CC BY
18
УДК 669.1.628.5
Южаков Б.А., Маслов В.А. ИССЛЕДОВАНИЕ ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ДИСПЕРСНЫХ ЖЕЛЕЗОГРАФИТОВЫХ ОТХОДОВ
ОАО "АЗОВСТАЛЬ"
Современное металлургическое производство характеризуется образованием большого объема пылевидных отходов. По размерам образующихся отходов металлургический цикл занимает второе место после углеэнергетического производства. К числу ценных отходов металлургического производства относятся дисперсные железографитовые отходы (ЖГО), количество которых по данным института "ВНИПИ Черметэнергоочистка по ОАО "Азовсталь" составляет до 3 тыс. тонн в год при полной загрузке предприятия.
Образование железографитосодержащих отходов обусловлено характером и поведением компонентов в процессе производства жидкого чугуна при его транспортировке и разливке, а также при использовании жидкого чугуна в сталеплавильном процессе.
Основным условием образования графитосодержащих отходов является снижение температуры жидкого чугуна, которое на разных стадиях производства и потребления различно. Как подтверждает сложившаяся практика металлургических заводов, жидкий чугун в чугуновозных ковшах остывает со скоростью 3-К5 град/ч, в то время как при переливах за считанные минуты он остывает на 20-30 °С [1]. За период от выпуска из доменной печи и транспортировки к миксеру температура чугуна снижается на 130-180 °С.
Поскольку условия остывания жидкого чугуна различны, следовательно различны состав и свойства ЖГО. В зависимости от места образования и выделения железографитосодержащие отходы можно разделить на три группы: отходы доменных печей (скрап), отходы на разливочных машинах и отходы в миксерах (миксерные графитосодержащие отходы). Поскольку основная доля чугуна проходит через миксеры сталеплавильных цехов для передела чугуна в сталь, то миксерные отделения являются основным источником образования этих отходов.
Выделение ЖГО из жидкого чугуна связано с уменьшением растворимости углерода в железе с понижением температуры [2]. Зависимость, характеризующая растворимость углерода в железе для жидкого состояния по стабильной системе 'Те - С", выражается уравнением Шенка [3]: ч'
С = (1,30 -г 2,57) • 10"3 -г, где С - растворимость углерода в железе, % по массе;
г - температура (1153 - 2000) °С.
Влияние элементов на растворимость углерода Шенком выражено следующей формулой:
Сшах = (1,30+2,57)- Ю"3- г - 0,027Мп - 0,3181 - 0,ЗЗР - 0,4«
Выделение углерода в виде ЖГО из расплава при понижении температуры определяется выражением, которое выводится из уравнения Шенка:
Св = 2,57 ■ 10"3 • Л %
где Св - количество выделившегося ЖГО при понижении температуры расплава на ЛI
Существуют две основные точки зрения по вопросу образования и поведения графита в жидком чугуне. Исторически первая модель механизма образования пылевидных ЖГО
основывается на классической схеме кристаллизации первичного графита в эвтектических чугунах, исходящей из двухфазного состояния высокоуглеродистого расплава чугуна в интервале температур первичной кристаллизации. Единственно возможным признается коагуляционный механизм формирования ЖГО [4].
ЖГО образуются на всех стадиях цикла прохождения жидкого чугуна по мере его охлаждения. Анализ схемы движения жидкого чугуна в условиях ОАО "Азовсталь" показал, что образование дисперсных ЖГО имеет место в миксерном отделении кислородно-конвертерного цеха, отделения скачивания шлака и в отделении десульфурации. Авторами проведены физико-химические исследования свойств ЖГО, образующихся в условиях ОАО "Азовсталь", которое включало анализ химического и дисперсного состава, насыпной плотности, влияние дисперсного состава на содержание ферромагнитной фазы ЖГО. В таблице 1
приведены результаты химического анализа дисперсных ЖГО, образующихся на различных стадиях обработки чугуна.
