В разработанных технологических процессах особенное место занимает технология получения легированных сталей методом возобновления оксидов металлов в жидкой фазе. Следует отметить, что большинство предложенных способов основано на термодинамических расчетах и их эффективности не подтверждена экспериментальными даннями.
В Фізико-технологическом институте металлов и сплавов НАН Украины раньше были проведенные исследования вуглецевотермічного возобновления металлов из электролитного шлама в плазменної печи. Использовали электролитный шлам, который содержит оксиды титана, кремния, вольфрама, молибдена и гидрооксиды никеля, железа, хрома, марганца. Результаты опытов показали, что выход металлической основы из шлама представляет 23..25%, а ее химический состав следующий, %: Fe 20,5; Мn 0,05; Сг 14,9; Ni 61,2; Мо 1,42; Nb 0,87; W 0,55; Ti 0,43.
Выплавленный материал являет собой хромоникелевый сплав с высоким содержанием дефицитных легирующих элементов, которое может быть использовано в качестве лигатура при производстве высоколегированных сталей. Полученные экспериментальные данные послужили основой для проведения дальнейших исследований в этом направлении.
В литературе [7] описанная технология выплавки нержавеющей стали в плазменній печи, которая предусматривает использование в шихте хромовой руды и кокса, что подаются в жидкую ванну в процессе плавки. Степень возобновления хрома представляет 92-95 %. В процессе плавки в газовую фазу отдаляется почти 50 % серы, которая удерживается в руде и коксе, в результате перемешивания жидкого металла моно оксидом углерода.
Предложен способ выдержки железа, цинка, свинца, хрома, молибдена, никеля из металлургических переделов (ЖПШ), который получил название "Плазмадест" [9, 10].
Исследована возможность карботермічного возобновления V2O5 в плазменному агрегате "PLAZMAKAN" [4]. Технология предусматривает наведение жидкой ванны железоуглеродистого сплава со следующим инжектированием смеси порошков V205 и графиту в жидкую ванну. Экономически обоснованное возобновление металла из пыли электросталеплавильного и конвертерного производств. Технология включает смешивание пыли с антрацитом и подачу смеси в плазменну печь для карботермічного возобновления оксидов металла. Достигается высокая степень возобновления хрома, никеля и молибдена.
Фирма TRD осуществила промышленный вариант переработки пыли с использованием плазменного нагревания, что позволяет вытянуть из этих отходов Zn и Pb, а также получить шлаковый расплав, который не содержит ионов тяжелых металлов. Обычно пыль содержит, массовая часть %: Fe2O3 - 30-60; Zn - 10-35; РbО - 1-5; Сd - 0-0,01; (Сl F) - 1-4; Сr203 - 0,1-1,0. Пыль из расходного бункера самотеком подают через свод в ванну печи, а пары что содержат Zn и Рb, пропускают через холодильник для конденсации этих металлов.
Предложена технология получения феррохрому из хромовой руды, которая содержит 40 % Сr203. Для осуществления процесса используют плазменну шахтную печь, в которой плазменні горелки установлены в нижней части. Технология предусматривает использование кокса в качестве восстановителя. Смесь пилообразных хромовмістких материалов, восстановитель и флюсы вдмухують в печь через плазменные фурмы.
В следующих работах изучали возможность рідкофазного возобновления оксидов металлов в железоуглеродистом расплаве по схеме Fe - МеО - С. В этом случае процесс возобновления оксидов протекает по следующим реакциям:
МеО + С = Me + СО (1)
МеО + СО = Me + CО2 (2)
СО2 + С = СО2 (3)
В результате этих реакций возобновленный металл растворяется в жидком железе, а монооксид углерода удаляется из расплава в газовую фазу.
Одним из видов сырья для получения литейных сплавов есть отработанные катализаторы, которые содержат оксиды никеля, хрома, ванадия, молибдена и др. Эти материалы могут быть использованы в качестве легирующие компоненты для выплавки легированных чугуну и стали. Результаты исследований [11] показали, что использование отработанных никелевых катализаторов позволяет получать заготовку шихты с содержанием никеля 11 % и ванадию 3 % при одношлаковом режиме плавки.
1.2 Особенности редкофазной обновительной плавки.
Выполненный анализ имеющихся данных показал, что использование оксидовмістких материалов для выплавки сплавов достаточно эффективно. Плавка отмеченных материалов, каким бы методом она не осуществлялась, - это комплекс отдельных процессов. Среди них в случае переработки разных шламов, доменных и сталеплавильных шлаков, кузнечной и прокатной окалины, рудного сырья и другого важнейшее значение имеют: нагревание шихты и диссоциация химических соединений; взаимодействие восстановителей и оксидов металлов; розплавлювання составляющих шихты с образованием первичных расплавов; растворение более тугоплавких компонентов в первичных расплавах; разделение продуктов плавки; распределение ценных компонентов между продуктами плавки.
