Методика проведення експерименту

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: G_К  G_Ш - количество катализаторов в шихте и шлаке, который образовался, соответственно;

Me^К , Me^Ш - 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:

G_Fe = 5025*0,98 = 4925 г.

С катализаторами вносится:

; ;

; ;

; ;

;

С вапном вносится:

 

G_Ca=500*0,78 = 390г

С плавиковим шпатом вносится:

G_Ca0 = 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:

У шлаку I міститься:

У шлаку II міститься:

Загальний вміст оксидів у шлаку:

 

 3002г;  455г; 444г; 1,2г; 38г.

Розрахункова й фактичний кількісний склад шлаків, г:

	А1203	СаО	Si02	Fe	Ni	Зола	Усього
розрахунковий	3137	825	30	-	-	60	4052
фактичний	3002	455	444	38	1,2	60	4000

Розрахунковий і фактичний вміст заліза, нікелю й кремнію в металі, г:

	Fe	Ni	Si
розрахункове	4925	231	-
фактичне	4787	211	221

Содержимое никеля в катализаторах по результатам плавки:

Втрати заліза:

Соотношение А1203 и СаО в шлаке, %:

Шлаки I : А12О3 - 87 %; СаО - 13 %.

Шлаки II : Аl 2Оз - 84 %; СаО - 16 %.Загальне: А1₂0₃ - 87 %; СаО - 13 % (фактичне);

А1₂0₃ - 79 %; СаО - 21 % (розрахункове)

Плавка № 2

Футерівка печи - киснула (кварцевый песок).

Материалы шихты :

1. Отходы ст. 3 - 4990 г.

2. Катализаторы - 13050 г.

3. Известь - 4300 г.

4. Плавиковый шпат- 260 г.

5. Электродный бой - 1300 г.

С отходами ст.3 вносится железо:

GFe = 4990*0,98 = 4890 г.

С катализаторами вносится:

;

;

С известью вносится:

GCaО=4300*0,78 = 3354 г

С плавиковым шпатом вносится:

GCa0 = 260*0,9* 0,72 = 168 г

С электродным боем вносится:

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	Mn	Cr	Si	P
85,3	11,1	0,35	0,16	2,55	0,3

Хімічний вміст утвореного шлаку, %

Al	Ca	Si	Fe	Mn	Ni	Р	Cr	Mg
41,2	15,2	7,9	0,22	0,33	0,18	0,008	0,021	0,22

У виплавленому металі міститься:

; ;

; ; ;

У шлаку міститься:

; ;

; ;

; ;

Розрахункова й фактичний кількісний склад шлаків, г:

	А1203	СаО	Si02	MgO	MnO	FeO	NiO	Зола	Загалом
розрахунковий	10458	4660	213	9	21	-	-	104	15465
фактичний	10163	3598	2863	62	56	48	39	104	16933

Розрахунковий і фактичний вміст заліза, нікелю й кремнію в металі, г:

	Fe	Ni	Si
розрахункове	4906	770	-
фактичне	4274	556	128

Вміст нікелю в каталізаторах за результатами плавки:

Втрати заліза:

Співвідношення А1₂0₃ і СаО в шлаку, %:

Загальне: А1₂0₃ - 74 %; СаО - 26 % (фактичне);

А1₂0₃ - 69 %; СаО - 31 % (розрахункове)

Плавка № 3

Футерівка печі - кисла (кварцовий пісок).

 Шихтові матеріали:

1.   Відходи ст. 3 - 4950 г

2.   Каталізатори - 3620 г

3.   Вапно - 3150 г

4.   Плавиковий шпат- 150 г

5.   Електродний бій - 200 г

З металом плавки № 2 вноситься:

;

З каталізаторами вноситься:

; ;

; ;

; ;

; ;

;

З вапном вноситься:

G_CaО=3150*0,78 = 2457г

Із плавиковим шпатом вноситься: G_Ca0 = 150*0,9* 0,72 = 97 г

З електродним боєм вноситься:

Розрахункова кількість шлаку: 2901+316+3+59+2457+97+16=5855г

Хімічний вміст виплавленого металу, %:

Fe	Ni	Mn	Cr	Si	Са
84,8	14,0	0,13	0,2	0,16	0,127

У виплавленому металі міститься:

; ;

;

;

Розрахункова й фактичний кількісний склад металу, г:

	Fe	Ni	Cr	Mn	Si
розрахунковий	4227	764	10	17	126
фактичний	4198	693	10	6	8

Вміст нікелю в каталізаторах за результатами плавки, г:

Втрати заліза:

Співвідношення А1₂0₃ і СаО в шлаку, %:

Загальне: А1₂0₃ – 50,2 %; СаО – 49,8 %

Плавка № 4

Футерівка печі - кисла (кварцовий пісок).

