CC BY
26
В1СТНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХНИЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
Вип.№11
2001р.
УДК 669.046.516.
Плохих П.А.1, Плохих А.П.2, Рассказова Ю.В.3
РАФИНИРОВАНИЕ ЧУГУНА ЖИДКИМИ СОДОСОДЕРЖАЩИМИ ШЛАКАМИ
Разработана технология обработки жидкого чугуна в заливочном 300-т чугуновоз-ном ковше предварительно расплавленной в 140-т чугуновозном ковше кальцинированной содой. Выполнены расчеты необходимого количества тепла для расплавления кальцинированной соды. Приводятся способы реализации и результаты опробования предлагаемой технологии.
Известно, что значительной фосфоропоглотительной способностью обладают железные шлаки, имеющие в своем составе катионы Са + либо Ма . Это объясняется тем, что без катионов Са + или Ма устойчивость анионов РО ~4 в шлаке мала и не позволяет достичь значительной дефосфорации [1].
Поэтому, основным компонентом материалов, используемых для дефосфорации чугуна является известь. Для поддержания необходимой окислительной способности шлака и повышения его жидкотекучести вместе с известью в него вводят железную руду, окалину либо кальцинированную соду. Если шлакообразующая смесь не содержит в своем составе кальцинированную соду, то для повышения жидкотекучести образующегося шлака в состав смеси вводят плавиковый шпат. Ввод в состав смеси 10 % плавикового шпата соответствует его содержанию в шлаке примерно 7-8 %. По имеющимся данным жидкотекучесть малокремнеземистого извест-ково-железистого шлака, содержащего около 7 % СаР2 значительно снижается, достигая весьма низких значений, хотя температура его плавления не превышает 1250-1300 С [2].
Наибольшая эффективность дефосфорирующих шлакообразующих смесей достигается при применении их в порошкообразном виде. Ввод их в жидкий металл осуществляется специальными фурмами. В качестве газоносителя используют азот, воздух, кислород и т.д. Однако, ввод в жидкий чугун холодных порошкообразных материалов способствует снижению температуры металла. По данным многочисленных исследований температура чугуна за время продувки снижается на 15-20 °С [3], 20-30 °С [4] и 40-60 °С[5, 6].
Выполненные расчеты показывают, что при вдувании 1 % извести от массы чугуна, снижение температуры составляет около 15 С, полагая, что в конце продувки их температуры выравниваются. Поскольку, для достижения относительно полной дефосфорации чугуна, необходимо вводить не 1 % смеси, а несколько больше, то соответственно снижение температуры будет заметно больше.
Конвертерный цех металлургического комбината "Азовсталь" работает почти на химически и физически холодном чугуне (содержание Мп не превышает 0,4 %, а средняя температура чугуна за 1999г. составляет 1300 С). Поэтому дефосфорация его твердыми шлакообразую-щими материалами приведет неизбежно к снижению температуры чугуна до недопустимо низких значений. Это в свою очередь вызовет увеличение расхода чугуна на плавку, и соответственно, к удорожанию готового металла, что вряд ли окупается соответствующим снижением в нем содержания фосфора.
Поэтому необходимо применение шлакообразующих материалов в таком виде, чтобы они не снижали, или снижали бы незначительно, температуру чугуна, т.е. использовать материалы в предварительно разогретом (до температуры чугуна в чугуновозном ковше ~1300 °С)
1 ПДТУ, канд.техн.наук, доц.
2 ПДТУ, мл.науч.сотр.
3 ПДТУ, аспирант
состоянии. Еще лучше, если шлакообразующие материалы будут применятся в жидком состоянии, что существенно ускоряет процессы рафинирования металла в чугуновозном ковше. С этой целью применяют расплавленную кальцинированную соду, или шлакообразующие смеси, содержащие кальцинированную соду. Температура плавления кальцинированной соды составляет 852 С, а кипения - 1387 С [1]. Последняя является максимально допустимой температурой, при которой можно еще использовать соду для рафинирования чугуна. При температуре чугуна 1250 °С потери соды на испарение составляют 6%, а при 1350 °С-35 %.
Температура жидкого чугуна в конвертерном цехе дает возможность использовать соду или содержащие её шлакообразующие смеси без значительных потерь последней.
