авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Исследование процессов восстановления ванадия и оптимизация технологии обработки стали конвертерным ванадиевым шлаком

На правах рукописи

ГОЛОДОВА МАРИНА АНАТОЛЬЕВНА ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВОССТАНОВЛЕНИЯ ВАНАДИЯ И ОПТИМИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ СТАЛИ КОНВЕРТЕРНЫМ ВАНАДИЕВЫМ ШЛАКОМ Специальность 05.16.02 – Металлургия черных, цветных и редких металлов

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новокузнецк 2012

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образова тельном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский го сударственный индустриальный университет» на кафедре «Металлургия чер ных металлов, стандартизация и сертификация»

Научный консультант: доктор технических наук, доцент Рожихина Ири на Дмитриевна

Официальные оппоненты:

Якушевич Николай Филиппович, доктор технических наук, профессор ФГБОУ «Сибирский государственный индустриальный университет», кафедра «Металлургия цветных металлов и химическая технология», профессор;

Носов Юрий Николаевич, кандидат технических наук, доцент, ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК», техническое управление, ведущий инженер – технолог

Ведущая организация: Федеральное государственное бюджетное образо вательное учреждение высшего профессионального образования «Националь ный исследовательский Томский политехнический университет», Юргинский технологический институт (филиал) Томского политехнического университета

Защита состоится « 16 » октября 2012 г. в 10 00 часов в аудитории 3П на заседании диссертационного совета Д212.252.01 при Сибирском государст венном индустриальном университете по адресу г. Новокузнецк Кемеровской области, улица Кирова, 42, СибГИУ.

Факс: (3843) 46-57-92, e-mail: ds21225201@sibsiu.ru

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирский государственный инду стриальный университет»

Автореферат разослан «» сентября 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., профессор О. И. Нохрина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы Основными требованиями, предъявляемыми в настоящее время к произ водственным процессам, являются повышение качества продукции, снижение ее себестоимости, рациональное использование ресурсов и экологическая безопасность производства.

К числу наиболее востребованных легирующих элементов, введение ко торых позволяет значительно повысить уровень эксплуатационных свойств ме талла, относится ванадий. Основным легирующим материалом при производст ве ванадийсодержащих сталей является феррованадий, имеющий высокую стоимость. Для дальнейшего расширения производства и обеспечения конку рентоспособности ванадийсодержащих сталей особую значимость имеет при менение способа легирования, основанного на обработке металла оксидными ванадийсодержащими материалами, в том числе конвертерным ванадиевым шлаком, при обеспечении условий восстановления ванадия из этих материалов.

В настоящее время в качестве восстановителей применяют имеющие вы сокую стоимость алюминий, кремний, кальций. В связи с этим разработка тех нологии обработки стали конвертерным ванадиевым шлаком с использованием в качестве восстановителей кремния и углерода является актуальной задачей.

В связи с низкой стоимостью углерода применение такой технологии позволит существенно снизить себестоимость металлопродукции.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с заданием Мини стерства образования и науки РФ по аналитической ведомственной целевой программе «Развитие научного потенциала высшей школы» на 2009 – 2013 гг.» и планом научно-исследовательских работ ФГБОУ ВПО «Сибирский государ ственный индустриальный университет» Цель работы Исследование процесса углеродосиликотермического восстановления ва надия из оксидных ванадийсодержащих материалов в условиях сталеплавиль ного производства с использованием расчетных и экспериментальных методов и оптимизация технологических параметров внепечной обработки стали кон вертерным ванадиевым шлаком.

Основные задачи - теоретическое и экспериментальное исследование процесса углеродоси ликотермического восстановления ванадия из оксидных ванадийсодержащих материалов;

- определение оптимальных параметров углеродосиликотермического восстановления ванадия из конвертерного ванадиевого шлака и разработка тех нологии легирования при внепечной обработке стали.

Научная новизна - впервые изучено взаимодействие ванадия, углерода и кремния при со вместном углеродосиликотермическом восстановлении ванадия из ванадийсо держащих оксидных материалов;

- впервые методами термодинамического моделирования получены и подтверждены экспериментальными исследованиями данные о процессе угле родосиликотермического восстановления ванадия, железа, титана и марганца из конвертерного ванадиевого шлака для условий внепечной обработки стали;

- научно обоснованы и экспериментально подтверждены оптимальные условия, обеспечивающие максимальное извлечение ванадия из конвертерного ванадиевого шлака при углеродосиликотермическом восстановлении ванадия для условий внепечной обработки стали.

