МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

НАЦІОНАЛЬНА МЕТАЛУРГІЙНА АКАДЕМІЯ УКРАЇНИ

Стоянов Олександр Миколайович

УДК669.184.046.581:621.746.3

Розробка та освоєння технології інжекційної обробки

сталі твердими шлакоутворюючими сумішами

05.16.02 - Металургія чорних металів

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дніпропетровськ – 2007

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Національній металургійній академії України

Міністерство освіти і науки України

Науковий керівник: Бойченко Борис Михайлович, доктор технічних наук, професор, Національна металургійна академія України, м. Дніпропетровськ, завідувач кафедрою металургії сталі

Офіційні опоненти: Чернятевич Анатолій Григорович, доктор технічних наук, професор, Дніпродзержинський державний технічний університет, м. Дніпродзержинськ, завідувач кафедрою рудотермічних процесів

Піптюк Віталій Петрович, кандидат технічних наук, старший науковий співробітник відділу фізико-технічних проблем металургії сталі, Інститут чорної металургії ім. З.І.Некрасова НАН України, м. Дніпропетровськ

Провідна установа: Приазовський державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь

Захист дисертації відбудеться “07” травня 2007р. о 1230 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03 при Національній металургійній академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національної металургійної академії України за адресою: 49600, м. Дніпропетровськ, пр. Гагаріна, 4

Автореферат розісланий “02” квітня 2007р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Д 08.084.03

доктор технічних наук, професор Камкіна Л.В.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. Особливістю сучасності є інтенсивний розвиток машинобудування. При цьому умови експлуатації деталей механізмів і машин усе більше ускладнюються в зв'язку з тим, що вони найчастіше піддаються впливу надзвичайно великих знакоперемінних і динамічних навантажень, агресивних середовищ, високих і низьких температур і т.п. Таким чином, підвищення якості сталі, зменшення вмісту в ній шкідливих домішок, зокрема, сірки, підвищення її однорідності і механічних властивостей мають велике практичне значення і в значній мірі визначають темпи технічного прогресу.

Підвищення вимог до механічних і службових властивостей металовиробів, збільшення обсягу розливки сталі на МБЛЗ, обмежені можливості сталеплавильних агрегатів по рафінуванню металу, а також намічена до реалізації тенденція по переносу зі сталеплавильних агрегатів у сталерозливні ковші операцій по рафінуванню сталі, обумовили інтенсивний розвиток технологій позапічної обробки залізовуглецевих розплавів.

Незважаючи на високу ефективність способів обробки металу із застосуванням вакууму і електричних впливів, вони поки не знаходять масового застосування через високу вартість і значні капітальні вкладення. Обробка сталі рідкими синтетичними шлаками пов'язана з більш високою енерго- і матеріаломісткістю процесу, що обмежує її застосування при виробництві металу масового призначення.

У практиці вітчизняного виробництва сталі все більш інтенсивно розробляються й знаходять застосування способи позапічного рафінування в ковші методом інжектування шлакоутворюючих сумішей різного складу.

Однак у цей час, підприємства галузі не можуть в повній мірі ефективно використовувати технології позапічної обробки металу через відсутність чітко сформульованих вимог до технології підготовки порошкових рафінуючих сумішей, конструкцій дуттєвих пристроїв і режимів роботи інжекційних систем.

У зв'язку з цим важливими і актуальними є дослідження, спрямовані на розробку нових технологій отримання сталей з низьким вмістом сірки (0,009-0,007%S) масового сортаменту шляхом позапічного рафінування металу високоефективними порошковими шлакоутворюючими сумішами на основі дешевих і недефіцитних матеріалів.

Зв'язок роботи з науковими програмами планами, темами. Дисертаційна робота виконана в рамках державної програми розвитку гірничо-металургійного комплексу, затвердженої Кабінетом Міністрів України і Міністерством освіти і науки України щодо проведення держбюджетних робіт “Розробка високоефективних рафінуючих реагентів і виробництво принципово нових композиційних матеріалів” (номер держреєстрації 0103U008599), “Розвиток теорії будови металевих і оксидних розплавів і дослідження механізму їх взаємодії з метою одержання високоефективних рафінуючих і виробництво принципово нових сталей і композитних матеріалів” (номер держреєстрації 0103U003214).

Мета й завдання дослідження. Мета роботи полягає в теоретичному обґрунтуванні, лабораторно-промисловій розробці і освоєнні ресурсозберігаючої технології інжекційної обробки сталі твердими шлакоутворюючими сумішами (ТШС).

Для досягнення зазначеної мети в роботі поставлені наступні завдання:

- виконати термодинамічний аналіз процесу взаємодії кускових і порошкоподібних сумішей на основі вапна з сіркою розчиненою в металі;

- визначити методику розрахунку коефіцієнту розподілу сірки між металом і шлаком при комплексній обробці сталі кусковим і порошкоподібним вапном;

- визначити необхідний ступінь диспергування рафінуючої суміші, для забезпечення максимального використання десульфуруючих властивостей реагенту;

- розробити параметри інжекційної обробки сталі в ковші, що забезпечують стабільний хід продувки рідкого металу порошкоподібною ТШС;

- виконати дослідження фізико-хімічних властивостей порошкоподібних десульфуруючих сумішей на основі вапна;

- розробити положення, на основі даних теоретичних і лабораторних досліджень, ресурсозберігаючої технології виробництва і використання при позапічній обробці сталі ТШС.

Об'єкт дослідження - технологія десульфурації сталі порошкоподібними реагентами, у тому числі разом з покривним шлаком.

