автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Разработка и освоение технологического процесса десульфации чугуна инжектированием диспергированного магния в струе природного газа

, НАЦИОНАЛЬНАЯ АКАДЕМИЯ НАУК УКРАИНЫ

-О ИНСТИТУТ ЧЕРНОЙ МЕТАЛЛУРГИИ га. 3.И.НЕКРАСОВА '

На правда рукописи ДЕОСКИН Борио Бульфович

РАЗРАБОТКА И ОСВОЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ЩТУЛЬФУРАЩИ ЧУГУНА ИНЖЕКТИРОВАНИЕМ ДИСПЕРГИРОВАННОГО МАГНИЯ В СТРУЕ ПРИРОДНОГО ГАЗА

05.16.02 - "Металлургия черных металлов"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Днепропетровск - 1996г.

- г -

Диссертация является рукописью.

Работа выполнена в Институте черной металлургии HAH Украины.

Научный руководитель кандидат технччеоких наук,лауреат Государственной премии Украины в -

области науки и техники А.Ф. Шевченко

Официальные оппоненты: ' доктор технических наук,профессор

кандидат технических наук

А.Г. Чернятевич И.Н. Витало

Ведущее предприятие: Укргилромег (г. Днепропетровск)

Защита диссертации состойся "/£>" МР<9еР<% 1996 г. в ¡'/f часов на васедании (.пецилливированного совета К.ОЗ.09.01 ь Инотитуте черной металлургли АН Украины го едреоу: ЗгООБО.г.Днепропетровок.ГСП, пл. академика Стародубова, 1а.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Инзтитууа чирной металлургий АН Украины. _

Автореферат разослан " С 19SÖ г.

Ученый секретарь специализированного совета, кандидат технических наук

hB. Левченко

- 3 -

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Назревшие коренные преобразования в зютномике Украины требуют качественных изменений в мэталлургии. Одной из важнейших га;!ач этой отраоли становится повышение гл-чества металлопродукции, неразрывно связанное с очищением металла от вредных пршесей, к которым в первую очередь относится сера. В условиях ухудшения сырьевой базы доданного производства, повышения требовании к качеству стали и необходимости повышения конкурентноспособности металлопродукции особенно актуальной становится задача применения внедоменной десульфурацич чугуна. Этот технологический процесс не толысо обеспечивает повышение качества металла, но и позволяет улучшить технико-эконсмичесгага показатели работы основных металлургических агрегатов. Б настоящее время в мировой практике однозначно решен вопрос о целесообразности предварительной десульфурации чугуна, исполъвуекого для выплавки высококачественных статей. Открытым оотазтся вопрос выбора наиболее аффективного и экономичного способа осуществления этого процесса.

В результате сопоставления различных процессов и реагентов для десульфурацип чугуна наиболее широкое распространение получили способы десульфурации инжектированием магния. Однако, высокая цена магния и повышенные, по сравнении с теоретически необходимым, его расходы сдерживают широкое промышленное внедрение этого реагента для внедоменной десульфурации чугуна. Поэтому со-вериенствование технологии деоульфурацил чугуна гранулировании« магнием в направлении повышения степени его использования является актуальной задачей.

Цель работы. Создание высокоэффективного технологического процесса десульфурацип и рафинирования чугуга в ковшах инлектм-рованием гранулированного магния за счет устранения негативного влияния транспортирующего газа на комплекс процессов, протекающей при вводе его в рзсплав.

Научная новивна.Установлено влияние параметров газопороако-вой смеси и типа газа,-носителя на эффективность десульфурации т/г-.тга гранулировояпыч магнием. Разработаны етиограмчи требуемо-

го расхода магния для Д'.мтижения веданного содержания серы в чугуне в коЕшах различной емкости. '

Разработана методика ксличеотгеннои оценки влияния транспортирующего газа на процессы растворения магния в ч^гуня и на взаимодействие его о оерой.

Разработаю новые теоретические представления о механизме процесса десульфурации чугуна магнием, вдуваеьым в железоуглеродистые расплавы б струе различных транспортирующих газов.

Углублены теоретические представления и устаноьлено количественное влияние на эффективность десульфурации различных факторов, в т.ч. мазсы обрлбатываемого чугунл, температуры расплава, глубины ввода парсв магния, формирующегося ковшевого шлака, параметров процесса. Разработан, исследован и внедрен в промышленную эксплуатацию новый способ десульфурации чугуна инжектированием гранулированного магния в струе природного газа, обеспечивающий наиболее высокие технике-экономические поу аэатели. Способ и устройства зацгацеиы 10 авторскими свидетельствами и запатентованы в грех отранах.

Практическая полезность. Разработана и внедрена в промышленную эксплуатацию на комбинате "Ааовоталэ" новая технология деоульфурации чугуна инжектированием магния в огруе природного /ала. Отработаны технологические параметры процесса, обеспечивающие отепень использования магния до 90Х при наполнения ковшей чугуном под обработку 90% номинального налива. При -¿том обеспе-1 чииаютоя наименьшие приведенные затраты на десульфурецию, а снижение температуры чугуна' составляет - б - 10°С. Уотанов-' лено, что получаемый о использованием разработанной технологии чуг)'н отвечает всем требованиям, предъявляема к высококачественному товарному рафинированному чугуну.