Практическая значимость и реализация результатов - результаты диссертационной работы могут быть использованы: для создания более эффективных технологий обработки стали при ее производстве;



для совершенствования образовательных технологий при подготовке специали стов в области металлургии;

- разработана и внедрена технология легирования стали ванадием при об работке ее конвертерным ванадиевым шлаком на установке ковш – печь, что подтверждено актом о внедрении результатов работы в производство в ЭСПЦ ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК»;

- результаты работы использованы в учебном процессе в рамках дисцип лин «Теория и технология производства ферросплавов», «Внепечные и ковшо вые процессы» по направлению «Металлургия» ФГБОУ ВПО «Сибирский го сударственный индустриальный университет», что подтверждено актом о вне дрении результатов диссертационной работы в учебный процесс.

Методы исследований Термодинамическое моделирование процесса углеродосиликотермическо го восстановления ванадия из ванадийсодержащих оксидных материалов про водили с использованием программного комплекса «Терра».

Экспериментальные исследования процесса восстановления ванадия из ок сидных материалов были выполнены в лабораторной печи сопротивления.

Химический и фазовый состав исходных и полученных материалов опре деляли с применением методов химического, рентгенофазового и спектрально го анализа.

Промышленные испытания легирования стали ванадием на установке ковш – печь с использованием конвертерного ванадиевого шлака проводили в условиях ЭСПЦ ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК». Качество металла контролировали по макро- и микроструктуре и неметаллическим включениям.

Достоверность полученных результатов Достоверность и обоснованность полученных результатов, выводов и ре комендаций подтверждаются совместным использованием современных мето дов термодинамического анализа и статистической обработки результатов и экспериментальных исследований процесса восстановления ванадия из оксид ных материалов, сходимостью результатов теоретических и эксперименталь ных исследований с результатами промышленных испытаний.

Предмет защиты На защиту выносятся:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований углеро досиликотермического восстановления ванадия из оксидных ванадийсодержа щих материалов;

- результаты теоретических и экспериментальных исследований процесса обработки стали конвертерным ванадиевым шлаком с использованием в каче стве восстановителей углерода и кремния;

- технологическая схема легирования стали ванадием при внепечной об работке ее конвертерным ванадиевым шлаком.

Автору принадлежит - постановка задач теоретических и экспериментальных исследований уг леродосиликотермического восстановления ванадия из оксидных ванадийсо держащих материалов;

- обработка и анализ результатов термодинамического моделирования процесса восстановления ванадия из оксидных ванадийсодержащих материалов с использованием в качестве восстановителя углерода, кремния и их комплекс ном применении;

- проведение лабораторных исследований процесса восстановления ва надия из оксидных ванадийсодержащих материалов углеродом, кремнием и при их совместном использовании в качестве восстановителей;

- участие в промышленном испытании технологии легирования ванадием при внепечной обработке стали конвертерным ванадиевым шлаком;

- разработка технологической схемы легирования ванадием при внепеч ной обработке стали конвертерным ванадиевым шлаком.

Соответствие диссертации паспорту специальности Диссертационная работа соответствует паспорту специальности 05.16.02.





– Металлургия черных, цветных и редких металлов: п. 4 «Термодинамика и ки нетика металлургических процессов», п. 5 « Металлургические системы и кол лективное поведение в них различных элементов», п. 14 «Металлургические шлаки и их использование», п. 15 « Внепечная обработка стали».

Апробация работы Основные положения диссертации доложены и обсуждены на следую щих конференциях: 15-я Международная научно-практическая конференция «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (Сибресурс – 15 – 2009)», – 7 октября 2009, г. Иркутск;

XIV Международная конференция «Современные проблемы электрометаллургии стали», 2010, г. Челябинск;

16-я Международная научно-практическая конференция «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (Сибресурс – 16 – 2010)», 4 – 6 октября 2010, г. Абакан;

17-я Между народная научно-практическая конференция «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (Сибресурс – 17 – 2011)», 28 – 30 сентября 2011, г. Томск;

XV Всероссийская научно-практическая конференция «Металлургия: техноло гии, управление, инновации, качество», 9 – 11 ноября 2011, г. Новокузнецк.

Публикации По материалам диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 2 работы в рецензируемых научных журналах.

Структура и объем диссертации Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 132 наименований. Работа изложена на 151 странице печатного текста, содержит 21 таблицу, 77 рисунков, 2 приложе ния.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приведены цель работы, основные задачи исследований, научная новизна и практическая значимость работы, сведения об апробации работы и структуре диссертации.

