Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

MS / Лекция_8

.pdf
Скачиваний:
32
Добавлен:
06.02.2016
Размер:
233.9 Кб
Скачать

61

8 ШИХТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ СТАЛЕПЛАВИЛЬНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Шихтовые материалы сталеплавильного производства можно разделить на следующие группы:

металлическая шихта передельный чугун, металлический лом,

металлизованное сырье, ферросплавы;

добавочные материалы флюсы, твердые окислители, карбюриза-

торы;

топливо.

8.1Передельный чугун

Доля жидкого чугуна в металлической шихте кислородных конвертеров составляет 70 – 80% и более, в металлической шихте мартеновских печей, ра-

ботающих скрап-рудным процессом, – 50 – 70%. Чугун является наиболее энер-

гоемкой и дорогой составляющей шихтовых материалов, которая определяет технико-экономические показатели сталеплавильного передела.

Химический состав передельного чугуна должен соответствовать требо-

ваниям ДСТУ 3133-95 «Чавун переробний. Технічні умови».

Минимальные суммарные затраты в доменном и сталеплавильном произ-

водстве достигаются при использовании передельного чугуна состава, %: 4,0 – 4,5 C, 0,6 – 0,8 Si, 0,5 – 0,6 Mn, не более 0,02 S, не более 0,15 P. Однако в связи с возрастающим дефицитом марганцевого сырья содержание марганца в пере-

дельном чугуне большинства заводов в последние годы уменьшилось до 0,15 – 0,3%. Кроме того, при работе доменных печей на коксе, полученном из высоко-

сернистых углей Донбасса, технические условия предприятий Украины допус-

кают использование в сталеплавильных цехах чугуна с содержанием серы до

0,03 – 0,04% и более.

62

8.1.1 Внедоменная десульфурация чугуна

На современных металлургических предприятиях обязательным является наличие отделений внедоменной десульфурации чугуна (ОДЧ), которые позво-

ляют решать следующие задачи:

глубокая десульфурация чугуна для выплавки низкосернистых марок ста-

ли;

устранение периодического повышения содержания серы в чугуне (до 10

– 15% общего его объема), а также последствий нарушений хода домен-

ных печей, промывок и др.;

десульфурация всего количества выплавленного чугуна при работе до-

менных печей на шлаках пониженной основности с целью снижения рас-

хода кокса.

Впромышленных масштабах для десульфурации чугуна в разное время широко использовали порошкообразную известь, кальцинированную соду, по-

рошкообразный карбид кальция и магниевые реагенты.

Известь является наиболее дешевым реагентом, который доступен в практически неограниченных количествах.

Основными его недостатками при использовании в качестве десульфура-

ции чугуна являются:

высокие расходы десульфуратора (до 10 – 15 кг/т чугуна);

большие потери чугуна со шлаком, который удаляется из ковша по-

сле обработки;

большие потери температуры чугуна.

Кальцинированная сода (Na2CO3) также является сравнительно деше-

вым реагентом. После обработки чугуна содой шлаки имеют малую вязкость, в

результате чего потери чугуна с ковшевым шлаком практически полностью от-

сутствуют.

Основными недостатками применения кальцинированной соды в качест-

ве десульфуратора чугуна являются:

63

ограниченная глубина десульфурации металла при подаче соды в ковш под струю чугуна;

ресульфурация чугуна после обработки вследствие понижения ос-

новности ковшевого шлака в результате разрушения футеровки чу-

гуновозных ковшей в шлаковом поясе;

ухудшение санитарно-гигиенических условий в цехе;

большие потери температуры чугуна;

шлаки с высоким содержанием оксида натрия требуют специаль-

ных способов переработки.

Карбид кальция (CaC2) является эффективным десульфуратором чугуна,

применение которого позволяет понижать концентрацию серы в металле до

0,005% и менее.

Главными причинами, которые препятствуют широкому использованию карбида кальция в качестве десульфуратора чугуна, являются следующие:

в странах СНГ порошкообразный карбид кальция в промышленных масштабах не производится;

дробление карбида кальция на металлургических заводах должно выполняться в инертной атмосфере с использованием оборудова-

ния во взрывобезопасном исполнении, чем обусловлена высокая его стоимость;

интенсивное образование настылей на стенках ковшей и большой объем работ по их очистке;

ковшевые шлаки после обработки чугуна карбидом кальция требу-

ют специальных способов переработки.

Магний является наиболее дорогостоящим из применяемых промышлен-

ностью десульфураторов. Применение магния позволяет понижать содержание серы в чугуне до 0,002 – 0,005%. При этом расходы десульфуратора минималь-

ны. Пыль и ковшевые шлаки не требуют специальных способов очистки и пе-

реработки.

64

Главным недостатком десульфурации чугуна магнием является необхо-

димость значительного недолива подаваемых на обработку чугуновозных ков-

шей.