Реализация работы в промышленности. Технологический процеоо деоульфурации чугуна гранулированным магнием, инжектируемы в расплзв в струе природного газа о раоходом до 40 м^/чао, внедрен в отделении десульфурации чугуна (ОДЧ) металлургического комбината "Авовсталь", где по этой технологии произведено более 25 млн. тонн нсэкосернистого и особо чиотого по сере чугуна. Удеххный расход магния на 0,01 X удаленной серы в промышленных

условиях доведен до 0,17 кг/т, себестоимость десульфурации снижена в 1,5 раза. Фактический суммарный годовой экономический эффект, полученный га счет экономии магния и использования нигко-сернистого чугуна, составил 475 1ыс.руб. (в ценах 1990 г.) и 10 млрд. крб. (в ценах 1994 г.). Ноеуй технологический процесс заложен в технологические еадания на проектирование новых объектов десульф>рации чугуна металлур?ичес!!их комбинатов "Аэовоталь", ДМК им. Дзержинского, "Запорожсталь" и др.

Апробация работы. Материалы диссертации доложены и обсуждены на 11 конференциях, научных семинарах стран содружества и международных семинарах, а также на I, II и II1-м международных конгрессах ассоциации сталеплавильщиков.

Публикации. По материалам диссертации издана 1 брошюра, опубликовано 19 статей, получено 10 авторских свидетельств СССР на изобретение и 3 зарубежных патента, а. о. СССР Н559Е99 вколочено в состав лицензии, приобретенной финской фирмой "Раутаруук-ки".

Объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, семи глав, заключения, библиографического списка из 177 наименований, содержит 193 страницы машинописного текста, 52 рисунка, 11 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Методически работа пост[/оена по следущей схеме. Выполнены теоретические исследования процессов взаимодействия компонентов газо-носителя о магнием, компонентами чугуна и пла^а. С использованием результатов теоретических разработок проведены лабораторные исследования влияния типа гаэо-носителя и основных параметров процесса обработки чугуна в 0,35-тонном ковша на степень усвоения магния чугуном.

Для уточнения и проверки положений теоретических и лабораториих исследований выполнен комплекс экспериментов и исследований процесса обработки болыпих масс чугуна в 75-, 140- и 350-тонных ковках, завершенных разработкой и освоением в широких промышленных масштабах технологии и аппаратуры для десульфурации

чугуна в ковшах вдуванием магния природлым газом.

В первой глазе приведены результаты сопоставительного анализа эффективности существуют;«, в мировой практике методов де-су ль фурации чугуна различными реагентами и способов их ввода. Он повволаа сделать вывод, что наиболее эффективным для процессов кло-овой металлургии при обработке чугуна з чугуновоаных и вади-во"лых ковшах является способ, вшпочащю. регулируемый ввод диспергированного магния в чугун методом вдувания. Основы этой технологии были завожены в работах, выполненных в Институте черной металлургии под руководством профессора Н.А.Бороноиой.Данная работа является очередным этапом развития технологии внедоменной десульфурации чугуна гранулированным магнием.

Так как вдувание магния осуществляется при достаточна высоком (0,1-0,3 м3/кг) соотношении "газ-твердое", то эффективность этого способа не может че зависеть от типа лслсшьгуемого га-во-носителя и параметров его подачи. Анализ реэультатгв различных исследований не дает одно?начногз ответа на вопросы влияния типа и параметров газо-носи:еля на эффективность использования маг.шя. Имеются разночтения в опрэделении закономерностей влияния и оптимальной величины расхода газо-носителя. Неясны вопрооы 'влжния природного газа на условия протекания физико-химических процессов при внедоменной деоульфурации чугуна магнием. Требует^ , уточнения вопроо механизма и кинетики взаимодействия составляющих в системе "металл-шлак-газовая фаза" в условиях ковшевой об-^ работки чугуна. Отсутствует конкретные рекомендации по оптималь- ' ной величине соотношения "газ-твердое" при вдувании магния в чугун в струе различных газов. Не исследована принципиальная воз-модность и нет опыта вдувания магния в чугун в отруе углеводородных газов.

На основе аналитического обэора оформулировагы выдачи теоретических и экспериментальных исследований, а также технологических разработок нового процесса деоульфурации чугуна.

Оценка влнлния типа транспортирующего газа ьа тепловые про-1,ес:-)), протекглоцие как в испарительной камере фурмы так и во »сбм обгвл* чугуна прн обработка его магнием, выполнена расчет-во-т&оротичеоккм путем для реальных промышленных усаовгА ( маооа

обрабатываемого чугуна (пч) -100000 кг; расход гаго-носителя (Н) - 1,0 м3/мин.; массовая старость подели магния (ч) - 10 кг/'мин; продплжителинооть обра£отки (г) - в >,шя.) о учетом прлходнш ( в т.ч. ва счет экзотермических реакций) и расходных (в т.ч. ва счет конверсии) статей баланса тепла.

