MS / Лекция_8
.pdf61
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