CC BY
22
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2007 р. Вип. №17
УДК 669.162.046.546.2
ЭФФЕКТИВНОСТЬ КОВШЕВОЙ ОБРАБОТКИ ДОМЕННОГО ЧУГУНА МАГНИЙСОДЕРЖАЩИМИ ПОРОШКОВЫМИ КОМПАКТ-МАТЕРИАЛАМИ
Проведен системный анализ балансовых уравнений последовательного ряда реакций химических и фазовых превращений порошковых материалов, описывающих процессы рафинирования железоуглеродистых расплавов, рассчитаны из уравнения суммарной реакции материального баланса нормативные расходные коэффициенты и приведены результаты эффективности ковшевой обработки чугуна магнием в смеси с графитом и ставролитом.
Порошковые компакт-материалы (ПКМ) - это специальные изделия (в оболочке или без оболочки) из химически-активных компонентов фракционированных материалов заданного гранулометрического состава (< 3,0 мм), различающиеся способом их формования при плакировании, прессовании, волочении и т.д. в виде проволок, лент, брикетов и др.
При ковшевой обработке доменного чугуна широко используют порошковые проволоки, содержащие гранулированный магний и ставролитовый концентрат в стальной оболочке диаметром 10-13 мм, которые вводят в объем жидкого металла с помощью трайбаппарата со скоростью до 1,5-2,0 м/с [1].
Эффективность ковшевой обработки доменного чугуна зависит от многих технологических факторов: начальные и конечные содержания серы в чугуне, температура, время обработки от момента ввода проволоки до момента слива чугуна в миксер или плавильный агрегат и др. [2], а также от химического, минералогического и фракционного состава наполнителя, которые влияют на отдельные стадии механизма поведения порошковых материалов в стальной оболочке при ее нагреве и растворении в жидком чугуне.
При исследовании механизма десульфурации чугуна магнием рассматривают реакции сульфидообразования с газообразным и растворенным в жидком чугуне магнием, о роли каждой из которых продолжаются дискуссии до настоящего времени [3, 4].
Растворимость летучих элементов, в т.ч. магния, в жидком железе определяют экспериментально в закрытых объемах при избыточном давлении газовой атмосферы, равной или больше упругости пара магния при заданной температуре. В жидком железе при 1600 °С получена растворимость магния —1,0 масс. % [5], в жидком чугуне до 0,02-0,03 % [6].
Целью настоящей работы является разработка методики системного анализа балансовых реакций химических и фазовых превращений порошковых компонентов для исследования процессов взаимодействия железоуглеродистых расплавов с магнийсодержащими порошковыми компакт-материалами и сопоставительный анализ их эффективности при ковшевой обработке доменного чугуна.
Ковшевая обработка чугуна порошковыми компакт-материалами условно подразделяется на два этапа. Первый этап включает реакции химических и фазовых превращений твердых, жидких, газообразных компонентов наполнителя в стальной оболочке во время нагрева до температур жидкого чугуна. Второй этап включает реакции химических и фазовых взаимодействий компонентов наполнителя с кислородом и серой, растворенных в жидком чугуне, после полного расплавления (растворения) оболочки.
Кроме того, на первом этапе происходит частичное окисление магния кислородом и водяными парами остаточной атмосферы внутри стальной оболочки, а на втором этапе происхо-
1 ГТГТУ, аспирант
2 ИПМ HAH Украины, канд. техн. наук, ст. науч. сотр.
3 ГТГТУ, д-р техн. наук, проф.
Алексеева В.А.1, Белов Б.Ф.2, Троцан А.И.3
дит окисление (дожигание) газообразного магния в открытой атмосфере, сопровождающееся пироэффектом над поверхностью жидкого чугуна.
Сумма отдельных стадий процесса рафинирования чугуна в виде последовательного ряда химических и фазовых реакций составляют материальный баланс ковшевой обработки чугуна, а общее балансовое уравнение позволяет рассчитать нормативные расходные коэффициенты и эффективность различных наполнителей для порошковых компакт-материалов.
Методика системного анализа обобщенных (суммарных) уравнений материального баланса технологического процесса в отличие от метода алгебраического суммирования химических реакций [7, 8] не рассматривает термодинамические характеристики реакций (энергию Гиббса, константы равновесия), однако учитывает структурно-химическое состояние исходных реагентов при образовании промежуточных металлических и шлаковых фаз в открытой металлургической системе стохастического типа [7].
В качестве наполнителей порошковых компакт-материалов выбраны магний гранулированный (М§гр), графит (Г), ставролитовый концентрат (С), которые изготавливаются и используются на ОАО «ММК им. Ильича».
