Содержание к диссертации
ВВЕДЕНИЕ 7
1 СОСТОЯНИЕ ТЕОРИИ И ПРАКТИКИ ПРОИЗВОДСТВА СПЛАВОВ ХРОМА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 15
1.1 Основные положения технологии выплавки высокоуглеродистого феррохрома в электропечах и производства среднеуглеродистого феррохрома в кислородных конвертерах 15
1.2 Современное состояние технологии металлотермического производства сплавов хрома и ее научной основы 24
1.2.1 Макромеханизм процесса алюминотермии металлического хрома и феррохрома 24
1.2.2 Анализ технологически важных физико-химических свойств шлаков производства сплавов хрома 29
1.2.3 О фазовых соотношениях при металлотермическом восстановлении оксидов хрома 36
1.2.4 О форме присутствия хрома в шлаках алюминотермического производства металлического хрома и низкоуглеродистого феррохрома 38
1.2.5 Данные о предельно-возможном извлечении хрома в сплав при алюминотермии с позиций термодинамической оценки процессов полиморфизма 41
Выводы 46
2 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ХРОМОРУДНОЙ БАЗЫ ДЛЯ ФЕРРОСПЛАВНОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ КАЗАХСТАНА И РАСШИРЕНИЕ ЕЕ РАЗРАБОТКОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОКУСКОВАНИЯ МЕЛОЧИ ХРОМИТОВЫХ РУД 50
2.1 Характеристика основных месторождений хромитовых руд и их металлургическое качество 50
2.1.1 Типы промышленных месторождений и мировые запасы хромитовых руд 50
2.1.2 Казахстанское месторождение хромитов 52
2.2 Особенности кристаллохимической структуры хромшпинелидов и породовмещающих минералов в хромитовых рудах Южно-Кемпирсайского месторождения 63
2.3 Петрографические исследования и микрорентгеноспектральный анализ хромитовых руд Южно-Кемпирсайского месторождения 68
2.4 Разработка технологии окомкования мелочи хромитовых руд 75
2.4.1 Освоение технологии получения окатышей в условиях Актюбинского завода ферросплавов 75
2.4.2 Разработка и освоение технологии изготовления брикетов моношихты на основе хромитовой руды 81
Выводы 85
3 СОПОСТАВИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ПРОЦЕССОВ УГЛЕРОДО- И МЕТАЛЛОТЕРМИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ПРИ ВЫПЛАВКЕ СПЛАВОВ ХРОМА И ФИЗИКО-ХИМИЯ ИХ В ОБЛАСТИ СОСТАВОВ ТОВАРНОЙ МЕТАЛЛОПРОДУКЦИИ 88
3.1 Характерные особенности восстановления хрома из оксидов металлическими (алюминием и кремнием) и углеродистыми восстановителями 88
3.2 Анализ теплофизических свойств и температурных условий алюминотермического способа производства металлического хрома и низкоуглеродистого феррохрома 91
3.2.1 Изучение теплофизических свойств шихты и температуры алюминотермии хрома и его сплавов 93
3.2.2 Оценка тепловых потерь при алюминотермии хрома и феррохрома 99
3.3 Термодинамика и кинетика восстановления хрома из оксидных материалов углеродом 101
3.4 Термодинамические, металлофизические свойства и особенности структуры жидких и твердых сплавов системы хром-железо- углерод-сера в области составов промышленных марок феррохрома 110
3.4.1 Фазовые равновесия и термодинамика карбидов в системах хром-углерод, хром-железо-углерод и микроструктура высокоуглеродистого феррохрома 110
3.4.2 Фазовые равновесия и термодинамика сульфидных фаз в системах хром-сера, хром-железо-сера, хром-железо-углерод-сера 115
3.4.3 Анализ процессов восстановления железа и хрома из хромитовых руд углеродом и распределения серы шихтовых материалов между фазами системы феррохром-шлак-печная атмосфера 121
3.4.4 Восстановление хромшпинелидов углеродом 123
3.4.5 Восстановление хромшпинелидов углеродом с участием серосодержащих фаз 127