 Шихтові матеріали:

1.   Відходи ст. 3 - 5370 г

2.   Каталізатори - 13620г

3.   Вапно - 4663 г

4.   Плавиковий шпат- 520 г

5.   Електродний бій - 1417 г

Із відходами ст.3 вноситься залізо:

G_Fe = 5370*0,98 = 5263 г.

З каталізаторами вноситься:

;

; ;

;

З вапном вноситься:

 

G_Ca=4663*0,78 = 3637г

Із плавиковим шпатом вноситься:

 

G_Ca0 = 520*0,9* 0,72 = 337г

З електродним боєм вноситься:

Кількість виплавленого металу: G_М =5270г

Кількість утвореного шламу: G_Ш=16125г

Химічний вміст виплавленого металу, %:

Fe	Ni	Si	Mn	Cr
82,646	16,152	0,442	0,004	0,756

Хімічний вміст утвореного шламу, %

Al	Ca	Si	Fe	Mn	Ni	Na	Cr	Ti	S	P	Mg
35,7	16,5	2,54	0,53	0,52	0,062	0,17	0,29	0,128	0,128	0,014	0,69

У шламі міститься:

; ;

; ;

; ;

Розрахункова й фактичний кількісний склад шламів, г:

	А1203	СаО	Si02	MgO	MnO	FeO	Зола	Загалом
розрахунковий	10914	5162	222	9	21	21	113	16462
фактичний	10880	3725	3725	184	108	110	113	15998

Розрахунковий і фактичний вміст заліза, нікелю й кремнію в металі, г:

	Fe	Ni
розрахункове	5263	803
фактичне	4355	851

Вміст нікелю в каталізаторах за результатами плавки:

Втрати заліза:

Співвідношення А1₂0₃ і СаО у шламі, %:

Загальне: А1₂0₃ - 74 %; СаО - 26 % (фактичне);

А1₂0₃ - 68%; СаО - 32 % (розрахункове)

Плавка № 5

Футерівка печі - кисла (кварцовий пісок).

 Шихтові матеріали:

1.   Відходи ст. 3 - 5000 г

2.   Каталізатори - 10200 г

3.   Вапно - 1440 г

4.   Кварцовий пісок- 1000 г

5.   Електродний бій - 230 г

Із відходами ст.3 вноситься залізо:

G_Fe = 5000*0,98 = 602 г

З каталізаторами вноситься:

;

;

З вапном вноситься:

 

G_CaО=4300*0,78 = 3354г

Із кварцовим піском вноситься:

G_Ca0 = 1440*0,78 = 1123г

З електродним боєм вноситься:

Кількість виплавленого металу: G_M=5255г

Кількість утвореного шламу: G_Ш =3200г

Хімічний вміст виплавленого металу, %:

Fe	Ni	Cr	Si	P
90,2	8,7	0,087	0,16	0,131

Хімічний вміст утвореного шламу, %

Al	Ca	Si	Fe	Mn	Ni	Р	Cr	Ті	Mg
35,3	7,8	5,2	5,34	0,51	0,132	0,006	0,108	0,042	0,22

У виплавленому металі міститься:

; ;

; ; ;

У шламі міститься:

; ;

; ;

;

;

Розрахункова й фактичний кількісний склад шлаків, г:

	А1203	СаО	Si02	MgO	MnO	FeO	NiO	Зола	Загалом
розрахунковий	8174	2013	1166	7	16	16	-	18	11410
фактичний	6255	1024	1045	232	62	644	16	18	9296

Розрахунковий і фактичний вміст заліза, нікелю й кремнію в металі, г:

	Fe	Ni
розрахункове	4900	602
фактичне	4303	415

Вміст нікелю в каталізаторах за результатами плавки:

Втрати заліза:

Співвідношення А1₂0₃ і СаО в шлаку, %:

Загальне: А1₂0₃ - 86 %; СаО - 14 % (фактичне);

А1₂0₃ - 80 %; СаО - 20 % (розрахункове)

3.2 Анализ разработанных технологий выплавки нікелемістких сплавов с использованием в шихте нікелемістких катализаторов.