Был выполнен расчет необходимого количества тепла для расплавления кальцинированной соды:
Приход тепла:
1.Тепло горения топлива:
Ql=B-Qp11-Tm (1)
Расход тепла:
2.Тепло, уносимое продуктами горения:
Q2=B-Tm-V-rnv (2)
3.Тепло нагрева и плавления кальцинированной соды:
Q3=m-o(tnjl-tH)+m-X, (3)
где В - расход природного газа, м3/ч;
Qph - теплота горения топлива (34.8 МДж/м3); хпл - время плавления ,ч;
V - объем продуктов горения, образуемый при сжигании 1м природного газа (12м /м );
/Пр - энтальпия продуктов горения (115 кДж/кг); А, - удельная теплота плавления соды (325,5 кДж/кг); с - средняя теплоемкость соды (1304,5 Дж/т.град); tnn - температура плавления соды (854 С); tH - начальная температура плавления соды, °С;
т - масса соды ( приняли 1т из расчета удельного расхода 10 кг/т чугуна).
ßi=ß2+ß3 (4)
Необходимый объём природного газа для расплавления определенного количества соды рассчитывается по уравнению:
B-Qv н-Хпл = В-т пл- V-Гщ, + ш- c(tn-iH) + m-k (5)
Время плавления определяется по следующей формуле:
Tnjl=(ß3-AL)/(A^-A), (6)
где AL - толщина слоя соды (10 см);
S - площадь поверхности, занимаемой содой (4 м площадь дна 140-т чугуновоз-ного ковша);
А, - коэффициент теплопроводности (12,8 -103 Дж/м-т.град.) Время плавления определяли из условия максимального расхода соды - 10кг/т чугуна:
1406,93 • 106 • ОД „„
*пп =-'-т = 3,3Ч
829- 4-12,8-103
Тогда необходимое количество природного газа для расплавления:
„ 1000-1304,5 • 829 • 1000 • 103 ,
В =------ = 12,76 м /ч
34,8 - 10б - 3,3 - 3,3 • 12 -115 • 103
Для интенсификации процесса плавления соды с доведением времени её расплавления до 40-50 минут расход газа через газовоздушную фурму должен быть увеличен до 40-50 м /ч.
В соответствии с расчетами была изготовлена инжекционная газовоздушная фурма, обеспечивающая расход по газу 50 м /ч, по воздуху 100-120 м /ч. Она смонтирована под рабо-
чей площадкой миксера №2 миксериого отделения конвертерного цеха комбината «Азовсталь» и с помощью гибких трубопроводов присоединена к цеховым магистралям газа и воздуха.
Для расплавления кальцинированной соды используется 140-т чугуновозный ковш. Он установлен на специально изготовленном стенде, над которым смонтирована газовоздушная фурма, способная поворачиваться вокруг вертикальной стойки, с целью проведения необходимых технологических операций.
Была предложена следующая технология обработки жидкого чугуна. На стенд устанавливается 140-т чугуновозный ковш. Он накрывается специальной крышкой, футерованной изнутри и имеющей отверстие для ввода газовоздушной фурмы. Во время операций накрытия ковша крышкой и снятия ее, газовоздушная фурма отводится в сторону рабочей площадки, поворачиваясь вокруг вертикальной стойки. Фурма устанавливается рабочим соплом над отверстием в крышке, накрывающей ковш, подается газ в небольшом количестве, он поджигается с помощью факела, затем подается на полную мощность газ (максимальный часовой расход) и воздух. Разогрев ковша при максимальной тепловой нагрузке на газовоздушную фурму, т.е. при расходе природного газа 40-50 м /ч и воздуха 100-120 м /ч, длится около 20 ч. Замеры, проведенные при опробовании этого варианта, показали, что через 20 ч. разогрева чугуновоз-ного ковша, температура днища футеровки его составила 1100 С, а в верхней части стен 900 С. После окончания операции разогрева ковша, газовоздушная фурма отводится в сторону. Снимается крышка с чугуновозного ковша и тоже отводится в сторону с помощью мостового миксерного крана и с помощью этого же крана (один из малых крюков) производится загрузка в разогретый чугуновозный ковш необходимого количества шлакообразующих материалов, предварительно заготовленных в специальном коробе. Масса шлакообразующих материалов определяется необходимой глубиной дефосфорации чугуна. Снова чугуновозный ковш накрывали крышкой, подводили горелку и вводили ее в действие по описанной выше методике и расплавляли шлак. Как показали опробования этого процесса при загрузке кальцинированной соды в чугуновозный ковш с температурой футеровки 900-1000 С в течение 30 мин. сода переходила в жидкое состояние. После расплавления соды снимали крышку с чугуновозного ковша, отводили её в сторону, а в ковш, на расплавленную соду сливали чугун из ковша, пришедшего в миксерное отделение. Во время слива чугуна в ковш, кинетическая энергия струи интенсивно перемешивает шлак, интенсифицируя процесс дефосфорации металла. После наполнения заливочного ковша и, следовательно, окончания процесса рафинирования чугуна, ковш передают в загрузочный пролет конвертерного отделения, где производят удаление шлака, насыщенного фосфором, кремнием и серой, с помощью шлакоскачивающей машины скребкового типа.