3.5 Исследование факторов, влияющих на содержание серы в высокоуглеродистом феррохроме 129
Выводы 132
4 ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ СВОЙСТВ КОМПОНЕНТОВ ОКСИДНЫХ ТВЕРДЫХ РАСТВОРОВ СИСТЕМЫ MgO-FeO-Fe304-Cr203-AI203 136
4.1 Исследование изменения состава природных хромшпинелидов при выплавке высокоуглеродистого феррохрома в рудовосстановительных электропечах 137
4.2 Результаты петрографического и микрорентгеноспектрального анализов образцов, извлеченных из действующей и остывшей («замороженной») ванн промышленных электропечей 147
4.3 Кристаллохимические исследования трансформации руды в ванне феррохромовой печи 157
4.4 Обобщение результатов дифференциации хромитового сырья по данным распределения катионов в структуре шпинели 160
4.5 Термодинамический анализ твердых растворов типа шпинели в системе Mg-Fe-Al-О 163
4.6 Термодинамический анализ трехкомпонентных растворов со структурой шпинели в системе Mg-Fe-Cr-0 169
4.7 О выделении металлической фазы при распаде пересыщенных хромом шпинельных структур в шлаках хромового производства 174
Выводы 187
5 АНАЛИЗ ТЕРМОДИНАМИЧЕСКИХ УСЛОВИЙ РАВНОВЕСИЯ В ПОЛИКОМПОНЕНТНЫХ ОКСИДНЫХ СИСТЕМАХ ПРИ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНОМ ВОССТАНОВЛЕНИИ ХРОМИТОВОИ РУДЫ РАЗЛИЧНЫМИ ВИДАМИ ВОССТАНОВИТЕЛЕЙ 192
5.1 Термодинамически-диаграммный анализ процессов в поликомпонентных системах оксидов - наиболее эффективный способ поиска равновесных условий 196
5.2 О применимости термодинамически-диаграммного анализа для изучения процессов в поликомпонентных оксидных системах с оксидом хрома 198
5.3 Термодинамически-диаграммный анализ восстановительных процессов при металлургическом переделе хромитовых руд 201
5.3.1 Характеристика хромитовых руд с позиции термодинамически- диаграммного анализа и выбор квазисистем, характеризующих шлакообразование при рудной электротермии сплавов хрома и металлического хрома 201
5.3.2 Анализ процесса шлакообразования при руднотермическом переделе хромитовых руд 215
5.3.3 Расчет равновесного фазового состава при алюминотермии безуглеродистого феррохрома 227
5.3.4 Выбор способа производства металлического хрома на основе диаграмм фазовых соотношений 229
Выводы 229
6. ТЕРМОДИНАМИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПОВЕДЕНИЯ СЕРЫ ПРИ КИСЛОРОДНО- КОНВЕРТЕРНОМ ПРОЦЕССЕ ПОЛУЧЕНИЯ СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТОГО ФЕРРОХРОМА 233
6.1 Термодинамика реакций окисления компонентов при продувке расплава высокоуглеродистого феррохрома кислородом в конвертере 233
6.2 Анализ материального баланса серы при получении среднеуглеродистого феррохрома в кислородном конвертере 235
6.3 Исследование физико-химической природы серы в феррохроме и шлаке различных технологических стадий конвертирования высокоуглеродистого феррохрома 239
Выводы 247
7 ОПЫТНО-ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ТЕХНОЛОГИИ ЭЛЕКТРОТЕРМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТОГО ФЕРРОХРОМА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ОКУСКОВАННОГО ХРОМОРУДНОГО СЫРЬЯ 249
7.1 Внедрение в производство технологии выплавки высокоуглеродистого феррохрома с использованием в шихте мелочи хромитовой руды, окускованной методом окатывания 249
7.2 Внедрение в производство технологии выплавки высокоуглеродистого феррохрома с использованием в шихте хромитовой руды в виде брикетов-кирпичей 253
Выводы 260
8 ПРОМЫШЛЕННОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ И ОСВОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИИ СРЕДНЕУГЛЕРОДИСТОГО ФЕРРОХРОМА С ЕГО ОБЕЗУГЛЕРОЖИВАНИЕМ В КОНВЕРТЕРЕ И ДЕСУЛЬФУРАЦИЕИ ШЛАКОВЫМИ СМЕСЯМИ 262
