Содержание к диссертации
Введение
1. Аналитический обзор работ по применению инжекции в металлургии и задачи исследований 8
1.1. Метод вдувания технологических порошков 8
1.2. Применение инжекционного метода в металлургии 13
1.3. Применение инжекционного метода в России и задачи исследований 22
2. Разработка конструкций и создание нового отечественного инжекционного оборудования в металлургии 24
2.1. Этапы создания современного отечественного инжекционного оборудования 24
2.2. Методы конструирования пневмотранспорта 25
2.2.1. Массовая концентрация и скорость движения смеси 25
2.2.2. Состояние двухфазного потока в горизонтальной пневмолинии 27
2.2.3. Основной режим перемещения порошка-взвешенный пневмотранспорт 30
2.3. Создание конструкции инжекционного оборудования 33
Выводы 46
3. Определение времени растворения графита в железоуглеродистом расплаве 47
3.1. Обзор работ по растворению углерода в жидком железе и железоуглеродистых расплавах 47
3.2. Математическая модель растворения углеродсодержащих материалов в жидком металле 52
3.3. Расчет времени растворения углеродсодержащего материала в стационарном режиме 55
3.4. Расчет времени растворения углеродсодержащих материалов при их движении 59
3.5. Изучение времени растворения частиц углеродсодержащих материалов при их вдувании в железоуглеродистый расплав 60
Выводы 63
4. Использование разработанных инжекционных установок для науглероживания стали 65
4.1. Применение инжекционных установок в металлургии 65
4.2. Исследования по применению инжекционных установок для науглероживания стали 70
4.3. Применение инжекционных установок для десульфурации стали и в цветной металлургии 82
Выводы 84
5. Использование разработанных инжекционных установок для торкретирования футеровки металлургических агрегатов 85
5.1. Опыт использования пневмотранспортных установок для торкретирования футеровок 85
5.2. Исследования по применению установок НТМ для торкретирования теплотехнических агрегатов 88
5.2.1. Торкретирование футеровки патрубков циркуляционных вакууматоров. 88
5.2.2. Торкретирование футеровки конвертеров 93
Выводы 102
Заключение 103
Список использованных источников 106
Приложения 116
- Применение инжекционного метода в металлургии
- Обзор работ по растворению углерода в жидком железе и железоуглеродистых расплавах
- Исследования по применению инжекционных установок для науглероживания стали
- Торкретирование футеровки конвертеров
Введение к работе
Актуальность работы. Применение инжекционных технологий является одним из главных направлений прогрессивного развития сталеплавильного производства. Это обусловлено тем, что значительное ускорение физико- химических реакций происходит при интенсификации перемешивания металла, шлака и газа, а также при увеличении удельной поверхности реагирующих фаз. Наибольший эффект интенсификации металлургических процессов достигается при одновременном ускорении потоков расплава и увеличении реакционного контакта фаз при измельчении твердых компонентов в порошок, дроблении жидкости в капли, а газа в мелкие пузыри. Поэтому продувка металла в сталеплавильном агрегате или ковше с одновременным введением порошков обеспечивает максимальный контакт вдуваемых твердых реагентов с жидким расплавом, высокую скорость их взаимодействия и степень использования.
В связи с этим инжекция порошковых материалов в стальной расплав для различных целей нашла распространение в мире. Эта технология может также с успехом использоваться для торкретирования огнеупорных футеровок ковшей, печей и других металлургических агрегатов.
В отечественной промышленности наблюдалось отставание в применении инжекционной технологии среди других видов обработки расплава металла и торкретирования футеровок металлургических агрегатов. В значительной степени это было связано с разработкой конструкций инжекционных установок, изготавливаемых для собственного потребления на металлургических заводах и не обеспечивающих надежную работу, имеющих низкий уровень автоматизации и узкий диапазон применения, а также несовершенством инжек- ционных технологий при их использовании в металлургических агрегатах.
В связи с этим диссертационная работа, направленная на совершенствование и внедрение инжекционного метода обработки стали и торкретирования металлургических агрегатов с применением нового отечественного пнев- мотранспортного оборудования, является актуальной.
