автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Моделирование процессов рафинирования металла от серы активными шлаковыми расплавами

московский

ордена октябрьской революции и ордена трудового красного знамени институт стали и сплавов

На правах рукописи

ПОШИНОВ Олег Анатольевич

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ РАФИНИРОВАНИЯ МЕТАЛЛА ОТ СЕРЫ АКТИВНЫМИ ШЛАКОВЫМИ РАСПЛАВАМИ

Специальность 05.16.02 — «Металлургия черных металлов»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1993

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени институте стали и сплавов.

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент КАЗАКОВ С. В.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор СЕРОВ Г. В. кандидат технических наук, доцент СМИРНОВ Н. А.

по присуждению ученых степеней в области металлургии черных металлов при Московском институте стали и сплавов по адресу: 117936, г. Москва, ГСП-1, Ленинский проспект, дом 4.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского института стали и сплавов.

Ведущее предприятие: Новолипецкий металлургический комбинат

Защита диссертации состоится «1$ »ф^сУ«Л1993 г. в часов на заседании специализированного совета К.053.08.01

Автореферат разослан Справки по телефону: 237-84-37

1993 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, профессор

курунов и. ф.

PC'* • •'•••'.кМ í¡

OGVJH- -••■'--«A«

БИБЛйОТйКА

I. ВВЕДЕНИЕ

Рафинирование металла с помощью активных шлаковых расплавов является широко распространенным методом внепечной обработки. Для удаления серы во время внепечной обработки в ковше активный покровный шлак обычно формируют во время выпуска присадками синтетического шлака (СШ), твердых шлаковых смесей (ТШС) и их комбинацией. Первый метод дает наиболее устойчивые и высокие результаты, но очень дорог, усложняет технологию и требует применения специального оборудования. Использование ТШС практически не приводит к изменению' технологии, способ дешев, но результаты обработки нестабильны и, как правило, хуке, <1ем в случав использования СШ. Гретий способ занимаёт промежуточное положение между первыми дву-ля и по результату и по технологичности.

Актуальность работы. В связи с расширением сортамента и про-язводства сталей с регламентированным пониженным содержанием серы, в частности малоуглеродистых трубных в северном исполнении,. зеобходимо поднять эффективность и стабильность внепечной десуль-вурации металла активными шлаковыми расплавами. Решить эту задачу возможно только" на основе модели, вскрывающей закономерности провесов массообмена шлак-металл в зависимости от"основных технологических параметров.

Цель работы. Изучение в промышленных условиях кинетики де-;ульфурации металла активными шлаковыми расплавами в ковше при различном способе их формирования и использовании различных про-¡увочныХ устройств в широком диапазоне экспериментальных условий, юстроение модели массообмена шлак-металл по cape на основе про-шшленных данных, анализ практики десульфурадаи металла массового [азначения в условиях конвертерного цеха Ж "Азовсталь".

Научная новизна. Экспериментально изучены закономерности десульфурации расплава в большегрузном ковше активными шлаковыми расплавами, сформированными присадками СШ. ТШС и их комбинацией.

Разработана модель массообмена шлак-металл по "сера, основанная на описании ковша с расплавом металла и шлака как системы с сосредоточенными параметрами, включающая модель формирования и . изменения массы и состава шлака и рассматривающая раздельно процессы, протекающие в ковше во время выпуска и на установке доводки металла (УДМ) во время продувки расплава инертным газом. Балансовым методом описан угар основных элементов, присаливаемых в ковш, оценен вклад различных составляющих, формирующих шлаковый расплав,-в том числе за счет размывания футеровки.

Изучено перемешивание шлака и получена аналитическая зависимость для определения времени усреднения шлака в ковшах различной вместимости при продувке металла инертным газом. *

Количественно описано влияние различных технологических факторов (масса конвертерного шлака, попавшего в ковш, количество и вид шлакообр'азующих присадок, продолжительность выпуска) на скорость десульфурации во время выпуска металла в ковш. Описана скорость процессов массообмена мевду металлом и шлаком в зависимости от вида продувочного устройства, физического состояния шлака, параметров обработки.

Практическая' ценность. При помощи разработанной модели проанализирована практика десульфурации металла массового назначенш в условиях конвертерного цеха МК "Азовсталь".Установлено, что степень использования рафинирующей способности шлаков, даже в случае применения СШ не превышает 10-15%. Показана возможность повторного использования ковшевого шлака для десульфурации метал-

ла без его дополнительной обработки. Предложен способ многократного использования шлаковых расплавов, формируемых присадками ТШС, для рафинирования металла.

Показано, что основная десульфурация происходит в ковше во время выпуска металла. Для повышения скорости* рафинирования расплава на УДМ разработали способ дополнительного перемешивания шлака за счет альтернативного источника энергии и устройство для его осуществления.

