Національна Металургійна академія України

удк 669.18.04:669.89

СемірягІн Сергій Володимирович

Розробка технології десульфурації чавуну алюмотермічним

відновленням магнезиту в глибині металевого розплаву

Спеціальність 05.16.02 – Металургія чорних металів

Автореферат

дисертації на здобуття вченого ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2005

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Донбаському державному технічному університеті (ДонДТУ)

Міністерство освіти і науки України, м. Алчевськ

Науковий керівник: | Куберський Сергій Володимирович, кандидат технічних наук, доцент, Донбаський державний технічний університет, завідуючий кафедри металургії чорних металів

Офіційні опоненти: | Чернятевич Анатолій Григорович, доктор технічних наук, професор, Дніпродзержинський державний технічний університет, завідуючий кафедри рудно-відновних процесів

Нізяєв Костянтин Георгійович, кандидат технічних наук, доцент, Національна металургійна академія України, доцент кафедри металургії сталі

Провідна організація: | Приазовський державний технічний університет

Захист відбудеться 15.03. 2005 р. о 14-30 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 Національної металургійної академії України за адресою: 49600, р. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомиться в бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, р. Дніпропетровськ, пр-т. Гагаріна, 4.

Автореферат розісланий 14.02.2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради

доктор технічних наук, професор |

Камкіна Л.В.

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Розширення обсягів виробництва металу за допомогою безперервного розливання на Україні, а також підвищення вимог до якості металопрокату на світовому ринку супроводжуються обмеженням вмісту в ньому сірки. Позадоменна десульфурація чавуну є обов'язковим елементом технології виробництва сталі з низьким вмістом сірки.

В даний час кращим десульфуратором чавуну визнаний магній. Високі рафінуючі і модифікуючі властивості магнію спонукають металургійну науку знаходитися у постійному пошуку ефективної технології обробки ним залізо – вуглецевих розплавів. Одним з найперспективніших напрямів магнієвої обробки є технологія дугового відновлення його в об'ємі рідкого розплаву. Висока ефективність даного способу обробки досягається використанням доступної і відносно недорогої сировини, порівняно з вживанням чистого магнію, дроту, гранул, лігатур, тощо.

Незважаючи на високі техніко-економічні показники даної технології, актуальним є розвиток її основних теоретичних положень, удосконалення конструкції і складу дугових відновлювальних блоків, а також розробка технології виготовлення витратних виробів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконана в рамках держбюджетних науково-дослідних робіт Донбаського державного технічного університету "Теоретичні основи відновлення лужноземельних металів з суміші їх оксидів при позапічній обробці залізо – вуглецевих розплавів в умовах плазми дугового розряду" № ГР 0100U001270, "Розробка теоретичних і технологічних основ обробки рідких розплавів активними елементами з використанням сильних електромагнітних впливів" № ГР 0101U003569.

Мета і задачі дослідження. Розробка ефективного способу позапічної десульфурації чавуну магнієм. Розвиток основних теоретичних положень рафінування чавуну магнієм, відновленим в зоні дугового розряду під шаром рідкого металу, визначення фізико-хімічних умов отримання активної пари магнію в об'ємі розплаву, удосконалення конструкції і розробка технології виготовлення витратних виробів для рафінування (відновних блоків), визначення властивостей і складу матеріалів, які використовуються для виготовлення їх окремих елементів.

Для реалізації процесу рафінування чавуну магнієм, відновленим в зоні дугового розряду під шаром рідкого металу, необхідне проведення теоретичних і лабораторних досліджень. Теоретичні дослідження дозволяють обґрунтувати схему отримання активного реагенту, визначити умови необхідні для проведення процесу відновлення магнію і десульфурації ним чавуну. Лабораторні дослідження повинні підтвердити висновки і припущення теоретичних досліджень, а також обґрунтованість вибору матеріалів які використовуються, визначити параметри необхідні для розробки технології виготовлення витратних елементів, і рафінування чавуну. Для досягнення вказаної мети в роботі поставлені наступні задачі:

1. Вибрати спосіб відновлення магнію в зоні дугового розряду під шаром рідкого металу, що підлягає подальшій розробці і реалізації (вибір оптимального відновника для отримання магнію з його оксиду, фізико-хімічний аналіз умов відновлення).

2. Розробити конструкцію і визначити склад струмопровідного електроду і дугового вузла (визначення вимог до частини електроду, що підводить струм, вибір матеріалів які використовуються для виготовлення електродів).

3. Розробити конструкцію і визначити склад дугових відновлювальних блоків (аналіз умов роботи дугового блоку, визначення основних конструкційних складових і технологічних параметрів блоку, обґрунтовування і вибір матеріалів які використовуються для виготовлення блоків).

4. Розробити основні елементи технології виготовлення дугового блоку (підготовка матеріалів, розробка оснащення для виготовлення витратних виробів, відпрацювання прийомів виготовлення, визначення режимів термообробки).

5. Дослідити роботу витратних виробів і визначити основні технологічні режими обробки чавуну магнієм, відновленим в зоні дугового розряду під шаром рідкого металу (визначення схеми підключення блоку, оптимальних електричних та теплового режиму роботи блоку).

6. Розробити технологію виготовлення витратних виробів, і десульфурації чавуну, пароподібним магнієм, відновленим в зоні дугового розряду під шаром рідкого металу.

Об'єкт дослідження – технологія десульфурації чавуну.

