автореферат диссертации по металлургии, 05.16.02, диссертация на тему:Развитие теории процессов десульфурации и модифицирования чугуна магнием

ДОНЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

. > ■ • •' Н На правах рукописи

г о СЕВ 1935

Зборщик Александр Михайлович

РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ПРОЦЕССОВ ДЕСУЛЬФУРАЦИИ И МОДИФИЦИРОВАНИЯ ЧУГУНА МАГНИЕМ

Специальность 05.16.02 "Металлургия черных металлов"

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Донецк -1995

Работа выполнена в Донецком государственном техническом университете .

Официальные оппонента: КАЗАЧКОВ ЕВГЕНИИ АЛЕКСАНДРОВИЧ - доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки УССР, заведующий кафедрой теории металлургических процессов Приазовского государственного технического университета; ЯКОВЛЕВ ЮРИИ НИКОЛАЕВИЧ -доктор технических наук, профессор, член-корреспондент Инженерной академии Украины, заведующий кафедрой теории металлургических процессов Государственной металлургической академии Украины; ЛОНОМАРЕН-КО АЛЕКСАНДР ГЕОРГИЕВИЧ - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры электрометаллургии стали и ферросплавов Донецкого государственного технического университета.

Ведущая организация - Институт черной металлургии им. З.И.Некрасова HAH Украины.

Защита состоится "23« #ОЯ<?/>Я 1995 г. в -/2 час. на заседании специализированного совета Д 06.04.03 в Донецком государственном техническом университете по адресу: 340000, г. Донецк, ул. Артема, 58.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университет«.

Автореферат разослан " 8 " 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета, докт.техн.наук, профессор

В.С.Сапиро

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. В связи с распадом единого топливно-

энергетического комплекса СССР промышленность Украины испытывает острый дефицит энергоресурсов. Поэтому в блпжайшиэ годи необходимо достичь резкого снижения материале- и энергоемкости продукции в основных отраслях производства.

Одним из главных потребителей энергоресурсов Украины является черная металлургия. В ближайшие годы ей предстоит при некотором снижении общего объема производства значительно увеличить выплавку высококачественной стали. Это даст возможность за счет улучшения служебных характеристик материала понизить конструктивную и технологическую металлоемкость машин, строительных конструкций и других металлопотребляпцих объектов.

Сера является одной из наиболее вредных примесей в стали. В последние годы в связи с повышением требований к свойствам металла намэтилась тенденция к понижению содержания сэры в стали многих марок. Это вызвано необходимостью устранения анизотропии механических характеристик металла, стремлением повышать ударную вязкость сталей, эксплуатируемых при низких температурах, улучшать штампуемость, холодную вытяжку, свариваемость и горячую деформируемость металла, получать высокое качество поверхности проката, понизить брак и потери металла при прокатке и производстве металлоизделий. В связи с этим будет увеличиваться спрос на сталь с низким (0,010 - 0,015%) и особо низким (0,005 - 0,0082) содержанием серы.

Возможности десульфурации металла в современных сталеплавильных агрегатах ограничены. Эффективность удаления серы в процессе плавки будет снижаться по мере изменения структуры металлургического производства - увеличения доли металла, выплавляемого в кислородных конвертерах, вытесняющих мартеновский передал, увеличения емкости конвертеров. В связи с этим будут ужесточаться требования к качеству передельного чугуна, в составе которого в конвертерные агрегаты поступает основное количество серы.

Опыт работы отечественных металлургических предприятий показывает, что для выплавки в кислородных конвертерах низкосернистой и особонизкосернистой стали требуется чугун с содержанием серы соответственно не болев 0,010 - 0,015% и 0,005%. Металлургические предприятия Украины для выплавки чугуна в большом количестве используют кокс, полученный на основе высокосернистых углей Донбасса. В связи

W

с этим получение в доменных печах чугуна с содержанием серы менее 0,02% связано с ухудшением их эксплуатационных показателей, а получение чугуна с содержанием серы менее 0,010? вообще невозможно. Поэтому обязательным элементом технологии получения большого числа марок стали должна стать внепэчнвя десульфурация чугуна при подготовке его к сталеплавильному переделу.

На металлургических предприятиях Украины подучила распространение технология внепечной десульфурации чугуна магнием. Широкое использование этой технологии на отечественных металлургических заводах стало возможным благодаря работам, выполненным под руководством И.Г.Половченко, Н.И.Красавцева, Г.А.Воловика, Н.А.Вороновой, А.Б.Гло-вацкого, В.И.Мачикина, В.А.Дворянинова. А.Ф.Шевченко и многих других исследователей. Магний является наиболее дорогостоящим среда традиционно применяемых металлургами десульфураторов. Однако, исследованиями специалистов Института черной металлургии (ИЧМ) Украины (г. Днепропетровск) установлено, что при учете в структуре затрат на обработку помимо стоимости реагента и других затрат (потери чугуна с ковшевым шлаком, сжижение температура чугуна и увеличение доли его в шихте кислородных конвертеров и т.д.), применение магния для внепеч- , ной десульфурации чугуна экономически оправдано в сравнении с использованием порошкообразной извести, кальцинированной соды, карбида кальция и других более дешевых реагентов. В 70-е годы на заводах "Азовсталь", им.Ильича, "Криворожсталь", "Запорожсталь", Макеевском, Донецком, Коммунарском были построены установки внепечной десульфурации чугуна магнием общей мощностью 10 млн. т в год. В настоящее время объем внепечной десульфурации чугуна существенно сократился в связи с ухудшением экономической ситуации в стране, возросшим дефицитом магния и отсутствием среди ученых и практиков единого мнения о путях повышения эффективности обработки.

Литейное производство предприятий черной металлургии Украины располагает крупными литейными цехами, в которых отливаются изложницы, поддоны, чаши шлаковозов, прокатные валки, центробежнолитые трубы и другие изделия большой единичной массы. В последние года для их отливки широко применяется чугун доменной плавки. Известно, что модифицирование доменного чугуна магнием для получения чугунов с шаровидным и вермикулярным графитом позволяет увеличить срок службы сменного металлургического оборудования в 1,3 - 1,5 раза. Широкое производство в литейных цехах металлургических заводов отливок из высокопрочного чугуна сдерживается отсутствием технологии, позволя-

щей получать стабильные результаты при модифицировании больших масс металла в чугуновозннх ковшах.

Весьма перспективным является переход к широкому использованию высокопрочного чугуна с шаровидным графитом взамен серого и ковкого чугуна, стали и цветных сплавов в литейных цехах машиностроительных заводов. Замена отливок из серого чугуна отливками из высокопрочного позволяет уменьшить толщины стенок в деталях машин на 20 - 30%. В сравнении со стальп чугун с шаровидным графитом имеет относительно низкую температуру плавления и, следовательно, меньшие энергозатраты на плавку, лучшую жидкотекучесть и заполняамость литейных форм, что дает возможность получать детали более сложной конфигурации. При замене отливок из ковкого чугуна значительное сокращение энергоемкости производства достигается в результате устранения продолжительного высокотемпературного графитизиругацего отжига.

Наиболее распространенным способом модифицирования чугуна для получения в отливках шаровидной и вермикулярной форм графита в литейных цехах машиностроительных заводов является обработка расплава магнием и магниевыми лигатурами.

В современных высокопроизводительных литейных цехах машиностроительных заводов разливка металла ведется на конвейерных линиях. В 4 этих условиях наиболее экономичным, гигиеничным и технологичным способом получения высокопрочного чугуна является метод модифицирования в литейной, форме. Эта технология может быть реализована только в условиях, когда содержание серы в поступающем на разливку металле не превышает 0,010 - 0,015%.

Для получения чугуна такого состава зарубежные предприятия широко применяют выплавку его в электропечах с использованием в шихте металла высокой чистоты, прошедшего предварительно специальную подготовку на металлургических заводах. В действующих литейных цехах машиностроительных заводов Украины для выплавки чугуна широко используют коксовые вагранки с основной и кислой футеровкой. При этом содержание серы в выплавляемом чугуне составляет обычно 0,07 -0,12%. Поэтому освоение в действующих цехах производства отливок из высокопрочного чугуна с использованием внутриформенного модифицирования невозможно без наличия эффективной технологии десульфурации металла. До настоящего времени не найдены технические решения, позволяющие проводить десульфурацию всего количества выплавляемого чугуна в действующих цехах производительностью 15 - 20 тыс. т литья в год и более. Наиболее перспективными являются технологии, основанные

на использовании в качестве дэсульфуратора магния и магниевых сплавов.

Цельэ работа является развитие теории процессов взаимодействия

магния с металлом для повышения эффективности существующих и разработки нових технологий впзпечноЯ десульфурации и модифицирования чугуна.

Идея работы заключается в раскрытии механизма реакций десульфурации н модиЗнцирования чугуна магнием с учетом особенностей термодинамических условий у поверхности раздела пара магния с металлом и влияния на механизм п скорости реакций условий совместной адсорбции магная и примесей чугуна на мэжфазной поверхности.

Иэтоды исследования. Для достижения поставленной цели в работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования, базирующиеся на основных положениях теории металлургических процессов: термодинамический анализ; лабораторные определения порядка реакции десульфурации чугуна магнием, ее лимитирующего звена по величине энергии активации и эквивалентного значения коэффициента массо-переноса серы в чугуне; опытно-промышленные исследования порядка реакции десульфурации и лимитирующих звеньев реакций десульфурации чугуна магнием и растворения магния в металле по виду кинетической кривой; математическое моделирование процессов десульфурации и модифицирования чугуна магнием; промышленная проверка результатов теоретического анализа и математического моделирования.

Основные научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:

1. Впервые установлена возможность изменения механизма взаимодействия магния с металлом в зависимости от химического состава обрабатываемого чугуна, обусловленная изменением условий совместной адсорбции магния и поверхностно-активных примесей чугуна (в первую очередь серы) на межфазной поверхности.

2. Показана возможность образования сульфидов магния у поверхности всплывающих в расплаве пузырей десульфуратора при высокой активности кислорода в металле. При этом эффективность десульфурации чугуна определяется соотношением скоростей одновременно протекающих реакций образования сульфидов магния и частичного их окисления растворенным в металле кислородом, оксидами железа шлака и кислородом атмосферы.

3. Процесс десульфурации чугуна магнием опиоывается кинетическим уравнением реакции первого порядка относительно концентрации се-

ри в металле. По величине энергии активации реакции можно отнести к протекащим в диффузионной области.

4. Разработана математическая модель процесса десульфурации, учитывающая влияние на эффективность обработки изменения содержания серы в чугуне, глубины ввода магния в металл, температуры чугуна, количества подаваемого в металл нейтрального по отношению к магнию дополнительного газа, давления над поверхностью чугуна и структуры формирующегося в металле газожидкостного потока.

