Лекция №25. Использование плазмы в металлургии сплавов

План лекции:

1. Получение феррохрома в плазменной печи.

2. Получение марганцевых сплавов в плазменной печи.

Плазменный способ производства феррохрома эффективно решает ряд задач, позволяя использовать пылевые и бедные хромитовые руды, а также дешевый каменный уголь. В числе положительных особенностей использования плазменной плавки является независимость подводимой мощности от сопротивления шихты, меньшие потери хрома со шлаком, высокая концентрация мощности, обеспечивающая более высокую производительность при той же мощности питания.

Опытные плавки получения феррохрома на плазменной печи мощностью 3МВ*А показали, что при использовании бедного хромитового концентрата с 38,2% Cr₂O₃ и 24,2% Fe₂O₃ возможно получение феррохрома с 54% Cr и 8% С. Извлечение хрома в сплав составило 92%, а удельный расход электроэнергии 6500 кВт*ч/т сплава. Во Франции на заводе Булоньсур-Мер с 1984 года работает шахтная печь для производства 140 тыс. тонн феррохрома, оборудованная тремя плазматронами по 1,5 МВт. В ЮАР первоначально была создана установка мощностью 10,5 МВт производительностью 50 тыс. тонн феррохрома в год (45% Cr). При переработке комплексных руд снижено содержание S, P и обеспечило высокое извлечение Ni, Pt, Co. На международном конгрессе по ферросплавам YNFACON7 (Норвегия, июнь 1995г.) в докладе фирмы "Samahcor" (ЮАР) приведен опыт производства феррохрома в плазменной печи мощностью 40 МВт*А. Затем эта печь была использована для выплавки марганцевых сплавов.

Крупнейший производитель феррохрома в мире компания Xstrata приняла решение о строительстве в провинции Млумаланга (ЮАР) в 2006 году нового завода годовой мощностью 300 тыс. тонн углеродистого феррохрома с содержанием 1,5-3% Si. В проект под названием Lion инвестируют 195 млн. долларов.

В бывшем Союзе был изобретен способ получения ферросилиция в шахтной плазменной печи. Порошкообразная смесь состоящая из кварцсодержащего (кварцевый песок), железосодержащего материала (железо в виде стружки, таблетки губчатого железа, гранулированное железо, кальцинированные ферриты - 66% Fe, фаялит - 2FeO*SiO₂) и восстановителя (коксовая печь, природный газ) подается в реакционную зону, образованную твердым кусковым восстановителем непрерывно подаваемым на колошник печи со скоростью, равной его расходу в реакционной зоне. Используемая в процессе плазма состоит предпочтительно из газа реакционной зоны. Благодаря такой схеме процесса в реакционной зоне под взаимодействием плазмы с высокой температурой происходит восстановление кремния:

SiO₂+2C=Si+2CO (130)

Образующиеся в реакционной зоне SiC и SiO взаимодействуют с углеродом и SiO₂:

SiO + C = Si + CO (131)

SiC + SiO = Si + CO (132)

2SiC + SiO₄ = 3Si + 2CO (133)

При этом жидкий кремний взаимодействует с жидким железом, образуя ферросплав:

nFe + mSi = nFemSi (134)

а СО покидает зону реакций. Получают ферросилиций марки ФС75.

В Новосибирске Безруковым И.А. с сотрудниками разработана технология получения ферросплавов в плазменной шахтной рудотермической печи - "EPOS-PROCESS". Технология предусматривает получение ферросплавов из руд и из промышленных отходов. Печь мощностью 1,5 МВт запущена в эксплуатацию в г. Новокузнецке. Общий вид шахтно-плазменной печи показан на рисунке 70.

Рисунок 70. Общий вид плазменной шахтной печи

для технологии "EPOS-process"

Впервые реализована схема процесса и печи с конструкцией плазмотрона, работающего под слоем шихты, в контакте с ней, с рабочей дугой, каскадом горящей с коаксиальных электродов на руду, без подового электрода, схема контролируемой замкнутой рециркуляции запыленного горячего неочищенного газа, с его подачей дымососами в плазмотрон с графитовой расходной частью, наращиваемой в процессе работы, не имеющий ограничений по ресурсу, управляемой во время плавки формой плазменного факела, с полным использованием в печи, в процессе плавки, химической и тепловой энергии восстановителя, малыми выбросами газа и пыли в систему газоочистки.

Преимущество печей шахтного типа заключается в возможности создания условий для правильного протекания восстановительных процессов в твердой фазе. При этом появляются дополнительные возможности экономии энергии, через применение регенерации тепла отходящих газов за счет подаваемого сырья, экономии исходного сырья, снижении потерь улетом и с пылью, полным использованием химической энергии газов благодаря правильной работы шахты с сырьем. Экспериментально подтверждено, что правильно структурированная управляемая плазма, работающая в точно выбранной зоне печи, позволяет увеличить процент извлечения полезных компонентов из руды до 90-95% от исходного, и это делает плазменный шахтный процесс восстановления, при правильном его понимании и управлении, одним из самых перспективных в области переработки природного и техногенного сырья.

Применение "EPOS-process" уменьшает в десятки раз унос материалов из печи, снижает требования к системам пылегазоочистки, годовой выброс пыли может составить около 9-10 тонн на программу выпуска до 45000 тонн силикомарганца (при работе 5 печей указанной мощности). Правильно подобранный режим позволяет снизить энергопотребление печи более чем в полтора раза, сократив удельный расход электроэнергии, а общие энергозатраты в 2-2,5 раза.

Сравнение показателей получения ферромарганца и силикомарганца традиционным методом и технологией " EPOS-process" приведены в таблице 15.

Таблица 15- Сравнительные данные оценок традиционной технологии РТП и технологии «EPOS-process» для переработки руды ЧЕК-Су с получением ферромарганца и силикомарганца

	Наименование параметра	Получение в РТП	«EPOS - process»	Эффект
	Расход энергии, МВтч
	на тонну сплава	7,04	4,14	-2,9
	на тонну марганца	9,57	5,15	-4,42
	на тонну кремния	63,54	25,02	-38,52
	Выпуск продукции, тыс.т.
	силикомарганец	144,26	142,36
	Мn	102,89	110,68	7,79
	Р	0,48	0,064	-0,416
	Р, %	0,33	0,045
	Ферромарганец /силикомарганец	86,35	79,63
	Мn	67,35	67,74	0,39
	Р	0,36	0,026	-0,334
	Р, %	0,42	0,032
	Коэффициент извлечения, макс.,%
	Мn/Si	85/28	92/81	7/53

Контрольные вопросы

1. Получение феррохрома на заводе Samahcor.

2. Получение марганцевых сплавов на плазменной установке EPOS – PROCESS.

Литература

1. Краснов А.Н., Шаривкер С.Ю., Зильберберг В.Г. Низкотемпературная плазма в металлургии. М., "Металлургия", 1970. – 242с.

2. Безруков И.А., Малышев С.Н. и др. Новая технология эффективной переработки руд и промышленных отходов в плазменных шахтных руднотермических печах. – «EPOS – PROCESS». Сборник трудов второго международного конгресса «Цветные металлы», 2010