Інститут чорної металургії ім. З.І.некрасова

Національної академії наук україни

кравець олександр микитович

УДК 669.162.267

Розробка енергозберігаючої технології рафінування чавуну в заливальному ковші з одночасним видаленням кремнію та сірки

Спеціальність 05.16.02 ”Металургія чорних металів”

автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Днiпропетровськ

2002

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Дніпродзержинському державному технічному університеті

Науковий доктор технічних наук, професор

керівник: Чернятевич Анатолій Григорович,

Дніпродзержинський державний технічний університет,

завідувач кафедри руднотермічних процесів

Офіційні доктор технічних наук, старший науковий співробітник

опоненти: Старов Ремуальд Вікторович,

інститут чорної металургії ім.З.І.Некрасова НАН України, старший науковий співробітник відділу фізико–технічних проблем металургії сталі

кандидат технічних наук, доцент

Нізяєв Костянтин Георгійович,

Національна металургійна академія України,

кафедра металургії сталі

Провідна Приазовський державний технічний університет

установа: Міністерства освіти і науки України, кафедра металургії сталі.

Захист відбудеться ”26” червня 2002 р. о -00 год. на засіданні спеціалізованої вченої ради К 08.231.01 інституту чорної металургії ім. З.І.Некрасова Національної академії наук України за адресою:

49050, м. Дніпропетровськ, площа Академіка Стародубова, 1.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці інституту чорної металургії ім. З.І.Некрасова Національної академії наук України за адресою: 49050, м. Дніпропетровськ, площа Академіка Стародубова, 1.

Автореферат розісланий ”_10_” __травня___ 2002 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради К 08.231.01 Г.В. Левченко

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність проблеми. Підвищення конкурентноздатності продукції чорної металургії України вимагає пошуку нових рішень, що забезпечують підвищення якості чавуну та ефективності його виробництва і перероблення в умовах сировинної бази держави. За умовами ведення киснево-конвертерної плавки на металургійних підприємствах України найбільш доцільно в даний час реалізувати позадоменну комплексну обробку чавуну в заливальних ковшах з одночасним видаленням кремнію і сірки, істотним скороченням втрат тепла за час обробки та чавуну разом з шлаком, що скачують. Розробка такого варіанта технології комплексного рафінування чавуну в заливальних ковшах, який забезпечує поліпшення техніко-економічних показників роботи доменних і киснево-конвертерних цехів, є актуальною задачею сьогоднішнього дня.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконання роботи зв’язане з планами науково-дослідних робіт Дніпродзержинського державного технічного університету (ДДТУ), затвердженими Міністерством освіти і науки України. Базовою для підготовки дисертації є науково-дослідна робота ”Розробка теорії, створення обладнання і технології для одночасної дефосфорації і десульфурації залізовуглецевих розплавів” (номер держреєстрації 0196U002110), відповідальним виконавцем якої був автор.

Мета і задачі роботи. Теоретичне і техніко-економічне обґрунтування, лабораторно-промислова розробка нової енергозберігаючої технології рафінування чавуну в заливальному ковші з одночасним глибоким видаленням кремнію та сірки, модернізованих дуттьових пристроїв і установок для її реалізації, що дозволяють вирішити важливу прикладну задачу – одержання поза доменною піччю якісного переробного чавуну заданого складу з підвищенням ресурсо- і енергозберігаючої ефективності роботи доменних і киснево-конвертерних цехів в умовах сировинної бази доменної плавки, характерних для України .

Для досягнення зазначеної мети в роботі поставлені задачі:

·

·

·

·

·

·

·

Методи дослідження. У роботі використані удосконалені установки і методики (двокамерного ковша, прозорої стінки) високотемпературного моделювання, які шляхом добору проб металу і шлаку, вимірювання температури ванни на різних горизонтах, фіксації кіно- і відеозйомкою макрофізичних явищ дозволяють одержати достовірну інформацію щодо фізико-хімічних, гідрогазодинамічних і тепломасообмінних процесів, які протікають при рафінуванні чавуну у ковші.

Об’єкт дослідження. Енергозберігаючий технологічний процес комплексного рафінування чавуну в заливальному ковші перед киснево-конвертерною плавкою.

Предмет дослідження. Фізико-хімічні і технологічні основи обробки чавуну в заливальному ковші з одночасним видаленням кремнію і сірки.

Наукова новизна одержаних результатів. Одержало подальший розвиток обґрунтування основних умов подоби при високотемпературному моделюванні рафінування чавуну в звичайному і двокамерному заливальних ковшах з одночасним видаленням кремнію і сірки.

Вперше теоретично обґрунтована й експериментально підтверджена можливість комплексної обробки переробного чавуну двома новими способами:

1. З організацією при продувці розплаву в двокамерному ковші через заглибні фурми киснево-паливними (кисень у кільцевій оболонці природного газу) і газо-порошковими струменями (порошкоподібні магній, суміш вапна з алюмінієм у потоці азоту чи аргону) відособлених реакційних зон з роздільним переважним видаленням у межах останніх кремнію і сірки без взаємного зіткнення шлако- і газоподібних продуктів реакцій.

2. З організацією при продувці чавуну в звичайному заливальному ковші через заглибну фурму киснево-паливними струменями, що несуть порошкоподібний десульфуратор у вигляді суміші вапна і алюмінію, об’єднаної реакційної зони спільного протікання знекремнювання і десульфурації розплаву.

Шляхом холодного і високотемпературного моделювання вперше досліджені гідрогазодинамічні особливості поведінки чавуну в двокамерному ковші при одно- і двосторонній продувці зі встановленням характеру і швидкості замкнутих циркуляційних потоків в об’ємі розплаву і часу повного усереднення складу останнього, особливостей макрофізичних явищ на поверхні ванни в кожній з камер і в межах реакційних зон впливу заглибних киснево-паливних і газо-порошкових струменів на розплав.

