Результат интеллектуальной деятельности: БРИКЕТ ЭКСТРУЗИОННЫЙ (БРЭКС)-КОМПОНЕНТ ШИХТЫ ДЛЯ ВЫПЛАВКИ МЕТАЛЛА В ЭЛЕКТРОПЕЧАХ

Изобретение относится к металлургии, в частности к способам окускования рудного сырья, и может быть использовано при подготовке шихтовых материалов для выплавки металлов в электрических печах, включая рудотермические печи, дуговые сталеплавильные печи и индукционные печи.

Известно техническое решение - брикет для выплавки металла, имеющий правильную геометрическую форму и приготовляемый из мелкодисперсных железосодержащих отходов, тонкоизмельченного углеродсодержащего материала и связующего в качестве которого используется механическая смесь природных материалов - суглинка, глины или полевого шпата и карбоната натрия [Патент РФ №2154680, C22B 1/243, 7/00, 2000, БИПМ №23]. Брикет для выплавки металла по известному техническому решению получают путем прессования смеси указанных материалов, увлажненной водным раствором жидкого стекла, с последующей сушкой полученного брикета. Недостатком данного известного технического решения является то, что брикет для выплавки металла, получаемый по описанной технологии, не обладает достаточной горячей прочностью, что не позволяет его использовать в качестве компонента шихты в шахтных или рудотермических печах.

Указанный недостаток устраняется в другом известном техническом решении, которым является железосодержащий кусковый материал, приготовляемый из смеси мелких железосодержащих отходов металлургического производства, измельченного углеродсодержащего материала и глиноземистого цемента путем изготовления из этой смеси бетона и дробления его на куски необходимой, для загрузки в металлургическую печь, крупности [DE 3727576, МКИ C22B 1/243 от 19.08.1987]. Мелочь, образующуюся при дроблении бетона, используют в агломерационной шихте. Недостатком данного технического решения является многоступенчатость и низкая производительность процесса изготовления кускового материала и значительный выход мелкой фракции, которую нужно утилизировать по другой технологии.

Недостатки данного технического решения устраняются в брикете, для производства хромистых ферросплавов, изготовляемом известным способом [Патент РФ №2000345, МКИ C22B 1/243. 29.06.1992 г. Опубликован 07.09.1993. Бюл. №33-36]. Данный брикет содержит природные и техногенные металлсодержащие материалы, углеродсодержащие материалы и флюсующие добавки, а в качестве связующего в нем используется комплексное неорганическое связующее, состоящее из концентрата алюминиевого шлака и жидкого стекла.

Недостатком известного брикета для производства хромистых ферросплавов является ограниченная область его применения и применение в качестве связующего жидкого стекла.

Другим известным техническим решением является брикет для выплавки ферросплавов, изготовляемый на валковых прессах из шихты, включающей природные и техногенные металлосодержащие дисперсные материалы, углеродсодержащие материалы и связующее в виде водного раствора лигносульфаната и жидкого стекла [Патент РФ №2201976, МКИ C22B 1/242, 17.04.2001. Опубликован 10.04.2003].

Недостатком данного известного брикета для выплавки ферросплавов также является применение связующего, содержащего нежелательные элементы (щелочи и серу) и не обеспечивающего горячую прочность брикетов.

Технической задачей изобретения является устранение указанных недостатков известных технических решений - аналогов и обеспечение получения при минимальном расходе связующего окускованного компонента шихты для выплавки металла в электрических печах требуемого химического состава, обладающего оптимальными размерами, высокой горячей прочностью и восстановимостью, а также возможностью использования совместно с другими компонентами шихты, т.е. с металлоскрапом, твердым и жидким чугуном, рудами, и флюсами с учетом их химического состава и гранулометрии.

Решение данной технической задачи достигается тем, что в качестве компонента шихты для выплавки металла в электропечах применяют брикет экструзионный (БРЭКС), получаемый методом жесткой вакуумной экструзии, включающий связующее, руду металла и/или металлорудный концентрат, электропроводные углеродсодержащие материалы, флюсующие добавки и, по необходимости, отходы металла и оксидные металлсодержащие отходы.

