CC BY
111
МЕТАЛЛУРГИЯ СТАЛИ
УДК 669.184.046.516:622.341.15'185 Сергеев Д.С., Колесников Ю.А.
СТРУКТУРА ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТЕРНОЙ ПЛАВКИ ПРИ РАЗЛИЧНОЙ ДОЛЕ ЧУГУНА В МЕТАЛЛОШИХТЕ
Аннотация. В данной статье приведены результаты расчета составляющих теплового баланса кислородно-конвертерной плавки стали при различной доле чугуна в металлической шихте. Дополнительно были рассчитаны охлаждающие эффекты различных шихтовых материалов (лома, известняка, сырого доломита и т.д.) в кислородном конвертере по технологии выплавки стали, проводимой без промежуточного спуска шлака. Было уделено внимание рассмотрению возможности применения сидеритовой железной руды в качестве комплексного материала охладителя-флюса. Расчет проводился по модернизированной математической модели и программе, созданной в среде Microsoft Excel, в основу которой была положена система балансовых уравнений, решаемых совместно методом итераций. Представлены данные расчета прихода и расхода тепла плавки на тонну стали при стандартной металлошихте, а также при повышении доли чугуна. Получены графические зависимости изменения теплового баланса плавки.
Ключевые слова: выплавка стали, доля чугуна в металлошихте, сидеритовая железная руда, кислородно -конвертерный процесс, тепловой и шлаковый режимы плавки, математическое моделирование, эксперименты, шихтовые материалы.
За последние 20 лет в целом доля лома в металлошихте сталеплавильного производства неуклонно снижается [1, - 3]. Например, в ККЦ ОАО «ММК» доля чугуна в металлошихте колеблется от 75 до 87 % (в среднем 79,5 %). Здесь с повышенной долей чугуна (более 80 %), как правило, выплавляются стали повышенного качества: трубные для магистральных газопроводов, судостроительные, автокузовные и т.д. При увеличении доли чугуна возрастает удельный приход физического и химического тепла в процесс [4, - 7]. Это заставляет конвертерщи-ков применять альтернативные лому охладители ванны: железорудные окатыши, агломерат, окалину, известняк, сырой доломит и т.п. Все эти материалы в той или иной степени являются еще и твердыми окислителями, а последние два - одновременно и шлакообразующими [8,
- 11]. Например, доломит (наряду с другими магнезиальными материалами) обеспечивает в конвертерных шлаках содержание MgO в пределах 8-12 %, что продлевает сроки службы футеровки конверторов [12,
- 15].
В связи с этим встает задача количественно оценить тепловой баланс конвертерной плавки с повышенной долей чугуна [16, 17]. По модели и программе, разработанными на кафедре ТМиЛП ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г.И. Носова», сделаны расчеты материальных и тепловых балансов плавок с разным расходом чугуна [17, - 19].Также были определены охлаждающие эффекты различных материалов, которые использовались на плавку. Так, один процент сидерита от массы металлошихты (4 т) снижает тем-пературу металла на 37 °С, в то время как известняк - на 28 °С, сырой доломит - на 31 °С, ожелезненный доломит, лом и скрап
© Сергеев Д.С., Колесников Ю.А., 2017
(металлопродукт шлакоперера-ботки) - на 14 °С. Была оценена возможность использования сидеритовой руды как материала, выполняющего функции твердого окислителя-охладителя. Она также может быть рекомендована к применению в конвертерных цехах, работающих с повышенной долей чугуна в металлошихте.
В таблице представлены данные расчета при обычном расходе лома 22 % и чугуна 78 %.
Данные расчета прихода и расхода тепла на тонну стали, МДж
На рис. 1 и 2 представлен тепловой баланс прихода и расхода тепла на тонну стали в зависимости от расхода чугуна в металлошихте.
Из рис. 2 видно, что избыток тепла при повышении доли чугуна в металлической шихте с 78 до 92,7% возрастает примерно в четыре раза, и его нужно компенсировать вводом дополнительных
охладителей.
Физическое тепло чугуна 1,111
Химическое тепло чугуна 1,110
Тепло на металл 1,442
Тепло на шлак 0,341
Тепло на газы 0,200
Тепловые потери 0,122
Другие затраты 0,115
МЕТАЛЛУРГИЯ СТАЛИ
Таким образом, проведенный анализ структуры теплового баланса кислородно-конвертерной плавки при различной доле чугуна в металлошихте позволил количественно оценить возникающий профицит тепла и обосновать необходимость применения дополнительных охладителей. В дальнейшем предлагаемые рекомендации будут проверены в промышленных условиях.
