Плавильные агрегаты для эффективной реализации новых металлургических технологий (статья)
Тигельные и канальные индукционные электропечи, пригодные для реализации метода ПВЖФВ, — плавка с вращением и жидкофазным восстановлением — наиболее приемлемое оборудование для мини-металлургических предприятий разного назначения.
В последние годы в черной металлургии получает развитие безкоксовая металлургия, позволяющая обойтись без дорогостоящих кокса и агломерата, производимых по экологически вредным технологиям.
Безкоксовая металлургия развивается по двум направлениям. По одному из направлений подготовленную железную руду, например, окатыши, подвергают ожелезнению путем твердофазного восстановления оксидов железа твердым или газообразным восстановителем, причем чаще всего это делают во вращающихся трубчатых печах. Ожелезненные до 90% окатыши сразу могут использоваться в сталеплавильных агрегатах. По
другому направлению оксиды железа из шихты восстанавливают в жидкой шлаковой фазе твердым или газообразным углеродистым восстановителем, при этом, как правило, получают чугун. Примерами жидкофазного восстановления (ЖФВ) оксидов железа с получением чугуна могут быть процессы: Корекс, Ро-мелт, Хайсмелт, Аусмелт, Диос и др.
В Уральском государственном техническом университете (УГТУ—УПИ) при участии Уральского института металлов (УИМа) и регионального Уральского отделения академии инженерных наук Российской Федерации (УРО АИН РФ) разработан усовершенствованный процесс жидкофазного восстановления оксидов металлов, названный «плавка с вращением и жидкофазным восстановлением» (ПВЖФВ) (см. ж. «Сталь», №9, 2000 г., С. 77—78 и патент РФ №2165461, выданный УИМу). Для применения указанного процесса разработано несколько вариантов плавильных агрегатов.
На рисунках 1 и 2 представлены схемы
двух вариантов плавильных агрегатов (ПА). Конструкции агрегатов имеют защиту, соответственно, патентами РФ №2172456 и 2207476.
Агрегат на рисунке 1 предлагается применять при плавке шихты, в процессе которой температура металлического и шлакового расплавов не должна подниматься выше 1500 "С. Энергия на плавку в агрегате поступает через сдвоенную отъемную канальную индукционную единицу (СОКИЕ). В этом агрегате дополнительная энергия может при необходимости вводиться через устанавливаемые на крышке газовые или плазменные горелки.
Агрегат на рисунке 2 предлагается применять при плавке шихты, в процессе которой температура металлического и шлакового расплавов может подниматься до 2000 "С. Энергия на плавку в данном агрегате поступает через тигельную индукционную часть агрегата.
Каждый вариант ПА содержит выполненные по-разному МГД-устройства, предназначенные для создания расплаву вращательного движения, при котором в расплаве образуется лунка параболической формы.
Второй вариант ПА назван многофункциональным плавильным агрегатом (МПА), поскольку предназначается для реализации значительного числа разработанных и получивших патентную защиту металлургических технологий, а также для применения в объектах разного назначения (в устройствах внепеч-ной обработки металлов, в литейно-де-формационных агрегатах и др.).
Прежде чем говорить о возможностях процесса ПВЖФВ отдельно, следует сказать, зачем нужно вращение металлической и шлаковой фаз в плавильном агрегате.
Полезность перемешивания расплавов при ведении плавок в плавильных агрегатах давно известна металлургам. Перемешивают по-разному: электромагнитным полем, продувкой расплава инертным газом, в процессах внепечной обработки и т.д.
Вращение расплава в процессе ПВЖФВ, кроме эффекта перемешивания, позволяет иметь существенные дополнительные преимущества.
