Десульфурация чугуна

Д. А. Дюдкин, С. Е. Гринберг

По данным американских исследователей, приве­денным в монографии [1], выведено уравнение десуль­фурации чугуна известью, инжектируемой в струе при­родного газа:

S_к = 0,005 + 4,05∙S_н/2,2∙q + 0,23∙S_изв
где: S_к - конечное содержание серы, %;
        S_н - началь­ное содержание серы, %;       
        S_изв - содержание серы в из­вести, %;
        q - расход извести, кг/т чугуна.

Анализ этого уравнения показал, что для получения малосернисто­го чугуна требуется достаточно много извести даже с малым содержанием в ней серы (до 0,007 %). Значительный расход извести приводит к большим потерям тепла и снижению температуры чугуна. Кро­ме того, известь должна применяться только в свежеобоженном виде из-за склонности ее к гидратации.

Использование извести в смеси с магнием приво­дит к снижению эффективности воздействия магния, так как имеющийся в извести "недопал" (неразложив­шийся известняк - СаСО₃), а его содержание достигает 10 %, будет реагировать с магнием по реакциям:

СаСО₃ = СаО + СО₂;

СО₂ + Mg = СО + MgO.

Известный способ десульфурации чугуна содой малопривлекателен из-за ее значительного испарения, что требует высокой степени очистки отходящих газов, и большого расхода материала. Так, по данным [1], тре­буемая степень десульфурации достигается при следу­ющем расходе соды:

Таблица 1 - Расход извести в зависимости от степени десульфурации.

Кроме того, при использовании соды развивает­ся реакция взаимодействия содового шлака с огнеупо­рами ковша, что сокращает срок службы футеровки почти вдвое. Поэтому соду как десульфуратор обычно применяют только для незначительного уменьшения содержания серы или в особых случаях, например в сочетании с окалиной для получения чугуна с понижен­ным содержанием серы и фосфора одновременно.

Использование карбида кальция требует специ­альных мер безопасности при обработке чугуна и хра­нении получаемого шлака, в котором имеется остаточ­ное количество непрореагировавшего карбида.

Исходя из изложенного, как показано в статье [2], в настоящее время лучшим десульфуратором может быть признан магний, применение которого позволя­ет получать низкое и сверхнизкое содержание серы в чугуне. Гранулированный магний вводят путем вдува­ния в струе газа-носителя через фурму или в виде по­рошковой проволоки с помощью трайб-аппарата. Пер­вый способ появился значительно раньше (примерно на 30 лет), а способ ввода порошковой проволоки по­лучил развитие в последние 10 лет. В работе [2] приве­дено сопоставительное исследование этих двух спосо­бов ввода магния в чугун, выполненное, по нашему мнению, недостаточно корректно, так как учитывают­ся только затраты на реагенты. При этом делается вы­вод о фактической неэффективности способа ввода магния в виде порошковой проволоки "как в теорети­ческом, так и в практическом плане".

Обычно для сопоставления любых технологий применяют системный подход, предусматривающий оценку капитальных и амортизационных затрат, эко­логических аспектов и необходимых средств очистки отходящих газов, снижения температуры чугуна, зат­рат на реагенты и другие материалы, организационных работ и т.д.

Для реализации способа вдувания необходимо громоздкое дорогостоящее оборудование, включающее систему бункеров и пневмотранспорт; требуются зна­чительные площади под это оборудование, помещения для сборки и сушки фурм и т.д. Стоимость комплекса для десульфурации чугуна составляет 10...14 млн. долл. США.

Для ввода порошковой проволоки используется компактное оборудование, включающее трайбаппарат, разматыватель и направляющую трубу, которое может быть установлено на площади не более 5...8 м². На предприятие-потребитель поступают уже готовые бухты порошковой проволоки; их размещение не тре­бует значительных складских помещений.