Решение данной технической задачи достигается также тем, что массовое содержание электропроводного углеродсодержащего материала в БРЭКСе не превышает 8-25%, крупность частиц материалов, входящих в состав БРЭКСа не превышает 5 мм, а его масса не превышает 0,5 кг.

Решение данной технической задачи достигается еще тем, что в качестве электропроводных углеродсодержащих материалов БРЭКС содержит коксовую мелочь, и/или бой графитированных и/или углеродных электродов, и/или бой электролизных ванн для производства алюминия, и/или древесный уголь, и/или каменный уголь, и/или антрацит. Решение данной технической задачи достигается кроме того тем, что в качестве связующего БРЭКС содержит цемент и, по необходимости, бентонит или органическое связующее.

Технология окускования дисперсных материалов методом жесткой вакуумной экструзии известна. Эта технология, в частности, широко применяется при производстве кирпичей из шихтовой смеси на основе глины (А.Я. Хавкин, Р.З. Берман. Кирпичные заводы малой мощности. Строительные материалы. 2000, №4, с.18-19). Сущность ее заключается непрерывном продавливании под давлением через прямоугольное одиночное отверстие в фильере размером (60-80)×(40-50) мм влажной шихтовой массы на основе глины. Шихтовая масса перед фильерой проходит через вакуумкамеру, в которой из этой массы удаляется воздух. В результате плотность шихтовой массы, из которой, при прохождении ее под давлением через отверстие в фильере, непрерывно формуется брус, повышается. Сырые кирпичи получают путем периодического мгновенного разрезания бруса, выходящего из фильеры, многопроволочным резаком на равные части длиной 160-200 мм. Таким образом, по принципу действия эта технология является непрерывной и обеспечивает прочность «сырых» кирпичей, необходимую для их многослойной укладки на поддоны и транспортировки в печи для упрочняющего обжига.

Лабораторные исследования показали возможность применения технологии прессования методом жесткой экструзии для окускования смеси связующего, руды металла и/или металлорудного концентрата, электропроводных углеродсодержащих материалов, флюсующих добавок и, по необходимости, отходы металла и оксидные металлсодержащие отходы.

При использовании в экструдере фильеры с множеством отверстий брикеты экструзионные можно получать оптимального размера и формы для применения их в качестве компонента шихты для выплавки металла в электропечах различного типа, включая рудотермические печи, индукционные печи и дуговые электросталеплавильные печи. При этом длина брикетов на выходе из экструдера, определяется плотностью и пластичностью непрерывно выходящих из отверстий фильеры пластичных стержней, формируемых экструдером. В результате роста изгибающего момента, возникающего под действием увеличивающегося веса стержней по мере увеличения их длины при выходе из фильеры, стержни обламываются.

Применение технологии окускования методом жесткой вакуумной экструзии по отношению смеси связующего, руды металла и/или металлорудного концентрата, электропроводных углеродсодержащих материалов, флюсующих добавок и, по необходимости, отходов металла и оксидных металлсодержащих отходов с целью получения брикетов экструзионных (БРЭКСов) для использования их в качестве компонента шихты для выплавки металлов в электропечах, имеющих заданный химический состав и металлургические свойства, обеспечивающие его эффективное использование совместно с любыми другими компонентами металлошихты электропечей, заявителю не известно.

Сущность изобретения заключается в следующем. Применение метода и технологии жесткой вакуумной экструзии для окускования смеси связующего, руды металла и/или металлорудного концентрата, электропроводных углеродсодержащих материалов, флюсующих добавок и, по необходимости, отходов металла и оксидных металлсодержащих отходов обеспечивает получение стержней с плотной (1,9-2,1 г/см³) и пластичной структурой, длина которых (110-160 мм) пригодна для использования в шихте электропечей, но не исключает их кострение при выгрузке из бункера.

