Эффективность использования флюидизированной извести для десульфурации чугуна в 300-т заливочных ковшах

А.М. Зборщик, С.В. Куберский, Г.Я. Довгалюк, В.Н. Беломеря
УДК 669.162.257.642

Постановка проблемы

В работах [1,2] проанализированы результаты десульфурации чугуна в крупных заливочных ковшах сталеплавильных цехов. Путем сравнения данных математического моделирования результатов десульфурации чугуна магнием с экспериментальными результатами обработки чугуна смесью гранулированного магния и порошкообразной флюидизированной извести показано, что вдуваемая вместе с магнием в металл известь не оказывает существенного влияния на эффективность десульфурации чугуна. Однако, полученные таким путём выводы требовали экспериментальной проверки.

Формулировка целей статьи

В настоящей работе ставилась задача в ходе опытно-промышленного исследования десульфурации чугуна в заливочных ковшах кислородно-конвертерного цеха проверить полученные в результате теоретического анализа выводы об отсутствии существенного влияния флюидизированной извести на эффективность десульфурации металла.

Основная часть

С этой целью в кислородно-конвертерном цехе ОАО «Алчевский металлургический комбинат» проведено исследование десульфурации чугуна в 300-т заливочных ковшах продувкой флюидизированной известью, результаты которого представлены в табл. 1.

Таблица 1 – Результаты десульфурации чугуна продувкой флюидизированной известью

Согласно ТУ У 26.5-00193714-042-2001 химический состав применяемой для десульфурации чугуна флюидизированной извести должен отвечать следующим требованиям, %: CaO > 94, S < 0,04, потери при прокаливании < 0,8. Размер частиц извести не должен превышать 100 мкм. При этом массовая доля частиц, размер которых не превышает 60 мкм, должна составлять не менее 80%. В качестве транспортирующего газа при инжектировании извести в металл использовали азот, химический состав которого соответствовал требованиям к азоту повышенной чистоты 1 сорта по ГОСТ 9293-74. Расход транспортирующего газа изменялся в пределах 50 – 60 нм³/ч.

Анализ результатов исследования показал, что кинетика десульфурации чугуна продувкой порошкообразной известью с достаточной точностью может быть описана кинетическим уравнением реакции первого порядка относительно концентрации серы в металле, решение которого имеет вид

где S_н и S_к – начальное и конечное содержание серы в чугуне, %; S_р – равновесное с оксидом кальция содержание серы в чугуне у поверхности частиц извести, %; k – константа скорости реакции, мин^–1; – продолжительность обработки, мин.

Согласно данным работы [3] содержание серы в чугуне в равновесии с оксидом кальция на несколько порядков меньше фактического содержания серы в металле.

Поэтому, если известь вдувается в металл с постоянной скоростью, уравнение (1) можно привести к виду

где q – удельный расход извести на десульфурацию чугуна, кг/т.

Обработка данных табл. 1 показывает (рис. 1), что при десульфурации чугуна продувкой флюидизированной известью в 300-т заливочных ковшах зависимость величины ln(S_k/S_н) от удельного расхода извести описывается уравнением

Рисунок 1 – Зависимость величины ln(S_k/S_н) от удельного расхода флюидизированной извести.

При найденных значениях коэффициентов в уравнении (3) коэффициент линейной корреляции R = 0,934.

Установленный характер зависимости между содержанием серы в чугуне и удельным расходом десульфуратора позволяет с большой вероятностью предполагать, что лимитирующим звеном реакции является массоотдача серы из объёма металла к поверхности частиц извести.

В пользу такого вывода свидетельствует также характер зависимости степени десульфурации чугуна от удельного расхода флюидизированной извести. Если изменение содержания серы в чугуне при обработке известью описывается уравнением (2), зависимость степени десульфурации чугуна от удельного расхода реагента должна иметь вид

Из уравнения (4) видно, что в этом случае степень десульфурации чугуна определяется удельным расходом извести на обработку и не зависит от исходного содержания серы в металле.

Обработка данных табл. 1 с использованием пакета прикладных программ «Statgraphics Plus 3.0» показала (рис. 2), что зависимость степени десульфурации чугуна от удельного расхода флюидизированной извести описывает статистическая модель «Square root – X» вида

При найденных значениях коэффициентов в уравнении (5) коэффициент корреляции R = 0,967.