ПКМ-МС (магий +ставролит) Этап I
щт™ -+щм§тпкм
(1) (2)
2
Ъ{МёТпкм + (Ре2034А12034Я02)пш ->2^ +{МёО)сп"ш + (2М804А120345И02)ПШ (3)
№0)+ №0)^ 2(МёО)пкм (4)
\2(МёТпкм^\2{Мё}пкм (5)
2(МёО)пкм + (2Мё04А1203 4)шм (4Мё04А1203 4)шм (6)
£7(1 + 6): \6(Мё)™км + (Ее2034А120348Ю2)пкм +^(02)пкм --►2 Репкм +12 {Мё}пкм +(4Мё04А120348Ю2)пкм
(7)
На первом этапе ковшевой обработки чугуна порошковыми компакт-материалами последовательный ряд превращений компонентов наполнителя включает 6 реакций, в т.ч. фазовые (агрегатные) превращения гранулированного магния по схеме Мёпар, а также
окисление (М?)лкм кислородом остаточной атмосферы в объеме стальной оболочки. Реакция окисления магния ставролитом (3), стехиометрическая формула которого рассчитана из химического состава и полностью отвечает составу его минерала - Ре2034А120348102, включает биа-
люмосиликат магния Мё02А120328102 с избыточной фазой - оксидом магния (Мё0)с^(м .
Численные значения стехиометрических коэффициентов для чистого магния зависят от реализации реакций оксидо-сульфидообразования, которые прописываются на втором этапе механизма ковшевой обработки чугуна.
Последовательный ряд семи приведенных ниже реакций второго этапа включает процессы растворения и перехода в жидкий чугун и шлак, образовавшихся на первом этапе компонентов ПКМ, а также химические реакции окисления магния кислородом атмосферы, раскисления, десульфурации чугуна и шлакообразования, в т.ч. летучих продуктов дожигания газообразного магния (МёО)Х.
Этап II
2 Fe —2 Fe
ПКМ ^ Me
\2{Mg}nKM ->12{Mg}Me
(8) (9)
(4Mg04Al2034Si02)nKM -+(4Mg04Al2034Si02)mjl (Ю)
5{Mg}Me {02)атм 5(MgO) t (11)
4{Mg}Me + 4[0]Me -^4(Mg())m i (12)
3{Mg}Me+3[S]Me 3(MgS,)ш (13)
(4Mg04Al2034Si02)lwl + 4(Mg0)lwl+3(MgS)uw ^(3MgSmg04Al2034Si02)^ (14)
115(8 + 14): 12 {Mg}nKM + (4Mg04Al2034Si02)nKM +2 FenKM + -(02)amM
5
2 y^l)атм 1 (15)
+ 4[0]Me + 3|.V|A/c -+2FeMe +5(MgO) t +(4MgSmg04Al20,4Si02)mjl
Общее балансовое уравнение химических реакций, как алгебраическая сумма промежуточных балансовых уравнений (7+15) первого и второго этапов механизма рафинирования чугуна, имеет вид:
216(7 +15):16(Mg)^ + (Fe20,4Al20,4Si02)nKM Л(02) + 4[0]Ме +ВДМе
2 (16)
2FeMe + 5(MgO) t +(3MgS8Mg04Al203 4Si02 )шл
Из последнего уравнения, в частности, определяется состав наполнителя ПКМ: 32,2 % магния + 67,8 % ставролита. Общий расход ПКМ (QnKM=\,\92 кг/т, в т.ч. Q°Mg= 0,384 кг/т) являются нормативным расходом для окисления магния кислородом атмосферы и ставролитом, раскисления, десульфурации и шлакообразования в соответствии с общим балансовым уравнением (16). Нормативный расход магния (Q°Mg) служит постоянным коэффициентом при определении фактического расхода магния (Q^Mg) для фактического количества удаленной серы.
В результате реакции шлакообразования (14) появляются алюмосиликаты оксисульфидов магния, содержащие 14,8 % MgS + 28,2 % MgO + 35,9 % Al203 + 21,1 % Si02, модуль шлака М=0,75, адсорбционная емкость по сере As = 8,5 %, температура плавления -1400 °С.
Следует отметить, что расчетный состав наполнителя из порошковых компонентов при соотношении магний:ставролит = 1:2,1 отвечает известному патенту Украины (№23570, С21С1/00, опубл. 15.11.2001) и используется для порошковых проволок на ОАО «ММК им. Ильича».