В процессе лабораторных и полупромышленных исследований выявили новые, в том числе неожиданные, эффекты применения жесткой вакуумной экструзии для окускования смеси связующего, руды металла и/или металлорудного концентрата, электропроводных углеродсодержащих материалов, флюсующих добавок и, по необходимости, отходов металла и оксидных металлсодержащих отходов.

Так высокая пластичность стержней, непрерывно выходящих из отверстий фильеры, обуславливает под действием изгибающего момента (из-за возрастающей массы стержней), образование в верхнем слое их тел одной-двух поперечных микротрещин, а затем и обламывание стержня. При транспортировке и перегрузках стержней микротрещины в теле стержней увеличиваются и происходит их разлом с образованием 2-3 БРЭКСов, которые имеют идеальные, для компонента шихты электропечей для выплавки металлов, размеры (25-35)×(40-55) мм, обеспечивающие высокую их текучесть при выгрузке из бункера, высокую горячую прочность, быстрый прогрев за счет электропроводности, высокую восстановимость.

Другим новым, обнаруженным в процессе лабораторных и опытно-промышленных исследований, эффектом применения жесткой вакуумной экструзии для окускования смеси минерального связующего, руды металла и/или металлорудного концентрата электропроводных углеродсодержащих материалов, флюсующих добавок и, по необходимости, отходов металла и оксидных металлсодержащих отходов является снижение расхода электроэнергии на выплавку ферросплавов из БРЭКСов и повышение степени извлечения металла за счет ускорения нагрева БРЭКСов и снижения пылевыноса. Благодаря небольшому поперечному размеру БРЭКСа и присутствия в нем электропроводного углеродсодержащего материала БРЭКС прогревается быстрее кусков руды и реакция восстановления высших оксидов металла протекает во всем объеме БРЭКСа с участием углерода, содержащегося в нем.

Наличие в БРЭКСе электропроводных углеродсодержащих материалов обеспечивает быстрый нагрев БРЭКСов в электропечах при прохождении через них электрического тока и быстрое восстановление оксидов металла. Содержание углеродсодержащего материала в БРЭКСе не более 8-25% обеспечивает получение электропроводной структуры БРЭКСа и восстановление оксидов металла в нем. Нижняя граница относится к углеродсодержащему материалу с максимальной электропроводностью, верхняя - к углеродсодержащему материалу с минимальной электропроводностью. Превышение содержания углеродсодержащего материала выше 25% приводит к переходу из БРЭКСа в шлак остаточного углерода, ухудшающего свойства шлаков. При содержании углеродсодержащего материала менее 8% электропроводность БРЭКСа снижается, но углерод принимает участие в восстановлении оксидов металла, снижая расход кокса на выплавку ферросплавов.

Предельная крупность частиц компонентов БРЭКСов (5 мм) обусловлена максимальным поперечным размеров БРЭКСов (25-35 мм) и соответствующим размером отверстий фильеры. При более крупных частицах материалов смеси для получения БРЭКСов снижается их пластичность на выходе из фильеры и увеличивается расход электроэнергии на экструзию. Предельный вес БРЭКСа определяется его поперечным размером, который не должен превышать 25-35 мм для обеспечения полноты восстановления металла по всему сечению БРЭКСа к моменту его нагрева до температуры расплавления. Использование в качестве связующего цемента обеспечивает прочность БРЭКСА как в холодном состоянии, так и при его нагреве до 800-900°C. Присутствие бентонита в брикетируемой смеси повышает ее пластичность при экструзии и прочность БРЭКСА в первые часы после экструзии.

Наличие в БРЭКСе отходов металла и/или оксидных металлсодержащих отходов обеспечивает возможность утилизации таких отходов при выплавке металлов. Еще одним эффектом применения жесткой вакуумной экструзии для окускования дисперсных металлических отходов отдельно или в смеси с флюсующими добавками, обнаруженным в процессе лабораторных исследований, является эффект ускорения шлакообразования и полного усвоения шлаком в металлургической печи флюсующих добавок, входящих в состав БРЭКСа. Кроме того, наличие в БРЭКСах основных оксидов CaO и MgO, входящих в состав минерального связующего, снижает расход флюсов, применяемых при выплавке металлов. Такое же действие оказывает наличие флюсующих добавок в составе БРЭКСов.