8.1 Методика и результаты опытно-промышленных экспериментов по десульфурации феррохрома в процессе его конвертирования 262
8.2 Освоение и внедрение технологии кислородно-конвертерного феррохрома с десульфурацией его шлаковыми смесями 271
8.3 Технико-экономическая эффективность внедрения технологии к десульфурации среднеуглеродистого феррохрома в процессе \\ конвертирования с использованием трехкомпонентой смеси 277 к
Выводы В 281 „ z
9 ПРОМЫШЛЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ И ВНЕДРЕНИЯ ТЕХНОЛОГИИ^ ^ " АЛЮМИНОТЕРМИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА""" МЕТАЛЛИЧЕСКОГО ХРОМА, НИЗКО- И БЕЗУГЛЕРОДИСТОГО ФЕРРОХРОМА v 283
9.1 Методология проведения промышленного испытания и освоения технологии выплавки низко- и безуглеродистого феррохрома алюминотермическим процессом 284
9.2 Освоение технологии алюминотермического металлического хрома высокого качества (европейского стандарта) 285
9.3 Разработка и внедрение технологии выплавки безуглеродистого алюминотермического феррохрома специального назначения 294
9.4 Отработка и внедрение технологии выплавки средне- и низкоуглеродистого феррохрома в условиях ОАО «Феррохром» 297
Выводы 304
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 306
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 311
ПРИЛОЖЕНИЯ
ПЕРЕЧЕНЬ ТЕРМИНОВ, СОКРАЩЕНИЙ, УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ, СИМВОЛОВ И ЕДИНИЦ ХРОМИТОВАЯ РУДА, ХРОМШПИНЕЛИДЫ, СЕРПЕНТИН, РУДНОТЕРМИЧЕСКАЯ ЭЛЕКТРОПЕЧЬ, УГЛЕРОДОТЕРМИЯ, СИЛИКОТЕРМИЯ, АЛЮМИНОТЕРМИЯ, ФЕРРОХРОМ, АЛЮМОМАГНЕЗИАЛЬНАЯ ШПИНЕЛЬ, ФОРСТЕРИТ, КОРДИЕРИТ, МУЛЛИТ, ХРОМОРУДНЫЕ БРИКЕТЫ, ХРОМОРУДНЫЕ ОКАТЫШИ АкЗФ- Актюбинский завод ферросплавов; АкГУ - Актюбинский государственный университет; ДонГОК - Донской горно-обогатительный комбинат; МРСА - микрорентгеноспектральный анализ; ТДА - термодинамически-диаграммный анализ; Ккал; кг/т; т; кг; г; °С; К; %.
Введение к работе
Современное состояние проблемы. Становление ферросплавного производства в Казахстане проходило в условиях плановой экономики и являлось органической частью единого общесоюзного комплекса. Технологическая схема и оборудование предприятий было узкоспециализировано на производство только конкретного вида продукции и определялось долгосрочными планами. Актюбинский завод ферросплавов был неотъемлемой частью этой системы и специализирован на производство хромистых ферросплавов определенной группы - высоко-, средне- и низкоуглеродистых марок /1-3/. Многие технологические проблемы, обусловленные постоянно меняющимися параметрами используемого природного сырья, множились и накапливались, а их решению противостоял экстенсивный характер планового производства. Эти обстоятельства погубили систему, начали зарождаться и налаживаться новые производственные взаимоотношения. Актюбинский завод ферросплавов, преодолев серьезный кризис, спад производства, преобразовав в ОАО «Феррохром» и стал частью мировой рыночной системы, движущая сила которого - жесткая конкуренция. Новые условия потребовали решить накопленные проблемы в кратчайшие сроки, настала необходимость преодоления узкой специализации продукции, расширения сортамента производства, повышения качества. Решение этих вопросов требует привлечения современных достижений науки и технологий в области ферросплавов, углублении " физико-химических исследований сложных металлургических процессов, и на базе новых представлений, разработки способов воздействия на качественные параметры конечного продукта. Такая позиция является краеугольным камнем технической политики ОАО «Феррохром» /4/.