Предмет дослідження – фізико-хімічні властивості порошкоподібних сумішей на основі вапна, термодинамічні закономірності процесу видалення сірки, газо-гідродинамічні закономірності інжектування порошкоподібних матеріалів у рідкий метал.

Методи дослідження – термодинамічний і кінетичний аналіз процесу десульфурації сталі, хімічний і фізичний аналіз металу, шлаків і шлакоутворюючих сумішей, математичне моделювання процесу десульфурації металу кусковими й порошкоподібними матеріалами при позапічній обробці сталі, статистична обробка даних, лабораторні і промислові експерименти.

Наукова новизна отриманих результатів. Вперше розроблено науково обґрунтована фізико-хімічна модель процесу рафінування металу при комплексній обробці сталі порошкоподібними і кусковими твердими шлакоутворюючими сумішами.

З використанням характеристик рівноваги реакції видалення сірки вперше отримані залежності і дана оцінка ступеня завершеності дифузійних процесів в матеріалі, який інжектується, а також створена методика розрахунку десульфурації сталі, яка враховує сумісну участь в процесах кускової і порошкоподібної ТШС.

Теоретично і на основі високотемпературних експериментальних досліджень підтверджена можливість утворення шлакової краплини в глибинних об’ємах металу при інжекції порошкоподібних ТШС, яка вступає в процес десульфурації.

Розраховані і уточнені основні газодинамічні параметри процесу інжекції порошкоподібних реагентів: щільність газопорошкової суміші, тиск в пневмокамерному насосі і діаметр продувочного пристрою. Ці параметри забезпечують високопродуктивну і надійну роботу пристроїв для вводу порошків при забезпеченні необхідного, з точки зору кінетики процесу десульфурації, часу взаємодії рафінуючих фаз з металом.

Теоретично розкрито і експериментально підтверджено гідрофобізуючий ефект використання відходів хімічних виробництв стосовно до порошкоподібних ТШС на основі металургійного вапна і встановлені основні фізико-хімічні властивості сумішей розробленого складу.

Наукова значимість роботи. Отримані результати аналітичних і експериментальних досліджень процесу десульфурації сталі доповнюють сучасну теорію рафінування залізовуглецевих розплавів і дозволяють прогнозувати залишковий вміст сірки в металі при використанні різних варіантів технології обробки металу. Нові дані про фізико-хімічні властивості ТШС, отриманих на основі вапна, дозволять одержувати принципово нові композиційні матеріали для рафінування сталі.

Практичне значення отриманих результатів. Розроблено технологію отримання порошкоподібних ТШС на основі вапна з застосуванням нових поверхнево-активних речовин, які забезпечують тривале збереження матеріалу без зміни фізико-хімічних властивостей. Розроблена та випробувана в промислових умовах комбінату “Азовсталь” технологія використання при позапічній обробці сталі порошкоподібних рафінуючих ТШС на основі вапна. Розроблена технологія дозволила зменшити витрати ТШС до 6-7кг/т проти 10-12 кг/т при ступені десульфурації металу 50-60%, стабілізувати кінцевий вміст сірки на рівні 0,005-0,010%, що істотно поліпшило механічні і експлуатаційні властивості металу. Розвинені теоретичні і експериментальні основні технологічні положення: по розробці технології одержання порошкоподібних рафінуючих сумішей на основі вапна з використанням нетрадиційних поверхнево-активних речовин; по організації високопродуктивної роботи інжекційних систем при використанні порошкоподібних матеріалів з різними фізико-хімічними властивостями.

Основні положення розробленої технології лягли в основу “ТЛЗ на проектування установки “ківш-піч” для мартенівського цеху ВАТ “Запоріжсталь”

Реалізація роботи. Науково обґрунтовані і розроблені технологічні режими підготовки і використання при позапічній інжекційній обробці металу порошкоподібних і кускових ТШС, які реалізовані УКРДІПРОМЕЗом в розділі: “Спеціалізовані ділянки одержання порошкоподібних і кускових твердих шлакоутворюючих сумішей” ( Основні технічні рішення ДТ 310296).

Методика розрахунку процесів десульфурації металу при комплексній обробці сталі кусковими і порошкоподібними ТШС використовується в навчальному процесі при навчанні студентів спеціальності “Металургія чорних металів”

Особистий внесок здобувача. Дисертація є самостійною роботою автора і базується на опублікованих результатах досліджень. Теоретичні, лабораторні і експериментальні дослідження, що ввійшли в дисертаційну роботу, виконані при особистій участі автора разом зі співробітниками кафедри металургії сталі НМетАУ і кафедри технології в'яжучих матеріалів УДХТУ. Обробка даних досліджень і узагальнення результатів робіт виконані автором самостійно. В списку наукових праць, представлених в авторефераті, автором особисто: проаналізовані існуючі способи позапічної обробки сталі ТШС на металургійних підприємствах України [1,10,12]; виконано аналіз закономірностей рафінування металу, запропоновано балансовий підхід до процесу десульфурації при обробці сталі кусковими і порошкоподібними сумішами [2,7]; розраховані та обґрунтовані основні параметри інжектування порошкових сумішей [3,11]; проведено модельні лабораторні експерименти по вивченню фізико-хімічних і рафінуючих властивостей порошкоподібних реагентів [4,5]; розроблена методика і виконані дослідження отримання плавлених і механічних порошкових сумішей для позапічної обробки сталі [5,6,8,9]. При проведенні промислових досліджень автор був керівником робіт і ініціатором технічних рішень.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися і обговорювалися на YIII, ІХ, X Міжнародних науково-технічних конференціях “Теорія і практика киснево-конвертерних процесів” (м. Дніпропетровськ, 1994, 1998, 2002 р.), третьому Конгресі сталеплавильників (м. Москва, Росія, 1995 р.), міжвідомчій науково-технічній раді з проблем позапічної обробки та безперервної розливки (м. Донецьк, 2005 р.), науково-технічної конференції “Фізико-хімічні проблеми тугоплавких неметалічних і силікатних матеріалів” (м. Дніпропетровськ 2006 р.), 5-6th International symposium of Croatian metallurgical society SHMD2002 (Croatia, Zagreb, 2002), SHMD2004 “Materials and metallurgy” (Croatia, Zagreb, 2004), а також на наукових семінарах кафедри металургії сталі.