вперше створені фізико-хімічна модель процесу рафінування чавуну в двокамерному і звичайному заливальних ковшах з одночасним видаленням кремнію і сірки.

Удосконалена методика проектування заглибних конструкцій багатосоплових фурм для знекремнювання і десульфурації чавуну з умовою зменшення тривалості і забезпечення спокійного характеру продувки.

Практична цінність одержаних результатів. На 150-кг пілотній установці відпрацьовані два технологічних варіанти комплексної обробки чавуну (0,6–1,2 % Si; 0,04–0,07 % S) у заливальних ковшах (двокамерному та звичайному) з одночасним видаленням кремнію і сірки до 0,08–0,15 % і 0,003–0,010 % відповідно.

Робочі креслення промислових варіантів багатосоплових заглибних фурм для вдування киснево-паливних і газових струменів з порошкоподібним десульфуратором, конструкція вставної перегородки для заливального ковша, а також рекомендації з технології обробки чавуну в 200-т ковші з одночасним видаленням кремнію та сірки передані і прийняті до впровадження на діючій установці десульфурації чавуну киснево-конвертерного цеху Дніпровського металургійного комбінату (ККЦ ВАТ ДМКД).

У загальнозаводському масштабі найбільша очікувана економія (3,19 грн./т сталі) досягається при роботі доменної печі на шлаках з основністю 1,0-1,1, замість 1,2-1,3, з наступною обробкою одержуваного чавуну (0,05-0,06 % S; 0,7_,9Si) у двокамерному заливальному ковші з видаленням кремнію до 0,35і сірки до 0,010 %.

Публікації. За результатами виконаної дисертації опубліковано 11 робіт, з них 3 статті в фахових наукових журналах, 7- у працях і матеріалах Міжнародних конференцій, 1- тези доповіді науково-технічній конференції.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати досліджень, узагальнені в дисертації, доповідалися і отримали позитивну оцінку на міжнародній науково-технічній конференції ”Стан і перспективи розвитку аглодоменного виробництва України” (Маріуполь, 1997 р.), на IX міжнародній науково-технічній конференції ”Теорія і практика киснево-конвертерних процесів” (Дніпропетровськ, 1998 р.), на V міжнародному конгресі доменників ”Виробництво чавуну на рубежі сторіч” (Дніпропетровськ - Кривий Ріг, 1999 р.), на науково-технічній конференції по теорії і практиці сталеплавильного виробництва, присвяченій 100-річчю з дня народження проф. Казанцева І.Г. (Маріуполь, 1999 р.), на міжнародній науково-технічній конференції ”Виробництво сталі в XXI сторіччі. Прогноз, процеси, технології, екологія”, присвяченої 90-річчю з дня народження проф. Явойського В.І. (Київ - Дніпродзержинськ, 2000 р.), на VI міжнародній науково-технічній конференції ”Тепло- і масообмінні процеси в металургійних системах” (Маріуполь, 2000 р.), на VI Конгресі сталеплавильників (Череповець, 2000 р.).

Структура й обсяг дисертації: Робота складається з вступу, п’яти розділів, висновків, списку літератури з 120 найменувань, двох додатків та містить 121 стор. машинописного тексту, 54 рисунки, 10 таблиць. Загальний обсяг роботи 207 сторінок.

Особистий внесок здобувача. Експериментальні і теоретичні дослідження, що ввійшли в дисертаційну роботу, виконані безпосередньо автором при участі співробітників кафедри руднотермічних процесів Дніпродзержинського державного технічного університету. Результати опубліковані в співавторстві з ними. Обробка даних досліджень і узагальнення результатів робіт проведені автором самостійно.

Автор висловлює глибоку подяку і вдячність науковому керівнику роботи, завідувачу кафедри руднотермічних процесів, професору, доктору технічних наук Чернятевичу А.Г., докторанту Вергуну О.С., докторанту Сігарьову Є.Н., аспіранту Чубину К.І., інженеру Бабич Т.А. за допомогу в проведенні складних високотемпературних експериментів, а також цінні зауваження і рекомендації на різних стадіях виконання дисертаційної роботи.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність, сформульовані мета і задачі дисертаційної роботи, відображені наукова новизна і практична цінність одержаних результатів з їхньою публікацією й апробацією.

У першому розділі ”Сучасний стан теорії і практики позадоменної комплексної обробки чавуну і напрямки досліджень” виконано критичний аналіз переваг і недоліків сучасних технологій позадоменної комплексної обробки чавуну, проаналізовані фізико-хімічні і гідрогазодинамічні закономірності попереднього рафінування чавуну в ковшах перед киснево-конвертерною плавкою, а також застосовувані дуттьові пристрої і технологічні прийоми. Показано, що незважаючи на широке поширення за кордоном різних варіантів комплексної позадоменної обробки чавуну з видаленням кремнію, фосфору і сірки, багато питань теорії й експери-ментальних досліджень рафінування чавуну в заливальному ковші з одночасним видаленням кремнію і сірки практично не вивчені.

З урахуванням проаналізованої інформації, стосовно до сировинної бази чорної металургії України, визначені основні напрямки досліджень з метою розробки нової одностадійної енергозберігаючої технології знекремнювання і десульфурації чавуну в заливальному ковші, що забезпечує підвищення сумарної техніко-економічної ефективності доменного і киснево-конвертерного процесів.