1 Анализ проблемы легирования стали ванадием с использованием ванадийсодержащих оксидных материалов Анализ научной литературы и изучение состояния вопроса показали, что легирование ванадием позволяет получить высокий уровень таких характери стик металла, как сопротивление хрупкому разрушению, сопротивление как повышенным, так и низким температурам, низкая чувствительность к коррози онному воздействию, устойчивость к механическому старению, гарантирован ная свариваемость. Вместе с тем, себестоимость стали, легированной ванадием, высока в связи с высокой стоимостью ванадийсодержащих ферросплавов. Для расширения производства ванадийсодержащих марок стали необходимо разра батывать энерго- и ресурсосберегающие технологии легирования ванадием с использованием природных и техногенных оксидных материалов, в том числе конвертерного ванадиевого шлака. В настоящее время при обработке стали конвертерным ванадиевым шлаком для восстановления ванадия применяется алюминий, кремний, кальций, имеющие высокую стоимость. Использование углерода, как более дешевого восстановителя, рассматривается только для по лучения ферросиликованадия и комплексных ванадийсодержащих лигатур. Во просы совместного восстановление ванадия кремнием и углеродом при обра ботке стали конвертерным ванадиевым шлаком изучены недостаточно.

На основе проведенного анализа были сформулированы цели и задачи диссертационной работы, определены методы исследования.

2 Теоретическое исследование процесса восстановления ванадия из ванадийсодержащих оксидных материалов Решение задачи по определению условий углеродосиликотермического восстановления ванадия из оксидных материалов осуществляли методами тер модинамического моделирования на основе расчета равновесных состояний в модельных термодинамических системах (V2O5 – С, V2O5 – Si, V2O5– С – Si, V2O5 – Fe2O3– С, V2O5 – Fe2O3– Si, V2O5 – Fe2O3– С – Si, V2O5 – Fe2O3 –СаО – С – Si) с использованием программного комплекса «Терра». Методика исследо вания включала в себя следующие этапы: расчет возможных составов и опреде ление термодинамических условий, необходимых для осуществления процесса восстановления ванадия;

определение границ концентрационных областей про текания восстановительных процессов и параметров входного потока, при ко торых обеспечивается достижение оптимального состава системы в равновес ных условиях.

Термодинамический расчет равновесного состояния систем проводился для следующих начальных условий: массы пентаоксида ванадия и оксида желе за (III) равны 1 кг, удельный расход каждого из восстановителей изменялся от до 1 кг/кг V2O5, удельный расход СаО - от 0 до 1,5 кг/кг V2O5.

Анализ результатов термодинамических расчетов для систем V2O5 –С, V2O5 – Si, V2O5– С – Si показал, что в интервале температур от 1673К до 2073К процесс восстановления ванадия практически не зависит от температуры и оп ределяется только расходом восстановителей. Для дальнейших термодинамиче ских расчетов была принята температура равная 1873К, характерная для стале плавильных процессов.

Процесс восстановления ванадия углеродом происходит с преимущест венным образованием карбида ванадия и заканчивается при удельном расходе углерода 0,5кг/кг V2O5, кремнием – с образованием силицидов ванадия и закан чивается при удельном расходе кремния 0,7 кг/кг V2O5.

Из результатов термодинамических расчетов процесса совместного вос становления ванадия углеродом и кремнием для системы V2O5 – С – Si следу ет, что восстановление ванадия из пентаоксида ванадия первоначально прохо дит с образованием карбида ванадия, а далее, при увеличении расхода крем ния более 0,3 кг/кг V2O5, образуются также силициды ванадия VSi2, V5Si3 и V3Si (рисунок 1).

Масса ванадия металлического согласно расчетным данным незначи тельна и не превышает 8% от массы восстанавливаемого ванадия.

Результаты термодинамического моделирования показали, что при угле родосиликотермическом восстановлении ванадия углерод является преобла дающим восстановителем.