Рисунок 2 – Зависимость степени десульфурации чугуна от удельного расхода флюидизированной извести.

Если лимитирующим звеном реакции является массоотдача серы из объема металла, расход извести на удаление единицы массы серы является функцией среднего за время обработки содержания серы в чугуне, методика определения которого изложена в работе [4].

Полученная на основании данных табл. 1 зависимость расхода извести на удаление 0,001% серы от среднего за время обработки содержания серы в металле представлена на рис. 3.

Рисунок 3 – Зависимость расхода извести на удаление 0,001% серы от среднего за время обработки содержания серы в металле

Обработка экспериментальных данных показала, что из имеющихся в пакете «Statgraphics Plus 3.0» стандартных статистических моделей эту зависимость точнее других описывает модель «Reciprocal – X» вида

где q_0,001 – расход извести на удаление 0,001% серы, кг/т; – среднее за время обработки содержание серы в чугуне, %.

Согласно протоколу обработки экспериментальных данных при найденных значениях коэффициентов в уравнении (6) коэффициент корреляции R = 0,44, что свидетельствует о существовании статистически значимой зависимости между 0,001 q и при уровне доверия 95%.

Десульфурация чугуна инжектированием смеси гранулированного магния и порошкообразной флюидизированной извести в заливочных ковшах кислородно-конвертерного цеха ОАО «Алчевский металлургический комбинат» организована следующим образом. Соотношение удельных расходов магния и извести на десульфурацию чугуна может быть задано в пределах 1 : 5-7, в настоящее время цех работает с использованием соотношения 1 : 6. Подачу магния обычно начинают после вдувания 50 кг извести, затем в чугун вводят все необходимое количество гранулированного магния вместе с флюидизированной известью при соотношении массовых расходов магния и извести 1 : 3. После прекращения подачи магния продувку продолжают до выдачи в металл оставшегося количества извести. Сведения об удельных расходах гранулированного магния, рекомендованных действующей технологической инструкцией по десульфурации чугуна в 300-т заливочных ковшах, представлены в табл. 2.

Таблица 2 – Сведения об удельных расходах магния и извести на десульфурацию чугуна.

В этой же таблице приведены данные об удельных расходах флюидизированной извести на обработку и количестве извести, которое вводят в чугун одновременно с подачей магния.

Согласно данным табл. 2 при десульфурации чугуна с начальным содержанием серы 0,020-0,030% продувкой смесью гранулированного магния и флюидизированной извести суммарный расход извести на обработку составляет 2,28-2,88 кг/т.

При средней массе чугуна в ковше 280 т удельный расход извести, которая вдувается в чугун до ввода магния, составит около 0,18 кг/т. Согласно уравнению (6), при обработке чугуна с указанным выше начальным содержанием серы расход извести на удаление 0,001% серы составляет 0,444-0,329 кг/т. При этом расчётное количество серы, которое можно удалить из чугуна до начала подачи магния, не превышает 0,0004-0,0005%.

При обработке чугуна с начальным содержанием серы 0,020-0,030% вместе с магнием в металл поступает 1,14-1,44 кг/т извести. При десульфурации чугуна до содержания серы 0,005% средние за время обработки значения концентрации серы в металле будут изменяться в пределах 0,011-0,014%. Согласно уравнению (6), расходы извести для удаления 0,001% серы будут составлять 0,738-0,594 кг/т. При этом расчетное количество серы, которое можно удалить из металла в результате взаимодействия с известью за время обработки чугуна магнием, составит 0,0015-0,0024%.

Однако, есть основания полагать, что при продувке чугуна смесью флюидизированной извести и гранулированного магния количество серы, которая удаляется из металла в результате взаимодействия с известью, будет меньше приведенных выше расчетных значений.