В результате исследований, проведенных Институтом черной металлур-

гии МЧМ СССР в 1980 – 1985 г.г., показано, что при учете сопутствующих за-

трат при глубокой десульфурации чугуна наименьшие затраты имеют место при использовании магния. При этом затраты, связанные с десульфурацией чу-

гуна, увеличивается в следующей последовательности: магний → карбид каль-

ция → кальцинированная сода → порошкообразная известь.

По этой причине в последние 10 – 15 лет в мире строятся, главным обра-

зом, отделения внедоменной десульфурации чугуна магнием или смесями Mg + CaO, Mg + CaC2, Mg + CaO + CaC2. На металлургических предприятиях Ук-

раины магний является единственным реагентом, который используется для де-

сульфурации чугуна в промышленных масштабах.

Основные требования к организации процесса десульфурации чугуна магнием обусловлены особенностями физических свойств этого реагента, важ-

нейшие из которых приведены в таблице 8.1.

Таблица 8.1 – Физические свойства магния и железа

Наименование свойств

Mg

Fe

Относительная атомная масса

24,31

55,84

Атомный радиус, нм

0,16

0,126

Радиус иона, нм

0,074

0,060

Плотность, кг/м3

1738

7867

Температура плавления, оС

650

1539

Температура кипения, оС

1107

2872

Теплота плавления, Дж/моль

8842

13820

Теплота парообразования, Дж/моль

133642

350016

Из таблицы видно, что плотность магния значительно меньше плотности чугуна и шлака, в связи с чем необходимо принудительное погружение магния в обрабатываемый металл.

65

Температуры плавления и кипения магния значительно ниже температур внепечной десульфурации чугуна. Поэтому введенный в металл магний пла-

вится и испаряется. При температурах внепечной обработки чугуна испарение 1

кг магния сопровождается образованием около 5,5 нм3 пара. По этой причине для безопасной обработки необходима рассредоточенная во времени подача диспергированного магния в металл. При обработке чугуна слитковым магнием необходимы мероприятия по ограничению скорости его испарения. При скоро-

сти ввода магния 6 – 8 кг/мин подаваемые под обработку 100 – 140-т чугуно-

возные ковши должны быть наполнены не более чем на 70 – 75% номинальной вместимости.

Ввиду значительного различия атомных радиусов магния и железа рас-

творимость магния в железе и чугуне очень мала. Пар магния практически не растворяется в металле и удаляется из расплава в виде пузырей, у поверхности которых протекают химические реакции между магнием и примесями чугуна.

Поэтому эффективная обработка чугуна магнием возможна только при вводе его в расплав на максимально возможную глубину (300 – 400 мм от дна ковша).

Для предотвращения ресульфурации чугуна после обработки из ковша необходимо в кратчайшее время удалить высокосернистый шлак.

На металлургических предприятиях Украины в настоящее время исполь-

зуются следующие способы обработки чугуна магнием:

обработка слитками пассивированного магния в чугуновозных ковшах;

регулируемый ввод слиткового магния в чугуновозные ковши с не-

зависимой подачей газа в испарительную камеру;

вдувание гранулированного магния в чугуновозные ковши через погружаемые в металл фурмы с испарительной камерой;

обработка в чугуновозных ковшах порошковой проволокой со сме-

сью гранулированного магния и пассивирующих добавок;

66

обработка в заливочных ковшах продувкой смесью из 20 – 30%

гранулированного магния и порошкообразной извести через фурмы с постоянным сечением канала.

Использование продувки смесью гранулированного магния и порошко-

образной извести предполагает организацию на предприятии производства вы-

сококачественной флюидизированной извести, помол которой ведут с добавле-

нием силиконовых масел, в результате чего резко снижается скорость взаимо-

действия извести с атмосферной влагой. Требования к химическому и фракци-

онному составу извести, предназначенной для вдувания в чугун вместе с маг-

нием, в соответствии с материалами технического предложения фирмы «ESM»

(США) на организацию отделения внедоменной десульфурации чугуна (ОДЧ) в

кислородно-конвертерном цехе ОАО «Мариупольский металлургический ком-

бинат им. Ильича» представлены в таблице 8.2.

Таблица 8.2 – Требования к химическому и фракционному составу извести

Содержание, %

Потери

Размер α, мм

 

Угол

 

 

при про-

 

 

 

откоса,

CaO

S

0,25< α <2,0

< 0,25

< 0,075

калке, %

 

 

 

 

 

град.

 

 

 

 

 

 

> 88

< 0,05

< 2

< 2%

> 98%

> 80%

< 25

 

 

 

 

 

 

 

Схема размещения основного технологического оборудования в ОДЧ при обработке металла гранулированным магнием в чугуновозных ковшах показана на рисунке 8.1.

На рисунке 8.2 показана схема размещения оборудования ОДЧ при обра-

ботке чугуна гранулированным магнием в заливочных ковшах.

Как правило заливочные ковши оборудованы пористыми пробками для подачи в металл азота. При скачивании шлака из ковша по окончанию обработ-

ки этот прием позволяет оттеснить шлак от противоположной сливному носку стенки ковша и достичь более полного его удаления.