1,0 1, 0,9 1,0 1,0 0, силициды Масса силицидов, кг Масса силицидов, кг силициды 0,8 0, VC 0,8 0, Масса VC, кг 0,7 0, Масса VC, кг VC 0,6 0, 0,6 0, 0,5 0, 0,4 0,4 0,4 0, 0,3 0, 0,2 0,2 0,2 0, 0,1 0, 0,0 0,0 0,0 0, 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0, 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0, Расходуглерода, кг/кг V2O Расход углерода, кг/кг V2O Расход кремния, кг/кг V2O расход кремния, кг/кг V2OV2O Расход кремния, кг/кг 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0, 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0, Рисунок 1 – Зависимости изменения массы карбида ванадия и силицидов ванадия в системе V2O5–С –Si от расхода восстановителей при 1873К При термодинамическом моделировании восстановления ванадия в при сутствии оксида железа (III) и оксида кальция установлено, что в системе V2O5 – Fe2O3 –СаО – С – Si восстановление ванадия начинается после полного восстановления железа, при этом продуктами восстановления являются кар бид и силициды ванадия, а также металлическое железо и карбид железа. При совместном восстановлении углеродом и кремнием введение извести на сте пень восстановления ванадия оказывает незначительное влияние.

Результаты термодинамического моделирования для системы V2O5 – Fe2O3 –СаО – С – Si позволили определить оптимальные соотношения между удельными расходами восстановителей, при которых достигается практически полное восстановление ванадия из пентаоксида ванадия.

3 Теоретическое исследование процесса обработки стали конвертерным ванадиевым шлаком Конвертерный ванадиевый шлак представляет собой многокомпонентную оксидную систему. Промышленные ванадиевые шлаки содержат от 10 до 30% V2O5, от 10 до 30% SiО2, от 1 до 5% СаО, от 1 до 5% MgO, от 4 до 12% МnО, от 25 до 35 % Fe2О3, от 2 до 12% TiО2, от 1 до 3% А12O3. В связи с этим при ис следовании процесса восстановления ванадия из конвертерного ванадиевого шлака необходимо учитывать совместное восстановление ванадия, железа, мар ганца, титана из их оксидов.

Термодинамические расчеты были выполнены для конвертерного ванадие вого шлака, содержащего 16,0 % V2O5, 20% SiO2, 5,0 % TiO2, 10,0 % MnO, 30,0 % Fe2О3. Температура принята равной 1873К.

Удельные расходы восстановителей (коксика и ферросилиция) были опре делены предварительным расчетом, согласно которому удельный расход кок сика составлял от 0 до 0,2 кг/кг конвертерного ванадиевого шлака, удельный расход ферросилиция – от 0 до 0,24 кг/кг шлака.

Анализ зависимостей, полученных при использовании одного восстановите ля (рисунок 2), показал, что железо полностью восстанавливается при удельном расходе коксика более 0,1кг/кг шлака и при удельном расходе ферросилиция ФС75 более 0,14кг/кг шлака. Восстановление ванадия начинается после сниже ния содержания оксидов железа до 2%. Марганец и титан начинают восстанав ливаться после восстановления ванадия при расходе восстановителей более 0,16 кг/кг шлака. Результаты расчетов показали, что достаточно полное восста новление ванадия из конвертерного ванадиевого шлака при ограниченном вос становлении титана и марганца происходит при удельном расходе коксика бо лее 0,2кг/кг шлака, ферросилиция ФС75 более 0,25кг/кг шлака.

Согласно полученным расчетным данным при углеродосиликотермическом восстановлении содержание оксидов ванадия снижается с ростом расходов вос становителей при любом их соотношении до 0,04% при удельном расходе кок сика более 0,14 кг/кг шлака и ферросилиция 0,2 кг/кг шлака (рисунок 3). Со держание оксидов железа в продуктах восстановления конвертерного ванадие вого шлака при удельном расходе коксика более 0,1 кг/кг шлака не зависит от расхода ферросилиция ФС75. Минимальное количество оксидов титана состав ляет около 0,01% при максимальном расходе обоих восстановителей. Содержа ние оксида марганца в продуктах восстановления конвертерного ванадиевого шлака снижается при углеродосиликотермическом восстановлении до 1%.

Содержание оксидов,% Содержание оксидов,% 40 35 1 15 4 5 0 0 0,05 0,1 0,15 0,2 0, 0 0,04 0,08 0,12 0,16 0, Расход ферросилиция, кг/кг шлака Расход коксика, кг/кг шлака а б 1 – оксиды железа, 2 – оксиды ванадия, 3 – оксид марганца, 4 – оксиды титана а – от расхода коксика;

б – от расхода ферросилиция ФС Рисунок 2 – Зависимости содержания оксидов в шлаке от расхода восстановителей 16, оксидов ванадия,% 14, Содержание 12, 10, 8, 6, 4, 2, 0,0 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, Расход ФС75, Расход коксика, кг/кг шлака кг/кг шлака Рисунок 3– Зависимости содержания оксидов ванадия от расхода восстановителей при углеродосиликотермическом восстановлении ванадия Проведенные расчеты позволили определить зависимость между удельными расходами коксика и ферросилиция ФС75, необходимыми для полного углеро досиликотермического восстановления ванадия из ванадиевого шлака. Эта за висимость может быть описана формулой с величиной достоверности аппрок симации R2, равной 0,94:

qФС75 = -2,91qC2 - 0,65qC + 0,24 (1) где qC – расход коксика, кг/ кг ванадиевого шлака;

qФС75 – расход ферросилиция, кг/ кг ванадиевого шлака.

