Технология ведения плавки титанистого шлака

Выплавку титанистых шлаков осуществляют в закрытой рудно-термической печи периодическим способом, т.е. путем проплавления всей загруженной в печь шихты и последующего выпуска продуктов плавки. Периодичность процесса обусловлена необходимостью получения титанистых шлаков с минимальным содержанием оксидов железа, для чего в конце плавки в ванну печи погружают восстановитель[3].

Периодический процесс, который характеризуется полным проплавлением определенной порции шихты, позволяет получать маложелезистые титанистые шлаки (менее 5% закиси железа). Большую часть шихты (около 2/3) загружают в печь сразу после окончания выпуска шлака, остальную часть загружают в первый час работы печи. В ряде случаев всю шихту загружают одновременно. Периодический процесс выплавки титанистых шлаков включает следующие:  

1)операции

2)подготовку изложниц под продукты плавки;

3)обработку колошника;

4)перепуск и наращивание электродов;

5)загрузку шихты;

6)восстановительную плавку концентрата;

7)выпуск шлака и чугуна.

Для выпуска продуктов плавки применяют футерованные шамотом, заправленные шлаком изложницы, а также литые стальные изложницы. При заправке на днище и стенки футерованных изложниц укладывают шлак слоем толщиной 150-200 мм. Заправочный материал должен быть слегка увлажнен и плотно утрамбован. Подготовленные изложницы устанавливают под летку каскадом, т.е. так, чтобы расплав мог перетекать из одной изложницы в другую.

В процессе совместного выпуска продуктов плавки они разделяются по плотности, и чугун, будучи более плотным, оседает в заправленных шлаком изложницах, которые устанавливают в каскаде первыми, а расплавленный шлак перетекает в литые стальные изложницы.

В нижней боковой части футерованных изложниц имеются отверстия для слива чугуна и его дальнейшей переработки. При раздельном выпуске продуктов чугун выпускают в футерованные шамотным кирпичом ковши, а шлак – в изложницы[2].  

Обработка колошника заключается в очистке наплесов шлака, мешающих загрузке с бортов ванны и обрушении сводов. Операцию проводят с помощью машины и вручную при отключенной печи. Образование мощных сводов и наплесы должны быть проплавлены до выпуска шлака из печи, а ванну следует поддерживать открытой при максимально пониженном уровне колошника. Это позволяет вести процесс на максимальных завалках, не допускать перегрева нижнего пояса и подины ванны. Кроме того, при работе в таком режиме достигаются наибольшая производительность печи, а следовательно, и наилучшие технико-экономические показатели.

Кожухи самоспекающихся электродов наращивают, приваривая новые секции автогенной сваркой, когда электрод выступает над мантелем приблизительно на 0,5 м. Стальные ленты, на которых подвешен электрод, приваривают к кожуху через каждые 250 мм двусторонним швом длиной 100 мм в шахматном порядке, концы лент сваривают внахлестку.

Перепуск (опускание) электродов проводят на отключенной печи после каждой плавки на 100-150 мм, отпуская вращением штурвалов фрикционные зажимы лент настолько, чтобы электрод под действием своей массы плавно опустился до упора в сжимные колодки. После этого колодки зажимают. Кожухи заполняют электродной массой на работающих печах, когда «пустота» в электродах составляет 3-3,5 м от верхнего края мантеля.

Графитированные электроды обирают из отдельных секций длиной 1,5 мм. Секции, имеющие в торцах гнезда с резьбой и графитированные ниппели, навинчивают одну на другую.

Шихта из приемных бункеров плавильного отделения поступает в дозировочную тележку, а затем в печные бункера, из которых ее по мере надобности подают по течкам в печь. Основную часть шихты загружают возле электродов и между электродами в виде конуса. Скатываясь по конусу от электродов, шихта равномерно распределяется в промежутках между электродами и стенкой печи[3].  

При неравномерном распределении шихты нарушается правильный выход газов, что приводит к их прорыву в отдельных местах, неравномерному сходу шихты и образованию настылей. При размыве гарнисажа у одного из электродов допускается большая загрузка шихты в этой зоне. При плавке комбинированной (брикетированной и порошковой) шихты вначале загружают порошковую шихту, а затем брикеты. Соотношение брикетированной и порошковой шихты зависит от конструкции и мощности печи, а также от состава концентрата. Порошковая шихта – наиболее легкоплавкий материал. Наилучшая работа колошника наблюдается при плавке брикетов. В этом случае газы равномерно выделяются по всей поверхности колошника.

Восстановительную плавку концентратов при периодическом процессе условно можно разделить на четыре периода. При плавке порошковой шихты периоды имеют следующий порядок: расплавление шихты, восстановление, доводка шлака и его прогрев.

Для расплавления шихты после ее загрузке включают печь на заданной ступени трансформатора, предварительно подняв концы электродов на высоту не менее 200 мм над шихтой во избежание перегрузок трансформатора и вывода из строя оборудования. Мощность повышают постепенно в течение 10-15 мин. После достижения максимально допустимой мощности и проплавления шихты у электродов регулирование тока переводят на автоматическое управление. Иногда шихту загружают при включенной печи, что позволяет сократить продолжительность простоя. При плавке порошковой шихты электроды быстро поднимаются на ее поверхность, и процесс расплавления протекает сверху вниз. В период расплавления концентрат восстанавливается в незначительной степени.

