Сравнение ведущих методов десульфурации чугуна Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

IDENTIFICATION OF THE RATIONAL SEQUENCES OF CHARGE MATERIALS LOADING INTO THE HOPPER OF THE BELL-LESS CHARGING DEVICE OF GUTTER TYPE

Minikaev Samat Rinatovich - Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University.

Sidorov Maksim Vadimovich - Magistracy Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University.

Sibagatullina Margarita Ildarovna - Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University.

Harchenko Elena Olegovna - Ph. D. (Eng.), Postgraduate Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University. Email: eo.mgtu@mail.ru

Kuznetsov Dmitriy Mihaylovich - Student, Nosov Magnitogorsk State Technical University.

Abstracts. The influence of various factors on the uniformity of the components income of the charge from the hopper of the bell-less charging device.

Keywords: Bell-less charging device of gutter type, sequence of arrangement of materials in the hopper of the bell-less charging device.

♦ ♦ ♦

УДК 669.14.018.256

Франк Шрама, Барт Ван Дер Берг, Гвидо Ван Хаттум

СРАВНЕНИЕ ВЕДУЩИХ МЕТОДОВ ДЕСУЛЬФУРАЦИИ ЧУГУНА*

Аннотация. Металлурги по всему миру согласны, что наиболее эффективным и экономически дешевым решением в кислородно-конвертерном производстве стали является десульфурация чугуна между доменной печью и конвертером. В настоящее время используются различные методы десульфурации чугуна. Среди этих методов Kanbara Reactor (KR) process (с использованием только извести в качестве реагента), процесс моновпрыска магния (при помощи только магния в качестве реагента, также известный как процесс Ukraina Desmag) и процесс совместной инъекции (с использованием магния и извести / CaC2 в качествереагентов) являются во всем мире наиболее популярными.

Эти три метода десульфурации чугуна сравниваются по эффективности, затратам и общей производительности. Процесс KR в состоянии достигнуть низких концентраций серы (> 0,001%) в горячем металле и требует небольших затрат реагентов. Тем не менее из-за высокой потери железа процесс KR имеет самые высокие эксплуатационные расходы. Процесс моновпрыска магния очень быстрый из-за использованияреактивного магния в качестве реагента. Основные проблемы связаны с ресульфурацией (содержание серы не может быть достигнуто менее 0,005%), вредностью и высоким уровнем опасности процесса. Поэтому этот процесс (который берет свое начало в СССР) никогда не мог закрепиться в западной сталелитейной промышленности. Процесс совместной инъекции с использованием магния и извести объединиет лучшее из обоих способов. С его помощью можно достигнуть низкой концентраций серы и десульфурация проходит быстро. Соинжекция является самым гибким и рентабельным методом на рынке. Поэтому этот процесс все еще рассматривается как стандартная практика в мире кислородно-конвертерного производства стали.

Ключевые слова: кислородно-конвертерное производство стали; десульфурация чугуна, соинжекция; реактор Кахба-ры; моноинжекция магния; украинский процесс десульфурации магнием.

Несмотря на то, что можно удалять серу в самом конвертере, с экономической точки зрения выгоднее удалить серу перед загрузкой металла в конвертер [3].

Во всем мире существует целый ряд методов десульфурации чугуна, однако три метода в настоящее время используются в большем промышленном масштабе: процесс Kanbara Reactor (KR), с известью в качестве реагента, моновпрыск магния (MMI), с магнием в качестве реагента (также упоминается в литературе как Ukraina-Desmag process) и процесс совместного впрыска, с использованием магния и изве-

* Перевод Дуденкова C.B., ст.гр.МЧМБ-11.

сти или карбида кальция (иногда все три реагента) в качестве реагентов.

Реагентами, используемыми в КЯ, ММ1 и совместной инъекции, являются известь, карбид кальция и магний. Все процессы основаны на следующих химических реакциях:

8 + СаО -> Са8 + О (1)

8 + СаС2 -> Са8 + 2С (2)

8 + Мя -> Мя8 (3)

Реакция (3) в три раза быстрее, чем реакция (2) и в 20 раз быстрее реакции (1). Это означает, что магний является более быстрым реагентом для удаления серы, чем карбид кальция или известь.