5. Доказана возможность повышения степени использования магния для десульфурации чугуна путем увеличения количества подаваемого в испарительную камеру нейтрального по отношению к магнию дополнительного газа.

6. Б промышленных условиях при обработке чугуна с содержанием серы менее 0,01% скорость растворения магния в чугуне ограничена массопереносом его в металле.

7. Разработана математическая модель процесса растворения магния в чугуне, учитывающая влияние на результаты обработки изменения концентрации растворенного в металле магния, глубины ввода магния в металл, изменения температры чугуна, давления над поверхностью металла, структуры формирующегося в расплаве газожидкостного потока.

8. Установлено влияние поверхностно-активных компонентов расплава на скорость диффузиояно-контролируемой химической реакции растворения магния в чугуне в результате изменения градиента концентрации магния у поверхности всплывающих пузырей.

9. Механизм реакции десульфурации при обработке чугуна металлическим магнием и лигатурами типа ФСМг существенно не отличается.

Выносимые на защиту вышеизложенные научные положения определяют теоретические основы и принципы повышения эффективности существующих и разработки новых технологий внепечной десульфурации и модифицирования чугуна.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректным использованием основных положений теории металлургических процессов; применением тестированных методов отбора проб и современных способов определения химического состава металла; удовлетворительной сходимостью результатов расчетов по разработанным математическим моделям и методикам-с данными лабораторных и промышленных исследований (рассогласование результатов не более 10%); успешной промышленной проверкой и внедрением рекомендуемых способов повышения эффективности обработки металла.

Научное ¡значение работы заключается в раскрытая механизма реакций, протека идах при взаимодействии магния с металлом, в разработке методов количественной оценки влияния параметров процесса на результаты обработки, создании методики прогнозирования промышленных результатов обработки чугуна на основании данных лабораторного исследования.

Практическое значение работы заключается в разработке новых

способов внепечной десульфурации чугуна, основанных на подаче в металл вместе с магнием большого количества нейтрального по отношению к магнию дополнительного газа и снижении окисленности металла во время обработки, а также оборудования для их реализации. Способы и устройства защищены II авторскими свидетельствами на изобретения.

Разработаны математические модели процессов десульфурации и модифицирования чугуна магнием, позволяющие количественно оценивать влияние параметров процесса на результаты обработки.

Предложена методика оценки промышленных результатов обработки чугуна на основании данных лабораторного исследования, позволяющая оценивать и сравнивать эффективность обработки чугуна в агрегатах различной конструкции на стадии проектирования.

Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты работы использованы при разработке и внедрении:

- технологии внепечной десульфурации природелегированного чугуна (алектропвчного ферроникеля) в плавильном цехе Побужского никелевого завода;

- технологии десульфурации литейного чугуна в печах ИЧТ-31,5 литейного цеха #1 ПО "Горьковский автомобильный завод":

- при реконструкции установок внепечной десульфурации чугуна кислородно-конвертерного цеха К2 металлургического комбината "Криво-рожсталь" и Макеевского металлургического комбината им. С.М.Кирова.

Научные и прикладные результаты работы, опубликованные в учебном пособии, монографии и в периодической печати, используются в учебном процессе при подготовке специалистов металлургического профиля.

Апробация работы. Основные научные положения и прикладные результаты работы обсуздались и подучили одобрение на Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы повышения качества металла" (Донецк, 1978 г.), Всесоюзной конференции "Современные проблемы электрометаллургии стали" (Челябинск, 1980 г.), Всесоюзной

научно-технической конференции "Современные проблемы создания высококачественных сталей и уменьшения отходов в черной металлургии" (Москва, 1981 г. ), Ш научной конференции "Тепло- и массообмэнные процессы в ваннах сталеплавильных агрегатов" (Жданов, 1982 г.), конференции "Улучшение качества металла и его экономия в литейном производстве за счет применения новых модификаторов для серого и высокопрочного чугуна" (Челябинск, 1984 г.), конференции "Новые метал-ло- и трудосберегапцие технологические процессы в литейном производстве" (Челябинск, 1984 г.), на зональном семинаре "Современное оборудование и технология плавки, внепечнбй обработки и заливки чугуна" (Пенза, 1987 г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Донецкого политехнического института (1985 - 1991 г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 48 научных работ.

Основные положения диссертационной работы изложены в 29 публикациях, в том числе 2 монографиях и 6 авторских свидетельствах на изобретения.

Связь темы диссертации с планом основных работ университета.

Работа является итогом исследований, проведенных в Донецком политехническом институте (ныне Донецком государственном техническом университете) в рамках финансируемых хоздоговорных и госбюджетных работ (номера госрегистрации 78036539, 8I070I9I, 01830039X67, 01850082718, QI860I07323, 01870086639, 01890052336, 01910030948) в соответствии с аланами министерств черной металлургии СССР и УССР, цветной металлургии СССР и Министерства образования Украины. В проведенных исследованиях автор принимал непосредственное участие с 1978 г. в качестве ответственного исполнителя, а с 1985 г. в качестве научного руководителя.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав и заключения, содержит 270 страниц машинописного текста, 50 рисунков, 28 таблиц, список использованных источников из 141 наименования, 8 приложений. Общий объем работы 324 страниц.

Считаю своим долгом с глубокой признательностью отметить, что исследование рассматриваемой проблемы было начато и частично выполнено под руководством профессора, доктора технических наук

Виктора Ивановича Мачикина . Хочу выразить благодарность кандидату технических наук Н.Т.Лифенко за многолетнее сотрудничество и помощь в проведении исследований, а также многим другим сотрудникам

донецкого государственного технического университета, научно-исследовательских институтов, металлургических и машиностроительных заводов за оказанную помощь в вапомвэвш работы и внедрении ее результатов в производство.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава работы посвящена анализу современного состояния

теории процессов, протекающих при обработке чугуна машием с целью десульфурации и модифицирования.

В этой главе проанализированы имеющиеся в современной научно-технической литературе сведения о основных физических свойствах магния и его соединений, растворимости магния в железе и его сплавах, термодинамике реакций растворения магния в чугуне, раскисления и десульфурации чугуна магнием, механизме и кинетике реакций, влиянии параметров технологического процесса на результаты обработки.

Установлено, что ввиду значительного различия атомных радиусов магния и жэлеза, магний обладает ограниченной растворимостью в железа и его сплавах. В равновесии с насыщенным паром магния при 1600°С в жэлезе растворяется 0,96 - 1,02% магния. Влияние температуры на содержание магния в железе в равновесии с насыщенным паром магния описывается уравнением

1дС-/.мдэ = 2,225 - 4153/Т. ( I )

Растворимость магния в железе увеличивается при наличии в расплаве углерода, кремния, никеля, алюминия и понижается в присутствии хрома. Для количественной оценки влияния этих элементов на растворимость магния в железе рекомендуются значения параметров взаимодействия, приведенные в табл. I.

Растворимость магния в насыщенном углеродом железе и чугунах различного состава подчиняется закону Генри. Влияние температуры на растворимость магния в насыщенном углеродом железе описывается уравнением

1д^С7.НдЗ/Рм^ = - 7,82 + 11838/Т . ( 2 )

Влияние температуры на растворимость магния в расплаве - 4%с описывается зависимостью

1д[сямд]/РМд] = - 5,68 + 8461/Т . ( 3 )

В уравнениях ( 2 ) и ( 3 ) РМд - парциальное давление пара магния в газовой фазе над металлом, ат; Результаты вычислений по формулам ( 2 ) и ( 3 ) представлены на рис. Г.

Таблица I.

Значения параметров взаимодействия и

Элемент i С г Ni A1 Si с

< . g Mg 0,0083 1,78 -0,026 - 6,20 -0,013 - 1.39 -0,0004 - 0,05 -0,028 - 1,39

[%Мд] РМд,МПа

6

2 О

- \ \ \

\ У

- \

- \ V

- Ч ч

- | ч \ .. 1

Рис. I. Влияние температура на растворимость магния в насыщенном углеродом гелезе ( I ) и сплаве Ре - 4ЖС ( 2 ).

ш аао то ш tfc

Для количественной оценки влияния углерода на растворимость магния в чугуне при различит температурах можно пользоваться уравнением

dlgCZttgl / dC7.C] = - 2,78 + 4472/Т . ( 4 )

При 1260°С влияние углероде и кремния на растворимость магния в чугуне описывается уравнениями

dig (c/.Mgj/PM(jJ = - 0,764 + 0.I4CV.C3 ,

rSi

( 5 )

/ai7.SH = - 0,071 .

(6 )

При сохранении на неизменном уровне величины углеродного эквивалента чугуна (се = г/.с: + о,зс-/.з!з) увеличение содержания кремния

ЗЛО/

в металле к соответствущае понижение содержания углерода сопровок-дввтся ростом растворимости магния. Количественно эта зависимость описывается уравнением

dlgtXMgi = 0,I4dC'/.C3 + 0,07IdC"/.SiJ . ( 7 )

Соотношение между остаточными содержаниями магния, серы и кислорода в чугуне с достаточной точность» описывается зависимостями вида cxMg]r/.sj = const, f/.мдзсхоз = const. Применительно к процессу десульфурации чугуна для определения величины произведения остаточных концентраций серы и магния при температурах 1260 - 1500°С можно пользоваться уравнением

czMgjrxsj = 1,4-КГ4 - 0,86(1400 - t)-I0-6 , ( 8 )

где t - температура чугуна,°С. Согласно уравнению ( 8 ) в указанном интервале температур произведение остаточных концентраций магния и серы в чугуне изменяется от 0,2-1СГ4 до 2,26-Ю-4. Произведение остаточных концентраций магния и кислорода в чугуне при Г380°С составляет 2,8-КГ10 - 1,3-Ю"7.

Используя эти соотношения и сведения о достаточно высокой растворимости магния в чугуне, ряд авторов приходит к выводу о возможности понижения содержания серы и кислорода в металле в результвтэ обработки магнием до чрезвычайно низкого уровня.

В связи с этим автором отмечается, что такого вида зависимости выполняются только при малых остаточных концентрациях магния в металле. В общем случае при взаимодействии магния с растворенной в металле примесью е по реакции

Ид Е = тСМдЗ + пСЕЭ ( 9 )

Л1 п 4

зависимость между концентрацией примеси и остаточным содержанием магния в металле описывается соотношением

IgCEJ - -i-CIgK + Iga ) - -£-lgCMgJ - ClfgJCe^ - • ( Ю )

4m n у

Уравнение ( 10 ) описывает экстремальную функцию, которая по мере росте остаточного содержания магния сперва понижается, а затем, достигнув некоторого минимального значения, начинает увеличиваться. Экстремальный характер зависимости между содержанием серы в чугуне, остаточным содержанием магния и величиной парциального давления пара магния в газовой фазе над металлом подтвержден экспериментально. Установлено, например, что при 1260°С в равновесии с сульфидом магния минимальное содержанием серы в чугуне, равное 0,0005%, может быть получено при остаточном содержании магния 0,23% и парциальном

давлении его пара в газовой фазе 30 кПа. При определении остаточного содержания сера в чугуне рекомендуется использовать следупдие значения параметров взаимодействия: е"4 = - 1,83, = - 1,38.