Оценка изменения температуры в:ей массы обрабатываемого чугуна выполнена дтя трех тшов применяемых газо-носителей ( воздух , природный газ, аргон) по нижеприведенным уравнениям:

[0.210м<лЮ.750мг3Кз- СвГв^ч-Ьа)} И*

+^ч.возд---1.6 °С (1)

У-Сч-Шч

ССсНч(^кона~ЛсНч)+0кэнвТсНчЧСНч'"0пр-ТсНч!Лп.л^сИчЛ ^

"^ч.снц--—- (2)

Сч*П)ч

-Л^.СИч - 0.Б1 °С

САГГАГ(ЬЧ-Ьдг) 'Л

"ЛЬч.Аг---0,11 °С (3)

Сц-Пч

где ОмгО.Ом?,^ " тепловые эффекты реакции взаимодействия магния о кислородом и азотом воздуха соответственно; V - молярный объем гаса; Сч.Са.Сскч.Сдг.Спр - теплоемкости соответственно жидкого чугуна, воздуха, природного газа, аргона, продуктов конверсии природного газа; Гв.тснч1тдг - уделыше массы воздуха, природного газа и аргона соответственно; ЬчДаДдгЛсНчДкотаЛп.п -температура чугуна, исходные температуры воздуха, аргона, природного газа, температура конверсии и температура среды испарительной камеры фурыы соответственно; Чконв.снч - теплота конверсии природного газа.

По результатам тепловых расчетов установлено, что тип га-"о-носктэля ■"■^значительное влияние кз изменение теюте-

ратуры обрзбатывз.-ного чугуна.

Оценка влияния типа газо-носителя на тепловую работу реакционной зоны испарительной камеры фурмы показала, что замена воздуха природным газом, во-первых, создает дефицит тепла в испарительной камере ва счет эндотермических процессов конверсии углеводородов и, во-вторых, снижает интенсивность теплообмена в объеме испарительной камеры фурмы, так как образующийся в результате конверсии сажисгый углерод делает среду менее прозрачной. Совокупность этих факторов приводит к охлаждению стенок испарителя и среды подколо:сольного пространства на 160°С ( по расчету), что создает более благоприятные условия для рестаорения магния в чугуне.

Вследствие этого использование природного газа в качестве транспортирующей среды для инжектирования именно магния в расплав чугуна о точки зрения тепловой работы испарительной камеры фурмы более предпочтительно, чем использование поздуха. Кроме того, продукты разложенля природного гаеа создают благоприятнуг влщитную безокисли'ж'ельную атмосферу 1-ак в зоне испарительной камеры фурмы, так и над поверхностью чугуна в ковше.

Крличественная оценка ¡- лияния гаэо-носителя на процессы растворения магния и его взаимодействие с серой расплава выполнена по предложенной методике, учитывающей фактическую величину , парциального давления (Рм?®) в газовом пуаыре, определяемую из реального "газового соотношения" - Рг-н/РЛ^- Расчет фактической величины Рмг® выполнен о учетом реальных условий и имеющих место на практике характеристик гагопорошковой смеси. При условии полного испарения магния' и отсутствия химического взаимодействия между компонентах« газо-носителя и магнием "газовое отношение" определено из мольного соотношения:

Рпг-н/РпМ5г - V гиг/22,АЯмт Ь, откуда Рпг-Н - Ь/Ргм? (4)

где 1ПМГ" атомный вес магния; 22,4 - объем моля гааа.

Парциальное давление перов магния для веданной температуры определено ив иввеотногэ выражения:

о

- 7ББ0Д - 1,Л11рТ + 12,79 им рт.от. (Б)

Давление в гаэовом пузыре, находящемся на веданной глубине Нп металлического расплава плотностью Ги» определяется соотношением:

Рпуэ - Ратм + НпУщ + 23/Г (6)

где НпГщ- ферросготическое давление; 2б/г -составляющая общего давления, определяемая меифазным натяжением б на границе пузыря и размером пузыря - г.

Поскольку составляющая 2б/г играет существенную роль в момент зарождения газового пузыря в объеме металла при малых размерах пузыря, а в рассматриваемых условиях формирование газовой смеси происходит в полости испарительной камеры, то в дальнеГшп расчетах эту составляющую не учитывали.

Гипотетическое давление в газовом пузыре (Р'пуа.) с учетом определенного "газового отношения" будет равно:

Р'пуа." + Р"г-я - Р"М7 + ЬРЧй - (1+ Ь)РпМг (7)

Исходя из условий уравновешивания давления газового пузыря и внешнего давления, определяли истинную величину парциального давления магния в пузыре:

- Р^г-СРпуа/Р'пуз) (8)

»

Испольвуя термодинамические характеристики реакции растворения магния.в чугуне:

мггаэ - шгэ - -згозг + гз.зз т; О)

1е Кр - 7000/Т - 5,1 (10)

рассчитывали величины предельных концентраций магния для рассмотренных уоловий

Кв-сэ^з/т^мз; схкгькр рфме-1ос7000/т-б'1)р«мг В результате расчетов было установлено (рис.1),

(И) что влия-

ние газо-нсоителя ( езди он нейтрален к магнии) на растворимость магния несущественно. Определяющее влияние на растворимооть магния в чугуне (рис.2) оказывают температура системы "газ-металл" и глубина ввода магния в расплав.

Влияние типа газо-лооителя на процесс взаимодействия магния о оерой оценено по достигаемому равновесному содержанию серы в чугуне, определяемому из выражения Кр аналкаируемой реакции о учетам фактического парциального давления магния (Р*м?), рассчитанного по нижеизложенной методике. Расчетным путем установлено, что нейтральный по отношению к магнии газо-нооитель оказывает незначительное влияние на достигаемое разновесное содержание серы в чугуне.

