ПУТИ СНИЖЕНИЯ ЭНЕРГОЕМКОСТИ ПРОИЗВОДСТВА ЛЕГИРОВАННОЙ СТАЛИ И ФЕРРОСПЛАВОВ

Разработка новых энергосберегающих технологий производства легированной стали и ферросплавов и использование новых типов минерального сырья должны быть основаны на оценке термодинамической прочности химических соединений и энергии связи Me—О как в исходных, так и в конечных продуктах реакций. Термодинамическая прочность соединений прямо пропорциональна температуре плавления и энергозатратам на плавление и восстановление металлов.

В табл. 1 и 2 дана характеристика наиболее распространенных легирующих металлов и их оксидов. Металлы с высокой температурой плавления, как хром, молибден, вольфрам, ниобий и др., имеют малое увеличение энтропии (ДДдл) при плавлении не более 2,4 Дж/К, соответственно высокую теплоту плавления. Вместе с тем у всех переходных металлов

Другой особенностью оксидов переходных металлов является способность к образованию легкоплавких эвтектик с оксидами, имеющими более низкую валентность, в частности с оксидами кальция.

В табл. 3 даны составы эвтектик МеяОт—СаО наиболее распространенных легирующих металлов. Все эвтектики имеют температуру плавления ниже температуры плавления жидкой стали и значительно ниже температуры плавления ферросплавов. Поэтому при выплавке низколегированных, большинства конструкционных марок сталей нецелесообразно применять ферросплавы с высокой температурой плавления. Они могут быть заменены оксидными смесями эвтектического типа, для плавления которых не требуется затраты дополнительной энергии или требуется в незначительных количествах по сравнению с плавлением ферросплавов.

В работах [3] и [4] экспериментально установлена прямая линейная зависимость между температурой плавления оксидов и температурой начала восстановления металла углеродом. Химическая активность оксидов обусловлена повышением концентрации свободных электронов в кристаллической решетке оксидов— полупроводников и изменяется одновременно с изменением проводимости — от примесной к собственной.

Скачкообразное изменение электросопротивления соответствует температуре плавления оксидной системы и свидетельствует о том, что восстановление металлов из оксидов кремнием с высокой скоростью происходит только в жидком состоянии. Способность образовывать эвтектики при смешивании разновалентных оксидов соблюдается и в многокомпонентных оксидных системах. Температура плавления оксидных смесей снижается с повышением валентности переходных металлов и увеличением активности оксидной системы При пос

тоянном содержании кремнезема и глинозема в оксидных расплавах и постоянном парциальном давлении Р0 ~ 0,21 активность будет

зависеть только от соотношения оксидов MewOmCaO, где пит могут изменяться от 1 до 7. В лабораторных и промышленных условиях производства ферросплавов и лигатур установлено, что переходные металлы восстанавливаются из многокомпонентных оксидных расплавов эвтектического типа с высокой скоростью без образования промежуточных оксидов с низшей валентностью из любого валентного состояния. Расход восстановителя при этом не увеличивается изза наличия катионов металлов высшей валентности, а уменьшается вследствие высокой скорости восстановления и сведения к минимуму реакций взаимодействия с кислородом газовой фазы [5]. В мире запатентовано большое количество составов легирующих материалов на основе оксидов, концентратов, руд, содержащих легирующие металлы для прямого легирования стали (ПЛ). Однако предлагаемые составы в большинстве случаев нельзя считать оптимальными. Смеси для ПЛ должны быть одновременными по химическому и гранулометрическому составу с низкой гигроскопичностью, не взрывоопасны, иметь низкую температуру плавления и образовывать гомогенные расплавы эвтектического типа с низкой разностью tjts с температурой плавления ниже температуры жидкой стали.

В ЦНИИчермет рассчитаны и подтверждены экспериментально температуры плавления многокомпонентных легирующих смесей (табл. 4). Указанные составы смесей являются оптимальными для ПЛ в печи и ковше, в также для производства ферросплавов, содержащих хром, марганец, ванадий. Снижение температуры плавления смесей под влиянием двух или нескольких переходных металлов необходимо использовать для расширения производства комплексных лигатур и раскислителей, также имеющих более низкую температуру плавления по сравнению со стандартными ферросплавами (хромомарганцевыми, хромованадиевыми, мар ганецванадиевыми и т.п.). Другим источником снижения температуры плавления является получение оксидных смесей с широкой областью нестехиометрии оксидов переходных металлов. Область нестехиометрии расширяется в смеси разновалентных оксидов и при нагреве в окислительных условиях. Так, температура плавления обожженных смесей марганцевой или хромовой руды с известью снижается на 100300 °С по сравнению с необожженными.

Область нестехиометрии может быть расширена за счет добавления карбидов данных металлов. Последний способ целесообразно использовать в прямом восстановлении железа, никеля, кобальта. В производстве ферросплавов из оксидных материалов образуется большой объем горячих шлаков, тепло которых вторично не используется. Наиболее энергоемким и материалоемким является производство низкоуглеродистых сплавов. При остывании и кристаллизации шлака теряется 612 ГДж/т тепла, а при остывании и кристаллизации ферросплавов 48,5 ГДж/т.

Ниже даны примеры кратности шлака и количества тепла, затрачиваемого на нагрев шлака, % от теплового баланса:

Значительным резервом сокращения энергоемкости и материалоемкости, потерь легирующих металлов может быть использование жидких ферросплавов и шлаков в производстве стали при близком расположении ферросплавных и сталеплавильных цехов (г.Серов, Челябинск).

В ЦНИИчермете была разработана технология обработки конструкционных сталей твердыми отвальными шлаками производства низкоуглеродистого феррохрома, которые близки по составу к рафинировочным шлакам электросталеплавильного производства [6].

При обработке жидкой стали твердым шлаком во время выпуска из печи восстанавливается хром из шлака, снижается содержание серы и неметаллических включений в металле. Жидкие шлаки обладают низкой вязкостью, близки по структуре к многокомпонентной эвтектике, длительное время находятся? в гомогенном состоянии и могут быть применимы для обработки стали в ковше без ограничения кратности шлака по отношению к металлу. При этом температура металла будет повышаться за счет экзотермической реакции восстановления хрома из шлака.

1. Энергозатраты в производстве стали могут быть значительно снижены за счет применения прямого легирования из легкоплавких оксидных смесей эвтектического типа вместо ферросплавов.

2. Даны составы смесей для легирования стали, обеспечивающие высокое извлечение металлов и получение рафинировочных шлаков с высокой сульфидной емкостью.

3. Разработаны рекомендации по использованию жидких шлаков производства ферросплавов для обработки стали.

СБОРНИК НАУЧНЫХ ТРУДОВ Черная металлургия России и стран СНГ в XXI веке. Т о м 2, Москва 1994