Актуальность исследования. Основные проблемы производства хромистых ферросплавов - снижение качества используемого сырья: хромитовых руд, восстановителей, флюсов Химический и гранулометрический состав -v часто не соответствует стандартам. Особенно опасна высокая концентрация-серы, увеличивается доля мелкой фракции в рудах, коксе, флюсах, что неиз- бежно приводит к снижению потребительских свойств ферросплавов и по--вышению себестоимости. За короткое время на ОАО «Феррохром» проведен ряд технических мероприятий, направленных на решение этих проблем: разработаны технологии десульфурации среднеуглеродистого феррохрома, различные варианты окомкования мелочи хромитовых руд и отходов производства методами брикетирования и окатывания, освоены технологические приемы производства высокоуглеродистого феррохрома из окомкованного сырья /5/. На основе физико-химических исследований многообразия спосо- . бов производства низкоуглеродистых и безуглеродистых марок феррохрома и металлического хрома, разработан наиболее приемлемый проект и создан •/ участок алюминотермии /6/. На ОАО «Феррохром» налажены практически все способы производства хромистых ферросплавов, что позволяет гибко и оперативно реагировать на самые взыскательные потребности рынка.
Данная диссертационная работа выполнена в рамках Республиканских целевых научно-технических программ РЦНТП КИМС 1993-1998 г.г. «Комплексное использование минерального сырья на основе ресурсосберегающих высокоэффективных технологий в горно-металлургическом комплексе» Ц.0048.09 и РЦНТП КИМС 1999-2003 г.г. «Научно-техническое обеспечение устойчивого функционирования и стратегических приоритетов развития горно-металлургического комплекса Республики Казахстан» Ц.0169 (утвержден приказом МЭИП РК № 119 от 30.03.2000 г.) совместно с ДТП «Химико-металлургический институт им. Ж Абишева» РГП «НЦ КПМС РК», а также по планам научно-технических исследований и разработок по совершенствованию технологии производства Актюбинского завода ферросплавов, выполненных в инициативном порядке.
Степень разработанности проблемы. Развитие технологии алюминотер- мической выплавки металлического хрома, низко- и безуглеродистого феррохрома базируется в основном на эмпирических данных технологического характера, отражающих механизм процесса весьма оценочно. Поэтому технология алюминотермии сплавов хрома далека от совершенства, т.е. поставленная в диссертации цель освоения и совершенствования технологии алю- минотермического производства хрома, низко- и безуглеродистого феррохрома требует дополнительной научно-технологической проработки. v
Проблема ускоренного подъема выпуска продукции качественной металлургии в СНГ и в мире ставит задачу разработки энергосберегающих тех- . нологий выплавки металлического хрома, низко- и безуглеродистого феррохрома, что в первоочередном порядке касается производственно-экономической политики Актюбинского завода ферросплавов. Указанные ферросплавы, на базе хрома, раньше в Казахстане не производились алюминотермиче- ским способом, обеспечивающим выплавку наиболее качественных сплавов по содержанию вредных примесей. Немаловажным обстоятельством является также энергонезависимость алюминотермического способа производства.
Недостаточно изучено поведение серы при металлургическом переделе хромитовых руд на высоко- и среднеуглеродистый феррохром и, соответственно, выработаны мероприятия по снижению выхода феррохрома, неконди- N ционного по содержанию серы.
Йе.разработаны эффективные способы окускования мелочи хромитовых • руд, что сводит значительную (до 19,8%) часть добываемого хромитового сырья в отходы производства, не находящие сбыта в промышленности и складируемые в отвалы. До настоящего времени проблема окускования мелочи хромитовых руд не решена, в частности и из-за недостаточной научной обеспеченности проведенных ранее работ.