Расчетно-теоретичеоким путем установлено, что при инжектировании в объем чугуна воздушно-магниевой смеси с соотношением "газ-твердое" в пределах 0,066-0,3 . м3/кг может связываться в окоиды от 3 до 12 % ив нитриды от 17 до 7БХ вводимого в чугун магния. Магний, связанный киолородом в оксидн, окончательно потерян для процеоса взаимодействия с серой чугуна. Образующиеся в объеме чугуна ( при избыточном даьлении и пониженной температуре) нитриды магния по мере ьзплыгания к поверхности расплава могут диссоциировать. Расчетами показано, что при соотношении "газ-твердоэ" во вдуваемой двухфазной отруе - 0,1Б м3/кг иктен-* оивное разложение нитридов магния, образующихся п иопаригельней камере, возможно у поверхности рас плав,э при температуре ;270°С. Следовательно, азот инжектирующей ореды, связызая магиий в нитриды, способствует исключению вваимодейотвия магния о обра*-, батываемым чугуном в процессе веглывания реагента.

Вышеизложенное показывает, что ожатый воздух, как газо-нооитель для вдувания магния в чугун, имеет существенные недостатки, поскольку «го основные компоненты взаимодействуют о вводимы! в расплав реагентом, что онижает степень использования магния на деоульфурацию.

Использование ааота вместо вовдуха в качеств'/ газо-носителя позволяет избежать потерь магния на окисления, но не исключает образования нитридов магния, которые менее предпочтительны о КУ'МИ зрения термодинамики и особенно кинетических уоловий про-

- 11 -

текания процесса ресуяьфурации чугуна.

Отмеченных вьете недостатков воэду:.а и азота лииеч нейтральный по отношению к магнии аргон, эднзко, специфика получение, дефицитность и высокая стоимость делают проблематичным его пиро-кое промышленное использование в качестве транспортирующего газа при вкепочной обрабсткэ чугуна магнием.

Поиск эффективного транспортирующего газа для вдувания магния в чугун привел к углеводородным газам и, в первую очередь, к широко используемому на металлургических предприятиях природному газу. При вдувании природного газа в жидкий чугун происходит разложение его с обраэоганием молекулярного водорода по реакции: СН4 - С + 2Н2; Кр1650ок - 59,18 (12)

Разложение метана пг реакции (13) о образованием атомарного водорода маловероятно:

СН4 - С + 4Н; " Кра650ок - Ю-5'2 (13)

Как показывает анализ величин констант равновесия реа-цип (14)-(16), рассчитанных для существующих условий ввода магния в чугун, вероятность взаимодействия продуктов разложения углеводо-

родов о магнием практически отсутствует:

2 М£гаа + 3 Ст - М£2С3; КР1б50Ос- 0,0002818 (14)

ЦГгаз + 2 Ст - МдСг ! Кр1в50°С- 0,001445 (15)

2 Магаз + Н2 - 2МгН; Кр1650ос - 65,11-10"18 (16)

Для оценки возможности взаимодействия продуктов разложения природного гаэа о серой и кислородом чугуна выполнен анализ систем Б - На и о - Н2.

Термодинамический анализ реакции взаимодействия водорода о серой с учетом коэффициента активности серы в чугуне показывает,

[53 + Н2 - Н25гаэ; Кр1в50ос - 4,47 (17)

РЙзЗ-Кв-МсзЗ-ГГЗЗ-РЧ»-4.47-0,0007-4.1^-0,0126 Рн2 (13)

0,0125 Рн2 I (19) РНаЗ + РНЛ- 1 I Рнй-Э,9Ь76; Рк2з - 0,0124;

что водород не обеспечивает сколько-нибудь значительной десуль-фурации чугуна, так как в условиях обработки чугуна с расходом природного гаэа до 75 л/т из металла межет Сыт: удалено около 0,68% отн. 'имеющейся в нем серы.

Те{.мс.;,;дат1Н':-.!ая оценка возможности раскисления чугуна об-

За-шоимость предельного насыщения чугуна магнием (Ш^З) от концентрации реагента в струе аргона (С) при различной глубине погружения фурмы в металл (Нп)

га «»*■

» »«к-«*

Кдм^тра»^» Я орге*е. Л, *7»'

Рио.1

1,Я - Нп-0,Б м; 2,4 - Чп-4,0 м; а - Тоар-1140°С: б - Тоар-1300°С

Зависгмооть предельного насыш.ения чугуна магнием (СМ^З) от температуры (Т) и глубины ввода паров магния в расплав (Нп)

Рис. 2

1 - Т - 1140°С;

2 - Г - 1Б00°С;

3 - Рмв-0.14 МПа:

4 - Рм*-0.42 МПа

раяующимоя при разложении природного газа водородом показала, ( что в реальных условиях обработки чугуна процеоо раскисления чугуна водородом не может иметь практического значения.

Лабораторные исследования влияния типа гаэо-носитэля и параметров его подачи в расплав на степень усвоения магния осуществляли на созданной в Институте черной металлург™ установке для деоул!фурации чугуна магнием в 0,ЗС-тонлом ковше. Лабораторная установка позволяла ис»;ектировать гранулированный магний о размером частиц 0,3-0,6 мм на глубину 460 мм в течение 3- 6 мин. о удельным расходом 0,8-1,2 кг/т. Диаметры мзтериалопроводов, давление и расход транспортирующего газп к другие параметры обработок выбраны из условий, обеспечивающих устойчивый, надежный ввод •магния в распляь, Оборудование экспериментальной установки

обеспечивало вдувание газопорошковой смеси о соотношением "газ-твердсе" 0,Е>-1,2 м3/кг и интенсивностью 1,7-5,0 г/т-о.