Сформулированы оптимальные условия проведения десульфурации металла активными шлаковыми расплавами.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 научных работ.

Объем работы. Диссертационная работа изложена на № страницах машинописного текста, состоит из введения, 6 глав и списка литературы. В.тексте содержится 83 рисунков и •/^таблицГ Библиография включает 90 наименований.

II. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ

В настоящее время при описании процессов ме«5азного массооб-мена в ковше между металлом и шлаком используют в основном уравнение переноса ( I закон Фика ), устанавливающей связь между величиной потока вещества и градиенте* концентрации. Величину .константы скорости определяю1?, как правило в -зависимости от мощности перемешивания или удельного расхода газа. При таком подходе не учитывается, что:

1. -Рафинирование металла начинается с ьачалом выпуска расплава в ковш. Поэтому относить весь эффект рафинирования на период обработки плавки инертным газом неверно.

2. Движение расплава в ковше при продувке газом носит слож-

ный, циркуляционный характер и не может быть однозначно охарактеризовано ни удельной мощностью перемешивания, ни удельным расходом продувочного газа.

3. Исследования.как правило, проводятся на холодных моделях, что исключает переносы их результатов на реальные объекты, вслед-ствии невозможности добиться полного подобия меаду объектом и моделью. Кроме того, однородность фаз как правило специально не контролируется, а это для реальных металлургических объектов чрезвычайно важно.

4. Анализируя процесс'рафинирования' расплава от примесей активными шлаками с точки зрения формальной кинетики, обычно предполагают контроль скорости процесса скоростью массопереноса в металле. Попытки уточнить описание процесса за счет использования гипотезы о смешанном диффузионно-кинетическом контроле резко усложняет математический аппарат. Кроме того при этом необходимы дополнительные параметры, такие как коэффициент диффузии примеси, толщина пограничного слоя, площадь контакта фаз, определение которых связано с необходимостью введения дополнительных предложений и допущений. Для шлаков такая информация практически отсутствует.

Вследствие втого, по-видимому, предложенные модели не позволяют делать практических выводов. Поэтому перед работой была поставлена задача разработать модель рафинирования металла от серы активными шлаковыми расплавами, описывающая кинетику процесса десульфурации во время выпуска металла в ковш и обработки на УДМ, в зависимости от основных технологических факторов, которую можно было бы использовать для контроля и управления процессом десульфурации в условиях массового производства. При построении

модели постулировали следующие положения:

1. Состояние системы шлак-металл з ковше можно.охарактеризовать при помощи единственного, параметра- коэффициента распределения серы мевду металлом и шлаком, который учитывает свойства как металлической, так и шлаковой фаз, без дополтательных предположений о механизме реакции. При этом только после усреднения металла и шлаха коэффициент распределения, измеренный в локальной точке, характеризует свойства всей системы.

2. Скорость изменения фактического коэффициента распределения зависит от степени приближения системы к равновесию.

3. Величину равновесного коэффициента распределения можно рассчитать через сульфидную емкость шлака.

4. Процесс рафинирования металла шлаком в ковше является одношлаковым о постоянным контактом фаз, при этом десульфурация происходит как во время выпуска, так и на УДМ при -продувке инертным газом, причем на каждом из этапов скорость определяется своими технологическими параметрами, то есть:

ГБГ

[Б]к=—±2- , (1)

К 1+уЬв

где [Б]к, СБ 11_п - содержание серы в металлу в конце обработки на УДМ и перед выпуском из конвертер-., соответствеыо; у - отношение массы щлака к массе металла:

Ьв - фактический коэффициент распределения се-

ры при обработки на УДМ ( ЬВ=(Б)К / [31к). Во время выпуска изменение величины Ь можно описать уравнением:

= ш(Ь -I) . "** (2)

(1т т

а на УДМ:

—= к(1 -Ь) , (3)

<П т '

/где ЬТ,Ь -теоретические и текущие фактические значения коэффициентов распределения серы, соответственно; и, к -коэффициенты, характеризующие скорость процессов , протекающих в системе во время выпуска и на УДМ, соответственно; х, г -время обработки на первом (выпуск и транспортировка) и втором (обработка на УДМ) этапах, соответственно.-

Решая эти уравнения методом разделения переменных и учитывая, что окончание первого этапа является началом второго, окончательно получим:

ЬК- Ь« - (Ь«(вшГЬ»вш))ехр(тт+Ш , (4)

где Ьк,.1«вип)- фактические коэффициенты распределения в конце и начале обработки, соответственно; I*. Ь®(ВШ)- теоретические коэффициенты распределения в конце и начале обработки, соответственно. Теоретическое значение коэффициента распределения можно оценить из выражения:

-^-+1,277 . (5)

где 2В- коэффициент активности серы в металлическом расплаве; .