Предметом дослідження є магнієва обробка чавуну з використанням алюмотермічного відновлення магнезиту в глибині металевого розплаву.

Основні методи дослідження – фізичне і математичне моделювання теплообмінних і фізико-хімічних процесів, лабораторні і промислові експерименти, статистична обробка даних, отриманих за результатами експериментів.

Наукова новизна одержаних результатів. Отримала подальший розвиток теорія та технологія десульфурації чавуну парою магнію, відновленого у зоні дугового розряду під шаром рідкого металу.

Розкрито механізм високої ефективності використання алюмінію, як відновника магнію при десульфурації чавуну у глибині металевого розплаву, що обумовлено термодинамічними перевагами алюмінію у порівнянні з традиційними відновниками.

Уперше теоретично обґрунтована доцільність використання глинозему у складі струмопідводячого електроду, який відіграє роль окислювача та дозволяє синхронізувати швидкості витрачання основних елементів відновлювальних блоків.

Доведена і встановлена залежність між швидкістю витрачання графітового електроду, витратами електричної енергії та вмістом у складі електроду оксиду алюмінію, який приймає участь в окислені вуглецю.

Уперше отримана залежність об’єму пари магнію, яка витрачається на десульфурацію повністю за час спливання її з заданої глибини, від початкової об’ємної концентрації сірки, яка дозволяє визначити необхідну інтенсивність виділення пари магнію в реакційній зоні дугового відновлювального блоку.

Науково обґрунтовано вплив на склад та конструкцію відновлювальних блоків початкової та кінцевої концентрації сірки, електричних параметрів обробки, об’єму металу, який обробляється, та рівня занурення реакційної зони.

Практичне значення одержаних результатів. Встановлено, що використання нових способу десульфурації, конструкції та складу відновлювальних блоків у порівнянні з відомими дозволяють вести процес за умов меншого перегріву розплаву, синхронно витрачати елементи дугового блоку, використовувати газодинамічний тиск дуги, виключити вторинне окислювання відновленого магнію утвореними продуктами реакції.

Введення у склад електродів 10-13% глинозему збільшує швидкість їх витрачання. Встановлено оптимальний склад електродів та рудно-відновлювальної частини дугових блоків, який забезпечує максимальний вихід пари активного реагенту.

Показано, що зв’язуючі матеріали дугового блоку можуть відігравати роль побічного відновника, який сприяє зменшенню витрати коштовного алюмінію.

Розроблені практичні рекомендації щодо вибору схем виготовлення дугових відновлювальних блоків у промислових умовах; основні технологічні прийоми виготовлення дугових відновлювальних блоків та вимоги до підготовки матеріалів; розроблена методика розрахунку основних конструктивних параметрів дугового відновлювального блоку. Випробувані технологічні режими роботи дугових відновлювальних блоків.

При обробці чавуну за методом, який розроблено у тигельній індукційній печі та ковшах ємністю 0,16т забезпечена висока (76-94%) ступінь десульфурації.

Розроблено алгоритм та програму проектування технології для обробки чавуну в ємності довільного вмісту.

Реалізація результатів роботи здійснена шляхом впровадження на ТОВ НВЦ “Луганськметалл” технології десульфурації чавуну пароподібним магнієм, відновленим в зоні дугового розряду під шаром рідкого металу.

Загальний економічний ефект від впровадження технології при обробці 2,4 т чавуну склав 1008 грн. за рахунок економії десульфураторов і збільшення ціни реалізації продукції.

Результати роботи використовуються при навчанні студентів Донбаського державного технічного університету за спеціальністю „Металургія чорних металів”.

Особистий внесок здобувача. Дисертація є самостійною роботою автора, яка базується на опублікованих результатах досліджень.

Здобувачем запропонований алюмотермічний спосіб відновлення магнію з магнезиту і показані його переваги при рафінуванні чавуну [1, 2, 9]. Визначені витрати енергії на алюмотермічний процес дугового глибинного відновлення [2, 10]. Проаналізовані фізико-хімічні умови алюмотермії магнію. Створена математична модель процесу десульфурації [6, 11, 12]. Для синхронізації процесів витрачання окремих елементів дугових блоків досліджена доцільність введення в електрод баластної добавки глинозему [3, 8]. Запропонована конструкція і склад дугових блоків, а також розроблені рекомендації щодо їх промислового виготовлення [3-5, 7, 8]. Розроблений алгоритм і програма проектування технології десульфурації чавуну [10].

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на VI конгресі сталеплавильників, м. Череповец, 2000 г.; міжнародній науково – технічній конференції присвяченій 90- тій річниці з дня народження В.І.Явойського, Київ - Дніпродзержинськ, 2000 р.; міжнародній конференції "Екологія і безпека життєдіяльності - 2004", м. Гурзуф, Крим, 21-27 серпня 2004 р.

Публікації. Результати досліджень, які представлені в дисертації, опубліковані в пяти наукових статтях видань, що входять в перелік ВАК України, працях трьох міжнародних конференцій, одержано три патенти України.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з введення, шести розділів і висновків, загальний обсяг роботи складає 163 сторінки, включає 30 малюнків і 24 таблиці, список використаних джерел з 146 найменувань вітчизняних і зарубіжних авторів на 14 сторінках, 7 додатків на 35 сторінках.

Основний зміст роботи

У введенні приведена загальна характеристика роботи, обґрунтована її актуальність, сформульовані цілі і задачі досліджень, розкриті наукова новизна і практична значущість одержаних результатів.

