Содержание к диссертации
Введение
1. Литературный и патентный обзор 9
1.1 Постановка задачи исследования 40
2. Характеристики и существующие способы переработки природного и техногенного магнезиального сырья, параметры новой ресурсосберегающей технологии производства магнезиальных флюсов для модификации сталеплавильных шлаков с использованием некондиционного магнезиального сырья 41
2.1 Характеристики природного и техногенного магнезиального сырья 41
2.2 Существующие способы переработки природного и техногенного магнезиального сырья 48
2.2.1 Способ производства слабообожженных периклазовых порошков во вращающихся печах .48
2.2.2 Способ производства слабообожженных периклазовых порошков в многоподовой печи .49
2.3 Параметры новой ресурсосберегающей технологии производства магнезиальных флюсов для модификации сталеплавильных шлаков с использованием не кондиционного магнезиального сырья .51
3. Состав, физико-химические свойства опытных магнезиальных флюсов, получаемых в рамках ресурсосберегающей технологии 62
3.1 Опытный флюс марки ФОМИБ-2 67
3.2 Опытный флюс марки ФМ .84
3.3 Механизм модификации магнезиальными флюсами конвертерных шлаков 96
4. Моделирование гарнисажеобразования и апробация применения опытных флюсов 116
4.1 Моделирование кристаллизации гарнисажа при раздуве шлака в 160 т конвертере «ЕВРАЗ НТМК» .116
4.1.1 Исходные положения и допущения при моделировании нанесения гарнисажа при раздуве шлака в конвертере 116
4.1.2 Основные результаты .118
4.2 Практическое применение опытных флюсов 123
Заключение 132
Список сокращений 134
Список литературы 135
Приложение А 147
- Характеристики природного и техногенного магнезиального сырья
- Параметры новой ресурсосберегающей технологии производства магнезиальных флюсов для модификации сталеплавильных шлаков с использованием не кондиционного магнезиального сырья
- Механизм модификации магнезиальными флюсами конвертерных шлаков
- Практическое применение опытных флюсов
Введение к работе
Актуальность
Кислородно - конвертерный процесс является доминирующим в структуре производства стали. Качество, себестоимость конвертерной стали и производительность агрегатов в значительной степени определяются стойкостью футеровки и расходом огнеупоров.
Основным фактором, обеспечивающим повышение стойкости футеровки конвертеров, является выплавка металла с применением магнезиальных шлакообразующих материалов. Снижение износа огнеупоров и рост стойкости футеровки конвертера в этом случае достигается за счет уменьшения агрессивного воздействия шлаков на огнеупорную футеровку и оптимизацию состава конечного шлака для достижения его наилучшей адгезионной способности при формировании гарнисажа.
В соответствии с современными требованиями производство магнезиальных флюсов, обеспечивающих требуемый уровень стойкости футеровки, с сохранением высоких технологических показателей процесса, должно базироваться на экономической эффективности и ослаблении воздействия на окружающую среду. Такой подход диктует экономию материальных и энергетических ресурсов, возможность их оборотного использования в интересах решения экологических проблем и может быть реализован посредством рекультивации техногенного магнезиального сырья.
В связи с этим разработка технологии производства альтернативных магнезиальных шлакообразующих материалов для кислородно - конверторного процесса, расширяющих их марочный ряд и обеспечивающих требуемый уровень стойкости футеровки, с сохранением высоких технологических и технико - экономических показателей процесса, снижении негативного воздействие на окружающую среду и экономии природных ресурсов, является актуальной задачей.
Цель работы
Разработка ресурсосберегающей технологии производства и использования магнезиальных шлакообразующих материалов, снижающей негативное воздействие на окружающую среду при экономии материальных и энергетических ресурсов и обеспечивающей рациональный уровень стойкости футеровки, с сохранением высоких технико – экономических показателей кислородно - конвертерного процесса.
Для выполнения поставленной цели в ходе работы были решены следующие основные задачи:
Проанализированы характеристики природного и техногенного магнезиального сырья и рассмотрены существующие способы их подготовки и переработки.
Проведены комплексные исследования в области подготовки и переработки магнезиального сырья, для определения параметров ресурсосберегаю-
щей схемы производства магнезии и магнезиальных шлакообразующих материалов для кислородно - конверторного процесса с использованием некондиционного магнезиального сырья.