 

В процессе проведения плавок установлено, что выплавка нікелемістких сплавов с использованием в шихте нікелемістких катализаторов характеризуется образованием большого количества шлаков. Это обусловлено высоким содержанием в катализаторах оксидов Al, Са и Si (90 % от обшей массы), которые имеют крепкую термодинамическую связь и не могут быть возобновлены в условиях проведенных плавок. Кроме того, высокое содержание глинозема (до 800 кг на 1 т катализаторов) требует большой затраты извести для получения легкоплавкой евтектикиА1203-СаО.

Анализ диаграммы состояния системы А12Оз-СаО (Рис. 2) показывает, что наиболее низкая температура ликвидусу системы (жидкое состояние шлаков) наблюдается содержаниеі в сплаве от 42 до 55 % СаО.

Рис. 2 Диаграма стану системы СаО – Al₂O₃

Уменьшение затраты известняку повышает температуру розплавлювання шлаков, снижает его редко текучесть, способствует образованию тугоплавких шлаковых настиглів на укосах печи и тем же ухудшает условия его скачивания.

Высокая вязкость шлаков ухудшает условия перехода возобновленного никеля в металлический расплав. Об этом свидетельствует присутствие корольков возобновленного никеля в шлаке, выявленных при его дроблении.

Обращает на себя внимание заметная разница в количественном содержимом СаО в расчетном и действительном составах шлаков всех плавок. Очевидно, это связано с частичным выносом порошкообразного известняка из печи в результате электродинамического влияния дуги на в момент загрузки известняка на поверхность жидкой ванны, а также с использованием не прожаренного.

Необходима редко текучесть шлаков при сниженной затрате известняка может быть достигнута за счет повышения температуры расплава. Однако в этом случае увеличиваются удельные энергозатраты, наблюдается повышенный износ футерівки печи и высокий вигар железа. Это подтверждается результатами сравнительного анализа расчетных и действительного количественных составів выплавленного металла и шлака, который образовался в процессе плавки. Так, например, действительное содержимое Si02 в шлаке плавок № 1 и № 2 превышают их расчетные значения соответственно в 15 и 14 раз, а вигар железа в плавках №№ 2, 4 и 5 представляет соответственно 12,9; 17,25 и 12,2 %.

Анализ данных показывает, что полученные шлаки по своему химическому составу отвечают шлакам электрошлакового переплаву. Это достаточно наглядно видно из табличних даннях.

Выводы

1.         Я принимал участие в проведении экспериментальных расчетов содержимого никеля в выплавленном металле. Сравнение расчетных и действительных значений содержимого никеля в выплавленном металле, свидетельствует о полном возобновлении основного элемента (Ni) в ходе плавки.

2.         Переработка отработанных нікелевмістких катализаторов является решением проблемы скопления отходов промышленных предприятий, а также значительно улучшает экологическую обстановку в местах их бывших захоронений.

3.         Уровень газообразных выбросов, при переработке отработанных катализаторов методом редко фазного возобновления, не превышает ПДК по содержанию вредных

4. Установлено, что переплавь катализаторов с высоким содержанием Аl2O3 (к 90%) требует повышенной затраты извести для получения рідкоподвижного шлаков при общепринятых температурных условиях сталеплавильных процессов.

5. В итоге переплаву отработанных катализаторов образуются шлаки, близкие по химическому составу шлакам, применяемым в ЕШТП. В условиях применяемой технологии экономически целесообразно доводить состав получаемых шламов до уровня товарного продукта.

6. Металл, получаемый методом редко фазной восстановительной плавки с использованием отработанных нікелемістких катализаторов, может применяться как заготовка шихты для получения легированных, жаропрочных сплавов.