У другому розділі ”Високотемпературне моделювання закономірностей видалення кремнію і сірки при обробці чавуну в двокамерному ковші” відображені результати запланованих експериментів по відпрацьовуванню технології комплексного рафінування чавуну в двокамерному ковші. Дослідження проведені з використанням високотемпературного моделювання, при дотриманні умов геометричної, фізичної і гідрогазодинамічної подоби високотемпературної моделі та зразка.

З урахуванням конструктивних особливостей багатосоплової киснево-паливної фурми основні умови гідрогазодинамічної подоби при знекремнюванні чавуну мають вигляд:

; ; ; , (1)

де , - імпульс окремого кисневого струменя і кільцевого захисного струменя природного газу, відповідно, кг·м/с2; і - кількість сопел і кут нахилу їх до вертикалі заглибної фурми, відповідно; Hф – глибина занурення фурми в чавун, м; dвих- діаметр вихідного перерізу сопел фурми; do – діаметр окружності розташування сопел на торці фурми, м; Dч – діаметр робочого простору ковша на рівні рідкого чавуну, м; mч – маса чавуну, кг; g – прискорення сили тяжіння, м/с2.

У випадку знекремнювання чи десульфурації чавуну з подачею в окисному чи нейтральному газі-носії порошкоподібних матеріалів в умові (1) враховується імпульс газо-порошкових струменів. При цьому забезпечується рівність на моделі і зразку питомої витрати порошкоподібних матеріалів, кг/(т·хв).

Зазначені особливості постановки високотемпературного моделювання лягли в основу створення спеціальної багатоцільової установки (рис. 1) на базі 150-кг індукційної печі. Робочий простір тигля печі виконано в масштабі 1:13 стосовно 200-т заливального ковша ВАТ ДМКД із поділом по діаметру на дві камери перегородкою, нижній торець якої фіксувався на 0,035-0,060 м нижче поверхні ванни рідкого чавуну глибиною 0,246-0,320 м.

Рис. 1. Схема установки комплексної обробки чавуну:

1– тигель; 2– металева ванна; 3– роздільна перегородка; 4– фурма подачі десульфуратора; 5– киснево-паливна фурма; 6– заглибна термопара ПР 30/6; 7– кришка; 8- вібратор; 9– флюсоживильник для подачі вапна і суміші на її основі; 10– флюсоживильник для подачі магнію; 11– манометри; 12– вентилі; 13– ротаметри; 14– газові балони

З метою видалення кремнію в камері знекремнювання (к.з.) здійснювалася продувка чавуну киснево-паливними струменями за допомогою заглибної двосоплової фурми типу ”труба в трубі”. Вихідний діаметр ( dвих ) кисневопідвідних сопел складав 0,0035 м, кут нахилу сопел до вертикалі фурми (?) 450, а ширина кільцевої щілини для подачі природного газу 0,0004 м. Рафінування чавуну за сіркою забезпечувалося в камері десульфурації (к.д.) подачею через заглибну фурму з циліндричним (dвих=0,05 м) випарником диспергованого магнію в потоці аргону чи азоту, або вдуванням всередину розплаву через двосоплову фурму (dвих=0,0035 м, ?=450) суміші порошкоподібних вапна і алюмінію (90 % СаО+10 % Аl) у потоці вищевказаних нейтральних газів. Торець фурм розташовували на відстані 30-50 мм від днища.

На першому етапі досліджували хід знекремнювання чавуну зі з’ясуванням можливості інтенсифікації видалення кремнію з розплаву з 1,2до 0,01 Знекремнювання переробного чавуну ВАТ ДМКД у двокамерному тиглі здійснювали з подачею через двосоплові фурми кисню з інтенсивністю 0,6; 0,76 і 1,01 м3/т•хв і природного газу - 0,6; 0,076 і 0,101 м3/т•хв. Встановлено, що зниження вмісту кремнію в чавуні з 1,2 до 0,01забезпечується в процесі 25-12 хв обробки з відповідним підвищенням інтенсивності вдування кисню з 0,6 до 1,01 м3/т•хв. Одночасно відбувається видалення вуглецю на 0,4і марганцю на 0,2 %. Коефіцієнт використання кисню на окислювання кремнію коливається в межах 46,0-55,6 %.

Під час обробки тільки в межах камери знекремнювання (реакційної зони впливу киснево-паливних струменів на розплав) утворюється шлак, у той час як поверхня чавуну в порівняльній камері залишається практично без шлаку і без видимих ознак кипіння ванни або незначно вкрита шлаком у результаті роз’їдання футеровки. Проведеними експериментами була встановлена можливість організації в заливальному ковші окремої реакційної зони переважно видалення кремнію з чавуну.

Окислювання кремнію лімітується доставкою кисню до реакційної зони при Si>0,2і масопереносом кремнію в реакційну зону при концентрації останнього менше 0,2При цьому засвоєний ванною кисень з камери знекремнювання практично не надходить у віддалені об’єми металевої ванни і тим самим не може зробити істотного впливу на процес десульфурації чавуну в порівняльній камері, що вимагає, як відомо, мінімальної окисленості металу і шлаку. Якщо врахувати, що в Україні виплавляється чавун з низьким вмістом фосфору (Р ?0,070що переробляється без ускладнень киснево-конверторним процесом без попередньої дефосфорації, то, виходячи з результатів експериментів, видалення кремнію бажано здійснювати до концентрації 0,2-0,3 %, щоб забезпечити найбільш сприятливі умови ковшового знекремнювання низькомарганцевого чавуну, а також шлакоутворення при переробці останнього в конвертерах за малошлаковою технологією.

Дослідами встановлено, що тепло, виділене при реакціях окислювання Si, Mn, С та частин заліза чавуну, сприяє підвищенню температури розплаву на 10-20 0С по закінченню обробки, незважаючи на великі тепловтрати через стінку тигля і поверхню ванни при відключеному індукційному підігріванні.

