Электроплавка в печи со вспененной ванной

Крупным недостатком электроплавки окисленных никелевых руд на ферроникель является низкая производительность электропечи 4 - 10 т/(м²*сут.), тогда как при шахтной плавке на горячем дутье проплав агломерата в пересчете на руду составлял 45 т/(м²*сут.).

Гинцветметом совместно с ИМЕТ РАН под руководством Е. Я. Гуревича, И. Д. Резника, В. Г. Леонтьева, В. А. Брюквина проведены исследования, имеющие целью интенсифицировать электроплавку на ферроникель ([14, с. 21 - 23; 1]).

Проведенными исследованиями было подтверждено, что скорость восстановления расплавленных оксидов железа и никеля углеродом, растворенным в металле, более чем на порядок выше скорости восстановления их непосредственно твердым углеродом или оксидом углерода.

Было показано, что металлический или металлосульфидный сплав с металлизацией выше определенного значения может служить катализатором процесса углетермического восстановления в расплаве. При определенном аппаратурном оформлении процесс может быть реализован как автокаталитический, т. е. как процесс, ускоряемый за счет образовання фазы, являющейся продуктом реакций восстановления.

Автокаталитический механизм восстановления может быть легко реализован при наличии науглероженного металлического сплава под ванной основного расплава - шлака. При этом создаются условия, обеспечивающие дополнительные кинетические преимущества по сравнению с восстановлением расплава непосредственно твердым углеродом.

• Во-первых, значительно увеличивается удельная скорость восстановления на границе оксидный расплав - металл из-за высокой степени смачиваемости металла шлаком, что снижает кинетические затруднения адсорбционно-химической стадии восстановления, а интенсивное перемешивание массы расплава образующимися газами снижает диффузионные затруднения.
• Во-вторых, многократно увеличивается поверхность контакта взаимодействующих фаз эа счет флотации донной металлической фазы в объем оксидного расплава и образования газо-шлаковой эмульсии. Все это многократно увеличивает интегральную скорость восстановления по сравнению с восстановлением плавающими на поверхности кусками углерода.

При наличии под шлаком науглероженного металлического слоя идет интенсивное выделение оксида углерода на границе фаз и в слое шлака. При концентрации в шлаке FeО превышающей определенное значение возникает вспенивание, которое носит неуправляемый характер и приводит к существенному нарушению традиционной технологии электроплавки и аварийному состоянию электропечи. Во избежание таких случаев рекомендуется для снижения скорости восстановления уменьшать содержание оксидов железа в шлаке.

Механизм и кинетика восстановления оксидных железистых расплавов описаны более подробно в гл. 17.

Проведенные исследования позволили предложить технологию электроплавки шлаков с твердым углеродистым восстановителем, отличающуюся от традиционной - подачей восстановителя под слой шлакового расплава непосредственно в жидкий металлический сплав, накопленный на поду печи [37, 38].
Предложенное техническое решение было проверено в укрупненно-лабораторном масштабе на Жилевском опытном заводе ИМЕТ РАН, где была создана установка, состоявшая из двухэлектродной дуговой электропечи площадью пода ~ 0,1 м² глубиной 0,4 м, футерованной хромомагнезитом, с трансформатором 100 кВ*А и системы дозированной подачи графита с помощью погруженной фурмы. Установка была снабжена приборами, позволявшими регулировать расход графита и, таким образом, управпять вспениванием. Печь была перекрыта сводом, препятствовавшим проникновению воздуха и протеканию окислительных реакций.

Предварительными опытами было установлено, что вспенивание начинается через несколько минут после начала вдувания графита и немедленно прекращается при выключении тока газа-носителя.

Плавку вели на конвертерном шлаке, содержавшем 0,6% Ni, 0,3% Со, 50% Fe, 24% SiO2, 3% S. Затем была испробована окисленная никелевая руда.

В печи расплавляли 20 - 30 кг шлака и 10 - 20 кг металлического сплава, полученного при предыдущих опытах. По расплавлении металла в него через фурму током азота подавали измельченный графит. По окончании продувки расплав отстаивали 10 - 30 мин, пока не оседала пена, затем обеденный шлак сливали, а в печи расплавляли новую порцию шлака. После четырех операций печь охлаждали, разбирали кладку и извлекали накопленный сплав. По ходу процесса измеряли температуру, электрические параметры, отбирали пробы.