Цель работы. Совершенствование инжекционного метода науглероживания стали и торкретирования огнеупорных футеровок c применением нового отечественного пневмотранспортного оборудования.
Задачи исследований:
-
Выполнить расчетно-аналитические и опытно-конструкторские работы по созданию нового инжекционного и торкрет-оборудования, организовать производство разработанных установок.
-
Провести математическое моделирование процесса науглероживания металлического расплава с применением инжекции.
-
Внедрить усовершенствованную технологию инжекционного науглероживания стали в промышленных условиях.
-
Разработать и внедрить промышленную технологию торкретирования конвертеров и патрубков вакууматоров с применением нового отечественного торкрет-оборудования.
Научная новизна.
-
-
Методом математического моделирования получены новые данные по времени растворения частиц графита в железоуглеродистом расплаве в зависимости от крупности частиц и температуры расплава; определено влияние относительной скорости движения частицы на время ее растворения.
-
Определена необходимая глубина ввода вдуваемой частицы в расплав, обеспечивающая ее полное растворение.
-
Получены новые данные по статьям расхода вводимого инжекцией углерода в стальной расплав.
Теоретическая и практическая значимость работы.
*
-
-
-
Разработано и изготовлено новое инжекционное оборудование НТМ , не уступающее лучшим зарубежным аналогам по надежности, степени автоматизации и диапазону применения, соответствующее условиям отечественного металлургического производства при значительно меньшей цене.
-
Усовершенствована и внедрена технология инжекционного науглероживания стали с применением установок НТМ, благодаря которой повышено на 8-10 % усвоение углерода при науглероживании стали.
-
Экспериментально определена оптимальная скорость движения торкрет-массы из сопла для наименьшего отскока при торкретировании футеровки Оборудование изготавливалось ООО «Новые технологии в металлургии» (ООО «НТМ»), инжекцион- ные установки фирмы в работе обозначаем НТМ.
конвертеров, которая находится в диапазоне 35-50 м/с.
4. Разработана и внедрена новая технология торкретирования футеровок патрубков вакууматоров и конвертеров, позволяющая примерно в два раза снизить количество отходов производства и пыли от перефутеровки этих металлургических агрегатов; сократить примерно на 10-12 % выбросы пыли в атмосферу цеха во время процесса торкретирования из-за снижения отскока торкрет-масс; получить экономический эффект от снижения затрат на огнеупоры в размере 193,9 млн. рублей в год.
Методы исследования. Математическое моделирование процесса растворения частиц углеродсодержащих материалов, вводимых в железоуглеродистый расплав различными способами. Высокотемпературные промышленные эксперименты по инжекционному науглероживанию стали и торкретированию металлургических агрегатов.
Положения, выносимые на защиту.
-
-
-
-
Результаты математического моделирования времени растворения частиц углеродсодержащего материала в расплаве металла в процессе инжекции и определение необходимой глубины ввода вдуваемой частицы в расплав для её полного растворения.
-
Данные по опытно-промышленным испытаниям усовершенствованной технологии инжекционного науглероживания металла и балансовые расчеты расхода углерода, вдуваемого в расплав стали.
-
Результаты внедрения новой технологии торкретирования футеровки патрубков циркуляционного вакууматора и конвертера.
Достоверность основных положений и выводов обеспечивается воспроизводимостью результатов математического моделирования результатами промышленных испытаний и внедрением инжекционной технологии в производство.
Личный вклад автора. Проведение математического моделирования времени растворения углеродсодержащих частиц. Участие в разработке и создании инжекционного оборудования, промышленных исследованиях, анализе и обобщении полученных результатов и их внедрении в производство.
Апробация работы. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на конференции «Современные проблемы металлургического производства» (г. Волгоград, 2002 г.); седьмом и восьмом конгрессах сталеплавильщиков (г. Магнитогорск, 2002 г., г. Нижний Тагил, 2004 г.); Международной научной конференции «Прогрессивные технологии в металлургии стали» (г. Донецк, 2004 г.); региональной научной конференции «Физическая химия и технология в металлургии» (г. Екатеринбург, 2005 г.); Международной научной конференции" Литейный консилиум № 4" (г. Челябинск, 2010 г.); ХІУ Международной научной конференции «Современные проблемы электрометаллургии стали» (г. Сатка, Челябинской обл., 2011 г.).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 15 научных работ, из них: 1 монография, 4 статьи в рецензируемых журналах по перечню ВАК РФ, 10 статей в других журналах и сборниках научных трудов, получен патент на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и приложений. Основной материал изложен на 115 страницах машинописного текста, содержит 23 рисунка, 13 таблиц, библиографический список включает 108 источников.
