CC BY
25
В1СНИК ПРИАЗОВСЬКОГО ДЕРЖАВНОГО ТЕХН1ЧНОГО УН1ВЕРСИТЕТУ
2000р.
Вип.№10
УДК 669.18.046.546.2:621.36
Остроушко A.B.*
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДЕСУЛЬФУРАЦИИ СТАЛИ ПЕЧНЫМ ШЛАКОМ ПРИ ВЫПУСКЕ ИЗ ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЕЧЕЙ
Оценены термодинамические характеристики процесса распределения серы между металлом и ишаком в условиях выпуска плавки из электродуговой печи. Показано, что фактический коэффициент распределения серы меньше равновесного. С помощью физического моделирования определены коэффициенты массопереноса npmteceu при обычном и порционном вариантах слива металла и шлака. Установлено, что выпуск металла порциями приводит к увеличению поверхности и длительности контакта жидких фаз. Результаты физического моделирования и расчетов подтверждены промышленными экспериментами.
Десульфурация стали относится к наиболее важным процессам, которые влияют как на качество металла, так и на другие технико-экономические показатели. В последние годы наметилась тенденция переносить рафинировочные процессы из мощных электродуговых печей в ковш, что позволяет за счет применения современных методов интенсификации плавления шихты повысить производительность агрегатов, снизить расход электроэнергии, огнеупоров и повысить эффективность рафинирования металла в результате внепечной обработки. Вместе с тем, исследованиями [1] установлена необходимость снижения содержания серы еще до вне-печной обработки в ковше порошковой проволокой, так как выделение эндогенных включений Са8 зависит не только от условий рафинирования металла в ковше, но и от ее исходного содержания. Но наиболее остро ощущается необходимость оптимизации процессов рафинирования при выплавке сталей широкого сортамента в печах малой и средней емкости, где все еще используется классическая двушлаковая технология [2] для выплавки сталей ответственного назначения. Проведение длительного восстановительного периода в значительной степени пре-"* пятствует широкому внедрению прогрессивного способа замены футеровки печей водоохлаж-даемыми элементами.
Поэтому задача повышения эффективности десульфурации является весьма актуальной.
Одним из наиболее экономичных способов десульфурации стали может служить обработка металла в ковше печным шлаком при выпуске плавки, о чем свидетельствуют результаты исследований [3-6] этого способа. Однако сильно различающиеся условия протекания процессов в этих экспериментах не позволяют установить их закономерности, за исключением вывода о том, что фактические коэффициенты распределения серы между шлаком и металлом перед выпуском плавки из печи меньше равновесных [3].
С целью повышения эффективности процесса рафинирования металла от примесей путем его обработки шлаком восстановительного периода использовали модель, в рамках которой термодинамические свойства системы металл-шлак оценивали с помощью коэффициента распределения (общепринятой характеристики процесса распределения серы между металлом и шлаком):
Ь = (I)
ь' И'
где (8) и /3/ - концентрация серы в шлаке и металле соответственно.
ПГТУ. канд. техн. наук, проф.
Теоретическое значение коэффициента распределения определяли расчетным путем, используя выражение [7]:
7««
1вЛв=18С,+18/в-*ВвГоГ~ + 1,277, (2)
где С$ - сульфидная емкость шлака ; - коэффициент активности серы в металле; а(о) - активность кислорода в металле ; Т - абсолютная температура.
Величину С$ определяли с использованием шкалы оптической основности, признанной наиболее проверенной и обеспеченной расчетными параметрами [8.9]:
, _ (22690-54604-Л) , Л _
---- + 43,6 ■ Л -25,2 (3)
где Л-оптическая основность шлака.
Сопоставление фактических коэффициентов распределения серы между шлаком восстановительного периода и металлом на контролируемых плавках стали 09Г2С в электродуговой печи емкостью 25 т и расчетных по уравнениям (1)-(3) показало, что их средняя величина примерно в два раза ниже средней величины равновесных для тех же плавок и десульфурирующая способность шлаков восстановительного периода используется в среднем на 47 %. Это согласуется с результатами ранее проведенных исследований [3] и подтверждает вывод о диффузионном торможении процесса.