а0- активность кислорода; Т - температура, К; Сд- сульфидная емкость. Если активность кислорода контролируется реакцией окисления алюминия, уравнение (5) можно преобразовать к виду:

-9. lgL= -5,6+lgCB+lgfs-lga(Aiao3)+ lgaAi • <6>

где аЖ1 - активность алюминия в металлическом расплаве; a(*i о активность глинозема в шлаковом расплаве.

Для определения величины Сд опробовали 4 cnococoöa:

1. Использовали первичные опытные данные, обобщенные в атласах строения шлаков.

2. Применяли уже полученные эмпирические зависимости для шлаков различного сортамента.

3. Метод разработанный A.B. Куклевым.

4. Рассчитывали величину Cg.через оптическую основность шлака.

В работе для определения Сд использовали последний способ, как наиболее универсальный и обеспеченный расчетными параметрами, а также прошедший тщательную проверку на равновесных дайшх, полученных в лабораторных условиях. В соответствии с этим способом для шлака произвольного состава:

lgC- 22690-54б40\ +43.бЛ-25.2 , (7)

Б »ji

где а - оптическая основность шлака.

Л=Хно„Лмо + Хно Лно , * (8)

X у . * у

где Хнок, Хиоу- эквивалентная -этионная доля индивидуального

оксида, определяемая из выражения:

г мольная доля у г число атомов кислорода ) [ компонента j ' I в молекуле оксида j

г ( мольная доля 1 ( число атомов кислорода

• 2-1. компонента ] ' в молекуле оксида

(9)

где амои аноу- оптическая основность индивидуальных оксидов. Так как за время обработки в ковше изменяется не только состав, но и количество кошевого шлака, что сказывается на величине

LB и у при использовании уравнения <1) для прогноза содержания серы и управления процессом обр^отки, нужно знать не только зависимость 1с и й от технологических факторов, но и законы изменения массы и состава шлака.

III. УСЛОВИЯ И МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТА.

ОБЪЕМ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ДАННЫХ.

Эксперименты проводили в кислородно-конвертерном цехе МК "Азовсталь". Металл выплавляли в 350-т конвертерах с верхней подачей кислорода по действующей технологической инструкции.Температура металла перед выпуском из конвертера изменялась от 1600 до 1710*С, содержание углерода изменялось от 0,03 до 0,07%, марганца от 0,04 до 0,13%, серы от 0,011 до 0,033%, фосфора от 0,004 до 0,012%. Продолжительность выпуска колебалась от 4,3 до 11 минут в

зависимости от степени изношенности сталевыпускного отверствия.

I «

Во время выпуска в ковш присаживали все раскислители и легирующие, а также формировали активный покровный шлак присадками СШ в количестве 40-50 кг/т, ТШС на основе СаО и СаР2 в количестве 1,0-3,0 и 0,3-1,0 т, соответственно, или смесью СШ и ТШС, при этом к обычному количеству ТШС добавляли 12-20 кг/т СШ.

Обработку металла аргоном на УДМ осуществляли через погружаемую фурму с круглым и порстым соплами с расходом продувочного газа от 30 до 100 нм3/час. Время продувки при этом колебалось от 4 до 20 мин., а время обработки от 15 до 65 мин. Металл разливали на криволинейной слябовой МНЛЗ.

Во время экспериментов регистрировали все воздействия на расплав, начиная от выпуска металла из конвертера и заканчивая получением литой заготовки. Кроме того отмечали изменение состава и температуры металла по ходу технологической цепочки, для чего

отбирали пробы металла и шлака из конвертера перед выпуском, а также из ковша во время продувки плавки аргоном с частотой мин-1.Отобранные пробы металла и шлака готовили и анализировали по стандартным методикам: металл на вакуумном квантомэтре "Зресгютас-ЮОО", а шлак на рентгеновском анализаторе "АН1г-72000". Температуру металла намеряли термопреобразователями ТПР-2075 разового действия в фиксированной точке ковша 3-5 раз за время обработки плавки на УДМ. Перед началом, в перерывах продувки и после окончания обработки плавки на УДМ с помощью медного стержня измеряли толщину слоя шлака в ковше. На 6 опытных плавках экспериментально измеряли время усреднения шлака в ковше, для чего на его поверхность во время продувки металла инертным газок давали 70-100 кг СаО.

Учитывая большие объемы контактирующих фаз, малую продолжительность их контакта и небольшие в среднем изменения концентрации элементов, предварительно в специальном эксперименте оценили фактическую точность определения химсостава металла и шлака, которую затем использовали при анализе результатов измерений.

