Введение к работе
Актуальность темы. Металлургическая промышленность Украины является крупным потребителем никельсодержащсго сырья при получении сталей и сплавов. До распада СССР основным источником чистого никеля были поставки с российских никелевых комбинатов. Ферроникель поставлялся с Режского (РНЗ), Побужского (ПНЗ) и Буруктальского (БНЗ) никелевых заводов. На всех этих производствах значительную долю в исходной шихте составляло никельсодер-жащее вторичное сырье. С приобретением Украиной независимости остро встал вопрос о собственном специализированном производстве, способном перерабатывать основную часть образующихся в Украине никельсодержащих отходов. Время показало, что единственный существующий в Украине никелевый завод ПНЗ не подходит для этой цели из-за своей экономической нерентабельности.
Весьма перспективным источником никедьсодержащего сырья в Украине являются отработанные железо- никелевые аккумуляторы, часто используемые в шахтном и подъемно-транспортном оборудовании. Однако их утилизация проводилась на Урале на РНЗ, а в Украине технологии их переработки не существовало. Целесообразным представлялось организовать такое производство в г. Константиновке Донецкой обл. на заводе «Втормет». Наряду с тем преимуществом, что он находится в регионе, богатом шахтами, где образуются данного рода отходы, его парк оборудования соответствует решению данной задачи.
Другим значительным источником вторичного сырья являются детали списанной в результате конверсии военной техники. В результате разборки и демонтажа двигателей летательных аппаратов образуется значительное количество отходов сплавов с высоким содержанием - от 35 до 70% никеля. При наличии в них 2-7% (W + Мо), их прямое использование затруднено из-за незначительности объемов номенклатуры вольфрам- и молибденсодержащих хромоникелевых сталей, которые выплавляют в настоящее время в Украине.
Таким образом, удаление вольфрама из этих отходов позволит использовать никель и молибден по назначению. Технология удаления вольфрама основана на том, что в окислительных условиях этот элемент переходит в шлак совместно с хромом. Никель же с молибденом остаются в сплаве. Различные модификации данного подхода (окисление газообразным или твердым окислителем) были реализованы в мировой практике. Однако протекающие при этом физико-химические процессы оставались изученными явно не достаточно. В частности, не был рассмотрен вопрос о влиянии содержания никеля в исходной шихте на эффективность процесса окисления нежелатель-
ных примесей. Не было полного объяснения наблюдаемого при производстве ферроникеля явления отрицательного отклонения величины произведения растворимостей [С] [О] в расплаве от его равновесных значений и т.д. Вес это приводит к тому, что известные технологии проводятся не на оптимальных режимах, и это, соответственно, удорожает производство и понижает качество конечной продукции.
Задача разработки и исследования процессов переплава желе-зоникелевого лома является актуальной. По некоторым элементам и деталям представленная работа не имеет аналогов в мировой практике.
Связь работы с научными программами. Работа выполнена в соответствии с реализацией программы "Использования отходов производства и потребления на период до 2005 года», утвержденной Кабинетом Министров Украины ( Постановление № 5681 от 27.05.98 г.). Раздел 3 выполнен в рамках проекта «Сортамент-УА» по программам совместных работ Министерства обороны Украины с Национальной академией наук Украины.
Цель работы. Исследование процессов окисления хрома, вольфрама, молибдена и других примесей твердыми окислителями и газообразным кислородом в расплавах на основе железа и никеля; установление влияния вида окислителя и состава расплава на эти процессы, разработка технологии переработки никельсодержащего слож-нолегированного конверсионного лома с рафинированием от нежелательных примесей с целью получения ферроникелевых лигатур в виде слитков и гранул.
Научная новизна.
Изучено влияние фазового состояния окислителя (твердый или газообразный) на процессы окисления элементов в многокомпонентном никельсодержащем расплаве. В частности, выяснено, что для окисления вольфрама и молибдена предпочтительнее использовать газообразный кислород.
Теоретические расчеты и экспериментальные данные показали, что в случае окислительного рафинирования ферроникелевых расплавов, содержащих кислород, в отличие от общепринятого мнения, наблюдается незначительное влияние температуры на реакцию окисления Сг и W на конечной стадии рафинирования. Только на начальных стадиях при высоком содержании данных элементов необходимо использовать традиционный подход - снижение температуры расплава.
Путем математического моделирования процессов затвердевания сплавов на основе железа с перераспределением углерода и кислорода выявлено, что кажущееся отклонение от равновесного значения произведения растворимости Вачера-Гамильтона [%С][%0]
при плавке ферроникеля в окислительных условиях может быть объяснено процессом изменения этого значения за счет ликвациониых явлений при кристаллизации металла.
Научно обоснованы перспективы совместного переплава железоникелевого аккумуляторного лома и высоколегированных конверсионных отходов на никелевой основе, при этом составляющие аккумуляторных батарей являются не только источником никеля, но и рафинирующим реагентом. Установлено, что данным реагентом являются только отрицательные пластины, содержащие гидроокислы железа.
Установлено, что положительные пластины, в состав которых входят гидроокислы никеля, не являются окислителями в шихте. Их можно использовать в качестве легирующей никельсодержа-щей присадки в хромсодержащие расплавы без существенных потерь хрома
Разработана методика получения ферроникеля путем переплава в дуговой сталеплавильной печи (ДСП) с кислой футеровкой и измененной конструкцией свода печи, позволяющая значительно удлинить ее кампанию. Полезное при грануляции микролегирование ферроникеля кремнием достигается за счет поступления его из кислой футеровки.
Практическая ценность и реализация результатов работы.
Разработана технология получения качественного ферроникеля из лома аккумуляторных батарей и других никельсодержащих отходов путем окислительной плавки в ДСП. При комплектации шихт для переплава впервые принимаются во внимание марки переплавляемых батарей и используются методы математической комбинаторики. Получаемый материал отвечает требованиям действующего ТУ 48-3-59-84, а по некоторым характеристикам, например, чистота по фосфору, стабильность химического состава, значительно его превосходят. Технология освоена на Константиновском заводе "Втормет". В процессе освоения данной технологии решено ряд экологических задач, связанных с процессами переплава отходов в ДСП. Эта технология играет существенную роль в общем объеме производства предприятия. Практически решена проблема получения ферроникеля из вторичного сырья в Украине. Прекращена продажа или отправка в виде давальческого сырья никельсодержащего аккумуляторного лома за границу.
Личный вклад соискателя. На основе богатого производственного опыта и обзора научно-технической информации соискатель выполнил поставку задачи исследования и научно обосновал ее. По разработанным автором методикам были проведены теоретические расчеты, лабораторные и полупромышленные эксперименты, позволив-
шие уточнить фундаментальные закономерности окисления элементов в металлургических расплавах. Непосредственно руководил промышленным внедрением полученных им результатов в производственную практику.
Апробация работы. Материалы диссертация доложены на семинаре «Проблемы переработки отходов гальванического и литейного производств промышленного комплекса Украины» (г. Алушта, 1998 г.) и на конференции «Извлечение цветных, редких и драгоценных металлов из отходов производства промышленных и ювелирных предприятий Украины» (Г. Ялта, 1998 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано пять статей, в том числе четыре в изданиях, входящих в перечень ВАК Украины, тезисы одного доклада, получен патент Украины.
Структура и объем работы. Диссертация, состоит из введения, четырех разделов, выводов, списка литературы и пяти приложений, текстовый материал изложен на 156 страницах, таблиц - 32, рисунков - 36, литературных источников -111 наименований.