Из уравнения ( 10 ) для определения остаточной концентрации магния смдз*, которой соответствует минимальное содержание примеси в металле, можно получить соотношение

СМдЗ* ---Ü- . ( II )

Анализ уравнения ( II ) показывает, что оптимальное остаточное содержание мвгния определяется величиной параметра взаимодействия в"9, то есть активностью магния по отношению к примеси. Активность магния по отношению к кислороду намного выше, чем к сере. Поэтому оптимальное с точки зрения раскисления металла остаточное содержание магния в чугуне будет значительно ниже, чем при его десульфурации. Это дает основания считать необоснованными имевшиеся в литературе сообщения о возможности понижения содержания кислорода в чугуне при обработке его магнием до Ю-11 - 10 %.

В современной научно-технической литературе не описаны результаты промышленных исследований, направленных на раскрытие особенностей кинетики растворения магния в чугуне.

В лабораторных условиях изучена кинетика растворения магния в синтетических расплавах состава, (Ж мае.): 4,19 - 4,51 с, 0,01 -0,03 si, 0,007 - 0,014 Мп, полученных на основе материалов высокой чистоты. Перед обработкой магнием расплав подвергали десульфурации при помощи кальция. Содержанием серы в металле изменялось от 0,00210*0034% перед вводом магния до 0,0005 - 0.0016Ж в конце обработки.

Установлено, что при обработке металла высокой чистоты растворение магния протекает с большой скоростью. Например, при подаче магния в расплав на глубину 0,14 м при температуре 1250°С за время движения в металле пузырей пара магния, эквивалентный диаметр которых был равен 2,5 см, в чугуне успевало растворяться 77 - 84% содержащегося в них магния. При этом экспериментальные результаты хорошо описывались с помощью математической модели, в основу которой были положены допущения о том, что лимитирующим звеном процесса является массоперенос магния в жидком металле, а концентрация магния у поверхности всплывающих пузырей соответствует равновесной с его пером (в условиях опыта около 0,7%).

Сведения о достаточно высокой растворимости магния в чугуне и

большой скорости растворения его в металле послужили основанием для широкого распространения в современной научно-технической литературе мнения о том, что при обработке чугуна магнием реакции рафинирования протекают преимущественно путем растворения магния в металле и последующего взаимодействия с примесями в его объеме. Вместе с тем авторы ряда работ полагают, что в ходе большей части времени обработки имеет место очень низкая растворимость магния в чугуне, в связи с чем процессами растворения магния и взаимодействия его с серой в объеме металла с достаточной точностью можно пренебречь.

В научно-технической литературе описаны противоречивые результаты экспериментов по определению порядка и лимитирущего звена реакции десульфурации чугуна магнием. Экспериментально установлено, что ход процесса десульфурации может описываться кинетическими уравнениями реакций первого, второго и третьего порядков. В некоторых работах показано, что порядок реакции десульфурации чугуна магнием является дробной величиной. В связи с этим сообщается о протекании реакции в кинетической и диффузионной области. В качестве лимитирующих звеньев реакции называют растворение магния в чугуне, массопере-нос серы из объема металла к поверхности всплывающих пузырей пара десульфуратора, химико-адсорбционные звенья, а также скорость хими-химического взаимодействия между магнием и серой чугуна.

В современной научно-технической литературе содержатся противоречивые сведения о характере влияния основных параметров технологического процесса на результаты обработки и мероприятиях, способствующих повышению эффективности использования магния для обработки чугуна. Не разработаны методики количественной оценки влияния параметров технологического процесса на эффективность использования магния для обработки чугуна и прогнозирования результатов десульфурации и модифицирования в существенно изменяющихся условиях.

В связи с изложенным в диссертационной работе предполагалось решить следующие основные задачи:

1. Исследовать механизм реакций, протекающих при обработке чугуна магнием с целью десульфурации и модифицирования.

2. Изучить основные кинетические закономерности этих рокций.

3. Разработать математические модели процессов десульфурации и растворения магния в чугуне, а также методы прогнозирования результатов обработки.

4. Разработать научно обоснованные рекомендации, направленные на повышение эффективности процессов десульфурации и модифицирования

Рис. 2. Зависимость параметра РПпа^ от температуры при различных активностях серы (сплошные линии) и кислорода (пунктирные лиши) в металле.

чугуна магнием.

Вторая глава работы посвящена исследованию механизма реакций

при десульфурации чугуна магнием.

Проведена термодинамическая оценка возможности образования сульфидов магния при обработка чугуна, результаты которой показаны на рис. 2. Сравнивая равновесные значения параметра пт1г,аМд для реакций образования оксидов и сульфидов магния, можно определить, какая из реакций получит преимущественное развитие при различных соотношениях активностей серы и кислорода в чугуне.

Проанализированы результаты исследований активности кислорода в чугуне методом электродвижущих сил. Установлено, что окисленность металла контролируется протеканием реакции между кислородом и кремнием. При температурах внепечного рафинирования активность кислорода в передельном и литейном чугунах превышает ГО"4. Во время обработки чугуна магнием резкого снижения окисленности металла не происходит. В тех случаях, когда концентрация серы в чугуне после обработки правы-

взет 0,01г, активность растворенного в металле кислорода понижается до (3 - 9)-КГ5. При остаточном содержании магния в чугуне 0,04 -0,082, которое обычно имеет место при модифицировании металла, актив-кость кислорода в чугуне понижается до Ю-7. Сравнивая эти данные с данными рис. 2, можно видеть, что при содержании серы в чугуне более 0,01% с точки зрения термодинамики предпочтительным является взаимодействие магния с растворенным в металле кислородом.

Автором проанализированы особенности кинетики массопереноса примесей из объема металла к границе раздела фаз и впервые показана возможность образования сульфидов магния у поверхности всплывающих в металле пузырей десульфуратора при высокой активности кислорода в расплаве.

Скорость массопереноса примесей из объема металла к межфазной поверхности мела и сравнима со скоростью молекулярной диффузии. Высокая скорость химического взаимодействия веществ при температурах внепечной обработки металла приводит к тому, что активность кислорода у поверхности всплывающих в металле пузырей десульфуратора приближается к равновесной с паром магния. При этом у поверхности пузырей пара магния возникают условия для одновременного протекания реакций раскисления и десульфурации независимо от окисленности металла в остальном его объеме.

Вместе с тем возможность образования сульфидов у поверхности пузырей пара магния не гарантирует десульфурации расплава в целом. Если образовавшиеся сульфиды не выносятся из металла в шлак или газовую фазу, они могут быть окислены растворенным в металле кислородом. Протекание этой реакции сопровождается образованием оксидов магния и обратным переходом серы в обрабатываемый металл. Поэтому де-сульфурацию чугуна магнием следует рассматривать как результат одновременного протекания реакций образования сульфидов у поверхности пузырей десульфуратора и частичного их окисления растворенным в металле кислородом, оксидами железа шлака и кислородом атмосферы. По аналогичному механизму десульфурация метвлла может протекать при обработке магнием значительно более окисленных расплавов сталеплавильного производства.

При таком механизме взаимодействия динамика совместного изменения содержания серы и кислорода в металле подчиняется зависимостям

- к(1 -

f l " kt СО] = [С03н - ^k^CSJjjt/pJe , ( 13 )

где cs]{¡ и созн - исходные концентрации серы и кислорода в расплаве; к - константа скорости реакций; и - атомные массы кислорода и серы; г - доля сульфидов магния, участвующих в реакциях с растворенным в металле кислородом; t - время. Возможность использования соотношений ( 12 ) и ( 13 ) для описания результатов обработки металла магнием продемонстрирована на примере данных лабораторного исследования десульфурации мало- и среднеуглеродистой стали.

Порядок реакции десульфурации изучен автором при обработке гранулированным магнием природаолегированного хромоникелевого чугуна на лабораторной установке, собранной на базе индукционной сталеплавильной печи ИСТ-0,06, 8 также при обработке слитковым магнием передельного чугуна на промышленной установке Донецкого металлургического завода. При этом установлено, что ход процесса десульфурации с достаточной точностью описывается кинетическим уравнением реакции первого порядка относительно концентрации серы в металле.В полулогарифмических координатах intsj - q результаты обработки во всех случаях описываются линейными зависимостями при величине коэффициентов линейной корреляции не менее 0,97 (q - удельный расход магния на обработку).

При оценке величины энергии активации реакции учитывали ранее сделанный вывод о том, что скорость десульфурации металла определяется соотношением интенсивности одновременно протекающих реакций образования сульфидов и частичного их окисления. Результаты расчета концентрации растворенного в металле кислорода (рис. 3) позволили сделать вывод о том, что определение величины энергии активации реакции целесообразно проводить при температурах близких к 1200°С, когда содержание растворенного в металле кислорода мало и не может оказать сильного влияния на скорость десульфурации. На основании результатов лабораторных экспериментов, проведенных при температурах 1180 -1240°С, значение энергии активации реакций десульфурации чугуна магнием было получено равным 30,4 кДж/моль. Эта величина близка к энергии активации реакций, скорость которых ограничена массопереносом компонентов в жидком металле. Это позволило автору сделать вывод о том, что реакция десульфурации чугуна магнием протекает в диффузионной области, а лимитирующим звеном ее является массоперенос. серы из объема металла к поверхности всплывающих пузырей пара десульфуратора.

Третья глава посвящена разработав математической модели процесса десульфурации и анализу с ее помощью влияния параметров техноло-

т/о1:'0/,,

15

10

О

/ / /<5

о,б 1 ! N / / ! №

/ г / ! н / /а //г 3,5

— / / / у^Л

Рас. 3. Влияние температуры и концентрации кремния на содержание кислорода в хромоникелэвом (сплошные линии) и передельном (пунктирная линия) чугуна. Цифры у кривых - содержание кремния в чугуне, ъ.

1200 1300 1400 1500

гического процесса на эффективность использования магния для десуль-фурации чугуна.

Показано, что среднее за время обработки расчетное значение степени использования магния для десульфурации чугуна связано с содержанием серы в металле соотношением

- аСБЗ

Ч = 1 - е , ( 14 )

где

ос КГ<Т

_ 5_

а ЮОрд К = а/3 /V .