Определены основные параметры опытных магнезиальных шлакообра-зующих материалов и магнезии, получаемых в рамках ресурсосберегающей технологии, которые обеспечивают рациональный уровень стойкости футеровки, с сохранением высоких технико - экономических показателей кислородно - конвертерного процесса.
Проведено моделирование кристаллизации гарнисажа, при раздуве шлака с применением опытных шлакообразующих материалов на поверхность футеровки конвертера.
Проведены опытно - промышленные испытания магнезиальных шлако-образующих материалов на 160-ти т конвертере «ЕВРАЗ НТМК».
Установлено, что ресурсосберегающая технология экономически обоснована и позволяет снизить негативное воздействие на окружающую среду при экономии материальных и энергетических ресурсов.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:
Впервые определены параметры ресурсосберегающей схемы термообработки магнезиального сырья, которые делают возможным перерабатывать как природное, так и техногенное сырьё. На данные параметры получен патент на изобретение.
Установлено, что основными структурами, образующимися в результате проведения термообработки магнезиального сырья в найденных нами условиях, являются: магнезия (MgO), доломит (MgOxCaO(1–x) (CO3)2,) кальцит (СаСО3), кремнезем (SiO2), глинозем (Al2O3) и гематит (Fe2O3).
Показано, что опытные шлакообразующие материалы на базе высокоактивного каустического магнезита имеет более высокую скорость растворения, по сравнению с серийно применяемыми российскими аналогами.
Установлено, что модификация сталеплавильных шлаков опытными шлакообразующими материалами позволяет обеспечить необходимое соотношение легкоплавких (nCaO - Fe2O3, от 3 до 7 %) и тугоплавких фаз (MgO -Fe2O3 и MgO - FeO, от 20 до 25 %) в оставленном конечном шлаке конвертера, что повышает качество гарнисажного покрытия.
Рассмотрена модель и выполнены расчеты по моделированию кристаллизации гарнисажа, на базе опытных шлакообразующих материалов, при раздуве шлака в 160-ти т конвертере «ЕВРАЗ НТМК».
Научные положения, выносимые на защиту:
Параметры процесса термообработки, которые соответствуют температуре изотермической выдержки 750 0С при обжиге в печи с косвенным нагревом в неподвижном слое магнезита в 40 - 60 мм.
Фазовый состав и физико–химические свойства материала после обжига в указанных условиях, который состоит, в основном, из магнезии (MgO),
доломитов (MgOxCaO(1–x) (CO3)2,) кальцита (СаСО3), кремнезема (SiO2), глинозема (Al2O3) и гематита (Fe2O3).
Кинетические особенности опытных магнезиальных шлакообразующих материалов, которые имеют более высокую скорость растворения, по сравнению с серийно используемыми российскими аналогами, что достигается за счет разложения гидрокарбонатов и гидрооксида магния при температурах 421 - 444 0С.
Фазовый состав и соотношение легкоплавких (nCaO - Fe2O3, от 3 до 7 %) и тугоплавких фаз (MgO - Fe2O3 и MgO - FeO, от 20 до 25 %) в оставленном конечном шлаке конвертера, что достигается модификацией сталеплавильных шлаков опытными шлакообразующими материалами.
Результаты моделирования процесса кристаллизации гарнисажа при раздуве шлака с применением опытных шлакообразующих материалов на поверхность футеровки 160-ти т конвертера «ЕВРАЗ НТМК», которые показали, что если температура плавления конечного шлака превышает 1530 С, то раздуваемый шлак будет представлять собой суспензию - смесь жидкости и твердого. При недостаточном насыщении шлака окисью магния (менее 6 %) и большой остаточной толщине футеровки (выше 800 мм) шлак при раздуве сохраняет текучие свойства и может не удержаться на стенке конвертера.
Обоснованность и достоверность полученных результатов подтверждается сходимостью результатов теоретического анализа с результатами экспериментальных исследований и расчетами по моделированию кристаллизации гарнисажа. Установленные параметры были опробованы в полупромышленных условиях.
Практическая ценность результатов работы:
Проведение термообработки магнезиального сырья в найденных условиях делает возможным перерабатывать как природное, так и техногенное магнезиальное сырьё, сводит к минимуму пылеунос обжигаемого материал и уменьшает энергоемкость процесса.