Поиск оптимальных условий выпуска металла и шлака из печи емкостью 25 т, благоприятных для рафинирования, проводили с помощью физического моделирования по методике [10].
В работах [11, 12] показано, что при разных условиях наиболее эффективным является перемешивание при сливе первой порции металла, равной около 20 % от массы плавки.
Для повышения продолжительности контакта металла и шлака в процессе выпуска испытали порционный вариант выпуска: сначала часть шлака, а затем металл и шлак в три приема.
По результатам моделирования установлено, что при порционном выпуске коэффициент массообмена индикатора (бензойной кислоты) между жидкими фазами (водой и минеральным маслом) по сравнению с непрерывным увеличился. В результате обработки опытных данных среднее значение коэффициента массопереноса составило при непрерывном выпуске 3,51*10'3 с1, а при порционном - 4,07*10'3с"1 при пересчете на массообмен между металлом и шлаком.
Экспериментальную проверку порционного слива металла и шлака в производственных условиях проводили во время выпуска плавок стали марки 09Г2С из электродуговой печи емкостью. 25 т по двум вариантам: без сокращения длительности восстановительного периода и с сокращением. Сравнительные результаты получены на плавках с непрерывным выпуском без сокращения восстановительного периода. Средние значения технологических параметров опытных и сравнительных плавок и степень десульфурации стали за время выпуска приведены в таблице. Анализ приведенных в таблице данных показал, что при одинаковой длительности восстановительного периода плавки порционный слив металла в ковш по сравнению с непрерывным приводит к увеличению степени десульфурации металла на 25 % за счет повышения доли серы, удаляемой из стали в процессе слива в ковш.
Расчеты коэффициентов массопереноса с использованием экспериментальных данных выполнили по известной методике [13]:
' Л • ти
. Г.
1п
1-
1 +
Аг ' /5 ' ]мач
= —к •
1 + -
т.
•г,
(4)
где (Б) - содержание серы в шлаке перед выпуском плавки,%; - содержание серы в металле перед выпуском, %; Ьз -фактический коэффициент распределения серы; /, - коэффициент активности серы в металле, расчетная величина которого для стали 09Г2С после легирования со-
ставила 1,05; тштл тм -масса шлака и металла соответственно, т; к - объемный коэффициент массопереноса, с г - длительность выпуска, с
Средние значения констант массопереноса, полученные с использованием уравнения (4) и экспериментальных данных, составили для непрерывного выпуска 8*10"4, а для порционного - 8,9* 10 с что вполне согласуется с результатами моделирования.
Таблица - Средние значения технологических параметров и степень десульфурации стали 09Г2С для плавок с различными режимами выпуска металла и шлака.
Вариант Кол- Длитель- Темпе- Основ- Содержание серы в металле, Сте-
выпуска во ность вос- ратура ность [% 51*10 пень
плавки пла- станови- металла шлака В нача- Перед В гото- десуль-
вок, тельного в ковше, ле восст. выпус- вой ста- фура-
шт периода, °С периода ком ли ции*,
мин %
Непре-
рывный 10 68 1610 2,7 30 17 14 18
(сравни- 54
тельный)
Порцион-
ный без
сокраще- ' 10 68 1605 2,7 32 16 10 38
ния вос- 69
станови-
тельного
периода
Порцион-
ный с со-
кращен- 10 52 1596 2,55 31 23 16 30
ным вос- 48
станови-
тельным
периодом
* - в числителе - степень десульфурации во время выпуска, в знаменателе - общая.
В промышленных условиях скорость массопереноса при переходе от непрерывного выпуска к порционному также увеличилась, но в меньшей степени, чем в условиях моделирования. Это может быть связано со снижением температуры металла при порционном выпуске в среднем на 5 °С.
В то же время повышение скорости массопереноса при порционном выпуске позволило снизить длительность восстановительного периода на 24 % и компенсировать потери тепла и электроэнергии после замены кирпичной футеровки стен электродуговой печи садкой 25 т на водоохлаждаемые панели.