Результаты термодинамического моделирования при температуре 1873К для условий процессов обработки стали с использованием конвертерного вана диевого шлака во время выпуска из электродуговой печи и на установке ковш – печь представлены на рисунках 4 и 5.

Приведенные на рисунке 4 зависимости содержания ванадия в металле от содержания углерода в стали на выпуске и расхода конвертерного ванадиевого шлака имеют экстремумы. Результаты расчетов показали, что при расходе кон вертерного шлака до 8 кг/т стали достигается содержание ванадия в металле не менее 0,04% как для высокоуглеродистой, так и для средне- и низкоуглероди стых марок стали. Для среднеуглеродистой стали возможно получить содержа ние ванадия в металле не более 0,09% при расходе конвертерного ванадиевого ванадий шлака 20 кг/т.

0, Содержание ванадия,% 0, 0,12 0, 0, 0, 0 4 8 12 16 20 24 Расход ванадиевого шлака,кг/т стали 0,1 0,3 0, 1 – 0,7% [C], 2 – 0,3% [C], 3 – 0,1% [C] Рисунок 4 – Зависимости изменения содержания ванадия от содержания углерода в стали и расхода конвертерного ванадиевого шлака Согласно проведенным термодинамическим расчетам во время выпуска и формирования ковшового шлака происходит восстановление ванадия от 10% для низкоуглеродистой стали до 70% для высокоуглеродистой стали в зависи мости от расхода конвертерного ванадиевого шлака. Углерод стали является активным восстановителем ванадия из ванадиевого шлака, при этом извлечения титана при заданных условиях практически не происходит, а извлечение мар ганца зависит не только от расхода конвертерного ванадиевого шлака, но и от содержания марганца в стали на выпуске.

Содержание [Mn], % 0,06 0, 0,03 1, Содержание [V],% Содержание [C], % Содержание [V], 0, 1 0, 0,02 0, [Si],[Ti],% 0, 0, 0,02 0, 2 0, 1 0, 0,01 0,40 0, 0, 2 0, 0,01 0, 0 0, 0,00 0, 0 0,5 1 1,5 0 0,4 0,8 1,2 1,6 Расход ФС75, кг/т Расход коксика, кг/т стали [V], % [Si],% [Ti],% [Mn], % [V],% [C],% а б 1 – 0,7% [С], 2 – 0,1% [С] а – восстановление коксиком, б – восстановление ферросилицием Рисунок 5 – Зависимости изменения содержания ванадия, углерода и кремния в металле от расхода восстановителей Результаты расчетов, приведенные на рисунке 5, показали, что увеличе ние расхода коксика не приводит к значительному увеличению содержания ва надия в стали, но увеличивает содержание углерода. Ферросилиций при расхо де до 1кг/т стали идет на довосстановление конвертерного ванадиевого шлака как для низкоуглеродистой, так и для высокоуглеродистой марок стали. При увеличении расхода ферросилиция более 1 кг/т стали он начинает усваиваться металлом.

При совместном восстановлении шлака углеродом коксика и кремнием ферросилиция при увеличении расхода ферросилиция более 1кг/т не происхо дит изменения содержания оксидов ванадия в шлаке и ванадия в металле. С увеличением расхода каждого из восстановителей более 1кг/т происходит практически полное восстановление марганца и титана.

Анализ термодинамического моделирования показал, что процесс леги рования ванадием при внепечной обработке стали конвертерным ванадиевым шлаком реализуем в широком диапазоне требуемых концентраций ванадия в металле.