Применение инжекционного метода в металлургии
Возникновение инжекционного метода обработки металлических расплавов относится к 50-60 г.г. XX ш века, когда широкое развитие получили новые направления в металлургии под общим названием «внепечная», или «ковшовая металлургия». Такой интерес к внепечной металлургии объясняется требованиями увеличения производительности и качества при одновременном снижении стоимости продукции. Наиболее распространенными видами внепечной обработки стали являются вакуумирование, обработка жидкими и твердыми шлаковыми смесями, продувка инертными газами и инжекция порошкообразных материалов.
Необходимость переработки высокофосфористых чугунов вызвала появление процесса продувки чугуна порошкообразной известью через водоохлаж-даемую фурму в кислородном конвертере [5]. Этот процесс, разработанный во Франции, получил название OLP {Оху den-кислород, Lance-фурма, Poudre-порошок) - процесса. Первые опыты по вдуванию мелкой извести для десуль-фурации чугуна в ковше были выполнены В. Айхгольцем и Г. Берендтом.
В нашей стране впервые инжекционная обработка расплава с целью науглероживания была проведена в 1954 году на Верх-Исетском металлургическом заводе на 5-т мартеновской печи [1]. В жидкую металлическую ванну вдували измельченный кокс в струе сжатого воздуха. В настоящее время инжекционный метод применяется во многих областях металлургии.
Пневмотранспортирование сыпучих материалов
Установки для транспортирования сыпучих материалов при помощи сжатого или разрежённого воздуха - пневмотранспортные установки или пневмотранспорт применяются широко в различных отраслях промышленности, в том числе и в металлургии. Такие установки бывают непрерывного и цикличного действия и могут быть всасывающего, нагнетательного и аэрационного действия. Установки применяют для горизонтального, вертикального и наклонного транспортирования сыпучих материалов по трубопроводам при помощи сжатого воздуха в силосы на расстояние до 1000 м. Установки могут работать как в однокамерном, так и в двухкамерном режимах. Двухкамерный режим обеспечивает непрерывный поток материалов по одному трубопроводу с производительностью до 200 т/ч. Порошкообразные материалы имеют специфические физико-механические свойства, многим из них присущи абзивность, слипаемость и гигроскопичность. При смешивании с воздухом большинство этих материалов обладает текучестью, это свойство является одним из основных условий при определении возможности их пнев-мотранспортирования. Пневмотранспортирование - это эффективный и экологичный способ перемещения сыпучих материалов на значительные расстояния.
Использование инжекционного метода в сталеплавильном производстве
Вдувание порошкообразных материалов в жидкую стальную ванну используют в целях дефосфорации, десульфурации, раскисления и легирования стали, ускорения шлакообразования, а также науглероживания металла.
Для дефосфорации высокофосфористых чугунов в конвертере разработан процесс с вдуванием в струе кислорода через водоохлаждаемую фурму порошкообразной извести [1].
Продувка металла известью в струе кислорода была опробована и в подовых агрегатах для дефосфорации металла в дуговых печах и в двухванном сталеплавильном агрегате. Во всех случаях показано, что вдувание извести приводит к резкому снижению содержания фосфора в металле, а степень дефосфорации металла достигает 63-64 %. За 6 минут продувки металла в 6-т электропечи получали снижение содержания фосфора с 0,034 до 0,008 %, а в 30-т печи за 8 минут концентрация фосфора снижалась с 0,060 до 0,005 %. В работе [6] изучено влияние состава вдуваемой смеси на дефосфорацию чугуна в лабораторных условиях и отмечено, что при содержании фосфора 0,21-1,4 % оптимальный состав смеси, вдуваемой в струе воздуха, содержит 70 % БегОз и 30 % СаО. Опыты в лабораторных условиях показали, что начальное содержание [С] в интервале концентраций 0,03 - 1,0 % не влияет на степень дефос-форации.