Всего на МК "Азовсталь" было проведено 45 опытных плавок стали марок 17Г1СУ, 09Г2С, 09Г2БТ, 10ХСНД. На б "плавках активный покровный шлак формировали присадцгчи СШ, на 18 ТШС и на 4 смесью '. 1 СШ и ТШС. Для сравнения были взяты 17 плавок без использования активных шлаковых присадок. Кроме того' при построении модели были использованы результаты опытных плавок малоуглеродистых марок стали с.подробным отбором проб, проведенных на ковшах разной вместимости: 300-т ковш, ККЦ-2 НЛМК - 16 плавок; 100-т ковш, электросталеплавильный цех Белорусского МЗ - 44 плавю" 10-т ковш.фа-соно- литейный цех Старооскольского ремонтно-механического заво-

да- ю плавок. Методика проведения экспериментов была аналогична, используемой на МК "Азовсталь".

IV. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ МОДЕЛИ

¥

Для определения зависимости параметров модели к и и, а также массы и состава ковшевого шлака от основных технологических факторов, использовали результаты опытных плавок. При этом особую актуальность приобретает достоверность анализируемых данных, так как контроль состояния системы осуществляется по пробам, отобранным в локальной точке ковша, а заключение выносится для всего объема. То есть состав пробы должен соответствовать составу фазы (металл, шлак), что возможно только при полном ее усреднении. Кроме того во время выпуска и продувки расплава в ковше между металлом и шлаком идут по сути разные процессы, в связи с чем

возникает проблема четкого определения границ отдельных этапов.

*

Учитывая вышеизложенное, обработка результатов проводилась в сле-. думцем порядке: вначале описали изменение массы и состава шлака, что позволило получить аналитическую зависимость для определения времени усреднения шлака в ковшах разной вместимости при продувке металла инертным газом. Эта зависимость, а также экспериментально измеренное время усреднения металла для каждой плавки были использованы для получения достоверных результатов изменения химсостава металла и шлака, то есть результатов, не попадающих на период нестабильности, неусредненности фаз, которые затем анализировали с использованием методов математической статистики.

4. 1. Изменение массы м состава ковшевого шлака. Покровный шлак в ковше формируется из нерастворимых в металле компонентов шлакообразувдей смеси, всплывающих неметаллических включений и размываемой футеровки ковша, то есть:

где q¡:, qвcп. ЧфуТ- полное количество шлака в ковше, образующееся за счет всплывающих частиц и размывания футеровки,соответственно, кг/т. Так как скорость всплывания различных по*крупности частиц различна, можно щзинять, что:

Чвсп=а(1-ехр{-Ш) , (11)

. где 1;- время обработки;

Ь- коэффициент, учитывающий влияние условий обработки на

скорость процесса всплывания частиц; а- полное количество шлака, образующаяся за счет всплывания чабтиц. В свою очередь:

Нп* В1* Л1

алюминия, соответственно;

где О ,.0 , 0 - количество введенных марганца, кремния и

• а..- степень угара марганца» кремлю в алюми-

Нп о• Аь

ния соответственно; qLD - количество конвертерного шлака;

Чсмеси - количество шлака, образовавшееся из присаженной тгчообразующей смеси. Если предположить, что размывание футеровки происходит в основном по шлаковому поясу и скорость этого процесса постоянна:

%т=С(1всп-г ' (13)

окончательно :

ЧЕ=а(1-ехр{-Ш)(1+ог> (Т4)

Значения коэффициентов Ь и с в ур. (14) искали,, минимизируя сумму квадратов отклонений величины:

К

где Ч,. Ча- масса шлака в ковше в начале и конце обработки

плавки на УДМ, соответственно, кг/т. Полученные для ковшей разной вместимости значения коэффициентов Ь и с можно описать выражениями:

где Д- вместимость сталеразливочного ковша, т. Величину коэффициента а определяли балансовым методом по данным о величине угара основных элементов, вводимых в ковш (марганец, кремний и алюминий). Оказалось, что наиболее значимыми факторами, определяющими угар элементов-раскислителей, являются количество вводимого элемента и наличие элемента с более высокой, чем у изучаемого, сродства к кислороду. На рис. 1 . показана степень угара в зависимости от количества введенного марганца. Видно, что связь носит ярко выраженный экстремальный характер, что обусловлено уменьшением эффективности усвоения марганца при увеличении абсолютного вводимого количества. Аналогичным образом изменяется и угар кремния и алюминия. Методом множественной регрессии получили следующие результаты:

вм «1-0 ехр{-0,1740 -0,060,-0,0250,,) , И=0,96 (18)

ПП ЛП 1(П К I АI

3^=1-0;,ехр{-0.2780в1-0,025ЮА)> , Ы),96 (19) аА1=1-0А1ехр(-1„030А1> , 11=0,97 (20) Составляющую, обусловленную попаданием в ковш конвертерного шлака, рассчитывали на основе замеров толщины слоя шлака в момент поступления ковша на УДМ.