4 Экспериментальное исследование процессов восстановления ванадия из ванадийсодержащих оксидных материалов Экспериментальное исследование процессов восстановления ванадия из оксидных ванадийсодержащих материалов проводили путем изотермической выдержки подготовленных проб при температуре 1873К в печи сопротивления с трубчатым нагревателем. В качестве исходных материалов использовали пен таоксид ванадия (V2O5) марки ЧДА, конвертерный ванадиевый шлак, графит и кристаллический кремний. Для определения продолжительности выдержки бы ли выполнены исследования кинетики восстановления ванадия из V2O5 методом непрерывного взвешивания.

Результаты рентгенофазового анализа полученных материалов показали, что при восстановлении ванадия из пентаоксида ванадия углеродом основным веществом в продуктах восстановления является VХCУ, при восстановлении кремнием – силицид V5Si3, а при совместном восстановлении углеродом и кремнием – VХCУ, V5Si3, – SiC и комплексы VCxOy (оксикарбиды ванадия).

Восстановление ванадия из конвертерного ванадиевого шлака происхо дит с образованием карбида состава VxCy при восстановлении углеродом и со вместно углеродом и кремнием. Оксиды ванадия присутствуют в виде шпине лей. В продуктах восстановления ванадиевого шлака присутствует рентгено аморфное вещество, в состав которого входит образующийся при восстановле нии оксидов кремнезем и силикаты кальция и магния. Марганец, титан и кар бид титана не обнаружены, что свидетельствует об их ограниченном восста новлении. Результаты рентгенофазового анализа приведены в таблице 1.

С целью подтверждения расчетных термодинамических данных по об работке стали конвертерным ванадиевым шлаком для условий установки ковш - печь были проведены исследования в печи сопротивления при температуре 1873К.

Обрабатывали сталь следующего состава: 0,27% С, 0,49% Mn, 0,02% Si, 0,02 %V. Удельные расходы конвертерного шлака и извести составляли от 8 до 13 г и от 9 до 14,5 г на 1кг стали соответственно.

Результаты спектрального анализа полученного металла и коэффициенты извлечения ванадия приведены в таблице 2.

Таблица 1 – Расчетный состав и результаты рентгенофазового анализа продуктов восстановления конвертерного ванадиевого шлака Восстановитель, Расчетный состав, % Результаты рентгенофазового анализа кг / кг шлака - Fe, Fe3C, V8C7, - Al2O3, 25% Fe, 5% VC, 38%CaO, углерод (0,18) 16% SiO2 рентгеноаморфное вещество - Fe, VO0,9, феррошпинель, гематит, кремний 20% Fe, 5% VO, 31% CaO, шпинель глиноземистый, много 32% SiO (0,16) рентгеноаморфного вещества - Fe, VC, - Al2O3,, феррошпинель, углерод (0,08) + 30% Fe, 8% VC, 33%CaO, кремний (0,10) 27% SiO2 рентгеноаморфное вещество Таблица 2 – Результаты обработки стали конвертерным ванадиевым шлаком Расход, г/кг стали Массовая доля элемента,% Плавка ванадия графит кремний C Mn Ti Si V не обн. 0, 1 1,97 0 0,412 0,456 0,126 0, 2 0 1,92 0,166 0,461 0,054 1,051 0,108 0, 0,388 не обн.

3 1,2 0,6 0,254 0,333 0,114 0, 0,424 не обн.

4 0,83 0,99 0,337 0,332 0,111 0, 0,421 не обн.

5 0,57 1,38 0,242 0,508 0,118 0, Анализ химического состава полученного металла показал стабильное содержание ванадия в пробах. Максимальный коэффициент извлечения, рав ный 0,99, получен при совместном восстановлении ванадия из конвертерного ванадиевого шлака углеродом и кремнием при их соотношении 2:1.

Результаты проведенных лабораторных исследований хорошо соответст вуют результатам теоретических исследований.

5 Исследование технологии обработки стали конвертерным ванадиевым шлаком в условиях электросталеплавильного цеха Промышленные испытания технологии обработки среднеуглеродистой стали конвертерным ванадиевым шлаком проводили в ЭСПЦ ОАО «ЕВРАЗ ЗСМК» на печах вместимостью 100 т. Состав выплавляемой стали был опреде лен техническими условиями заказчика (таблица 3).

Таблица 3 – Химический состав выплавляемой стали Элемент C Si Mn P S V от 0,26 от 0,25 от 1,35 не более не более Не менее Содержание,% до 0,31 до 0,40 до 1,5 0,04 0,04 0, Для обработки стали использовали конвертерный ванадиевый шлак мар ки ШИВд-1 (ТУ 14-11-178-86). Количество конвертерного ванадиевого шлака, присаживаемого на выпуске, колебалось в довольно узких пределах 484 – кг на плавку или 4,3 – 4,9 кг/т стали (среднее значение 4,5 кг/т стали).