На другому етапі були проведені експерименти по встановленню можливості організації відособленої реакційної зони переважної десульфурації чавуну в умовах обробки останнього в двокамерному ковші. У першій серії експериментів у камері десульфурації обробку чавуну вели диспергованим магнієм (99,3 % Mg фракції 0,6-1,0 мм) з витратою 0,062-0,066 кг/т•хв у потоці газу-носія з інтенсивністю 0,11-0,18 м3/т•хв. В другій серії дослідів у камеру десульфурації вдували порошкоподібну суміш Сао-аl з витратами 1,9 кг/т• хв при інтенсивності подачі газу-носія 0,12 м3/т• хв. На усіх етапах було зафіксовано, що видалення сірки з чавуну зі зниженням концентрації з 0,056 до 0,005 % цілком протікає в межах реакційної зони взаємодії газо-порошкового дуття з розплавом, зосередженої в об’ємі металу камери де-сульфурації. Якщо в порівняльній камері шлаковий покрив на поверхні металу практично відсутній, то на стороні продувки формується ”сухий” гетерогенний шлак. При фіксованому градієнті концентрацій по сірці між камерою десульфурації і порівняльною (?S=[S]п.к. -[S]к.д.=0-0,004 %) забезпечується безперешкодне масопідведення сірки в металевій ванні до реакційної зони при концентрації сірки понад 0,01 %, що обумовлює відсутність залежності швидкості десульфурації від концентрації сірки в розплаві. Зі зниженням вмісту сірки нижче 0,01 % швидкість десульфурації лімітується масоперенесенням сірки з об’єму розплаву до реакційної по-верхні, що підтверджує відомі дані по десульфурації чавуну диспергованим магнієм і порошкоподібним вапном.

Тривала за часом (20-25 хв) десульфурація чавуну вдуванням порошкоподібних магнію і суміші вапна з алюмінієм супроводжувалася значним зниженням температури чавуну (на 100-150 0С) при відключеному індукційному нагріванні.

На третьому етапі відпрацювали технологію одночасного знекремнювання і десульфурації чавуну в двокамерному ковші. У відпрацьованому технологічному режимі в камері знекремнювання здійснювалася продувка чавуну з витратою кисню 0,6-1,0 м3/т• хв і природного газу 0,03-0,1 м3/т•хв. У той же час рафінування чавуну по сірці забезпечувалося в камері десульфурації подачею диспергованого магнію з витратою 0,062-0,066 кг/т•хв у потоці аргону чи азоту з інтенсивністю 0,11-0,18 м3/т•хв, або вдуванням всередину розплаву суміші порошкоподібних (1,05-4,0 кг/т•хв) вапна та алюмінію (90 СаО+10 Аl) у потоці нейтральних газів з вищевказаною витратою. Протягом 22-25 хв обробки 120-130 кг чавуну з початковою температурою 1330-1370 0С вдалося організувати спокійний характер продувки з роздільним накопиченням шлакоподібних продуктів реакцій знекремнювання і десульфурації. По закінченні обробки (рис. 2) концентрація сірки в чавуні складала 0,003-0,010 % і 0,008-0,015 %, відповідно при використанні в якості десульфураторів магнію (рис. 2, а) і суміші вапна з алюмінієм (рис. 2, б). В той же час глибинна продувка чавуну киснево-паливними струменями забезпечувала зниження вмісту кремнію, вуглецю і марганцю до 0,05-0,15 %, 3,7-3,8 % і 0,05-0,07 %, відповідно, у порівнянні з вихідним середнім вмістом 0,82 % 4,05 % С и 0,11 %

Рис. 2. Зміна складу чавуну в двокамерному тиглі при обробці магнієм (а), сумішшю вапна й алюмінію (б) з одночасною продувкою паливно-кисневими струменями

В цілому відпрацьована технологія комплексної обробки чавуну ВАТ ДМКД у двокамерному ковші з одночасним видаленням кремнію і сірки дозволяє забезпечити ступінь знекремнювання розплаву 81,5-93,0 %, ступінь десульфурації при обробці магнієм 77,3-91,6 %, а сумішшю вапна з алюмінієм – 70,3-84,5 %.

Відповідно до результатів експериментів фізико-хімічну модель рафінування чавуну в двокамерному ковші з одночасним видаленням кремнію і сірки можна представити у такому вигляді (рис. 3).

У межах первинної реакційної зони, що утвориться при взаємодії кисневого струменя, у тому числі в кільцевій обо-лонці природного газу з чавуном, одержує переважний розвиток процес окислювання заліза по реакції (2).

[Fe]+1/2{O2}=(FeО), (2) {СН4}+2{О2}={СО2}+2{Н2О}. (3)

Незначна частина кисню (5-7 % від загальної кількості) витрачається на взаємодію з метаном кільцевої оболонки природного газу по реакції (3), що дозволяє запобігти надмірний знос соплової частини заглибної киснево-паливної фурми.

Супутнє окислювання кремнію, марганцю, вуглецю, фосфору і сірки за реакціями:

[Si]+{O2}=(SiО2), (4) [Mn]+1/2{O2}=(MnО), (5)

[С]+1/2{О2}={СО}, (6) 2[Р]+5/2{О2}=(Р2О5), (7)

[S]+{O2}={SO2}, (8)

здійснюється в режимі тотального спалювання інжектованих у кисневий струмінь крапель чавуну в істотно меншій кількості, що відповідає спів-відношенню атомних часток заліза і домішок у розплаві.

