Введение к работе
Актуальность проблемы. В связи с распадом единого топливно-энергетического комплекса СССР промышленность Украины испытывает острый дефицит энергоресурсов. Поэтому в блнжайшиэ годи необходимо достичь резкого снижения материало- и энергоемкости продукции в основных отраслях производства.
Одним из главных потребителей энергоресурсов Украины является черная металлургия. В ближайшие годы ей предстоит при некотором снижении общего объема производства значительно увеличить выплавку высококачественной стали. Это даст возможность за счет улучшения служебных характеристик материала понизить конструктивную и технологическую металлоемкость машин, строительных конструкций и других металлопотребляпцих объектов.
Сера является одной из наиболее вредных примесей в стали. В последние годы в связи с повышением требований к свойствам металла намэтилась тенденция к понижению содержания сэры в стали многих марок. Это вызвано необходимостью устранения анизотропии механических характеристик металла, стремлением повышать ударную вязкость сталей, эксплуатируема! при низких температурах, улучшать штампуемость, холодную вытяжку, свариваемость и горячую деформируемость металла, получать высокое качество поверхности проката, понизить брак и потери металла при прокатке и производстве металлоизделий. В связи с этим будет увеличиваться спрос на сталь с низким (0,010 - 0,015) и особо низким (0,005 - 0,008) содержанием серы.
Возможности десульфурации металла в современных сталеплавильных агрегатах ограничены. Эффективность удаления серы в процессе плавки будет снижаться по мере изменения структуры металлургического производства - увеличения доли металла, выплавляемого в кислородных конвертерах, вытесняющих мартеновский передал, увеличения емкости конвертеров. В связи с этим будут ужесточаться требования к качеству передельного чугуна, в составе которого в конвертерные агрегаты поступает основное количество серы.
Опыт работы отечественных металлургических предприятия показывает, что для выплавки в кислородных конвертерах низкоеврнистой и особонизкосернистой стали требуется чугун с содержанием серы соответственно не болев 0,010 - 0,015 и 0,005%. Металлургические предприятия Украины для выплавки чугуна в большом количестве используют кокс, полученный на основе высокосернистых углей Донбасса. В связи
*9t
с этим получение в доменных печах чугуна с содержанием серы менее 0,02% связано с ухудшением их эксплуатационных показателей, а получение чугуна с содержанием серы менее 0.0І0Ж вообще невозможно. Поэтому обязательным элементом технологии получения большого числа марок стали должна стать внегочнвя десульфурация чугуна при подготовке его к сталеплавильному переделу.
На металлургических предприятиях Украины получила распространение технология вненечной десульфурации чугуна магнием. Широкое использование этой технологии на отечественных металлургических заводах стало возможным благодаря работам, выполненным под руководством И.Г.Половченко, Н.И.Красавцева, Г.А.Воловика, Н.А.Вороновой, А.Б.Гло-вацкого, В.И.мачикина, В.А.Дворянинова. А.Ф.Шевченко и многих других исследователей. Магний является наиболее дорогостоящим среди традиционно применяемых металлургами десульфураторов. Однако, исследованиями специалистов Института черной металлургии (ИЧМ) Украины (г. Днепропетровск) установлено, что при учете в структуре затрат на обработку помимо стоимости реагента и других затрат (потери чугуна с ковшевым шлаком, снижение температури чугуна и увеличение доли его в шихте кислородных конвертеров и т.д.), применение магния для внепеч- , ной десульфурации чугуна экономически оправдано в сравнении с использованием порошкообразной извести, кальцинированной соды, карбида кальция и других более дешевых реагентов. В 70-е годы на заводах "Азовсталъ", им.Ильича, "Криворожсталь", "Запорожсталь", Макеевском, Донецком, Коммунарском были построены установки внвгочной десульфурации чугуна магнием общей мощностью 10 млн. т в год. В настоящее время объем вненечной десульфурации чугуна существенно сократился в связи с ухудшением экономической ситуации в стране, возросшим дефицитом магния и отсутствием среди ученых и практиков единого мнения о путях повышения эффективности обработки.
Литейное производство предприятий черной металлургии Украины располагает крупными литейными цехами, в которых отливаются изложницы, поддоны, чаши шлаковозов, прокатные валки, центробежнолитые трубы и другие изделия большой единичной массы. В последние годы для их отливки широко применяется чугун доменной плавки. Известно, что модифицирование доменного чугуна магнием для получения чугунов с шаровидным и вермикулярным графитом позволяет увеличить срок службы сменного металлургического оборудования в 1,3 - 1,5 раза. Широкое производство в литейных цехах металлургических заводов отливок из высокопрочного чугуна сдерживается отсутствием технологии, позволя-
щей получать стабильные результаты при модифицировании больших масс металла в чугуновозных ковшах.