1 п

рдН

( 15 ) ( 16 )

Если обработка чугуна ведется смесью пара магния и нейтрального по отношению к магнию дополнительного газа, влияние газа на результаты десульфурации описывается уравнением

- аСБ]

т?в = (1-е )(1 + Н<л,Лм1тн> . ( 17 )

В уравнениях (14 ) - (17 ) использованы следующие обозначения: г)в = •-<_ (сз]н - сэзк> /ч -среднее за время обработки расчетное значение степени использования магния для десульфурации чугуна; - стехио-метрический коэффициент, равный соотношению атомных масс магния и сера; сё] = <С5:,Н ~ свз >/1п<с53 /из! > - среднее за период обработки содержишь серы в металле; - универсальная газовая постоянная; т -температура, И; ц - атомная масса магния; д - ускорение силы тяжести;

ро - давление над поверхностью металла; р - плотность чугуна; н -глубина ввода десульфуратора в металл; а - коэффициент, равный отношению площади поверхности пузыря к его объему; - эквивалентное значение коэффициента массопереноса серы в чугуне, величиной которого учитывается интенсивность массопереноса серы из объема металла к поверхности пузырей пара десульфуратора и окисления части образовавшихся сульфидов: V - скорость движения пузыря пара магния в металле; р1 - а тоща я масса дополнительного газа; т и п^ - массы поданных в металл магния и дополнительного газа.

Исходя из уравнения ( 14 ), для расчета удельного расхода магния для десульфурации чугуна рекомендована зависимость

- «СЭ^

" " а4(СЗ]н - "V + 4- -—— } ■ < 18 >

I - * " " к

Показано, что уравнения ( 14 ) - ( 16 ) корректно отражают характер зависимости степени использования десульфуратора от концентрации серп в металле, а также от глубины подачи десульфуратора в расплав при обработке чугуна магнием и стали кальцием в ковшах вместимостью 30 - 420 т с использованием различных способов подачи реагентов в металл.

При помощи уравнений ( 17 ), ( 15 ) и ( 16 ) проанализированы результаты выполненного автором исследования десульфурации природно-легированного хромоникелевого чугуна в 30-т ковшах гранулированным магнием с одновременной подачей в испарительную камеру азота. Установлено, что в условиях внепечной десульфурации чугуна азот с достаточной точностью может рассматриваться как нейтральный по отношению к магнию газ и увеличение количества подаваемого вместе с магнием в металл азота является одним из возможных направлений увеличения степени использования магния для десульфурации чугуна.

Проанализированы описанные в научно-технической литературе результаты десульфурации чугуна при вдувании магния в металл в потоке воздуха и природного газа. Показано, что увеличение эф!»ктивности обработки при инжектировании магния в потоке природного газа не является следствием устранения потерь магния при взаимодействии с азотом. Наиболее вероятной его причиной является протекание реакции термической диссоциации метана, которая приводит к увеличению объема газа, введенного в металл вместе с магнием.

Проанализировано влияние на результаты десульфурации изменения температуры и химического состава чугуна. С этой целью автором ис-5.39/

Таблица 2.

РастБоржооть 113гния в передельном и природнолвгированном чугунах при 1260°С

Наименование чугуна Содержание кремния, %

Растворимость магния, %

Передельный ПрироднолэгироваяныЭ

0.6 3.0 4.5 6,0

0.735 0.878 1,121 1,433

пользованы известные результаты десульфурации передельного и литейного чугуна, а также данные собственного исследования десульфурации природнолегировандаго хромоникелевого чугуна состава, (Ж мае.): 1,9 - 3,0 с, 1,2 - 2,2 сг, 1,6 - 6,6 31, 3,9 - 6,0 N1, 0,2 - 0,4 Со, 0,09 - 0,14 р, 0,024 - 0,11 э. Температура природнолегированного чугуна во время обработки находилась в пределах 1170 - 1340°с.

При этом установлено, что изменение содержания кремния в природнолвгированном чугуне в пределах 1,6 - 6,6% практически не отражается на эффективности обработки. Более того, несмотря на существенно различную растворимость магния в передельном и природнолвгированном чугунах (табл. 2), эффективность его использования для десульфурации металла практически одинакова. При обработке хромоникелевого чугуна зависимость степени использования магния от содержания серы в металле описывается уравнениями ( 17 ) и ( 15 ) при использовании коэффициента к = 0,04, при десульфурации передельного чугуна к = 0,0350,044.

Сравнение результатов десульфурации природнолегированного чугуна при температурах 1270 - 1340°С и 1170 - 1220°С показало, что понижение температуры приводит к увеличению степени использования магния для десульфурации металла лишь на 4 - 8% в зависимости от содержания серы в чугуне, хотя при понижении тешерагуры чугуна от 1300°С до 1200°С растворимость магния в нем увеличивается наиболее быстро (см. рис. I). Полученный результат находится также в противоречии с известными данными о сильном влиянии на эффективность десульфурации передельного чугуна изменения его температуры в пределах от 1280°С до 1400°С.

Автором впервые показано, что решающее влияние на эффективность

десульфурации оказывает не растворимость магния в чугуне, а окислен-ность обрабатываемого металла и интенсивность реакций окисления образовавшихся сульфидов магния. Например, из рис. 3 видно, что при повышении температуры передельного чугуна от 1280°С до 1400°С окис-ленность металла быстро увеличивается. Этим и объясняется существенное влияние температуры на эф!вктивность обработки. Изменение химического состава и температуры природнолегированного чугуна при 1200-1300°С в значительно меньшей степени отражается на окисленности металла и результатах десульфурации.

Впервые проанализировано влияние скорости диссипации энергии на величину константы скорости реакции десульфурации чугуна магнием и величину коэффициента массопереноса серы в чугуне.

Показано, что при обработке природнолегированного чугуна магнием в. 30-т ковшах зависимость константы скорости реакции в кинетическом уравнении реакции первого порядка от скорости диссипации энергии описывается уравнением

к = о.оозбз с °-628 , ( 19 )

где к - константа скорости реакции, с"1; £ - скорость диссипации энергии, Вт/кг. При неизменном значении скорости диссипации энергии величина константы скорости реакции не зависит от соотношения мезду количествами поданного в металл магния и азота.

Одновременно не удалось установить влияние изменения скорости диссипации энергии в пределах 0,5 - 1,5 Вт/кг на величину коэффициента массопереноса серы в чугуне. Этим впервые подтвержден полученный в ходе экспериментов на холодных моделях вывод о том, что при скорости диссипации энергии более 0,2 Вт/кг рост объемного коэффициента массопереноса вещества в жидкости практически прекращается. Кроме того, это свидетельствует о том, что влияние скорости диссипации энергии на величину константы скорости реакиии связано главным образом с увеличением площади поверхности всплывающих в чугуне пузырей пара десульфуратора.

С учетом приведенных выше данных автором сделан вывод о том, что при содержании серы в чугуне более 0,01% реакция десульфурации протекает главным образом у поверхности всплывающих в расплаве пузырей пара магния и эф!»ктившсть обработки определяется окисленностыо металла. Предложен ряд новых способов десульфурации чугуна, основанных на подаче магния в металл совместно с рзскислителями и увеличении расхода нейтрального по отношению к магнию дополнительного газа.

Четвертая глава работа посвящена разработке на базе полученной

автором математической модели процесса десульфурации методики оценки промышленных результатов десульфурации металла на основании данных лабораторного исследования.

Так как форма и размеры всплыващих в металле пузырей пара магния существенно различаются при обработке чугуна в лабораторных и промышленных условиях, автором проанализирован характер зависимости величины коэффициента массопереноса примеси из объема металла к поверхности пузыря от размеров последнего. Показано, что эта зависимость описывается уравнением

1/2 1/4 1/4

О = О,В 0 д /га , ( 20 )

где о - коэффициент молекулярной диффузии примеси в металле; гд -эквивалентный радиус пузыря. Из уравнения ( 20 ) видно, что величина коэффициента массопереноса примеси слабо чувствительна к изменению размеров пузыря. Это позволило рекомендовать для оценки промышленных результатов десульфурации металла методику, в основу которой положено допущение о том, что эквивалентное значение коэффициента массопереноса серы в чугуне при обработке его в лабораторных и промышленных условиях остается неизменным.

Для оценки промышленных результатов обработки металла необходимо изучить процесс десульфурвции в лабораторных условиях, обработать результаты экспериментов при помощи уравнений ( 14 ) - ( 17 ) и установить значение эквивалентного коэффициента массопереноса серы в чугуне. После этого при помощи уравнений ( 14 ) - ( 17 ) можно оценить степень использования магния при десульфурации чугуна в промышленных условиях. В расчетах необходимо учитывать особенности структуры газожидкостного потока в каждом из рассматриваемых случаев.

В качестве примера подробно рассмотрено использование этой методики для прогнозирования результатов десульфурации природнолегирован-ного хромоникелевого чугуна в 30-т ковшах на основании данных предварительного исследования, выполненного в индукционной сталеплавильной печи ИСТ - 0,06. Показано, что результаты расчета хорошо согласуются с данными последующих опытно-промышленных исследований.

Предложенная методика неоднократно была использована автором при разработке технологии десульфурации природнолегированного и литейного чугунов в ковшах различной вместимости, а также различного типа проточных и циркуляционных реакторах. Установлено, что она с достаточной для практических целей точностью позволяет оценить эффек-

Таблица 3.

Результаты оценки доли адсорбционных мест, занимаемых на межфазной поверхности атомами серы, кислорода и магния

Концентрация элементов, {% мае.) *8 еМд

э о Мд

0,050 0,01 - 0,617 0,061 -

0,020 • 1,8-Ю"5 0,007 0,422 0,002 0,026

0,010 0,9-Ю"5 0,014 0,259 0,001 0,065

0,005 0,46-Ю"5 0,028 0,138 - 0,139

0,003 0,28-Ю"5 0,046 0,080 - 0,221

0,001 0.1-ГО"5 0,14 0,019 - 0,482

тивность^десульфурации чугуна и основные параметры технологического процесса на стадии проектных решений.

Пятая глава работы посвящена исследованию влияния условий совместной адсорбции примесей на границе раздела пузыря пара магния с металлом на механизм взаимодействия магния с чугуном.

Исходя из характера влияния примесей на величину поверхностного натяжения чугуна, рассчитаны доли адсорбционных мест (е ), занимаемых атомами серы, кислорода и магния на межфазной поверхности при различном химическом составе обрабатываемого чугуна (табл. 3).