При вращении жидкого расплава, включающего металлическую и шлаковую фазы, в цилиндрической камере плавильного агрегата образуется лунка параболической формы из металлической фазы. Шлаковая фаза при этом будет размещаться в этой лунке, не соприкасаясь с огнеупорной футеровкой стенок плавильной камеры. Имея в плавильной печи вращающуюся металлическую фазу — подложку из жидкого металла (сплава металлов) — и возможность через эту подложку передавать энергию, например, электромагнитную от тигельной части плавильного агрегата, в лунке из металлической фазы возможно расплавлять как металлическую шихту, так и шихту на 100% оксидосодержащую. В существующих тигельных и канальных индукционных электропечах, как известно, оксидосодержащую шихту не переплавляют. А если и переплавляют, то только с незначительным содержанием в ней окисленного металла, например, в ожелезненных окатышах.
После образования в лунке жидкой шлаковой фазы, состоящей из одного оксида, например, прокатной окалины, или из нескольких, далее можно будет из оксидов восстанавливать металлы наиболее подходящим восстановителем — углеродистым или сильным металлическим, например, алюминием, кремнием, титаном. Восстановленные металлы или сплавляются с металлической подложкой, образуя другой состав жидкой фазы, или в газовой фазе удаляются из плавильного агрегата. В газовой фазе могут удаляться восстановленные магний, кальций, цинк и др. Если металлическая подложка будет представлять собой сплав, например, кремния с железом и кремний в этом сплаве будут играть роль восстановителя оксидов железа, то подложка из сплава через определенное время превратится в монометалл (расплав железа) и его можно будет как товарный продукт удалять из плавильного агрегата.
При наличии подложки из чугуна железо из оксидов в шлаке можно намного быстрее, например, в 100 раз, чем в доменной печи (см. ст. Капустина Е.А., ж. «Сталь», №8, 1998), восстанавливать углеродом чугуна. Через некоторое время, если не добавлять в чугун углерод, чугун в подложке сначала превратиться в высокоуглеродистую сталь, а затем и низкоуглеродистую. Углерод в 1 т эвтектического чугуна (4,2% С) может восстановить из оксидов железа в шлаке до 150 кг железа. Превратившаяся в сталь одна тонна чугуна увеличит, следовательно, свою массу более чем на 100 кг.
Увеличение скорости восстановления металлов из оксидов шлака на границе шлак—металл происходит и из-за того,
что в лунке параболической формы увеличивается площадь контакта шлак—металл.
Расплавленный шлак, как известно, действует агрессивно на многие футеровки в плавильных агрегатах. Особенно агрессивен шлак, содержащий плавиковый шпат (CaF2). В книге Дигонского В.В. и др. «Металлургия будущего», например, сказано «Плавиковый шпат в расплавленном виде — очень сильный растворитель для всех без исключения оксидов и легко может переводить последние в жидкое состояние при температурах, значительно более низких, чем температура их плавления». Там же на рисунке показано, что плавиковый шпат при температуре порядка 1600—1700 °С может растворить до 50% оксида алюминия (AI2O3) и приведен пример восстановления алюминия углеродом из оксида алюминия, растворенного в плавиковом шпате, при сравнительно низкой температуре. (Температура плавления AI2O3, как известно, — 2050°С). Не действует плавиковый шпат только на углеродистую футеровку, но она дорогая и для разработанных агрегатов (см. рис. 1 и 2) вообще не применима.
Применение плавикового шпата в качестве растворителя оксидов шихты и последующее восстановление металлов из оксидов, но уже при значительно пониженной температуре, по сравнению с температурой плавления оксида, становится особенно эффективным, если в процессе ПВЖФВ будут задействованы два МПА, снабженных специальным устройством. В 1-м МПА в этом случае оксиды шихты могут восстанавливаться сильным и дорогим восстановителем, например алюминием, а во 2-м МПА дорогой восстановитель сам может быть восстановлен из растворенного в плавиковом шпате оксида до металла, но уже недорогим восстановителем, например углеродом, причем при восстановлении алюминия из оксида от него освобождается плавиковый шпат. Дорогой восстановитель, например алюминий, и плавиковый шпат становятся оборотными и снова готовыми участвовать в переработке следующей порции шихты.
