способ удаления меди из железоуглеродистого расплава

Формула изобретения

Способ удаления меди из железоуглеродистого расплава, включающий плавление металла, наведение сульфидного шлака на поверхности расплава, выдержку расплава под сульфидным шлаком, последующее разделение расплава и сульфидного шлака, отличающийся тем, что после разделения расплава и сульфидного шлака в расплав присаживают алюминий с последующим разделением расплава и образовавшегося шлака.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к металлургии, в частности к технологии рафинирования железоуглеродистых расплавов от растворенной меди.

Примеси цветных металлов оказывают существенное влияние на потребительские свойства металлопродукции. Среди примесей цветных металлов в стали наиболее неблагоприятной по условиям удаления является медь. Накопление меди приводит к снижению пластических свойств стали, повышает ее склонность к растрескиванию.

Классические способы рафинирования мало пригодны для удаления меди из железоуглеродистых расплавов. Для удаления растворенной меди из железоуглеродистых расплавов в массовом производстве могут быть использованы: фильтрация расплава, испарение примеси при выдержке расплава в вакууме, обработка расплава шлаками.

Метод фильтрации позволяет достичь довольно высокой степени удаления меди из расплава (до 70%). Однако высокая стоимость фильтров, необходимость их частой замены и низкая производительность ограничивают применение этого метода.

При удалении меди из железоуглеродистых расплавов путем испарения достигается степень рафинирования 30% и выше. Основными проблемами при реализации данного метода является необходимость длительной выдержки расплава при высокой температуре в условиях глубокого вакуума в процессе обработки и значительные потери конденсата при этом (до 1%).

Рафинирование расплава шлаками отличается простотой реализации. Для извлечения меди из железоуглеродистых расплавов может быть использовано повышенное сродство меди к сере в сравнении с железом. Сульфидизация меди может быть осуществлена с помощью элементарной серы или сульфида железа в сочетании с разными добавками (Самборский М., Алешников А., Костецкий Ю., Троянский А. Удаление меди из железоуглеродистых расплавов. Тезисы докладов научной конференции молодых специалистов "-98", г.Мариуполь, 1998, с.10-11).

Так, известен способ рафинирования железоуглеродистых расплавов от меди путем их обработки шлаками на основе сульфидов металлов (Зигало И.П., Баптизманский В.И., Вяткин Ю.Ф. и др. Медь в стали и проблемы ее удаления. Сталь, №7,1991, с.18-22). В соответствии с указанным способом металл плавят, на поверхность железоуглеродистого расплава загружают материалы, которые образовывают сульфидный шлак, выдерживают расплав под сульфидным шлаком, после чего разделяют расплав и сульфидный шлак.

При высоких температурах медь имеет более высокое сродство к сере, чем железо, и потому переходит в шлак по реакции:

Сульфидный шлак, который находится в контакте с железоуглеродистым расплавом, обеспечивает поступление серы к расплаву и одновременно поглощает (растворяет) сульфид меди, который образуется по реакции (1).

Общими признаками заявляемого решения и аналога являются: плавление металла, наведение сульфидного шлака на поверхности расплава, выдержку расплава под сульфидным шлаком, последующее разделение расплава и сульфидного шлака.

Увеличить извлечение меди из железоуглеродистого расплава в указанном способе можно лишь за счет увеличения количества шлака, то есть за счет дополнительного расхода материалов, которые образуют шлак. Кроме того, рафинирование железоуглеродистых расплавов от меди таким способом приводит к значительному увеличению концентрации серы в расплаве благодаря ее переходу из шлака в расплав.

Как прототип выбран способ рафинирования железоуглеродистых расплавов от меди, в котором металл, содержащий примеси меди, расплавляют в плавильном агрегате и наводят на поверхности расплава сульфидный шлак, который включает сульфиды железа и алюминия. После того, как избыточная медь перейдет из расплава в шлак, расплав и шлак разделяют (Copper Removal from Carbon-Saturated Molten Iron with Al₂S_2- FeS Flux/ R.Shimpo, Y.Fukaya, T.Ishikawa, O.Ogawa. - Metallurgical and Materials Transactions В. - №12. - V.28 B. - 1997. - Р.1029-1037). При необходимости увеличения степени рафинирование от меди в способе-прототипе предлагается проводить рафинирование сульфидным шлаком в несколько стадий с разделением расплава и шлака на каждой стадии и передачей шлака из предыдущей стадии на последующую стадию. При этом обеспечивается более рациональное использование шлака.