Ь=0,37ехр{-0,1257? > , 11=0,75

• (16) (17)

1/Э

c-0.033expt-0.047W ) . й=0,72

-15-

Изменение угара марганца

0,6 §0,4 ¡0,2 £ о' . <0-2

О Ю 20

О МП ,кг/т

Рис. 1

Состав ковшевого шлака рассчитывали на основе данных о массе, виде и составе присадок ферросплавов, легирующих и шлакоооб-разуюгдих, составе конвертерного шлака перед выпуском, толщины слоя шлака в ковше перед началом обработки.

4. 2. Усреднение шлака. Помимо определения величин у и Ь, входящих в уравнение (1), полученная модель была использована для определения времени усреднения шлака при продувке расплава в ковше инертным газом. Принимали, что по мере продувки величина рас-хоздения между (Са0)расч, определенным по модели, и (СаО)фдКт.- . определенным экспериментально, уменьшается, стремясь к нулю'. Данные, относящиеся к ковшу одной вместимости, обрабатывали совместно. Границы доверительного интервала параметра усредненного состояния,. ОрЛь где 0Г- количество пропущенного инертного газа (м3), а q- удельное количество шлака (кг/т), определяли графико-статистической обработкой как точку пересечения прямой, соответ- •

ствувдей погрешности функции А(Са0> _ ^Са0^расч"^Са0)факт , опре-

ТЕ л1

делешюй с помощью полного дифференциала , и линии, ограничивающей 95Ж всех точек, представленных в виде 1п(л(СаО)/лг). Полученные таким образом значения для ковшей разной вместимости были аппроксимированы выражением,полученным из анализа баланса сил, действующих на слой шлака со стороны движущегося металла:

о 4/3

г 0.126И

ц 1-ехр{-2,014И1/'Э}ехр{0.836«?1/3}

11=0,81 (21)

Результаты по времени усреднения шлака, измеренные в прямом эксперименте и рассчитанные по.уравнению (21) хорошо согласуются между собой.

4. 3. Усреднение металла. Время усреднения металла определяли по данным об изменении содержания элемента-индикатора в фиксированной точке ковша- у границы выхода на поверхность двухфазного газо-кидкостного потока. В качестве элементов индикаторов использовали марганец, кремний, алюминий, никель и медь, вводимых в расплав в качестве технологических присадок. Считали, что усреднение наступало, когда в объеме расплава достигалась минимальная дисперсия концентрации элемента-индикатора. Время усреднения определили для каждой плавки.

Полученные результаты позволили исключить из рассмотрения переходные участки кинетической кривой, когда происходит переход системы от одного состояния к другому и рассчитать с помощью оставшихся результатов величины кит.

4.4 Определение величины т. Первый период обработки начинается с выпуска первых порций металла в ковш и заканчивается после поступления ковша на УДМ. Индивидуальные значения т для каждой плавки искали, представляя экспериментальные результаты в виде

-17-

( н к 1

зависимости 1п|^(Ьт-Ь )/(Ьт-Ь от времени.Считали, что за время

выпуска состав шлака изменялся незначительно,то есть величина ^

теоретического коэффициента распределения, рассчитываемая по его

н

составу, не изменялась. Величину Ь , то есть фактический коэффициент распределения до начала обработки рассчитыавли из соотношения:

1 =-^ , (22)

К!

1.п

где (й)„_._— количество серы, переходящее в шлак из присажи-

кид

ваемых в ковш ферросплавов и шлакообразующих;

(

СБ] - содержание серы в металле перед выпуском из конвертера.

Так как шлак по составу к моменту поступления на УДМ еще не усреднен, что исключает расчет 'фактического коэффициента распределения по опытным данным, при его оценке предполагали, что в кон-

к

це выпуска металл усреднен по содержанию серы и для Ь можно запи-

С8ТЬ*

К (3)Мв+(8) „

Ь =-^-^ , (23)

[Б]УДМ ■ -

где (Б)Ме - сера, перешедшая в шлак из металла за время выпуска ;

н

[БЭуда- содержание серы в металле к моменту поступления ковша на УДМ.