оксиди заліза, що утворюються переважно в первинній реакційній зоні, при своєму спливанні в розплаві, попадають до вторинної реакційної зони, де взаємодіють з домішками чавуну:

[Si]+2(FeО)=(SiО2)+2[Fe], (9) [Mn]+(FeО)=(MnО)+[Fe], (10)

[C]+(FeО)={CO}+[Fe], (11) 2[P]+5(FeО)=(P2O5)+5[Fe]. (12)

У межах верхніх горизонтів вторинної реакційної зони, що формується угорі уздовж стовбура заглибної фурми, розвивається процес відновлення фосфору з конденсованих продуктів окислювання, насамперед, кремнієм і марганцем, а потім і вуглецем, що мають більш високу спорідненість до кисню в температурному інтервалі (1300-1480 0С) продувки чавуну:

(P2O5)+5/2[Si]=5/2(SiО2)+2[P], (13) (P2O5)+5[Mn]=5(MnО)+2[P], (14)

(P2O5)+5[C]= 5{CO}+2[P]. (15)

У той же час незалежна інжекція порошкоподібних десульфураторів (насамперед, дешевого вапна) через другу заглибну фурму в струменях нейтрального газу (азоту) супроводжується розвитком у реакційній зоні процесу десульфурації по реакції:

[S]+2(CaOтв.)+1/2[Si]=(CaSтв.)+1/2(2CaО·SiО2). (16)

При цьому добавка до вапна алюмінію сприяє розвитку десульфурації за наступною більш сприятливою у термодинамічному відношенні реакцією

[S]+(CaOтв.)+2/3[Al]=(CaSтв.)+1/3(Al2O3). (17)

Якщо в камеру десульфурації через заглибну фурму інжектується диспергований магній у потоці азоту, то десульфурація чавуну розвивається в межах утвореної реакційної зони по реакціях:

{Mg}+[S]= (Mg), (18) [Mg]+[S]=(Mg), (19)

з урахуванням переходу частини магнію з пароподібного в розчинений стан {Mg}= [Mg].

При концентрації кремнію в чавуні більш 0,2 % розчинення в розплаві кисню, що вдувається, у значних кількостях практично відсутнє, що не може вплинути на протікання реакції десульфурації у віддалених об’ємах металу в ре-зультаті можливого переносу розчиненого кисню циркуляційними потоками. У той же час перегріті, завдяки окислюванню Si, Mn, C і частини Fe, у межах камери знекремнювання потоки чавуну попадають у камеру десульфурації, сприяючи ліквідації втрат тепла в процесі комплексної обробки чавуну.

Рис. 4. Схема визначення параметрів реакційної зони при продувці чавуну в заливальному ковші через заглибну фурму

У третьому розділі ”Дослідження реакційних зон і гідрогазодинамічних особливостей поводження розплаву в двокамерному ковші при продувці” представлені результати досліджень макроструктури і параметрів реакційних зон, особливостей гідрогазодинамічних і тепломасообмінних процесів при різних варіантах продувки розплаву в двокамерному ковші.

Дослідження макроструктури і параметрів реакційних зон, утворених при вдуванні в чавун через одно- і багатосоплові заглибні фурми кисневих, киснево-паливних і киснево-вапняних струменів, вели за відпрацьованою методикою з використанням реакторів і 60-кг ковша з прозорою кварцовою стінкою, при фіксації макрофізичних явищ кінокамерою.

Обробка одержаних матеріалів кінозйомки дозволила одержати уточнені вирази для визначення структурних складових реакційних зон (рис. 4) при ковшовій обробці чавуну. Параметри струминної ділянки первинної і вторинної реакційної зони визначаються:

– при вдуванні кисневих струменів у чавун:

, R= 0,642; , R=0,786 (20)

, R=0,685; , R=0,702 (21)–

при вдуванні киснево-паливних струменів:

, R=0,803; , R=0,790 (22)

, R=0,812; , R=0,683 (23)–

при вдуванні киснево-вапняних струменів з концентрацією вапна 1-4 кг/м3:

, R=0,714; , R=0,754 (24)

, R=0,705; , R=0,717 (25)

Тут: iк.п. , iк.в. – імпульс одиночного киснево-паливного і киснево-вапняного струменів, відповідно.

Загальний максимальний діаметр (Dзаг.) барботажної біляфурменної зони можна знайти з виразу:

. (26)

Рівняння (20)–(26) дають можливість обґрунтувати як конструктивні параметри заглибних багатосоплових киснево-паливних фурм, так і раціональну глибину занурення фурми в розплав з умовою запобігання прямого впливу високо-температурних реакційних зон на футеровку ковша у виробничих умовах.

Дослідження гідрогазодинамічних і тепломасообмінних закономірностей комплексної обробки чавуну в двокамерному ковші здійснювали з застосуванням холодного і гарячого моделювання. При холодному моделюванні в сталому режимі продувки з витратою повітря 0,008-0,1 м3/хв (рис. ) відзначається незначне спучування ванни навколо фурми з помітною відсутністю сплеско- і бризкоутворення. У той же час стійкий газо-рідинний потік, що рухається вгору і охоплює стовбур фурми, формує біля поверхні ванни два замкнутих вихрових потоки, зосереджених з одного боку, між фурмою і стінкою ковша і, з іншого боку, між роздільною перегородкою і фурмою. Основний об’єм рідини після радіального переміщення убік стінки ковша переходе вниз спадними потоками уздовж стінки з частковим залученням у висхідний біляфурменний газо-рідинний потік. При цьому створюється спрямований потік рідини по днищу в протилежну камеру з замкнутим кругообігом нагору уздовж стін ковша і радіально убік роздільної перегородки і камери, що продувається, із залученням у висхідний газо-рідинний потік.