Для промышленных условий дефосфорации низкоуглеродистой стали авторы работы [7] рекомендуют смесь СаО - Fe203 - CaF2 = 1:2:1 (с учетом оксидов железа в железной руде), которая вдувается в жидкий металл в окислительный период плавки, при этом средняя скорость удаления фосфора составляет 3,5-10"3 %/мин, в то время как по обычной технологии скорость дефосфорации не превы-шает значений 0,72-10" %/мин. Внедрение технологии электроплавки с вдуванием порошкообразных материалов с целью дефосфорации металла в окислительный период позволила сократить его до 40 мин, повысив производительность печи на 15-25%.
Таким образом, использование порошкообразных материалов путем вдувания их в жидкий расплав как для окислительной, так и для восстановительной дефосфорации металла позволяет существенно интенсифицировать этот процесс, а при обработке таким способом хромсодержащей стали снизить угар хрома до минимальных значений в сравнении с обычными способами ведения процесса плавки.
Обработка металла порошкообразными материалами, вводимыми струей газа-носителя, является одним из методов, обеспечивающих получение металла с низким содержанием серы [1]. При вдувании смеси порошка карбида кальция (70 %), плавикового шпата (20 %) и порошка магния (10 %) за 4-5 мин продувки содержание серы снижается с 0,027 до 0,009 % при расходе смеси порошков 60 кг/т, в то время как при обычной плавке за час удавалось снизить содержание серы с 0,03-0,027 до 0,015%. Целый ряд работ посвящен десульфурации металла порошками в мартеновских печах. Установлено, что вдувание извести позволяет интенсифицировать процесс формирования основного шлака и повысить скорость десульфурации, снизив концентрацию серы в металле в 1,2 - 1,4 раза по сравнению с обычными плавками [8]. Было отмечено, что содержание серы в стали в период рафинирования снижалось равномерно вплоть до вдувания в нее порошка извести и алюминия (3-4 % от массы металла). Скорость десульфурации не превышала 0,009 % в час. Во время вдувания, которое продолжалось 7 минут, скорость десульфурации возросла до 0,04 % S/ч, что в 5 раз превышает максимальную скорость, достигаемую при обычных условиях ведения плавки.
Одним из самых распространенных методов десульфурации стали является ее обработка в ковше кальцийсодержащими материалами. Помимо десульфурации кальций обеспечивает высокую степень раскисления стали, благоприятно влияет на морфологию неметаллических включений и их удаление.
Для обеспечения стабильной работы установок не рекомендуется принимать максимальный размер частиц более 0,1 - 0,3 внутреннего диаметра фурмы [9, 10].
При вдувании как карбида кальция, так и силикокальция эффект раскисления и чистота стали по сере примерно одинаковы, однако в связи с тем, что при использовании SiCa в сталь попадает кремний, а при использовании СаС2 - углерод, при обработке стали, содержащей С 0,2 %, предпочтительно применять СаС2, а при обработке низкоуглеродистых сталей SiCa [11].
Инжекционный метод ввода силикокальция позволяет значительно увеличить скорость подачи силикокальция в расплав по сравнению с порошковой проволокой (до 70 кг/мин против 15-25 кг/мин). Угар кальция, как и при вводе проволоки, значительно ниже, чем при вводе кускового силикокальция. В связи с этим инжекционный метод ввода силикокальция, достаточно распространенный за рубежом, должен найти применение в отечественном сталеплавильном производстве. Широкое распространение в металлургии получила технология внепечной десульфурации чугуна с помощью вдувания реагентов - десульфураторов. В России такая технология введена в 2003 г. в ОАО «Нижнетагильский металлургический комбинат» при внепечной десульфурации ванадийсодержащего чугуна (полупродукта) [12]. Инжекционная установка предназначена для десульфурации жидкого чугуна-полупродукта с содержанием 2,9-3,6 % С, 0,04-0,07 % V, 0,035-0,055 % Р, 0,020-0,040 % S, и температурой 1350-1400С путём дозированного вдувания реагентов в металл. Обработка металла-полупродукта производится в чу-гуновозных ковшах методом погружения в металл фурмы для вдувания. При данном способе десульфураторы транспортным газом (азот или аргон) подаются через фурму в чугун-полупродукт, обеспечивая процесс десульфурации и перемешивание металла. Оптимальное распределение десульфураторов и достаточное время их нахождения в металле-полупродукте гарантируют достижение низкого содержания серы, которое достигается двумя технологическими приёмами:
а) путём ввода в ковш с чугуном-полупродуктом одного реагента (процесс МО НО-инжекции, реагент СаО);
б) нескольких реагентов (процесс коинжекции, реагенты СаО + Mg).