Впервые показано, что механизм взаимодействия пара магния с чугуном может изменяться в зависимости от химического состава обрабатываемого металла. При высоком содержании поверхностно-активных примесей (презде всего серы) в чугуне сера занимает на межфазной поверхности большую часть существующих адсорбционных мест, доля адсорбционных мест, которые могут быть заняты атомами магния, незначительна. В этих условиях реакции между магнием и примесями чугуна протекают главным образом у поверхности всплывающих в металле пузырей пара магния без значительного растворения магния-в чугуне. При глубокой де-сульфурации чугуна доля адсорбционных мест, занимаемых на межфазной поверхности атомами магния, быстро увеличивается. В результате этого возникают условия для растворения магния в обрабатываемом металле и взаимодействия с примесями в его объеме.

Изменение механизма взаимодействия магния с чугуном может проис-

ходить после десульфурации металла до содержания серн 0,005 - 0,01%.

Положение о возможности изменения механизма взаимодействия магния с чугуном использовано автором при разработке математических моделей процессов глубокой десульфурации и модифицирования.

Шестая глава работы посвящена изучению механизма взаимодействия

магния с низкосернистым чугуном (с б з < 0,01%). С этой целью автором проанализированы результаты опытно-промышленных исследований модифицирования чугуна доменной плавки, выполненных сотрудниками лаборатории изложниц ДонНИИчермета на промышленных установках Донецкого металлургического завода, металлургического комбината "Криворож-сталь" и опытно-промышленной установке в цехе изложниц Магнитогор ского металлургического комбината.

Оценку лимитирующего звена процесса растворения магния в чугуне проводили по виду кинетической кривой. Установлено что в координатах 1п|^<смдЗд - смдзн> / амдЗд - см9 3к>^ - ц ход процесса описывается линейными зависимостями (смдзп - концентрация магния в чугуне у поверхности всплывающих пузырей). Это дает основания считать лимитирующим звеном процесса массоперенос магния в жидком металле.

Разработана математическая модель процесса растворения магния в металле. Показано, что среднее за время обработки значение степени использования магния при растворении в чугуне связано с содержанием магния в обрабатываемом металле зависимостью

- - £м5З]

Ч = 1 - е , ( 21 )

где

. ро * рд" * = — 1п —р- • ( 22 >

В уравнениях ( 21 ) и ( 22 ) использованы следующие обозначения: смд]п = [смдЭцд - смдзц^/хп^мдз^/смд]^ - среднее за время пребывания пузырей в металле содержание магния в чугуне у поверхности раздела фаз; смд^цн и си^цо - концентрации магния в чугуне у поверхности пузырей на глубине ни у поверхности металла; смд: -среднее за время обработки содержание магния в металле; ч = - см9]н]/с) -

среднее за период обработки расчетное значение степени использования магния для растворения в чугуне; г?Мд - эквивалентное значение коэффициента массопереносв магния в чугуне, величиной которого учитывается скорость массопереноса магния в от поверхности пузырей в объем металла и потери при окислении и испарении. Остальные обозначения ана-

логичны использованным в уравнениях ( 14 ) - ( 16 ).

Из соотношения ( 21 ) уравнение для определения удельного расхода магния на обработку при заданных значениях начального и.конечного смдэк содержания магния в чугуне может быть получено в виде

у^СМдЗд - СМдЗн]

ч = (с«дзк - смдэн) + ш -!---:- . ( 23 )

Имея экспериментальные данные о степени использования магния при растворении в чугуне, величину смдз^ в уравнениях ( 21 ) и ( 23 ) можно определить, решив систему уравнений

1п<1 - Г) 1> = - »-(сМдЗд - СМд^}

1п(1 - = - - СЙд^] . ( 24 )

Обработка экспериментальных данных при помощи соотношений ( 21 ) и ( 24 ) позволила установить, что при обработке промышленных чугунов среднее за время пребывания в металле содержание магния в чугуне у поверхности пузырей составляет 0,148%. Эта величина в несколько раз меньше растворимости магния в чугуне в равновесии с фактическим парциальным давлением пара магния. Низкое содержание магния в металле у поверхности всплывающих пузырей является причиной того, что при обработке промышленных чугунов скорости растворения магния намного ниже, чем в лабораторных экспериментах с синтетическими сплавами высокой чистоты.

Автором расчетным путем показано, что низкое содержание магния в чугуне у поверхности всплывающих в расплаве пузырей не могет быть следствием значительного перегрева поверхностных слоев металла за счет тепла экзотермических реакций мевду магнием и примесями чугуна. При обработке промышленных чугунов динамика изменения содержания магния в металле хорошо описывается на основании допущения о влиянии поверхностно-активных примесей чугуна на величину градиента концентрации магния в металле в пограничном слое у поверхности пузыря.

Исходя из обнаруженного влияния поверхностно-активных компонентов на скорость растворения магния в чугуне, показана необходимость пересмотра существующих представлений о характере влияния газа, подаваемого вместе с магнием в чугун, на результаты модифицирования.

Проанализирована кинетика десульфурации металла в условиях, когда магний в значительных количествах растворяется в чугуне. Показано,

что при глубокой двсульфурации я модифицировании чугун пересыщен магнием и серой относительно равновесного состояния, но величина пересыщения недостаточна для выделения из жидкого металла сульфидов магния. В координатах in£<csJa - tsip>s(tsiK - :sjp>j - q ход процесса десульфурации описывается линейными зависимостями (csip - равновесное с растворенным в металле магнием содержание серы в чугуне). Это дает основания считать, что лимитирувдим звеном процесса десульфурации является массоперенос серы в жидком металле к месту возможного протекания реакции. Расчетным путем шказано, что местом преимущественного протекания реакции двсульфурации при обработке низкосернистого чугуна остается поверхность всплывающих в металле пузырей пара десульфуратора.

Изложенное выше показывает, что при количественной оценке скорости двсульфурации низкосернистого чугуна следует рассчитывать мас-сопоток серы к поверхности всплывающих в металле пузырей десульфуратора, масса которых изменяется в результате одновременного протекания реакций десульфурации и растворения магния в чугуне. При расчете скорости растворения магния следует учитывать влияние изменения содержания серы в металле на величину градиента концентрации магния в чугуне у поверхности пузырей. Такие вычисления являются достаточно сложными. По атой причине для практического использования автором рекомендована упрощенная методика оценки удельного расхода магния для глубокой десульфурации чугуна.

Данная методика основана на том, что при глубокой десульфурации и модифицировании чугуна остаточное содержание растворенного в металле магния обычно не превышает 0,05 - 0.07Ж. При таких содержаниях магния в чугуне зависимость между остаточными концентрациями магния и серы достаточно точно описывается уравнением вида iMgUs] = const. Исходя из этого, при определении расхода магния для глубокой десульфурации чугуна рекомендовано первоначально при помощи уравнений ( 18 ) и ( 15 ) определить удельный расход магния для десульфурации чугуна до остаточного содержания серы 0,008 - 0,01%. После этого, пользуясь зависимостью digues] = const, скорректированной применительно к конкретным условиям, определить содержание растворенного в металле магния. Затем при помощи уравнений ( 23 ) и ( 22 ) оценить удельный расход магния, который необходим для повышения остаточного содержания магния в чугуне до уровня', отвечающего конечному содержанию серы.

В связи с тем, что при глубокой десульфурации чугун пересыщен

магнием относительно равновесия с растворенной в металле серой, с целью повышения степени использования магния для десульфурации чугуна рекомендовано увеличение количества подаваемого вместе с магнием в металл газа на заключительном этапе обработки. На заключительном этапе десульфурации целесообразно такая прекратить подачу магния и продолжать продувку чугуна аргоном, азотом или природным газом. При этом по мере приближения системы к равновесному состоя ию у поверхности всплывающих в металле пузырей будет протекать pe¡ щия между растворенными в чугуне магнием и серой.

Седьмая глава работы посвящена использованию результа пов теоретических исследований при разработке технологии десульфурации электропечного ферроникеля (природаолегированного хромоникелевого чугуна) для плавильного цеха Побужского никелевого завода (ПНЗ).

Технологическая схема производства ферроникеля из окисленных никелевых руд первоначально включала подготовку материалов к плавке, их шихтовку, прокалку в работавших по принципу противотока трубчатых вращающихся печах, плавку горячего огарка в электрических руднотерми-ческих печвх, десульфурацию электропечного ферроникеля предварительно расплавленной или порошкообразной кальцинированной содой во время выпуска из электропечи в 30-т ковш и рафинирование ферроникеля дуплекс-процессом в вертикальных кислородных конвертерах с кислой и основной футеровкой с последующей разливкой металла на разливочных машинах ленточного типа. При такой технологии получения ферроникеля на заключительном этапе плавки в основном кислородном конвертере имели место продолжительные додувки, вызванные высоким содержанием серы в металле. Они сопровождались неоправданным окислением большого количества железа и потерями никеля с конвертерным шлаком, понижением стойкости футеровки конвертера.

Выполненные автором исследования показали, что наличие в ковше во время десульфурации ферроникеля магнием высокосернистого шлака, сформировавшегося при обработке металла кальцинированной содой по ходу выпуска из руднотермической электропечи, не снижает эффективность рафинирования. По окончанию десульфурации наличие в ковше легкоплавкого, подвижного шлака значительно упрощает отделение шлака от металла.

С учетом этого применительно к условиям плавильного цеха ПНЗ автором была разработана технология внепечной десульфурации электропечного ферроникеля, которая включает предварительную десульфурацию

кшщшравазаов содэй в количестве 12-15 кг/т во время выпуска из ^дхюршкзсЗ алэхтропача в нова и обработку ферроникеля магнием пал икхяетсврияспа! кошевым шлаком при скорости подачи магния 0,025 - 0,04 кг/с с одновременной тдачей в испарительную камеру азота в количестве 0,6 -1,2 ю^/кг десульфуратора.

Способ двсульфурации электропечного ферроникеля путем последовательная обработки кальцинированной содой и магнием под высокосер-кастыи ковсевим шшком с одновременной подачей в металл большого количества взота признан впоследствии изобретением и защищен авторским ' сЕадэтвдьством.

При таком способе обработки зависимость между степенью десульфу-рацаа ферроникеля (в) на втором этапе рафинирования и удельным расходам магния описывается уравнением

- 1п<1 - в) = 0.6769 + 13,3ч . ( 25 ) При атом с вероятностью 95% значения величины 1п<1 - в) для отдельных шавок находятся в области, границы которой описываются зависимостью

- 1п(1 - в) = 0,6769 + 13,3ч + 0,3917 . ( 26 )

С использованием уравнения, которое описывает нижнюю границу доверительного интервала, получена диаграмма для определения удельного расхода ыагвня на десульфурацию алектропечного ферроникеля.

При обработке злектропечного ферроникеля с исходным содержанием сэры 0,15 - 0.252 разработанная технология обеспечивает получение уатаага с гарантированным содержанием серы не более 0,02% и 0,01% при удвлымт расходах магния 0,31 кг/т и 0,83 кг/т.

