Нізяєв Костянтин Георгійович. Наукові основи та розробка технології десульфурації залізовуглецевих розплавів зануреною електричною дугою

Краткое описание

Нізяєв Костянтин Георгійович. "Наукові основи та розробка технології десульфурації залізовуглецевих розплавів зануреною електричною дугою" : Дис... д-ра наук: 05.16.02 2008

Нізяєв К.Г. «Наукові основи та розробка технології десульфурації залізовуглецевих розплавів зануреною електричною дугою» - Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за фахом 05.16.02 - ”Металургія чорних і кольорових металів та спеціальних сплавів” - Національна металургійна академія України, Дніпропетровськ, 2008.
Дисертаційна робота присвячена дослідженню термодинамічних, фізико-хімічних і теплофізичних процесів, що протікають при обробці чавуну й стали магнієм і(або) кальцієм, які відновлюються в зоні зануреної в рідкий метал електричної дуги.
Розроблені теоретичні основи технології відновлення оксидів лужноземельних металів в об’ємі рідкого металу. Створено термодинамічну схему процесів термічного відновлення оксидів магнію і кальцію в умовах підвищеного тиску, визначені оптимальні склади сумішей для виготовлення відновлюваного блоку, що забезпечують електроізоляцію електродів, встановлених у блоці, від навколишнього залізовуглецевого розплаву та відновлення магнію і(або) кальцію в об’ємі рідкого металу.
Розроблено наукові основи та методологію використання відновлюваних блоків з паралельно розташуваними один до одного електродів, і при горінні між їхніми робочими кінцями електричної дуги. Розроблено конструкцію відновлюваного блоку та визначені технологічні і енергетичні параметри обробки залізовуглецевого розплаву електричною дугою, що занурюється.
Уперше експериментально визначені теплофізичні характеристики відновлюваних сумішей розробленого складу.
Результатами фізичного моделювання встановлена можливість нагрівання стали зануреною електричною дугою зі швидкостями 10 - 14 С/хв, при цьому тепловий ККД процесу на 15-20 % вище, ніж при підігріві сталі на установці ківш-піч.
У напівпромислових умовах реалізована технологічна схема особливо глибокої десульфурації чавуну й стали. Досягнуто ступінь десульфурації:
- чавуну (в напівпромислових умовах) - 90-98 %, при зниженні вмісту сірки з 0,042 % до 0,003% і ступені використання магнію- 95 %;
- сталі (в лабораторних умовах при однократній обробці) - 90-95 %, при зниженні вмісту сірки з 0,030-0,035 % до 0,002-0,003 % і при ступені використання магнію 80-97 %.
Порівняння ефективності різних способів десульфурації чавуну показує, що економічні витрати по розробленій технології нижче на 9,843 грн/т и 22,205 грн/т при сілікотермічному і на 8,633 грн/т та 20,955 грн/т при алюмотермічному відновленні магнію в порівнянні з обробкою чавуну інжектуванням гранулmjваного магнію і порошковим дротом, який містить магній, відповідно.
Ключеві слова:газопарова фаза, електрична дуга, відновлення, оксид, магній, кальцій, ферросиліцій, алюміній, десульфурація, нагрів, чавун, сталь.