67

Рисунок 8.1 – Схема ОДЧ при обработке чугуна гранулированным магнием

вчугуновозных ковшах

Всовременных сталеплавильных цехах обработка чугуна магнием в крупных заливочных ковшах дает возможность проводить десульфурацию чу-

гуна при минимально возможной температуре после удаления из ковша мик-

серного шлака. При этом глубина ввода магния в металл увеличивается до 3,5 – 4 м. Эти мероприятия способствуют значительному росту степени использова-

ния магния для десульфурации чугуна.

В последние годы на металлургических предприятиях России, Украины,

Китая по лицензиям фирм «ESM», «Polisius» и др. введены в эксплуатацию ОДЧ, в которых используется продувка смесью гранулированного магния и по-

рошкообразной извести в чугуновозных и заливочных ковшах. Оборудование

68

Рисунок 8.2 – Схема ОДЧ при обработке чугуна гранулированным магнием в заливочных ковшах

современных ОДЧ предусматривает хранение гранулированного магния, по-

рошков извести и (или) карбида кальция в отдельных расходных бункерах, раз-

дельное их дозирование с использованием аэрационных питателей и после-

дующее смешивание в пневмотрассе.

Сотрудниками ДонНТУ проанализированы результаты десульфурации чугуна продувкой гранулированным магнием через фурмы с испарительными камерами в 140-т чугуновозных ковшах ОАО «Металлургический комбинат

«Азовсталь» и продувкой смесью гранулированного магния и порошкообраз-

ной извести в 350-т заливочных ковшах кислородно-конвертерного цеха ОАО

«Новолипецкий металлургический комбинат». Показано, что способы десуль-

69

фурации чугуна, основанные на инжектировании гранулированного магния в расплав в смеси с порошкообразной известью через фурму с постоянным сече-

нием канала и без наполнителя через фурму с испарительной камерой, обеспе-

чивают близкие значения степени использования магния для десульфурации металла. При продувке чугуна магнийизвестковой смесью флюидизированная известь не оказывает существенного влияния на эффективность обработки.

8.1.2Десульфурация и дефосфорация чугуна в ковшах окислительными шлакообразующими смесями

При десульфурации металла основным шлаком решающая роль принад-

лежит реакции

[S]

+

(CaO)

=

(CaS) + [O] ,

(8.1)

ΔGo

=

108950

29,24T Дж/моль.

(8.2)

CaS

 

 

 

 

 

Из уравнения (8.2) видно, что реакция (8.1) является сильной эндотермической реакцией. Протеканию ее в сторону образования сульфида кальция способст-

вуют: высокая температура, высокая основность шлака, а также низкая актив-

ность растворенного в металле кислорода и малое содержание оксидов железа в контактирующем с металлом шлаке.

Реакция дефосфорации металла основным шлаком описывается уравне-

нием

2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) = ( 4CaO·P2O5 ) + 5Fe ,

(8.3)

ΔGo

 

= − 766800 +

288,2T Дж/моль.

(8.4)

4CaO·P O

 

 

 

2

5

 

 

 

Из уравнения (8.4) видно, что реакция (8.3) является сильной экзотермической реакцией. Протеканию ее в сторону образования фосфата кальция способству-

ют: низкая температура, высокая основность шлака и наличие в нем большого количества оксидов железа.

70

На основании изложенного принято считать, что для десульфурации и де-

фосфорации металла необходимы существенно различные термодинамические условия. Поэтому традиционные сталеплавильные технологии обычно предпола-

гают выполнение этих операций в различных периодах плавки.

Однако следует помнить, что химические реакции по сути являются элек-

трохимическими процессами. В ионной форме реакция (8.3) имеет вид

2[P] + 5(Fe2+ ) + 3(Ca2+ ) + 8(O

2− ) = 3(Ca

2+ ) + 2(PO3− ) + 5Fe .

(8.5)

 

 

4

 

Учитывая, что

 

 

 

5Fe = 5Fe2+ +10e ,

 

(8.6)

уравнение реакции (8.5) можно привести к виду

 

 

[P] + 4(O2− )

= (PO3− ) + 5e .

(8.7)

 

4

 

 

Из уравнения (8.7) видно, что реакция дефосфорации является реакцией анод-

ного типа. Более полному ее протеканию способствует поглощение высвобож-

дающихся в результате реакции отрицательных электрических зарядов.

Реакция (9.1) в ионной форме может быть записана в виде

[S] + (Ca2+ ) + (O2− ) = (Ca2+ ) + (S 2− ) + [O] .

(8.8)

Учитывая, что

 

(O2− ) = (O) + 2e ,

(8.9)

уравнение (8.8) можно привести к виду

 

[S] + 2e = (S 2− ) .

(8.10)

Из уравнения (8.10) можно видеть, что реакция десульфурации является реак-

цией катодного типа. Обязательным условием ее протекания является нали-

чие в системе источника отрицательных электрических зарядов.

Из сказанного следует, что реакции десульфурации и дефосфорации сочетаются одна с другой по принципу электронейтральности. Так как обе

Соседние файлы в папке MS