Приведены результаты балансовых плавок, из которых следует, что вхиявниэ швпачвой дэсульфурации магнием в технологический цикл получения ферроникеля позволяет на основной стадии конвертирования сокращать расход кислорода на продувку на 12 н>£/т, расход известняка на 37 кг/т, потери железе на 63 кг/т и никеля на 0,11 кг/т, улучшить качество металла. Экономическая эффективность использования разработанной технологии внепэчной десульфурации ферроникеля составила 3,04 руб/т (в ценах 1981 г.).

С Еиюхьзованиеы предложенной автором технологии внепечной дзсулыйрации ферроникеля была разработана технология получения товарного ратинированного ферроникеля, содержащего не более 0,01% фосфора и серы. Сотрудниками лаборатории М ШХ> ЦНИИЧМ (г. Москва) показано, что при использовании его в шихте для выплавки сплавов ЭП-637 (Н18КЖ5Т) и ЭП-845 (Ш7К12М5Т) взамен технически чистого хала за, кзт&кличаского никеля и кобальта характеристики сплавов отвечают требованиям существующих технических условий.

Восьмая глава работы посвящена описании примеров псполъзоваяжя

теоретических разработок автора при реконструкции существующих установок внепечной десульфурации чугуна на металлургических заводах.

При помощи разработанной автором математической модели процесса десульфурации проанализировано влияние воздуха, применяемого в качества дополнительного газа при подаче магния в металл, на эффективность обработки применительно к условиям установки внепечной десульфурации чугуна Донецкого нюталлургического завода (ШВ). Показано, например, что при подаче магния в чугун со скоросты) 0,15 кг/с с одновременной подачей в испарительную камеру воздуха в количества 80 нм®/ч в результате реакции с кислородом воздуха теряется 6,7% магния. Одновременно находящийся в составе воздуха азот сдапнвается с паром магния, в результате чего происходит увеличение объгнэ гззооб-разного десульфуратора и площади поверхности ваштавсда в кэгалгз пузырей. Расчеты по формуле ( 17 ) показывают:, что пря разбвзгзнзл пара магния азотом степень использования для десульфурации чугуна оставшейся части мвгния увеличивается на 13,6%. Это полностьп кожгея-сирует отрицательное влияние на результата обработка окислэяая частя поданного в металл магния кислородом воздуха. Поэтому эффективность десульфурации чугуна магнием при подаче воздуха в испаратвльнуп кетз-ру и без нее должна быть практически одинаковой.

Для проверки этого вывода автором проанализирована результаты опытно-промышленных исследований десульфурации чугуна магнием на установке ДОЗ, проведенных независимо друг от друга Е.Н.Складановс-ким и В.Ф.Омельяненко. В опытах Е.Н.Склэдановского ввод кзгння в кз-талл сопровождался одновременной подачей внутрь испарителя воздуха в количестве 60 - 80 ¡м3/ч. В опытах В.Ф.Омельяяенко были использованы испарители специальной конструкции, которая позволяла после шгрузз-ния испарителя в чугун прекратить подачу дополнительного газа. Показано, что при подаче магния в металл с воздухом и без него средата значения степени использования магния для десульфурации чугуЕа очень близки. Различия между ними но превышают точности определения зтоЗ величины.

Описаны результаты выполненного автором исследования эффективности использования магния для десульфурации чугуна пря обработке его пассивированным магнием на установке мартеновского цеха металлургического комбината "Кршзорожеталь". Показано, что эффективность дзсухь-Фурации чугуна пассивированным магнием не выше, чем при обработке слитковым магнием по способу "магний-газ" с использованием в качестве

дополнительного газа воздуха на установке ДМЗ.

Выводы автора о возможности перехода от обработки чугуна пассивированным магнием к регулируемой подаче в металл слитков магния по способу "магний-газ" без понижения эффективности обработки использованы металлургическим комбинатом "Криворожсталь" при подготовке проекта реконструкции установки внепечной десульфурации чугуна кислородно-конвертерного цеха >52. Предусмотренное проектом изменение способа подачи магния в металл позволяет отказаться от операции предварительного пассивирования магния, которое в пересчете на I т поданного в металл магниевого сплава сопровождается потерей магния в результате окисления в количестве 114,5 кг, дополнительным расходом кокса - 800 кг, карналитового флюса - 74,6 кг, чушкового алюминия - 23,6 кг, природного газа - 158 м3, электроэнергии - 902,7 кВтч. При использовании для десульфурации чугуна вторичного магниевого сплава МА9Ц6 стоимость десульфуратора снижается от Ш0 руб/т до 717,48 руб/т (в ценах 1984 г.).

Рекомендации о целесообразности перехода от обработки чугуна пассивированным магнием к регулируемой подаче магния в металл по способу "магний-газ" совместно с воздухом использованы также при подготовке проекта реконструкции установки внепечной десульфурации чугуна Макеевского металлургического комбината им. С.М.Кирова (МакМК). Проектом реконструкции установки внепечной десульфурации чугуна МакМК для ввода магния в металл взамен традиционно применяемых с этой целью фурм с испарительными камерами предусмотрено использование газлифтно-го реактора. Его использование обеспечивает следующие основные преимущества: отпадает необходимость в значительном недоливе направляемых на обработку ковшей, так как наличие газоотделительной камеры исключает возможность выбросов обрабатываемого чугуна; при изменении степени заполнения ковшей в широких пределах высота столба обрабатываемого металла в подъемной (реакционной) колонне реактора остается неизменной, что должно способствовать стабильности получаемых результатов.

Автором разработана математическая модель рафинирования чугуна магнием в газлифтном реакторе. Показано, что изменение содержания серы в обрабатываемом металле подчиняется уравнению

CSJ = CSJue р (. 27 )

£1

В уравнении ( 27 ) использованы следующие обозначения: в - общая

масса обрабатываемого чугуна; gc - производительность газлифгного реактора по расплаву; вр - масса чугуна в реакционной колонне реактора; f - суммарная площадь поверхности всплывающих в чугуне пузнрой пара магния; т - продолжительность пребывания чугуна в реакторе. Остальные обозначения соответствуют описанным ранее.

Приведены методики расчета величин, входящих в уравнение ( 27 ). Путем сравнения результатов расчета с данными опытно-промышленных исследований показана возможность использования разработанной математической модели для описания процесса десульфурации чугуна магнием при подаче его в расплав с помощью газлифгного реактора.

Девятая глава работы посвящена описанию исследований, проведенных автором при разработке технологии десульфурации литейного чугуна в печах ИЧГ - 31,5 для литейного цеха XI ПО "Горьковский автомобильный завод" (ПО "ГАЗ").

Литейный цех Jil ПО "ГАЗ" производит широкую номенклатуру отлзэок для производства легковых и грузовых автомобилей. В 1987 - 1988 г. цех освоил технологию производства из высокопрочного чугуна марки ВЧ 50-7 отливок, которые рапев изготавливались из ковкого чугуна. Это позволило значительно понизить энергоемкость и трудоемкость получения отливок в связи с тем, что отпала необходимость в длительном высокотемпературном графитизирующем отжиге литья.

Освоенная цехом технология получения отливок из высокопрочного чугуна включала выплавку в индукционных электропечах ИЧТ - 31,5 с кислой футеровкой чугуна, содержащего не болев 0,015% серы. Используемая для этог<~ пихта состоит из 25% передельного чугуна, 5556 собственного чугунного возврата и 20% стальных отходов. Для корректировки химического состава чугуна применяется ферросилиций ФС45 и графят в зернах. Полученный чугун в 1,5-т барабанных ковшах транспортируется к копильникам автоматических разливочных линий. Разливка чугуна ведется в песчаноглинистые формы с одновременным внутркформэшшм модифицированием при помощи смесевого модификатора, составленного из гранулированного магния и ферросилиция ФС75.

В практике' работы цеха часто отмечались случаи, когда из-за отсутствия низкосернистого передельного чугуна и попадания в шихту возврата серого чугуна содержание серы в выплавленном металле увеличивалось до 0,015 - 0,030%. Единственным применяемым в цехе способом десульфурации металла была обработка ферросплавами типа ФСЗО - РЗМЗО путем подачи их на поверхность чугуна в печи и удаления образование-

гося шл8ка. Такая технология была дорогостоящей и малоэффективной. При содержании серы в выплавленном чугуне более 0,018 - 0,020% она не позволяла провести достаточно глубокую десульфурацию металла.

Применительно к условиям литейного цеха Jíl ПО "ГАЗ" автором первоначально была разработана технология десульфурации чугуна в печах ИЧГ - 31,5 гранулированным магнием и технология выплавки чугуна в по -чах ИЧГ - 31,5 с использованием десульфурации его магнием. Применение десульфурации чугуна магнием взамен обработки сплавом ФСЗО - РЗМЗО обеспечило экономический эффект 3-4 руб/т жидкого чугуна или 7 -9,4 руб/т отливок (в ценах 1988 г.).

Разработанная технология имела ряд недостатков, к числу которых относились: отсутствие возможности десульфурации чугуна при наполнении печей металлом до номинальной вместимости; выбросы в атмосферу цеха большого количества дыма, образующегося при сгорании пара магния над поверхностью обрабатываемого чугуна; дополнительная загрузка кранового оборудования, нарушающая нормальный режим подачи чугуна от электропечей к разливочным линиям.

Для снижения пирозффекта и устранения разбрызгивания чугуна при обработке магнием в литейном производстве широко используется подача магния в металл в составе лигатур. Несмотря на многолетний опыт применения лигатур для обработки чугуна, механизм протекающих при этом реакций изучен недостаточно. Поэтому автором в индукционной электропечи ИСТ - 0,06 выполнено исследование механизма реакций, протекающих при десульфурации чугуна наиболее доступными лигатурами системы железо - кремний - магний (ФСМг).

Установлено, что процесс десульфурации чугуна при подаче магния в составе лигатур описывается кинетическим уравнением реакции первого порядка относительно содержания серы в металле. В координатах incsi-q ход процесса описывается линейными зависимостями при величине коэффициентов линейной корреляции 0,927 и более. При этом зависимость между степенью использования магния для десульфурации чугуна и содержанием серы в металле описывается уравнением ( 14 ) с использованием коэффициента а равного 17 (рис. 4). Такой характер зависимости имеет место в тех случаях, когда лимитирунщим звеном процесса является массопере-нос сери в чугуне к поверхности пузырей пара десульфуратора. Таким образом впервые было показано, что механизм реакций при десульфурации чугуна металлическим магнием и магниевыми лигатурами существенно не различается. Этот вывод противоречит широко распространенному мнению, согласно которому спокойное протекание реакции и высокая степень ис-

Й 0,8

0,6

ол

0,2

О

**

У у К' У / •

•у ,'Г У '/

<У

/

Рис. 4. Экспериментальная ( I ) и теоретическая ( 2 ) зависимости степени использования магния при десульфу-рации чугуна сплавом ФСМг-7 от содержания серы в металле.

