7.8. Продувка ванадієвих чавунів

Одним із найцінніших і дорогих легуючих елементів при виробництві сталі є ванадій. На-5-ть невеликий його вміст значно поліпшує механічні та експлуатаційні властивості сталі.

Переділ ванадієвмісного чавуну проводиться за комплексною технологічною схемою добування ванадію з мінеральної сировини. Ця схема включає виплавку чавуну зі збагаче­них ванадієвмісних залізорудних матеріалів, переведення ванадію в шлак у вигляді оксиду V205 при окислювальному рафінуванні чавуну в конвертері і подальшу переробку шлаку з метою отримання чистого п'ятиокису ванадію і ферованадію.

Спочатку ванадієвий чавун переробляли скрап-рудним процесом в основних мартенів­ських печах. Такий монопроцес був недостатньо економічний: продуктивність печей значно знижувалась; ступінь виділення ванадію в шлак був недостатнім (65-70%); умови праці, особливо операції скачування шлаку, важкими.

Згодом був розроблений більш економічний дуплекс-процес бесемерівський конвер­тер - основна мартенівська піч. Такий процес на Чусовському металургійному заводі до­зволив підвищити ступінь виділення ванадію до 88-89%, a (V205) - до 13-14%. Спочатку для першої стадії переділу застосовували 22-тонний кислий конвертер із донним повітря­ним дуттям. Згодом кислу футеровку замінили основною (магнезитовою), що дало змогу збільшити її стійкість.

Родовища ванадієвих руд зустрічаються рідко, основним джерелом задоволення по­треб промисловості у ванадії є переробка комплексних руд, серед яких основну роль віді­грають титаномагнетитові руди. Із цих руд або збагачених концентратів в доменних або електричних печах одержують чавун, рафінування якого дозволяє перевести ванадій у шлак.

Для рафінування ванадієвмісного чавуну використовують складні і дорогі агрегати. Так, на заводах у Вітбенку (ЮАР) чавун, виплавлений із заздалегідь відновленої руди в руднотермічних електропечах типу «ЕСКЕМ», піддають продувці киснем у ковшах, які стру­шуються, а напівпродукт продувають в кисневих конвертерах.

Переділ ванадієвмісних чавунів може бути значно спрощений і здешевлений, якщо замість описаних проміжних операцій, призначених для виділення ванадію з чавуну у шлак, використовувати безперервний процес. Дослідження процесу деванадації чавуну при стру­минному рафінуванні виконано в ДонНДІЧорМеті. Для струминного рафінування чавуну ви­користовували установку типу конструкції BISRA, яка переробляла за одне дослідження 150 кг чавуну.

Подачу окислювальних газів до реакційної камери здійснювали за допомогою сопло­вих коробок, які мають 6 сопел діаметром 4 мм (при використанні стислого повітря), або 8 сопел по 2 мм (при використанні кисню). Кут перетину осі сопел з вертикальною віссю становив відповідно 32° і 20°.

Для правильної організації процесу важливо знати, на якому ступені реакції рафіну­вання завершуються і наскільки велика роль шлаку.

Із термодинамічних умов окислення ванадію випливає, що надмірне підвищення темпера­тури несприятливо впливає на ступінь деванадації 5V, зменшуючи співвідношення між кількістю окисленого ванадію, з одного боку, і вуглецю та заліза - з іншого. У ряді досліджень встановле­но, що температура металу в кінці періоду деванадації при продувці в кисневих конвертерах не повинна перевищувати 1420°С. В кисневих конвертерах при деванадації чавуну охолодження металу проводять залізною окалиною або залізорудним концентратом, присаджуваними у ван­ну в процесі продувки. При дослідженні процесу деванадації чавуну в агрегаті струминного рафінування було випробувано охолодження металу.

Інший спосіб полягає у розведенні кисню азотом і використанні азоту як охолоджувача.