Переработка невостребованного мелкофракционного магнезита фракции 8-0 мм в опытно–промышленной печи с косвенным нагревом позволяет кроме утилизации техногенных отвалов производить кальцинированный магнезиальный материал, полная себестоимость которого ниже, относительно его производства во вращающейся печи, на 2191 руб/т.
Производство опытных шлакообразующих материалов методом гранулирования из сырья, получающегося из отсева кальцинации магнезита фракции 8-0 мм в опытно–промышленной печи с косвенным нагревом в сравнении с серийным брикетированным флюсом позволяет снизить полную производственную себестоимость на 78 руб/т.
Применение опытных шлакообразующих материалов для нанесения шлакового покрытия на поверхность футеровки позволило сократить удель-
ный расход огнеупоров на 1,3 кг/т стали, и снизить удельные затраты на 9,8 руб/т стали.
Ресурсосберегающая технология производства альтернативных шлако-образующих материалов, расширяет их марочный ряд, обеспечивает рациональный уровень стойкости футеровки, с сохранением высоких технологических и технико - экономических показателей процесса, снижает негативное воздействие на окружающую среду и позволяет экономить природные ресурсы.
Апробация работы
Основные результаты работы были доложены и обсуждены на: Международных промышленных форумах «Реконструкция промышленных предприятий - прорывные технологии в металлургии и машиностроении» (г. Челябинск) 15-18 апреля 2014, 14-17 апреля 2015 годах; Международных конференциях огнеупорщиков и металлургов» (г. Москва). 19-20 марта 2015, 7-8 апреля 2016; 6-7 апреля 2017 годах. 71-й, 72-й, 73-й и 75 научно–технических конференциях МГТУ им. Г.И. Носова «Актуальные проблемы современной науки, техники и образования» (Магнитогорск 2013, 2014, 2015, 2017).
Публикации
По теме диссертации получен патент на изобретение и опубликовано 12 научных работ: в том числе 4 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 3 статьи входящих в наукометрическую базу данных Scopus и 9 докладов по материалам межрегиональных, всероссийских и международных научных конференций.
Объем работы
Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения и приложения. Работа содержит 148 страниц текста, 71 рисунок, 36 таблиц, 109 наименований библиографии.
Характеристики природного и техногенного магнезиального сырья
Одним из распространенных источников сырья для производства оксида магния MgO является минерал магнезит, представленный в основном карбонатом магния MgCO3 и присутствующими в качестве примесей оксидов кремния, каль ция, алюминия, железа и пр. [30; 31]. Нагревание магнезита сопровождается про теканием эндотермического процесса диссоциации карбоната магния с одновре менным уменьшением объема и образованием магнезии. Однако магнезия не применяется для производства огнеупорных изделий, поскольку обладает способ ностью поглощать воду. Для придания ей устойчивости магнезию обжигают при температуре 1650+50 0C, при этом устойчивость оксида магния повышается с уве личением доли образования кристаллического минерала периклаза, вследствие протекания процесса перекристаллизации окиси магния [31]. Кроме того, предла гаются различные методы получения оксида магния из осадочных горных пород, например, карналлита, брусита, бишофита2, из морской воды, содовым методом из раствора сульфата магния, являющегося побочным продуктом производства борной кислоты [31-38]. Сульфат магния, в настоящее время, не находит широко го применения, поскольку более востребованными являются другие соединения магния, в частности магнезия, основной углекислый магний 3MgCO3Mg(OH)23H2O,главными потребителями которого являются производство огнеупоров3, строительная и металлургическая промышленность [32; 36].
Известно, что чем меньше содержание примесных компонентов в огнеупорных изделиях, в первую очередь, СаО и SiO2 тем выше технологические свойства огнеупоров. В частности, в работе [37] утверждается, что при содержании оксида магния выше 97,5% стойкость футеровок сталеразливочных ковшей практически не зависит от содержания и соотношения СаО и SiO2.
Усредненный минералогический состав магнезита Саткинского месторождения (рисунок 2.1) приведен в таблице2.2.
Магнезит Раздолинского месторождения (рисунок 2.2) практически не требует обогащения и после проведения декарбонизирующего обжига является высококачественным сырьем для получения различного рода продукции. Усредненный минералогический состав магнезита Раздолинского месторождения приведен в таблице 2.3.