Результаты, относящиеся к разным способам воздействия на

расплав во время выпуска обрабатывали раздельно. На. рис. 2 пока-

«

зано изменение величины т на плавках без использования смеси в зависимости от количества конвертерного-шлака, попавшего в ковш во время выпуска. По мере увеличения qL¿ величина т "меняет знак, что указывает на изменение характера протекающих при этом про-

цессов Такое поведение величины и удалось описать.предположив, что суммарный эффект воздействия конвертерного шлака на поведение 'серы аддитивно складывается из ш1, обусловленной попаданием в ковш первичного шлака, то есть в начале выпуска, и тТ1 обусловленной попаданием шлака в конце выпуска: « Ш, =0,006084, -0.21344 1ПЧ, +0,53244 . 1?=0,84 (24)

Ьй .. ьи ш

где суммарное количество конвертерного шлака,попавшего в ковш;

тьо- значение т. обусловленное, ¡-гопавшим в ковш конвер-

тершм шлаком. |

Изменение величины ш в зависимости от количества конвертерного шлака, попавшего в ковш

• • Рис. 2

Наряду с на скорость процессов массообмена при выпуске плавки оказывает влияние и время выпуска, причем зависимость т от .г носит экстремальный характер. Окончательно для шавок без применения рафинирующих смесей во время выпуска: .

• шд/о=1,20бг.ехр{-0,збг}ш,п , • 11=0.88 (25)

-19-

гдэ г- продолжительность выпуска.

На скорость процессов рафинирования металла активными шлазг?-выми расплавами оказывает влияние количество рафинирующих присадок и продолжительность выпуска. Предполагая аддитивный характер влияния ЧСМ9СИ и на итоговую величину ш, нашли , что зависимость величины тсмеси, обусловленной вводимой в коей активной шлакообразующей смесью, носит экстремальный характер с максимумом при ЧСМ9СИ ~ 20 кг/т(рис. 3). При этом результаты всех плавок с присадками СШ, Т111С, СШ и ТШС укладываются на одну кривую. Суммарную величину т описали зависимостью:

гасмеси =-0-025Чсмесиг-ехР{-"°'0б<1смеси+0'29и • й=0'91 (2б) где г- продолжительность выпуска.

Изменение т в зависимости от количества активной шлаковой смеси

5 -0.0-к

г

о ш Г о

г -0.08

-0.-12

20

АО .

^СМЕСИ

, кг/т

Рис. 3.

0

-204. 5.Определение величины к. Величину коэффициента к для

каждой плавки определяли, представляя опытные данные в виде

, .н к н н : н к

1п{(ЬТ-Ь )/(Ьг-Ь )| от времени, где Ьт, Ьт- теоретический коэффициент распределения в начале и конце обработки на УДМ, соответс-н к

твенно, 8 1 , Ь - фактический коэффициент распределения в начале и'конце обработки, соответственно. Начальной точкой второго этапа служила конечная точка первого. Из рассмотрения исключали все данные,-относящиеся к периоду нестабильности шлака и металла, и, используя оставшиеся, методом МВД искали величину к для каждой плавки. Результаты, полученные на плавках |с круглым и пористым •соплами, обрабатывали раздельно. Оказалось, что на величину к наибольшее влияние оказывают интенсивность' продувки, температура ' и физическое состояние шлака, которое характеризовали с помощью концентрации (СаО). Методом множественной регрессии получили, что в случае использования круглого сопла величину к можно описать зависимостью:

ехрС0,022(Са0) ) 1/3

к = 1-7,691 —--- I ехр{-8844/ЛТ>, 11=0,99 (27)

(СаО)0

а для фурлы с пористым соплом:

ехр(0,02(Са0)„> 1/3

к » 1-7,721 -- I ехр(-8824/НТ) , Н=0,98 ( 28)

• (Са0)о

где (СаО)о- содержание (СаО) в шлаке в начале обработки . плавки на УДМ, %; I . - интенсивность продувки, м /час; И - универсальная газовая постоянная; Г _ - абсолютная температура, К. Таким образом, используя ур. (1), (4) и значение коэффмциен-. тов т и к, можно рассчитать конечное содержание серы в металле.

V. АНАЛИЗ ПРАКТИКИ ДЕСУЛЬФУРАЦШ В КОНВЕРТЕРНОМ ЦЕХЕ

МК "АЗОВСТАЛЬ". ПРЕДЛОЖЕНИЯ, РЕКОМЕНДАЦИИ. с

Практику десульфуращш металла в условиях конвертерного цеха МК "Азовсталь" проанализировали с помощью разработанной модели. Степень использования рафинирующей способности ковшевого шлака при различных вариантах его наведения

т, X

20

Ю

□

А

О □

0.0-10

А

Оо

А

А

П А

О °

О-о,

О-без СМЕСИ

о- тшс

А- Си д-сш-^тшс

О

чаО

дрОп^Ог, О^о

о

0.020

0,030

Рис. 4 ■ ,

Из рис. 4 видно, что в среднем на плавках без применения активной шлаковой смеси степень использования рафинирующей способности шлака составляет 2%, на плавках с ТШС -6,5%, а на плавках с СШ -10%,.то есть шлак, после окончания обработки в ковше обладает значительной сорбционной способностью по отношению к сере. Расчеты показали, что хотя по ходу продувки сульфидная емкость шлака понижается за счет изменения его состава, тем не менее в конце обработки на УДМ она еще достаточно высока, что позволяет использовать повторно конечный шлак для десулъфурации ме-

талла, а при дополнительной обработке многократно. Особый интерес представляет шлак, сформированный присадками ТШС: в конце обработки' на УДМ он по свойствам соответствует шлаку, сформированному присадками СШ, но с более низким содержанием серы, находясь при атом в огненно-жидком состоянии.