Хотя в недрах Казахстана сосредоточено более 70% мировых запасов богатых (более 50% Сг203) хромитовых руд, а общие разведанные залежи этих руд в республике составляют пятую часть от мировых, однако запасы руд .годных для открытых разработок на месторождении не превышает 5- N-6 лет. Строительство же подземных шахт приостановлено, что связано с крупными капиталовложениями. Богатая кусковая руда месторождения отправляется собственным потребителям (Актюбинский и Аксуский заводы ферросплавов), а также в страны ближнего и дальнего зарубежья для непо средственного получения из них хромистых ферросплавов электротермией, а Щ мелочь хромитовых руд, сосредоточенная в большом количестве (более 10 млн. т) на месторождении/практически не используется из-за отсутствия соответствующих технологий для их эффективной подготовки к металлургической плавке. Помимо этого при работе газоочистных сооружений, в про- v цессе выплавке сплавов хрома, образуется до 15 тыс. т в год мелкодисперс- 1 ной пыли с содержанием Сг203 до 30%, для которой не разработана рациональная технология утилизации. До настоящего времени ни одна из предло 1 женных ранее технологий окускования мелочи хромитовых руд не реализо вана, хотя Донское месторождение хромитов эксплуатируется более полуве- щ ка. При рассмотрении возможных вариантов окускования следует учитывать Ш наличие на месторождении, в первую очередь, рудной мелочи от добычи • (менее 5 мм). Окускование этих материалов может быть произведено брике тированием или окатыванием.
В нынешней экономической ситуации весьма ограничены возможности нового капитального строительства. Поэтому целесообразно ориентировать- Щ ся на имеющиеся в Казахстане оборудование и предприятия по окускованию минерального сырья, а в условиях ОАО «Феррохром» - на существующее И оборудование Актюбинского завода ферросплавов. При этом необходимо &. учитывать специфику донских хромитов, заключающуюся в чрезвычайно т высокой температуре плавления не только рудных зерен хромшпинелидов (более 2273 К), но и цементирующих пород (более 1773 К), которые трудно достижимы как на агломерационной, так и обжиговой машине. Цементи- рующая порода ныне используемых руд Донского месторождения представ- лена в основном тугоплавким серпентином (3MgO 2Si02 2Н20), переходящим т при нагреве в форстерит 2MgO Si02. Успешное окускование хромитов за ру бежом обжиговым способом связано в основном с наличием в рудах не сер • пентиновой, а железистой цементирующей породы, имеющей более низкие 1 температуры плавления, т.е. по своей специфике хромитовые руды Донского месторождения не имеют аналогов в мировой горнорудной практике. По- щ скольку на имеющемся оборудовании требуемые для обжига донских хроми тов температуры не достижимы, то возникает предложение о введении в шихту связующих добавок (бентонита, жидкого стекла и т.д.), способных создать необходимую для «склеивания» рудных частиц жидкую фазу.
Задачи по окускованию (окатыванием или брикетированием) мелочи хромитовых руд сводятся к:
I - разработке и внедрению в производство рациональных технологий по лучения окатышей и брикетов из мелочи хромитовых руд и хромсодержащих 1 отходов, например пылей газоочистки;
- промышленному освоению новой технологии (с использованием ока- т тышей) в условиях действующего производства, т.е. плавке окускованного сырья в смеси с кусковыми хромитовыми рудами.
Цель и задачи работы. Работа посвящена научно-техническому исследо ванию и созданию новых технологий подготовки и плавки хромового сырья, направленных на повышение конкурентоспособности сплавов хрома и металлического хрома посредством утилизации мелочи хромитовои руды при л/ электротермическом производстве высокоуглеродистого феррохрома и внедрению энергосберегающего способа алюминотермии металлического хрома, низко- и безуглеродистого феррохрома, обеспечивающего повышение качества при снижении издержек производства и загрязнения окружающей среды.