На основі аналізу теоретичних аспектів і узагальнення практичного досвіду ковшової обробки чавуну й сталі запропоновані напрямки рішення проблеми підвищення конкурентоспроможності металопродукції України при одночасному зниженні ресурсо- і енерговитрат на її виробництво за рахунок створення універсальної технології обробки залізовуглецевого розплаву в ковші газопаровою фазою, яка утворена лужноземельними елементами відновленими в зоні зануреної в метал електричної дуги, що об’єднує процеси його нагрівання й рафінування, забезпечує дозований ввід й високий коефіцієнт засвоєння реагентів для обробки, найбільш повне використання їхньої реакційної здатності.
1. На підставі аналізу енергетичних і фізико-хімічних характеристик електричної дуги встановлено, що необхідною й достатньою умовою для виникнення електричного розряду і його стійкого існування в умовах обробки залізовуглецевих розплавів необхідна наявність в атмосфері дуги таких елементів, як калій, натрій, кальцій, магній.
2. У результаті термодинамічного аналізу існуючих термічних способів виробництва лужноземельних металів встановлено, що в умовах підвищеного тиску для одержання магнію можливо використання силікотермічного і алюмотермічного методу, а для одержання кальцію - алюмотермічного методу відновлення.
3. Розроблено термодинамічну схему відновлення оксидів магнію й кальцію й на її основі визначені склади сумішей для одержання пароподібних магнію й кальцію безпосередньо в об'ємі рідкого металу, що забезпечують протікання процесу з найменшими енерговитратами. Розрахунковим шляхом визначені сумарні витрати енергії на відновлення лужноземельних металів силіко- і алюмотермічним методом, які становлять на 1 г магнію 19,40 кДж і 17,72 кДж, відповідно, на 1 г кальцію - 14,65 кДж і 13,64 кДж.
4. Уперше, на основі дослідження закономірностей процесів виникнення електричної дуги, розроблено й експериментально вирішене завдання стабільного виникнення стійкого електричного розряду між робочими кінцями електродів, за рахунок установки між ними в процесі формування відновлюваного блоку суміші з тонкомолотого графіту й рідкого скла. Подібне рішення зробило операцію виготовлення відновлюваного блоку технологічною, яка не потребує особливих методів контролю. Встановлено, що відношення сили струму на електродах (А) до об'єму графітової вставки (мм3) не повинне бути менше 0,5-0,7. У цьому випадку гарантований час запалювання відновлюваного блоку не перевищує 20-30 с.
5. Уперше, з використанням авторської методики проведення експериментальних досліджень, визначені фізичні закономірності й характер плавлення сталевих електродів при їх паралельному по відношенню друг до друга розташуванні й при горінні між їхніми робочими кінцями електричної дуги. Це дозволило науково обґрунтовано визначити раціональні конструктивні параметри електродів і відновлюваного блоку.
6. Уперше науково обґрунтовані умови експлуатації відновлюваного блоку при зануренні в залізовуглецевий розплав. Теоретичним аналізом і експериментальними дослідженнями встановлено, що застосування електродів у відновлюваному блоці із прямокутним поперечним перерізом забезпечує збільшення об'єму суміші, що вступає в реакцію відновлення в 1,1-1,2 і 1,4-1,8 разів у порівнянні із застосуванням електродів круглого й трубчастого поперечного переріза, відповідно. Відношення довжини широкої грані електрода до довжини вузької повинне бути не менше 2,5-4,0 і не більше 20,0.
7. Уперше експериментально визначена залежність швидкості витрат відновлюваного блоку від щільності електричного струму. Це дозволило вирішити завдання керування процесом обробки залізовуглецевого розплаву електричною дугою, що занурюється.
8. Уперше результатами «гарячого» моделювання нагрівання сталі незалежною електричною дугою показана можливість нагрівання сталі зануреною електричною дугою зі швидкостями 10-14 С/хв.. Підігрів сталі повинен здійснюватися при високій напрузі джерела постачання й у вузькому діапазоні щільності струму 4-9 А/мм2, при цьому тепловий ККД процесу на 15-20 % вище, ніж при підігріві сталі на АКП.
9. У результаті узагальнення результатів теоретичного аналізу умов поглинання твердої фази при барботаже залізовуглецевого розплаву бульбашками магнію й(або) кальцію й розрахунків, виконаних з використанням експериментальних даних, у тому числі отриманих при виконанні чинної роботи, доведено, що відновлені магній і(або) кальцій витрачаються переважно на реакції десульфурації й розчинення в рідкому металі, а не окисляються продуктами відповідних реакцій відновлення.
10. Уперше експериментально визначено температурну залежність коефіцієнту теплопровідності відновлюваних сумішей розробленого складу і виконано розрахунок температури розігріву електродів відновлюваного блоку під впливом теплових потоків з боку електричного струму, що протікає по них, залізовуглецевого розплаву й електричної дуги. Встановлена тривалість періоду, протягом якого гарантована робота установки без руйнування відновлюваного блоку та доцільність, з погляду екранування електродів відновлюваного блоку від теплового потоку з боку рідкого металу, використання силікотермічного методу відновлення оксидів лужноземельних металів.
11. Уперше теоретично розроблена й експериментально підтверджена фізико-хімічна схема процесу десульфурації сталі магнієм, відновленим у зоні зануреної в рідкий метал електричної дуги на підставі якої розроблена методика розрахунку параметрів обробки залізовуглецевого розплаву електричною дугою, що занурюється. Отримані нові експериментальні дані про динаміку зміни вмісту сірки в оброблюваній сталі й ступеня використання магнію на реакцію десульфурації. Встановлено, що при зниженні вмісту сірки в сталі з 0,035 до 0,025 % ступінь засвоєння магнію становить 95-80 %, а при зниженні вмісту сірки в сталі з 0,010 до 0,005 % ступінь засвоєння магнію становить 40-25 %.
12. Уперше експериментально встановлено, що шлакова плівка на внутрішній поверхні реакційної зони у відновлюваному блоці утворюється з елементів вихідної відновлюваної суміші й продуктів реакцій відновлення, при цьому частка вихідної відновлюваної суміші в утворенні шлакової плівки становить 0,2-0,6.
13. У напівпромислових умовах виконана перевірка результатів лабораторних досліджень. Максимальний досягнутий ступінь десульфурації чавуну склав 97,2 %, ступінь використання магнію 98,14 %.
14. Порівняння ефективності різних способів десульфурації чавуну показало, що витрати на установці обробки металу заглибною електричною дугою нижче на 9,843 грн/т і 22,205 грн/т при силікотермічному відновленні магнію, і на 8,633 грн/т і 20,955 грн/т при алюмотермічному відновленні магнію в порівнянні з обробкою чавуну інжектуванням гранульованого магнію й магнийвмістким порошковим дротом, відповідно.