Также из рис. А видно: наиболее нестабильно процесс десуль-фурации протекает при.использовании для наведения шлака ТШС, что связано, по-видимому, с плохо регулируемыми процессами плавления кусковых материалов и формированием из шх| жидкоподвижного покровного шлака. |

На основе проведенного анализа сформулировали оптимальные условия обработки расплава с целью его десульфурации: необходимо полностью отсекать конвертерный шлак, особенно первичный, приводящий к ресульфурации. Количество смеси для формирования активного покровного шлака должно быть~20 кг/т. Так как такое количество шлакообразуюцих в виде ТШС ввести по условиям теплового баланса нельзя, следует использовать смесь ТШС и СШ, либо повторно применять ковшевой пшак, сформированный присадками СШ или ТШС.-При большем количестве смеси в ковше формируется шлак, который не .. успевает усреднится за время продувки, то есть не полностью использует свою рафинирующую способность. Для получения оптимальной сульфидной емкости в шлаке необходимо иметь (СаО)=47-48Ж, а температура обработки не должна быть ниже 1590°С.

Из рис. 5 видно-, что основной эффект десульфурации достигается в ковше во время выпуска. На УДМ, несмотря на то, что термодинамические условия оптимальны: металл раскислен, а шлак обладает высокой основностью, и низкой окисленностью, процесс идет медленно Причиной-этого, по-видимому, является низкая скорость массоопере-

носа в шлайе, то есть перемешивание шлака за счет энергии движущегося металла, реализуемое в ковше при продувке в коЕше инерирм газом, с точки зрения развития массообменных процессов шлак-металл неэффективно. Необходимо дополнительное перемешивание шлака за счет альтернативных источников энергии. Для решения поставленной задачи было предложено дополнительно перемешивать шлак высокоскоростными газовыми струями, направленными от края ковша к центру . На данное техническое решение получено положительное решение государственной патентной экспертизы.

Связь между суммарной степенью десульфурации и степенью десульфурации за время выпуска

выл

V*

АО 20 О 20

-20 0 20 АО х у

•гв • *

Рис. 5

ВЫВОДЫ ' •

1. На основании результатов опытных плавок с подробным про*

боотбором, выполненных в условиях'-конвертерного, цеха МК "Азовста-ль", а также плавок, проведенных в ККЦ-2 НЛМК, на БМЗ и СОРЗ, разработана модель рафинирования стали -от серы активными шлако-

а

л ^ А оо п Д л

О о ■ ® о п □

о О Оо о о • О-КЗ СПЕСИ о- тшс А- СШ а-сш*гшс

.0 I •

выми расплавами, сформированными присадками СШ, ТШС или СШ и ТШС, при использовании различных типов продувочных устройств. Разработанная модель позволяет прогнозировать результат обработки на основе минимальной технологической информации: состав металла и шлака в конвертере перед выпуском, вид и количество ферросплавов и 'илакообразувдих, вводимых в ковш во время выпуска, масса конвертерного шлака, попавшего в ковш, продолжительность выпуска и обработки расплава в ковше на УДМ.

«енение массы и состава твенно описаны доли, .

I

2. Разработана модель, описывающая лз ковшевого пиша за время обработки, количе вносимые печным шлаком, размываемой футеровкой, ферросплавами и' шлакообразующими. .

* 3. Количественно описан угар важнейших элементов (марганец, кремний, алюминий) и показано, что он носит экстремальный характер. ' .

4. Изучен процесс перемешивания покровного шлака в ковше' на УДМ при продувке расплава инертным газом и получена аналитическая зависимость для определения времени усреднения шлака в ковшах, различной вместимости.

5. Процесс рафинирования металла шлаком в ковше разбит на 2 этапа и для каждого этапа выявлены наиболее значимые факторы, определяющие скорость процесса. Получены аналит"ческие зависимости, хорошо, описывающие'реальные данные.

.6. Показано, что конвертерный шлак, попадающий в ковш в научала выпуска, может вызвать, ресульфурацию, тогда как в конце выпуска он приводит к незначительной десульфурации. Зависимость с времени выпуска носит экстремальный характер, что связано'с уменьшением'эффективности .воздействия струи металла при возрастании

¡ремени выпуска.