После реакции между реагентом и растворенной серой образовавшиеся Са8 и MgS (которые имеют более низкую плотность, чем жидкий чугун) всплывают на поверхность, чтобы сформировать шлаковый слой. Когда MgS достигает поверхности, он контактирует с кислородом, что приводит к следующей реакции:

2MgS + 02 -> 2MgO + 2S (4)

Получившаяся сера растворяется обратно в жидкий чугун. Этот процесс называется ресульфурация. Ресульфурация с помощью реакции (4) может быть предотвращена двумя путями - избежать контакта между MgS и воздухом, что приводит к техническим проблемам (инжекция и скимминг должны происходить в инертной среде), или связывать серу с кальцием, чтобы сформировать более стабильные CaS:

MgS + Са0 -> Mg0 + CaS (5)

MgS + СаС + !/2 02 - > Mg0 + CaS + 2С (6) Образованные CaS и Mg0 останутся в шлаке в более стабильных твердых соединениях.

Из-за кинетики реакции магний - более быстрый реагент, чем альтернативные варианты на основе кальция, но известь и карбид кальция имеют более низкое равновесие с серой в жидком чугуне, чем магний (рис. 1). Для процесса десульфурации это означает, что магний необходим для ускорения процесса, а известь или карбид кальция необходим для достижения низких концентраций серы.

— Mg --Са

Рис.2. КапЬага Реактор. Справа вид сверху лопастей

Из-за турбулентности размер пузырьков транспортирующего газа меньше, а время пребывания извести в чугуне больше, чем при статической инжек-ции. Увеличение времени пребывания извести имеет большое значение для процесса, так как известь относительно медленный реагент. Известь в процессе КЯ используется более эффективно, это означает, что для процесса требуется меньше извести и известь может быть худшего качества (соответственно дешевле). Также стенки ковша страдают от повышенного износа. Из-за турбулентности требуется делать большой надводный борт (обычно на 1 м больше, чем для совместной инжекции) в ковше.

Процесс MMI был разработан в 1969-1971 гг. в Национальной академии наук Украины. Процесс Ukraine-Desmag, как это иногда называют, сегодня по-прежнему используется в основном в России и Украине, а также в нескольких провинциях Китая. Тесты с этим методом в Северной Америке не удались из-за вредности и высокого уровня опасности процесса.

Time

Рис 1. Качественный график равновесия магния и кальция с серой

Процесс KR был разработан в Японии компанией Nippon Steel в 1963 году. Отсутствие магния в Японии стало поводом искать альтернативы.

В процессе KR известь используется в качестве основного реагента. Иногда также CaF2 (около 10% потока) и / или добавляют Al2O3. Реагент или вводят в чугун через вращающиеся фурмы (средняя скорость 100-120 об/мин) вместе с газом-носителем (обычно азотом), или реагент добавляют сверху. Фурма оснащена четырьмя массивными лопатками, которые создают турбулентность в горячем металле.

Рис 3. Магний процесс моновпрыск с испарительной камерой

В процессе MMI гранулированный магний с покрытием вводят через фурму в форме колокола. Колокол на конце фурмы используется в качестве испарительной камеры для магния (который имеет точку кипения 1107° С), чтобы стабилизировать процесс. Также используются фурмы без испарительной камеры. В обоих случаях испарение магния вызывает достаточную турбулентность, чтобы обеспечить хорошее распределение реагентов в горячем металле.

При использовании только магния в качестве реагента ресульфурация является серьезной проблемой. Еще одна проблема - тонкий слой шлака (по сравнению с КЯ и совместной инъекцией), что приводит к увеличению потерь железа во время откачки шлака. Для того чтобы стабилизировать шлак и замедлить ресульфурацию, на большинстве металлургических заводов в верхнюю часть шлака добавляют известь или флюс.

Соинжекция магния и извести - метод, который сочетает в себе преимущества обоих способов. Магний позволяет быстро удалить серу, а известь позволяет достичь малых концентраций ее. Известь иногда заменяют карбидом кальция, который является более эффективным, но из-за проблем безопасности этот вариант практически не используется в новых металлургических заводах. Совместное введение используются во всем мире, и процесс считается стандартной практикой.

Реагенты хранятся в различных распылителях и смешиваются только внутри нагнетательной линии. Реагенты вводят в горячий металл с помощью прямой фурмы с одним отверстием на дне или двух или четырех отверстий по сторонам. Транспортировочный газ (обычно азот) используется для обеспечения плавной инъекции.

Рис.4 Процесс соинжекция. Т-образная фурма

Турбулентность в горячем металле создается га -зом-носителем и магнием, который испаряется. Это обеспечивает достаточную турбулентность, распределение реагента по всему ковшу. Преимущество сов-

местной инъекции в том, что отношение между магнием и извести / CaC2 могут быть изменены, если этого требует ситуация. Например, если есть достаточно времени, можно ввести больше извести и меньше магния, что делает процесс более гибким и экономически эффективным.