ПКМ - МГС (магний+графит+ставролит)
При использовании графита в смеси с магнием и ставролитом для ПКМ-МГС в отличие от ПКМ-МС на первом этапе ковшевой обработки чугуна отсутствуют реакции окисления магния кислородом остаточной атмосферы в объеме стальной оболочки и оксидом железа в ставролите, но появляется реакция окисления углерода:
(С)пкм + % (02)пкм^ COt (17)
Промежуточное уравнение суммарной реакции первого этапа имеет вид:
12(Мё)тпвш +4(С)пкм +(Ре2034А12034Я02)пш +\(02)пки + 4С0\+(4А120,48Ю2)ПКМ +12 {М8)пш Уравнение суммарной реакции второго этапа имеет вид:
2 Репкм +12 {Мё}пкм +^(02)атм +4 [0]Ме+ЗЩМе +(4А12Оъ4БЮ2)пкм
2/'б'А/е +5(М§0) Т +(ЪМ^4Мя()4Аи),4Н,(К)ш:1
(18)
Общее уравнение балансовых реакций для ПКМ-МГС имеет вид:
12 (Mg) + з [S]Me
те ПКМ
+ ЧС)ПКМ + (Fe 2034Al2034Si0 2) пкм +-(02)1
+ 4 [0]А
2FeMe + 4СО t +5(MgO ) t +(3MgS 4MgO 4^/2034Ж02)ии
Из последнего уравнения рассчитан состав смеси порошковых компонентов: 25,2 % магния + 4,2 % графита + 70,6 % ставролита, при общем расходе <2пкм = 1,44 кг/т, в т.ч. 0"м:. = 0,288 кг/т.
Образовавшийся в результате обработки ПКМ чугуна шлак является тугоплавким (-1500 °С) и содержит 17,2 % + 16,4 %МёО + 41,8 %А1203 + 24,6 % БЮ2, модуль шлака М=0,50, адсорбционная емкость по сере А3 = 9,8 %.
Сравнительный анализ эффективности ковшевой обработки доменного чугуна различными типами порошковых компакт-материалов приведен в таблице. Здесь представлены результаты расчетных данных для ПМК-МС и ПМК-МГС и результаты опытно-промышленных испытаний серийных (ПМК-МС 1, ПМК-МС2) и экспериментальных (ПМК-МГС 1, ПМК-МГС2) порошковых проволок при обработке чугуновозных ковшей в отделении десульфура-ции чугуна доменного цеха ОАО «ММК им. Ильича».
Таблица — Сопоставительный анализ эффективности ковшевой обработки доменного чугуна
порошковыми компакт-материалами
Тип порошковых компакт-материалов Состав наполнителя, масс. % Расход магния, кг/т Количество удаленной серы, кг/т Коэффициент использования магния Пылешлаковые продукты, кг/т
Mg Г С Mg°/Mg* AS°/AS* Кем/Ко KS/KCT Пыль Шлак
ПКМ-МС 32,2 - 67,8 0.384 0,800 0.096 0,200 0.370 0,250 0.190 0,190 0,20 1,14
ПКМ-МС 1 30-35 - 65-70 0.52 - - 0.10-0.11 - -
0,90-0,95 0,130 -
ПКМ-МС2 40-45 - 55-60 0.56 1,8-2,0 0,140 - 0.05-0.06 - -
ПКМ-МГС 25,2 4,2 70,6 0.288 0,60 0.096 0,200 0.42 0,33 0.25 0,20 0,98
ПКМ-МГС 1 20-25 5-10 70-75 0.39-0.42 - - 0.21-0.24 - -
0,4-0,5 0,13-0,14 -
ПКМ-МГС2 -II- -II- -II- 0.45-0.51 - - 0.15-0.16 - -
0,7-0,8 0,15-0,17 -
Примечание: Mg'VMg'1'. AS7AS* - нормативные (числитель) и фактические (знаменатель) значения; К02/К0- окисление атмосферой и раскисление, К3/КСт - десульфурация и окисление магния ставролитом.
Программа испытаний включала изготовление на ХМФ комбината опытной партии ПКМ-МГС в количестве 20-ти бухт, длина которых составляла -3000 м и 2000 м, содержащих магния в одном погонном метре в количестве 19,1-27,0 г/м и 33,8-50,5 г/м при степени заполнения 40-47 % и 49-58,2 % для проволок 0 10 мм и 0 13 мм, соответственно. Рецептура порошковых наполнителей опытной партии ПКМ-МГС защищена ДНУ №16196, С21С 1/00, опубл. 17.07.2006 г.
В соответствии с ТИ 227-Д-05-2004 на ОДЧ обрабатывался чугун, содержащий серу на «летке» доменной печи не более 0,020 % и конечную серу на «миксере» 0,003-0,005 %, степень десульфурации достигала 70-80 %. Для сравнительных расчетных данных сера на «летке» равна 0,025 %, на «миксере» - 0,005 %, степень десульфурации - 80 %. Содержания кислорода в чугуне начальные - 0,010 % и конечные - 0,005 %, степень раскисления - 50 %.
