CC BY
119
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ 2008 р. Вип. № 18
УДК 669.18.046.5
КазачковЕ.А.1, Чепурной А.Д.2, Юшкова М.Г.3, Шумаков М.А.4, Зюбрев С.И.5
ПРОЦЕСС ДЕСУЛЬФУРАЦИИ ЭЛЕКТРОСТАЛИ НА УСТАНОВКЕ «КОВШ-ПЕЧЬ»
Рассмотрены особенности процесса десулъфурации электростали на установке ковш-печь. Проанализировано влияние состава шлака, продолжительности обработки, условий перемешивания аргоном и количества шлака на степень десулъфурации стали.
В настоящее время особо низкое содержание серы в металле чаще всего достигается путем десульфурации на установке «ковш-печь» (УКП). Основными факторами, определяющими эффективность этого процесса, являются состав, количество и режим формирования рафинировочного шлака, состав металла, интенсивность перемешивания металла и шлака, продолжительность обработки, вид футеровки ковша. Оптимизация указанных технологических факторов способствует повышению эффективности процесса десульфурации [1 - 3].
Равновесный коэффициент распределения серы между шлаком и металлом L , характеризующий наибольшую степень десульфурации, можно выразить эмпирическим уравнением [4] L's, = -2,78 + С),86{[(СаО) + 0,05 (Mg0)]/[(Si02) + 0,6(А1203)]} - lga0 + lgfs (1)
где (СаО) и др. - содержание соответствующих оксидов в шлаке; а0 - активность кислорода в металле; fs - коэффициент активности серы в металле. Практика глубокой десульфурации стали (< 0,005 % S) на УКП показывает прежде всего на необходимость низкого содержания (FeO + МпО) < 1,0 % [2 - 8]. При этом из опыта выплавки стали в ДСП известно, что высокораскисленные белые шлаки на УКП можно получать только при работе на низких ступенях напряжения трансформатора.
Цель работы состоит в комплексном анализе влияния многих технологических факторов на процесс распределения серы между металлом и шлаком при обработке стали на УКП.
Зависимость коэффициента распределения серы между шлаком и металлом Ls от содержания (FeO+MnO) представлена на рис. 1 [3]. Показано, что величина Ls может изменяться в очень широких пределах при относительно узком интервале изменения (FeO+MnO) в высокоосновном шлаке. При содержании в шлаке (FeO+MnO) < 1 для получения коэффициента Ls > 120 необходимо, чтобы основность шлака В = 3,5 - 4,0 (рис. 2).
Получаемые при обработке металла на УКП величины Ls далеки от равновесных и определяются кинетическими параметрами процесса обработки, при которых продолжительность обработки и поверхность контакта металл-шлак лимитируют достижение максимального эффекта десульфурации.
Значения Ls зависят не только от состава и жидкоподвижности шлака, но и от продолжительности обработки на УКП, а также условий перемешивания металла и шлака вдуваемым газом. Исследования [9] показали, что при совмещении процессов нагрева и десульфурации продолжительность обработки металла на УКП должна быть не менее 40 мин (рис. 3).
ПГТУ. д-р техн. наук, проф.
2ОАО «ГСКТИ», д-р техн. наук, проф.
3ОАО «Азовмаш», инж.
4ОАО «Азовмаш», инж.
5ОАО «ГСКТИ», аспирант
И
250 200 150 100-50 ■■
у = 66,055х'
,-i.ua
Я2 = 0,7735
у.ТТ,«'..,,А-4--*
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Содержание в шлаке (РеО+МпО), %
Рис. 1 - Зависимость коэффициента распределения серы от содержания в шлаке (ТеО+МпО)
3 4 5
Основность шлака
Рис. 2 - Зависимость коэффициента распределения серы от основности шлака
Реально на разных металлургических предприятиях она обычно колеблется от 40 до 60 мин и определяется не только условиями нагрева и десульфурации, но и циклом разливки металла на УНРС. Очередность и порционность подачи порошкообразных (извести и кокса) и кусковых материалов, ввод их в разные зоны покровного шлака, а также присадка на шлак мелкого алюмотермического шлака дали возможность снизить продолжительность шлакообразования до 10 - 12 мин.