Все вышеупомянутые методы десульфурации имеют свои сильные и слабые стороны. Это зависит от конкретных обстоятельств и требований сталелитейного завода. Тем не менее три способа можно сравнить по нескольким важным техническим и металлургическим вопросам десульфурации чугуна.

Время процесса зависит от того, как быстро реагенты могут реагировать с серой. Так как магний намного быстрее, чем известь, то процесс MMI и совместное введение быстрее, чем процесс КЯ. Процесс КЯ требует большего времени, чтобы предотвратить возвращение примесей из доменного шлака в жидкий чугун во время перемешивания. Процесс КР занимает в среднем на 10-20% больше времени, чем соинжек-ции.

Процесс MMI, как правило, занимает меньше времени, чем совместная инъекция (на 10-20% быстрее). Тем не менее оба процесса могут быть прекращены только тогда, когда все частицы MgS достигнут слоя шлака (что может занимать 8 мин). В целом процесс ЫШ быстрее, чем совместной инъекции с магнием и извести (примерно на 5%; но совместное введение с магния и карбида кальция в общем даже быстрее, чем MMI). Процесс КР является наиболее трудоемким.

Потеря железа во время удаления шлака является серьезной проблемой для металлургических заводов. Железо теряется двумя различными способами. Во время образования шлака капли железа попадают в ловушку в шлаке, образуя эмульсию со шлаком. В целом около 50% массы шлака - это железо в эмульсии. Это означает, что потери эмульсии могут быть сведены к минимуму путем сокращения общего количества шлака.

Из-за большого количества шлака, создаваемого в процессе КЯ, общие потери железа, как правило, в 2-3 раза больше, чем для совместной инъекции. Процесс MMI имеет низкие потери железа эмульсии, так как образуется немного шлака (в 7 раз меньше, чем у соинжекции). Тем не менее из-за низкой основности MMI шлак может содержать больше железа в эмульсии, чем шлак, который содержит кальций. В действительности потери железа в процессе MMI примерно одинаковы, как у совместной инъекции - около 1% общей массы. Для процесса КР общие потери железа составляют 2-3%.

Износ огнеупора и фурмы в основном обусловлен высокими температурами и коррозионным составом горячего металла и шлака. Для процесса КР тур-

булентность, создаваемая вращающейся фурмой, является одной из основных причин износа. Также сама фурма более уязвима к износу, так как лопасти могут оторваться. Уменьшение рабочей поверхности лопаток приводит к меньшей турбулентности и, следовательно, процесс становится менее эффективным. Процесс ММ1 имеет меньше проблем с износом, чем процесс КЯ, из-за меньшей турбулентности. Однако, поскольку используется магний вместо извести, основность шлака становится ниже, что приводит к увеличению коррозионного износа. Процесс совместной инъекции имеет меньшую турбулентность, чем процесс ММ1, и более высокую основность шлака, поэтому футеровка ковша и фурма изнашиваются меньше.

В процессе десульфурации температура чугуна уменьшается. Температура чугуна определяет, какое количество охлаждающего материала (металлического лома) нужно загрузить в конвертер, и продолжительность продувки. Если чугун холодный, то придется грузить меньше лома или увеличивать время продувки. Когда перед десульфурацией температура чугуна слишком низкая, то от процесса удаления серы придется отказаться. Все зависит от обстоятельств, является ли потеря температуры в процессе сероочистки проблемой или нет. Во всем мире увеличение лома по отношению к чугуну очень полезно, так как горячий металл дороже, чем лом. Более высокие потери температуры вызваны более длительным временем процесса, большей турбулентностью, меньшим количеством шлака (шлак действует в качестве изолирующего материала) и использованием реагентов, которые приводят к меньшему нагреву. Магний вызывает экзотермическую реакцию в горячем металле, а известь нет. Процесс КЯ является длительным, имеет высокую турбулентность и никаких серьезных экзотермических реакций, что приводит к потере температуры, которая в среднем в три раза выше, чем для совместной инъекции или ММ1. Как сказано выше, процесс соинжекции длится дольше процесса ММ1. С другой стороны, соинжекция имеет меньшую турбулентность и более толстый слой шлака. Поэтому потери температуры для совместной инъекции и ММ1 примерно одинаковы.

В настоящее время содержание серы в чугуне требуется 0,001%. Из-за ресульфурации только магния в качестве реагента не будет достаточно, чтобы достичь таких низких концентраций серы. На практике чугун, в который добавляют только магний, никогда не достигнет содержания серы менее 0,006%. Соинжекция способна достигать стабильных низких концентраций серы в горячем металле. Однако, поскольку магний неэффективен при низких концентрациях серы, только известь участвует в десульфурации. Из-за низкой турбулентности в процессе совместной

инъекции получение желаемой концентрации серы занимает больше времени и стоит дороже, чем реагенты процесса КЯ. В случае, если требуются очень низкая концентрация серы, процесс КР является наиболее подходящим.