По выше описанной методике было проведено два опыта. Заливочный чугуновозный ковш с жидкой содой подавали под желоб миксера и сливали из него чугун. Визуальные наблюдения показали, что при сливе чугуна на жидкую соду происходит интенсивное выделение белого дыма и большого пламени. На протяжении всего времени слива чугуна над шлаком вспыхивали желтоватые языки пламени, указывающие на то, что в шлаке протекает реакция Ыа2СОъ —» Ыа20 + СО , а над шлаком СО догорает до С02. Такие язычки пламени наблюдаются до полного скачивания шлака из ковша. Один опыт был проведен с использованием порошкообразной соды. При этом было замечено, что при падении струи металла в ковш сода поднималась в виде облака пыли и горячими потоками воздуха выносилась из его полости. Этот процесс сопровождался огромным пламенем над ковшом и обильным пылевыделением. Следовательно, степень использования такой соды значительно ниже, в сравнении с жидкой и к тому же сопровождается значительным ухудшением экологии.
Снижение количества примесного элемента:
А|А'|/С1 = ( | А'| [ | - ) / С] - %/кг/т, (7)
где Ен и Ек - начальное и конечное содержание элемента в чугуне, %;
с] - удельный расход материалов, кг/т обработанного чугуна.
Удельная степень рафинирования
СР/д = 102( |/>„| - |Л;| /(\Pn\-q). %/кг/т. (8)
Основные технологические показатели процесса обработки чугуна жидкой кальцинированной содой представлены в таблице.
Таблица - Основные технологические показатели процесса обработки
Л Чугун Кальцинированная сода Химический состав чугуна, % до/после обработки Расчетные параметры
Масса,т Темпе- рату-£ Масса, т Уд. Расход, кг/т фаз. состоя ние 81 5 Р А[Е]/Ч
1 260 1295 0,55 2,12 ж. ,87 .013 ,010 .068 ,058 ,0378 ,0014 ,0047 3,98 10,9 6,95
2 260 1300 0,75 2,88 ж. Ж ,7 .019 ,011 .068 ,053 ,0381 ,0027 ,0052 4,71 14,6 7,65
3 280 1305 0,75 2,68 ТВ. Л ,76 .012 ,009 .072 ,065 ,0149 ,0011 ,0026 1,87 9,33 3,63
Приведенные в таблице данные показывают, что значения удельного количества удаленного фосфора, кремния и серы при использовании жидкой кальцинированной соды больше по сравнению с порошкообразной.
Выводы
¡.Выполнен анализ процесса дефосфорации и частичной десиликанизации и десульфу-рации чугуна в чугуновозных ковшах с помощью кальцинированной соды, находящейся в жидком состоянии.
2.Результаты опробования технологии свидетельствуют о целесообразности использования предварительно расплавленной соды.
Перечень ссылок
1. Сидоренко М.Ф. Теория и практика продувки металла порошками. - М.: Металлургия, -1978. -231 с.
2. Костюченко Е.Б. Условия сверхскоростного обесфосфоривания металла шлаком. -Харьков . : Изд-во ХГУ. 1960.-70 с.
3. Мазуров Е.А. Десульфурация чугуна в ковшах //Металлург. -1967.-№1.-С. 12-13.
4. Новое в теории и практике производства мартеновской стали. -М.: Металлургиздат, 1961. -439 с.
5. Коренев Л.П., Пашкова З.И. Внедоменная десульфурация чугуна //Металлургическая и горнорудная промышленность. - 1968. -№2. -С.8-11.
6. Ладыжинский Б.Н. Применение порошкообразных материалов в сталеплавильном процессе. - М.: Металлургия, 1973. -312 с.
Плохих Петр Андреевич. Канд. техн. наук, доц. кафедры металлургии стали, окончил Жда-новский металлургический институт в 1970 году. Основные направления научных исследований - совершенствование технологии подготовки материалов к плавке; малошлаковая технология выплавки стали; внепечная обработка металла.
Плохих Андрей Петрович. Мл. науч. сотрудник кафедры металлургии стали, окончил Приазовский государственный технический университет в 1993 году. Основные направления - совершенствование технологии подготовки материалов к плавке; малошлаковая технология выплавки стали; внепечная обработка металла.
Рассказова Юлия Владимировна. Аспирант кафедры металлургии стали, окончила Приазовский государственный технический университет в 2000 году. Основные направления - совершенствование технологии подготовки материалов к плавке; внепечная обработка металла.
Статья поступила 21.03.2001.