Лабораторные исследования показали, что замена воздуха природным газом повышает степень усвоения магния и снимает его расход при десульфурации чугуна в среднем на 30%. Снижение интенсивности вьода магния в чугун с 5 до 3 г/т-с позволило уменьшить удельный расход магния на обработку п среднем на 77.. Снижение вдвое соотношения "газ-твердое" в пределах 0,5-2,2 м3/кг обеспечило уменьшение удельного расхода магния в среднем на 22Х. Столь существенное повышение эффективности процесса при увеличении концентрации реагента в гаво-носителе объясняется технологичным вводом мэгния, не приводившим к образованию продуваемых полостей в объеме металла.

Для проверки основных положений, выводов теоретических исследований и лабораторных экспериментов, а также для установления оптимальных пределов комплекса параметров вдувания магния в чугун в струе различных газов, были проведены широкомасштабные исследования на большегрузных чугуновозных ковшах. На первом эт£пе одна из секции установки деоульфурации чугуна мегкомбината "Азовсталь" была реконотруировзна и дооборудована аппаратурой и устройствами для вдувания магния в чугун в струе различных носителей (воздух, азот, аргон, природный газ) в 76-тонные ковши.

Для изучения процессов, протекающих в испарительной камере и в зоне контакта магния с чугуном при вдувании вглубь металла, сконструирована и изготовлена специальная фурма со встроенной камерой для отбора проб газа из-под поверхности металла ( в зоне барбс.тирования ) и термопарами, введенными в подколокольное пространство фурмы.

Экспериментально подтверждено, что при вводе метане в чугун на глубину 1,6 м степень диссоциации его составляет 90-100Х.

Результаты экспериментальных исследований тепловых процео-сов, протекающих в испарительной камере фурмы при вдувании магния в чугун в струе природного газа, подтвердили снижение температуры в испарительной камерэ фурмы на 200°С, что явилось основанием (при необходимости сохранения массовой скорости подачи магния в чугун) увеличения диаметра испарительной камеры в 1,2Б раза для стабилизации теплообменных процессов в испарительной

- 14 -

кгмере при использовании этого гаао-носителя.

Изучение восстановительной и обессеривающей способностей природного raja проводили при его удельных расходах 112-180 л/т. Полученные результаты подтвердили, что самостоятельного значения, как деоульфуратор и раскислитель чугуна и шлака, природный rsa не имеет. Однако, при использовании его в качестве гаэо-но-сителя магния имеет место стабилизация уровня окис-леннссти шлака, что способствует блокированию возможных процессов десульфу-рации на границе металл-шлак.

Выполненный комплекс теоретических и экспериментальных исследовании по? вол ил уточнить механизм влиянг.я углеводородных rapo-носи гелей, инжектирующих магний, на процесс десульфурации чугуна. Показано, что локальное охлаждение реакционной зоны при вдувании магния в струе природного газа является благоприятным фактором, так как со снижением температуры повышается растворимость магния в чугуне. Выделение свежеобраэованного углерода при конверсии метана положительно влияет на активность серы в этой зоне, а образующийся водород способствует созданию безокислительной атмосферы над поверхностью расплава. Указанные факторы способствуют повышению степени усвоения магния.

Анализ резучьтатов экспериментов в 75-тонных ковшах показал, что при испольвовании природного газа вместо воздуха в качестве гаао-носителя магния степень его усвоения чугуном повышается на 30%отн- Также установлено, что по эффективности усвоения магния процесс с использованием азота в качестве транспортирующего газа не имеет преимуществ перед технологией с использованием возду/а; применение аргона равнозначно применению природного гаэа.

Отработка параметров технологии, аппаратурной схемы и технологического оборудования для инжектирования в чугун гранулиро-эалного магния в струе природного гаэа осуществлялась в 140-тонных ковшах отделения десульфурации чугуна комбината "Азовсталь" и в 350-тонных ковшах на опытно-промышленной установке в миксер-ном отделении конвертерного цеха этого комбината. Особенность» испэльэуемого технологического оборудования являлось оснащение г.ачхолных бункеров усовершенствованной системой дорирования маг-

ния, обеспечивающей более равномерную подачу реагента и ьозмол-нооть настройки системы на более низкие расходы гего-носителя, чем при применении расходных бункеров о а-эрационной выдачей. В атих условиях произведена отработка технологических параметров ввода магния в чугун в струе природного газа, включавшая оптимизацию конструктивных параметров магниепровода, определение минимально допустимого расхода гаао-носителя и верхних пределов массовой скорости ввода магния в чугун, отработку рационального уровня концентрации магния в гаво-носителе, определение допустимого уровня наполнения ковшей чугуном.

Исследована работоспособность фурм о каналами диаметром 20, 17, 16, и 12 мм. Установлено, что при глубине ввода реагента до 3,4 м наиболее высокая концентрация магния в газо-носителе 10-11 кг/м3 обеспечивается при подзче газопброшковой смеси через канал диаметром 17 мм о минутной скоростью ввода магния 10-11 кг/мин и расходом природного газа - 60 м3/ч. В процессе совершенствования технологии ввода магния в чугун, были разработаны новые решения, обеспечившие ввод реагента о достаточно еысокой концентрацией в газо-носителе - 13-16 кг/м3 эа счет оптимизации конструкции магниепровода и ивменения гаводинамики потока до испарительной га-меры, что создало условия для разгона частиц магния в штанге и фурме до скорости, близкой к скорости газового потока, и исключило закупоривание канала фурмы. В систему инжектирования магния было внесено специальной конструкции устройство, просеивающее реагент при его пневмотранспортировашш в период вдувания, а регулирование параметров газопоропковой струи осуществлялось плавно о ускорением не более 10 кг/шн2. Изложенный комплеко разработанных решений в сочетании о отработанными технологическими параметрами (табл.1) обеспечили технологичный и надежный ввод диспергированного магния зглубь расплава.