Единство диссертационной работы обусловлено:
1) объектом исследования- технологии производства металлического хрома_и_его сплавов с железом (феррохром различных марок: высокоуглеродистый, среднеуглеродистый, низкоуглеродистый и безуглеродистый);
2) природой изучаемых процессов - высокотемпературные восстановительно-окислительные процессы с участием сложных оксидов со структурой шпинели, а также различных восстановителей (углерода при электротермии, алюминия и кремния при металлотермии) или окислителя (кислорода продувки при конвертерной плавке);
3) методическим подходом к выполненным исследованиям: термодинамическим, микрорентгеноспектральным, термокинетическим, термодинамически-диаграммным (по фазовым равновесиям) - т.е. использованием взаимодополняющих современных физико-химических методов, общим для которых является то, что они в целом дают результаты (в явной и скрытой У форме) по распределению катионов и анионов в фазах соответствующих систем.
Решение поставленной в диссертации научно-технической проблемы повышения конкурентоспособности отечественной ферросплавной продукции на базе хрома включает:
а) реализацию следующих задач технологического характера:
- по высокоуглеродистому феррохрому - разработка ресурсосберегающей технологии выплавки с использованием отходов производства (окомко- ванной мелочи минерального сырья);
- по среднеуглеродистому феррохрому - разработка эффективных технологий производства кислородно-конверторной продувкой, а также новым -алюминотермическим способом с использованием отходов электролизного производства алюминия;
- по металлическому хрому, низко- и безуглеродистому феррохрому -организацию производства, впервые в Казахстане, по разработанным оптимальным технологическим схемам с учетом специфики сырья и местных условий;
б) выполнение комплекса научных и прикладных исследований, направленных на установление особенностей физико-химических превращений при высокотемпературных процессах, сопровождающих производства сплавов хрома.
Научная новизна работы.
1) Впервые рассчитано распределение катионов и анионов в структуре хромшпинелида хромитовои руды и техногенных продуктов его восстанов ления в руднотермической электропечи. На этой основе установлен характер изменения структуры хромшпинелида исходной руды по мере развития диффузионных массопотоков катионов и уточнен механизм восстановления хромшпинелида с участием компонентов шлакового расплава.
2) Полученные значения термодинамических функций (активностей, парциально-молярных и интегральных свободных энергий, парциально-мо-лярных и интегральных теплот и энтропии смешения) при восстановлении растворов со структурой шпинели в системах Mg-Fe-Cr-O, Mg-Fe-Al-O показали, что свойства шпинельных растворов можно рассматривать как аддитивные от свойств вторичных компонентов (Fe304, MgFe204, MgAbOs, MgCr204).
3) На основе данных термодинамически-диаграммного анализа (ТДА) шпинельных растворов и экспериментальных исследований установлены фазовые соотношения и уточнен механизм восстановления при металлургическом переделе хромитовых руд карбо- и металлотермическими способами.
4) Получены и обобщены новые данные по окислению компонентов высокоуглеродистого феррохрома в процессе кислородно-конверторного рафинирования, уточнена степень растворимости кислорода в системе хром-кислород. Дана физико-химическая интерпретация природы металлизован-ных включений производства феррохрома при карбо- и металлотермии.
5) Представлены результаты термодинамического и термокинетического анализа опытно-экспериментальных исследований восстановления хромитовых руд углеродом, установлено влияние металлургических факторов на поведение серы при кислородно-конвертерной плавке среднеуглеродистого феррохрома и создана физико-химическая модель распределения серы в условиях формирования металлической, шлаковой и газовой фаз на разных стадиях окислительно-восстановительных процессов при производстве феррохрома.
Известные данные по теоретическим основам технологии производства хрома и его сплавов, несмотря на их достаточное обилие, имеют фрагментарный характер. Комплекс задач поставленных в данной работе направлен на обобщение этих данных и, совместно с результатами собственных исследований, выработки новых представлений и положений обобщенного характера о природе физико-химических преобразований хромитовых руд при выплавке сплавов хрома.