В першому розділі розглянуті технологічні схеми десульфурації залізо – вуглецевих розплавів лужноземельними металами.

Аналіз досягнень в області десульфурації чавуну ЛЗМ дозволяє зробити висновок, що для рафінування розплаву найраціональнішим є вживання магнієвої обробки, яка в порівнянні з іншими схемами має істотні переваги. Особливо велике значення використання магнію для обробки чавуну. Магній для чавуну відмінний і модифікатор і десульфуратор.

Не дивлячись на різноманіття технологій рафінування чавуну і сталі (обробка зливковим магнієм, гранулами, порошковим дротом, різними сумішами, тощо), всі вони мають багато принципових недоліків, обумовлених нестабільним ступенем використання десульфуратора і великою його витратою, відносно високою вартістю матеріалів, до складу яких входять магній та кальцій і собівартістю процесу видалення сірки, складністю устаткування, що використовується, значними втратами температури в процесі обробки, відсутністю надійного регулювання процесу десульфурації і кількості пари ЛЗМ, що утворюється.

Встановлено, що одним з найперспективніших способів рафінування чавуну від сірки є вживання процесу відновлення ЛЗМ під шаром металевого розплаву в зоні дугового розряду (ДГВ), який будучи відносно новим також далекий від досконалості і вимагає більш глибокого вивчення і дослідження.

В другому розділі вибрані основні методики і методи дослідження. Основними методами реалізації поставлених задач є теоретичні і лабораторні дослідження.

Для проведення теоретичних досліджень дугового глибинного відновлення використовувалися методи математичного і фізико-хімічного моделювання, які включають аналіз основних термодинамічних величин та кінетичних умов процесу.

Для математичного опису процесу взаємодії пари активного реагенту визначався критерій Рейнольдса, використовувався принцип Даламбера, а також методики оцінки зміни маси в часі описом через диференціальне рівняння.

При лабораторному дослідженні процесу ДГВ, проводилося відпрацювання основних прийомів виготовлення елементів технології, а також її апаратурного оформлення. Для цього було проведено спалювання блоків без занурення і із зануренням в розплав.

При розробці конструкції електроду застосовувалася методика проведення двох факторного експерименту для визначення залежності швидкості витрачання електроду від складу електроду і витраченої електроенергії.

Для визначення теплофізичних властивостей, проводилося термовимірювання дугового блоку в двох точках (біля електроду і зовні). Теплофізичні властивості матеріалів блоку визначалися по тривалості інерційного періоду прогрівання між двома точками згідно з критерієм Фурє.

Теплоємність матеріалу блоку розраховувалася за правилом адитивності його складових (умовна теплоємність), беручи до уваги фазові і хімічні перетворення.

Для визначення необхідного теплового потоку застосовувалася методика квазістаціонарного рішення задачі теплопоглинання з фазовими перетвореннями по типу хвиль, що рівномірно розповсюджуються, в якій для заданого рівномірного закону руху межі розділу фаз визначається температурне поле.

Для проведення лабораторних досліджень застосовувалося спеціально – розроблене і виготовлене устаткування.

Третій розділ присвячений теоретичним дослідженням процесу отримання активної пари магнію в глибині металевого розплаву, з метою видалення сірки з чавуну.

Сутністю процесу, що розробляється, є обробка розплаву парами магнію, одержаними з магнезиту в зоні дугового розряду. Висока температура дуги дозволяє здійснювати його відновлення. Причому дуговий розряд виникає усередині каверни, що утворюється в результаті витрачання формованого (суміш магнезиту і відновника) відновлювального блоку. Основна задача відновлювального блоку – дати максимально можливу кількість газоподібного реагенту у вигляді пари магнію.

Відновниками магнію можуть бути кремній, вуглець, алюміній, цирконій і церій. З погляду доступності і ціни найбільш доцільно, як відновники використовувати кремній, вуглець і алюміній.

Силікотермічний і карботермічний процеси мають більш високу температуру початку реакції відновлення оксиду магнію, порівняно з алюмотермічним. Крім того, при алюмотермічному варіанті є вірогідність отримання найбільшого виходу корисної пари магнію, оскільки продукти реакції знаходяться в різних фазових станах.

Термодинамічний аналіз умов алюмотермії дозволив визначити температуру початку реакції відновлення на рівні 1790 К, котра збільшується на 100 градусів при заглибленні реакційної зони на 1 м.

По температурі початку реакції відновлення були визначені витрати тепла, необхідні для реакції відновлення. Вони склали 173 кДж/моль, або 2 кВт•ч/кг реакційної суміші.

Для аналізу впливу тиску на кінетику реакції відновлення (надходження пари магнію в розплав) проаналізована умова, при якій дотримується нерівність

(1)

Для визначення тиску насиченої пари магнію залежно від температури Бауером і Брюнером запропонована формула

(2)

Розрахунки згідно рівняння 2 показують, що при температурах вище 1873 К тиск насиченої пари магнію більше 2 МПа, що є достатньою умовою для виконання нерівності 1. Вплив температури в реакційній зоні (в зоні дугового розряду) на тиск і об'єм більш значний, ніж вплив глибини (обмеженої габаритами ковша).

Математичний опис процесу обробки розплаву за розроблюваною технологією дугового глибинного відновлення містить розрахунки, що описують і характеризують потік (Re ? 3000), умови перемішування і перенесення, і зводиться до визначення об'єму пари магнію, що витрачається на десульфурацію повністю за час спливання при заданій концентрації сірки в об'ємі оброблюваного металу (вираз 3).