Таблица 1- Химический анализ ЖГО различого местообразования
Место отбора Р е0бщ. , Рвмет БеО, Рв203, С,
проб % % . % % %
Миксеряое 46,70 + 57,70 3,21 + 9,32 5,26 + 11,79 34,03 + 60,32 27,48 + 38,44
отделение 5038 6,10 8,74 47,62 33,9
Отделение 27,15 -г 28,39 3,21 + 6,52 2,04 + 11,32 16,87 + 23,4 40,60 + 45,33
десульфурации 27,68 5,10 6,46 19,89 • 43,23
Отрелевие 11,58*24,39 11,18+14,61 0,18+9,96 0 + 3,86 75,68 +82;95
скачивания шлака 18,50 12,50 5,04 1,98 79,14
Полученные результаты показывают, что химический состав ЖГО во многом зависит от места отбора проб. Минимальное содержание углерода наблюдается в пробах миксерного отделения и находится в пределах 27,48-^38,44 %. При этом результаты анализа показывают, что пыль миксерного отделения состоит из плавильной пыли (бурого дыма), содержащей оксиды РегОз и БеО, из доменного графита, частичек чугуна и шлака. В зависимости от вида технологической операции в миксерном отделении существенно различается и состав дисперсных ЖГО. Наибольшее количество углерода в составе ЖГО образуется при скачивании шлака, наименьшее - при сливе чугуна из миксера, Во всех приведенных случаях дисперсные ЖГО имеют в своем состава значительное количество оксидов железа, основу шлаковых примесей составляют 8Ю2= (1,35+4,48 %) и СаО = (1,2н-3,5 %).
Дисперсные ЖГО отделения десульфурации чугуна получаются в других условиях, а именно, при продувке жидкого чугуна инертными газами совместно с порошковым магнием. В результате этого скорость охлаждения жидкого чугуна увеличивается, что способствует более интенсивному выделению графита, однако содержание общего железа, в среднем, в два раза ниже чем в ЖГО миксерного отделения, что обусловлено тем, что процесс взаимодействия струи чугуна с расплавом в миксере происходит в окислительной атмосфере, а при продувке жидкого чугуна инертным газом межфазная поверхность газ - чугун не разогревается. Для дисперсных ЖГО характерно увеличение содержания углерода до 47,10 % при колебании ±12%. При этом доля оксидных и металлических частиц уменьшается. Оксидные частицы
также представлены, в основном, гематитом. Содержание металлических частиц значительно ниже -в среднем 1,35 %.
Минимальное же количество пылевидных ЖГО образуется в отделении скачивания шлака так как условия для их выделения наименее благоприятные, поэтому дальнейшие подробные исследования проводились только для ЖГО отделения десульфурации и миксерного отделения.
Пылевидные ЖГО по своему составу представляют полидисперсные системы, поэтому определение их гранулометрического состава является важнейшей задачей. Так как ЖГО имеют различные плотности составляющих фракций, то наиболее приемлемый метод определение дисперсного состава является ситовый анализ. В таблице 2 приведены данные величин фракций ЖГО отделения десульфурации и миксерного отделения ОАО "Азовсталь".
Таблица 2 - Дисперсный анализ ЖГО различного местообразования
Размер частиц, мм Количество фракции, %
номер пробы Средняя величина
7 8 11 26 30
миксерное отделение
+16 следы следы следы следы следы следы
-16+1 0,2 0,2 1,8 0,2 следы 0,5
-1+0,63 1,1 0,8 1,1 1,2 0,1 0,9
-0,63+0,4 3,3 2,6 2,1 3,9 . 0,7 2,5
-0,4+0,315 3,2 2,6 2,3 4,0 м 2,6
-0,315+0,2 10,7 8,4 8,4 11,5 5,2 8,8
-0,2+0,16 6,4 5,3 5,9 6,0 4,9 5,7
-0,16+0,1 9,7 7,6 8,9 8,3 11,9 ' 9,3
-0,1+0,063 15,8 9,2 12,0 11,2 16,2 12,5
-0,063+0,05 7,2 5,6 5,4 5,3 8,2 6,3
-0,05 44,4 57,7 52,1 48,6 51,7 50,9
отделение десульфурации
+16 , ¿леды следы 0,1 следы 0,1 следы
-16+1 0,2 1,9 . ОД, 0,1 . 0,3 0,5
-1+0,63 0,3 0,7 1,1 0,1 0,5 0,5
-0,63+0,4 1,9 2,3 0,8 0,6 0,6 1,2
-0,4+0,315 2,6 3,4 1,4 1,3 2,1 2,2
-0,315+0,2 13,1 11,8 3,4 6,5 10,9 9,1
-0,2+0,16 8,8 8,5 ^ 4,9 6,3 9,2 7,5
-0,16+0,1 12,0 11,6 11,2 12,9 15,5 12,7
-0,1+0,063 17,0 17,7 17,1 20,8 20,9 18,8
-0,063+0,05 7,3 7,2 6,8 6,8 7,9 7,2
-0,05 36,7 34,9 53,4 44,6 32,0, 40,3
Результаты исследований показывают, что основная часть ЖГО имеет дисперсность менее 400 мкм. Определив вес каждой фракции полидисперсного состава и массу смеси, определили средний размер частиц ЖГО, который составил 174 мкм. Пользуясь формулами математической статистики определили среднеквадратичное отклонение размеров частиц ЖГО от среднего значения, которое составило о = 0,199 (где обозначение о относится к среднеквадратичному отклонению) . Основные элементы и составляющие ЖГО распределяются крайне неравномерно. Так для фракции 1,0 0,1 мм содержание углерода изменяется незначительно с 85 % до 71,23 %. Однако, дальнейшее уменьшение размера частиц приводит к значительному снижению углерода, вплоть до 7,3 % для фракции менее 50 мкм.
