расчта Вариант расчта По первому варианту расчта результаты состава шлаковой и металлической фаз первого периода силикотермической плавки показывают, что при восстановлении ферросиликохромом в присутствии извести в шлаковой фазе образуются соединения алюминатов и силикатов кальция (рис. 1).

Рис. 1 – Изменение содержания ассоциатов в шлаковой (А) и металлической (Б) фазах при увеличении расхода ферросиликохрома в первом периоде силикотермической плавки В шлаковой фазе образуется небольшое количество силиката хрома Cr2SiO4. Поскольку кремнезем связан в основном в более прочные силикаты кальция, то наблюдается низкая концентрация хрома в двухвалентном состоянии.

Содержание элементов в металле и степень их перехода в зависимости от расхода ферросиликохрома показаны на рис. Рис. 2 – Содержание элементов в металле (А) и степень перехода элементов в металл (Б) при увеличении расхода ферросиликохрома в первом периоде силикотермической плавки Полное восстановление хрома в первом периоде силикотермической плавки достигается при расходе ферросиликохрома 40 кг на 100 кг руды. Во втором периоде силикотермической плавки при расходе ферросиликохрома равном 29 кг на 100 кг руды получается металл с содержанием 1,5% Si, 0,026% P и 70% Cr (рис. 3).

Рис. 3 – Содержание элементов в металле (А) и степень перехода элементов в сплав (Б) при увеличении расхода ферросиликохрома во втором периоде силикотермической плавки Шлак второго силикотермического периода состоит из 13% MgO,