Магнезит, добываемый в настоящее время в Саткинском месторождении, подвергается гравитационному тяжелосредному обогащению[39]. Однакоданный вид обогащения применяется только для сырья крупностью не менее 8 мм. В связи с чем, фракция -8,0+0,0 мм, т.н. отсевки тяжелосредного обогащения, направляется на хранение. Химический состав магнезита фракции -8,0+0,0 мм представлен в таблице2.4.
Кроме невостребованнойв настоящее время фракции -8,0+0,0 мм Саткин-ского месторождения источником техногенного магнезиального сырья, оказывающим негативное воздействие на окружающую среду, являются шламохрани-лища,образующиеся при использовании технологии тяжелосредного обогащения. Химический состав шлама приведен в таблице 2.5.
Магнезит, добываемый в настоящее время ПАО «Комбинат «Магнезит», подвергается различным видам обогащения. Рассмотрим основные методы обогащения данного вида сырья, которые могут быть разделены на 8 типов: 1. пнев-моэлектросепарация, 2. магнитная сепарация, 3. рентгено-трансмиссионный, 4. фотометрический, 5. тяжелосредное гравитационное обогащение, 6. флотация, 7. химическое, 8. термомеханическое обогащение [40-81]. Первые шесть типов обогащения можно объединить в одну группу, поскольку их цель получение - качественных сырых магнезитовых концентратов, за счет удаления сопутствующих вмещающих пород. Два последних типа, химическое и термомеханическое обогащение, также можно объединить в одну группу, исходя из того, что в их основе лежит воздействие на кристаллическую решетку основного минерала с последующим селективным выделением и получением магнезии высокой чистоты.
Максимуму разложения основного минерала - карбоната магния соответствует температура около 670,0С, а разложение завершается при 710,00С, что пока-заноданными дифференциальнойсканирующей калориметрии4на рисунке 2.3, 2.4. При дальнейшем подъеме температуры продолжаются процессы диссоциации доломитов, представляющих собой непрерывный ряд твердых растворов состава:x(MgCO3)y(CaCO3), где x+y=1.
Параметры новой ресурсосберегающей технологии производства магнезиальных флюсов для модификации сталеплавильных шлаков с использованием не кондиционного магнезиального сырья
Разработка новой ресурсосберегающей технологии производства магнезиальных флюсов для модификации сталеплавильных шлаков с использованием некондиционного магнезиального сырья, базируется на принципах термомеханического обогащения. Реализация данной технологии, на параметры которой получен патент на изобретение,позволяет снизить негативного воздействие на окружающую среду, экономить природные ресурсы.
Процесс термомеханического обогащениясырья заключается в селективном разрушении некоторых минералов при нагревании в определенном температурном интервале и последующем механическом воздействии на продукты обжига. Исходное магнезиальное сырье неоднородно по фазовому составу и состоит в основном из магнезита, с примесями доломита, кальцита, кварцита и других включений. Различие в плотности, твердости у этих основных исходных составляющих магнезиального сырья невелики, а температура диссоциации (декарбонизации) этих составляющих существенно различна. Прочность магнезита после обжига очень низка, и он легко разрушается, тогда как куски примесных минералов (доломит, кварцит, кремнезем, алюмосиликаты и др.) сохраняют свою высокую прочность при обжиге в данных условиях. По этой причине состав различных фракций будет различным: фракции большого размера содержат больше примесных минералов, по сравнению с фракциями меньшего размера. Кроме того, проведение, например, воздушно - гравитационной классификации, позволяет разделять одноразмерные частицы различных минералов вследствие различия в их плотностях[
Термографические исследования сырого магнезиального сы-рья,приведенные на рисунках 2.3, 2.4 показали, что разложение содержащегося в нем карбоната магния происходит в температурном интервале 630 - 680 С. Примесные минералы, прежде всего, доломит и кальцит, разлагаются при температурах выше 7500С.
Реализация способа термомеханического обогащения магнезита была проведена в электрической печи при использовании устройства, представляющем собой совокупность четырех подов изображенных на рисунке 2.7. Обжиг в печи косвенного нагрева сводит к минимуму пылеунос обжигаемого материала, т.к. газовый поток в этом случае, формируется только газами, образующимися при диссоциации сырья (в основном СО2).
