CC BY
11
МЕТАЛЛУРГИЯ ЧЕРНЫХ, ЦВЕТНЫХ И РЕДКИХ МЕТАЛЛОВ
УДК 669.243.881
Бигеев В.А., Потапова М.В., Макарова И.В., Юдин Д.В.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА РАФИНИРОВАНИЯ ЧЕРНОВОГО ФЕРРОНИКЕЛЯ, ПОЛУЧЕННОГО СЕЛЕКТИВНЫМ ВОССТАНОВЛЕНИЕМ ЖЕЛЕЗОХРОМОНИКЕЛЕВЫХ РУД
Аннотация. Для развития никелевого производства в России предлагается вовлечь в переработку комплексные природно-легированные железохромоникелевые руды Халиловского месторождения, которые в настоящее время не используются ввиду их бедности как по железу, так и по никелю. Полученный селективным карботермическим восстановлением в лабораторных условиях черновой ферроникель нуждается в дефосфорации (содержание фосфора в металле может достигать 0,7 %). В работе экспериментально были получены зависимости коэффициента распределения фосфора от основности шлака и температуры металла. Также были определены интервалы плавления известково-железистых шлаков. На основании полученных результатов были сформулированы критерии выбора шлакового режима при дефосфорации чернового ферроникеля: необходимо иметь шлак, содержащий не менее 40% СаО и 20% ¥еО с основностью 3,0-3,5; температуру шлаковой ванны следует поддерживать на уровне 1550-1600 оС, образующиеся шлаки при данной температуре обладают невысокой вязкостью; важно обеспечить более полное перемешивание металла и шлака, что позволит увеличить дефосфорирующую способность последнего (продувкой инертным газом или водяным паром).
Ключевые слова: железохромоникелевая руда, селективное восстановление, черновой ферроникель, дефосфорация, известково-железистый шлак.
Введение
Известно, что ферроникель является одним из наиболее дорогостоящих ферросплавов в черной металлургии. В переработку традиционно поступают руды с содержанием никеля не менее 0,8-1,2% [1-4].
Содержание никеля в рудах Халиловского месторождения в 2-4 раза ниже традиционного. Руда имеет следующий химический состав: Fe =30-40%, № = 0,4-0,5%, О" = 1-2%, S = 0,10-0,15%, P = 0,150,25%. По технологии селективного бескоксового восстановления, разработанной на кафедре металлургии и химических технологий Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова, возможно получение чернового ферроникеля с таким же содержанием №, как в черновом ферроникеле, полученном из богатых руд (№~10-20%). Но этот черновой ферроникель отличается очень высоким содержанием фосфора [5, 6].
Дефосфорация чернового ферроникеля представляет наиболее ответственный этап разрабатываемой технологии, так как необходимо снизить содержание фосфора как минимум в 30-50 раз. Дефосфора-ция расплава с помощью известково-железистого шлака является самой дешевой и экологически менее безопасной. Технология имеет две существенные особенности по сравнению с дефосфорацией чугуна.
Во-первых, в черновом ферроникеле единственной примесью, участвующей в формировании шлака является фосфор. Поэтому основная доля массы шлака должна быть обеспечена шлакообразующей сме-
© Бигеев В.А., Потапова М.В., Макарова И.В., Юдин Д.В., 2021
сью. Все необходимое количество шлака наводится с использованием извести, твердого окислителя и окислением железа.
Во-вторых, в чугуне содержание углерода обычно составляет 4-4,5%, при окислении которого образуются газы СО и СО2 в количестве, вполне достаточном для перемешивания ванны, а также выделяется тепло, необходимое для нагрева ванны. В черновом ферроникеле содержание углерода составляет менее 0,05%, его окисление не обеспечит ни требуемого перемешивания, ни нагрева ванны. Поэтому перемешивание ванны необходимо обеспечить продувкой ее нейтральным газом, а нагрев должен быть обеспечен окислением металлической части железа. Следовательно, дутье, используемое при дефосфорации, должно состоять из инертного газа и кислорода.
В данной работе рассматривается вопрос экспериментального определения основных параметров процесса рафинирования чернового ферроникеля и разработки (формулировки) критериев выбора шлакового режима.
Методы и результаты
Целью данной серии экспериментов являлось определение коэффициента распределения фосфора между металлом и шлаком и влияние на него различных параметров, а также определение интервалов температур плавления известково-железистых шлаков.