Во время выпуска после заполнения ковша металлом на 1/4 - 1/3 подавали шлакообразующую смесь, состоящую из извести и плавикового шпата с рас четным количеством конвертерного ванадиевого шлака. Далее ковш с металлом направляли на установку ковш-печь, где проводили усреднительную продувку, отбирали пробы металла и шлака, раскисляли шлак коксиком и ферросилицием, добиваясь снижения содержания FeO менее 1%. Выдержка под таким шлаком обеспечивала десульфурацию металла и восстановление ванадия и марганца из их оксидов. После получения анализов проводили окончательное легирование металла. Продолжительность внепечной обработки составила в среднем 40 мин.

Усредненные показатели плавок составили: расход конвертерного вана диевого шлака 4,4 кг/т, извести 0,67 кг/т, коксика 0,15 кг/т, кремнийсодержа щих материалов в пересчете на ФС75 0,7 кг/т, основность шлака - 2. Углерод металла на выпуске изменялся в пределах от 0,1 до 0,35 %.

Как следует из сравнения результатов промышленных плавок и термоди намического моделирования содержание ванадия в металле после обработки на установке ковш – печь близко к полученным расчетным данным (рисунок 6).

Отклонения значений содержания ванадия в металле для отдельных плавок не превышают допустимой погрешности химического анализа.

Сравнение результатов промышленных испытаний и теоретических рас четных данных показало, что в условиях примененной технологии выплавки стали возможно достижение содержания ванадия в стали, близкого к расчетно му равновесному.

0, Содержание [V],% 0, 0, 0, 0, 0, 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 Плавка печь №1 (чайниковый выпуск стали) печь №2 (сифонный выпуск стали) расчетные данные Рисунок 6 – Содержание ванадия в металле по расчетным данным и результатам химического анализа Анализ качества стали, обработанной на установке ковш – печь конвер терным ванадиевым шлаком, был выполнен на основании исследований макро и микроструктуры стали, а также загрязненности металла неметаллическими включениями и показал хорошее качество полученного металла.

Результаты промышленных испытаний показали, что восстановление ва надия из ванадиевого шлака происходит в два этапа:

- первый этап – восстановление во время выпуска в ковше при формиро вании шлака из шлакообразующей смеси;

- второй этап – довосстановление ванадия во время внепечной обработки стали на установке ковш - печь.

Из сравнения этих этапов следует, что основная доля ванадия переходит в металл во время выпуска – до 70%. Эти показатели близки к результатам тер модинамического моделирования. Следует отметить, что на первом этапе ус воение ванадия определяется также степенью перемешивания металла и шлака.

Большая высота падения струи металла, значительное перемешивание металла и шлака в ковше при чайниковой системе выпуска обеспечивают лучшие кине тические условия процесса восстановления ванадия по сравнению с сифонной системой выпуска.

Обработка металла на установке ковш – печь обеспечивает полное извле чение ванадия. Сквозной коэффициент извлечения ванадия, усредненный по всем плавкам составил 100%.

Полученные результаты показали, что в диапазоне изменения технологи ческих параметров, которые существуют при производстве стали в реальных условиях, для каждой отдельной марки стали возможно реализовать стабиль ный процесс извлечения ванадия из конвертерного ванадиевого шлака.

На основании результатов проведенных исследований предложена тех нологическая схема обработки стали конверторным ванадиевым шлаком, со стоящая из двух этапов (рисунок 7). На первом этапе на выпуске в ковш пода ются конвертерный ванадиевый шлак и шлакообразующие, происходит рас плавление шлака и восстановление ванадия углеродом металла на выпуске, на втором - довосстановление ванадия углеродом коксика и кремнием ферросили ция на установке ковш – печь.

Рисунок 7 – Технологическая схема обработки стали с использованием конвертерного ванадиевого шлака

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ 1. Проведенный анализ современного состояния производства стали, ле гированной ванадием, показал необходимость разработки технологии легиро вания ванадием из конвертерного ванадиевого шлака при внепечной обработке стали с применением в качестве восстановителей кремния и углерода, как наи более дешевого восстановителя.

2. На основании результатов термодинамического моделирования про цессов углеродосиликотермического восстановления ванадия из оксидных ва надийсодержащих материалов и совместного восстановления ванадия, железа, марганца и титана из конвертерного ванадиевого шлака установлены опти мальные параметры восстановления ванадия при ограниченном восстановле нии титана и марганца.