Публікації. Основні положення і результати освітлені в 12 роботах, серед яких 6 статей у спеціалізованих наукових журналах, що входять у перелік ВАК України, 6 праці Міжнародних науково-технічних конференцій і конгресів.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів і висновків, загальний обсяг роботи становить 161 сторінок, включає 35 малюнків, 20 таблиць, список використаних літературних джерел з 137 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі наведена загальна характеристика роботи, обґрунтована її актуальність, сформульовані мета та завдання досліджень, розкриті наукова новизна і практична значимість отриманих результатів з їхньою апробацією і публікацією, відзначений особистий внесок здобувача.

В першому розділі “Стан питання та постановка завдань дослідження” наведено аналіз патентної і науково-технічної літератури про сучасні технології виробництва сталей з низьким вмістом сірки методами позапічної обробки, які основані на використанні твердих шлакоутворюючих сумішей (ТШС) і синтетичних шлаків.

Виконано детальний аналіз існуючих методів і способів обробки металу в ковші ТШС. Проаналізовано сучасні уявлення про фізико-хімічні закономірності процесів взаємодії залізовуглецевих розплавів із ТШС і властивості останніх. Розглянуто основні технологічні схеми отримання порошкоподібних рафінуючих сумішей на основі вапна та визначені шляхи вдосконалення інжекційних систем і режимів інжекції реагентів у метал.

Стосовно до умов чорної металургії України визначені пріоритетні напрямки теоретичних і прикладних досліджень по розробці та освоєнню ресурсозберігаючих технологій виробництва високоякісних сталей.

На основі виконаного аналізу встановлено мету и завдання дослідження.

В другому розділі “Теоретичні аспекти інжекційної обробки сталі диспергованими реагентами” виконано аналіз і дана оцінка ступеня завершеності дифузійних процесів при комплексній обробці сталі покривними шлаками і інжекцією порошкоподібних реагентів, визначені теоретичні передумови необхідного ступеня диспергування рафінуючих реагентів для інжекційної обробки металу, виконані розрахунки дуттєвих пристроїв і параметрів інжекційної обробки сталі.

На основі теоретичного аналізу, обробки результатів лабораторних і дослідно-промислових досліджень рафінування металу від сірки, уточнені і конкретизовані методики, що найбільш повно описують розподіл сірки в системі „метал-шлак” стосовно до умов інжекційної обробки металу.

Встановлено, що в розглянутих умовах процес десульфурації металу найбільше точно описується методикою, що базується на сульфідній місткості шлакових розплавів, яка визначається по величині їх оптичної основності. Тому, при проведенні подальших досліджень, коефіцієнт розподілу сірки між металом і шлаками розраховували по рівнянню:

. (1)

де: CS – сульфідна місткість шлакового розплаву; а[0] – активність кисню в металі;

f[S] – коефіцієнт активності сірки в металі.

Для розробки фізико-хімічної моделі, що адекватно описує процес ковшового рафінування металу кусковими й порошкоподібними реагентами, виконано комплекс досліджень, який дозволив заповнити прогалини в описанні процесів позапічного рафінування металу.

В умовах позапічної обробки при інжектуванні порошкоподібних ТШС в глибинні об’єми металу при наявності на його поверхні рафінуючого шлакового розплаву реакції десульфурації протікають на поверхні спливаючих часток, що витають у циркуляційних потоках металу, і шлакових крапель, які ними утворені (транзитна складова) , і на межі розподілу покривний шлак-метал (постійна), в результаті чого відбувається зниження вмісту сірки від [S]п до [S]к.

Процес представляємо у вигляді двох паралельно протікаючих. Тоді кількість сірки, вилучена порошкоподібним реагентом, складе:

[S]п = [S]п - [S]кп , (2)

відповідно кількість сірки, що перейшла в покривний шлак, сформований з кускової ТШС, складе:

[S]шл = [S]п - [S]кшл , (3)

а загальне зниження вмісту сірки:

[S] = [S]п + [S]шл , (4)

або

[S] =2[S]п - [S]кп -[S]кшл. (5)

У рівняннях (2-5) величини [S]кп, [S]кшл вміст сірки в металі, який забезпечений її взаємодією відповідно з порошкоподібним реагентом (шлаковою краплею, сформованою в товщі металу при інжектуванні) і покривним шлаком.

Такий балансовий підхід дозволяє визначити роль рафінуючих фаз і ступінь використання десульфуруючої здатності шлаків, сформованих з кускових ТШС і порошкоподібного реагенту.

На основі балансових рівнянь розподілу сірки отримані рівняння, які дозволяють оцінити ступінь використання десульфуруючої здатності покривного шлаку k = / або ступінь завершеності дифузійних процесів при інжекційній обробці сталі порошкоподібним десульфуратором (1-):

, (6)

. (7)

де - % вміст сірки в порошковому реагенті; - коефіцієнт розподілу сірки при інжекційній обробці порошковою ТШС; mшл - кількість шлаку сформованого з кускових ТШС, % до маси металу; (S)шл – вміст сірки в шлаку; - ступінь завершеності дифузійних процесів; - витрати порошку, % від маси металу.