Приведенные данные показывают, что нормативные расходы магния на десульфурацию чугуна {Mg0) для ПКМ-МС выше ПКМ-МГС в 1,3 раза. Фактический расход (Mgф) отличается от нормативного в несколько раз: для ПКМ-МС 0,52-0,56 кг/т против 0,9-2,0 кг/т и для опыт-
ных ПКМ-МГС 0,39-0,51 кг/т против 0,4-0,8 кг/т. При этом фактический коэффициент использования магния на десульфурацию чугуна (Ks) для серийных ПКМ меньше расчетного значения (0,19) в 1,7-4,0 раза. Для опытных ПКМ Ks =(0,15-0,24) и практически не отличается от нормативного значения (0,25). Полученные результаты для серийных ПКМ согласуются с результатами анализа десульфурации доменного чугуна, выполненных ранее сотрудниками комбината [1]. В таблице также приведены расчетные данные по количеству пылешлаковых продуктов при обработке чугуна, которые практически не отличаются для серийных и опытных ПКМ и составляют 0,20 кг/т летучих продуктов и 0,98-1,14 кг/т - ковшевых шлаков.
Более высокая технологическая эффективность опытных ПКМ по сравнению с серийными ПДК подтверждаются и экономической эффективностью. За счет сокращения удельного расхода магния с 0,9-2,0 кг/т до 0,4-0,8 кг/т в ценах 2006 г. ожидаемый экономический эффект составляет 1,5-3,0 грн. на каждой тонне обработанного чугуна. Кроме того, значительно улучшается экологическая обстановка на рабочих местах.
Выводы
1. Разработанная методика системного анализа структурно-химических реакций при ковшевой обработке чугуна позволяет определить нормативные расходные коэффициенты порошковых материалов и оптимизировать расход магния для заданной глубины раскисления и десульфурации железоуглеродистых расплавов.
2. Установлено, что при обработке жидкого чугуна магнийсодержащими порошковыми материалами образуются твердые или жидкие (температура ликвидуса ~ 1400-1500 иС) неметаллические включения типа алюмосиликатных оксисульфидов магния в количестве —1,0 кг/т, а также пылегазовые продукты летучих компонентов ~0,2 кг/т при полученных нормировочных расходах магния ~ 0,3-0,4 кг/т.
3. Сопоставительный анализ эффективности ковшевой обработки чугуна порошковыми компакт-материалами по расчетным данным и опытно-промышленным испытаниям в доменном цехе ОАО «ММК им. Ильича» свидетельствует в пользу опытных ПКМ, по сравнению с серийными ПКМ. За счет снижения удельного расхода магния в количестве 0,5-1,0 кг/т ожидаемый экономэффект составит 1,5-3,0 грн. на каждой тонне обработанного чугуна.
4. Дальнейшее направление работ предусматривает разработку рецептуры новых порошковых компакт-материалов из минерального и техногенного сырья горнорудной и металлургической промышленности.
Перечень ссылок
1. Анализ результатов десульфурации чугуна магниевой порошковой проволокой / А.М.Зборщик, Н.В.Косолап, Ю.В.Галагура и др. II Металл и литье Украины. - 2005. - №6. -С.7-9
2. Вергун A.C. К вопросу о механизме десульфурации чугуна магнием / А.С.Вергун, И.МЛа-фер, А.Ф.Шевченко II Сталь. - 1985. - №3. - С. 17-19.
3. Зборщик A.M. Анализ исследований десульфурации чугуна магнием / А.М.Зборщик // Металлургическая и горнорудная промышленность. — 2001. — №6. — С. 18-20.
4. Барботажное перемешивание и механизм десульфурации при обработке железоуглеродистых расплавов щелочноземельными элементами / Е.А.Чичкарев, А.И.Троцан, Е.А.Казачков и др.II Процессы литья. - 2006. - №4. - С.3-9.
5. Агеев Ю.А. О растворимости магния в жидком железе и некоторых двойных сплавах на его основе /Ю.А. Агеев, С.А. Арчугов. II Металлы. - 1984. - №3. - С.78-80.
6. Воронова H.A. Десульфурация чугуна магнием / H.A. Воронова. - М.: Металлургия, 1980. -240 с.
7. Казаков C.B. Кафедра металлургии стали МИСиС: вчера, сегодня, завтра. / С.В.Казаков II Сталь. - 2005. - №10. - С.62-67.
8. Стомахин А.Я. О суммировании химических реакций и их термодинамических характеристик / А.Я.Стомахгш II Сталь. - 2006. - №6. - С.60-61.
Рецензент: Е.А.Чичкарев канд. техн. наук, доц., ПГТУ
Статья поступила 27.10.2007.