В качестве шихтовых материалов в опытных плавках использовались:
- ферроникель предыдущих плавок;
- известь;
Раздел 1
- шамотный бой;
- металлизированные окатыши. Ферроникель предыдущих плавок (620 грамм)
загрузили в тигель и расплавили. Химические составы полученного металла и неметаллических материалов приведены в табл. 1 и 2.
Таблица 1
Химический состав полученного ферроникеля, %
N1 С 81 8 Р
15,56 0,07 0,10 0,09 0,42
Таблица 2
Химический состав неметаллических материалов, %
Известь Окатыши металлизированные Шамотный бой
СаО 85,0 3,5 1,0
8Ю2 2,0 5,0 60,0
Бе2Оз - 86,0 2,0
БеО - 1,3 -
ЛЬОз 0,8 2,0 37,0
МяО 2,0 1,0 -
МпО - 0,1 -
Р2О5 0,1 0,05 -
8 0,1 0,05 -
СО2 9,0 - -
Н2О 1,0 1,0 -
<изв
• (СаО)п
(СаО)и
где £изв - расход извести, кг;
(СаО)шл - содержание СаО в шлаке, %;
gшл - расход шлака, кг;
(СаО)изв - содержание СаО в извести, %;
<окат
Принимали, что основной флюс - известь обеспечивает все необходимое количество СаО, а дополнительные флюсы - окатыши - БеО, шамотный бой -81О2.
Приближенный расход извести, окатышей и шамотного боя определялся по следующим формулам [7, 8]:
(1)
Яшл • (РеО)ш
(РеО)0кат
(2)
где <окат - расход окатышей, кг; (РеО)^ - содержание БеО в шлаке, %; (РеО)окат - содержание БеО в окатышах, %;
<ш.б.
(3)
где gш.б. - расход шамотного боя, кг; (81О2)шл - содержание 81О2 в шлаке, %; (8Ю2)ш.б - содержание 8Ю2 в шамотном бое, %.
Приняли возможные пределы изменения химического состава начального шлака: СаО = 40-50%; 8Ю2 = 12-18%; ЕБеО = 20-30%; остальные оксиды (А12О3, МяО и др.) = 10-15%. Выбрали начальный состав шлака: СаО = 40%; 81О2 = 12%; ЕБеО = 20%; остальные оксиды = 20%.
Расчетный расход материалов в зависимости от изменения количества шлака приведен в табл. 3.
Таблица 3
Расходы неметаллических материалов, г
Расход шлака, % от массы металла Материал
Известь Окатыши Шамот
10 4,5 2,3 2,0
15 5,3 3,5 3,0
Химический состав и количество
Сделали шесть навесок ферроникеля по 100 г. Было проведено 6 плавок по 3 плавки с каждым количеством шлака. Взвешенная шихта подавалась к установке. На дно тигля помещался ферроникель, зажигалась дуга между днищем тигля и верхним электродом. По расплавлении металла в тигель подавались сыпучие материалы. Количество извести, окатышей и шамота варьировалось в зависимости от требуемого расхода шлака (см. табл. 3). Средняя продолжительность плавки составляла 30 мин. Температуру жидкой ванны измеряли с помощью термопары. Затем полученные шлак и металл выливались, металл отделялся от шлака. Состав и количество металла и шлака по плавкам представлены в табл. 4 и 5.
Таблица 4
рафинированного ферроникеля
Расход шлака, Номер Массовая доля химических элементов, % Масса Температура
г/100 г металла опыта N1 С 81 Мп 8 Р металла, г ванны, °С
10 1 15,78 0,03 0,4 Сл. 0,06 0,01 81 1580
2 15,66 0,03 0,5 Сл. 0,01 0,03 91 1565
3 16,01 0,04 0,11 Сл. 0,03 0,02 80 1580
15 4 15,59 0,08 0,14 Сл. 0,02 0,01 88 1610
5 15,95 0,04 0,09 Сл. 0,03 0,01 95 1620
6 15,88 0,05 0,15 Сл. 0,01 0,01 92 1560
Таблица 5
Химический состав и количество полученного шлака
Расход шлака, г/100 г металла Номер опыта Массовая доля химических элементов, % Масса шлака, г Основность шлака
бЮ2 МпО БеО 8 Р2О5 СаО М2О3
10 1 14,91 0,02 22,28 0,13 5,33 49,95 8,68 21 67
2 11,09 Сл. 21,29 0,11 6,24 48,1 8,75 11 73
3 13,39 Сл. 19,44 0,13 4,67 49,53 7,12 17 69
15 4 15,27 Сл. 23,06 0,16 3,55 51,01 7,99 29 52
5 17,05 0,01 21,72 0,16 4,16 51,43 8,73 25 50
6 12,67 Сл. 22,30 0,19 3,11 53,26 8,45 19 77
Зависимость коэффициента распределения фосфора от основности шлака представлена на рис. 1.