У випадку підвищення інтенсивності однобічної подачі повітря через фурму до 0,11-0,15 м3/хв, підйомний біляфурменний газо-рідинний потік викликає інтенсивне циркуляційне переміщення об’ємів рідини радіально по поверхні ванни убік стін ковша обох камер, у тому числі з огибанням роздільної перегородки, подальшим рухом

Рис. 5. Фотографії схеми макропотоків в об’ємі рідкої ванни при одно– (а, б) та двосторонній (в) продувці через заглибні фурми:

1- роздільна перегородка; 2- заглибна фурма.

потоків рідини вниз уздовж стін ковша і радіально назустріч один одному з залученням у висхідний газо-рідинний потік. Коли здійснюється двостороння продувка в двокамерному ковші, то при сталому режимі перемішування в межах обсягу ванни кожної з камер висхідні газо-рідинні біляфурменні потоки викликають радіальне переміщення рідини убік роздільної перегородки і стін ковша з більш інтенсивним вихровим рухом у межах глибини занурення перегородки. Частині об’єму рідини надається прямолінійний рух вниз уздовж стінки ковша з наступним переходом до центру по днищу і залученням на шляху руху у висхідний газо-рідинний потік.

Зафіксований через прозору кварцову стінку характер розвитку циркуляційних потоків у двокамерному ковші при однобічній киснево-паливній продувці з метою знекремнювання чавуну, а також установлена температурна неоднорідність розплаву на різних горизонтах підтверджують режим перемішування ванни за схемою (рис. 5, б) при холодному моделюванні.

Усереднення складу чавуну в двокамерному тиглі по введеному мідному індикаторі проходило протягом (?уср) 5,5 і 4,2 хв у випадку однобічної продувки з метою десульфурації й знекремнювання розплаву відповідно. У той же час двостороння продувка, що забезпечує одночасне знекремнювання і десульфурацію чавуну в двокамерному ковші, характеризувалася найбільш інтенсивним перемішуванням розплаву (?уср. = 3,95 хв).

Отримані експериментальні дані високотемпературного моделювання були використані для визначення ефективних коефіцієнтів турбулентної дифузії (Dє) і температуропровідності (ає) для випадку знекремнювання чавуну в двокамерному ковші. Значення Dє й ає, для лабораторних експериментів склали (6–18)?10-4 м2/с і (8-19)?10-4 м2/с, що при переносі на промислові умови відповідає величинам 0,04–0,09 і 0,02-0,04 м2/с відповідно.

В четвертому розділі ”Розвиток теорії і лабораторне відпрацювання технології одночасного рафінування чавуну по кремнію і сірці в звичайному заливальному ковші” теоретично обґрунтований принцип організації технологічного варіанту обробки чавуну в заливальному ковші з одночасним протіканням знекремнювання і десульфурації розплаву в об’єднаній реакційній зоні при вдуванні порошкоподібної суміші вапна й алюмінію в киснево-паливних струменях.

Відповідно до термодинамічних розрахунків і даних високотемпературних експериментів фізико-хімічна модель запропонованого варіанту обробки чавуну представлена в такому вигляді.

Коли порошкоподібна суміш вапна й алюмінію інжектується в рідкий чавун у струмені кисню, оточеною кільцевою оболонкою природного газу, у межах первинної реакційної зони має місце одночасне окислювання по реакціях (2), (4)-(6), (27) Fe, Al, Si, Mn, C у складній відповідності з атомними частками, хімічною спо-рідненістю до кисню і поверхневою активністю різних елементів:

2[Al] + 3/2{O2}=(Al2О3). (27)

Тут же, у межах первинної реакційної зони, одержує початковий розвиток процес ошлакування СаО продуктами реакцій (2), (4), (5), (27). Імовірно, СаО починає ошлаковуватися в рідкому чавуні завдяки первісному проникненню FeО і MnО завдяки меншим розмірам іонів, що утворюються, у порівнянні з іонами оксидів SiО2 і Al2O3. При цьому утвориться рідка фаза складу (СаО·Fe(Mn)хО) по реакції

. (28)

Оскільки утворення SiО2 і особливо Al2O3 за реакціями (4) і (27) відповідно здійснюється при тісному контакті з порошкоподібним вапном можливе також протікання найбільш сприятливих у термодинамічному відношенні реакцій:

2СаОтв+(SiO2)=[(СаО)2 SiО2]тв, (29) 3СаОтв+(SiO2)=[(СаО)3 SiО2]тв, (30)

3СаОтв+(Al2O3)=[(СаО)3 Al2О3]тв, (31) 12СаОтв+7(Al2O3)=[(СаО)12 (Al2О3)7]тв. (32)

Продукти реакцій, що надходять з первинної реакційної зони, (2), (4), (5) і (28)-(32), переважно у вигляді шлакової фази з підвищеним вмістом Feо, у межах вторинної барботажної реакційної зони, взаємодіють з домішками чавуну з витратою Feо по реакціях (9-11).

У зниженні окисного потенціалу спливаючих шлакових крапель на попередній стадії бере участь також і алюміній

2[Al] + 3(Fe) = (Al2O3) + 3[Fe]. (33)

У результаті формуються краплі шлаку системи (СаО–SiО2–Al2О3) з низьким вмістом оксидів заліза і марганцю, температура плавлення і в’язкість якого знижуються, а рідкотекучість зростає, якщо до складу порошкоподібної суміші, що вдувається, включити плавиковий шпат, а звичайне вапно, наприклад, замінити доломітизованим. В принципі, можливо без особливих утруднень сформувати краплі спливаючого шлаку, типу доменного (СаО/SiО2 = 1,2–1,3; Al2О3=5–10і MgО=12,0–13,5що володіє максимальною здатністю до видалення сірки.