Для организации вдувания магния необходим участок, включающий склад огнеупоров и огнеупор­ных масс, смеситель для их приготовления; участок наборки фурм и сушило, а также персонал, обслужива­ющий эти участки. При вдувании порошкового маг­ния нельзя обрабатывать полные чугуновозные и за­ливочные ковши, так как газ-носитель занимает часть объема ковша и, кроме того, возникает сильный барботаж. Поэтому при вдувании магния ковш заполня­ют не более чем на 75 % полезного объема или увели­чивают объем ковша за счет его высоты, что не всегда возможно. При вводе порошковой проволоки, как по­казала практика, можно обрабатывать ковши с полным наливом (высота свободного борта должна быть по­рядка 200...300 мм).

По измерениям, проведенным ...энергочерметом на металлургическом комбинате им. Ильича, количество отходящих газов при вдувании магния примерно вдвое больше, чем при вводе порошковой проволоки, так как объем отходящих газов увеличивается за счет вдуваемого газа-носителя. Это влечет за собой необхо­димость увеличения пропускной способности газоочис­тки и приводит к дополнительным затратам.

Измерения температуры, проведенные при вводе порошковой проволоки на ряде предприятий, показа­ли, что снижение температуры чугуна за время обра­ботки (без учета естественных потерь температуры ков­шом) составляет 5...10 °С. При вдувании магния охлаждение достигает 15...20 °С, а это существенно, особенно для конвертерного процесса.

Процесс ввода порошковой проволоки автомати­зирован, и режим можно оперативно изменять по ходу процесса. В работе [3] сообщается о компьютерной про­грамме "Советчик оператора", позволяющей устано­вить параметры эффективной оптимизации технологии внедоменной десульфурации чугуна порошковой про­волокой с магнием.

Преимущество способа вдувания заключается в том, что магний поступает в объем чугуна точно на глубине погружения фурмы. При вводе порошковой проволоки на глубину ее погружения влияют физико-химические свойства чугуна, в частности его химичес­кий состав и температура, но влияние этих параметров можно скорректировать, изменяя скорость ввода про­волоки.

Следует отметить, что и при вдувании, и при вво­де порошковой проволоки магний практически сразу же испаряется. Это объясняется следующим [2]. Давле­ние насыщенных паров магния при 1300 °С равно 0,4 МПа. при 1350 °С уже 0,8 МПа, что соответствует ферростатическому давлению столба жидкого чугуна - 6 и 12 м. Поскольку высота налива чугуна в чугуновозных ковшах не превышает 2,5 м, а в заливочных - до 5 м, то идет интенсивное выделение паров магния из расплава.

Как известно, введенный в чугун магний расходу­ется на реакцию десульфурации, часть его растворяется в чугуне (по нашим данным, обычно до 0,015...0,025 %), часть расходуется на соединение с растворенным в чу­гуне кислородом (до 0,010 % [1]), а остальной непроре­агировавший магний, соединяясь с кислородом возду­ха и образуя MgO, испаряется в виде белого дыма. В связи с изложенным приведенное в работе [2, рис. 2] значение степени усвоения магния на уровне 95 % при глубине погружения фурмы 3,5 м представляется завы­шенным. По-видимому, указанные данные получены при опытной обработке чугуна в 300-т заливочных ков­шах в миксерном отделении конвертерного цеха метал­лургического комбината "Азовсталь". Известно, что весь поступающий в этот цех чугун предварительно обрабатывают вдуванием гранулированного магния в чугуновозных ковшах в отделении десульфурации чу­гуна. После его перелива в заливочные ковши содер­жание растворенного магния обычно составляет до 0,025 %. Естественно, что при повторной обработке чугуна на опытной установке в миксерном отделении ККЦ этот магний участвует в реакции десульфурации. Возможно, этим можно объяснить получение такой высокой степени использования магния.