(3)

В четвертому розділі розглянуто питання розробки витратного виробу, центрального елемента технології – дугового блоку (ДБ) або відновного блоку.

Для розробки був прийнятий варіант блоку ДГВ з підключенням одного з полюсів на електрод блоку, а інший безпосередньо на метал. Цей варіант дає більше можливостей для варіювання довжиною дуги і, що не менш важливе, спрощує виготовлення оснащення.

Електрод, розташований в центрі (по осі) дугового блоку, повинен бути достатньо електропровідним в частині де підводиться струм, щоб не розплавитися від омічного розігрівання, а також повинен бути достатньо жаростійким в зоні дугового розряду.

Для вирівнювання швидкостей витрачання рудної частини блоку і частини, яка проводить струм, був вивчений вплив на цей процес добавки, що відіграє роль окислювача в реакції хімічного витрачання графіту електроду. В якості такої добавки був вибраний глинозем, що вводиться до складу суміші електроду в кількості 5 – 15% по масі. В процесі горіння такого електроду можливе протікання реакцій:

Таблиця 1 | Для підбору оптимального скла-ду і конструкції електроду було прове-дено експерименти, за результатами яких одержані залежності швидкості витрачання електроду від вмісту добавки і витрат електрики на горіння дуги (табл. 1, рис. 1).

Залежність витрати електроду від вмісту глинозему і витрат електрики

Вміст глинозему % | Залежність витрати елекро-дів від витрат електрики ()Коефіцієнт кореляції

0 | у = 2,0442 + 0,00003?x | 0,93

5 | у = - 1,682 + 0,00020?x | 0,82

10 | у = 0,8714 + 0,00021?x | 0,90

15 | у = - 1,638 + 0,00026?x | 0,91

Витрати електрики розраховувалися як добуток сили струму на інтервал часу, за який відбувалося горіння (витрачання електроду) на даному струмі. Максимальна швидкість витрачання електроду (в досліджуваних інтервалах витрат електрики) досягається при вмісті глинозему в електроді в межах 12-13%.

Одним з негативних моментів введення оксидів алюмінію до складу графітового електроду було збільшення його електричного опору, що може зменшувати величину потужності, яка віддається дугою. За результатами досліджень електроопору була одержана залежність його від кількості присадки, яка має вигляд ; ().

Основною відправною точкою при розробці конструкції блоку приймалася умова, що рудна частина блоку повинна витрачатися повністю. Також розроблялося питання армування рудної частини. Конструкція одноелектродного дугового блоку, розрахованого на ДГВ магнію з метою десульфурації чавуну у тиглі 60-кілограмової індукційної печі, показана на рис. 2 і включає залізну трубку – 1 діаметром мм, електроізоляцію електроду – 2, вуглецеву серцевину електроду – 3, робочу рудно-відновну суміш – 4, інертну оболонку блоку – 5, “пускову” порожнину – 6.

Було розроблено і виготовлено оснащення, а також розроблена технологія виготовлення електроду, який проводить струм і відновлювального дугового блоку.

П'ятий розділ присвячений лабораторним дослідженням технології десульфурації чавуну алюмотермічним від новленням магнезиту в глибині металевого розплаву. В ході лабораторних досліджень розроблялося апаратурне оформлення і основні вузли устаткування, яке використовується в технологічній схемі, випробовувалися технологічні параметри дугових блоків без занурення і із зануренням в металевий розплав. На етапі моделювання процесу без занурення в металевий розплав, уточнювали схему підключення, швидкість і характер витрачання конструктивних елементів блоку, працездатність устаткування, яке використовувалося. Проміжок часу горіння відновлювальних блоків змінювався в межах 9-17 хвилин. За результатами спалювання був вибраний робочий режим горіння – струм 250 А. В цьому режимі досягається рівномірна витрата рудної частини і електроду. Між витратами суміші і електроенергії, встановлена залежність , з коефіцієнтом кореляції r=0,82 (рис. 3).

Крім того, були виконані дослідження теплофізичних властивостей матеріалу дугового блоку, а саме температуропроводності, теплоємності, густини і теплопровідності.

В результаті трьох спалювань блоків на стенді (при близьких значеннях електричних параметрів), по середніх значеннях трьох вимірювань була одержана термограмма (рис. 4), обробка якої дозволила визначити усереднені теплофізичні властивості дугового блоку.

Поверхня каверни, в якій горіла електрична дуга, була близькою до напівсфери. Розрахунок коефіцієнта температуропроводності виконувався для сфери з центром в точці 0. Критерій Фурье (тривалість "початкового періоду" прогрівання сфери в безрозмірній формі) для сфери складає Foпоч = 0,1.

Теплоємність матеріалу блокурозраховували за правилом адитивності його складових, причому брали до уваги, що ці складові зазнають фазові і хімічні перетворення.

Основні теплофізичні властивості дугового блоку визначені в ході експериментів склали: а = 0,0095 м2/год; с = 2,77 кДж/(кг град); = 15,6 Вт/(м•К).

Для проведення експериментів на розплаві застосовувався ливарний чавун із вмістом [C]=3,35%; [Si]=2,03%; [Mn]=0,8%; [S]=0,064%; [P]=0,1%. Як флюс використовували кріоліт в кількості 0,05-0,2 %. По розплавленню шихти максимально видаляли шлак, чавун перегрівали до 1400 0С, відбирали пробу і приступали до обробки. Обробку проводили в тиглі 60 кг кислої індукційної печі.