Виконані розрахунки очікуваного ступеню десульфурації сталі при обробці шлаками, що формуються із ТШС і при інжекції в метал сумішей системи СаО-CaF2, показали, що ступінь завершеності дифузійних процесів при інжекції відповідно до розрахунків для шлакових крапель становить – 0,7 - 0,9.

Встановлено, що при інжекційній обробці високих результатів (Ds=60-70%) можна досягти при витраті десульфуратора 4-5 кг/т, у той же час, при рафінуванні металу ковшовим шлаком сформованим з кускових ТШС, його відносна маса повинна становити не менш 0,15-0,20 (15-20 кг/т).

Аналіз отриманих рівнянь (6-7) показує, що максимальна ефективність процесу рафінування металу при однакових відносних витратах рафінуючих фаз і їх сорбційній здібності досягається у випадку забезпечення максимально можливої повноти завершеності дифузійних процесів і швидкого та рівномірного розподілу десульфуратора в об’ємі металу.

Розглянуті умови перебування диспергованих часток рафінуючого реагенту в металі. Ступінь диспергування матеріалу повинна забезпечити максимально можливе використання рафінуючих властивостей реагенту. При цьому необхідно враховувати час перебування часток у металі та тривалість просочення твердої частинки вапна легкоплавким плавиковим шпатом і продуктами розкислення.

Швидкість перебування реагенту в металі визначали по рівнянню Стокса з урахуванням гідродинамічних потоків, а час просочення частинки вапна плавиковим шпатом з наступним утворенням на її поверхні легкоплавкої шлакової плівки розраховували за виразом:

, (8)

де l - глибина просоченої частинки, м; r – радіус капіляра в частинці вапна, м; G – поверхневий натяг рідкого CaF2, Дж/м2; - кут змочування, град; - динамічна в'язкість, Па•c; t – час просочення, с.

Результати розрахунків відношення часу просочення частинки вапна і часу її спливання наведені на мал. 1. |

Мал.2. Вплив тиску в пневмокамерному насосі на число Фруда для щільності газопорошкових сумішей: 1- 80; 2 - 100; 3 – 120кг/м3.

Мал.1. Залежність часу просочення (tпр) і спливання (tсп)від діаметра частинок порошку (цифри в кривих радіус капіляра 1 - 110-11 м; 2- 510-11м; 3- 110-10м)

Аналіз отриманих результатів показав, що зі збільшенням діаметру частинки порошку, час просочення вапна рідким СаF2 збільшується, а час спливання незначно зменшується. Встановлено, що діаметр частинки, рівний d=0,06 мм, є критичним для випадку використання м’яко випаленого вапна, в якої радіус капіляра становить 110-11м.

Виконано розрахунки параметрів і режимів інжекції порошкоподібних рафінуючих сумішей на основі вапна. Для забезпечення струменевого режиму інжектування порошкоподібних матеріалів необхідно забезпечити число Фруда не менш 1000, результати виконаних розрахунків числа Фруда залежно від тиску в пневмокамерному насосі і щільності газопорошкового струменю наведені на мал.2. Встановлено, що мінімальне значення тиску в пневмокаменому насосі повинно становити не менш ніж 0,7 МПа., це забезпечує витрату реагенту до 120 кг/хв при діаметрі каналу фурми 0,03м.

Розроблені режими продувки металу порошкоподібними десульфураторами використані при виконанні дослідно-промислових випробувань.

У третьому розділі “Експериментальні дослідження” обґрунтовані основні положення і методики визначення фізико-хімічних властивостей порошкоподібних рафінуючих сумішей, отриманих на основі вапна, та відображені результати досліджень по використанню в якості гідрофобізуючих добавок нових поверхнево-активних речовин (ПАР) відходів хімічних виробництв.

Виконані дослідження властивостей дрібнокристалевого вапна. Петрографічний аналіз зразків вапна показав, що форма і структура часток порошкового (меленого вапна) і дрібнокристалевого вапна істотно відрізняються. Частинки дрібнокристалевого вапна мають округлу форму з мікровключеннями СаСОз у центрі, звичайне ж тонкомолоте вапно являє собою суміш часток вапна кубічної форми та часток вапняку, за формою близьких до паралелепіпеда. Ці відмінності дрібнокристалевого вапна забезпечують хорошу текучість матеріалу (кут природного схилу - 33-380) при пневмотранспортируванні і інжекції в рідкий метал без присадок поверхнево-активних речовин. У табл.1,2 наведені гранулометричний і хімічний склад дрібнокристалевого вапна. Встановлена стійкість цього вапна до гідратації і карбонізації протягом 4-5 діб при збереженні високої реакційної здатності.

Таблиця 1

Гранулометричний склад дрібнокристалевого вапна, % мас.

Фракція, мм | 0,315 | 0,20 | 0,16 | 0,10 | 0,063 | 0,05 | 0,008

Вміст | 2-3 | 5-6 | 6-7 | 12-14 | 21-22 | 31-33 | 18-20

Таблиця 2

Склад вапна, % мас.

Вапно | CaО | Mg | SiО2 | Al2O3 | RO | ВПВ при 1000 0С

Дрібнокристалеве | 86-88 | 5-7 | 4-6 | 0,5- 1 | <0,5 | 3-4

Встановлено, що вапно отримане шляхом помелу в кульових млинах, схильне до комкування, що істотно погіршує роботу помольного устаткування та інжекційних систем в зв'язку з низькою текучістю матеріалу і дуже короткими термінами його зберігання (до 24 годин), а використання відомих поверхнево-активних речовин, таких як триетаноламін, які поліпшують текучість меленого матеріалу, не знаходять застосування у зв'язку з його дефіцитом і високою вартістю.