Это позволило при заданном времени технологических операций на УКП до 25 мин, определяемом скоростью разливки металла на УНРС, увеличить степень десульфурации стали в среднем до 75 %. Максимальная степень десульфурации составляет 80 - 85 %, т.е. практически при любой концентрации серы на выпуске метапла из дуговой печи обеспечивается необходимое содержание серы в готовой стали. Ускорен-
Рис. 3 - Зависимость коэффициента распределения серы от продолжительности обработки металла на УКП (цифры у точек - количество плавок; расход шла-кообразующей смеси - 15 кг/т)
ный режим шлакообразования позволил сократить расход извести с 17,8 до 11,7 кг/т, плавикового шпата - с 2,3 до 1,4 кг/т стали, электродов на 10 %, электроэнергии - на 3 %; при этом стойкость сталеразливочных ковшей повысилась с 48 до 74 плавок.
Высокая степень десульфурации стали на УКП достигается только в условиях интенсивного перемешивания металла и шлака аргоном, вдуваемым обычно через 2-3 донные фурмы.
Донная продувка металла инертным газом является более эффективной по сравнению с продувкой через верхнюю фурму. При этом пористые пробки, изготовляемые на основе глинозема, магнезита или хромомагнезита, используют при небольшом расходе газа. Расход аргона на продувку изменяется в широких пределах. Максимальная интенсивность продувки ограничивается возможностью оголения зеркала металла. Обычно продувку аргоном считают интенсивной при 5 л/(мин-т) [6].
Степень десульфурации стали при заданном составе шлака и его количестве определяется не расходом газа, а мощностью перемешивания. Перемешивание аргоном интенсифицирует массоперенос серы из металла в шлак. Зависимость коэффициента массопереноса серы от мощности перемешивания (по данным ИРСИД) показана на рис. 4а [10]. Величина К8 зависит также от исходного содержания серы в металле (рис. 46) [6]. По данным лабораторных экспериментов [6], при определенных гидродинамических условиях, с повышением содержания серы в металле до ~ 0,030 % величина К, возрастает, достигает максимума и затем вновь уменьшается.
При прочих равных условиях решающее влияние на степень десульфурации и конечное содержание серы в стали оказывает количество рафинировочного шлака. Для получения заданного содержания серы в металле, необходимое количество шлака {дшл, кг/100 кг (%)}, можно рассчитать по уравнению [3]:
Чшл = {100([5]к - [8]к)} / -(З),, | (2)
где [8]п и [Б]к - начальное и конечное содержание серы в металле;
Ья - коэффициент распределения серы между шлаком и металлом;
(5}н - начальное содержание серы в наводимом шлаке.
Содержание серы в металле < 0,005 % (степень десульфурации > 80 %) достигается при наведении шлака с высокой десульфурирующей способностью (Ц > 100) в количестве не менее 4 %. Для получения не более 0,010 - 0,015 % Б (при степени десульфурации около 50 %) достаточно наведение шлака в количестве до 1 - 2 %. При Ц > 150 количество шлака уменьшается соответственно до 3 и 1 %. Количество рафинировочного шлака в ковше для достижения особо низкого содержания серы в стали сопоставимо с соответствующим его расходом при обработке металла дорогостоящим синтетическим шлаком [11]. Однако на УК11. вследствие нагрева металла электрическими дугами, несколько меняется роль шлака, который должен, кроме удаления серы, обеспечить устойчивое горение электрических дуг для нормального режима нагрева металла, уменьшить теп-лопотери на нагрев крышки ковша и с отходящими газами. По данным работы [10], толщина слоя шлака в УКП должна быть не меньше длины дуги, что для 120 - 140-т ковша составляет 65 мм. При тонком слое шлака происходит поглощение металлом углерода из электродов (2,0 - 2,5 ррт/мин), а также возрастает поглощение газов, в частности азота. При увеличении толщины слоя высокоосновного электропроводящего шлака более 200 мм, в нем могут возникнуть токи, накоротко замыкающие электроды, вызывая нагрев шлака, а не металла.