Весьмв перспективным является переход к широкому использованию высокопрочного чугуна с шаровидным графитом взамен серого и ковкого чугуна, стали и цветных сплавов в литейных цехах машиностроительных заводов. Замена отливок из серого чугуна отливками из высокопрочного позволяет уменьшить толщины стенок в деталях мааіин на 20 - 30%. В сравнении со сталью чугун с шаровидным графитом имеет относительно низкую температуру плавления и, следовательно, меньшие энергозатраты на плавку, лучшую жидкотекучесть и заполняемость литейных форм, что дает возмоамость получать детали более сложной конфигурации. При замене отливок из ковкого чугуна значительное сокращение энергоемкости производства достигается в результате устранения продолжительного высокотемпературного графитизиругацего отжига.
Наиболее распространенным способом модифицирования чугуна для получения в отливках шаровидной и вермикулярной форм графита в литейных цехах машиностроительных заводов является обработка расплава магнием и магниевыми лигатурами.
В современных высокопроизводительных литейных цехах машиностроительных заводов разливка металла ведется на конвейерных линиях. В 4 этих условиях наиболее экономичным, гигиеничным и технологичным способом получения высокопрочного чугуна является метод модифицирования в литейной форме. Эта технология может быть реализована только в условиях, когда содержание серы в поступающем на разливку металле не превышает 0,010 - 0,015%.
Для получения чугуна такого состава зарубежные предприятия широко применяют выплавку его в электропечах с использованием в шихте металла высокой чистоты, прошедшего предварительно специальную подготовку на металлургических звводах. В действующих литейных цехах машиностроительных заводов Украины для выплавки чугуна широко используют коксовые вагранки с основной и кислой футеровкой. При этом содержание серы в выплавляемом чугуне составляет обычно 0,07 -0,12. Поэтому освоение в действующих цехах производства отливок из высокопрочного чугуна с использованием внутриформенного модифицирования невозможно без наличия эффективной технологии десульфурации металла. До настоящего времени не найдены технические решения, позволяющие проводить десульфуращго всего количества выплавляемого чугуна в действующих цехах производительностью 15 - 20 тыс. т литья в год и более. Наиболее перспективными являются технологии, основанные
на использовании в качестве дэсульфуратора магния и магниевых сплавов.
Целы) работа является развитие теории процессов взаимодействия
магния с металлом для повышения эффективности существующих и разработки нових технологий внэпечнои десульфурации и модифицирования чугуна.
Идея работы ваклзлается в раскрытии механизма реакций десульфурации н (яэдзфппфовакяя чугуна магнием с учетом особенностей термодинамических условии у поверхности раздела пара магния с металлом и влияния на механизм п скорости реакций условий совместной адсорбции магния и примесей чугуна на мэжфазной поверхности.
Мэтоды исследования. Для достижения поставленной цели в работе использованы теоретические и экспериментальные методы исследования, базирующиеся на основных положениях теории металлургических процессов: термодинамический анализ; лабораторные определения порядка реакции десульфурации чугуна магнием, ее лимитирующего звена по величине энергии активации и эквивалентного значения коэффициента массо-переноса сери в чугуне; опытно-промышленные исследования порядка реакции десульфурации и лимитирующих звеньев реакций десульфурации чугуна магнием и растворения магния в металле по виду кинетической кривой; математическое моделирование процессов десульфурации и модифицирования чугуна магнием; промышленная проверка результатов теоретического анализа и математического моделирования.
Основные научные положения, выносимые на защиту, и их новизна:
-
Впервые установлена возможность изменения механизма взаимодействия магния с металлом в зависимости от химического состава обрабатываемого чугуна, обусловленная изменением условий совместной адсорбции магния и поверхностно-активных примесей чугуна (в первую очередь серы) на межфазной поверхности.
-
Показана возможность образования сульфидов магния у поверхности всплывающих в расплаве пузырей десульфуратора при высокой активности кислорода в металле. При этом эффективность десульфурации чугуна определяется соотношением скоростей одновременно протекающих реакций образования сульфидов магния и частичного их окисления растворенным в металле кислородом, оксидами железа шлака и кислородом атмосферы.
-
Процесс десульфурации чугуна магнием опиоывается кинетическим уравнением реакции первого порядка относительно концентрации се-
ри в металле. По величине энергии активации реакцию можно отнести к протекающим в диффузионной области.
-
Разработана математическая модель процесса десульфуращш, учитывающая влияние на эффективность обработки изменения содержания серы в чугуне, глубина ввода магния в металл, температуры чугуна, количества подаваемого в металл нейтрального по отношению к магнию дополнительного газа, давления над поверхностью чугуна и структуры формирующегося в металле газожидкостного потока.
-
Доказана возможность повышения степени использования магния для десульфурации чугуна путем увеличения количества подаваемого в испарительную камеру нейтрального по отношению к магнию дополнительного газа.
G. В промышленных условиях при обработке чугуна с содержанием серы менее 0,01 скорость растворения магния в чугуне ограничена массопереносом его в металле.
-
Разработана математическая модель процесса растворения магния в чугуне, учитывающая влияние на результаты обработки изменения концентрации растворенного в металле магния, глубины ввода магния в металл, изменения температры чугуна, давления над поверхностью металла, структуры формирующегося в расплаве газожидкостного потока.
-
Установлено влияние поверхностно-активных компонентов расплава на скорость даффузиояно-контролируемой химической реакции растворения магния в чугуне в результате изменения градиента концентрации магния у поверхности всплывающих пузырей.