В печах с внутренним нагревом, работающих на природном газе или других энергоносителях, газовый поток в печи, формируется как за счет воздуха, подаваемого на горение топлива, как правило, в большом избытке, так и за счет продуктов горения топлива и газов, образующихся при диссоциации обжигаемого материала. Слой обжигаемого сырья небольшой толщины практически не препятствует удалению CO2, что в сочетании с отсутствием истирания обжигаемого материала (слой неподвижен), приводит к практически полному отсутствию пыле-выноса, увеличивает выход годного продукта и снижает энергозатраты на улавливания пыли [48].На способ термомеханического обогащения был получен патента изобретение.
Было изучено четыре способа переработки отсевок магнезита фракции -8,0+0,0 мм Саткинского месторождения. В результате анализа выполненных исследований, был выбран способ переработки отсевок магнезита фракции -8,0+0,0 мм Саткинского месторождения, представленный на рисунке 2.8.
Его реализация позволяет получать три продукта: материал с содержанием оксида магния не менее 93% ( 75 % от обожженного, фракция -0,2 + 0,0 мм, материал для производства огнеупорных изделий), 13,6 % составлял материал с содержанием оксида магния 89,5 % (материал для производства флюса марки ФО-МИБ-2 на плавку, фракция -2,0+0,2 мм), и 11,5 % материал с содержанием оксида магния 72,2 % (фракция +2мм материал для производства флюсов марки ФМ на раздув), состав которых представлен в таблице 2.6.
Параметры и условия обжига, дробления и воздушной классификации, указанные в схеме на рисунке 2.8, были определены в результате проведения специальных исследований процесса термомеханического обогащения.
Исследования по изотермической выдержке были проведены при следующих температурах: 720С, 750С и 800С, изображены на рисунке 2.9. Длитель ность выдержки при всех температурах составила 240 мин.
Согласно полученным данным было установлено, что повышение температуры обжига снижает эффективность термомеханического обогащения, поскольку с возрастанием температуры от 750С до 800С разложению подвергаются куски доломитов. Диссоциация доломитов приводит к снижению их прочности, что приводит к выравниванию содержания окиси кальция в подрешетном и надре-шетном продуктах.
Убыль массы для температур: 720С, 750С и 800Спри выдержке 240 мин составила 50,48 %, 51,62% и 55,50%, соответственно (рисунок 2.9).
Выдержкапри температурах 720С позволяет эффективно отделять кальций содержащие включения, при этом конечные потери при прокаливании подрешоточной фракции (-2,0+0,0) мм и составляют не более 2,65 %. При температуре 750С конечные потери при прокаливании во фракции -2,0+0,0 мм составляют 2,7 %, что удовлетворяет нормативным потерям, составляющим не более 3 %, при этом выход фракции -2,0+0,0 мм повышается.
Таким образом, на основании экспериментальных данных установлено, что рекомендуемой температурой, при которой достигается наибольшая эффективность ТМО при одновременномповышении выхода фракции -2,0+0,0 мм является 750С.
Для определения оптимальной толщины слоя обжигаемого сырого магнезита исследовали влияния толщины слоя на длительность обжига. Толщина слоя составляла: 5 мм, 20 мм, 40 мм, 80 мм. Условия обжига: температура 750 С, длительность обжига устанавливалась по достижению одинаковых для всех слоев значений убыли массы (УМ): (50+0,5)%. Зависимость продолжительности обжига и пылевыноса от толщины обжигаемого слоя магнезита приведены в таблице 2.10, значения потерь при прокаливании и пылевыноса - среднее по четырем подам определяли с помощью установки изображенной на рисунке2.10.
Из данных, приведенных в таблице 2.7, следует, что при обжиге магнезита в неподвижном слое пылевынос минимален, и не превышает 1,5 % при изменении толщины обжигаемого слоя в шестнадцать раз (от 5 до 80 мм). Однако, продолжительность обжига, как было установлено выше, возрастает существенно быстрее, чем толщина обжигаемого слоя и при этом также увеличивается ппп. Поэтому, при обжиге магнезита в неподвижном слое и фиксированном значении ппп, рекомендуется проводить обжиг при толщине слоя магнезита в 40 - 60 мм.
Механизм модификации магнезиальными флюсами конвертерных шлаков
Исследование проводилось с использованием диагностических методов оптической и электронной микроскопии.
На исследование взяли пробы конвертерных шлаков «ЕВРАЗ НТМК» опытной плавки № 645538, с использованием магнезиального модификатора марки ФОМИБ-2 и плавки № 645538 без добавления модификатора, отобранные в опре-делнное время продувки и при завершении плавления стали, характеристика которых представлена в таблице 3.14.