Восстановление металлов из оксидов алюминием может сопровождаться выделением излишнего количества тепла, так как реакции экзотермические, но восстановление алюминия из оксида углеродом, наоборот, требует значительной затраты тепла. Разработанная конструкция МПА позволяет компенсировать часть тепла, затрачиваемого на восстановление алюминия из оксида. В итоге переработка оксидосодержащей шихты в МПА с применением процесса ПВЖФВ становится энергосберегающей и для ряда разработанных новых металлургических технологий безотходной.
Выше сказанное подтверждает полез-
ность иметь при плавке шихты лунки параболической формы, так как при этом футеровка плавильной части МПА может предохраняться от разъедающего действия шлакового расплава и, особенно, от действия плавикового шпата. Но если потребуется вести процесс при температуре металлической фазы 2000 °С и больше, то при тех скоростях металла относительно стенок плавильной камеры, которые потребуются, вряд ли можно будет исключать размыв футеровки металлической фазой подложки из-за ее высокой температуры и скорости движения жидкого металла. Однако конструкции МПА позволяют иметь размыв футеровки до определенного размера, после чего на футеровке будет образовываться гарнисаж, пропускающий электромагнитное поле и предохраняющий огнеупорную футеровку от дальнейшего размывания. Естественно, увеличится тепловой поток через гарнисаж и футеровку, но этот тепловой поток можно будет с пользой снять, поскольку стенки плавильной камеры МПА рекомендуется выполнять из пропускающих электромагнитное поле труб. Тепловой поток можно снимать, пропуская через трубы воду или, еще лучше, организуя испарительное охлаждение труб, что в настоящее время в металлургической практике все больше начинают использовать.
Повышенная температура металлической подложки и вращение этой подложки могут ускорить износ футеровки
днища плавильной камеры агрегата. Восстанавливать этот износ можно, используя широко известный способ термической наварки днища плавильного агрегата специальным огнеупорным порошком. В МПА, однако, возможна футеровка днища огнеупорным материалом, охлаждаемым с внешней стороны воздухом, подобно тому, как это представлено в книге Л.Б. Хорашавина «Термодинамические аспекты износоустойчивости огнеупоров» (Екатеринбург, ВОСТ и О, 1996 г., С. 40). В книге приводится пример плавки корунда при температуре 2150—2200 °С на металлическом расплаве, состоящим на 80% из железа, и применении воздухоохлаждаемой футеровки, причем сказано, что когда применили такую футеровку, то стойкость ее увеличилась с 1,5 до 13 лет. Использование воздухоохлажда-емой футеровки для днища МПА позволяет уменьшить толщину этой футеровки примерно в 1,5 раза, что положительно скажется на проникновении электромагнитного поля в металлическую фазу, которую МГД-устройство МПА приводит во вращение.
Вращение расплава в плавильной камере агрегата способствует быстрому освобождению получаемых в МПА металлических продуктов от неметаллических включений, например, от оксида алюминия, который в металлическом расплаве образуется в результате его раскисления алюминием. В Японии в опытных, опытно-промышленных и промышленных (Кавасаки стил) условиях с положительным результатом проверили эффект вращения жидкой стали перед его подачей в промежуточный ковш МНЛЗ, с целю очистки его от неметаллических включений (см. ж. «НМТ за рубежом», №1, 1997, С. 64-67).
Полезно вращение металла при выполнении операций по удалению металлической и шлаковой фаз из МПА. Металлическую фазу можно эффективно и быстро, используя центробежный эффект вращения, удалять из МПА через дополнительную емкость, соединенную с плавильной камерой агрегата нижним горизонтальным металлопроводом. Шлаковая фаза также эффективно может удаляться из плавильной части агрегата через донную центральную шлаковую летку в условиях, когда в плавильной камере агрегата имеет место остаток вращающейся жидкой металлической фазы. По хорошо отработанному в металлургии приему, чтобы перекрыть шлаковую летку после слива шлака, отверстие донной летки заполняют огнеупорными гранулами и далее сверху на гранулах необходимо образовать металлическую пробку, которую прожигают кислородом, когда