-
Механизм реакции десульфурации при обработке чугуна металлическим магнием и лигатурами типа ФСМг существенно не отличается.
Выносимые на защиту вышеизложенные научные положения определяют теоретические основы и принципы повышения эффективности существующих и разработки новых технологий внепечной десульфурации и модифицирования чугуна.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: корректным использованием основных положений теории металлургических процессов; применением тестированных методов отбора проб и современных способов определения химического состава металла; удовлетворительной сходимостью результатов расчетов по разработанным математическим моделям и методикам-с данными лабораторных и промышленных исследований (рассогласование результатов не более 10%); успешной промышленной проверкой и внедрением рекомендуемых способов повышения эффективности обработки металла.
Научное {значение работы заключается в раскрытая механизма реакций, протекащих при взаимодействии магния с металлом, в разработке методов количественной оценки влияния параметров процесса на результаты обработки, создании методики прогнозирования промышленных результатов обработки чугуна на основании данных лабораторного исследования.
фактическое значение работы заключается в разработке новых
способов внвпечной десульфурации чугуна, основанных на подаче в металл вместе с магнием большого количества нейтрального по отношении к магнию дополнительного газа и снижении окисленности металла во время обработки, а также оборудования для их реализации. Способы и устройства защищены II авторскими свидетельствами на изобретения.
Разработввы математические модели процессов десульфурации и модифицирования чугуна магнием, позволяющие количественно оценивать влияние параметров процесса на результаты обработки.
Предложена методика оценки промышленных результатов обработки чугуна на основании данных лабораторного исследования, позволяющая оценивать и сравнивать эффективность обработки чугуна в агрегатах различной конструкции на стадии проектирования.
Реализация выводов и рекомендаций работы. Результаты работы использованы при разработке и внедрении:
технологии внвпечной десульфурации природаолегированного чугуна (алектропвчного ферроникеля) в плавильном цехе Побужского никелевого завода;
технологии десульфурации литейного чугуна в печах ИЧТ-31,5 литейного цеха XI ПО "Горьковский автомобильный завод":
при реконструкции установок внвпечной десульфурации чугуна кислородно-конвертерного цеха XZ металлургического комбината "Криво-рожсталь" и Макеевского металлургического комбината им. С.М.Кирова.
Научные и прикладные результаты работы, опубликованные в учебном пособии, монографии и в периодической печати, используются в учебном процессе при подготовке специалистов металлургического профиля.
Апробация работы. Основные научные положения и прикладные результаты работы обсуадались и подучили одобрение на Всесоюзной научно-технической конференции "Современные проблемы повышения качества металла" (Донецк, 1978 г.), Всесоюзной конференции "Современные проблемы электрометаллургии стали" (Челябинск, I960 г.), Всесоюзной
научно-технической конференции "Современные проблеми создания высококачественных сталей и уменьшения отходов в черной металлургии" (Москва, 1981 г.), Ш научной конференции "Тепло- и массообменные процессы в ваннах сталеплавильных агрегатов" (Планов, 1982 г.). конференции "Улучшение качества металла и его экономия в литейном производстве за счет применения новых модификаторов для серого и высокопрочного чугуна" (Челябинск, 1984 г.), конференции "Новые метал-ло- и трудосберегапдие технологические процессы в литейном производстве" (Челябинск, 1984 г.). па зональном семинаре "Современное оборудование и технология плавки, внепечнбй обработки и заливки чугуна" (Пенза, 1987 г.), на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Донецкого политехнического института (1985 - 1991 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 48 научных работ.
Основные положения диссертационной работы излояены в 29 публикациях, в том числе 2 монографиях и 6 авторских свидетельствах на изобретения. Связь темы диссертации с планом основных работ университета.
Работа является итогом исследований, проведенных в Донецком политехническом институте (ныне Донецком государственном техническом университете) в рамках финансируемых хоздоговорных и госбвджэтных работ (номера госрегистрации 78036539, 8ІО70І9І, ОІ830039ІЄ7, 01850082718. 0І860І07323, 01870086639, 01890052336, 01910030948) в соответствии с планами министерств черной металлургии СССР и УССР, цветной металлургии СССР и Министерства образования Украины. В проведенных исследованиях автор принимал непосредственное участие с 1978 г. в качестве ответственного исполнителя, а с 1985 г. в качестве научного руководителя.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 9 глав и заключения, содержит 270 страниц машинописного текста, 50 рисунков, 28 таблиц, список использованных источников из 141 наименования, 8 приложений. Общий объем работы 324 страниц.
Считаю своим долгом с глубокой признательностью отметить, что доследование рассматриваемой проблемы было начато и частично выполнено под руководством профессора, доктора технических наук
Виктора Ивановича Мачикина . Хочу выразить благодарность кандидату технических наук Н.Т.Лифвнно за многолетнее сотрудничество и помощь в проведении исследований, а така многим другим сотрудникам
донецкого государственного технического университета, научно-исследовательских институтов, металлургических и машиностроительных заводов за оказанную помощь в выполнении работы и внедрении ее результатов в производство.