В результате применения этой технологии содержание серы в чугуне снижается в среднем от 0,025 до 0,005 %.
Необходимость науглероживания металла в сталеплавильных агрегатах возникает в случаях расплавления ванны с низким содержание углерода, когда не может быть обеспечено проведение других технологических операций для выплавки заданной марки стали (нагрев, рафинирование металла) [2].
Обзор работ по растворению углерода в жидком железе и железоуглеродистых расплавах
Растворение твердого углерода в жидком железе и железоуглеродистых расплавах относится к одному из основных металлургических процессов, протекающих в доменных, руднотермических и сталеплавильных печах. В связи с этим по теории и практике взаимодействия углеродсодержащих материалов с железоуглеродистым расплавом имеется большое количество публикаций [45-62].
Основной закон кинетики растворения материалов эмпирически установлен А.Н. Щукаревым еще в 1896 г. [45], его математическая запись связывает поток растворяющегося веществау с его концентрацией в растворе Св: у = Р(Сн-Св), (3.1) где Си - концентрация насыщения, Р - коэффициент пропорциональности.
В дальнейшем Нернстом была предложена диффузионная теория растворения. В ней предполагалось наличие неподвижного диффузионного пограничного слоя (при условии интенсивного перемешивания), в пределах которого концентрация меняется от насыщения до концентрации в растворе.
Процесс растворения твердых веществ носит многостадийный характер. В простейшем варианте он состоит из двух стадий: переход частиц вещества из твердого тела в раствор и перенос их в объем жидкости. Если процесс лимитируется отделением частиц, то растворение происходит в кинетическом режиме. Диффузионный режим определяется скоростью уноса частиц от поверхности взаимодействия фаз. Если скорости обеих стадий сравнимы, то имеет место смешанный режим растворения [46]. В подавляющем большинстве случаев твердые вещества в жидкостях растворяются в диффузионном режиме [47], для которого справедливо уравнение (3.1). B.C. Шумихин и А.К. Билецкий [46] в результате проведенных исследований делают вывод, что параметрами, определяющими скорость растворения углеродистых материалов, являются коэффициент диффузии углерода Dc или константа скорости растворения углерода [Зс.
A.M. Верховлюк [48] методом вращающегося диска с равнодоступной поверхностью исследовал кинетические особенности растворения графита и других твердых материалов в расплавах на основе железа. Для исследования скорости растворения использовались графиты различных марок, а также композиции, содержащие графит. Расчет потока вещества при растворении образцов в жидких металлах (у) определялся по формуле: j = 0,489 SC 374DCV-,/2CO1/2(CH- СВ), ( 3.2) где со - угловая скорость вращения образца; v - вязкость расплава; Sc = v/D - число Шмидта. Данные по вязкости расплавов на основе железа были взяты из работ [49, 50], а плотность - из публикаций [50, 51].
Полученные результаты по удельной скорости растворения этих материалов в расплавах Fe - (2,84-3,10) % С при температуре 1673 ± 10 К существенно раз-личаются между собой (1,7 + 43,0 кг/м -с), что говорит о значительном влиянии свойств и состава материала на удельную скорость растворения.