На показатели десульфурации оказывает значительное влияние состав обрабатываемой стали. Так, степень десульфурации бескремнистой (81 < 0,02 %) стали, раскисленной только алюминием, значительно ниже, чем раскисленной алюминием и кремнием. По данным работы [3], при обработке низкоуглеродистой стали (типа 08Ю, 08пс) на удаление около 50 % серы за-
0 _I I _! ! I_I
0,001 0,005 0,01 0,02 0,05 0,1 0,2 0,5 1.0 Исходное содержание серы, %
Рис. 4 - Зависимость коэффициента массопереноса серы (К8) от мощности перемешивания металла в ковше (а) и содержания серы в стали (б).
трачивается примерно в 1,5 раза больше времени, что обусловлено практически отсутствием в такой стали кремния (< 0,02 - 0,03 %). Присутствие кремния в стали снижает активность кислорода в металле, способствуя увеличению Ls и тем самым более полному переходу серы из металла в шлак. При обработке низкоуглеродистой стали содержание (FeO+MnO) в шлаке обычно более высокое, что уменьшает значение. Ls и достигаемую степень десульфурации.
Выводы
Оптимизация технологии десульфурации на установке ковш-печь с учетом существующих особенностей каждого предприятия позволяет за время нормального цикла обработки на УКП (< 40 - 50 мин) осуществлять производство стали с любым регламентировано низким содержанием серы, включая и производство особо низкосернистых (не более 0,001 - 0,003 % S) марок стали соответственного назначения.
Перечень ссылок
1. Производство стали на агрегате ковш-печь / Д.А. Дюдкин, С.Ю. Батъ, С.Е. Гринберг, С.Н. Маринцее II Донецк: ООО «Юго-Восток. Лтд». - 2003,- 300 с.
2. Смирнов H.A. Оптимизация технологии десульфурации стали на установке ковш-печь / H.A. Смирнов II Электрометаллургия. - 2004. - № 1. - С. 20 - 28.
3. Особенности десульфурации стали на установке ковш-печь в ОАО ММК / Р. С. Тахаутди-нов, A.M. Бигеев, А.Х. Валиахметов и др. II Электрометаллургия. - 2003. - № 7. - С. 31 - 34.
4. Григорян В.А. Физико-химические расчеты электросталеплавильных процессов / В.А. Григорян, А.Я. Стомахин, А.Г. Пономаренко. - М.: Металлургия. - 1989. - 288 с.
5. Внепечная десульфурация стали / Г. Грунер, Ф. Барденхойер, X. Роммерсвинкер и др. II Черные металлы. - 1976. - № 20. - С. 23 - 27.
6. Плушкелъ В. Металлургические реакции, обеспечивающие установление минимальных содержаний углерода, фосфора, серы и азота в стали / В. Плушкелъ II Черные металлы. - 1990. -№ 6.-С. 20-30.
7. Снижение содержания серы и водорода путем внепечной обработки легированной стали / В.А. Новиков, С.А. Иодковский, B.C. Дуб и др. // Сталь. - 1987. - № 7. - С. 26 - 28.
8. Совершенствование технологии внепечной обработки стали на установке ковш-печь / И.В. Деревянченко, О.Л. Кучеренко, A.B. Галъченко и dp. II Сталь. - 1999. - № 7. - С. 30 - 32.
9. Рябов В.В. Эффективность нагрева и десульфурации металла на установке ковш-печь постоянного тока / В.В. Рябое, В.И. Савченко, А.Я. Бунеев II Сталь. - 1996. - № 4. - С. 27 - 30.
10. Пути ресурсосбережения при внепечной обработке стали / Д.А. Дюдкин, С.Е. Гринберг,
A.B. Грабов и др. // Сталь. - 2002. - № 3. - С. 55 - 57.
11. Десульфурация электротехнической изотропной стали жидким синтетическим шлаком /
B.И. Савченко, В.Г. Пегое, B.C. Кондрашкин и др. II Сталь. - 1997. - № 8. - С. 25 - 28.
12. Совершенствование технологии внепечной обработки конвертерной стали / А. Ф. Сарычее, АД Носов, В.Ф. Коротких и др. // Сталь. - 2002. -№ 1. - С. 19 - 21.
Рецензент: С.Л. Макуров д-р техн. наук, проф., ПГТУ
Статья поступила 10.04.2008
