Введение к работе
Актуальность темы. Возрастающая потребность различных областей науки и техники в кобальте, обусловленная развитием аэрокосмической отрасли, производства спецсталей для оборудования нефтедобывающей промышленности вызывают необходимость увеличения объема его производства
Углетермическая восстановительная электроплавка оксидов кобальта является завершающей операцией в общей технологической схеме и во многом определяет технико-экономические показатели всей технологии.
В настоящее время кобальт преимущественно получают за счет углетермического восстановления оксида металла в электропечах Кульмана с независимой дугой или в электропечах сопротивления Грамолина-Штейнберга Плавка характеризуется сравнительно низкой производительностью, невысокой кампанией печей, повышенным расходом электродов и огнеупорных материалов, а также сопровождается значительной трудоемкостью операций
Дальнейшее совершенствования процесса может развиваться за счет применения высокопроизводительных электродуговых печей, положительный опыт использования которых накоплен на предприятиях черной металлургии для производства специальных легированных сталей.
Благоприятная обстановка, сложившаяся за последние годы на рынке цветных металлов, высокая стоимость кобальта, наличие соответствующих объемов сырьевых ресурсов послужили основанием для использования на ОАО «Уфалейникель» дуговой печи постоянного тока (ДППТ). Поэтому возникла необходимость поиска научно обоснованных технических решений
применения и оптимизации технологии в условиях работы более
производительного оборудования. Восстановительная
электроплавка в ДППТ позволяет решать аналогичные задачи для получения никеля, различных ферросплавов, что в совокупности и определяет актуальность данной диссертационной работы
Цель работы. Заключается в получении новых данных о макромеханизме углетермического восстановления закиси-окиси кобальта, рафинировании металла и создание теоретически обоснованной технологии высокопроизводительной электроплавки с получением марочного кобальта в электродуговых печах постоянного тока
Методы исследований Результаты работы получены на
основе лабораторных и промышленных исследований на
действующей модернизированной дуговой электропечи
постоянного тока Для анализа исходных и конечных продуктов
использованы химический анализ, а также атомно-адсорбционная
спектроскопия, калориметрия, ренгенофазовый (ДРОН-2.0, СоКа -
излучение, картотека PC-PDF), минералогический («Неофот-2») и
рентгеиоспектральный («Камебакс») методы. Для обработки
экспериментальных данных применяли статистические программы
и метод математического моделирования Исследование
закономерностей термодинамики углетермического
восстановления проводили на основе данных пакета HCS-4 с использованием ПК
Научная новизна. Основополагающей научной новизной являются физико-химические закономерности процесса углетермического восстановления закиси-окиси кобальта, обнаруженные в широком интервале температур (773-1883 К) и состава газовой фазы.
При этом:
построены потенциальные диаграммы для температур 833; 1033; 1233, 1433 К при РСОуСО <0.1МПа. Их анализ свидетельствует, что в равновесии твердых фаз по мере возрастания Рсо последовательно участвуют в процессе восстановления С03О4, СоО, Со с образованием металла по схеме: С03О4—»СоО—>Со С повышением температуры увеличиваются границы существования металлического кобальта и сужаются для СозС;
впервые получена фазовая диаграмма для жидкофазньгх взаимодействий с учетом образования взаимных растворов. Ограниченный участок СоО расположен в интервале высоких парциальных давлений СОг (> 106 Па) и низкого СО (< 0.1 Па) Применительно к восстановительной электроплавки и реального состава газа, основной фазой в этих условиях является металлический кобальт;
составлена математическая модель кинетики твердофазного углетермического восстановления закиси-окиси кобальта и установлено, что механизм химических превращений зависит от температуры процесса. При 773-1073 К наиболее вероятно двухступенчатое восстановление, а в области температур 1173-1473 К процесс развивается по диссоциативному варианту. В обоих случаях взаимодействие оксидов кобальта с углеродом протекает в кинетическом режиме и лимитируется реакцией косвенного восстановления с эмпирической энергией активации 82.5-91 3 кДж/моль;
в области температур 1773-1893 К показано, что скорость высокотемпературного углетермического восстановления лимитируется реакцией газификации углерода с Еа = 212. 8 кДж/моль;
- при остаточной концентрации углерода в расплаве 0 3 % и
1803-1923 К установлено, что скорость лимитируется диффузией
углерода.
процесс обессеривания кобальта при остаточной концентрации серы в кобальте 0 008 % характеризуется величиной ^=56.4 кДж/моль и лимитируется диффузией серы из объема фазы к поверхности расплава.
Практическая значимость работы Теоретические и
экспериментальные данные позволили обосновать и в
промышленных условиях реализовать оптимальные
технологические режимы высокопроизводительной
углетермическои восстановительной электроплавки оксидов кобальта в ДППТ с доводкой металла
Прикладная ценность исследований дополнительно заключается:
в результате замены печей Граммолина-Штейнберга на модернизированный агрегат ДППТ получен годовой экономический эффект более 23 млн. руб,
исследовано распределение температур в зависимости от участка ДППТ, глубины ванны и характера операций плавки Определена зона максимальной температуры. Построены эпюры распределения температур в линейных координатах ванны;
получены зависимости изменения концентрации раскислителей (Al, Si) от продолжительности операции обессеривания и температуры;
- исследован фазовый состав шлаков стадий восстановления,
обезуглероживания, раскисления, рафинирования и разливки
металла. Установлено, что основной структурной составляющей
шлаков всех стадий являются силикаты кальция и твердый
раствор MgO-CoO переменного состава. Соотношение структурных составляющих зависит от содержания оксида кобальта;
- для повышения извлечения в товарный металл, разработана
схема переработки шлака, включающая операции измельчения
магнитной сепарации и возврат магнитной фракции в плавку, что
позволяет более чем на 7 % увеличить сквозное извлечение
кобальта в марочный продукт
Положения, выносимые на защиту:
результаты термодинамического анализа основных химических превращений, протекающих при восстановлении оксидов кобальта углеродом и фазовые диаграммы системы Со-С-0, построенные для различного состояния системы,
математическая модель и кинетические закономерности твердо- и жидкофазного углетермического восстановления закиси-окиси кобальта и операций доводки металла;
технология восстановительной электроплавки в дуговых печах постоянного тока и оптимальные режимы ее реализации.
Личный вклад автора. Являлся инициатором использования дуговых печей постоянного тока для углетермического восстановления оксидов кобальта на ОАО «Уфалейникель» На всех этапах работы был организатором и руководителем, а в отдельные периоды и непосредственным исполнителем лабораторных и промышленных исследований В период отработки технологии осуществлял постановку задач, разработку и описание технических решений, а также выполнял теоретическое обобщение отдельных результатов.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на Российской научно-технической
конференции УГТУ-УПИ, посвященной 75-летию кафедры МТЦМ, г. Екатеринбург, УГТУ-УПИ, 2005 г; международном семинаре специалистов по металлургии никеля и кобальта, г. Перт (Австралия), 2007 г
Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 печатных работ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы 114 наименований, приложений Материал изложен на 191 страницах машинописного текста, включает 61 рисунок и 28 таблиц.
Автор выражает глубокую признательность зам директора УРО РАН, дтн, Е Н Селиванову за творческое сотрудничество при выполнении работы
