Технология получения никелесодержимых сплавов с использованием отработанных никелесовместимых катализаторов (стр. 3 из 6)
(Fe2O3)+[Fе] = 3(FеО) (1.1)
Оксид железа FеО шлака окисляется также к оксиду Fe2O3 при взаимодействии с кислородом печной атмосферы :
2(FеО) + 1/2 {О2} = (Fe2O3) (1.2)
В результате протекания реакций (1.1) и (1.2) происходит увеличение содержимого оксида железа FеО в шлаці.
Как известно, оксиды металлов могут быть возобновлены углеродом. Этот процесс является одним из основных методов, применяемых в металлургии при выплавке металлов, сплавов и ферросплавов.
Окисление углерода в железоуглеродистом расплаве оксидами FеО являются гетерогенной реакцией и состоит из следующих стадий:
- переход оксида FеО из шлака в металл;
- взаимодействие между оксидом FеО (кислородом) и углеродом с выделением монооксида углероду (СО) в виде пузырьков в атмосферу печи.
Переход оксида железа FеО из шлака в металл сопровождается увеличением концентрации кислорода в слое металла, который граничит с шлаками, и уменьшением концентрации FеО в слое шлака, который граничит с металлом. В дальнейшем имеет место диффузия кислорода и оксида FеО в объеме металла и шлака, который протекает с малой скоростью. Однако интенсивное перемешивание жидкой ванны печи волдырьками СО, которые выделяются при взаимодействии между оксидом FеО ивыравнивание слогов металла и шлака.
Увеличение содержания FеО в шлаке, уменьшение концентрации кислорода в металле, увеличения температуры металла и уменьшения вязкости шлаков увеличивают скорость перехода оксида железа FеО из шлака в металл.
В соответствии с существующей теорией, при взаимодействии углерода с оксидами металлов важная роль принадлежит процессам перехода оксидов в парообразное состояние и переноса пар на поверхность возобновления. В этом случае основным восстановительным агентом является твердый углерод, на поверхности которого и протекают реакции возобновления оксидов. К особенностям вуглетермічних процессов, которые протекают в Fе -С расплаве, стоит также отнести возникновение реакций карбідоутворення, что получают подавляющее развитие при достаточно высоких температурах. Как правило, в процессе карбідоутворення появляются промежуточные оксикарбідні растворы, которые представляют собой фазы переменного состава с широкой областью гомогенности.
При использовании в качестве восстановителя углерода одной из причин, которые усложняют протекание восстановительных процессов, есть вторичное карбідоутворення, что происходит за счет окисления уже возобновленных элементов монооксидом углерода газовой фазы. При этом кроме первичного карбідоутворення, что происходит за счет термодинамического более вероятного возобновления оксидов к карбидам (Sі, Mn, Fе и др.), образуется дополнительное количество карбидов, что в ряде случаев приводит к образованию дополнительного количества шлаков с высоким содержанием карбидов. Такие шлаки выходят гетерогенными с высокой вязкостью, которая является причиной увеличенного количества корольков металла в них и, следовательно, уменьшение выдержке ведущих элементов и осложнения протекания восстановительных процессов, связанных с образованием значительного количества шлаков в печах.
Так, например, исследования реакций взаимодействия монооксида углерода и шихты, составленной из оксида кремния и металлической части, представленной Mn, Fе и др., показывают, что при температурах 1673-2073 К сначала происходит вторичное карбідоутворення. При этом Fе переходит в Fe 3С, - в SіС, Mn - в Mn 7С3, потом начинается взаимодействие карбидов с оксидами.
При уменьшении активности возобновленного элемента (Sі, Mn, Fе и др.) вторичное карбідоутворення протекает в меньшей степени. Этим определяется позитивная роль металлического расплава при редко фазном возобновлении оксидов металлов.
При плавке в дуговых и плазменных печах в приелектродній области дуги на поверхности металлической ванны наблюдается высокий перегрев жидкого металла.
Наличие градиента температуры в жидкой ванне и выделения газообразных продуктов реакции в результате взаимодействия углерода с оксидом металла способствует созданию интенсивных потоков расплава, которые убыстряют протекание процессов тепло- и масопереноса.
При редко фазной восстановительной плавке физико-химические процессы, которые протекают в жидкой ванне, содержат в себе: термическое разложение сложных соединений; возобновление оксидов металла; плавление шихты и образование жидких фаз; разделение металлической и шлаковой фаз.