Выводы
1. Установлено, что фактический коэффициент распределения серы между металлом и шлаком при выпуске плавок низколегированной стали из электродуговой печи средней емкости колеблется в пределах Ьб = 13...35, что значительно меньше равновесного, рассчитанного по корреляции с оптической основностью и находящегося в пределах Ьэ = 30...77.
2. Методом физического моделирования определены коэффициенты объемного массопереноса серы при непрерывном (обычном) и порционном (разработанным) вариантах слива металла и шлака из печи, величина которых составила 3,51* 10*3 и 4,07*10"3 с'1 соответственно.
3. Показано, что в промышленных условиях порционный выпуск низколегированной стали из печи емкостью 25 т по сравнению с обычной технологией обеспечивает снижение содержания серы в стали в среднем на 29 % и повышение степени десульфурации на 22 % отн. (с 54% до 69%).
Перечень ссылок
1. Martinez Е. Formation of CaS during secondary metallurgy and solifidification of steel // Jron and Steelmaker.-1995.-22, N 6.-C. 19-23.
2. Совершенствование технологии электроплавки высокомарганцовистых износостойких сталей / Колокольцев В.М., Вдовин КН., Долгополова Л.Б. и др. // Соврем, пробл. электрометаллургии стали: Тез. докл. 9 Междунар. конф., - Челябинск, 1995.-С. 37-38.
3. Борнацкий И.И., Синеглазова Л.А., Крупман Л.К К вопросу о более глубокой десульфурации электростали//Производство стали. М.: Металлургия, 1966 - Вып. 4,- С. 183-188.
4. Плотников И. А. Внепечная десульфурация собственным шлаком.//Литейное прозводство.-
1983.-N 7.-С.33-34.
5. Основы научных исследований в черной металлургии/Баптизманский В.И., Воловик Г.А., Паниотов Ю.С. и др. - Киев: Донецк: Вища школа, 1985. -205 с.
6. Пронской Л.И., Ткачев Ю.Н., Сигарев Н.К. Обработка стали собственными печными шлаками//Наука производству. - Киев: Вища школа, 1991,- С.129-132.
7. Соммервиль ИД. Изменение, прогноз и применение емкостей металлургических шлаков // Инжекционная металлургия" 86.-М.:Металлургия , 1990.-С. 107-120.
8. Степень использования рафинирующих свойств шлаков при внепечной обработке стали / Пошинов O.A., Казаков СВ., Поживанов М.А. и др. // Физико-химические основы металлургических процессов.-М.: Черметинформация, 1991.-Ч.З.-С.96-99.
9. Сокольский В.Э. Применение альтернативных методов определения основности металлургических шлаков / Проблемы СЭМ. - 1998.-N 1 .-С.66-73.
10. Носов Е.Г., Казачков Е.А., Остроушко A.B. Исследование и оптимизация процесса десульфурации электростали печным шлаков в ковше // Придшпровський науковий bíchhk.-- 1997.-Jf2l5.-C.l-3.
П. Влияние способа продувки инертным газом на эффективность перемешивания жидкой стали в ковше / Флейшер А.Г., Поволоцкий Д.Я., Мирковский ЛИ. и др. // Изв.вузов. Черная металлургия,-1989.-К 10-.С.20-23.
12. Сравнение эффективности перемешивания металла в ковше струей сливаемого металла и продувкой инертным газом на основе математического моделирования / Флейшер А.Г., Поволоцкий Д.Я., Мирковский Л. И. и др. //Изв.вузов. Черная металлург,-1990.-К 2.-С. 97-101.
13. Физико-химические расчеты электросталеплавильных процессов: Учеб. пособие для вузов / Григорян В.А., Стомахин А.Я., Пономаренко А.Г. и др. - М.: Металлургия, 1989.-288 с.
Остроушко Анатолий Викторович. Канд. техн. наук, профессор кафедры теории металлургических процессов, окончил Мариупольский металлургический институт в 1965 г. Основные направления научных исследований - совершенствование процессов выплавки и разливки стали, изучение закономерностей рафинирования, раскисления и легирования стали.