3. Экспериментально установлено, что:

- происходит полное восстановление ванадия из ванадийсодержащих ок сидных материалов с преимущественным образованием карбида ванадия;

- наибольший коэффициент извлечения ванадия при обработке стали конвертерным ванадиевым шлаком получен при совместном восстановлении углеродом и кремнием;

- расчетный комплекс «Терра» позволяет получить адекватное описание равновесного состояния процесса восстановления ванадия из оксидных систем и ванадийсодержащих оксидных материалов (конвертерного ванадиевого шла ка) при температурах сталеплавильных процессов.

4. Промышленные испытания технологии легирования ванадием при об работке стали конвертерным ванадиевым шлаком показали, что процесс леги рования стали ванадием при использовании конвертерного ванадиевого шлака реализуем в широком диапазоне требуемых концентраций ванадия в металле.

Установлено, что лучшие показатели имеют место при совместном восстанов лении ванадия углеродом и кремнием.

5. На основании результатов теоретических и экспериментальных иссле дований разработана технологическая схема легирования стали ванадием из конвертерного ванадиевого шлака при внепечной обработке стали. Снижение стоимости легирования при применении данной технологической схемы со ставляет от 150 до 200 р/т стали, что подтверждено актом о внедрении.

Список опубликованных работ по теме диссертации Статьи в рецензируемых научных изданиях:

1. Исследование условий и режимов процесса восстановления ванадия в элементарных системах [Текст] / М.А. Голодова, И.А. Рыбенко, В.И. Дмитри енко, И.Д. Рожихина // Известия ВУЗов. Черная металлургия. – 2010. – №4. – С.

11 – 14. – Библиогр.: с. 2. Исследование условий процесса восстановления ванадия и железа из конвертерного ванадиевого шлака [Текст] / М.А. Голодова, В.И. Дмитриенко, И.Д. Рожихина, О.И. Нохрина, И.А. Рыбенко // Известия ВУЗов. Черная метал лургия. – 2011. – №4. – С. 3 – 5. – Библиогр.: с. Публикации в других изданиях:

3. Исследование условий восстановления ванадия в системе V – O – C – Fe – Si [Текст] / Голодова М.А., Рожихина И.Д., Дмитриенко В.И., Рыбенко И.А. «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС - 15 2009)»: доклады 15-ой Международной научно-практической конференции, 5 - октября, Иркутск, Россия, 2009, - В-Спектр, Томск 2009, С. 41- 4. Обработка углеродистой стали конвертерным ванадиевым шлаком [Текст] / Дмитриенко В.И., Нохрина О.И., Рожихина И.Д., Голодова М.А., Гиза тулин Р.А. «Современные проблемы электрометаллургии стали»: Материалы XIV Международной конференции, часть 2, Челябинск, изд. центр ЮУрГУ, 2010 год, С. 50-52.

5. Исследование условий восстановления титана из конверторного вана диевого шлака [Текст] / Голодова М.А., Рожихина И.Д., Дмитриенко В.И.

«Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС - 16-2010)»:

доклады 16-ой Международной научно-практической конференции 4-6 октября 2010, Абакан, - В-Спектр, Томск, 2010, С. 41- 6. Исследование процесса восстановления ванадия и железа из многоком понентной оксидной системы [Текст] / Голодова М.А., Рожихина И.Д., Дмитри енко В.И., Рыбенко И.А. «Природные и интеллектуальные ресурсы Сибири (СИБРЕСУРС - 17-2011)»: доклады 17-ой Международной научно практической конференции, 28-30 сентября 2011, - Томск: САН ВШ;

В-Спектр, 2011, С. 29- 7. Исследование восстановления марганца и титана из конвертерного ва надиевого шлака [Текст] / Голодова М.А., Рожихина И.Д., Дмитриенко В.И., Рыбенко И.А. «Металлургия: технологии, управление, инновации, качество»:

сб. трудов Всероссийской научно-практической конференции, 9-11 ноября 2011/ под ред. Е.В. Протопопова, - Новокузнецк;

изд. центр СибГИУ, 2011, С.

95- Подписано в печать Формат бумаги 60х84 1/16. Бумага писчая. Печать офсетная.

Усл. печ. л. 1,22. Уч.-изд. л. 1,37. Тираж 100 экз. Заказ.

Сибирский государственный индустриальный университет 654007, г. Новокузнецк, ул. Кирова, Издательский центр СибГИУ

 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.