Шлак опытной плавки 645538 с магнезиальным флюсом, взят на 7-й минуте продувки. Под микроскопом видно, что шлак представляет собой неоднородную многокомпонентную матрицу зернисто-плночного строения,изображенную на рисунке 3.15, сложенную:
Ранкинитом, магнезиовюститом и магнезиоферритом, шорлонитом (титанистый гранат - андрадит, (рисунок 3.16) с тонкими прожилками однокальциевого феррита, периклазом, как правило, ожелезненного до 10-30%Fe2O3. Большинство частиц периклаза изменены до ферритов магния, образуя псевдоморфозы магне-зиоферрита или магнезиовюстита по периклазу. В шлаке наблюдаются включения металлического железа округлой формы, размерами от 10 до 650 мкм, единичные до 1000-1100 мкм, преобладают 100-200 мкм. Вокруг частиц железа развивается тонкая прерывистая кайма гематита, изображенная на рисунке 3.17.
Шлак опытной плавки 645538 с магнезиальным флюсом марки ФОМИБ-2, взятый на 13-й минуте продувки.
Температура стали 1686С, марка стали 08 Ю.
Отличия от образца отобранного на 7 минуте продувки:
Отмечается увеличение размера частиц ранкинита, отсутствует фаза шорло-нита и однокальциевого феррита, вместо этих фаз наблюдается развитие в матрице браунмиллерита в виде массы, заполняющей пространство между частицами ранкинита, магнезиоферрита и магнезиовюстита. Развитие фазы феррита сложного состава в виде включений в браунмиллерите, изображено на рисунке 3.18, а также насыщение частиц магнезиовюстита оксидом марганца до 15%. Несколько увеличивается степень ожелезнения периклаза Fe2O3 до 36% (рисунок 3.19). Отмечаются единичные зрна спеченного периклаза размером 80-150 мкм, изображенные на рисунке 3.20, не растворившиеся частицы периклаза 3-60 мкм, преобладают 10-20 мкм. Включения металлического железа округлой формы 1-700 мкм, до 2200 мкм, чаще 10-50мкм.
Шлак опытной плавки 645538 с магнезиальным флюсом марки ФОМИБ-2, взятый по завершении плавки.
Отличия от образцов, взятых на 7-й и 13-й минуте:
Преобладающей фазой становятся двухкальциевый феррит и феррит сложного состава, образуя с частицами ранкинита (1-10 мкм), линейно-вытянутую дендритовую структуру. Отмечается небольшое уменьшение объма ранкинита и значительное - магнезиоферрита и магнезиовюстита, при сохранении формы, но уменьшении размеров частиц. Частицы и зрна периклаза, сохраняя форму, интенсивно насыщаются оксидами железа до 45%, что изображено на рисунках 3.21, 3.22, размеры составляют 10-600 мкм, преобладают среди частиц 20-50 мкм, среди зрен 250-300 мкм. Наблюдаются округлые двухфазовые участки диаметром 50-100 мкм, сложенные одно - и двухкальциевым ферритом (рисунок 3.23), окаймлнные ранкинитом.Вокруг отдельных частиц металлического железа отмечаются тонкие камки гематита толщиной 5-10 мкм, размеры частиц металла 3-130 мкм.
Шлак сравнительной плавки 645538 без магнезиального флюса марки ФО-МИБ-2, взятый на 7-ой минуте продувки.
Данный шлак имеет несколько иную микроструктуру по сравнению со шлаком с флюсом, менее раскристаллизованную и более пористую, состоящую из следующих компонентов:
Основной фазой является ранкинит, однокальциевый феррит, включения браунмиллерита размерами до 30 мкм, что изображено на рисунке 3.24, при отсутствии частиц периклаза, наблюдаются подобные им по форме, частицы магне зиоферрита и магнезиовюстита размерами 1-50 мкм, преобладают 10-20 мкм, также магнезиоферрит (насыщенный оксидом марганца до 8%) наблюдается в виде радиально-лучистых образований размером 10-20 мкм (рисунок 3.25),включения металлического железа меньше, чем в образце с флюсом, и составляют 40-110 мкм, преобладают 70-100 мкм. Вокруг каждой округлой частицы металла образована кайма гематита.
Шлак сравнительной плавки без использования магнезиального флюса, взятый на 13-ой минуте продувки.