2.5
76 78 80 82 84 86 88 90 92 '.I
Расход чугуна, %
Рис. 1. - Зависимость общего тепла на тонну стали от расхода чугуна
7BJ0 825 87.8 92,7
Расход чугуна, %
■ Физическое гало чугуна ■ Химическое тепло чугуна ■ Тепло на нагрев металла ■ Тепло на нагрев шпака
■ Тепло на нагрев газов ■ Другие заграга тепла ■ Тепловые потерн
Рис. 2. - Гистограммы баланса прихода и расхода тепла на тонну стали в зависимости от расхода чугуна
Список литературы
1. Опыт выплавки стали в сверхмощной дуговой печи с повышенным расходом твердого чугуна / Би-геев В.А., Валиахметов А.Х., Йе-нер Б., Федянин А.Н. // Вестник Магнитогорского государственного технического университета им. Г.И. Носова. 2014. № 1 (45). С. 15-18.
2. Григорович К.В. Настоящее и будущее технологий производства сталей XXI века // Сборник тезисов докладов сателлитной конференции ХХ Менделеевского съезда по общей и прикладной химии V Международ-ной конференции-школы по химической технологии. М., 2016. С. 45-47.
3. Леонтьев Л.И., Григорович К.В., Костина М.В. Фундаментальные исследования как основа создания новых материалов и технологий в области
металлургии. Ч. 1 // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2016. Т. 59. № 1. С. 11-22.
4. Теоретические и технологические решения повышения стойкости футеровки кислородных конвертеров и современных ДСП / Бабенко А.А., Смирнов Л.А., Михайлова Л.Ю., Ушаков М.В., Спирин С.А., Сычев А.В. // Химия и металлургия комплексной переработки минерального сырья. 2015. С. 226-234.
5. Бигеев В.А., Колесников Ю.А., Сергеев Д.С., Состояние и перспективы использования си-деритовых руд бакальского месторождения в черной металлургии // Теория и технология металлургического производства: межрегион. сб. науч. тр. / под ред. В.А. Бигеева. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2013. Вып. 1 (13). С. 4 - 8.
6. Колесников Ю.А., Бигеев В.А., Сергеев Д.С. Расчет технологических параметров выплавки стали в конвертере с использованием различных охладителей // Теория и техноло-гия металлургического производства: межрегион. сб. науч. тр. / под ред. В.А. Биге-ева. Магнитогорск: Изд-во Магнитогорск, гос. техн. ун-та им. Г.И. Носова, 2014. Вып. 2(15). С. 45 - 46.
7. Применение методов пиро- и гидрометаллургии для переработки сидеритовых руд / Колокольцев В.М., Бигеев В.А., Клочковский С.П., Смирнов А.Н., Бессмертных А.С. // Горный журнал. 2012. № S3. С. 22-24.
8. Савченко И.А., Смирнов А.Н., Турчин М.Ю. Подготовка высокомагнезиальных сидеритов бакаль-ского рудного поля к металлугическому производству методами пиро- и гидрометаллургии // Вестник Южно-Уральского государственного университета. Серия: Металлургия. 2016. Т. 16. № 3. С. 63-69.
9. Юрьев Б.П., Шацилло В.В., Меламуд С.Г. Методика определения расхода твердого топлива на обжиг сидеритовых руд в различных газовых средах // Известия высших учебных заведений. Черная металлургия. 2008. № 2. С. 8-11.
10. Klochkovskii S., Smimov A. The principles of processing siderite ores with a high magnesium oxide content // Diffusion and Defect Data. Pt A Defect and Diffusion Forum. 2012. vol. 326-328. P. 111-114.
11. Yur'ev B.P., Zhunev A.G. Particularities in sintering of bakal'skie siderite ores // Shuiyun Gongcheng. 1998. № 10. P. 5-10.
12. Smirnov A.N., Abdrakhmanov R.N., Turchin M.Y. Possibilities of a thermomechanical meth-od for enriching magnesia-bearing raw materials to obtain quality magnesia // Refractories and Industrial Ceramics. 2016. vol. 57. № 2. P. 121-124.
13. Klochkovskii S., Smirnov A., Shabalina U. Thermo-dynamic and kinetic study of leaching magnesia from natural magnesites by carbon di-oxide // Diffusion and Defect Data. Pt A Defect and Diffusion Forum. 2011. vol. 309-310. P. 261-264.