Процес десульфурації чавуну розвивається в межах верхніх горизонтів вторинної реакційної зони за допомогою взаємодії твердого й ошлакованого оксиду кальцію шлакової фази (ш.ф.) із сіркою чавуну по реакціях (16), (17), а також (34)-(36):

СаОтв +[S]+[С] = (СаS)+{СО}; (34)

(СаО)ш.ф. + [S] + [Si] = (СаS)ш.ф. + Ѕ(2?аО·SiО2)ш.ф.; (35)

(СаО)ш.ф. + [S] + [С] = (СаS)ш.ф. + {СО}. (36)

Оптимальне співвідношення між порошкоподібними вапном і алюмінієм у суміші (90 % СаО+10 % Аl) і окисним (кисень) газом-носієм, отримані розрахунком для умов обробки чавуну на установці десульфурації киснево-конвертерного цеху ВАТ ДМКД. У випадку обробки переробного чавуну (1,0 % Si, 0,15 % Mn, 0,060 % S) з одержанням у кінцевому розплаві 0,2 % Si і 0,010 % S вдування порошкоподібної суміші у кількості 28,24 кг/т чавуну повинне здійснюватися в потоці кисню в кільцевій захисній оболонці природного газу з максимальною витратою 12,3 і 1,23 м3/т чавуну, відповідно.

Відпрацювання технології одночасного знекремнювання і десульфурації чавуну в заливальному ковші за принципом створення об’єднаної реакційної зони проводили з використанням установки високотемпературного моделювання (рис. ) з тиглем без перегородки. Вдування в рідкий чавун порошкоподібної суміші (90 % СаО і 10 % Аl) у киснево-паливних струменях здійснювалося через одно- (dс = 4,0 мм), дво- (dс=3,5 мм, ?=450) і трисоплові (dс=3,2 мм, ?=450) заглибні фурми типу ”труба в трубі”.

У повній відповідності з проведеним теоретичним обґрунтуванням встановлено факт одночасного видалення кремнію і сірки з чавуну в процесі обробки. По закінченні продувки (рис. 6) із застосуванням у якості газу-носія кисню в кільцевій оболонці природного газу в розплаві фіксували вміст 0,15–0,36 % Si і 0,005–0,020 % S у залежності від конструкції (число сопел) заглибної фурми. Досягнуті показники ступеня знекремнювання і десульфурації чавуну склали 58,1–82,7 і 64,3–90,1 %, відповідно.

Рис. 6. Хід рафінування чавуну (пл. № 23) при вдуванні суміші (90 % СаО+10 % Al) з інтенсивністю 0,48 кг/т·хв через двосоплову фурму (Q=0,03 м3/хв, Qп.г.=0,0025 м3/хв).

Застосування дво- і трисоплових заглибних фурм дозволило досягти більш низьких витрат порошкоподібної суміші (90 % СаО+10 % Аl) на видалення 0,01 % сірки (2,67-3,0 кг/т) у порівнянні з односопловою (3,69-4,06 кг/т). При цьому, тривалість обробки була скорочена з 24-25 хв до 16-17 хв із забезпеченням більш високих показників рафінування чавуну по кремнію і сірці.

По закінченню обробки чавуну шлак знаходився в рідкотекучому стані, на відміну від варіантів подачі суміші (90 % СаО+10 % Аl) у потоці нейтральних газів (N2,Хімічний склад кінцевого покривного шлаку при вдуванні порошкоподібних десульфураторів у киснево-паливних струменях коливався в таких межах: 43,3–46,8 % СаО; 20,4–28,2 % SiО2; 8,8–12,6 % Аl2О3; 3,6–12,7 % FeО; 6,5–9,9 % МgО і 0,71–1,26 % S.

Що стосується температурного ходу обробки чавуну, то необхідно відзначити, що внаслідок значних теплових втрат у ході рафінування з відключеною індукційною піччю все-таки відбувалося зниження температури розплаву на 5–25 0С. У той же час в умовах подачі суміші (90 %  СаО+10  Аl) у потоці нейтрального газу-носія (Ar) зниження температури склало 45–50 0С, що свідчить на користь значного поліпшення теплового балансу при обробці чавуну з одночасним видаленням кремнію та сірки при вдуванні суміші (90% СаО+10 % Аl) у киснево-паливних струменях.

У п’ятому розділі ”Додаток лабораторних досліджень до практики розробки технології знекремнювання і десульфурації чавуну в заливальному ковші в умовах ВАТ ”Дніпровський металургійний комбінат (ДМКД)” виконаний аналіз передумов роботи доменного цеху ВАТ ДМКД на шлаках зниженої основності та представлена оцінка доцільності застосування позапічного рафінування чавуну в умовах підприємства.

Показано, що для скорочення витрат на одержання переробного чавуну доцільно здійснити переведення доменних печей на роботу зі шлаками зниженої основності (з 1,2-1,3 до 1,0-1,1).

Доцільно для стабілізації умов ведення конвертерної плавки одержаний чавун із вмістом сірки 0,05-0,06 %, при роботі доменної печі на шлаках зі зниженою основністю (1,0-1,1), піддавати комплексній обробці перед заливанням у конвертер з умовою видалення кремнію до 0,2-0,35і сірки до 0,010 %.

З урахуванням аналізу робіт діючої в ККЦ установки десульфурації чавуну з вдуванням порошкоподібного вапна, а також даних лабораторних випробувань запропонованих варіантів одночасної десульфурації й знекремнювання чавуну, запропоновані технічні рішення по модернізації УДЧ із переведенням на комплексну обробку переробного чавуну в двокамерному і звичайному заливальних ковшах місткістю 200 т з видаленням кремнію до 0,35і сірки до 0,010 % та підвищенням температури чавуну під час рафінування.