Отличия от образца, отобранного на 7-й минуте:
Микроструктура сложена теми же компонентами, но в меньшей степени раскристаллизации, т.е. меньшими размерами частиц, наблюдаются малочисленные частицы ожелезннного периклаза размерами до 50 мкм, что изображено на рисунке3.26, радиально-лучистые образования представлены по составу какмаг-незиоферритом, так и магнезиовюститом (рисунок 3.27), а не только магнезио-ферритом, частицы металла округлой, реже вытянутой или неправильной формы размерами 20-350 мкм, преобладают 50-100 мкм, характеризуются наличием тонкой (1-15 мкм) каймы гематитового состава, без включений силиката.
Практическое применение опытных флюсов
Опытные магнезиальные флюсы для модификации сталеплавильных шлаков марки ФОМИБ-2 и ФМ, полученные в рамках ресурсосберегающей технологии, проходят промышленные испытания в условиях 160т конвертеров «ЕВРАЗ НТМК. Акты испытаний приведены в приложении А.
На рисунках 4.6, 4.7 приведена схема футеровки конвертера «ЕВРАЗ НТМК».
Согласно программе операционных улучшений, принятой «ЕВРАЗ НТМК» и направленной на снижение издержек выплавляемой стали и повышение служебных свойств используемым в конвертерном цехе магнезиальных флюсах по технологии на плавку с целью поддержания равновесной концентрации MgOв шлаках и на раздув с целью нанесения защитного гарнисажного покрытия на футеровке конвертера были проведены испытания опытных флюсов.
Испытание опытного флюса марки ФОМИБ-2 по технологии на плавку в количестве 326,6 т проводили в период с 17.01 по 27.01. 2017 г на конвертере №2. Стойкость конвертера на начало испытаний составляла 2103 плавки. В период испытаний было выплавлено 243 опытные плавки.
Материал, используемый в ФОМИБ-2 (фракция +0,2-2 мм, (таблица 2.6), флюс на плавку), за счет применения высокоактивного кальцинированного оксида магния позволяет постепенно насыщать шлак оксидом магния сохраняя при этом его жидкоподвижность. Как видно из таблицы 3.2 опытный флюс марки ФОМИБ-2 по сравнению с серийно применяемым марки ФОМИ (полученного спеканием шихтовых материалов во вращающейся печи) имеет более высокую скорость рас-творениия шлаком, что обеспечивает необходимый уровень содержания MgO в шлаке за меньший период времени.
Испытание опытного флюса марки ФМ по технологии на раздув в количестве 42,89 т было произведено на 57 опытных раздувов шлака азотом.
Отличительной особенностью материала для флюса марки ФМ (фракция +2,0 мм, (таблица 2.6)флюс на гарнисажеобразование) является то, что он отвечает всем требованиям, которые необходимы для его использования в качестве флюса для подготовки шлака перед нанесением на футеровку конвертера. Он имеет потери при прокаливании около 5%, что интенсифицирует процесс разрушения при температуре шлака и способствует растворению шлаком дисперсного оксида магния. При этом легкоплавкая фаза представлена содержанием примесных оксидов SiO2 и CaO, тугоплавкая содержит необходимое MgO с высокой степенью активности, а, следовательно, и скоростью растворения в шлаке насыщая тем самым его тугоплавкой составляющей.
Целью разбрызгивания является получение возобновляемого стойкого слоя, который сможет защитить огнеупорную футеровку в течение следующей продувки и обеспечить увеличение ресурса футеровки конвертора. В данном случае необходимо обеспечить в оставленном конечном шлаке конвертера правильное соотношение легкоплавких и тугоплавких фаз за короткий промежуток времени. Легкоплавкая обеспечивает хорошую адгезию шлака к огнеупору, тугоплавкая обеспечивает стойкость за счет армирования шлака огнеупорным наполнением. Образование стойкого защитного гарнисажного покрытия на поверхности футеровки препятствует как химической коррозии, так и термической эрозии футеровки.
Визуальное наблюдение за состоянием футеровки конвертера в период проведения испытаний показало более качественное состояние гарнисажа после раздува шлака азотом на плавках с использованием опытного флюса, что связано с более высоким содержанием оксида магния в шлаке перед нанесением и меньшим количеством агрессивного шлака и соответственно меньшим износом футеровки.