Станция десульфурации, которая может реагировать на изменяющиеся обстоятельства, как дефицит реагентов или нехватка времени, это самый лучший вариант для металлургического завода. КЯ не является гибким в отношении времени, так как процесс смешивания извести никак не ускорить. Наличие реагентов при нормальных условиях не является проблемой для процесса КЯ. Магний для процесса ММ1 может стать дефицитным, что приводит к резкому увеличению эксплуатационных расходов системы или даже остановки производства. Система совместного впрыска имеет высокую гибкость и в вопросе времени процесса, и наличия раегентов, так как частота и соотношение могут быть отрегулированы. Даже карбид кальция может быть введен в качестве альтернативного реагента.

Магний является опасным легковоспламеняющимся реагентом. Пролитый магний может легко загореться, и его не так просто потушить. При соприкосновении с водой магний может образовывать взрывоопасные пары водорода. Магний для десульфурации гранулируют, чтобы сделать его более безопастным. Тем не менее гранулированный магний остается более опасным, чем известь. В процессе ММ1 (а иногда и в процессе КР) иногда добавляют фторид кальция для стабилизации процесса. Когда фторид кальция реагирует, испаряется высокотоксичный газ. Это вместе с испарением и окислении магния делает процесс ММ1 относительно небезопасным для здоровья человека и окружающей среды. Что также было одной из причин, почему процесс ММ1 был заброшен в Северной Америке. Совместное введение также считается менее безопасным, чем процесс КР (табл. 1).

Таблица 1

Качественное сравнение различных процессов десульфурации

Параметр ММ1 СснгуесШп

Время процесса - + + +

Потеря железа -- + + + +

Износ оборудования -- - +

Потеря температуры - + +

С низким содержанием серы + + -- +

Гибкость - - + +

Безопасность + + -- +

Сравнение с экономической точки зрения

При рассмотрении капитальных расходов система КР дороже совместной инъекции и ММ1 в связи с большим затратами на фурмы и вращательный элемент. Процесс ММ1 немного дешевле, чем соинжекция, потому что требуется только один дозатор.

Часто эксплуатационные расходы системы сероочистки считаются наиболее важным фактором. Рассмотрим эксплуатационные расходы всех трех методов десульфурации подробнее.

Потеря железа является наиболее важным фактором затрат системы сероочистки. Считается, что стоимость чугуна составляет 300 € / т. Как описано выше, потери металла для MMI и совместной инъекции составляет около 1%. Для КР потери горячего металла - 2-3% (здесь будем использовать 2,5%). В общем, расходы из-за потерь железа могут быть уменьшены при рассмотрении переработки шлака.

Для того чтобы сделать оценку затрат реагентов, рассчитывают, что затраты магния составляют 2500 €/т, известь для совместного впрыска 175 € / т, известь для процесса КР (низкого качества) 50 € / т. Считается, что для процесса MMI и совместной инъекции вводят 0,5 кг магния на тонну чугуна. При среднем соотношении 1:4 (Mg:CaO) совместное введение требует 2 кг извести на тонну жидкого чугуна. В целом процесс КР требует 10 кг извести на тонну чугуна. Для КР и MMI часто добавляют коагулянт (примерно 500 кг на плавку), который стоит около 80 €/т.

Наиболее важным износом оборудования для сравнения будем считать износ футеровки ковша и износ фурмы. Износ остальных частей оборудования учитывать не будем, потому что отличия процессов незначительны. Фурма процесса КЯ обрабатывает в среднем 30000 т чугуна (150 плавок по 200 т) и стоит около € 8000. Фурма процесса MMI обрабатывает в среднем 10000 т чугуна (50 плавок по 200 т) и стоит около € 1500. Фурма соинжекции обрабатывает в среднем 10000 т чугуна (50 плавок по 200 т) и стоит € 800.

Замена футеровки ковша обойдется в € 12,000. Так как MMI и КР процессы требуют большей высоты надводного борта (по крайней мере, 50 см), количество необходимого огнеупора составляет на 10% больше (таким образом, общая сумма расходов 13 200 €). Для системы КР кладку футеровки меняют в среднем за 18000 т чугуна (90 плавок по 200 т). Футеровку ковша в системе MMI необходимо менять в среднем каждые 24000 т чугуна (120 плавок по 200 т). Для системы соинжекции футеровка ковша должна быть заменена на 36000 тчугуна (180 плавок по 200 т).

