10.4 Минералогический состав шлаков выплавки металлического хрома

В качестве флюса при алюминотермическом способе получения металлического хрома используют известь. Оксид кальция образует с А1₂О₃ соединения с пониженной температурой плавления: СаО·6А1₂О₃ (гексаалюминат кальция, Т_пл = 2123 К); СаО·2А1₂О₃ (Т_пл = 2083 К); СаО·А1₂О₃ (Т_пл = 1873 К); СаО·2А1₂О₃ (Т_пл = 1728 К) и 3СаО·А1₂О₃ (Т_разл = 1808 К) (рис. 10.5).

Введение СаО в шихту снижает температуру плавления шлака, поскольку в окислительных условиях возможно образование хромитохромата кальция 9СаО·4СrO₃·Cr₂O₃ (Т_пл= 1501 К). Это облегчает получение хромоизвестковых расплавов перед восстановлением оксида хрома алюминием в период предварительного расплавления части оксидов в электропечи при выплавке металлического хрома и низкоуглеродистого феррохрома.

Рисунок 10.5 – Диаграмма состояния системы CaO-Al₂O₃

Шлак алюминотермической плавки хрома без присадки СаО (извести) содержит 50-60 об.% щелочного глинозема (Na₂O∙11Al₂O₃), 35-45 об.% корунда (α-А1₂О₃), менее 1 об.% хромовой шпинели, 1-2 об.% металлической фазы. В случае добавки в шихту СаО шлак имеет следующий химический состав, мас.%: А1₂О₃ 75-80, СаО 6-12, Cr₂О₃ 6-8 и Na₂O 0,5-1,5. При кристаллизации шлаков приведенного состава первоначально выделяется фаза (А1,Cr)₂О₃ (типа твердого раствора хрома в α-А1₂О₃), затем гексаалюминат кальция, в котором часть ионов Са замещена ионами Na, а ионы А1³⁺ частично замещены ионами Cr³⁺, и заканчивается кристаллизация образованием минеральной фазы Na₂O∙11(Al,Cr)₂O₃. Соотношение этих фаз зависит от химического состава шлаков, а последний определяется в основном количеством присаживаемых флюсов.

Опыт Ключевского завода ферросплавов свидетельствует, что шлаки алюминотермической выплавки хрома наиболее рационально использовать как полупродукт для получения синтетических шлаков для внепечной обработки стали, а также клинкера высокоглиноземистых огнеупорных цементов 70-65% А1₂О₃, 17% СаО, (SiO₂+FeO) не более 2,5%.

10.5 Технико-экономические показатели выплавки металлического хрома

Сравнительные данные по выплавке металлического хрома внепечным способом «на блок», с выпуском металла и шлака и в электропечи на блок приведены в таблице 10.6.

Таблица 10.6 – Технико-экономические показатели выплавки металлического хрома различными способами

Показатели	Внепечная плавка на блок	Внепечная плавка с выпуском	Электропечная плавка на блок
Удельный расход материалов, кг/т
оксид хрома	1637,1	1555,5	1564,0
алюминия	610,2	593,4	566,0
селитры	135,4	128,9	1,1
извести	-	100,8	134,5
магнезитового кирпича	162,9	53,0	526,8
Расход электроэнергии, кВт·час/т	-	-	600
Извлечение хрома, %	88,3	93,0	92,5

Внепечное производство металлического хрома на блок имеет ряд существенных недостатков, к которым в первую очередь следует отнести относительно низкое извлечение хрома 88,3%, высокий расход огнеупорных материалов, низкое качество поверхности слитков и, как следствие, большие затраты ручного труда на их очистку, большие тепловые потери.

Этих и некоторых других недостатков производства металлического хрома внепечным алюминотермическим способом «на блок» лишена более прогрессивная технология внепечной плавки хрома с выпуском высокоглиноземистого шлака и металла в изложницу.

При выплавке с выпуском металла и шлака сокращаются тепловые потери. Исследование величины тепловых потерь при выплавке металлического хрома в промышленных условиях «на блок» показало, что во время процесса в зависимости от скорости проплавления шихты и степени закрытия зеркала расплава шихтой теряется от 8,5 до 13% общего прихода тепла. Причем основная доля тепловых потерь расходуется на аккумуляцию тепла футеровкой плавильного горна.

При организации выплавки металлического хрома полунепрерывным способом сливом металла и шлака, где каждая последующая плавка проводится в разогретом горне, тепловые потери составляют около 4% или 2-2,5 раза ниже, чем при выплавке «на блок».

Снижение тепловых потерь за счет разогретой футеровки плавильного горна при выплавке первых плавок позволяет в последующем сократить количество термитных добавок и снизить расход натриевой селитры и алюминия.

Извлечение хрома при промышленной выплавке с выпуском металла и шлака достигает 93,0%, значительно сокращается удельный расход оксида хрома, алюминия и селитры. Кроме того, организация полунепрерывного производства металлического хрома позволяет сократить расход магнезитового кирпича почти в три раза. Футеровка плавильного горна в промышленных условиях выдерживает 80-90 плавок.

Сравнение содержания примесей в металле до и после его слива показало, что слив металла через известково-глиноземистые шлаки, обладающие высокой рафинирующей способностью, в большинстве случаев приводит к дополнительному рафинированию металла от алюминия, кремния, углерода и серы. Также происходит снижение содержания азота в металле вследствие сокращения натриевой селитры в шихте за счет снижения тепловых потерь.

Таким образом, разработанный и внедренный на Актюбинском заводе ферросплавов внепечной способ выплавки металлического хрома с выпуском металла и шлака позволил сократить удельный расход оксида хрома на 5,0%, алюминия на 2,8%, селитры на 4,8%, магнезитового кирпича на 67,5% и улучшить качество металла и санитарные условия труда.

Существенным недостатком электропечной плавки металлического хрома является низкая стойкость футеровки (6-8 плавок). Такая низкая стойкость футеровки объясняется, по-видимому, большой степенью перегрева шлака и возможностью достижения высоких температур процесса в начальной стадии восстановительного периода плавки в связи с тем, что в этот период в рудном расплаве наиболее высокая концентрация оксидов хрома.

Выплавка металлического хрома с предварительным расплавлением части оксидов в электропечи с выпуском металла и шлака может считаться перспективным лишь после разработки необходимых мероприятий по увеличению стойкости футеровки.