Розробка режиму процесу струминного рафінування ванадієвмісного чавуну, що забезпе­чує максимальну концентрацію V205 у шлаку і досить повне виділення ванадію з чавуну, поляга-

ла у виборі оптимальних співвідношень витрат чавуну і окислювального газу та регулюванні температури металу введенням охолоджувачів. В ході експериментів було встановлено, що при рафінуванні киснем його питомі витрати, які забезпечують достатню повноту деванадації, скла­дають 50-60 м3/т, що значно перевищує теоретичну потребу у кисневі і фактичні показники, досягнуті при промисловій деванадації чавуну на Нижньо-Тагільському металургійному комбі­наті (15-20 м3/т). Це пояснюється тим, що внаслідок малих розмірів експериментальної установки неможливо виготовити кисневі сопла у вигляді сопел Лаваля, а обмежені питомі витрати газу (15-20 м3/т) не могли забезпечити при циліндричній формі перерізу сопел достатній ступінь дроблення струменя чавуну на краплі.

Ступінь деванадації чавуну збільшується при підвищенні питомих витрат кисню. Концен­трація V205 у шлаку також підвищується при збільшенні питомих витрат кисню, проте лише до

деякої межі. При подальшому підвищенні пи­томих витрат кисню концентрація V205 у шла­ку зменшувалась (рис. 7.60).

Такий характер залежності пояснюється одночасним окисленням ванадію і заліза, ок­сиди якого розбавляють шлак, зменшуючи в ньому концентрацію V205- При зниженні тем­ператури процесу створюються більш сприят­ливі умови для окислення ванадію, тому, якщо температура знижується при розбавленні кис­нем і азотом, то концентрація V205 у шлаку підвищується при збільшенні ступеня розбав­лення і має максимальне значення при продув­ці повітрям.

Якщо ж зниження температури металу досягається додаванням залізорудного кон­центрату, то залежність між кількістю цих до­бавок і вмістом V205 має екстремальний ха­рактер (рис. 7.61). При збільшенні витрат концентрату понад 55 кг/т вміст V205 у шла-

ку знижується, залізорудні добавки не тільки знижують температуру процесу, але й розбав­ляють шлак по V205. На підставі цих залежностей був розроблений оптимальний режим процесу деванадації.

Високий вміст (V205) забезпечується за рахунок зменшення кількості шлаку, що харак­терно для першого періоду бесемерівського або киснево-конвертерного процесу.

Деванадація чавуну дуплекс-процесом конвертер-конвертер з використанням кисне­вого дуття.за технологією, розробленою Уральським інститутом чорних металів і Нижньо-Тагільським металургійним комбінатом, дозволяє підвищити ступінь добування ванадію до 90% і більше при вмісті (V205) понад 14%.

У зв'язку з екзотермічністю реакції (7.7) значення КV зі зниженням температури зро­стає. Отже, чим нижча температура ванни і вище aFе0, тим повніше ванадій може бути переведений з металу у шлак.

Зі зниженням температури, хімічна спорідненість вуглецю до кисню зменшується, ва­надію до кисню зростає і підвищується відношення швидкості окислення ванадію до швид­кості окислення вуглецю, яким визначається ефективність переділу ванадієвого чавуну у напівпродукт і товарний шлак. З підвищенням окислювального потенціалу газової фази швид­кість окислення ванадію помітно зростає.

На Чусовському металургійному заводі деванадацію здійснюють в конвертерах сад­кою 18-22 т. Чавун продувають повітрям, збагаченим киснем до 30-33%, через шість шамот­них фурм. В кожній фурмі є по сім сопел діаметром 2,2 см. Витрати повітря складають 300-500 м3/хв., кисню - до 50 м3/хв.

Чавун має такий склад: 0,48-0,55% V; 0,3-0,4% Sі; 0,35-0,45% Мn; 0,25-0,30% Ті. Перед заливкою ча­вуну в конвертер досаджують ванадієвмісний агломе­рат в кількості 40-100 кг/т.

Тривалість продувки складає від 2-3 до 6-7 хв. залежно від призначення напівпродукту - для переді­лу в мартенівських печах чи для інших цілей. Макси­мальний рівень деванадації чавуну досягається через 4-5 хв. від початку продувки (рис. 7.62); температура металевої ванни при цьому зростає до 1320-1380°С. Підвищення її понад 1400°С інтенсифікує реакцію окислення вуглецю, внаслідок чого окисленість вана­дієвого шлаку і ступінь деванадації знижуються, а за­лишковий вміст ванадію в металі зростає.