В сравнении с серийно применяемым флюсом качество и стойкость гарни-сажного покрытия наносимого при раздуве с применением опытного флюса ФМ были достигнуты за счет получения в конечном шлаке перед раздувом содержания МgО до 12 %. Увеличение содержания оксида магния в шлаке способствует снижению вязкости его и позволяет создавать на футеровке защитный слой. Повышается стойкость, снижается торкрет массы, повышается производительность конвертера с увеличением межремонтного периода. Содержание оксида магния в шлаках оказалось выше на 1-2% выше, что свидетельствует о лучшем насыщении шлака и меньшей его агрессивности по отношению к футеровке. Установлено, что растворение оксида магния шлаком составило 38% (серийного до 30%), гарнисаж более тугоплавкий, и необходимой достаточной толщины. Во время раздува такой шлак имел хорошую адгезионную способность по отношению к футеровке.
Расход опытного флюса марки ФМ на плавку составляет порядка 5,22 кг/т, что меньше, чем расход серийно применяемого флюса (6,53кг/т).
Повышение основности конечного шлака улучшает шлакообразование, в результате повышаются показатели десульфурации и дефосфорации металла. Отсутствие сырого магнезита обеспечивает отсутствие сворачивания необходимой жидкоподвижности.
В таблице 4.1 представлена информация об условиях эксплуатации конвертера № 2, на котором проводились испытания опытных флюсов при стойкости 2246 плавок.
Присадка быстрорастворимого опытного флюса (гранул) в процессе раздува шлака азотом, в структуре которых содержится активный отсев кальцинации, способствует повышению стойкости гарнисажного покрытия футеровки. Частички периклаза не успевая раствориться в насыщенном оксидами магния шлаке оказывают торкретирующее действие за счет повышения свойств адгезии. После проведения плавки гарнисаж остается на поверхности футеровки конвертера за исключением зон локального износа - это зона цапф и окололеточное пространство.
Область на диаграммах, обозначенная пунктирной линией показывает оптимальный для вспенивания состав шлака. В выделенной области в жидком шлаке присутствуют растворенные химические соединения 2CaOSiO2 и MgOFeO, которые способствуют вспениванию шлака, снижая его вязкость и являясь центрами зарождения пузырей СО.
Степень теплового воздействия кислородной фурмы конвертера на футеровку можно существенно уменьшитьза счет оптимизации процесса вспенивания шлака.
Особенность управления процессом вспенивания шлака в процессе его насыщения MgO заключается в том, что выделяющиеся мелкодисперсные твердые частицы MgO из жидкого расплава при пересыщении его оксидом магния, кроме повышения вязкости, препятствуют слиянию пузырей газа СО и вытеканию шлака между ними, что показано на рисунке 4.10. Это способствует лучшему раздуву при меньших энергетических затратах и формированию более огнеупорного гар-нисажа.Ускоренному растворению гранул способствует не только выделение летучих из гранулы, но и быстрое взаимодействие е с оксидами железа шлака стабилизируя таким образом шлаковую пену, делая ее устойчивой в широком интервале температур и окисленности. Высокое содержание MgO в опытномфлюсе марки ФМспособствует образованию высокотемпературных фазв шлаке, а высокая вязкость, со своей стороны, способствует пенообразованию, повышая прочность прослоек жидкости между пузырями.
Оценка ошлакования конвертера на повалке после продувки и состояния гарнисажного покрытия после раздува шлака азотом показали, что использование опытного флюса позволяло получить после раздува устойчивый гарнисаж достаточной толщины, даже на низкоуглеродистых плавках. При стойкости конвертера порядка 1500 плавок конвертер после продувки шлакуется хорошо, а на конвертере при стойкости 500 плавок ошлакование конвертера слабое и гарнисаж после раздува тонкий.
Теплопроводность футеровки один из технологический параметров, посредством, которого можно регулировать тепловой поток через футеровку, а значит и влиять на процесс образования гарнисажа. Если же теплопроводность футеровки величина постоянная, как, например,теплопроводность периклазоуглероди-стых изделий, то используется зависимость величины теплового потока от толщины футеровки. По этой причине нанесение гарнисажного покрытия проводят только после 1500 плавок, т.к. при меньших количествах плавок процесс гарни-сажеобразования не эффективен.
Топография износа футеровки конвертера №2 «ЕВРАЗ НТМК» со стойкостью 6363 плавок представлена на рисунке 4.11.