Практическая ценность работы. Проблема утилизации мелочи хромитовых руд при производстве сплавов хрома решена посредством разработки рационального способа окускования. Освоена технология выплавки высокоуглеродистого феррохрома марки ФХ800 с использованием в шихте окуско-ванной мелочи на промышленной электропечи Актюбинского завода ферросплавов. Технология окатывания базируется на грануляции мелочи хромитовых руд (О-Ї-5 мм) с использованием связующего (жидкое стекло), с принудительной высокотемпературной (1173-1373 К) сушкой продукта. Технология брикетирования (позволяющая использовать более широкий спектр мелочи хромитовых руд- фракции О-ИОмм) реализована с использованием брикет прессов при давлении до ПО кг/см". Прочность на раздавливание окатышей (0 8-16 мм) составляет 50-60 кг/ок для сухих (373-378 К) и 100-110 кг/ок для обожженных, прочность брикетов (250x125x62 мм) 100-110 кг/см , что удовлетворяет требованиям к сырью для ферросплавного производства. Решение проблемы окускования мелочи хромитовых руд расширяет сырьевую базу производства хромовых ферросплавов. На промышленной электропечи освоена технология электроплавки высокоуглеродистого феррохрома с использованием в шихте окускованной мелочи хромитовых руд.
В плане повышения качества и конкурентоспособности ферросплавной продукции разработаны энергосберегающие технологии выплавки металлического хрома, низко- и безуглеродистого феррохрома алюминотермическим способом. При этом достигнуто повышение извлечения хрома в металл на 3-4% при выплавке металлического хрома и на 4-5% - низко- и безуглеродистого феррохрома.
Реализованы технические мероприятия по десульфурации среднеугле-родистого феррохрома в процессе его конвертирования, обеспечивающие оптимальные режимы (шлаковый и продувки) и повышение десульфурирую-щей способности шлака. Разработан и внедрен эффективный состав реакционной смеси для повышения десульфурации феррохрома в процессе его конвертирования. Снижен выход феррохрома, некондиционного по содержанию серы.
Новизна научно-технических разработок подтверждена следующими охранными документами: авторскими свидетельствами СССР №№ 1507809, 1585341, предпатентами РК№№ 7316, 8148, 8669, 11114, 11855.
Внедрение в производство. Разработаны технологии брикетирования и окатывания мелочи хромитовых руд и создан производственный цикл по окускованию. Освоена технология выплавки высокоуглеродистого феррохрома с использованием окускованного хромитового сырья углеродотерми-ческим способом. Экономическая эффективность от внедрения в производство технологии окускования мелочи хромитовых руд и использования окускованного сырья при электроплавке составит 5,64 млн. долларов США в год.
Разработана эффективная технология алюминотермического производства металлического хрома, низко - и безуглеродистого феррохрома в промышленных условиях.
Разработан проект и создан участок алюминотермического производства низкоуглеродистых и безуглеродистых марок феррохрома и металлического хрома.
На защиту выносятся следующие результаты диссертационной работы:
І. В теоретическом аспекте:
1. Установлены особенности минералогической и кристаллохимической природы (во взаимосвязи с выявлением химического состояния серы) хром-шпинелидов и цементирующей массы хромитовых руд Южно-Кемпирсай-ского месторождения с уточнением механизма восстановления руд разного состава.
2. Дан сопоставительный анализ карбо- и металлотермического процессов при выплавке хромистых сплавов, на базе которых обоснованы гетерогенный и гомогенный характеры взаимодействий в шлаках. Уточнены температурные условия, теплофизические свойства шихты и другие характеристики алюминотермии металлического хрома, а также характерные кинетические закономерности восстановления хромитовых руд разного состава. Обобщены данные термодинамики многокомпонентных систем, содержащих серу.
3. Рассчитаны значения термодинамических функций шпинельных растворов систем Mg-Fe-Cr-O и Mg-Fe-Al-О и их компонентов, дающие полную термодинамическую характеристику системы Mg-Fe-Cr-Al-O применительно к процессам диссоциации и восстановления хромшпинелидов.
Представлены данные по распределению двух- (Mg , Fe" ) и трехвалентных (Сг3+, А13+) катионов по тетра- и октаэдрическим позициям кристаллической решетки рудного «реликта» и схема физико-химических превращений шихтовых компонентов по различным горизонтам ванны печи в ходе выплавки высокоуглеродистого феррохрома, полученные в результате комплексного исследования проб из ванны действующей и остановленной электропечи типа РКО-16,5.