2 Методика проведення експерименту
2.1Описание експериментальной установки
С целью отрабатывания основных технологических параметров плавки были проведенные исследования особенностей процесса при переплаву отработанных нікелемістких катализаторов в плазменной печи постоянного тока емкостью 10кг.
Экспериментальные плавки проводились в плазменной печи, схема которой показана на рисунку.
Рис. 1 Схема експериментальной установки
Конструкция печи включает корпус 1, плавильный тигель из огнеупорной футерівки 2, крышку 3, дуговой плазмотрон 4, механизм перемещения плазмотрона 5, устройство для загрузки шихты в плавильный тигель 6, обзорное окно 7, струмопровід 8, что состоит из металлической плиты 9, графитовой плиты 10 и медной шины 11. Плавильный тигель розміщався внутри плавильной камеры. Устройство для загрузки шихты было выполнено в виде керамической трубы с лейкой, размещенной на крышке печи. Подовим электродом служил графитовый стержень, вмонтированный в футеровці поду печи.
2.2 Методика исследования.
При проведении экспериментальных плавок сначала наводилась жидкая ванна путем розплавлювання заготовок ст.З. После наведения жидкой ванны на ее поверхность загружали катализаторы, флюс и электродный бой определенными порциями.
В период розплавлювання стального лома ток дуги поддерживали ровным 630-650 А, а после розплавлювання металла и загрузки катализаторов, флюса и электродного боя ток дуги уменьшали до 500-550 А.
Жидкий металл сливали вместе с шлаками в предварительно нагретую к температуре 403-573 К и облицовывающую огнеупорной глиной графитовую виливницю.
С целью изучения возможности получения нікелевмістких сплавов из отработанных нікелемістких катализаторов были проведенные плавки на экспериментальной дуговой печи постоянного тока в лаборатории Фізико-технологического института металлов и сплавов НАН Украины.
Выплавка сплавов проводилась методом редко фазного возобновления оксидов металлов в железоуглеродистом расплаве.
При выплавке сплавов использовали отходы ст.3 с содержимым железа 98 %, нікелемісткі катализаторы состава 0,085 % Na; 0,04 % Mg; 42,4 % Al; 0,76 % Si; 6,23 % Ca; 0,122 % Mn; 0,122 % Fe; 5,9 % Ni, известь и плавиковый шпат с содержимым 78 % СаО и 90 % СаF2 соответственно, электродный бой с содержанием 86 % углерода и 8 % золи.
При расчете материального баланса плавок количественный состав оксидов в катализаторе и шлаках определяли из выражений:
в катализаторах:
(2.1)и шлаках:
(2.2)где: GК GШ- количество катализаторов в шихте и шлаке, который образовался, соответственно;
MeК , MeШ - процентное содержимое металла в катализаторах и шлаках соответственно;
К1- коэффициент, который учитывает количественное соотношение между металлом и его оксидным соединением.
Количество СаО, внесенное в шлаки с плавиковым шпатом, определялось из выражения:
(2.3)
где: К2 - коэффициент, который учитывает весовое соотношение между CaF2 и СаО в реакции взаимодействия фтористого кальция с водяным паром.
3 Экспериментальная часть
3.1 Материальные балансы плавки.
Плавка № 1
Футерівка печи - киснула (кварцевый песок).
Материалы шихты :
1. Отходы ст. 3 - 5025 г
2. Катализаторы - 3915 г
3. Известь - 500 г
4. Плавиковый шпат- 145 г
5. Электродный бой - 750 г
С отходами ст.3 вносится железо:
GFe = 5025*0,98 = 4925 г.
С катализаторами вносится:
; 
; 
; 
; 
; 
; 
; 
С вапном вносится:
GCa=500*0,78 = 390г
С плавиковим шпатом вносится:
GCa0 = 145*0,9* 0,72 = 94г
С електродним боєм вноситься:
Количество выплавленного металла : 5255 г
Количество шлаков : 3200 г шлаков I (из печи) 690 г шлаков II
(слитного с металлом в изложницу) = 3890 г
Химічний вміст виплавленого металу, %:
| Fe | Ni | Si | Cr |
| 91,1 | 4,01 | 4,2 | 0,14 |
Химическое содержимое шлаков I Химическое содержимое шлаков II
| Al | Ca | Si | Fe | Mn | Ni | Al | Si | Ca | Fe | Ni |
| 41,2 | 7,9 | 4,5 | 0,5 | 0,11 | 0,034 | 39,1 | 9,1 | 10,5 | 1,9 | 0,022 |
У виплавленому металле находится: