Результат интеллектуальной деятельности: СПОСОБ СИЛИКОТЕРМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА МАГНИЯ

Изобретение относится к области первичной металлургии цветных металлов, в частности к способу силикотермического производства магния.

Известен способ силикотермического производства магния (способ 1), состоящий в обжиге доломита, дроблении обожженного доломита и ферросилиция, совместном их измельчении и брикетировании, восстановлении магния из брикетов в реторте, находящейся в печи. Восстановление магния происходит при температуре 1150-1200°С в вакууме с конденсацией паров магния в твердом виде в холодной зоне реторты. После процесса восстановления плавка магниевого конденсата осуществляется в печи под флюсом при температуре 700-750°С /L.M.Pidgeon, W.A. Alexander. Thermal production of Magnesium-Pilot-plant Studies on the Retort Ferrosilicon Process. New York Meeting: Trans. Am. Inst. Min. Mater.Eng. 1944, 159, 315-352 /. Процесс восстановления ведут в ретортах из нержавеющей стали, в печи восстановления их число достигает 50. Вакуум в ретортах 13-15 Па. Этот способ носит название «способ Пиджена» по фамилии автора Пиджена Ллойда - профессора Канадского исследовательского центра. Тепловой режим в печи обжига, печи восстановления и печи плавки можно создать путем сжигания твердого, жидкого или газообразного топлива. В настоящее время на заводах Китая используют природный или коксовый газ. На заводах Японии в отличие от способа Пиджена для разогрева печей восстановления и плавки применили электроэнергию, что привело к повышению себестоимости магния за счет высокой цены на электроэнергию и, как следствие, остановке этих заводов в 2002 году.

Известен способ силикотермического производства магния (способ 2), состоящий в обжиге доломита, дроблении обожженного доломита и ферросилиция, совместном их измельчении и брикетировании, восстановлении магния из брикетов при температуре 1150-1200°С в вакууме с конденсацией паров магния в твердом виде в холодной зоне, плавке магниевого конденсата в печи под флюсом при температуре 700-750°С /C.Bettanini et al.Soc. Ital. Magnesio, Pat.US 4238223, 4238224, 1980/. Этот способ известен под названием «способ Больцано» в Италии и «способ БразМаг» в Бразилии. Физико-химические основы этого способа полностью идентичны способу Пиджена. Вакуум в зоне восстановления менее 400 Па. Отличие oт способа 1 заключается в том, что процесс восстановления ведут в специальных реакторах, внутри которых имеется конструкция, подобная этажерке, куда помещается брикетированная шихта, а тепловой режим создается с помощью электронагревателей. В реакторе восстановления на производство 1 т магния расходуется около 7000 кВт·ч электроэнергии. Завод в г.Больцано (Италия) был остановлен в 2000 году, не выдержав конкуренции со стороны китайских поставщиков магния из-за высокой стоимости электроэнергии и соответственно себестоимости магния.

Известен способ силикотермического производства магния (способ 3), состоящий в обжиге доломита, дроблении обожженного доломита, ферросилиция и боксита (или глинозема) и их загрузке в печь восстановления, восстановлении магния из расплавленной шихты при температуре 1650-1950°С в вакууме 400-670 Па с конденсацией паров магния в жидком виде в холодной зоне, рафинирующей переплавке магниевого конденсата в печи под флюсом при температуре 700-750°С / C.Faure, J.Marchal, Metals, 16(1964) 721/. Печь восстановления представляет собой электродуговую печь с расходом электроэнергии около 9000 кВт·ч на 1 т магния, а боксит или глинозем добавляют в шихту для получения жидкой реакционной массы. Этот способ носит название «способ Магнетерм» и был впервые внедрен в 1963 году на заводе Pechiney Electrometallurgie (Франция), а также North West Alloys (США), Japan Metals and Chemicals (Япония) и Magnohrom (Югославия). Несмотря на то, что способ 3 по сравнению со способом 2 более совершенный в технологическом отношении заводы были остановлены в 2000-2002 годах из-за высокого расхода электроэнергии и, соответственно, более высокой себестоимости магния.

В вышеуказанных источниках отсутствуют сведения о температуре обжига доломита. Однако из литературных данных известно, что она изменяется в достаточно широком интервале 1100-1250°С (Стрелец Х.Л., Тайц А.Ю., Гуляницкий Б.С.Металлургия магния. М., Металлургиздат, 1960, с.45).

Способ 1 взят в качестве прототипа по доминирующему признаку, определяемому тепловыми режимами в каждом из переделов технологической цепочки - в печах обжига, восстановления и плавки. Кроме того, в данном способе для создания тепловых режимов используется тот же энергоноситель, что и в заявляемом.

