Результат интеллектуальной деятельности: Способ дефосфорации железных руд и концентратов

Изобретение относится к области черной металлургии и может быть использовано в процессах получения чугуна из окисленного железосодержащего сырья - руд и концентратов.

Железорудное сырье России характеризуется содержанием фосфора 0,05-0,2% и более. Фосфор, поступающий в доменную печь с железорудным сырьем, практически полностью переходит в чугун. Получить в доменной печи чугун с низким содержанием фосфора невозможно.

Известен способ для получения чугуна с низким содержанием фосфора. По этому способу выплавленный чугун необходимо подвергать внепечной обработке. В этом процессе фосфор переводят из металла в шлак путем его окисления. Благоприятными условиями протекания процесса дефосфорации в этом случае являются высокая окисленность и высокая основность шлака, которым обрабатывают металл. Высокое содержание углерода в чугуне препятствует протеканию процесса окисления фосфора. (Е.Ф. Вегман, Б.И. Жеребин, А.Н. Похвиснев, Ю.С. Юсфин и др. Металлургия чугуна. М.: ИКЦ «Академкнига». 2004. 774 с.)

Недостатком описанного способа дефосфорации является проведение дополнительной операции обработки полученного чугуна. Для проведения этого процесса необходимо создание специальной установки. Осуществление внепечной дефосфорации чугуна требует значительных энергетических и материальных затрат. Поэтому основную массу чугуна не подвергают процессу внепечной дефосфорации.

Техническим результатом, достигаемым в изобретении, является дефосфорация расплавов железных руд и концентратов до проведения процесса восстановления железа из оксидного расплава и получение затем чугуна с низким содержанием фосфора.

Предлагаемый способ отличается от известного тем, что, с целью дефосфорации расплавов железных руд и концентратов, фосфор восстанавливают из расплава газообразным монооксидом углерода (СО), который продувают через оксидный железосодержащий расплав. Восстановленный газообразный фосфор (Р₂) улетает с отходящими газами. Газообразный монооксид углерода может содержать примеси диоксида углерода (СО₂) и азота (N₂), если источниками монооксида углерода являются газ, получаемый в газогенераторах, или отходящие газы рудно-термических печей. Присутствие в монооксиде углерода примесей диоксида углерода и азота не препятствует протеканию процесса дефосфорации.

При взаимодействии расплава железных руд и концентратов с газообразным монооксидом углерода в расплаве могут протекать реакции (Куликов И.С. Раскисление металлов. М.: Металлургия. 1975. 504 с.):

Протекание этих реакций в температурном интервале проведения металлургических процессов (1000-2000°C) в равновесных условиях термодинамически невозможно ().

В реальных условиях при продувке расплава железных руд и концентратов газообразным монооксидом углерода этот запрет касается только железа. Напротив, реакция между оксидом фосфора Р₂О₅, растворенным в оксидном расплаве, и монооксидом углерода может протекать на стенках пузырьков СО, поднимающихся в расплаве. Полноте протекания этой реакции способствует тот факт, что полости пузырьков СО являются химическим вакуумом для продукта реакции - газообразного фосфора (Р₂), поскольку парциальное давление Р₂ в пузырьках изначально равно нулю. Газообразный фосфор удаляется с отходящими газами, тем самым сдвигая реакцию (1) в сторону восстановления фосфора.

Процесс дефосфорации железных руд и концентратов по предлагаемому способу ведут следующим образом. Расплавляют железную руду или концентрат, доводят температуру расплава до 1000-1800°C. Выбранные пределы по температуре (1000-1800°C) обеспечивают устойчивое протекание реакции взаимодействия газообразного моноокида углерода (СО) с оксидом фосфора (Р₂О₅), содержащимся в оксидном расплаве. Снижение температуры ниже 1000°C приводит к существенному замедлению скорости протекания реакции дефосфорации, а повышение температуры выше 1800°C приводит к заметному повышению энергетических затрат на проведение процесса.

С целью дефосфорации железосодержащего оксидного расплава его продувают монооксидом углерода. Исходя из атомных масс фосфора (30,9738), кислорода (15,9994) и углерода (12,0107), в соответствии с вышеприведенной реакцией (1), на 1 единицу массы фосфора требуется 2,261 единиц массы монооксида углерода. Потребное количество монооксида углерода в литрах определяется исходя из массы фосфора в железной руде или концентрате с учетом приведенного выше соотношения и того факта, что одна грамм-молекула монооксида углерода занимает объем 22,4 литра. Например, 100 кг железной руды содержат 0,1% фосфора или 100 г фосфора. Для восстановления такого количества фосфора монооксидом углерода потребуется 226,1 г или 181 л монооксида углерода.

Поскольку степень использования монооксида углерода заведомо меньше 100% и зависит от давления дутья, температуры, скорости подачи (расхода) монооксида углерода, то требуемое количество (объем) монооксида углерода определяют в каждом конкретном случае по результатам предварительных опытов, которые позволят определить степень использования монооксида углерода для данных условий и конструкции установки.

Пример. Изучен процесс дефосфорации железорудного концентрата, расплав которого продували монооксидом углерода. Концентрат содержал, %: 66,07 Feобщ; 0,05 Р; 7,42 SiO₂; 0,30 СаО; 0,14 Al₂O₃; 0,38 MgO; 0,10 (Na₂O+K₂O). Концентрат расплавляли в электрической печи. При температуре 1500°C расплав продували монооксидом углерода. Масса концентрата в каждом опыте составляла 5 кг. При содержании фосфора в концентрате 0,05% в расплаве было 2,5 г фосфора. Предварительными опытами было установлено, что степень использования монооксида углерода для используемой в экспериментах установки составляет 60%. Потребное количество монооксида углерода составляет 7,5 л. Монооксид углерода подавали от газогенератора через фурму с расходом 0,5 л/мин в течение 15 мин.

Результаты экспериментов приведены в таблице.

Как видно из приведенных данных, в результате продувки расплава железного концентрата газообразным монооксидом углерода существенно снизилось содержание фосфора в расплаве: степень дефосфорации составила более 60%.

Технико-экономические преимущества предлагаемого способа дефосфорации железных руд и концентратов заключается в том, что его использование позволит получать железосодержащие продукты с требуемым низким содержанием фосфора.