во
5 45 -4С
З.С 3.2 3.4 3.6 3,0 4.С 4.2 4.4 4,6 Основность шлака
Рис. 1. Зависимость коэффициента распределения фосфора от основности шлака
Из рисунка видно, что при увеличении основности коэффициент распределения фосфора увеличивается. Полученная зависимость является достоверной с доверительной вероятностью 0,87.
Зависимость коэффициента распределения фосфора от температуры ванны жидкого металла представлена на рис. 2.
во
-е-
д 45 -4С
1550 1560 1570 1580 1590 1600 161С 1620 1630 Тедлг е ратура, С
Рис. 2. Зависимость коэффициента распределения фосфора от температуры
Из рисунка видно, что при увеличении температуры коэффициент распределения фосфора уменьшается. Полученная зависимость является достоверной с доверительной вероятностью 0,89.
Определение температур начала и конца плавления полученных шлаков. В этой серии экспериментов определялась температура плавления известково-железистых шлаков. Содержание СаО в шлаке составляет 40-50%, а БеО - 20-22% (см. табл. 5). Температура плавления такого известково-железистого шлака, согласно диаграмме плавкости, составила ~ 1500°С [9].
¡л,
ГГЦ
Рис. 3. Политермическое изображение диаграммы состояния СаО-Реп-8Ю2
Определение температур начала и конца плавления рафинировочных шлаков производилось визуальным методом на микропечи с нагревательным элементом из платины.
Проба шлака предварительно размельчалась до величины зерна менее 0,05 мм. Навеска наносилась на нагревательный элемент в место расположения термопары. При проведении опытов за температуру начала плавления принимали температуру, при которой в зоне плавления на нагревательном элементе появлялись капельки жидкого материала. За конец плавления принимали температуру, при которой последние крупинки шлака перешли в расплав.
Температуры начала и конца плавления полученных шлаков представлены в табл. 6.
Таблица 6
Температуры начала и конца плавления шлаков опытных плавок
Номер Температура начала Температура конца
опыта плавления, °С плавления, °С
1 1380 1410
2 1380 1400
3 1360 1390
4 1400 1430
5 1400 1420
6 1400 1430
На основании результатов проведенных опытов по определению коэффициента распределения фосфора Ьр и температуры начала и конца плавления рафинировочных шлаков принято решение наводить из-вестково-железистый шлак принятого ранее химического состава (СаО = 40-50%; БЮ2 = 12-18%; ЕРеО = 20-30%; А12О3, 1^0 и др. 10-15%). Шлак с таким содержанием основных компонентов обладает высокой рафинирующей способностью (Ьр = 50-70%) [10], имеет температуру плавления на уровне 1400-1450°С и при перегреве на 50-100°С будет иметь достаточную жидкоподвижность.
Заключение
Лабораторные исследования свойств полученного металла и конечного шлака позволили сформулировать критерии, определяющие выбор шлакового режима при дефосфорации чернового ферроникеля:
1) необходимо иметь шлак, содержащий не менее 40% СаО и 20% РеО с основностью 3,0-3,5. Такой шлак получается путем подачи извести и оксидов железа на стадию рафинирования;
2) температуру шлаковой ванны следует поддерживать на уровне 1550-1600°С, образующиеся шлаки при данной температуре обладают невысокой вязкостью;
3) важно обеспечить более полное перемешивание металла и шлака, что позволит увеличить дефос-форирующую способность последнего (продувкой инертным газом или водяным паром).
Сведения об авторах
Список литературы
1. Swinbourne D.R. (2014) Understanding ferronickel smelting from laterites through computational thermodynamics modelling, Mineral Processing and Extractive Metallurgy, 123:3, 127-140, DOI: 10.1179/1743285514Y.0000000056.
2. Value added utilization of by-product electric furnace ferronickel slag as construction materials: a review Resour. Conserv. Recycl., 134 (2018), pp. 10-24.
3. Yu D., Liu F., Zhang J. et al. Thermal Upgrading of Nickeliferous Pyrrhotite Tailings for the Recovery of Nickel in the Form of Ferronickel Alloy. Metall Mater Trans B 50, 2186-2196 (2019). https://doi.org/10.1007/s11663-019-01646-5.