Швидкість подачі блоку в тигель і глибина занурення в метал регулювалася вручну і визначалася максимальним значенням сили струму на джерелі живлення, який спостерігали на амперметрі (по можливості підтримувався режим 150-250 А). Максимальна глибина занурення відповідала довжині рудної частини блоку і складала 150 мм. Після обробки, залишок блоку витягувався для подальшого дослідження (візуальне дослідження, зважування). Для аналізів після обробки відбирали пробу чавуну і шлаку.

Залишок блоку, витягнутий з розплаву після закінчення обробки, уявляв собою оболонку 5 (рис. 2), покриту на зовнішній поверхні тонким шаром затверділого шлаку.

В результаті експериментів рудна частина витрачалася в межах 97-120 г; витрати електроенергії склали 0,73-0,95 кВт год; вміст сірки знижувався з 0,064-0,070% до 0,005-0,01%; ступінь десульфурації знаходилася в межах 85-94%; ступінь використання магнію на десульфурацію 62-77%. На підставі одержаних даних була встановлена залежність ступеня десульфурації і витрати суміші від витрат електроенергії, представлені на рис. 5, 6, а хімічний склад шлаків після обробки,

Таблиця 2 | наведений в табл. 2.

За даними рис. 6 можна зробити висновок, що при збільшенні витрати суміші більше 105 г на 60 кг чавуну зростання ступеня десульфурації сповільнюється, що можна пояснити зниженням концентрації сірки в розплаві і розчиненням магнію.

Хімічний склад шлаків після обробки чавуну СЧ20 %

№ плавки | Al2O3 | MgO+MgS | CaO | SiO2 | інші

1 | 45,60 | 30,20 | 4,71 | 13,74 | 5,75

2 | 43,10 | 31,12 | 4,85 | 16,88 | 4,05

3 | 45,90 | 29,70 | 4,58 | 14,56 | 5,26

4 | 44,60 | 30,50 | 4,86 | 15,65 | 4,39

5 | 41,25 | 30,44 | 4,65 | 15,58 | 8,08

6 | 42,34 | 28,60 | 4,86 | 16,49 | 7,71

7 | 45,80 | 31,12 | 4,53 | 12,83 | 5,72

Для підтвердження ефекту десульфурації був проведений металографічний аналіз проб. В результаті аналізу мікрошліфів було встановлено, що форма включень графіту - куляста неправильна ШГф – 4, діаметр включень графіту (МКМ) - ШГд 40 – 90, розподіл включень графіту - рівномірний ШГр – 1, кількість включень графіту (%) - ШГ12, дисперсність перлиту ПД1,6, вміст фериту і перлиту в структурі чавуну (%) П - 85; Ф – 15 ГОСТ 3443-87.

Ефект отримання кулястого графіту може бути тільки у разі глибокої десульфурації чавуну і отриманні залишкового вмісту магнію в металі в межах 0,02 – 0,04 %, тому результати аналізу мікрошліфа є непрямим підтвердженням одержаного видалення сірки.

Для оцінки витрат матеріалів дугового блоку при реалізації алюмотермічного дугового глибинного відновлення магнію при рафінуванні чавуну розраховано матеріальний баланс, беручи до уваги в якості початкових даних, дані табл. 3.

При розрахунку матеріального балансу приймалося наступне:

1. Весь алюміній, що міститься в робочій суміші витрачався на відновлення магнію.

2. В результаті реакції відновлення утворюється Al2O3.

3. Весь Al2O3, що міститься в графітній частині електроду відновлюється вуглецем до алюмінію, беручи участь надалі в реакціях відновлення.

4. Вихід пари магнію визначався по кількості відновника.

5. Залізо металевої трубки при плавленні переходило в метал.

6. З'єднання CaO, SiO2 та інші, які містяться в матеріалах блоку, переходять в шлак.

Таблиця 3

Баланс матеріалів блоку до і після обробки

Найменування матеріалів дугового блоку | Початковий блок | Залишок | Витрачено

кг | % | кг | % | кг | % | 1. Рудно - відновлювальна суміш, у тому числі: | 0,230 | 40,64 | 0,122 | 21,55 | 0,108 | 19,08

Магнезит | 0,156 | 27,63 | 0,083 | 14,66 | 0,073 | 12,98

Алюмінієвий порошок | 0,051 | 8,94 | 0,027 | 4,74 | 0,024 | 4,20

Пекова зв'язка | 0,023 | 4,06 | 0,012 | 2,16 | 0,011 | 1,91

2. Електрод, у тому числі: | 0,186 | 32,86 | 0,081 | 14,22 | 0,106 | 18,64

Залізна трубка | 0,136 | 24,03 | 0,041 | 7,24 | 0,095 | 16,78

Графітний електрод | 0,050 | 8,83 | 0,040 | 6,98 | 0,011 | 1,86

3. Шамотна оболонка | 0,150 | 26,50 | 0,120 | 21,20 | 0,030 | 5,30

разом | 0,566 | 100,00 | 0,323 | 56,98 | 0,244 | 43,02

При подальшому аналізі, порівнювався розрахунковий хімічний склад шлаку (табл. 4) з складом, який отримано після обробки (табл. 2).

