Материал: Проектирование ферросплавных цехов

В последние годы все более широкое распространение получает послойная разливка методом "плавка на плавку" (рисунок 3.7). За рубежом этот способ применяется при разливке марганцевых сплавов. Сплав разливают из ковша послойно в широкие канавы, расположенные вне цеха вдоль стены разливочного пролета. Послойная разливка позволяет резко снизить загруженность кранов разливочного пролета, тепловыделения в цехе, уменьшить размеры здания цеха. В этом случае разливочный пролет используют только для транспортировки сплава и шлака из цеха. Учитывая, что мощность ферросплавных печей постоянно растет, представляется рациональным вынести разливку сплава из плавильного корпуса.

При разливке ферросплавов важное значение имеет способ отделения металла от шлака. За рубежом имеются печи с раздельным выпуском сплава и шлака через две летки. В случае печей с одной леткой продукты плавки выпускают из печи в ковш с переливом шлака через верх ковша или через шлакоотделительное устройство (скиммер).

При выпуске в ковш с переливом легче регулировать параметры струи жидкого металла, металл получается чище и плотнее. Однако в этом случае необходимы достаточная площадь для разливочного участка, мостовые краны большой грузоподъемности, ковшовые тележки, что связано со значительными капиталовложениями.

Рисунок 3.7 - Установка для напольной разливки ферросилиция: 1 - тележка приводная с ковшом; 2 - чаша железобетонная; 3 - аспирационная установка

При использовании скиммера, который может быть стационарным или передвижным, отпадает необходимость в кранах большой грузоподъемности, дополнительные площади нужны только для размещения скиммера и довольно длинных желобов; металл за скиммером может быть направлен непосредственно в изложницы разливочной машины. Однако при этом возможно загрязнение шлаком и образование в выпускных желобах избыточного количества скрапа, идущего в отвал. Следует отметить, что в случае разливки сплава по желобам из печи через скиммер в разливочный пролет упрощается компоновочное решение цеха, появляется возможность сократить ширину здания.

Практика показывает, что выпуск через ковш обязателен, если сплав в дальнейшем идет на рафинирование или его для разливки следует удалить от печи на некоторое расстояние. За рубежом выпуск через ковш применяют для кремнистых сплавов, а через скиммер - для сплавов марганца. Вопрос о том, какой способ выпуска сплавов, через ковш или через скиммер, предпочтительнее, решается отдельно в каждом конкретном случае.

Рисунок 3.8 - Схема фракционирования ферросплавов на отечественном ДСК

Разделка ферросплавов с целью получения требуемого размера кусков включает такие операции, как дробление и рассев (рисунок 3.8 и 3.9). Выбор типа дробилки зависит от прочности ферросплава. За рубежом изготавливают только фракционированные ферросплавы, т.е. сортированные на куски различной крупности. Производство фракционированных ферросплавов предусмотрено и отечественными стандартами. Использование сплавов определенного гранулометрического состава в сталеплавильном производстве способствует быстрому усвоению легирующих элементов жидкой сталью, уменьшению теплопотерь металла в ковше.

Рисунок 3.9 - Схема фракционирования ферросплавов на ДСК фирмы KUE-KEN

Ферросплавы поставляют в кусковом (более 10 мм.), зернистом (10-2 мм.) и порошкообразном (2-0 мм.) виде. Порошки получают как измельчением сплава в дробилках, так и распылением его в жидком состоянии паром или инертным газом (грануляция). Развитие грануляции связано с увеличением спроса на ферросплавы небольшой крупности, которые могут непрерывно загружаться в сталеплавильные агрегаты.