Общими признаками заявляемого решения и прототипа являются плавление металла, наведение сульфидного шлака на поверхности расплава, выдержку расплава под сульфидным шлаком, последующее разделение расплава и сульфидного шлака.

Способ, который выбран как прототип, обеспечивает удаление меди из железоуглеродистых расплавов благодаря физико-химическому взаимодействию сульфидного шлака и расплава. В процессе выдержки расплава под сульфидным шлаком медь переходит в шлак по реакции (1). Необходимый уровень концентрации серы в металлическом расплаве поддерживается реакцией:

Разделение сульфидного шлака и расплава после извлечения избыточной меди из расплава предотвращает обратный переход меди в расплав при выполнении дальнейших технологических операций по доведению металла до заданного химического состава.

Количество меди, которое может быть переведено из расплава в шлак, зависит от химического состава шлака и его количества. При использовании шлака оптимального состава увеличить извлечение меди из железоуглеродистого расплава можно лишь за счет увеличения количества шлака, то есть за счет дополнительных затрат материалов, которые образовывают шлак.

Кроме того, реализация рассмотренного способа рафинирования железоуглеродистых расплавов от меди приводит к значительному возрастанию концентрации серы в расплаве благодаря ее переходу из шлака в расплав по реакции (2). Повышенная концентрация серы в расплаве нужна для создания благоприятных физико-химических условий протекания реакции (1) в сторону образования сульфида меди. Но с точки зрения общего качества металла чрезмерное возрастание концентрации серы нежелательно, так как приводит к дополнительным затратам времени и материалов на десульфуризацию металла.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования способа удаление меди из железоуглеродистого расплава, в котором за счет особенностей технологии обеспечивается повышение степени удаления меди, снижение конечной концентрации серы в железоуглеродистом расплаве без увеличения затрат на получение сульфидного шлака.

Поставленная задача решается тем, что в способе удаления меди из железоуглеродистого расплава, который включает плавление металла, наведение сульфидного шлака на поверхности расплава, выдержку расплава под сульфидным шлаком, последующее разделение расплава и сульфидного шлака, согласно изобретению после разделения расплава и сульфидного шлака в расплав присаживают алюминий с последующим разделением расплава и образовавшегося шлака.

Указанные признаки составляют сущность изобретения.

Причинно-следственная связь признаков, которые составляют сущность изобретения, с техническим результатом (повышение степени удаления меди, снижение конечной концентрации серы в железоуглеродистом расплаве без увеличения затрат на получение сульфидного шлака) выражается в следующем.

Выше отмечалось, что при рафинировании железоуглеродистых расплавов от меди актуальным является повышения степени удаление меди из расплава без увеличения расхода материалов, которые образуют сульфидный шлак, а также уменьшение концентрации серы в расплаве после рафинирования от меди перед проведением дальнейших технологических операций по доведению металла до заданного химического состава.

Авторами экспериментально доказано, что присадка алюминия в расплав после разделения металла и сульфидного шлака с последующим разделением расплава и образовавшегося шлака приводит к увеличению степени удаление меди без возрастания затрат на получение сульфидного шлака и к снижению конечной концентрации серы в железоуглеродистом расплаве.

При этом доказано, что присадку алюминия в расплав необходимо выполнять после разделения расплава и первичного сульфидного шлака. Если алюминий вводить в расплав до разделения первичного сульфидного шлака и расплава, то это приведет к уменьшению степени удаления меди из расплава и дополнительным затратам материалов на образование шлака. Присаженный алюминий в таком случае будет распределяться между металлом и шлаком, нарушая оптимальное для удаления меди физико-химическое равновесие между ними, что приведет к снижению степени удаления меди из расплава. В этом случае для поддержания необходимой степени удаления меди из расплава необходимо будет использовать дополнительное количество шлака и соответственно материалов, которые его образуют. Кроме того, в такой ситуации алюминий может непосредственно восстанавливать медь из шлака обратно в металл по реакции:

Это также снижает степень удаления меди из расплава.