Реакцию растворения графита в жидком железе можно записать в следующем виде: Сгр- [С]. (3.3)
Растворение углерода в железоуглеродистых расплавах представляет собой эндотермическую реакцию, которая является причиной понижения температуры на границе раздела фаз. Теплообмен между куском материала и железоуглеродистым расплавом конвективный, поэтому плотность теплового потока от расплава к куску можно определить с помощью коэффициента теплопередачи: Q = a(Tes), (3.4) где а - коэффициент теплопередачи, Тв - температура расплава, Ts - температура поверхности куска. Плотность потока массы qm от куска материала к расплаву в процессе его растворения (без плавления) определяется с помощью коэффициента массоотдачи і: qm = i(Cs-Ce), (3.5) где Cs ,Св - концентрации в расплаве растворяющихся веществ соответственно вблизи твердой поверхности и вдали от куска, в растворе. В общем случае величины а и і переменны по поверхности куска.
По данным [52] падение температуры AT на жидко-твердой границе при растворении углерода не превышает 6 -7 С. Эту поправку следует учитывать при анализе кинетических параметров растворения графита в жидком железе.
Обзор литературы, посвященный анализу растворимости углерода в жидком железе, приведен в работах [53-56].
Температурную зависимость растворимости углерода в жидком железе до 2000 К по данным [57] можно представить уравнениями:
LgxCHac= -12,7276/7/+ 0,7266 LgT- 3,0486 (3.6) или [%Снас]=1,3 + 2,57-10-3Г, (3.7) где Т - температура жидкого железа. Это уравнение удовлетворительно согласуется с результатами других исследователей. Б.П. Бурылев [53], используя теорию регулярных растворов и принимая Q e-c = 97,7, АЯ = 96,6 КДж/г-атом, AS = 6,062 Дж/г-атомтрад, получил следующее уравнение для определения растворимости углерода в железе: Lgxc= -550/Г- 0,358. (3.8)
Зависимость растворимости углерода от температуры в жидком железе, рассчитанная авторами [58] по различным уравнениям, показывает, что расхождения для различных случаев невелики.
В первых работах, относящихся к растворению углерода в жидком железе, процесс растворения рассматривался проходящим в три стадии: переход атомов углерода через границу раздела (кинетический этап), диффузия их через ламинарный слой толщиной 5 и конвекция в объеме металла (диффузионный этап). Поток атомов углерода J через сечение F описывается уравнением
При условии, что графит находится в равновесии с жидким железоуглеродистым расплавом, скорость обмена атомами различна для разных кристаллических плоскостей.
При оценке скорости растворения по изменению геометрических размеров образца (Y) может быть использовано уравнение, включающее скорость уменьшения радиуса образца Vr (см/с) [49]: в котором d0 - начальный диаметр образца, см.; AG - потеря массы; G0 - начальная масса погружаемой части образца. Величина Vr может быть получена из соотношения ИтУ= К . (3.11)
Кинетика растворения углерода в жидком железе и железоуглеродистых расплавах изучалась во многих работах. А. Вертман и А. Самарин [59] исследовали растворение неподвижного графитового стержня в железоуглеродистых расплавах в интервале температур 1570-1850 С. Авторы установили, что энергия активации процесса растворения углерода составляет 64,5 кДж/моль. Они рассматривают растворение углерода состоящим из двух этапов: а) отрыва частиц графита от поверхности твердого тела, и б) растворение графита в металле.
Для выявления лимитирующего этапа они не рассматривают схемы растворения, осуществление которых сопряжено с затратой энергии, большей чем 64,5 кДж/моль. При дальнейшем анализе было установлено, что скорость поступления углерода в ламинарный слой также не является лимитирующим этапом, поэтому наиболее вероятно, что процесс лимитируется диффузией углерода в раствор. Последнее предположение подтверждается еще и тем, что энергия активации, найденная при изучении растворения графита, близка к энергии активации диффузии углерода в железе (42-50 кДж/моль). Тот факт, что она ниже энергии активации суммарного процесса, свидетельствует в пользу предположения о двухстадиином процессе растворения, причем затрата энергии на осуществление второго этапа, не связанного с диффузией, должна быть в пределах 12,5-21 кДж/моль.
Диффузионный режим растворения углерода был также показан в работах [60] и [61], в которых этот процесс изучался методом вращающегося диска. Было определено, что при всех изученных концентрациях углерода в металле (0,7- 4,5 мае. % С) скорость растворения линейно увеличивается с ростом угловой скорости вращения образца (со0 ). Следовательно, процесс лимитируется переносом вещества внутрь расплава.