В процессе проведения контрольных промышленных обраСоток в 140-тонных ковшах установлено, что замена транспортирующего воздуха природным газом обеспечивает снижение расхода магния на единицу удаленной серы на 2БЯ. Повышение концентрации магния в гааопоролковом потоке о 10-11 кг/м3 до 13-16 кг/м3 увеличило степень усвоения магния чугуном в среднем на 22Х етп. Степень

усвоения магния в отработанной технологии доведена до 80Х. Выполненные вамеры температуры чугуна до и после обработки показали, что при продолжительности обработки 4-6 мин. и предельном расходе магния до 0,5 кг/т снижение температуры чугуна составляет около Б°С.

Таблица 1

Параметры инжектирования магния

1 -"■ ......... | Наименование параметра "■' 1 ЕД. 1 иэм. 1 1 Доменные | ковши | 1 Заливочные | ковши |

| Масса обрабатываемого чугуна {1 Т 1 Б0-100 | 200-280 |

| Наполнение ковша чугуном X 1 до 90 | до 90 |

| Газо-носитель - 1 СН4 (Аг) | СН* (Аг) |

| Расход газо-носителя мЗ/Ч 1 ЭО-БО | БО-ВО |

| Массовая скорость ввода

| магния в чугун кг/мин1 Б-В | 5-6 |

| Давление в расходном бункере МПа | 0,19-0,2Б| 0,49-0,53 |

| Глубина погружения фурмы в чугун м 1 2,240,2 | 3,2±0,2 |

| Диаметр канала фурмы ММ 1 12 | 12 |

| Диаметр фурменной траосы • ш | • 17 | ...1 17 | <

Реализация разработанной технологии десульфурации чугуна в ЗСО-гонных заливочных ковшах стабильно обеспечивала достижение отепени усвоения магния чугуном на уровне 00-100 X.

По результатам акопериментальных и аналитических исследований были разработаны номограммы требуемых расходов магния на де-оульфурацию /рио.З а,б/. Длительная промышленная эксплуатация отделения десульфурации чугуна в 140-тонных ковшах и установки обработки чугуна в 350-тонных ковшах о испольвовавием разработанных технологий подтвердила достоверность номограмм.

Выполненные исследования качества подученного по разработанной технологии товарного литейного чугуна включали изучение газонаоыщенности и чистоты металла, а также соответствие чушкового чугуна требованиям стандартов. Установлено, что рафинирую-

- 17 -

Номограммы требуемого удельного расхода магния при десульфурации чугуна в 140-тонных и 350-точных ковшах

¡¡14 CCi 0,02

о

о/ вА Q* 43

Рио.З

rvyt.

а - 140-тонные ковши; б - 350-тонные ковши

щее воздействие на чугун обеспечивается при удельном расходе магния не менее 0,5 кг/т .конечном содержании серы не более 0,01Х и магния не менее 0,01Х. По качеству поверхности »макро- я микростуктуре полученные чутка чугуна отвечают требованиям стандарта. Содержание кислорода в таком чугуне снижается и составляет 0,0025 ± 0,001%, содержание азота стабилизируется на уровне 0,0053 i . 0,00052, содержание водорода повышается на 0,0003-0,0006S н сохраняется на уровне 0,0006-0,00162, что не прэвыяает требовании к верхнему пределу по содержанию водорода для высококачественных литейных чугунов.

Накопленный в процессе проведения экспериментов опыт и последующая длительная промышленная проверка в условиях комбината "Азсвсталь" разработанной технологической- охемы инжектирования магния в чугун в струе природного газа и технических penemnî, заложенных в технологическое оборудование, подтвердили их работоспособность и безопасность в эксплуатации. Разработанная технология обеспечивает стабильное получение чугуна с лябым треСуо-1£ыч содержанием о*ры, вплоть до 0,002% и позволяет на протяжчнтш

длительного времени обеспечивать конвертерный цех низкосернистым чугуном для выплави! широкого сортамента качественных сталей, в том числе с особо низким (0,002-0,004Х) содержанием серы.

Подтвержденный меткомбинатоы "Ааовсталь" годовой фактический экономический эффект от применяемой технологии составил 475тыс.руб. /в ценах 1990 г./ и 10 млрд.крб. /в ценах 1994 г./.

•ВЫВОДЫ

1.Сформулированы основные положения и закономерности процессов ,протекающих в зоне ввода магния в жидкий чугун и во всем объеме ковша при вдувании магния в среде природного гаэа и других гаеов-носителей. Показано, что при инжекционном способе ввода магния создаются условия для его взаимодействия с кислородом и азотом транспортирующих газов, поэтому использование вовдуха и азота для вдувания магния «¡целесообразно.

Установлено, что кроме аргона нейтральным к магнию является метан и продукты его разложения. Расчетно-теоретическим путем показано, что при вдувании в чугун природный газ практически полностью диссоциирует. Образующийся при диссоциации метана углерод повышает активность серы в реакционной воне, а водород создает беэоцислительную ващитную атмооферу в ковше над расплавом чугуна.

2. В результате теоретических исследовании установлена зависимость предельной растворимости магния и равновесного содержания серы в чугуне от концентрации магния в инжектирующем газе, давления и температуры реакционной зоны. Рациональной определена концентрация магния в газе более 11-12лг/м3, при которой влияние газо-носителя практически не ощутимо. Показано, что к основным факторам, влияющим на эффективность десульфурации чугуна магнием, относятся давление и температура во вдуваемой воне на осно-зании чего обоснована технологическая целесообразность обработки чугуна магнием в заливочных большегрузных ковшах сталеплавильных цехов.

3.На основании расчетов теплообменных процессов, протекающих при вдувании магния в чугун в струе различных газо-носителей

показано, что за гчет собственно взаимодействия магния и компо-

центов инжектирунщих газов величина изменения температуры всей массы обрабатываемого чугуна несущественна и находится в пределах 0,11-1,8оС.

Одновременно расчетно-теоретическим путем выявлено, что применение природного газа для вдувания магния в чугун сопровождается охлаждением (по сравнению с пр!шенением воздуха) среды испарительной камеры фурм на 160°С. Локальное охлаждение реакционной зоны создает благоприятные условия для реализации процесса десульфурации чугуна магнием, активизирует растворение магния в чугуье, ведет к его более высокому усвоению в процессе взаимодействия о расплавом и серой чугуна.

^Экспериментальными исследованиями при вдувании магния в лабораторных условиях и на промышленных ковшах о массой чугуна до 280т подтверждены основные теоретические положения работы. Покааано, что степень диссоциации метана составляет практически 100Х; образующиеся водород и углерод, в количествах,соответствующих реальным расходам при инжектировании магния,самостоятельного значения как обессеривающие и раскиоляющие реагенты не имеют. Отмечена стабилизация окиоленности ковшевого шлака.

При вдувании магния в струе природного газа температура в локальной зоне истечения и испарительной камере фурм$1 составляет около 1200ЭС, что на 200°С ниже, чем при использованга других газо-носителей.

Выполненный комплекс экспериментальных исследовании позволил заключить, что основными путями повышения эффективности де-сульфурации чугуна магнием являются: исключение потерь магния на химическое взаимодействие с компонентами носителя; создание благоприятных условий для растворения магния в чугунз и его взаимо-дейотвги о серой; обеспечение технологичности процесса; стабили-вация окиоленности ковшевого шлшса и повышение его сульфидной емкости; создание защитной атмосферы над расплавом.

В результате проведенных теоретических и экспериментальных исследований обеспечено повышение усвоения магния в среднем на ЗОХотн.

б.На основании экспериментальных, опытных и опытно-проваленных обработок чугуна магнием о пр.шененнем различна* инлекта-

рующих газов, в т.ч. природного и аргона, выявлено влияние отходящих газовых потоков на потери магния. Установлено, что повышение концентрации магния в газе до 12 - 13 кг/м3 снижает издержки, связанные о этим фактором.

При использовании природного газа для вдувания магния выявлен дополнительный эффект, который проявляется в повышении степени усвоения магния на 8-10% при снижении интенсивности ввода его,что не достигалось ранее при использовании других несущих газов.

Экспериментально подтверждено существенное положительное влияние на эффективность усвоения магния глубины ввода реагента и температуры обрабатываемого расплава. Увэличение вдвое (с 1,6 до 3,2м) глубины ввода магния 'в чугун и одновременное снижение температуры ( на 75°0) позволяют повысить степень усвоения магния почти вдвое.

6.Выявлено, что рафинирующий эффект от обработки чугуна магнием, вдуваемым в струе природного газа, проявляется при содержании серы в металле не более 0,01% и магния не менее 0,01%. Разработанный процеоо десульфурации одновременно со снижением оеры понижает вдвое (до 0,0025%) содержание кислорода, стабилизирует содержание азота на уровне 0,0053 ± 0,0005% и несколько повышает (на 0,0003-0,0004%) содержание водорода. Обработанный магнием о природным газом низкосерниотый чугун отвечает всем требованиям, предъявляемым стандартами к рафинированным высококачественным товарным чугунам.

7.Разработаны номограммы для определения удельных расходов -магния в зависимости от походного и требуемого конечного содержания серы в чугуне (вплоть до 0,002-0,003%). По результатам исследований и последующей широкой опытно-промышленной проверки разработан наиболее экономичный процеоо десульфурации чугуна магнием, инжектируемым природным газом, о наименьшим расходом оеагента н низкими прочими затратами, наибольшей степенью усвоения магиия, вплоть до 90-100%, наполнением ковшей металлом-90% и небольшим снижением температура (5-10 °С).

Разработаны и доведены до надежной и безаварийной работы кшплеко •"ехнологн^еокого оборудования и аппаратурная схема вду-

- 21 -

вания магния в струэ природного rasa.

8.Разработанный процеоо десульфурации чугуна вдуванием магния в отруе природного гааа оовоен и внедрен на металлургическом комбинате "Авовсталь" в действующем отделении десульфурации чугуна, а также заложен в основу технологических заданий на новые мощности десульфурации чугуна в валивочных ковшах сталеплавильных цехов.