Проведено пошук, вибір і розроблена технологія застосування ПАВ - відходів хімічних виробництв. Відібрані для досліджень наступні гідрофобізуючі добавки: синтетичні жирні кислоти - відходи лако-фарбної промисловості (СЖК); плавдекарбонові кислоти - відходи виробництва капролактамдекарбонієвих кислот (ПДК); кубові залишки малеінового ангідриду (КОМА) - відходи виробництва малеінового й фталевого ангідридів; мила синтетичних жирних кислот - відхід виробництва рослинних олій (МСЖК). |

Встановлено, що при отриманні вапно-вміщуючих сумішей з ПАР (МСЖК і СЖК), поліпшуються не тільки умови помелу, але й забезпечується гідрофобізація поверхні часток вапна, запобігаючи їх гідратації і карбонізації, що значною мірою збільшує терміни зберігання готового десульфуратора (до 24 діб) при високій текучості матеріалу (кут природного схилу склав 27-330). На мал.3 наведені значення росту втрат при випалі (ВПВ) в зразках порошкоподібного вапна, отриманого з використанням ПАР.

Встановлені найбільш

Рис.3. Ріст В. П. В. при зберіганні вапна з обраними ПАВ

Таблиця 3

Показники плавлення рафінуючих

сумішей різних систем

№

Компоненти суміші, їхнє співвідношення, %

Температура, 0С

поява рідкої фази

повне розплавлення суміші

1

2

CaO-Ca2

70-30

80-20

1410

1430

1460

1480

3

4

CaO-Ca2-Al2O3

65-15-20

70-20-10

1450

1420

1535

1505

5

CaO-Ca2-Al2O3-K2O

70-10-10-10

1375

1400

6

CaO-Ca2-Al2O3-Na2O

75-10-5-10

1380

1420

7

8

CaO-Al2O3-B2O3

80-15-5

80-10-10

1280

1270

1375

1345

ефективні співвідношення компонентів порошкових плавлених сумішей на основі вапна з погляду забезпечення їх високої рафінуючої здатності, а також низької температури розплавлення (табл.3), що забезпечить раннє шлакоутворення і високі показники рафінування металу. Виконаний аналіз фізико-хімічних властивостей отриманих плавлених матеріалів показав, що всі системи добре піддаються дробленню і помелу, здатні зберігати високу реакційну здатність протягом 72-96 годин, мають досить високу текучість (кут природного схилу складає 41-430), що визначає можливість їх використання при інжекційній обробці сталі.

В другому етапі лабораторних досліджень був виконаний комплекс досліджень по

визначенню десульфуруючих властивостей порошкоподібних матеріалів, отриманих по технологічним схемам наведеним вище. У табл.4. наведено результати проведених лабораторних досліджень по визначенню рафінуючої здатності порошкових сумішей.

Встановлено, що суміші, отримані методом плавлення вихідних компонентів суміші володіють більш високою десульфуруючою здатністю у зв'язку зі швидким утворенням легкоплавкої шлакової краплі, що забезпечує високі значення ступеню завершеності дифузійних процесів при однаковій сульфідній місткості. Так, найбільш високі показники десульфурації металу показали суміші № 2, 8, що визначає можливість їхнього використання в промислових умовах.

Створено методику і проведені лабораторні високотемпературні експерименти, що підтверджують можливість утворення на частинці вапна шлакової плівки, сформованої в товщі металу, що вступає в процес десульфурації. Методом рентгенофазового аналізу ідентифіковані шлакові з'єднання систем: СаО• Al2O3; 2СаО• SiО2; 11СаО• 7Al2O3 •CaF2; 3СаО• Al2O3.

Таблиця 4

Показники рафінування металу порошкоподібними ТШС отриманими методом механічного змішування і сплавлення вихідних компонентів *

№ | Состав суміші,

% вміст компонентів відповідно | Витрати, гкг | Оптична основність, | Ступінь десульфурації,