Для запропонованих технологічних варіантів попереднього рафінування чавуну в двокамерному і звичайному заливальних ковшах розроблені й обґрунтовані раціональні конструкції:

- дво- і трисоплових фурм типу ”труба в трубі” для знекремнювання і десульфурації чавуну в двокамерному і звичайному заливальних ковшах шляхом вдування киснево-паливних струменів, а також порошкоподібної суміші вапна з алюмінієм у киснево-паливних струменях;

- двосоплової фурми для десульфурації чавуну в двокамерному ковші вдуванням порошкоподібних десульфураторів у струменях нейтрального газу.

Розроблено рекомендації по веденню технологічних процесів одночасного знекремнювання і десульфурації чавуну в двокамерному і звичайному заливальному ковші з видачею орієнтованих витрат киснево-паливного дуття, порошкоподібного вапна і суміші вапна з алюмінієм.

Робочі креслення промислових конструкцій заглибних фурм для знекремнювання і десульфурації чавуну, вставної роздільної перегородки для обладнання двокамерного ковша, технічні рішення по модернізації УДЧ із переведенням на комплексну обробку чавуну передані і прийняті до впровадження ККЦ ВАТ ДМКД.

Виконано розрахунок очікуваного економічного ефекту від впровадження запропонованих заходів щодо виплавки низькосірчастої сталі по технологічному маршруту ”доменна піч – установка знекремнювання і десульфурації чавуну (УЗДЧ) – кисневий конвертер”. Найбільша в загальнозаводському масштабі економія (3,19 грн./т сталі) досягається при роботі доменної печі на шлаках з основністю 1,0-1,1, замість 1,2-1,3, з наступною обробкою одержуваного чавуну, що містить 0,05-0,06сірки і 0,7-0,9кремнію, на установці УЗДЧ із видаленням кремнію до 0,35і сірки до 0,010 % у двокамерному заливальному ковші. Переробка чавуну з низьким вмістом кремнію та сірки в 250-т конвертерах ККЦ ВАТ ДМКД супроводжується економією від 2,98 до 9,11 грн./т сталі за рахунок зниження витрат вапна (на 30-38 кг/т сталі) і скорочення втрат заліза зі шлаком (на 5-9 кг/т сталі).

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ

1. Розроблені й обґрунтовані основні положення методики високотемпературного моделювання комплексної обробки переробного чавуну в двокамерному і звичайному заливальних ковшах з видаленням кремнію і сірки.

2. Високотемпературними лабораторними експериментами на багатоцільовій установці вперше доведена працездатність запропонованого варіанту обробки чавуну в двокамерному заливальному ковші з організацією при продувці розплаву через заглибні фурми киснево-паливними (кисень у кільцевій оболонці природного газу) і газо-порошковими струменями (порошкоподібні магній, суміш вапна з алюмінієм у потоці азоту чи аргону) відособлених реакційних зон з одночасним роздільним видаленням у межах останніх кремнію і сірки без взаємного зіткнення шлако- і газоподібних продуктів реакцій. При початковому вмісті S=0,050-0,060по закінченні обробки концентрація сірки в чавуні складала 0,003-0,010і 0,008-0,015відповідно, при використанні в якості десульфураторів магнію і суміші вапна з алюмінієм.

3. Обробкою даних високотемпературного моделювання і кінофрагментів поводження реакційних зон, утворених при вдуванні в чавун через одно- і багатосоплові заглибні фурми кисневих, киснево-паливних і киснево-вапняних струменів, отримані емпіричні рівняння по визначенню розмірів (діаметр і довжина) первинних і вторинних реакційних зон взаємодії заглибного дуття з розплавом і діаметру загальної барботажної реакційної зони на поверхні ванни. Отримані рівняння придатні для обґрунтування конструктивних параметрів заглибних багатосоплових киснево-паливних фурм, використовуємих для ковшового знекремнювання і десульфурації чавуну, та встановлення раціональної глибини занурення фурми в розплав.

4. Стосовно до запропонованого способу комплексної обробки чавуну в двокамерному заливальному ковші з одночасним видаленням кремнію і сірки шляхом холодного та гарячого моделювання вперше досліджені гідрогазодинамічні особливості поводження розплаву при одно- і двосторонній продувці зі встановленням характеру та швидкості замкнутих циркуляційних потоків в об’ємі ванни, часу повного усереднення складу останньої. Двостороння продувка, яка забезпечує одночасне знекремнювання і десульфурацію чавуну в двокамерному ковші, характеризується найбільш інтенсивним перемішуванням розплаву (уср.=3,95 хв при тривалості обробки 22-25 хв).

5.  Виконано теоретичне обґрунтування і зроблена розробка фізико-хімічної моделі рафінування чавуну в заливальному ковші з одночасним видаленням кремнію і сірки за схемою організації роздільних і сполученої реакційних зон знекремнювання і десульфурації розплаву. Обґрунтовано співвідношення витрат кисню, що вдувається, і порошкоподібної суміші вапна з алюмінієм для забезпечення оптимального режиму процесу одночасного видалення кремнію і сірки при продувці чавуну.

6. В лабораторних умовах відпрацьовані оптимальні конструкції заглибних дво- і трисоплових фурм, що забезпечують розосереджене вдування в розплав киснево-паливних струменів (кисень з інтенсивністю 0,3-0,7 м3/тхв у кільцевій оболонці природного газу), що несуть у зваженому стані порошкоподібну суміш (90 СаО – 10 Аl) з витратою 1,05-3,0 кг/тхв. Встановлено оптимальний технологічний режим процесу одночасного знекремнювання і десульфурації чавуну. По закінченні 16-18 хв обробки