Восстановление окислов железа в данном случае сильно осложняется вследствие образования сложных твердых растворов на основе окислов титана. Процесс сопровождается непрерывным кипением расплава. Колошник открыт, и печь работает с открытыми дугами, при этом значительно выгорает восстановитель, основная часть которого плавает на поверхности расплава. По мере восстановления окислов железа температуру расплава повышают с 1400 до 1700-1800ºС (в зависимости от количества примесей и низших окислов титана). Содержание закиси железа к канцу этого периода обычно составляет 8-12%, а расход электроэнергии за первый и второй периоды 2/3 от общего расхода, необходимого для переработки всей загрузки[6].   

Довосстановление расплава наступает с того момента, когда весь углерод восстановителя израсходовался и печь выходит на дуговой режим работы, но в расплаве имеются еще невосстановленные окислы железа. Для довосстановления подгружают восстановитель. Восстановление оставшихся окислов железа протекает очень медленно, что обусловлено наличием прочных соединений и низкой концентрацией закиси железа в расплаве. Перед началом довосстановления отбирают пробу шлака металлической штангой (ломковая проба), погружая ее на короткое время в расплав. В пробе определяют содержание закиси железа. Период доводки считается законченным, если шлак содержит не более 5% закиси железа. Готовность шлака также определяют по его цвету. Шлак после оканчания его доводки прогревают с целью повышения температуры расплава для быстрого выпуска и лучшего разделения продуктов восстановления. Прогрев и отстой шлака ведут в течение 10-15 мин.

При плавке брикетированной шихты сначала восстанавливаются окислы железа и титана в твердой фазе, а затем следует период расплавления шихты. Расправление начинается снизу и постепенно по мере проплавления нижних слоев брикетов поднимается к верхним слоям. Концы электродов большую часть времени находятся под слоем брикетов. Это приводит к сохранению и концентрации тепла внутри печи, а поэтому при плавильной дозировке шихты по углероду отпадает необходимость в доводке и прогреве шлака. В связи с этим восстановительная плавка окускованных железо-титановых концентратов более чувствительна к содержанию углерода в шихте. Предел допустимых колебаний не превышает ±0,5%[3].   

Ошибка в дозировке по углероду приводит к нарушению нормального хода плавки. Так, при недостатке восстановителя ухудшается качество титанистого шлака, в котором повышается содержание закиси железа. Такой шлак обладает пониженной температурой плавления и вязкостью, что приводит к размыву гарнисажа, а иногда и разрушению футеровки печи. Избыток углерода также вызывает большие осложнения. В этом случае образуется большое количество низших окислов титана, повышаются электропроводность и плавкость шлака, уменьшается глубина погружения электродов в расплав, в результате чего реакционные зоны сужаются, а количество расплава уменьшается. Производительность печи снижается, выпуск шлака значительно осложняется, а иногда вообще становится невозможным. Для предупреждения таких расстройств хода печи должен быть установлен тщательный контроль за качеством шихты.

Небольшие отклонения в составе шихты могут быть скорректированы в период доводки шлака. В случае избытка восстановителя, что может быть определено по подъему электродов в процессе плавки, а также по результатам анализа ломковых проб, в печь загружают концентрат или брикеты с меньшим количеством восстановителя. При недостатке восстановителя его вводят в печь в требуемом количестве.

Нормальная работа печи характеризуется постоянством удельного расхода электроэнергии на весовую единицу шихты, который непосредственно связан с удельным расходом электроэнергии на весовую единицу титанистого шлака. Этот показатель для концентратов различных месторождений колеблется в зависимости от их состава и свойств. Эти колебания особенно значительны при отнесении всего расхода электроэнергии к одному продукту – шлаку. С повышением содержания двуокиси титана в концентрате удельный расход электроэнергии на выплавку шлака уменьшается. Так, если при выплавке титанистого шлака из концентрата, содержащего 42-44% ТiО₂, удельный расход электроэнергии при использовании порошковой шихты принять за 100%, то для концентрата, содержащего 60-63% ТiО₂, он составляет 68-70%[3].

По мере накопления чугуна и шлака открывают летки и ведут выпуск, используя ручное управление электрическим режимом. Леточные отверстия первоначально разделывают ломиком до горячей зоны, затем прожигают током, а после появления первых капель шлака (или металла) – окончательно кислородом по всему сечению.

Частота и регулярность выпуска шлака и чугуна существенно влияют на ход печи. Для каждой печи устанавливают график выпусков в соответствии с ее мощностью. Например, шлак на печах мощностью 7,5 МВА выпускают через каждые 3,5-4,0 ч, а чугун – через 7-8 ч. Одним из наиболее важных признаков нормальной работы печи является одинаковый выход шлака при каждом выпуске. Нерегулярные выпуски приводят к наращиванию гарнисажа или его чрезмерному размыванию. В этом случае наблюдается неравномерный тепловой режим работы печи.

После окончания выпуска шлака (или чугуна) изложницы (или ковш) вывозят в литейный пролет, а летки заделывают огнеупорными пробками из глины и антрацита. В случае плохого состояния леточного отверстия его подбивают смесью антрацита с титановым шлаком со стороны ванны печи. Затем обрабатывают колошник, загружают новую порцию шихты и повторяют процесс.