Выбор способа утилизации отвальных шлаков ферросплавного производства

Производство ферросплавов сопровождается образованием значительного количества отвальных шлаков. Кратность шлака (отношение массы шлака к массе металла) зависит от вида сплава и составляет:

• - при выплавке ферросилиция - 0,05-0,1 (бесшлаковый процесс);
• - силикомарганца - 1,1-1,3;
• - высокоуглеродистого ферромарганца (флюсовый способ) - 1,2-1,6;
• - металлического марганца - 3-3,6;
• - высокоуглеродистого и передельного феррохрома - 0,9-1,1;
• - рафинированного феррохрома - 2,5-3,2;
• - силикокальция - 0,2-0,4;
• - ферромолибдена - 1-1,1;
• - ферровольфрама - 0,5-0,7.

Ферросплавные шлаки содержат корольки готового сплава и невосстановленные оксиды ведущих элементов сплавов. К тому же они обладают прочностью, абразивностью, огнеупорностью. Общий выход ферросплавных шлаков составляет более 1,5 млн. тонн в год. Перерабатывают в настоящее время около 45 % этих шлаков.

Способы переработки ферросплавных шлаков весьма разнообразны (металлургический передел, воздушная и магнитная сепарация, механическое измельчение, водная грануляция и др.), их выбор определяется особенностями шлака.

Отвальные шлаки при производстве ферросилиция содержат до 30-50 % готового металла в виде корольков и до 15 % карбида кремния. Эти шлаки успешно используются в составе раскислительных и рафинирующих смесей в сталеплавильном производстве. Шлаки богатых по кремнию марок ферросилиция применяются в шихте взамен кварцита при выплавке силикохрома и низших марок ферросилиция.

Шлаки высокоуглеродистого феррохрома отличаются большой прочностью и используются вместо бутового камня при сооружении фундаментов. Напротив, шлаки рафинированного феррохрома являются саморассыпающимися и содержат до 5 % корольков сплава и 15 % хрома в оксидной форме. Корольки сплава отделяются от этого шлака воздушной или магнитной сепарацией. Для снижения содержания оксидов хрома в шлаке его требуется довосстанавливать при металлургическом переделе. Конечный шлак широко применяется как известковое удобрение в сельском хозяйстве, для изготовления жидких самотвердеющих смесей в литейном производстве, в составе минерального порошка для асфальтобетона в строительстве.

Особо важное значение имеет проблема утилизации шлаков, образующихся при выплавке марганцевых ферросплавов. На долю последних приходится 70 % всего объема производства ферросплавов. Кислые шлаки силикомарганца перерабатываются методом грануляции или дробятся для последующего использования в строительстве в качестве заполнителя бетона и щебня для дорог. При дроблении шлака силикомарганца образуется фракция 0-5 мм., называемая "шлаковым песком" и содержащая до 20 % корольков готового сплава. Шлаковый песок используется при изготовлении марганцевого агломерата для выплавки силикомарганца. Шлаки высокоуглеродистого ферромарганца после дробления применяют для легирования стали марганцем. Еще более для этой цели пригодны шлаки металлического марганца. Однако эти высокоосновные шлаки рассыпаются при хранении в порошок, что затрудняет их транспортировку и использование. Для получения шлаков металлического марганца в кусковом виде в шлак добавляют боратовую руду.

Организация безотходной технологии

Важнейшим фактором экономии ресурсов является их вторичное использование. При этом не только сберегаются невосполнимые первичные материалы, но и уменьшается загрязненность окружающей среды.

Вопросы организации малоотходных и безотходных технологических процессов имеют важное значение в ферросплавном производстве, которое сопровождается потерями ведущих элементов и образованием отходов на всех стадиях передела. Особенно велики потери при выплавке марганцевых ферросплавов. Если при выплавке ферросилиция и высокоуглеродистого феррохрома извлечение ведущего элемента достигает 85-90 %, то при получении силикомарганца и высокоуглеродистого ферромарганца эта величина составляет 75-82 %.

На стадии обогащения марганцевых руд в виде шламов теряется до 25 % марганца, 24-26 % марганца теряется при электро-плавке сплавов марганца. Таким образом, в сталеплавильное производство поступает только 50 % добытого из недр марганца.