0,02 Ш №

пользования магния при обработке чугуна лигатурами является следствием непосредственного перехода большей части магния из лигатуры в обрабатываемый металл.

Исследования автора показали, что высокая эффективность обработки объясняется особенностями распределения магния в объеме затвердевшей лигатуры. Основными фазами в составе сплавов типа ФСМг являются кремний, лебоит (г*е312) и силицид магния {мд^О. В структуре затвердевшего сплава кремний и лебоит присутствуют в виде крупных зерен, размер которых составляет I - 8 мм. Между ними находятся мелкие области размером 0,05 - 0,2 мм, имеющие обычно эвтектическое строение, в которых сосредоточено основное количество находящегося в составе лигатуры магния.

Температура плавления сштжцида магния составляет И02°С, что значительно ниже температуры плавления окружающих его лебоита и кремния, составляющих соответственно 1220°С и 1414°С. Поэтому растворение силицида магния в чугуне будет протекать быстрее, чем растворение образующих матрицу сплава более тугоплавких фаз, а возникающие в чугуне пузырьки пара магния будут формироваться в результате растворения каждой из эвтектических областей в отдельности. Ввиду малого количества мягушя в каждой из них образующиеся пузыри будут иметь малые размеры и большую площадь поверхности раздела" с обрабатываемым металлом.

Для проверки высказанных выше представлений о механизме процес-

сов, протекавши щи растворении лигатуры в чугуне, автором расчетным путем проанализирована эффективность десульфурации металла при растворении в чугуна включения силицида магния диаметром 0,2 мм. Установлен), что в условиях проведенного эксперимента зависимость между расчетным средним значением степени использования магния для десульфурации чугуна и содержанием серы в металле при атом' должна описываться уравнением ( 14 ) с использованием коэффициента а равного 19,2. При атом было отмечено хорошее совпадение результатов расчета с акслери-штапьныни данными (рис. 4).

При обработке чугуна с содержанием серы 0,015 - 0.025Ж лигатурами типа ССМг высокая степень использования магния может быть достигнута при подаче лигатуры в металл на глубину 0,5 - 0,9 м. Поэтому литейному цеху JS1 ПО "ГАЗ" было рекомендовано перейти к десульфурации электродечного чугуна лигатурами типа ФСМг в виде порошковой проволоки в печах ИЧТ - 31,5 или 5-т заливочных ковшах.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации дано научное обоснование и развитие теоретических основ процессов десульфурации и модифицирования чугуна магнием, заключающихся в раскрытии механизма протекающих реакций, установлении количественных зависимостей и разработке математических моделей процессов, позволяющих определять нута повышения эф{ективности существующих технологий, оценивать параметры и эффективность новых технологических процессов на стадии проектирования.

Основные научные положения и практические результаты работы заключаются в следующем.

Г. Механизм взаимодействия магния с металлом изменяется в зависимости от химического состава обрабатываемого чугуна и определяется условиями совместной адсорбции магния и поверхностно-активных примесей металла (в первую очередь серы) на межфазной поверхности. При высоком содержании серы в чугуне она занимает на межфазной поверх -ности большую часть адсорбционных мест. Поэтому реакции между магии ем и примесями чугуна протекают главным образом у поверхности всплывающих в расплаве пузырей пара десульфуратора без значительного растворения магния в обрабатываемом металле. При обработке низкосернистого чугуна на мьжфазной поверхности адсорбируется преимущественно магний, в результате чего становится возможным массоперенос магния в объем расплава.

Изменение механизма.реакций происходят при содержании сери в чугуне около 0,01%.

2. На основании дашшх термодинамического анализа установлено, что при содержании серы в чугуне болээ 0,01% реакция десульфурации протекает при высокой активности растворенного в металле кислорода. Поэтому п объема чугуна отсутствуют термэдаяамаческнэ условия, необходимые для образования и устойчивого существования сульфидов каг-магния. При этом за время обработки чугуна магнием но происходит резкого' понижения активности кислорода в расплаве.

При енсокой активности кислорода в кеталлэ образование сульфатов магния возможно у поверхности всшшвакцнх в расплаве пузырей пара десульфуратора вследствие протекания реакции иезду магнием и кислородом чугуна в диффузионной области. Эффективность десульфурации чугуна в этих условиях определяется соотношением скоростей одновременно протекающих реакций образования сульфидов у поверхности пузырей десульфуратора и чистичного их окисления растворенный в металле кислородом, оксидами железа шлака и кислородом втмосфера.

3. В лабораторных и промышланных условиях исследована кеезтзз десульфурации чугуна магнием. Установлено, что ход процесса опксава-ется кинетическим уравнением реакции первого порядка относительно содержания серы в металле. По величинэ энергии активацгл рэаяцзю можно отнести к протекающим в диффузионной области.

4. Разработана математическая модель процесса дэсульфурацза, учитывающая влияние на эффективность обработки изменепая содэртятгтя серы в чугуне, глубины ввода магния в ыэталл, температура чугуна, количества подаваемого в металл нейтрального по отнсиензза к кагниэ дополнительного газа, давления над поверхностью чугуна и структура формирующегося в металле газогадкостиого потока.

Математическая модель дает возможность сравнивать эффективность десульфурации чугуна при проведении экспериментов в существенно различных условиях.

5. Математическим моделированием и оштно-промналенишги исследованиями установлено, что в условиях вне печной десульфурации чугуна азот с достаточной точностью можно рассматикать как нейтральный по отношению к магнию газ. Поэтому увеличение количества подаваемого вместе с магнием в металл азота является одвгм из направлений погашения степени использования магния для десульфурации чугуна.

6. Повышение эффективности десульфурации чугуна при использовании для инжектирования магния в метала природного газа взамен возду-

ха не является следствием устранения потерь магния при взаимодействии с азотом. Оно обусловлено в основном протеканием реакции термической диссоциации метана, сопровоадащайся увеличением объема газа, подаваемого вместе с магнием в металл,

7. Влияние температуры и химического состава чугуна на эффективность десульфурации его магнием обусловлено главным образом влиянием этих факторов на изменение окислвнности обрабатываемого металла.

8. Изучено влияние скорости диссипации анергии на величину констант скорости реакции десульфурации и коэф!ициента массопереноса серы в чугуне. Величина коэффициента массопереноса серы в чугуне су-

■ щественно не изменяется при увеличении скорости диссипации анергии от 0,5 до 1,5-Вт/кг. Наблюдаемый при этом рост константы скорости реакции десульфурации обусловлен главным образом увеличением площади поверхности пузырей пара магния в металле.

9. Доказана слабая чувствительность величины коэффициента массопереноса примеси из объема металла к поверхности всплывающих пузырей газа к изменению размеров пузыря. Эта особенность процессов мас-

. сооереноса позволяет считать неизменной величину коэффициента массопереноса сери при обработке чугуна в лабораторных и промышленных условиях и использовать разработанную математическую модель процесса десульфурации для оценки эффективности обработки чугуна в промышленных условиях на основании данных лабораторного исследования.

10. В промышленных условиях при обработке чугуна с содержанием серы менее 0,01% скорость растворения магния в чугуне ограничена массопереносом его в металле.

11. Разработана математическая модель процесса растворения магния в чугуне, учитывающая влияние на результаты обработки изменения концентрации растворенного в металле магния, глубины ввода магния

в металл, изменения температуры чугуна, давления над поверхностью обрабатываемого металла, структуры формирующегося в расплаве газо-гидкостного потока.

12. При помощи математической модели проанализированы результаты промышленных экспериментов по модифицированию чугуна магнием. Установлено, что средаапогараЯмичэское значение концентрации магния в чугуне у поверхности всплывающих пузырей его пара составляет 0,148%, что немного меньше растворимости магния в металле. По этой причине скорости растворения магния в промышленных чугунах значительно меньше, чем в лабораторных экспериментах с синтетическими сплавами высо-

кой чистоты.

13. Малые скорости растворения магния в промышленных чугунях объясняются влиянием поверхностно-активных компонентов расплава на величину градиента концентрации магния у поверхности всплывающих пузырей.

14. раскрыт механизм десульфурации металла при обработке низкосернистых чугунов. В этих условиях металл пересыщен магнием относительно равновесия с растворенной в чугуне серой и лимитирущим звеном процесса является массоперенос серы из объема металла к месту возможного протекания реакции. При десульфурации низкосернистых чугунов местом преимущественного протекания реакции остается поверхность всплывающих в металле пузырей пара магния.

15. При подаче магния в металл применение воздуха в качестве дополнительного газа в количестве до 0,2 м^/кг десульфуратора не приводит к значительному понижению эф^ктивности обработки. Это обусловлено тем, что входящий в состав воздуха азот, смешиваясь с паром магния, способствует повышению степени его использования для десульфурации чугуна и позволяет компенсировать потерю 5 - 7% магния в результате окисления кислородом воздуха.

16. Раскрыт механизм десульфурации чугуна лигатурами типа ФСМг. Растворение лигатуры в чугуна сопровождается переходом большей части магния в газовую фазу, что вызвано неравномерным распределением магния в объеме затвердевшей лигатуры. В результате этого механизм десульфурации чугуна при обработке металлическим магнием и лигатурами типа ФСМг существенно не различается. Повышение эффективности обработки при использовании лигатур достигается благодаря малым размерам образующихся в металле пузырей пара магния.

17. Разработана математическая модель десульфурации чугуна при использовании для подачи магния в металл циркуляционного газлифтного реактора.

18. Разработана и внедрена в плавильном цехе Побужского никелевого завода технология внепечной десульфурации природнолегированного чугуна (электропечного ферроникеля), включающая предварительную десульфурации чугуна кальцинированной содой в количестве 12 - 15 кг/т во время выпуска из руднотермической электропечи в ковш и последующую обработку чугуна магнием под высокосернистым ковшевым шлаком с одновременной подачей в испарительную камеру азота в количестве

О,С - 1,2 м3/кг десульфуратора.

При обработке в 30-т ковшах чугуна с исходным содержанием серы

0,15 - 0,25% разработанная технология обеспечивает получение металла с гарантированным содержанием серы не более 0,02% и 0,01% при удельных расходах магния 0,31 кг/т и 0,83 кг/т.

19. Разработана и внедрена в литейном цехе J6I ПО "Горьковский автомобильный завод" технология выплавки литейного чугуна с использованием обработки металла магнием в индукционных печах ИЧТ-31,5. Установлена целесообразность использования для десульфурации электрона чко го литейного чугуна обработки лигатурами типа ФСМг в виде порошковой проволоки.