Таблиця 4

Розрахунковий хімічний склад шлаку |

(MgO+MgS) | (Al2O3) | (SiO2) | (CaO) | інші | Всього:

кг | 0,066 | 0,062 | 0,017 | 0,005 | 0,005 | 0,155

% | 42,67 | 40,29 | 10,85 | 3,22 | 2,96 | 100,0 | Проведення лабораторного моделювання підтвердило можливість відновлення лужноземельних металів з суміші їх оксидів з відновником в зоні дугового розряду, а також глибокого рафінування металу від сірки.

Випробування процесу ДГВ одноелектродними дуговими блоками в лабораторних умовах дозволили зробити висновок про те, що випробувана технологія може бути рекомендована для напівпромислового і промислового випробування.

На підставі виконаних досліджень та проведених розрахунків була запропонована схема процесів, які відбуваються в реакційній зоні відновлювального блоку при обробці чавуну магнієм методом алюмотермічного відновлення магнезиту в глибині металевого розплаву (рис.7)

Тепло Q, яке виділяється на електричній дузі, обігріває поверхню реакційної зони до температури початку реакції відновлення магнію. На поверхні каверни відбувається реакція алюмотермічного відновлення магнезиту з утворенням плівки шлаку, яка вміщає Al2O3 та пари магнію. Пара магнію дифундує крізь шлакову плівку, та утворює надлишковий тиск P в реакційній зоні. Попадаючи в розплав, магній існує як в газоподібному вигляді (пухирі пари магнію), такі у вигляді розчиненого в розплаві магнію. Реакція утворення сульфіду магнію відбувається на поверхні пухирів, за рахунок поверхневої активності сірки, а також в об’ємі металевого розплаву між розчиненими магнієм і сіркою.

Шостий розділ присвячений розробці технології десульфурації чавуну магнієм, відновленим в глибині металевого розплаву.

На підставі виконаних досліджень розроблений алгоритм проектування технології обробки в агрегатах довільної місткості, що включає введення початкових даних, програму розрахунку, підпрограму для програми розрахунку, розрахунок техніко-економічних параметрів. Даний алгоритм має на меті розробку САПР виробництва відливок з високоміцного чавуну без вживання товарного магнію.

На підставі запропонованого алгоритму розроблена програма розрахунку основних параметрів технології обробки по методу ДГВ.

За результатами проведених лабораторних досліджень і із застосуванням методики розрахунку геометричних розмірів відновного блоку була розроблена і випробувана технологія обробки чавуну магнієм, відновленим в зоні заглибленого дугового розряду для умов заводу ТОВ НВЦ “Луганськметалл”. Дане підприємство спеціалізується на переплаві вторинної сировини металургійного виробництва (скрап, донні залишки чавуновозних ковшів, чавунний лом). Основні плавильні агрегати – коксівні вагранки. Вторинна сировина, що застосовується, зашлакована до 30 %. Вміст сірки по розплаву коливається від 0,08 до 0,15%. Обробка проводилася в ковшах місткістю 160 кг.

Характер обробки протягом всієї серії можна охарактеризувати як спокійний, без виплесків і сильного газовиділення. Наявність дугового розряду реєструвалася показниками амперметра і вольтметра. Відбір проб проводився з ковша перед обробкою і відразу після обробки.

В результаті обробки 15-ти ковшів вміст сірки знижувався з 0,110-0,083% до 0,005-0,024%, ступінь десульфурації склала 76-94%, витрати електроенергії 2,11-2,4 кВт-год/160 кг чавуну, витрата відновлювальної суміші 1,88-2,54 кг/т чавуну, засвоєння магнію на десульфурацію і розчинення 77-93%.

За результатами обробки була отримана залежність ступеня десульфурації від часу обробки (рис. 8)

ступеня десульфурації від питомої витрати суміші відновлювального блоку (рис. 9), ступеня використання магнію від часу обробки (рис. 10).

Освоєння технології ДГВ магнію в чавун в промисловому масштабі економічно привабливе і технологічно більш доцільне, ніж існуючі способи обробки чавуну магнієм.

В табл. 5 наведено порівняння експлуатаційних витрат для різних способів обробки за умов досягнення ступеня десульфурації на рівні 70%.

Таблиця 5

Порівняння експлуатаційних витрат для різних способів обробки чавуну

Порівняльні показники | Спосіб обробки

Гранульований

Mg | Порошковий дріт з MgГлибинне відновлення MgВитрати матеріалу, кг/т | 0,58 | 6,00 | 1,39 | Витрати магнію, кг/т | 0,58 | 0,58 | 0,49 | Вартість матеріалу, грн/т | 9,84 | 34,98 | 3,14 | Енергоносії та електроенергія, грн/т | 0,38 | 0,27 | 1,55 | Заробітна плата, податки та відрахування, грн/т | 0,32 | 0,27 | 0,30 | Витрати на утримання основних фондів та амортизаціяи, грн/т | 0,71 | 0,42 | 0,30 | Додаткові втрати чавуну з ковшовим шлаком, грн/т | 0,29 | 0,72 | 0,69 | Вартість фурм та виготовлення відновлювальних блоків, грн/т | 0,13 | 0,00 | 2,99* | Всього витрат, грн/т | 11,67 | 36,66 | 8,97 | Питомі капітальні витрати, грн/т | 15,90 | 7,95 | 6,00 |

* - прийнято 50% від загальних витрат на обробку. Вартість гранульованого магнію прий-нята 3200 $usd/т, а порошкової проволоки 1100$usd/т.

Для успішного впровадження ДГВ магнію в чавун повинна бути створена база по виготовленню витратних виробів, яка включає технологію і спеціалізоване устаткування.