Изобретение иллюстрируется следующими примерами.

1. БРЭКС - компонента шихты для выплавки металла в электропечах получали по технологии жесткой вакуумной экструзии на промышленном экструдере производительностью 50 т/час из смеси марганцевой руды, аспирационной пыли производства силикомарганца, извести, коксовой мелочи и портландцемента марки 500. Крупность частиц всех материалов смеси не превышала 5 мм, а ее влажность составляла 14%. Давление на смесь в экструдере составляло 2,4 МПа. Прочность БРЭКСов на выходе из экструдера обеспечивала его транспортировку и перегрузки до площадки упрочняющего вылеживания. Партия БРЭКСов 2000 т была использована для выплавки ферросиликомарганца. Расход БРЭКСов в шихте составил 30%. При использование БРЭКСов расход электроэнергии снизился на 9%, а утилизация марганца повысилась на 3,5% (абс).

2. БРЭКС - компонента шихты для выплавки металла в электропечах получали по технологии жесткой вакуумной экструзии на лабораторном экструдере из смеси марганцевой руды, аспирационной пыли производства силикомарганца, извести, коксовой мелочи, боя углеродистых электродов и портландцемента марки 500. Содержание электропроводных углеродсодержащих материалов в смеси составляло 18%. Крупность частиц всех материалов смеси не превышала 5 мм. Полученные БРЭКСы имели электросопротивление 3000-3300 Ом/мм²·м, обеспечивающее прохождение через них электрического тока. Прочность БРЭКСов после вылеживания составила 4,5 МПа.

3. БРЭКС - компонента шихты для выплавки металла в электропечах получали по технологии жесткой вакуумной экструзии на лабораторном экструдере из смеси марганцевой руды, аспирационной пыли производства силикомарганца, извести, боя графитированных электродов и графитированных электролизных ванн и портландцемента марки 500. Содержание электропроводных углеродсодержащих материалов в смеси составляло 15%. Крупность частиц всех материалов смеси не превышала 5 мм. Полученные БРЭКСы имели электросопротивление 3200-3400 Ом/мм²·м, обеспечивающее прохождение через них электрического тока. Прочность БРЭКСов после вылеживания составила 4,8 МПа.

4. БРЭКС - компонента шихты для выплавки металла в электропечах получали по технологии жесткой вакуумной экструзии на лабораторном экструдере из смеси марганцевой руды, аспирационной пыли производства силикомарганца, извести, коксовой мелочи, древесного угля и портландцемента марки 500. Содержание электропроводных углеродсодержащих материалов в смеси составляло 20%. Крупность частиц всех материалов смеси не превышала 5 мм. Полученные БРЭКСЫ имели электросопротивление 3100-3200 Ом/мм²·м, обеспечивающее прохождение через них электрического тока. Прочность БРЭКСов после вылеживания составила 4,0 МПа.

5. БРЭКС - компонента шихты для выплавки металла в электропечах получали по технологии жесткой вакуумной экструзии на лабораторном экструдере из смеси марганцевой руды, аспирационной пыли производства силикомарганца, извести, каменного угля, антрацита, боя электродов и портландцемента марки 500. Содержание электропроводных углеродсодержащих материалов в смеси составляло 16%. Крупность частиц всех материалов смеси не превышала 5 мм. Полученные БРЭКСы имели электросопротивление 2900-3000 Ом/мм²·м, обеспечивающее прохождение через них электрического тока. Прочность БРЭКСов после вылеживания составила 4,9 МПа.

В примерах 2-5 получали брикеты, как указано выше, по технологии жесткой вакуумной экструзии на лабораторном экструдере, при этом влажность смеси составляла от 12 до 19%, а давление на смесь в экструдере от 1,5 до 3,0 МПа.

Таким образом, БРЭКС - компонента шихты для выплавки металла в электропечах, полученный в соответствии с изобретением, имеет высокие металлургические свойства, позволяющие успешно его применять в рудотермических печах, индукционных и других электропечах.