Усредненные показатели одного цикла обеднения шлака приведены ниже.

Показатель	Результат плавки
Масса шлака на одну плавку, кг	20 - 30
Расход графита к шлаку, %	5 - 10
Удельная скорость падачи графита в металл, кг/(м2*ч)	4 - 6
Высота шлаковой ванны, мм:
при спокойной ванне	50 - 65
при вспененной ванне	250 - 320
Температура расплава,°С:
при спокойной ванне	1450
при вспененной ванне	1380
Дополнительный выход сплава, кг	4 - 6
Удельная скорость всстановления, по выходу сплава, кг/(м2*ч):
при спокойной ванне с плавающим коксом	6,6
при вспененной ванне	32 - 118
Содержание в сплаве, %:
Ni	3,9
Co	1,0
Fe	91,7
S	2,6
Содержание в шлаке, %:
Ni	0,04
Co	0,01
Fe	17
SiO2	17
Извлечение в сплав, %:
Ni	91,7
Co	98,3
Fe	84,5

Как видно из табл., высота шлаковой ванны при вспенивании возрастала в 5 - 6 раз и интенсивность восстановления повышалась в 5 - 18 раз по сравнению с контрольным режимом - восстановлением плавающим коксом.

Достигнутая интенсивность восстановления лимитировалась глубиной ванны печи и не являлась предельной.

В конце периода вспенивания количество металлической взвеси в пене достигало 12%, после отстаивания - снижалось до 3%. В некоторых плавках в шлаке оставалось до 0,16% Ni, который легко отделялся магнитной сепарацией. В целом проблема отделения взвеси не была решена. Предполагалось испытать предложения о подборе специапьных добавок к шлаку, применение постоянного тока при электроплавке и другие приемы.

При плавке окисленной никелевой руды была подтверждена возможность ускорения восстановления и производительности печи в 3 - 4 раза.

Проведенные испытания показали принципиальую возможность создания высокоинтенсивной технологии плавки на ферроникель в режиме управляемого вспенивания.

В развитие этого направления был выполнен регламент на проектирование полупромышленных установок для обеднения шлаков Уфалейникеля и для плавки окисленной никелевой руды Побужского завода.

Основу установки составляет печь со вспененной ванной (ПВВ), представляющая собой герметичную электродуговую печь шахтного типа диаметром 1,6 м, плошадью 2 м², высотой 2,7 м с трансформатором 800 кВ*А (см. рис.). Печь кессонирована по шлаковому поясу и снабжена устройствами для подачи восстановителя в металл в трех вариантах: с погружной фурмой вертикальной (2), боковой (8) и подовой (12). Предусмотрен бункер (4) для загрузки в печь кусковых материалов.

Общий вид печи вспененной ванны (ПВВ)

Предложенная технология предполагает достижение следующих показателей:

• Удельная производительность по шлаку 20 - 25 т/(м²* сут.);
• Расход восстановителя 3-3,5% к шлаку;
• Удельный расход электроэнергии 200 - 260 кВт*ч на 1 т шлака;
• Температура расплава 1450 - 1500 °С;
• Выход сплава 20 - 24% от шлака, извлечение в сплав с 10% Ni, 2% Со: 95 - 98% никеля, 90 - 92% кобальта при извлечении 20% желеэа.

Отвальный шлак, содержащий 0,01 - 0,04% Ni, полученный непосредственно в печи или после грануляции и магнитной сепарации, используется в производстве стройматериалов.

По расчетам, одна печь ПВВ с площадью пода 15 м² и трансформатором 5000 кВ*А может полностью перерабатывать весь конвертерный шлак Уфалейникеля, снизив при этом расход электроэнергии и повысив извлечение кобальта и никеля.

Высокая произведительность ПВВ позволяет разместить этот сравнительно небольшой агрегат в действующем цехе и доизвлекать никель и кобальт из шлаков шахтной плавки.

Применительно к плавке окисленных руд на Побужском эаводе был выполнен технический проект опытно-промышленной установки, но он не был претворен в жизнь.