Скорость и полнота протекания этих процессов зависят от физико-химических свойств компонентов шихты, температуры и интенсивности масо- и теплообмену, а производительность агрегатов в целом определяется порою, потраченным в завершение самой медленной стадии.
Нагревание шихты лимитируется процессами теплопередачи. Очевидно, нагрев больших кусков шихты через сравнительно низкую теплопроводимость материалов шихты протекает относительно медленно и может быть ускорен лишь уменьшением размеров кусков.
Реакции взаимодействия восстановителя, например, углерода и оксида металла являются экзотермическими процессами и протекают на границі раздела фаз.
Большие данные, известные из литературы и практики, подтверждают, что собственный химический акт процесса окисления углерода при высоких температурах протекает крайне быстро.
Процессы образования металлического расплава и шлакообразования протекают в две стадии: розплавлювання легкоплавких составляющих шихты и растворения больше тугоплавких веществ в этих расплавах.
Шлакообразование, как правило, начинается после розплавлювання металлической составной шихты и происходят более медленно, потому что для большинства оксидов шихты температура плавления выше железа. При ограниченных температурах в плавильном агрегате особенно важного значения приобретают процессы растворения тугоплавких оксидов в первичных шлаковых расплавах. Процессы растворения являются диффузионными и потому протекают значительно медленнее процессов розплавлювання легкоплавких компонентов.
Образование шлаков в плавильных печах начинается, как правило, из получения легкоплавкой эвтектики, например, оксидо-сульфідних эвтектики, и больше сложных многокомпонентных легкоплавких композиций.
Наиболее медленным этапом плавки, даже для современных процессов, является выплавка ферросплавов, в которых лимитирующими стадиями являются коалесценция металлических капель и разделение металла и шлаков. Достаточно эффективным приемом ускорения коалесценции капелек металла является перемешивание шлаков с металлическим расплавом, который образуется при плавлении шихты.
В это время интенсивно ведутся работы по созданию технологий получения сплавов из оксидных материалов методом рідкофазного возобновления металлов и являются достаточно убедительные данные, которые подтверждают эффективность этого способа плавки[8].
Следует отметить, что под руководством Ванюкова A.B. на основании многолетних теоретических исследований металлургических процессов, изучения строения и физико-химических свойств расплавов, закономерностей разделения фаз и путей снижения потерь металлов осуществленные работы по созданию процесса плавки сульфидного сырья в расплаве, названного плавкой в жидкой ванне.
Установлено, что при растворении возобновленного элемента из оксида металла в металлическом расплаве наступает изменение величины энергии Гиббса системы и большее полное возобновление оксида за счет уменьшения активности возобновленного элемента при переходе его в раствор. Уменьшение общей энергии системы при образовании раствора снижает температуру возобновления ведущего элемента и затрату электроэнергии на возобновление. При этом больше низкая активность ведущего элемента уменьшает парциальное давление пары возобновленного элемента, а, следовательно, его потери с газовой фазой. В металлическом растворе за счет уменьшения активности компонентов снижается степень взаимодействия элементов с монооксидом углерода, а сокращение вторичного карбідоутворення увеличивает выдержку ведущих элементов, улучшая условия протекания металлургических процессов в печи за счет уменьшения количеству шлаков, его вязкости и потерь металла с шлаками.
Рассмотренные особенности процессов плавки шихты в плавильных печах и характер протекания металлургических процессов в рудовідновлювальних печах в некоторой степени могут быть перенесены на процесс рідкофазної обновительной плавки. Однако они не раскрывают механизм процесса плавки, при котором протекающие физико-химические процессы имеют свои особенности и содержат в себе, : термическое разложение сложных соединений; возобновление оксидов металлов; плавление шихты и образование шлаков; разделение металлической и шлаковой фаз.
Известно, что период плавления шихты и, в первую очередь, окатышей и других оксидовмістких материалов в дуговой печи, характеризуется многообразиям процессов масо- и теплопередачи, обусловленных действием как теплотехнических, так и технологических факторов. Под технологическими факторами имеется в виду совокупность физико-химических процессов, которые сопровождают плавление, : обезуглероживание ванны; шлакообразование, окисление металла кислородом атмосферы печи и другое.
Из теории сталеплавильных процессов известно, что при введении железной руды в шлаки увеличивается в нем содержимое оксида железа (Fe2O3). Последний при взаимодействии с корольками металла, которые удерживаются в шлаке, а также с железом на поверхности раздела металл-шлак возобновляется к оксиду (Fe) по реакции