Потеря температуры для горячего металла означает, что в конвертор придется грузить меньше лома и больше чугуна. Затраты на этот дополнительный чугун оценивается в 0,025 €/^ на тонну чугуна. Процессы MMI и соинжекция теряют в среднем 10°С за плавку. КР теряет в три раза выше, 30^ за плавку (табл. 2).

Таблица 2

Наиболее важные эксплуатационные расходы

На тонну горячего металла KR MMI Co-injection

Потери железа €7.50 €3.00 €3.00

Расходы реагентов €0.70 € 1.45 € 1.60

Износ оборудования € 1.00 €0.70 €0.41

Потери температуры €0.75 €0.25 €0.25

Общее €9.95 €5.40 €5.26

Мы не учитываем здесь расходы на электроэнергию и транспортирующий газ, потому что на каждом производстве они разные. Однако понятно, что КР требует гораздо больше электроэнергии, чем другие процессы, в то время как MMI требуется 5-6 раз больше азота, чем совместная инъекция.

Выводы

В этом исследовании была сделана попытка сравнить три лидирующих метода сероочистки на основе металлургической производительности и денежных затрат. Цифры, указанные в данном исследовании, не должны считаться конечными, так как большинство из них являются средними, и оценки, основанные на опыте и литературе. Тем не менее на основе данного исследования некоторые выводы можно сделать.

Учитывая производительность и эксплуатационные расходы, KR является лучшим вариантом для десульфурации чугуна, если основной целью является получение низкой концентрации серы и потеря температуры и железа не проблема.

Если нам необязательно низкое содержание серы в чугуне, ресульфурация не является проблемой и короткий процесс моновспрыска магния будет самым эффективным.

Соинжекция магния и извести - наиболее гибкий и надежный вариант. Для широкого круга марок стали совместное введение является наиболее эффективным и экономически привлекательным методом.

Список литература

1. World Steel Prices. [Online] [Cited: April 30, 2014.] www.worldsteelprices.com.

2. Rational Ladle Treatment for Desulphurization of Hot Metall. Bol'shakov, V.I., et al., 4, 2009, Steel in Translation, vol. 39, pp. 326-333.

3. Production of Low-sulphur Steel With Limited Hidrogen Content. Nikolaev A.O., Bigeev V.A., Brusnikova A.V. // Steel in Translation. 2014, vol. 44, iss. 4, pp. 272-275.

Сведения об авторах

Schrama Frank - process engineer, Danieli Coras (Integrated Steelmaking Plants), The Netherlands. E-mail: FrankSchrama@danieli-corus.com, Tel.: +31 (0) 251 500 736

INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH

A COMPARISON OF THE LEADING HOT METAL DESULPHURISATION METHODS

Frank SCHRAMA, Bart van den BERG, Guido van HATTUM

(Danieli Coras, Velsen-Noord, the Netherlands)

Abstract. The current market demands desulphurized steel. Steelmakers worldwide agree that the most officient and cost effective solution of BOF steelmaking is to desulphurize the hot metal between the blust furnace and converter. Various methods are currently in use for hot metal desulphurization. Among this methods the Kanbara Reactor (KR) process (using only lime as a reagent), the Magnesium mono-injection process (using only magnesium as a reagent; also known as a Ukraina Desmag process) and the co-injection process (using magnesium and lime/CaC2 as reagents) are worldwide the most popular.

These three hot metal desulphurization methods are compared based on metallurgy, efficiency, costs and overall performance. Both available data from literature and experience from Danieli Corus engineers is used for this study.

The KR process is able to reach low sulphur concentrations (>10ppm) in hot metal and has lower reagent costs. However, due to higher Fe-loss and heavy wear the KR process has the highest operational costs.

The magnesium mono-injection process is very fast due to the use of the reactive magnesium is reagent. Major problem with resulphurisation (sulphur levels below 50 ppm cannot be reached) and the violence of the process made that this process (which originates from the former USSR) could never get a firm foothold in the western steel industry.

The co-injection process with magnesium and lime proves to be able to combine the best of both worlds. It can reach low sulphur concentrations and desulprurize fast. Co-injection is also the most flexible cost effective methods in the market. Therefore this process is steel viewed as the standart practice in the world of BOF steelmaking.

Keywords: BOF steelmaking, hot metal desulphurization, co-injection, Kanbara Reactor, magnesium mono-injection, Ukraina Desmag process.

♦ ♦ ♦