Как уже отмечено, процесс десульфурации чугу­на порошковой проволокой находится в развитии. Про­мышленное опробование порошковой проволоки с наполнением ферросиликомагнием на металлургичес­ком комбинате им. Ильича показало, что при умень­шении содержания серы в чугуне с 0,035 до 0,005 % удельный расход реагента (по магнию) составляет 0,45 кг/т чугуна (при вдувании - 0,52 кг/т [2, рис. 3]). Со­гласно проведенным в отделении десульфурации чугу­на Институтом экологических технологий Донбасса измерениям, объем пылегазовых выбросов сокраща­ется в 7,3 раза по сравнению с образующимся в случае применения порошковой проволоки с гранулирован­ным магнием.

Сопоставление экономической эффективности способов десульфурации чугуна вдуванием гранулиро­ванного магния и вводом магнийсодержащей порош­ковой проволоки представлено в таблице, исходя из данных [4]. Следует отметить, что в этой работе сопос­тавление проведено для обработки жидкой стали силикокальцием. Поскольку установки для обработки стали и чугуна способами вдувания и ввода порошко­вой поволоки идентичны, такое сопоставление можно признать правомочным. Единственное, что затраты на огнеупоры и фурмы при обработке чугуна будут не­сколько меньше, так как обрабатываемый чугун имеет более низкую температуру, чем сталь. Вместе с тем в приведенном сопоставлении отсутствуют затраты на очистку отходящих газов, которые при использовании порошковой проволоки значительно меньше (см. от­чет ИЭТ).

Затраты на материалы приведены по фактическим данным металлургического комбината им. Ильи­ча, обрабатывающего чугун магнийсодержащей по­рошковой проволокой с инертной добавкой на протя­жении ряда лет, и, по данным [2, рис. 3], для десульфу­рации способом вдувания при одинаковом уменьшении содержания серы (с 0,035 до 0,005 %). Как следует яз таблицы, уровень производственных расходов при использовании порошковой проволоки существенно ниже, чем при вдувании гранулированного магния, даже с учетом значительно больших затрат на порош­ковую проволоку.

При использовании в качестве наполнителя по­рошковой проволоки кремниймагниевой лигатуры вместо гранулированного магния с инертной добавкой затраты на материалы уменьшатся по сравнению с при­веденными в таблице, так как удельный расход прово­локи сократится в - 1,5 раза.

Таким образом, сопоставлением способов десуль­фурации чугуна показало технико-экономическое и организационное преимущество ввода магнийсодержа­щей порошковой проволоки перед вдуванием гранули­рованного магния.

Следует отметить, что образующийся при десуль­фурации чугуна магнием высокосернистый шлак при дальнейшем переделе чугуна в сталь необходимо в обязательном порядке скачивать во избежание попадания в сталеплавильный агрегат. Вязкий высокомагнезиальный шлак в отличие от жидкотекучего при обработке содой или "рассыпчатого" при об­работке известью достаточно хорошо удаляется современными гребковыми машинами для скачивания шлака. При изготовле­нии чугунного литья скачивание шлака не требуется.

Заключение

Проведено сопоставление способов десульфурации чугуна магнийсодержащей порошковой проволокой и вдуванием гранулированного магния, исходя из капи­тальных затрат, затрат на материалы, снижения тем­пературы чугуна, организации производства и т.д.

Использование системного анализа при сопоставлении обоих способов показало, что при равных условиях десульфурации (начальное и конечное содержание серы) способ десульфурации порошковой проволокой более экономичен по сравнению с продувкой.

Библиографический список

1. Воронова Н. Л. Десульфурация чугуна магнием. М.: Метал­лургия, 1980. 239 с.
2. Шевченко А. Ф., Двоскин Б. В., Вергун А. С и др. Сопоставление эффективности способов десульфурации чугуна // Сталь. 2000. № 8. С. 14...17.
3. Крупенников С. Л., Филимонов Ю, П., Мазуров Е. Ф., Кузьменко А. Г. Определение оптимальной скорости ввода порошковой проволоки с магнием при десульфурации чугуна // Сталь. 2000. № 8. С. 8...21.
4. Поляков В. В. Ресурсосбережение в металлургии. М.: Маши­ностроение, 1993. С. 142...146.