Кроме того одной из важнейших технологических характеристик порошковых материалов является насыпная плотность и угол естественного откоса По результатам проведенных исследований установлено, что насыпная плотность зависит от формы частиц и от фракционного состава порошка Так для ЖГО миксерного отделения при среднем содержании углерода 32,98 % насыпная плотность составляет (0,83 -н 0,91)- 103 кг/м3, а для ЖГО отделения десульфурации при среднем содержании углерода 47,06 % насыпная плотность составила (0,43 -г 0,61)- 103 кг/м3. Угол естественного откоса для свободно насыпанного материала измеряется к горизонтальной плоскости и составил в нашем случае: для ЖГО миксерного отделения -360 и для отделения десульфурации -28
Для рассмотрения вопроса перспективного использования ЖГО в качестве дисперсных материалов с заданными магнитными свойствами весьма важным технологическим параметром является удельная намагниченность насыщения as (где обозначение as относится к удельной намагниченности насыщения). Исследования магнитных характеристик ЖГО проводились в постоянных магнитных полях при напряженности поля в месте установки образца до 1200 кА/м. Так как в данном случае они зависят в основном от свойств материала, то намагниченность является величиной постоянной и данную характеристику следует относить к единице массы. Это в свою очередь является величиной зависимой от дисперсного состава применительно к ЖГО. По результатам проведенных исследований магнитных свойств дисперсных ЖГО определены зависимости удельной намагниченности насыщения as ЖГО от дисперсного состава, которая представлена на рисунке 1.
01 50 А м2/кг
40 30 20 10
О 50 100 150 200 , дисперсность, мкм
Рис. 1-Распределение магнитных свойств ЖГО в зависимости от дисперсности.
1-интегральная зависимость по плюсу;
2- дифференциальная зависимость.
<N1
2 ^
Полученные данные показывают сложную взаимосвязь основных ферромагнитных составляющих и величины os . Так, в области 160 200 мкм в магнитные свойства ЖГО большой вклад вносит находящийся в нем магнетит (60 %). При уменьшении дисперсности в пределах 63+ 100 мкм большую часть в магнитные свойства вносит уже металлическое железо, которое достигает 6 + 7 %.
Проведенные исследования позволяют оптимизировать дальнейшую технологию обработки ЖГО. Дальнейшая обработка проводится с целью наиболее эффективного их применения в качестве специальных порошковых материалов с заданными магнитными свойствами. Применение специальных видов магнетизирующего обжига позволяющие повысить магнитные и электропроводящие свойства конечного порошкового материала.
Перечень ссылок
1. Дъячко Ю.П., Шайнович О.И. Сравнение различных схем подачи жидкого чугуна в сталеплавильные печи // Сталь,- 1970. - № 7,- С. 650-654.
2. Вертман А.А., Самарин A.M. Свойства расплавов железа.-М.: Наука, 1969.-280 с.
3. Шумихин B.C. Синтетический чугун,- Киев: Наукова думка, 1971. - 240 с.
4. Колесник Л.А. Исследование влияния свойств доменных чугунов на качество отливаемых из них изложниц: Автореф. дис. на соискание ученой степени канд. техн. наук,-Днепропетровск, 1966. - 24 с.