Если не разделять расплав и шлак, который образовался после присадки алюминия, это уменьшит степень удаления меди из расплава, так как во время дальнейших действий по доведению металла до заданного химического состава (десульфурация, обезуглероживание, легирование и прочее) медь из шлака возвратится в расплав, что снизит достигнутую степень удаления меди из расплава. Компенсация указанного снижения степени удаления меди потребует дополнительных затрат.

Таким образом, признаки, которые включают плавление металла, наведение сульфидного шлака на поверхности расплава, выдержку расплава под сульфидным шлаком, разделение расплава и сульфидного шлака, присадку в расплав алюминия с последующим разделением расплава и образовавшегося шлака, находятся в причинно-следственной связи с достигаемым техническим результатом (повышение степени удаления меди, снижение конечной концентрации серы в железоуглеродистом расплаве без увеличения затрат на получение сульфидного шлака).

Ниже приводится подробное описание заявляемого способа.

Металлическую шихту, которая содержит избыточное количество меди, плавят в плавильном агрегате (например, в индукционной печи), получают железоуглеродистый расплав. После этого на поверхности расплава наводят сульфидный шлак. При взаимодействии сульфидного шлака с расплавом последний насыщается серой, создаются необходимые физико-химические условия для протекания реакции (1). После выдержки расплава под сульфидным шлаком сульфидный шлак и расплав разделяют. Операция скачивания шлака с поверхности расплавленного металла хорошо известна металлургам и обычно осуществляется путем механического сгребания шлака из поверхности расплава. С целью повышения степени извлечения меди из расплава могут иметь место промежуточные операции обновления шлака (разделение расплава и шлака), то есть неоднократное полное или частичное скачивание шлака и наведение свежего сульфидного шлака. Таким способом достигается повышение кратности использования сульфидного шлака при рафинировании. После окончательного (конечного) разделения металла и сульфидного шлака в расплав присаживают алюминия. Это приводит к образованию в объеме расплава, который насыщен серой после взаимодействия с сульфидным шлаком, частиц сульфидной фазы на основе сульфидов алюминия и железа. Капельки сульфидов, которые образовались, поглощают медь из расплава, что обеспечивает дополнительное уменьшение концентрации меди в расплаве. Кроме того, образование сульфидных включений в расплаве происходит за счет серы расплава, что способствует снижению концентрации серы в расплаве. Сульфидные включения постепенно всплывают вверх и образовывают на поверхности расплава сульфидный шлак. Между этим шлаком и расплавом устанавливается новое физико-химическое равновесие при меньших концентрациях серы и меди в расплаве по сравнению с условиями, которые были до введения в расплав алюминия. Далее расплав и шлак снова разделяют (например, путем механического скачивания шлака гребком).

В таблице 1 приведены конкретные примеры реализации способа.

Таблица 1. Концентрация серы и меди в расплаве в контрольные моменты плавки, %.
№	После плавления		После разделения сульфидного шлака и расплава		После присадки алюминия и разделения расплава и образовавшегося шлака
	[S]	[Cu]	[S]	[Cu]	[S]	[Cu]
1	0,26	1,6	0,75	0,81	0,28	0,72
2	0,10	1,4	0,67	0,89	0,31	0,75
3	0,19	1,0	0,82	0,63	0,29	0,56
4	0,10	0,53	0,84	0,37	0,26	0,29

Чугун расплавляли в индукционный плавильной печи емкостью 200 кг. После плавления шихты и образования железоуглеродистого расплава отбирали пробу металла на химический анализ. Затем на поверхности расплава наводили сульфидный шлак. После выдержки шлак и металлический расплав разделяли. Повторно брали пробу на химический анализ. На этом этапе плавки были получены результаты, которые обеспечивает способ, выбранный нами в качестве прототипа. Далее в расплав присаживали алюминий. Дождавшись окончания образования нового шлака на зеркале расплава, разделяли шлак и расплав. Очистив зеркало металла от шлака, брали пробу на химический анализ. Результаты этого анализа подтверждают достижение технического результата при реализации заявляемого способа (повышение степени удаления меди, снижение конечной концентрации серы в железоуглеродистом расплаве без увеличения затрат на получение сульфидного шлака).

Результаты, которые представлены в таблице, наглядно показывают, что при реализации заявляемого способа удаления меди из железоуглеродистого расплава получены меньшие значения концентрации серы и меди в расплаве. То есть при тех же затратах материалов на получение шлака была достигнута большая степень удаления меди и меньшая конечная концентрация серы в расплаве.