%

1

2 | CaO-CaF2

70-30

80-20 |

15

20 |

0,851

0,869 |

76,8

81,4

3

4 | CaO-CaF2-Al2O3

65-15-20

70-20-10 |

15

20 |

0,783

0,815 |

69,3

70,1

5 | CaO-CaF2-Al2O3-K2O

70-10-10-10 |

10 |

0,872 |

65,4

6 | CaO-CaF2-Al2O3-Na2O

75-10-5-10 |

10 |

0,893 |

68,8

7

8 | CaO-Al2O3-B2O3

80-15-5

80-10-10 |

10

15 |

0,890

0,897 |

68,2

85,1

9

10 | CaO-CaF2

70-30

80-20 |

15

20 |

0,851

0,869 |

62,7

63,4

11

12 | CaO-CaF2-Al2O3

65-15-20

70-20-10 |

15

20 |

0,783

0,815 |

65,2

68,2

* - суміші №9-12 отримані методом механічного змішування порошкових матеріалів

На підставі проведених досліджень і виконаних розрахунків розроблена модель процесу рафінування сталі шлаками, сформованими з кускових ТШС, і при інжекції порошкоподібного десульфуратора системи СаО-CaF2 та інших багатокомпонентних рафінуючих систем. При інжекції дрібнодисперсних частинок вапна і плавикового шпату в потоці нейтрального газу, деяка частина їх безпосередньо проникає в метал внаслідок досить високої кінетичної енергії, або перебуває на межі розділу метал - газовий пузир. Прилеглі часточки CaF2 і СаО коагулюють один з одним, при цьому CaF2 дифундує у капіляри частинок вапна з утворенням легкоплавких з'єднань, здатних вступати в процес десульфурації металу. Та частина матеріалу, що витає в об’ємі пузиря в міру його спливання, буде осаджуватися на внутрішній поверхні ближче до його кормової частини і контактувати з раніше утвореними легкоплавкими з'єднаннями. Надалі, процес переходу сірки з металу в шлакову краплю, що утворилася в глибинних об’ємах, іде шляхом дифузії сірки в тонкий шлаковий шар оплавленої частинки вапна з наступним її частковим або повним розчиненням, спливанням і асиміляцією в покривний шлак, що у свою чергу збільшує його сіркопоглинаючу здатність, або залученням цієї частинки в спадний потік металу. Сумарний процес десульфурації порошкоподібної ТШС двох і більше компонентного складу в товщі металу йде за схемою: утворення на поверхні частинки вапна шлакової плівки дифузія атомів сірки з обсягу металу до границі шлакової плівки на частинці вапна адсорбційно-хімічне приєднання електронів до атомів сірки і перехід іона, що утворився S2-, в шлакову плівку на частинці вапна і подальша дифузія іонів сірки в капіляри твердої частинки вапна, а у випадку її розплавлювання - вглиб шлакової краплі.

Результатом виконаних теоретичних і лабораторних експериментальних досліджень стало створення основних елементів технології підготовки та застосування при інжекційній обробці сталі високоефективних рафінуючих сумішей на основі вапна, які в подальшому були використані при виконанні дослідно-промислових випробувань.

В четвертому розділі “Дослідно-промислові дослідження в умовах комбінату “Азовсталь” відображені результати досліджень підготовки і використання при інжекційній обробці металу порошкоподібних дусульфуруючих сумішей, одержаних на основі вапна.

Розроблені в розділі 3 елементи технології дозволили реалізувати в промислових умовах наступні схеми отримання порошкових рафінуючих сумішей:

- підготовка суміші на основі дрібнокристалевого порошкового вапна виробництва Полтавського ГЗК з добавкою просушеного меленого плавикового шпату в лопатевому змішувачі в умовах відділення підготовки сипучих матеріалів киснево-конвертерного цеху (суміш №1);

- спільний помел свіжообпаленого кускового вапна виробництва вапнообпалювального цеху комбінату “Азовсталь” і кускового плавикового шпату з добавками поверхнево-активних речовин на кульовому млині відділення помелу сілікокальцію (суміш №2);

- помел на кульовому млині спеціально підготовленої плавленої суміші системи СаО-AL2O3-СаF2, отриманої в електрошлакоплавильній печі киснево-конвертерного цеху (суміш №3).

Параметри інжекційної обробки металу відповідали режимам, розробленим у главі 2.

Результати процесу позапічної інжекційної обробки сталі порошкоподібними сумішами наведені в акті випробувань і в табл.5.

Таблиця 5

Результати ковшового рафінування сталі порошкоподібними сумішами

№ суміші | Вміст сірки в сталі, % | Витрати суміші, кг/т сталі | Ступінь десульфурації сталі на 1кг уведеного порошку, %

до обробки | після обробки

1 | 0,011-0,025 | 0,008-0,004 | 1,6-3,5 | 16-20

2 | 0,012-0,020 | 0,006-0,004 | 1,5-2,5 | 14-20

3 | 0,022-0,027 | 0,009-0,015 | 1,2-1,8 | 12-16

Металографічним способом досліджено забруднення неметалічними включеннями готового прокату. Показано, що в дослідному металі забруднення в середньому на I бал нижче, ніж забруднення в металі порівняльних плавок. За результатами виконаних дослідно-промислових випробувань розрахована економічна ефективність розробленої технології, що у цінах 2006р складає 630 тис. грн на рік, при цьому враховано зниження собівартості сталі за рахунок зниження витрати кускової ТШС і підвищення ціни за рахунок більш низького вмісту сірки в металі.

Висновки

1. На основі детального аналізу існуючих методів і засобів обробки металу в ковші ТШС, стосовно до умов чорної металургії України визначені пріоритетні напрямки теоретичних і прикладних досліджень по розробці і освоєнню ресурсозаощаджуючих технології виробництва високоякісних сталей.

2. На основі теоретичного аналізу, обробки результатів лабораторних і дослідно-промислових досліджень рафінування металу від сірки уточнені і конкретизовані методики, що найбільше повно описують розподіл сірки в системі метал-шлак щодо умов інжекційної обробки металу. Визначено, що в розглянутих умовах процес десульфурації металу найбільше точно описується методикою, яка базується на сульфідній місткості, розрахованій по величині оптичної основності шлакових розплавів.

3. Визначено, що ступінь завершеності дифузійних процесів при обробці сталі шлаковими краплями, що формуються при інжекції в метал суміші системи СаО-CaF2 становить – 0,7 - 0,9.

4. Встановлено, що при інжекційній обробці високих результатів (Ds=60-70%) можна досягти при витраті десульфуратора до 4-5 кг/т сталі, у той же час при рафінуванні металу ковшовим шлаком, сформованим з кускових ТШС, його відносна маса повинна становити не менш 0,15-0,20 (15-20 кг/т).

5. З'ясовано, що зі збільшенням діаметра частинки порошку час просочення вапна рідким СаF2 збільшується, а час спливання незначно зменшується. При цьому діаметр частинки, рівний d=0,06 мм є критичним для випадку використання м’якообпаленого вапна, в якого радіус капіляра становить 110-11м.

6. Встановлено, що для забезпечення струменевого режиму інжектування порошкоподібних матеріалів мінімальне значення тиску в пневмокамерному насосі повинне становити не менш 0,7 МПа, що забезпечує витрату реагенту до 120 кг/хв при діаметрі каналу фурми 0,03 м.