Склад ванадієвих шлаків Чусовського металур­гійного заводу: 14-17% V205, 18-20% Sі02, 26-32% Fезаг,

6-10% МnО, 7-10% ТiO2, 5-9% Сr203, 0,7-1,5% СаО. Концентрація ванадію в напівпродукті 0,04-0,05%.

Характерною особливістю ванадієвого шлаку Чусовського заводу є високий вміст ме­талевих включень (корольків) - до 25% і більше. При відділенні корольків металу від шлаку з ними втрачається до 15% шлаку, який лише частково (до 70%) утилізується в доменному або конвертерному виробництвах.

Більш прогресивною є технологія переділу ванадієвих чавунів у 160-тонних конверте­рах НТМК продувкою киснем зверху. Вона здійснюється в чотирьох конвертерах обсягом 130-135 м3, футерованих периклазохромітовою або хромітопериклазовою цеглою. Виходя­чи з умов експлуатації футеровки, продувку чавуну, який містить 4,4-4,5% С; 0,45-0,48% V; 0,20-0,30% Sі; 0,25-0,31% Мn, 0,15-0,25% Ті, на ванадієвий шлак і напівпродукт починають через 50 плавок після його перефутеровки. Перед початком продувки в конвертер присад­жують охолоджувачі (як правило, прокатну окалину) в кількості 40-70 кг/т чавуну, при цьому виходячи з того, що 1 т окалини знижує температуру металу на 15°С.

Витрати кисню складають 280-320 м3/хв. Він подаєтся зверху через чотирисоплову фурму з критичним діаметром сопел 32-35 мм, кутом нахилу їх до вертикалі 20°. Загальні витрати кисню на плавку складають 1500-2000 м3, відстань від фурми до рівня спокійного металу, як правило, 0,9-1,2 м.

Період деванадації триває 5-8 хв. Температура металу в процесі продувки збільшується від 1230-1260°С до 1340-1400°С. Вміст ванадію у напівпродукті складає 0,03-0,04% при вмісті вуглецю 2,8-3,6%. Як і при повітряному дутті, при збільшенні температури металу понад 1400°С спостерігаються відновлення ванадію і зростання його концентрації в напівпродукті.

Головною перевагою технології деванадації чавуну кис­нем, замість збагаченого киснем повітря, є можливість зни­ження вмісту кремнію у чавуні. Швидкість і повнота окислен­ня ванадію в цьому випадку зростають (рис. 7.63, відповідно а і б), необхідні залишкові концентрації його досягаються при меншій тривалості продувки, що дозволяє здійснювати процес деванадації при більш сприятливих термодинамічних умовах - при підвищеній активності оксидів заліза, відносно низькій температурі металу.

За рахунок зниження вмісту кремнію у чавуні кількість шлаку зменшується на 25-30%. Тому концентрація пентокси-ду ванадію підвищується з 15-16% при вмісті кремнію в ча­вуні 0,3 до 22-23% при вмісті кремнію 0,15%. В цьому випадку збільшуються гетерогенність і в'язкість ванадієвих шлаків і на 1,5-2,0% зменшуються його втрати при зливанні напівпро­дукту з конвертера. Внаслідок цього вміст оксиду ванадію в шлаках на НТМК приблизно на 4% вищий, ніж у шлаках Чу­совського металургійного заводу, не дивлячись на менший вміст ванадію у чавуні.

Склад кінцевих ванадієвих шлаків при верхній кисневій продувці: 16-24% V205, 15-18% SiO2, 26-32% Fезаг, 6-10% МnО, 7-10% Тi02, 2-5% Сr203, 1,5-2,5% СаО.

Для зменшення втрат ванадієвого шлаку в конвертері залишають 2-3 т напівпродукту і весь ванадієвий шлак, зали­вають чавун і проводять наступну продувку. Таким методом проводять до чотирьох циклів, в результаті добування вана­дію збільшується на 3,44%.