7. Зависимость скорости процесса от количества используемой :меси носит экстремальный характер и максимальна при ЯСМ0СИ~ 20 сг/т. Дальнейшее увеличение ЧСМ9СИ приводит к уменьшению эффективности процесса. При этом результаты всех плавок, независимо от ¡пособа формирования смеси, ложатся на одну кривую, но дисперсия 1анных с использованием HDC значительно выше, чем с использовани-)м сш или сш и ию.

8. Показано, что эффективность продувки расплава через фурму 5 пористым соплом с точки зрения массообмена шлак-металл ниже,

г

юм при использовании фурмы с круглым соплом.

9. На основе предложенной модели проанализирована практика заботы конвертерного цеха МК "Азовсталь" по производству низкозернистого металла. Установили, что в случае формирования актив-гого покровного шлака присадками СШ степень использования, его эафинирупщх свойств не превышает в среднем 10%, в случае использования ТШС- 6,5%, а без использования смеси- 3%.

10. При действующей схеме производства основной эффект де-зульфурации достигается во время выпуска. На УДМ,-несмотря на 5лагоприятные термодинамические условия для удаления серы, прочее не получает развития в связи с низкой интенсивностью перевешивания шлаковой фазы. Необходимо дополнительное перемешивание за счет альтернативного источника энергии. .

11. Сформулированы оптимальные условия проведения процесса десульфурации: полная отсечка конвертерного шлака во время выпус-<а,-использование в качестве шлакбобразующей смеси СШ и ТШС в количестве™ 20 кг/т или повторно ковшевого шлака, сформированного трисадками ТШС, поддержание С на уровне 0,005-0,006% за счет

регулирования содержания (СаО) в пределах 47-48% и проведения десульфурации при температуре не ниже 1590"С.

Основные материалы диссертации опубликованы в работах:

1.Определение оптимальной продолжительности продувки расплава инертным газом/ Поживанов М.А., Казаков С:В., Свяжин А.Г., П6ШИН0В O.A. И др.//Сталь.-1991 -N9-C.21-23.

2.Десульфурацйя металла в ковше активными шлаковыми смесями/ Поживанов М.А., Казаков C.B., Семенченко П.М., Пошинов O.A. и др. . //Металлургическая и горнорудная промыщеиность.-1991.-N4-C.35-38.

Материалы диссертации доложены:

!

1.Пошинов O.A., Чепель С.Н., Семенченко П.М. Технология вне-печной обработки металла инертным газом с целью усреднения и ра-• финирования.//Молодежь и научно-технический прогресс.Тез. докл. яаучн. конф. 11-12 октября 1990 г.-Липецк,1990.-С.68.

2: Пошинов O.A., Казаков C.B.,'Поживанов М.А. Степень использования рафинирующих свойств шлаков при внепечной обработке.// X Все^оюзн. конф. по физико-химическим основам металлургических процессов:Тез. докл.-М.,1991.-Часть III,С.96-99.

. 3. Пошинов O.A., Казаков C.B., Свяжин А.Г. Модель рафиниро-V вания металла в ковше от серы активными шлаковыми смесями.//Теп-ло- и массообменныё процессы в ваннах сталеплавильных агрегатов. Тез. докл. V Всесоюз. научн. конф. 3-7 сентября 1991 г.-Мариуполь, 1991.-Час!гь II,С.36-38.

. 4. Поживанов М.А., Казаков C.B., Пошинов O.A. Повышение эффективности рафинирования металла в ковше шлаковыми смесями.// Совершенствование металлургической технологии в машиностроении. ■/Тез. докл. II Всесоюз. научн.-техн. конф. с участием иностранных специалистов. 24-26 сентября 1991 г.-Волгоград,1991.-С.122-

' -27-124'.

5. Шмелев Ю.Е., Пошинов O.A., Суханов Ю.Ф. Изучение процесса 'омогенизации металла в 300-т ковше при продувке через погружа-1мую фурму с профилированным соплом.//Обобщение опыта работы мо-юдых ученых, инженеров и рабочих отрасли по экономии материаль-ых и энергетических ресурсов./Тез. докл. Всесоюз. науч. конф. 5-27 мая 1989 г.-Донецк,1989.-С.49-50.

6. Казаков C.B., Шмелев Ю.Е., Пошинов O.A. Однородность

еталла после внепечной обработки.//Проблемы повышения качества

еталлопродукции по основным переделам черной металлургии./Тез.

t

окл. Всесоюз. науч. конф. 27-30 ноября 1989 г.-Днепропетровск, ' 989.-С.49-50.

аказ , объем I п.л. Тираж 100 экз.

-щография ЭОЗ МИСиС, ул.Орджоникидзе, 8/9