7. Петрографічним аналізом зразків вапна показано, що частинки дрібнокристалевого вапна мають округлу форму з мікровключеннями СаСОз у центрі, а звичайне тонкомолоте вапно являє собою суміш часток вапна кубічної форми й часток вапняку, за формою близьких до паралелепіпеда. Ці відмінності забезпечують хорошу текучість (кут природного схилу - 33-380) дрібнокристалевого вапна при пневмотранспортируванні і інжектуванні в рідкий метал без добавок поверхнево-активних речовин. Встановлена стійкість дрібнокристалевого вапна до гідратації, карбонізації протягом 4-5 діб, при збереженні високої реакційної здатності.

8. Визначено, що при одержанні вапновміщуючих сумішей з ПАР (МСЖК і СЖК) поліпшуються не тільки умови помелу, а і забезпечується гідрофобізація поверхні частинок вапна, що запобігає їх гідратації і карбонізації і в значній мірі збільшує строки зберігання десульфуратора (до 24 діб) при високій рухливості матеріалу (кут природного схилу склав 27-330).

9. Розроблені склади і технологія обробки сталі сумішами, які отримані шляхом плавлення вихідних компонентів. Суміші володіють більш високою десульфуруючою здатністю в зв’язку з швидким утворенням легкоплавкої шлакової краплини.

10. Створено методику й проведені лабораторні високотемпературні експерименти, що підтверджують можливість утворення на частинці вапна шлакової плівки, сформованої в товщі металу, яка вступає в процес десульфурації. Методом рентгенофазового аналізу в шлаковій плівці ідентифіковані з'єднання: СаО•Al2O3; 2СаО•SiО2; 11СаО•7Al2O3•CaF2; 3СаО•Al2O3.

11. Розроблена модель процесу рафінування сталі шлаками, сформованим з кускових ТШС, і при інжекції порошкоподібного десульфуратора системи СаО-CaF2 і інших багатокомпонентних рафінуючих систем.

12. Показано, що в металі, виплавленому за розробленою технологією забруднення в середньому на 1 бал нижче забруднення металу порівняльних плавок. Економічна ефективність розробленої технології позапічної обробки сталі порошкоподібними й кусковими ТШС для умов комбінату “Азовсталь” становить 630 тис.грн. у рік у цінах 2006р.

Основний зміст дисертації відображений в публікаціях

1. Стоянов А.Н., Бойченко Б.М., Низяев К.Г. Технологии внепечной обработки стали шлакообразующими смесями на основе извести// Металл и литье Украины. - 2006. - №1. - С.32-33.

2. Стоянов А.Н., Черевко В.П., Пищида В.И. и др. Анализ термодинамических закономерностей десульфурации металла ТШС различного состава // Металл и литье Украины. – 2002. - №3-4. – С. 25-27.

3. Стоянов А.Н., Низяев К.Г., Петренко В.А. Работа инжекционных систем для внепечной обработки металла // Металл и литье Украины. – 2003. - №5. – С. 20-21.

4. Черевко В.П., Петренко В.А., Стоянов А.Н. Качество извести для производства стали // Металл и литье Украины. – 2002. - №11. – С. 21-23.

5. Черевко В.П., Величко А.Г., Стоянов А.Н., Салей А.А. Получение порошкообразных рафинирующих смесей на основе извести с использованием новых поверхностно-активных веществ // Теория и практика металлургии. – 2002. - №1. – С.32-35.

6. Стоянов А.Н., Плюкало М.П., Салей А.А., Кулик В.А. Исследование температур плавления порошковых рафинирующих смесей различных систем // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2002. - №7. – С.145-147.

7. Об эффективности использования рафинирующих свойств реагентов при внепечной обработке стали кусковыми и порошкообразными ТШС / В.П. Черево, В.А. Вихлевщук, А.М.Лонский, Г.В. Валяев, А.Н.Стоянов и др. // Труды IХ Междунар. научн.- техн. конференции “Теория и практика кислородно-конвертерных процессов”. Днепропетровск, 1998. – С. 13-14.

8. Опробование применения порошкообразных плавленных ТШС для внепечной обработки стали. / Черевко В.П., Лонский А.М., Тягний В.В., Стоянов А.Н., и др. // Труды YIII Междунар. научн.-техн. конференции “Теория и практика кислородно-конвертерных процессов”. Днепропетровск, 1994. – С. 77-78.

9. Разработка технологии внепечной обработки стали порошкообразными смесями на основе извести / В.И. Баптизманский, В.П. Черевко, А.М.Лонский, В.В.Тягний, А.Н.Стоянов и др. // Труды YIII Междунар. научн.техн. конференции “Теория и практика кислородно-конвертерных процессов”. Днепропетровск, 1994. – С. 78-79.

10. Стоянов А.Н., Величко А.Г., Пищида В.И., Тягний В.В. Внеагрегатная инжекционная обработка стали на предприятиях Украины // Труды Х Междунар. научн.техн. конференции “Теория и практика кислородно-конвертерных процессов”. Днепропетровск, 2002. – С. 136-138.

11. Cherevko V.P., Stoyanov A.N., Plukalo M.P. Injection technologies of desulfuration of steel in a ladle by powdered lime based mixtures // 5th International Symposium of Croatian metallurgical society SHMD 2002 “Material and metallurgy”.- Zagreb (Croatia).-2002.- P.242.

12. The results of investigations and problems of ladle steel processing with injective engineering and technology using / A.N. Stoyanov, K.G. Nizyaev V.V. Kernytskyy, V.I. Pischida // 6th International Symposium of Croatian metallurgical society SHMD 2004 “Material and metallurgy” ”.- Zagreb (Croatia).-2004.- P.230.