З різних способів удосконалення технології переділу ванадієвих чавунів, випробуваних за останні роки, найбільш

перспективною є донна киснева продувка, при якій розосереджуються кисневі потоки в металі і значно поліпшуються умови перемішування конвертерної ванни. Це особливо важ­ливо для процесу деванадації чавуну, який протікає під тістоподібними шлаками при відносно низькій температурі металу, сповільненому розвитку реакції зневуглецьовування і слабко­му перемішуванні нижніх обсягів конвертерної ванни.

Перші експерименти по відпрацюванню і визначенню ефективності цієї технології прове­дені в лабораторному конвертері ємкістю 0,3 т ІЧМ, потім були продовжені на 10-тонному кон­вертері НВО «Тулачормет» і 32-тонному конвертері Чусовського металургійного заводу. Ці експерименти підтвердили можливість істотного підвищення повноти деванадації чавуну про­дувкою кисню знизу. Оптимальний температурний інтервал, при якому концентрація ванадію в напівпродукті складала 0,02%, дорівнював 1320-1350°С.

Відносно вуглецю швидкість окислення ванадію зросла до 0,6-0,8 проти 0,4 при верх­ній продувці, що забезпечило випереджаючий розвиток процесу деванадації і отримання вмісту вуглецю в напівпродукті на рівні 3,50-3,75%.

Ванадієві шлаки донної кисневої продувки як за хімічним, так і за мінералогічним скла­дом мало відрізняються від шлаків донної повітряної і верхньої кисневої продувки.

За показниками виділення ванадію вони не поступаються шлакам поточного виробниц­тва; більш того, вони технологічніші останніх по загальному вмісту розчинних з'єднань ва­надію і по концентрації ванадію в залишках від вилуговування.

При подачі кисневого дуття знизу завдяки спокійному перебігу продувки, відсутності викидів, різкому зниженню виносів і пиловиділення вихід рідкого напівпродукту підвищу­ється на 1,0-1,5% у порівнянні з донною повітряною і верхньою кисневою продувкою.

Переділ напівпродукту в конвертерах. Вуглецевий напівпродукт, одержуваний пі­сля деванадації чавуну і призначений для подальшого переділу на сталь, представляє со­бою частково рафінований хімічний холодний чавун, оскільки в ньому вміст вуглецю на 1,0-1,5% менший, ніж у початковому ванадієвому чавуні, а тепло- і шлакоутворюючі елементи -кремній і марганець практично відсутні.

Склад напівпродукту наступний: 2,9-3,3% С; 0,02-0,05% Мn; 0,03-0,05% V; Si - сліди; 0,04-0,06% Р; 0,025-0,040% S. Температура перед заливанням у конвертер 1350-1380°С.

Продувку напівпродукту здійснюють через трисоплову фурму. На початку продувки для наведення шлаку фурму встановлюють на рівні 2,0-2,5 м над рівнем ванни, інтенсив­ність подачі кисню - не менше 200 м3/хв. Через 2-3 хв. фурму опускають на 0,3-1,2 м, витрати кисню збільшують до 250 м3/хв.

У зв'язку з обмеженими тепловими можливостями металевий брухт практично не за­стосовують. Шлакоутворюючі матеріали і охолоджувачі присаджують у конвертер порціями до початку продувки або в процесі її, але не пізніше, ніж за 3 хв. до закінчення.

Процес характеризується високою окислювальною здатністю шлаків початкового пе­ріоду і високою їх основністю (3,7-6,0). Із напівпродукту виплавляють як низьковуглецеві сталі, так і середньо- і високовуглецеві. Вміст оксиду заліза в кінцевому шлаку складає, в залежності від концентрації вуглецю в металі на випуску, 7,0-14,4%, ступінь дефосфорації -60-75%, ступінь десульфурації - 13-17%.

При переділі напівпродукту питомі витрати вапна складають 17,5-18,5 кг/т, марганцевої руди - 7,7-15,3 кг/т, плавикового шпату - 3,4-5,3 кг/т, залізовмісних матеріалів - 6,5-8,8 кг/т, кисню - 23-35 м3/т; тривалість продувки - 15-19 хв.