4. Исследованы фазовые равновесия в техногенных оксидных расплавах при производстве металлического хрома и феррохрома. Показана возможность и выполнена трансформация (посредством термодинамически-диаграммного анализа) данных по фазовым соотношениям в шлаках от электротермии на таковые при соответствующем металлотермическом процессе. Определены фазовые соотношения в рудноизвестковых расплавах при флюсовой алюминотермической плавке, ключевые для повышения технико-экономических показателей производства.
5. Результаты термодинамического анализа реакции окисления компонентов высокоуглеродистого феррохрома при его рафинировании в кислородном конвертере и обобщенные данные по растворимости кислорода в системе хром-кислород с акцентированием особенностей фазовых равновесий в этой системе.
6. Материалы термодинамического и термокинетического анализов процессов восстановления хромитовых руд углеродом, созданная на этой основе физико-химическая модель поведения серы при формировании металлической, шлаковой и газовой фаз при электротермии высокоуглеродистого феррохрома. Данные термодинамического и экспериментального исследований поведения серы в зависимости от металлургических факторов в процессе кислородно-конвертерной выплавки среднеуглеродистого феррохрома.
7. Обобщенные материалы статистических исследований промышленного освоения и внедрения практических рекомендаций по снижению выхода некондиционных марок высоко- и среднеуглеродистого феррохрома по содержанию серы, а также уточненный материальный баланс серы с учетом фактических условий на ОАО «Феррохром».
II. В практическом плане:
8. Разработана и внедрена технология окускования (методами окатывания и брикетирования) мелочи хромитовой руды (фракции 0ч-5 мм), а также освоена технология промышленной выплавки высокоуглеродистого феррохрома с использованием брикетов и окатышей из мелочи хромитовой руды (и других отходов производства) взамен части хромитовой руды.
9. Впервые в Казахстане создана и освоена технология алюминотерми-ческого производства металлического хрома и безуглеродистого феррохрома специального назначения, а также других марок рафинированного феррохрома (средне- и низкоуглеродистого).
10. Реализованы на практике научно-технические мероприятия по де- сульфурации среднеуглеродистого феррохрома в процессе его конвертирования, направленные на регламентацию режима продувки, шлакового режима и повышение десульфурирующей способности шлака.
Личный вклад автора выражается в постановке проблем, теоретическом обосновании и разработке методологии их решения, определении характера необходимых экспериментов и расчетно-теоретических проработок, в непосредственном участии как руководителя и ответственного исполнителя на всех этапах технологических разработок и внедрения их в производство.
Апробация работы. Отдельные результаты работы доложены и обсуждены ка республиканской научно-практической конференции, посвященной 75-летию со дня рождения академика Е.А. Букетова «Состояние и перспективы развития химии и химической технологии в Центрально-Казахстанском регионе» (Караганда, 2000 г.), на Международных научно-практических конференциях «Актуальные проблемы и перспективы электрометаллургического производства» (Днепропетровск, 1999 г.), «Комплексное использование минеральных ресурсов Казахстана» (Караганда, 1998 г.), на республиканской (Украина) научно-технической конференции «Проблемы научно-технического прогресса электротермии неорганических материалов» (Днепропетровск, 1989 г.), на Всесоюзном совещании «Интенсификация металлургических процессов и повышение качества металлов и сплавов» (Тула, 1989 г.), на Всесоюзной конференции «Физико-химия процессов восстановления металлов» (Днепропетровск, 1988 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции «Металл и технический прогресс» (Москва, 1987 г.).
Публикации. По материалам работы изданы 2 монографии, получено 5 предпатентов РК и 2 авторских свидетельства СССР. Опубликовано 36 научных статей и 14 тезисов докладов в материалах конференций и совещаний.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, 9 глав, включающих критический обзор и анализ литературы; постановку и „, обсуждение расчетно-теоретических задач, лабораторных "исследований и технологических испытаний, результаты разработок и освоения новых способов выплавки металлического хрома и феррохрома; заключения, списка использованной литературы и приложения. Работа изложена на 329 страницах, содержит 68 таблиц и 50 рисунков.