14. Барон Н.М. Краткий справочник физико-химических величин / под ред. А.А. Равделя и А.М. Пономаревой. М., 2010. 200 с.
№1 (20). 2017
5
Раздел 1
15. Бигеев В.А., Колесников Ю.А., Сергеев Д.С. Модель управления конвертерной плавкой стали // Приложение математики в экономи-ческих и технических исследованиях: сб. науч. тр. / под. ред. В.С. Мхитаряна. Магнитогорск: Изд-во ФГБОУ ВО «МГТУ», 2016. С. 283 - 294.
16. Бигеев А.М., Колесников Ю.А. Основы математического описания и расчеты кислородно-конвертерных процессов. М.: Металлургия, 1970. 232 с.
17. Бигеев А.М. Математическое описание и расчеты сталеплавильных процессов. М.: Металлургия, 1982. 160 с.
18. Свид. 2015660834 РФ. Расчет параметров выплавки стали в кислородном конвертере с верхней подачей дутья с использованием различных охладителей / Сергеев Д.С., Бигеев В.А., Колесников Ю.А., Ячиков И.М. Опубл. 20.11.2015.
19. Пат. 2608008 РФ, МПК C21C5/28. Способ выплавки стали в кислородном конвертере / Сергеев Д.С., Бигеев В.А., Колесников Ю.А., Дудчук И.А. Опубл. 11.01.2017. Б.И. № 2.
Сведения об авторах
Сергеев Дмитрий Станиславович - аспирант кафедры технологий металлургии и литейных процессов института металлургии, машиностроения и материалообработки ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. Тел.: 8 (3519) 29-85-59. E-mail: [email protected]
Колесников Юрий Алексеевич - канд. техн. наук, доцент кафедры технологий металлургии и литейных процессов института металлургии, машиностроения и материалообработки ФГБОУ ВО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», Магнитогорск, Россия. Тел.:8 (3519) 29-85-59. E-mail: v.bigeev! 1 @yandex.ru
INFORMATION ABOUT THE PAPER IN ENGLISH
STRUCTURE OF THERMAL BALANCE OF OXYGEN AND CONVERTER MELTING AT A DIFFERENT SHARE OF CAST IRON IN METALFURNACE CHARGE
Sergeyev Dmitry Stanislavovich - Graduate student of department "Technologies of metallurgy and foundry processes", Institute of metallurgy, mechanical engineering and material processing, "Nosov Magnitogorsk State Technical University", Magnitogorsk, Russia. E-mail: [email protected]
Kolesnikov Yury Alekseevich - PhD (Eng.), Associate Professor of department "Technologies of metallurgy and foundry processes", Institute of metallurgy, mechanical engineering and material processing, "Nosov Magnitogorsk State Technical University", Magnitogorsk, Russia. E-mail: v.bigeev! 1 @yandex.ru
Abstracts. This article presents the results of calculating the components of the heat balance (physical and chemical heat of cast iron, heat to metal, heat to slag, etc.) of oxygen-converter steel melting at a different proportion of cast iron in a metallic charge. In addition, the cooling effects of various charge materials (scrap, limestone, crude dolomite, etc.) were calculated in an oxygen converter using the technology of steel smelting conducted without intermediate slag discharge. Attention was paid to the possibility of using siderite iron ore as a complex coolant-flux material. The calculation was based on a modernized mathematical model and a program created in the Microsoft Excel environment, based on a system of balance equations that were solved jointly by the iteration method. Data are presented for calculating the heat input and heat consumption for a ton of steel with a standard metal charge, as well as increasing the share of cast iron. Graphic dependencies of the heat balance of the melting are constructed.
Keywords: Steel smelting, cast iron share in metalfurnace charge, sideritic iron ore, oxygen and converter process, thermal and slag modes of melting, mathematical modeling, experiments, burdening materials.
Ссылка на статью:
Сергеев Д.Ю., Колесников Ю.А. Структура теплового баланса кислородно-конвертерной плавки при различной доле чугуна в металошихте // Теория и технология металлургического производства. 2017. .№2(21). С. 4-6.
Sergeev D.S., kolesnikov Y.A. Structure of thermal balance of oxygen and converter melting at a different share of cast iron in metalfUrnace charge. Teoria i tehnologia metallurgiceskogo proizvodstv. [The theory and process engineering of metallurgical production]. 2017, vol. 21, no. 2, pp. 4-6.
