Введение к работе
Актуальность работы. Основными тенденциями развития к важнейшими задачами металлургии в псзледние годы и на перспективу является обеспечение эаэломичного производства широкого сортамента коч^рентоспособных и высоко,:ачественних марок стали, стечение энергетических и к.атериальных ватрат производства и потребления металла, повышение гибкости и надежности сталеплавильного передела, а тачде улучшение экологии. Одной аз гшжнеГзяия прсб^еу ь решении этих эаднч является создание наиболее аюэиомичлого и надежного процесса внепечнои деоульфурации чугуна - основной актовой составлявшей сталеплавильного производства.
В мировой практике однозначно решен вопроо о необходимости внепечнои деоульфурации чугуна. Имеется гначлтельноэ ;«ышчеотво научных и технических лаработок, а также промышленный отшт освоения этого процесса по различным технологическим решениям. С 70-х годов в число ведущих разработчиков процессов внепечнои деоульфурации входят также ученые и металлурги Украины. Создаваемые процессы базировались на научных наработках Куликова И.О., Воловика Г. A. j Красавцева Н.И., Вороновой Н.А., Борнацкого И.И., Найдека В.Л., Мачикина В.И., Плискановского СТ., Лаврентьева М.Л., Кудрина В.А., ГлоЕацкого А.В., Половчеико И.Г., Зборщика A.M., Смирнова Н.А., Дворянинова В. А. и др. Благодаря этому на ряде металлургических комбинатов создаются установки (УДЧ) и отделения (ОДЧ) десульфураівт чугуна.
Инфекционный ввод реагектов вглубь расплава создает благоприятные условия для обеспечения управляемого тепло- и массообмен-ного процесса в обрабатываемой ванне, в т.ч. за счет развитой реакционной поверхности реагектов, регулируемого подвода участников обменных процессов в реакционную вону, отвода продуктсв реакции и ряда других факторов. Это позволяет испольвовать широкий круг реагентов и варьировать глубиной десуліфурации чугуна.
В то же время степень усвоения реагентов и, соответственно, показатели реально применяемых технологій-! находятся на недостаточном уровне и изменяются в очень широких пределах. Основной причиной этого является недостаточно глубокая и неполная научная проработка вопросов, относящихся к трактовке механизма и кинетики процессов, а также некомплексный подход к решению задач и выбору конкретных технологических решений. Не учитывался ряд особенностей обменных процессов в системе "металл-реагент-шлак-гагогг-ч зт-
моофера" при внепечной обработке чугуна. При рассмотрении механизма и кинетики упускаюсь то, что внепечная дэсульфурация - это не только ввод реагентов в металл и протекание реакций между серей и реагентами, а весььа сложный и тонкий кооперативный процесс, требующий сосшу.ения комплекса условий для создан ля іаибо-j.ee выгодных параметров реализации именно оптимального мех шивма процесса. Позтоіу применяемые технологии внепечной деоульфурации чугуна осуществлялись, как правило, в условиях л режимах, отлича-сдахя от оптимальных.
Решение всего круга задач является актуальной научной проблемой, имеющей важное народнохозяйственное вначение. При ее решении автором на базе комплексного подхода к выбору принципиальных положений изучены и разработаны недостаточно исследованные и нерассмотренные ранее вопросы теории обменных процессов и технологии внепечной деоушфурации чугуна различными реагентами. Это позволило обработать наиболее материале- и энергоэ.юнемные, эффективные и надежные технологические процессы внепечной дес/льфу-рации чугуна рядом реагентов оо снижением содержании серы вплоть до 0,001-0,003*, что уошлвает актуальность и значимость данной работы.
Цель работы. Разработка л равьлие основных теоретических положений и технологических Ш'уаметров оптимальных вариантов процес »в внепечной деоульфурации чуп'нх инжектированием розличных реагентов о созданном наиболее мптэриало- и энерго.экономны* технологических решений на основе комплексного исследования и анали-ва гакономерностей обменных процессов в системе "металл-реа-ге'гт-шлак-гааовая атмосфера".
Научная новизна. Разработаны основные научные положения и методология концепции выбора параметров оптимального, процесса внепечной деоульфурации чугуна различными реагентами на базе широкомасштабного комплексного исследования и анализа.
Выполнен системный анализ имеющихся к/к литературных, так ь собственных науч:шх данных в области внепечной десульфуоации чугуна.
С единых методических позиций применительно к условиям вне-печного рафинирования и с учетом возможных фазових превращений реагентов при вводе их в чугун определены термодинамические параметры комплекса ре&кц-.ш между реагентами, компонентаm чугуна, гааг.ой средой и окружения. В результаті теоретического обобщения oemjoro объема информации В'иедены уравнения для расчета величин
изменения иэобарно-иэотермического потег.циала ряда реакций, протеї ающих при внепечной обработке чугуна, на основе чего обоснована исходные условия реализации оптимальне го механизма и наиболее рациональной схемы обменных процессов.
Впервые рззработакз и применена математическая модель для расчета параметров нагрева, превращений и всплывания реагентов в жидкові чугуне. Выведены аналитические выражения и получены диаграммы для оценки соотношения процессов нагреве, яреврацеккЛ и всплывания реагентов. Теоретически обоснованы оптимальные размеры частиц применяемых реагентов и параметры их ввода в расплав. Показано, что магнии, в отличие от других реагентов, при вводе в расплав чугуна должен быть предварительно испарен.
Разработаны ноьые теоретические представленій о механизме процесса десульфурации .чугуна магнием, вводимым в расплав в струе инжектирующих газов. Показана приоритетность и правомерность реализации механизма взаимодействия именно растворенного в чугуне магния с компонентами расплава, газовой среды и ковиезого шла і.