20. При реконструкции установок внепечной десульфурации чугуна кислородно-конвертерного цеха £2 металлургического комбината "Криво-рохсталь" и Макеевского металлургического комбината им. С.М.Кирова использованы выводы автора о возможности перехода от обработки чугуна пассивированным магнием к регулируемому вводу в металл слиткового и гранулированного магния с дополнительной подачей воздуха в испарительную камеру без сншганая эффективности использования десульфура-тора.

Проведенная реконструкция позволяет избежать потерь 6 - ЮЖ магния при плавке и разливке, устранить дополнительные затрата материалов и энергоносителей при пассивировании, которые в пересчете на I т поданного в ывтадд магния составляют: кокс - 800 кг/т, карнали-товай флюс - 74,5 кг/т, чушковый алюминий - 23,6 кг/т, природный газ - 158 ri3, электроэнергия - 902,7 кВтч.

Основное содержание диссертации опубликовано в следувдих работах.

1. Доменный чугун с шаровидным графитом для крупных отливок/ А.Ц.Зборцик, В.А.Курганов, В.Б.Бычков и др. - М.: Машиностроение, 1995. - 128 с.

2. Иачикин В.И., Зборщик A.M., Складановский E.H. Повышение качества черных металлов. - Киев: Техника, 1981. - 160 с.

3. Зборщик A.U., Лифенко Н.Т. О десульфурации чугуна инжектированием магния в струе природного газа.//Известия АН СССР. Металлы. -1990. - JH. - С. 21 - 25.

4. Зборщик A.M., Пилшенко В.Л.. Лифенко Н.Т. Кинетические особенности реакций при глубокой десульфурации чугуна магнием.//Сталь. -1987. - Ш. - С. 22 - 25.

5. Щименко С.П., Зборщик A.M., Пилшенко В.Л. Основные направления повышения эффективности десульфурации чугуна магнием.//Сталь. -

1986. - JM. - С. 16 - 21.

6. Мачтссш В.И.» Ёфзкэнка С.П.. Зборщик А.М. Особенности кинетики взаимодвйствм счлочно-земэлъгшх металлов с прпкесяга в гелезоуг-леродистых расплавах.//Сталь. - 1985. - JSI. - С. 21 - 23.

7. Мачикин В.И., Зборщик АМ. Математическое описание процессов десульфурации чугуна и стали щелочноземельными металлами.//Известия вуз. Черкая металлургия. - 1982. - JSI. -С. 34 - 38.

8. Мачикин В.И., Зборщсс А.И., СкладановскиЗ E.H. О лимитирунцем звене процессов десульфурации чугуна и стали магнием.//Известия вуз. Черная металлургия. - 1981. - ЯП. - С. 32 - 37.

9. Особенности математического описания процесса модифицирования чугуна магнием./А.М.Зборщик, В.А.Курганов, И.В.Черкашин и ^.//Известия вуз. Черная металлургия. - 1985. - JJI2. - С. 5 - 9.

10. Комплексная десульфурации чугуна с использованием кальцинированной сода и кагпия./Ъ.Я..'-'ятютш, А.М.Зборщик, С.П.Кормалиццп я др.//Известия вуз. Черная металлургия, - IS84. - 1S. - С. 26 - 29.

11. Зборщик А.И., Курганов В.А., Черкаашн И.В. Исследование растворения нагггая в чугуне.//Известия вуз. Чернея металлургия. - 1986. - JE. - С. 142.

12. Зборщик A.U., Власов П.Е., Черхаяпн И.В. Влияние азота на эффективность десульфурации чугуна магнием.//Изеосткя вуз. Черная кэ-тэллургия. - 1986. - KS. - С. 157.

13. Зборщик А.М., Лифенко Н.Т., Чвркэшш И.В. Математическая га-дель рафинирования чугуна в циркуляционном газлифтном реакторе.//Известия вуз. Черная металлургия. - 1986. - J®. - С. 24 - 26.

14.

Мачикин В.И.

Зборщик A.M., Черкаппш Й.В. Оценка прокаленных результатов обработки металла магнием по данным лабораторного исследования.//Известия вуз. Черная металлургия. - 1986. - Л12. -С. 145 - 146.

15. Зборщик A.M. Математическая модель процесса десульфурации. //Известия вуз. Черная металлургия. - 1989. - J39. - С. 149 -150.

16. Зборщик A.M., Складановский Е.Н., Смирнов А.Н. ЭТфектквность использования магния при десульфурации синтетического литейного чугуна.//Известия вуз. Черная металлургия. - 1985. - JES. - С. 156.

17. Исследование десульфуризация чернового ферроникеля магнием./В. И. Мачикин, С.И.Кормилжщн, A.M.Зборщик я др.//Цветные металлы. - 1981. - IS. - С. 19-21.

18. Разработка технологии получения шзхосерпистнх марок ферро-

никеля./П.Е.Власов, А.М.Зборщик, В.В.Соколова и др.//Цветные металлы. - 1986. - JS6. - С. 26 - 28.

19. Внепечная десульфурация ферроникеля нэ Побужском никелевом заводе./В.И.Мачикин, А.М.Зборщик,' С.П.Кормилицын и др.//Цветная металлургия. - 1983. - J69. - С. 25 - 27.

20. Мачикин В.И., Зборщик A.M. 0 десульфуряции стали магнием.// Металлургия и коксохимия: Респ. мажвед. науч.-техн. с.6. - Киев: fox -HiKa, 1981. - Вып. 74. - С. 39 - 43.

21. Методика определения расхода магния на дес.ульфурацию ферроникеля. /С.П.Кормилицын, В.Д.Линев, В.И.Мачикин, А.М.Зборщик и др.// Новые направления интенсификации технологических процессов и повышение комплексности использования сырья в металлургии никеля и кобальта: Сб. науч. тр. - Ленинград: Гипроникель, 1982. - С. 39 - 45.

22. Зборщик A.M., Лифенко Н.Т., Долженков В.Н. Десульфурация чугуна магнием в печах ИЧТ-31,5.//Литейное производство. - 1989. -J65. - С. 19 - 20.

23. Зборщик A.M., Лифенко Н.Т. Десульфурация чугуна магнием в индукционных шчах большой емкости.//Технология и организация производства. - 1990. - J62. - С. 38 - 39.

24. А. с. I401051 СССР, МКИ4 С 2IC 1/02. Способ внепвчной де-сульфурации чугуна./A.M.Зборщик, И.Г.Ризницкий, В.Д.Гладуш и др. -Опубл. 07.06.1988 г.. бял. J62I.

25. А. с. 1346677 СССР, МКИ4 С 2IC 1/02. Способ десульфурации чугуна./А.М.Зборщик, А.Е.Бурочкин, П.Е.Власов и др. - Опубл. 23.10. 1987 г., бал. JE39.

26. А. с. I69I396 СССР, МКИ4 С 2IC 1/02. Способ внепечной десульфурации чугуна./A.M.Зборщик, В.Л.Шишшенко, И.Г.Ризницкий и др.-Опубл. I5.II.I99I г., бш. £42.

27. А. с. 804693 СССР, МКИ4 С 2IC 1/00. Способ внепечной обработки хвдкого металла./В.И,Мачикин, А.М.Зборщик, С.П.Ефименко и др.-Опубл. 19.02.1981 г., бшл. *6.

28. А. с. 1749236 СССР, МКИ4 С 2IC 1/02. Устройство для десульфурации чугуна в непрерывном режиме./Н.Т.Лифенко, И.С.Изилов, А.м.Зборщик и др. - Опубл. 23.07.1992 г., бил. JS27.

29. А. с. 985052 СССР, МКИ3 С 2IC 1/00. Способ получения ферроникеля. /В.И.Мачикин, С.П.Кормилицын, А.М.Зборщик и др. - Опубл. 30. 12.1962 г., бил. J648.

анн0гац1я

Зборщик О.М. Розвиток теорП процес!в десульфурацИ та модиф1-кування чавуну магн1ем.

Дисерта^я на здобуття вченого ступени доктора техн!чних наук за спец1альн1стю 05.16.02 - металург1я чорних мвтал!в, Донецький державний техн1чний ун1верситет, Донецьк, 1995.

У робот1 ггроанал1оован1 механ1зм та кинетика реакц1й, якг ма-ють м1сце лад час десульфурацИ та модифшування чавуну магнхем. Особлива увага звертаеться на розгляд особливостей термодинам1ч-них умов б!ля поверхн1 шдалу пари магтю з металом, впливу умов сп.1Льно1 адсорбцП магнгю та поверхнево-активних домшок чавуну на межфазнхй поверхн1 на мехаизм та швидкост1 реагадй. У робот1 наведен! математичн! модэл! десульфурацИ та розчину магн1ю у мета-л1. Щ модел1 дають мооивЮТь Еиконувати к1льк1сний анал!з впливу головних технолог1чних парамвтр1в процесу на ефективн1сть вико-ристання магнио пзд час обробки чавуну, прогнозувати результата обробки металу у промислових умовах на п1дстав1 даних лабораторного досл!дження. Робота м1стить науково обгрунтован1 рекомендацП, опрямован1 на тдвадення ефективносп використання магн!ю для десульфурацИ та модифхкування чавуну.

У робот1 наведен! приклада використання теоретичних висновк1в П1д час розробки нобих технологий та реконструкцП установок поза-П1чно1 десульфурацИ чавуну.

Клгочов1 слова: чавун, магн!й, десульфурац!я, модиф1кування.

SUMMARY

Zborshchik A. M. Development of the theory of pig iron de-sulphur izat ion and modification with magnesium.

■Thesis of doctor's degree (engineering), specialization -05.16.02 — ferrous metallurgy» Donetsk State Technical University, Donetsk, 1995.

The work contains the analysis of mechanism and kinetics of reactions, which take place during desulphurization and modification of pig iron with magnesium. A special attention is paid to consideration the peculiarity of thermodynamic conditions near the boundary surface of magnesium vapour and metal* to the influence of cooperative adsorption's conditions of magnesium and surface-active impurities of the metal on the boundary surface upon the mechanism and the rates of reactions. The work offers the mathematical models of desulphurization and dissolution of magnesium into the metal, These models allow to make the qfcantitative analysis of the influence of basic technological parameters upon the magnesium uti1iration's efficiency during pig iron treatment, to predict the results of metal's treatment at industrial conditions on the base of the datas of laboratory experiments. The work contains scientifically based recommendations directed to increase of .T.agnesium utilization's efficiency for desulphurization and modification of metal.

The work contains the examples of application Lhe theoretical conclusions for elaboration of new technologies and reconstruction of pig iron ladle desulphurization unites.

Key words; pig iron, magnesium, desulphurization, modification.

Подписано к печати 26.07,95г. Заказ 391 тираж 150 Объем 2,75пл. Способ печати офсетный ООО Доминанта