загальні висновки

1. Аналіз існуючих технологічних схем видалення сірки з чавуну показав, що найефективнішим десульфуратором є магній. Одним з найбільш перспективних способів десульфурації чавуну є використання процесу відновлення магнезиту під шаром металевого розплаву в умовах низькотемпературної плазми дугового розряду.

2. Аналіз фізико-хімічних умов процесу відновлення магнезиту в глибині металевого розплаву показав ефективність вживання алюмінію як відновника при температурах вище 1761 К і загальному тиску в системі 1 атм. Збільшення тиску в системі при заглибленні підвищує температуру початку реакції відновлення. Лімітуючою стадією процесу є видалення продуктів із зони реакції.

3. Аналіз гідродинаміки процесу обробки дозволив встановити турбулентний характер руху розплаву (число Рейнольдса складає 103 – 104), що явилося визначаючим при математичному моделюванні процесу обробки і, як результат вперше одержана залежність об'єму витрачаємої на десульфурацію повністю пари магнію від початкової об'ємної концентрації сірки за час спливання її із заданої глибини.

4. Розроблений центральний елемент технології – дуговий відновлювальний блок, що виконує функції підведення в зону реакції відновлення електроенергії і матеріалів. Вперше блок виконаний у вигляді одноелектродного варіанту, що складається з двох основних частин: частина яка підводить струм для організації дугового розряду і рудної частини, що містить у своєму складі оксид і відновник у стехіометричному співвідношенні. В торці блоку формується каверна, яка виконує роль реакційної зони, а також полегшує процес запалення і підтримки дуги в процесі обробки.

5. Експериментально, методом термовимірювання, вперше визначені теплофізичні властивості дугових блоків, що застосовувалися в роботі (температуропроводність (а = 0,0095 м2/год), теплопровідність ( = 15,6 Вт/(м•К)), які надалі використані при теплотехнічних розрахунках, виконаних з метою визначення необхідного питомого теплового потоку на одиницю поверхні реакційної зони.

6. Експериментально підтверджено, що відновлення магнію відбувається на поверхні обігріваємої каверни, де є сприятливі термодинамічні умови і забезпечується безперешкодне видалення продуктів реакції.

7. Експериментально встановлено, що витрачання відновної суміші відбувається шляхом переміщення каверни, яку пропалює дуга, причому поверхня каверни по конфігурації близька до напівсфери з центром в області дуги.

8. Розроблено електрод, призначений для роботи в дуговому блоці, що складається з двох основних частин, які підводять і проводять струм. Для вирівнювання швидкостей витрати рудної частини і електроду (збільшення швидкості витрати електроду) уперше визначений оптимальний вміст глинозему в частині електроду, яка проводить електричний струм.

9. Лабораторні дослідження процесу обробки чавуну показують, що має місце процес відновлення магнію, а також глибоке рафінування чавуну від сірки. Збіжність розрахункового і фактичного хімічного складу шлаку підтверджують адекватність вибраної фізико-хімічної моделі процесу. Встановлена залежність між ступенем десульфурації, використанням магнію, витратою рудної частини відновлювального блоку і електричними параметрами обробки.

10. Запропонований алгоритм проектування технології обробки розплаву чавуну одноелектродним дуговим блоком в ковшах довільного об’єму. Алгоритм включає визначення початкових даних, підпрограми розрахунку умов обробки і програми розрахунку геометричних розмірів дугового блоку і електричних режимів.

11. Розроблена і випробувана на ТОВ НВЦ “Луганськметал” технологія позапічної десульфурації чавуну алюмотермічним відновленням магнію під шаром металевого розплаву. Досягнутий ступінь десульфурації 76-94 %, ступінь використання магнію на десульфурацію і розчинення 77-93%, економічний ефект при обробці 2,4 т ливарного чавуну склав 1008 грн за рахунок економії десульфураторів і збільшення ціни реалізації продукції.

Основні результати дисертації опубліковані в роботах

1. Внепечная обработка железоуглеродистого расплава методом глубинного восстановления ЩЗМ / Эссельбах С.Б., Куберский С.В., Семирягин С.В., и др. // Матер. междунар. науч.техн. конфер. посвящ. 90лет со дня рожд. В.И. Явойского. Производство стали в XXI веке. Прогноз, процессы, технологии, экология. Киев-Днепродзержинск 15-19.05.2000 г. НТУ КПИ. – С.318–321.

2. Особенности гидродинамики металлической ванны процесса дугового глубинного восстановления / Эссельбах С.Б., Куберский С.В., Семирягин С.В., и др. // Труды VI конгрес.сталеплавильщ., Череповец, октябрь 2000 г. АО Черметинформация, 2001. – С.275–276.

3. Пат. 38559А Украина, МКИ С 21 С 7/064. Углеродный электрод / Семирягин С.В., Эссельбах С.Б., Куберский С.В., и др. – №2000074474;Заявл.25.07.00;Опубл.15.05.01;Бюл.№4.–6 с.

4. Пат. 38611А Украина, МКИ С 21 С 7/00. Блок для обработки расплавов / Семирягин С.В., Эссельбах С.Б., Куберский С.В., и др. – №2000084607;Заявл.01.08.00;Опубл.15.05.01;Бюл.№4.–6 с.

5. Пат. 49408А Украина, МКИ С 21 С 7/00. Устройство для обработки расплавов / Куберский С.В., Эссельбах С.Б., Семирягин С.В., и др. – №2001128245; Заявл. 03.12.01; Опубл. 16.09.02; Бюл.№9. – 6 с.