Добываемые марганцевые руды обычно содержат 22-28 % марганца. После промывки концентрация марганца возрастает до 32-38 %. Путем магнитной сепарации и других методов обогащения из мытой руды получают концентраты различных сортов.

Предложено несколько способов извлечения марганца из шламов обогащения руд. Так, полиградиентная сепарация шламов позволяет получить концентрат, содержащий 30-35 % марганца и пригодный для выплавки товарных ферросплавов. Среди химических методов извлечения марганца из шламов следует выделить дитионатный. Перспективным представляется гидрометаллургический способ, разработанный НМетАУ. В отличие от дитионатного способа, обеспечивающего доизвлечение марганца из шламов обогащения, этот способ позволяет удалять кремнезем и фосфор из марганцевых концентратов, что резко уменьшает количество отвальных шлаков и потери с ними марганца на стадии электроплавки. Совместное использование химических и гидрометаллургических способов обеспечивает создание сквозной малоотходной технологии в металлургии марганца.

Подготовка марганцевых концентратов к плавке включает их сушку в печах кипящего слоя с последующей агломерацией. Для выплавки высокоуглеродистого ферромарганца необходим офлюсованный агломерат, для выплавки же силикомарганца - неофлюсованный. Офлюсованный агломерат основностью 1,4-1,6 с добавкой известняка оказался нестойким к влаге воздуха. Этого недостатка лишен агломерат, полученный с использованием железорудного концентрата или отсевов доломита высокотемпературного обжига. Применение такого агломерата при выплавке высокоуглеродистого ферромарганца позволяет снизить расход электроэнергии на 1 тонн сплава, уменьшить расход кокса и увеличить производительность электропечей.

Выплавка силикомарганца по существующей технологии предусматривает использование дефицитного кварцита и обеспечивает переход в сплав 75-82 % марганца, заданного в печь. При брикетировании отвального шлака силикомарганца с газовым углем получают стандартный сплав с более высоким извлечением марганца (на 6-8 %).

Отвальные шлаки производства марганцевых ферросплавов содержат 14-16 % марганца при практическом отсутствии фосфора, тогда как в добываемой марганцевой руде концентрация марганца составляет 22-28 % при 0,2-0,3 % фосфора. Практикуемое сейчас использование этих шлаков в основном в строительстве нерационально, их можно более эффективно применять как металлургическое сырье, что будет рассмотрено далее.

Актуальной проблемой является утилизация высококалорийного колошникового газа ферросплавных электропечей. Пока этот газ после очистки используют для отопления котельных или просто сжигают "на свечах". Его целесообразнее применять для нагрева марганецсодержащей шихты в трубчатых вращающихся печах до 800-900 °С. Это позволит сэкономить до 17-23 % электроэнергии и повысить производительность ферросплавных электропечей на 18-20 %.

Кроме шлаков и газов к числу отходов ферросплавного производства относятся шламы, получающиеся в системах мокрой газоочистки (или пыль при сухой газоочистке), а также скрап и некондиционная мелочь, образующиеся при разливке и дроблении готового сплава. Шламы и пыль в окомкованном виде повторно используются в шихте электропечей. Скрап и некондиционная мелочь переплавляются в электропечах вместе с шихтой или задаются при разливке. В последнем случае скрап и мелочь плавятся за счет физического тепла перегретого сплава и практически полностью усваиваются. В процессе получения марганцевых и кремнистых ферросплавов на ОАО "ЗФЗ" образуются отходы в виде сухой пыли аспирационных газоочисток, отвальные шлаки, скрап разливки, отсевы ферросплавов после фракционирования (таблица 3.1-3.2).

Улавливаемая сухими газоочистками аспирационная пыль, характеризуется мелкодисперсностью, значительной слипаемостью, развитой удельной поверхностью и стабильным химическим составом.

Таблица 3.1 - Химический состав материала