Сформулированы основные положения методов выбора схемы н механизма реализации обменных процессов при десульфурации чугуна в оптимальных условиях. Выведены и экспериментально проверены аналитические выражения для расчета параметров смешивания чугунов с различным содержанием серы после десульфурации растворяющимися и нерастворяющимися в чугуне реагентами.
Теоретически обоснованы и определены условия, при которых инжектирующий газ, обеспечивая требуемые условия перемешивания, не оказывает отрицательного влияния на процессы десульфурации. Установлены величины оптимальных концентраций реагентов в газовой среде.
Впервые теоретически изучены и оценены в сопоставимых условиях закономерности тешюоОменных процессов при деоульфурации чугуна различными реагентами. По выведенным аналитическим выражениям получены диаграммы для определения потерь тепла в переменных условиях рафинирования.
Проведены широкомасштабные экспериментальные исследования закономерностей процессэ десульфурации чугуна различными реагентами. Подтверждены основные теоретические положенні, работы, уточнены принятые критерии л константы. Получены новые экспериментальные данные по комплексу показателей десульфурации чугуна.
Впервые разработаны-основные положения процесса десульфурации чугуна с корректировкой состава газовой атмосферы, ковиевого
шлака и чугуна о целью повышения эффективности рафинирования и предотвращения развития процессов реоулъфурации.
Выработаны требования к аппаратурному оформлению процессов десульфурации и тє.шологичєсісому оборудованию; эксперимент эльно установлен ряд закономерностей инжектирования реагентов в расплав. Созданы принципиально новью конструкция фурм и оборудования для вдувания реагентов в жидкий чугун.
Установлены законоиирности и параметры пылегазообраэозаний иэ ковшей при вводе различных реагентов.
Сформулированы основные положения, исходные требования и рекомендации для реализации высокоэффективных процессов внепечной десульфурации чугуна различными реагентами.
Практическая ценность и реализация результатов работы. Разработаны оптимальные параметры промышленных технологий десулъфурации чугуна в ковшах вдуванием различных реагентов (магния, извести, карбида кальция, седы, композиций Н их основе) то снижением содержания серы до О 001-0.005Х и ог-еленью использования магния 95Х, извести - до І.0Х, кальцин'лрованной соды - до 3PZ и карбида кальция - до 31Х. Разработаны номограмм> для определения удельных расходов реагентов в нависк-ости от условии ооушестзде-ния десульфурации чугуна. Сову икы и прошли промышленную проверку мате; мало- и энергоэкономные технологій! десулъфурации чугуьа различными реагентами с минимальными і к расходами и наименьшими потерлий температуры чугуна, в т.ч. при вдувании гранулировапюго матні я - 5-10С, пэрепковой извести - 20С.
Комплекс технологических и технических решений дачной работы составил основу исходных данных, технолопічесішх рекомендаций и технологических заданий иа создание новых и модернизацию имеющихся УДЧ и ОДЧ металлурі ических комбинатов "Азовстаю", ДА«К им. Дг ердинского, "Кривсрохсталь", "Запорожотаіь",Новолішецазго, им.Ильича, Магнитогорского, гаводої им.Пеіровс:сого, "Свободный Сокол" и др.
Созданные технологии внедоменной десульфурации чугуна влува-клем гранулированного магния и порошковой извести ос: оени и внедрены на металлургических комбинатах "Ааорстадь", Новолипецком, "Запоромстрль", им.Дзержинского, "Криворожоталь", им.Ильича, заводов "Свободный Сокол" и Лутугинском прокатных raiw в пр:і про--нэво;.тве высококачественных и ответственного вавначения марок стали и чугуна.
Технологический ироцэос десулъфурации чугуна гранулирбзанным
магнием продан по лицензии АО "Раутаруук їй" (Финляндия) и реализован в аЭгеме 1,6 млн.т/год на ссэрулзнной УДЧ Раахесского металлургического вавода.
Суммарное годовое производство обессеренного чугуна по разработанным технологам составило 7,15 млн. т/год. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения и использования результатов работы составил 19,587 млн.руб. (в ценах до 1990 г.) и 428 идрд.крб. (в ценах после 1990 г.) с долевым аффектом автора соответственно S,31 млн.руб. и 130,4 млрд.крб.
Апробация работы. Материалы диссертации доложены на Международных конгрессах литейщиков (Москва, 1973 г.), Воемирной магниевой ассоциации (Берлин, 1994 г., Сан-Франциско, 1977 г.), 1-І/ Конгрессах сталеплавильщиков (Москва, 1992, 1995, 1996 г.г., Липецк, 1993 г.), 3-х Международных семинарах (Москва, 1980, 1982 г.г., Магнитогорск, 1990 г.), на 14-ти Всесоюзных и стран СНГ конференциях и совещаниях, Б-ти Пленарных васеданиях Центрального правления научно-технического общества черной металлургии СССР и Украины, 10-ти заседаниях Коллегии Министерств черной металлургии СССР и Украины, а также заседании Бора отделения физика-технических проблем материаловедения Национальной Академии наук Украины.
Разработки по теме диссертации экспонировались на международных выставках, ярмарках, ВДНХ СССР и УССР и отмечены дипломами и медалями.
Результаты исследований и разработок автора по внепечной обработке чугуна магнием являются составной частью работы, удостоенной Государственной премии Украинской ССР в области науки и техники.
Публикации. По материалам исследований и разработок диссертации опубликована 101 статья, получено 34 авторских свидетельства на изобретения и 16 зарубежных патентов (США, Германии, Франции, Швеции, Бельгии, Австралии и др. стран).
Объем работы. Работа состоит из введения, 8 глав, ваключе-ния, библиографического списка - 242 наименования, 252 страницы машинописного текста, 133 рисунка и 36 таблиц.