Прототип обладает существенным недостатком, который заключается в значительном расходе тепловой энергии, следовательно, и природного газа суммарно и в каждом из переделов технологической цепочки - в печах обжига, восстановления и плавки. При этом все печи имеют свои индивидуальные топливосжигающие агрегаты - форсунки, топливопроводы, компрессоры для воздуха, контрольно-регулирующее оборудование и дутьевые вентиляторы для создания тяги и выброса в атмосферу отходящих газов. Они создают для каждого конкретного передела свой индивидуальный тепловой режим. Кроме того, для эксплуатации технологического оборудования требуется порядка 500 кВт·ч электроэнергии. Материальный баланс всей технологической схемы силикотермического производства магния по способу-прототипу показал, что на производство 1 т магния расходуется 10,9 т доломита, а при его обжиге получается 5,8 т обожженного доломита. Тепло от сжигания топлива идет на предварительный прогрев и обезвоживание исходного доломита (поэтому его техническое название - сырой доломит) до 200°С, на обжиг доломита (химическое разложение карбонатов кальция и магния на оксиды кальция и магния, диоксид углерода), который заканчивается при температуре 950°С и на некоторый «пережог» для гарантированного полного обжига доломита, чтобы в обожженном доломите не было следов карбонат-ионов во избежание нарушения вакуума в реакционной зоне реторты. Поэтому допускается возможное увеличение температуры обжига до 1250°С. На передел обжига доломита требуется 8700 кВт·ч тепла или 940 м³ природного газа. Шихта для брикетирования состоит из 5,8 т обожженного доломита и 1,1 т ферросилиция-75 (содержание кремния 75%). На разогрев печи восстановления с 50 ретортами и на создание теплового режима в интервале 1150-1200°С требуется 15556 кВт·ч или 1600 м³ природного газа из расчета производства 1 т магния. Магний имеет температуру плавления 650°С, в печи плавки должен быть обеспечен перегрев в 50-100°С, соответственно температура в печи под флюсом составляет 700-750°С. Технология плавки конденсата магния включает предварительную загрузку в тигель солевого покровного флюса, например, ВИ-2, его расплавление, куски конденсата магния должны утапливаться в расплавленный флюс, после полного набора необходимого по массе магниевого конденсата и его полного расплавления производится перемешивание и отстаивание в течение 1,0-1,5 часов всего содержимого тигля. После этого производится выпивка металла и его разливка в чушки или другой вид товарной продукции. В этом переделе на плавку 1 т магния требуется порядка 4764 кВт·ч энергии или 490 м природного газа. Как видно из описания способа-прототипа, в печи восстановления поддерживается температура 1150-1200°С и соответственно, отходящие газы на выходе из печи имеют такую же температуру и далее отправляются в дымовую трубу. Таким образом, на производство 1 т магния суммарно потребуется 29459 кВт·час энергии или 3030 м³ природного газа.

Целью предлагаемого способа является уменьшение расхода тепловой энергии для создания необходимого теплового режима, снижение выбросов отходящих газов, улучшение показателей процесса обжига доломита. Кроме того, в три раза сокращается количество топливосжигающих агрегатов, которые используются в технологической схеме. Существенная новизна изобретения состоит в том, что отходящие газы печи восстановления направляют в печь обжига доломита и в печь плавки магниевого конденсата, а их скорость подачи регулируют таким образом, чтобы отходящие газы из печи обжига имели температуру 100-150°С и температура расплава магниевого конденсата в печи плавки была 700-750°С. При этом разбавление воздухом отходящих газов не требуется, а перегрев доломита приведет только к некоторому «пережогу», необходимому по технологии подготовки обожженного доломита к вакуумному восстановлению ферросилицием. Печь обжига представляет собой шахтную печь с противотоком обжигаемого доломита и горячих газов. Снижение температуры отходящих газов печи обжига менее 100°С приведет к конденсации паров воды из-за естественной влажности сырого доломита в верхней части шахтной печи, что отрицательно скажется на качестве обожженного доломита при этом возможен недожог доломита и наличие карбонат-ионов в готовом полупродукте. Превышение температуры отходящих газов печи обжига более 150°С вызовет повышенный расход горячих газов и, соответственно, тепловой энергии на передел обжига доломита. Принудительная подача горячих газов печи восстановления в печь обжига и, соответственно, принудительное удаление отходящих газов из печи обжига, положительно скажется и на кинетике реакции разложения доломита - двойного карбоната кальция и магния, что объясняется принципом Ле-Шателье, согласно которому для сдвига реакции в сторону разложения доломита необходимо удаление углекислого газа из зоны реакции разложения. Поддержание температуры расплава магниевого конденсата в печи плавки в интервале 700-750°С объясняется тем, что снижение температуры менее 700°С приведет к увеличению времени плавки и соответственно тепловых и трудовых затрат. Увеличение температуры расплава более 750°С связано с возможными потерями магния за счет увеличения парциального давления паров магния, с дополнительным расходом тепловой энергии и ухудшением условий труда около печи плавки для производственного персонала. Снижение энергозатрат уменьшает себестоимость магния-сырца и повышает конкурентоспособность полученной товарной продукции. Кроме того, уменьшение количества отходящих газов, которые являются парниковыми, улучшает экологическую обстановку.

Пример

В качестве сырья для процесса получения магния использовался обожженный доломит с добавлением в качестве восстановителя ферросилиция. Отходящие газы печи восстановления при выходе из нее имели температуру 1150-1200°С, часть из них (60-65% объемных) было направлено в печь обжига доломита. Скорость подачи горячих газов из печи восстановления регулировали таким образом, чтобы отходящие газы на выходе из печи обжига имели температуру 100-150°С. Температура газов на входе в печь обжига составила 1100-1150°С и при анализе продуктов обжига карбонат-ионов не обнаружено, следовательно, термическая диссоциация доломита прошла полностью. По результатам эксперимента общий расход природного газа уменьшился на 30-32% по сравнению с прототипом.

Отходящие газы печи восстановления (28-32% объемных) были направлены в печь плавки на нагрев расплава магниевого конденсата до температуры 690-740°С. В результате произошло снижение общего расхода природного газа на 15-17% по сравнению с прототипом. В итоге общее уменьшение расхода природного газа для создания необходимого теплового режима в двух переделах - при обжиге доломита и плавке магниевого конденсата, составило 46-48%. Результаты расчета сводного теплового баланса по прототипу и предлагаемому изобретению представлены в таблице 1.