6. Математическая модель взаимодействия парообразного магния с серой при глубинном рафинировании металлического расплава / Семирягин С.В., Дорофеев В.Н., Куберский С.В. и др. // Сборник научных трудов. Вып.14. –Алчевск, ДГМИ, 2001, С.326331.

7. Совершенствование конструкции восстановительных блоков процесса дугового глубинного восстановления / Семирягин С.В., Куберский С.В., Эссельбах С.Б. и др. // Процессы литья. – 2003. – №2.– С.15–17.

8. Совершенствование конструкции и состава рафинировочных блоков процесса дугового глубинного восстановления / Семирягин С.В., Куберский С.В., Эссельбах С.Б. и др. // – Сбор. науч.трудов. Вып. №17 – Алчевск ДГМИ. 2003. – с.283291.

9. Экологические проблемы магниевой обработки чугуна / Семирягин С.В., Дорофеев В.Н., Куберский С.В. и др. // Матер. междунар. конф. “Экология и безопасность жизнедеятельности 2004” (Гурзуф, Крым, август 2004 года): Сб.научн. трудов. Алчевск: ВУО МАНЕБ, ДГМИ, 2004. С.4-10.

10. Технологические особенности десульфурации чугуна магнием, восстановленным в глубине металлического расплава / Семирягин С.В., Дорофеев В.Н., Куберский С.В. и др. // Матер. междунар. конф. “Экология и безопасность жизнедеятельности – 2004” (Гурзуф, Крым, август 2004 года): Сб.научн. трудов. – Алчевск: ВУО МАНЕБ, ДГМИ, 2004. – С.17–25.

11. Физико-химические условия процесса дугового восстановления магния под слоем металлического расплава / Семирягин С.В., Куберский С.В., Дорофеев В.Н., Эссельбах С.Б., Сорочинский Л.А. // – Сбор. науч.трудов. Вып. №18 – Алчевск ДонГТУ. 2004. – с.192 – 203.

12. Влияние глубины погружения реагентов на кинетику магниевой обработки чугуна/ Семирягин С.В., Куберский С.В., Дорофеев В.Н., Эссельбах С.Б. // – Сбор. науч.трудов. Вып. №18 – Алчевск ДонГТУ. 2004. – с.204216.

Анотація

Семірягін С.В. Розробка технології десульфурації чавуну алюмотермічним відновленням магнезиту в глибині металевого розплаву. – Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.16.02 – Металургія чорних металів. – Національна Металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2005.

Робота присвячена розробці ефективної технології позапічної обробки чавуну магнієм, який отримано алюмотермічним відновленням магнезиту в глибині металевого розплаву і забезпечує підвищення якості металопродукції, зниження матеріальних витрат, використання не дефіцитних і доступних матеріалів, отримання задовільних технологічних і екологічних умови роботи.

Розширення об'ємів безперервного розливання на Україні, а також підвищення вимог до якості металопрокату на світовому ринку супроводжуються обмеженням вмісту в ньому сірки. Позадоменна десульфурація чавуну є обов'язковим елементом технології виробництва сталі з низьким вмістом сірки. В даний час кращим десульфуратором чавуну визнаний магній. Не дивлячись на різноманіття технологій рафінування чавуну магнієм всі вони мають цілий ряд принципових недоліків, обумовлених нестабільним ступенем використання десульфуратора і відносно великою його витратою, відносно високою вартістю магнійутримуючих матеріалів і собівартістю процесу видалення сірки, складністю устаткування, що використовується, значними втратами температури в процесі обробки, відсутністю надійного регулювання процесу десульфурації і кількості пари, що утворюється. Одним з найперспективніших напрямів магнієвої обробки є технологія дугового відновлення магнезиту в об'ємі рідкого розплаву. Висока ефективність даного способу обробки досягається використанням доступної і відносно недорогої сировини порівняно з вживанням чистого магнію, дроту, гранул, лігатур, тощо. Проте, цей спосіб будучи відносно новим також далекий від досконалості і вимагає більш глибокого вивчення і дослідження.

В роботі проведені теоретичні і лабораторні дослідження процесу отримання активної пари магнію в глибині металевого розплаву з метою видалення сірки, що дозволило довести ефективність вживання алюмінію як відновника магнію, розробити конструкцію, визначити склад і теплофізичні властивості конструктивних елементів відновлювального блоку, встановити залежність швидкості витрачання його складових від технологічних параметрів обробки. Шляхом математичного моделювання процесу обробки уперше одержана залежність об'єму пари магнію, що витрачається на десульфурацію повністю від початкової об'ємної концентрації сірки за час спливання її із заданої глибини. В результаті теоретичних і експериментальних досліджень розроблені практичні рекомендації по вибору схем виготовлення дугових відновних блоків в промислових умовах, основні технологічні прийоми їх виготовлення і роботи, а також встановлена залежність між ступенем десульфурації, засвоєння магнію, витратою відновної суміші і технологічними параметрами обробки. Розроблена методика розрахунку основних конструктивних елементів дугового відновлювального блоку, алгоритм і програма проектування технології дозволяють визначити необхідні технологічні параметри для обробки чавуну в ковшах довільного об’єму. Економічний ефект, 1008 грн. при обробці 2,4 т чавуну, одержаний за рахунок економії десульфураторів і збільшення вартості його реалізації.

Ключові слова: десульфурація, чавун,