4. Bhaskar K.L., Bhoi B. Iron and Nickel Enrichment in Low Grade Chromite Overburden to Produce Ferro-nickel Alloys. Trans Indian Inst Met (2021). https://doi.org/10.1007/s12666-020-02176-4.
5. Воропаев В.А. Производство стали из фосфористого чугуна в сталеплавильных агрегатах. М.: Металлургия, 1982. 120 с.
6. Воропаев В.А. Передел фосфористого чугуна. Киев: Техника, 1971. 80 с.
7. Бигеев А.М., Колесников Ю.А. Основы математического описания и расчеты кислородно-конвертерных процессов. М.: Металлургия, 1970. 232 с.
8. Бигеев А.М., Потапова М.В. Определение расхода шлака на дефосфорацию чернового ферроникеля, полученного частичным восстановлением железо-хромоникелевой руды Халиловского месторождения // Теория и технология металлургического производства. 2003. № 3. С. 79-84.
9. Жмойдин Г.И., Куликов И.С. Атлас шлаков. М.: Металлургия, 1985. 208 с.
10. Современные процессы ковшевой десульфурации чугуна / Ушаков С.Н., Бигеев В.А., Столяров А.М., Потапова М.В. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2019. Т. 17. № 2. С. 17-23.
Бигеев Вахит Абдрашитович - доктор технических наук, профессор кафедры металлургии и химических технологий, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. E-mail: v.bigeev11@yandex.ru
Потапова Марина Васильевна - кандидат технических наук, доцент кафедры металлургии и химических технологий, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. E-mail: marina_potapova8@mail.ru
Макарова Ирина Владимировна - кандидат технических наук, доцент кафедры металлургии и химических технологий, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. E-mail: m.irina1976@mail.ru
Юдин Данил Владиславович - студент кафедры бизнес-информатики, ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. E-mail: ydv2002@mail.ru
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
EXPERIMENTAL ESTIMATION OF THE REFINING PROCESS PARAMETERS FOR ROUGH FERRONICKEL OBTAINED BY SELECTIVE REDUCTION OF POOR IRONCHROMONICKEL ORE
Bigeev Vakhit A. - Professor of Metallurgy and Chemical Technologies Department, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: v.bigeev11@yandex.ru
Potapova Marina V. - Ph.D. (Eng), Associate Professor of Metallurgy and Chemical Technologies Department, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: marina_potapova8@mail.ru
Makarova Irina V. - Ph.D. (Eng), Associate Professor of Metallurgy and Chemical Technologies Department, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: m.irina1976@mail.ru
Yudin Danil V. - Student of Business Informatics Department, Nosov Magnitogorsk State Technical University, Magnitogorsk, Russia. E-mail: ydv2002@mail.ru
Abstract. For the development of nickel production in Russia, it is proposed to involve in processing complex natural-alloyed iron-chromium-nickel ores of the Khalilovskoye deposit, which are currently not used due to their poverty, both in iron and nickel. The rough ferronickel obtained by selective carbothermal reduction under laboratory conditions needs dephosphorization (the phosphorus content in the metal can reach 0.7%). In the frame of this work, the dependences of the phosphorus distribution coefficient on the slag basicity and the temperature of the metal were obtained in the course of experiment. Intervals of melting temperatures for calcareous-ferruginous slags were determined experimentally as well. On the basis of the obtained results, the criteria for the selection of the slag mode during dephosphorization of rough ferronickel were formulated: it is necessary to form a slag containing at least 40% CaO and 20% FeO with a basicity of 3.0 ... 3.5; the slag temperature should remain at the level of 1550 ... 1600°C, the slag at this temper ature has a low viscosity; it is important to create a more complete mixing of the metal and slag for improvement of dephosphorization (by blowing metal with an inert gas or steam).
Key words: iron-chromium-nickel ore, selective reduction, rough ferronickel, dephosphorization, high-iron limey
slag.
Ссылка на статью:
Экспериментальное определение основных параметров процесса рафинирования чернового ферроникеля, полученного селективным восстановлением железохромоникелевых руд / Бигеев В.А., Потапова М.В., Макарова И.В., Юдин Д.В. // Теория и технология металлургического производства. 2021. №4(39). С. 4-8.
Bigeev V.A., Potapova M.V., Makarova I.V., Yudin D.V. Experimental estimation of the refining process parameters for rough ferronickel obtained by selective reduction of poor ironchromonickel ore. Teoria i tecnología metallurgiceskogo proizvodstva. [The theory and process engineering of metallurgical production]. 2021, vol. 39, no. 4, pp. 4-8.