Известно, что лишь небольшая доля частиц вдуваемой в расплав извести обладает кинетической энергией, достаточной для проникновения в металл. Согласно оценке, проведенной автором работы [5], при радиусе частиц 0,1 мм доля таких частиц не превышает 10% общего их количества. Остальная известь выносится из металла пузырями транспортирующего газа, при образовании которых частицы порошкообразной извести могут находиться внутри пузыря или флотироваться им. При продувке чугуна смесью флюидизированной извести и гранулированного магния большая часть извести удаляется из металла пузырями пара магния. При этом концентрация серы в металле у поверхности пузырей приближается к равновесной с парообразным или растворенным в чугуне магнием, которая в зависимости от парциального давления пара магния в поднимающихся в расплаве пузырях не превышает 0,001-0,002% [6,7]. В этих условиях количество серы, которое удаляется из металла в результате взаимодействия с известью, будет намного меньше, чем при продувке чугуна только лишь известью. Этот вывод подтверждается результатами промышленного исследования десульфурации чугуна продувкой смесью порошкообразной извести и гранулированного магния в сталеплавильном цехе №2 завода Узиминас [8,9]. Авторы этого исследования, увеличивая соотношение массовых расходов извести и магния от 2,5 : 1 до 4 : 1 и более, пришли к выводу, что эффективность десульфурации чугуна при увеличении количества вдуваемой вместе с магнием в металл извести не изменяется.

При обработке чугуна с указанным выше начальным содержанием серы после выдачи всего количества магния чугун дополнительно продувают известью в количестве 0,96-1,26 кг/т. При содержании серы в чугуне около 0,005% расход извести на удаление 0,001% серы, согласно уравнению (6), составляет 1,482 кг/т. Поэтому в этом заключительном периоде десульфурации чугуна в результате продувки известью можно удалить не более 0,0006-0,0008% серы.

Результаты проведенного выше анализа позволяют утверждать, что при глубокой десульфурации чугуна с исходным содержанием серы 0,020-0,030% продувкой смесью гранулированного магния и флюидизированной извести в 300-т заливочных ковшах количество серы, которое удаляется из чугуна в результате взаимодействия с известью, скорее всего, не превышает 0,002-0,003%. Эта величина сопоставима с погрешностями, которые в промышленных условиях могут быть допущены в ходе отбора проб и химического анализа.

Выводы

Таким образом, анализ результатов промышленного исследования десульфурации чугуна флюидизированной известью подтверждает выводы авторов работ [1,2] о том, что при десульфурации чугуна в 300-т заливочных ковшах смесью порошкообразной флюидизированной извести и гранулированного магния вдуваемая вместе с магнием в металл известь не оказывает существенного влияния на результаты обработки.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зборщик А.М. Эффективность современных технологий внедоменной десульфурации чугуна. / А.М. Зборщик, С.В. Куберский, К.Е. Писмарев [и др.] // Известия вуз. Черная металлургия. – 2009, №11. – С.10-12.
2. Зборщик А.М. Сравнение эффективности современных технологий внедоменной десульфурации чугуна. / А.М. Зборщик, С.В. Куберский, К.Е. Писмарев [и др.] // Сталь. – 2010, №1. – С.21-23.
3. Воронова Н.А. Десульфурация чугуна магнием. – М.: Металлургия, 1980. – 240 с.
4. Зборщик А.М. Анализ термодинамики и кинетики десульфурации чугуна магнием. // Сталь. – 2001, №7. – С.17-20.
5. Сидоренко М.Ф. Теория и практика продувки металла порошками: 2-е изд. – М.: Металлургия, 1978. – 232 с.
6. Speer M.C. Dissolution and Desulfurization Reactions of Magnesium Vapor in Liquid Iron Alloys./ M.C. Speer, N.–A. D. Parlee // AFS Cast Metals Research Journal. – 1972, v.8, № 3. – P.122–128.
7. Зборщик А.М. Влияние поверхностно-активных примесей на механизм взаимодействия магния с чугуном. // Известия вуз. Черная металлургия. – 2003, №11. – С.13-16.
8. Десульфурация чугуна совместной инжекцией извести и магния в цехе №2 завода Узиминас. / J.F. Viana, S.L.Costa, A. Prenazzi. // Новости черной металлургии России и зарубежных стран. Часть II. Новости черной металлургии за рубежом. – 2000, № 2 (22). –С. 42-45.
9. Viana J.F. Hot Metal Desulfurization by CaO-Mg Co-Injection in Usiminas Steel Shop 2. / J.F. Viana, S.L. Costa, A. Prenazzi, D.C. Lee // The International Desulfurization Seminar, October 21, 1999 in Hilton Hotel, Prague, Czech Republic. P. 151–161.

Надійшла до редакції 20.05.2011

Рецензент д.т.н., проф. О.М. Смірнов

© А.М. Зборщик, С.В. Куберский, Г.Я. Довгалюк, В.Н. Беломеря