По новой технологии на комбинате "Авовсталь" ежегодно обрабатывают 2-3 млн. тонн чугуна. На промышленных обработках чугуна достигнут удельный расход магния на 0,01% удаленной серы 0,17 кг/т, что находится на уровне, превышающем лучшие мирозыэ достижения. За очет экономии магния годовой экономический эффект от обработки чугуна о применением природного газа составляет 10 млрд. крб. (п ценах 1994 г.).

Основное содержание диссертации опубликовано:

Брошюра.

1.Гулыга Д.В..Двоскин Б.В. Производство низкосеркиотого чугуна на металлургическом комбинате "Азовоталь".-К:Знание, 1988.-160.

Основные статьи в научных изданиях.

2.Теоретические и технологические аспекты десульфурации чугуна вдуванием диспергированного магния/Шевченко А.Ф..Двоскин Б.В. и др. Труды 1-го конгресса сталеплавильщиков,Москва, 1992,0.179-181.

3.Разработка, исследование и внедрение технологического процесса внепечной обработки чугуна магнием, вводимым в металл в струе природного гааа / Двоскин Б.В.и др.//Внепечная обработка металлических расплавов.-К.:ИПЛ АН УССР.1988.-0.1В-21.

4.Совершенствование технологии внепечной десульфурации чугуна гранулированным иагннем/Двосккн В.В,,Гулыга Д.В..Шевченко А.О. и др.//Металлург.1989,- N4.-о.24.

Б.Разработка и исследование технологического працеооа внепечной обработки чугуна магнием, вводимым в металл в струе при-

родного rasa / Воронова H.A., Двоокин Б.В., Гулыга Д.В.и др.//Стань.1985.-N2.-о.13-16.

В.Влияние температуры и давления в воне ввода реагента на закономерности его усвоения при внепечной обработке чугуна /Двпскрш Е.В. и др.//Труды 11-го конгресса сталеплавильщиков, Ь5осква,1994, о.201-209.

7.Изменение температуры жидкого чугуна при деоулъфурации в ковше различными реагентами /Шевченко А.®., Двоокин В.В. и др. //Сталь.-1995.-НЭ.с.18-20.

8.Опытно-промышленное опробование технологии -деоульфурацци чугуна в большегрузных заливочных ковшах инжектированием реагентов через погружную фурму /Двоскин Б.В.,Ткач Н.Т..Шевченко А.Ф.и др.// Труды 1 конгресса сталеплавильщиков,Москва,1093,0.185-187.

е.Вяедомениая деоульфурация чугуна различными реагентами /Шевченко А.©.,Двоокин Б.В.и др. //Сталь.-1986.-N2.-о.17-18.

10.Закономерности деоульфурации чугуна гранулированным магнием / Носоченко О.В., Еаативманокий В.И., Иванов Е.И., Шевченко А.®., Двоокин Б.В.и др.//Сталь.-1093.N8.C.25-29.

11.Анализ еффективнооти внепечной обработки чугуна гранулированным магнием /Поливанов М.А., Шевченко А.б., Двоскин В.В.// Металлургическая и горнорудная промышленность.-1933.N4.о.13-19.

12.Опытно-промышленное опробование производства чугуна о супернизким содержанием серы для выплавки в конвертерах чистой по оере отали /Шевченко A.B., Ткач Н.Т., Двоскин В.В. и др.//Ые-таллургическая и горнорудная промышленность.-1991.N3.0.7-9.

.. Авторские свидетельства:

569699 601356 1351091 380567 1014910 1294838 1179865 1217885 817061 730814

- еа -

Двоскин Б.В. Разработка и освоение технологического процесса десульфурации чугуна инжектированием диспергированного магния.Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 - "Металлургия черных металлов", Институт черной металлургии НАН Украины, Днепропетровск, 1996 г.

Выполнены теоретические исследования процессов вваимоденс-твия различных газо-носителей о мзгнием, юзмпонентами чугуна, плака и ггзовой фазы в условиях ковшевой обработки. В лабораторных и промышленных условиях экспериментально изучен комплеко процессов, протекающих при десульфурации чугуйа вдуванием магния природным газом. Разработана, освоена и внедрена технология де-сульф/рации чугуна инжектированием гранулированного кагкия в струе природного газа.

Ключевые олова : десульфурации, чугун, магний, газо-носитель, природный газ.

Dvoskin B.V.The working out and mastering of technological process of pig iron desulphuration by injection the dispergered magnesium in natural gase flow.

The dissertation for the decree conpetition of the candidate of technical soienoes on the speciality 05.16.02. - Metallurgy of ferrous metals, Iron and Steel Institute, Ukraine National Academy of Science, Dnepropetrovsk, 1993,

There are accomplished the theoretical investigations of interaction processes between several gas-bearers and magnesium, components of pig iron, slad and gas-phase in condition of ladle treatment. In laboratory and industrial conditions there was investigated the processes which are carrying out by pig iron desulphuration means blowing magnesium in natural gas flow. The teohndlogy of pig iron desulphuration by granulated magnesium in the flow of natural gas injection is worked out, mastered and introduoted into production.

The kay word3: desulphuration, pig iron, magnesium, -тЙГТ natural gas.

Ключов! аяова: десульфурзц1я, чаяун, ыагн1й, природняй газ.

писано к печата й.09.1996 г._7ол.печ.лаотоа-1ж-5акадЛ-768.Т.ЮО ШМ. г.Днепропетровск, пл.А.Стародубова, I. ■ j