АНОТАЦІЯ

Стоянов О.М. “Розробка та освоєння технології інжекційної обробки сталі твердими шлакоутворюючими сумішами “. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.16.02 – “Металургія чорних металів”. - Національна металургійна академія України. – Дніпропетровськ, 2007.

Дисертаційна робота присвячена актуальному науково-технічному завданню по розробці технології інжекційної позапічної обробки сталі порошкоподібними твердими шлакоутворюючими сумішами, які володіють особливими фізико-хімічними властивостями, відпрацьовуванню технології їх виробництва і використання.

Розроблено фізико-хімічну модель ковшового рафінування металу при інжекції порошкоподібних вапновміщуючих матеріалів. Зроблено оцінку ступеня завершеності дифузійних процесів при комплексній обробці сталі кусковими й порошкоподібними ТШС. З використанням чисельного моделювання отримані дані необхідного ступеня диспергування реагенту і параметри інжекції порошкоподібного десульфуратора.

Вивчено основні фізико-хімічні властивості порошкоподібних рафінуючих сумішей на основі вапна, проведений пошук і випробування нових поверхнево-активних речовин, які дозволили запобігти гідратації порошкоподібного вапна протягом 24 діб. З використанням сучасних методик високотемпературного моделювання проведені лабораторні дослідження десульфуруючої здатності багатокомпонентних шлакових сумішей, отриманих на основі вапна, визначено фазовий склад шлаку, який сформувався в глибинній товщі металу. Розроблено і удосконалено технологічні процеси підготовки порошкоподібних матеріалів на основі вапна і інжекційної обробки сталі. Випробовування розроблених положень позапічної обробки сталі порошкоподібними ТШС відбулися в промислових умовах комбінату “Азовсталь”, які забезпечили стабільність результатів рафінування металу, економію енергії і ресурсів і показали можливість досягнення високих параметрів якості сталі.

Ключові слова: інжекція, тверда шлакоутворююча суміш, сталь, десульфурація, поверхнево-активні речовини, сплавлені суміші, ступінь завершеності дифузійних процесів.

АННОТАЦИЯ

Стоянов А.Н. “Разработка и освоение технологии инжекционной обработки стали твердыми шлакообразующими смесями “. – Рукопись

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02 – Металлургия черных металлов. – Национальная металлургическая академия Украины, Днепропетровск, 2007.

Диссертационная работа посвящена актуальной научно-технической задаче по разработке технологии инжекционной внепечной обработки стали порошкообразными твердыми шлакообразующими смесями, обладающие особыми физико-химическими свойствами, отработке технологии их производства и использования.

Разработана физико-химическая модель ковшевого рафинирования металла при инжектировании порошкообразных известьсодержащих материалов. Произведена оценка степени завершенности диффузионных процессов при комплексной обработке стали кусковыми и порошкообразными ТШС. С использованием численного моделирования получены данные необходимой степени диспергирования реагента и параметры инжектирования порошкообразного десульфуратора.

Изучены основные физико-химические свойства порошкообразных рафинирующих смесей на основе извести, произведен поиск и опробование новых поверхностно-активных веществ, которые позволили предотвратить гидратацию порошковой извести на протяжении 24 суток. С использованием современных методик высокотемпературного моделирования проведены лабораторные исследования десульфурирующей способности многокомпонентных шлаковых смесей полученных на основе извести, определен фазовый состав шлаковой составляющей, образованной в глубинных объемах металла. Разработаны и усовершенствованы технологические процессы подготовки порошкообразных материалов на основе извести и инжекционной обработки стали. Они опробованы в промышленных условиях комбината “Азовсталь”, и обеспечили стабильность результатов рафинирования металла, экономию энергии и ресурсов, возможность достижения высоких параметров качества стали.

Ключевые слова: инжекция, твердая шлакообразующая смесь, сталь, десульфурация, поверхностно-активные вещества, сплавленные смеси, степень завершенности диффузионных процессов.

ANNOTATION

Stoyanov A.N. “Development and application of steel injection treatment by solid slag forming compounds technology”. – Manuscript

Dissertation for Doctor of Philosophy academic degree competition by 05.16.02 specialty – Ferrous Metallurgy, - National Academy of Metallurgy of Ukraine, Dniepropetrovsk, 2007.

Dissertation work is devoted to the urgent scientific and technical task in technology development of injection out-of-furnace steel treatment by powder-like solid slag forming compounds with special physicochemical properties, their technology of production and application working-off.

Physicochemical model of metal ladle refinement at injection of powder-like lime containing materials is developed. Evaluation of the degree of diffusion processes completeness at complex treatment of steel by lump and powder-like solid slag forming compounds is held. Data of the reagent’s required range of dispersion and parameters of powder-like desulphurizer injection are obtained with the help of computational modeling.

Main physicochemical properties of lime-based slag-like refining compounds are investigated, search and testing of the new surface-active substances, which allowed to prevent the hydration of powder lime during 24 days, is held. Laboratory investigations of lime-based multi-component slag compounds’ desulphurizing capacities are obtained with the help of contemporary high-temperature modeling procedures. Phase composition of the slag component formed in the deep volume of metal is obtained. Technological processes of lime-based powder-like materials preparation and steel injection treatment are developed and improved. They were tested at the “Azovsteel” industrial complex, whereby the metal refinement’s results stability with energy and resources economy was provided, possibility of steel quality high parameters achievement was assigned.

Key words: injection, solid slag forming compound, steel, desulfurization, surface-active substances, slag compounds, the degree of diffusion processes completeness.