Величина коэффициента массопереноса может быть определена по потере веса образца. Так, если твердое вещество является чистым материалом и имеет относительно низкую растворимость в жидкости, то можно воспользоваться уравнением баланса масс на единицу поверхности dW/dt = psVr = pL км (Си -СвА (3.12) где ps, pz, - плотности образца и расплава, г/см ; dWIdt - скорость растворения в весовых единицах, г/см -с; Сн - концентрация насыщения, мас.%; Св - средняя концентрация в объеме.
Г.С. Ершов и В.П. Майборода в своей работе [62] исследовали влияние легирующих добавок и температуры на скорость диффузии углерода в расплавленном железе. Опытным путем было определено, что с повышением концентрации углерода в жидком железе от 0,5 до 3,0 % при 1500 С коэффициент диффузии уг-лерода возрастает от 5,4 до 12,3-10" м /с. Рост коэффициента диффузии углерода при увеличении его концентрации в расплаве, по-видимому, объясняется снижением вязкости и плотности последнего.
Исследования по применению инжекционных установок для науглероживания стали
На АООТ «Ревдинский метизно-металлургический завод» (РММЗ) нами были проведены опытно-промышленные эксперименты по отработке технологических режимов инжекционной установки при науглероживании металла в 180 -тонных мартеновских печах [85]. Опытные плавки проводились с целью определения оптимальных параметров ведения технологического процесса науглероживания металла с помощью инжекционной пневмомеханической установки типа EKS - К 2,0 с объёмом рабочей камеры 2,0 м3, изготовленной фирмой Velco (Германия). Установки такого типа отличаются надежностью в работе и применяются в тяжелых условиях металлургического производства. Определялись основные характеристики инжекционного науглероживания:
- место ввода углеродсодержащего материала в расплав металла;
- подбор порошкообразных материалов для науглероживания и определение скорости их усвоения металлом;
- выбор оптимальных режимов работы инжекционной установки и их влияние на усвоение углерода сталью.
Сравнительный анализ 151 плавки, проведенной с применением инжекционной технологии, и 228 базовых плавок показал следующие результаты (Приложение А):
- средняя продолжительность плавок понизилась на 6,8 %;
- расход ферромарганца снизился в среднем на 7,0 %;
- расход алюминия сократился на 26 %;
- расход передельного чугуна в среднем уменьшился на 20 % (при увеличении расхода коксика в завалку на 7 %).
Анализ полученных в результате экспериментальных работ данных выявил ряд закономерностей (Приложение Б). Определяющими факторами эффективного науглероживания металла методом инжекции являются:
1. Химический состав и фракция науглероживателя. Наиболее стабильные результаты по науглероживанию показал силицированный кокс производства Челябинского электродного завода фракцией 0-3 мм, содержащий, %: 58-60 С; 15-20 SiC; 18-20 Si02;
2. Содержание углерода в расплаве металла перед вдуванием. Наилучшее усвоение происходит при содержании углерода в расплаве в пределах 0,25-0,50 %;
3. Использование инжекционного метода при полном расплавлении металла с содержанием углерода в расплаве 0,10 - 0,15 % для науглероживания желательно производить в несколько приемов, так как первоначально углерод из материала в основном расходуется на связывание избытка кислорода в металле.
Проведён анализ влияния содержания углерода в стали перед вдуванием углеродсодержащего материала на усвоение вдуваемого углерода сталью (рисунок 4.1.)- Показано, что степень усвоения углерода повышается с увеличением содержания углерода в стали перед вдуванием, что подтверждается данными авторов [75,79,83]. Поскольку содержание в стали кислорода уменьшается с увеличением в ней углерода [86], можно полагать, что причиной снижения угара углерода является меньший его расход на раскисление металла.
Среднее усвоение углерода металлом составило около 58,0 %. Ориентировочно около 15,0 % углерода идет на восстановительную реакцию с FeO, что подтверждается увеличением выхода годного металла на 14,6 %. Около 7,0 % углерода взаимодействует с [О] металла, что приводит к снижению расхода углеродистого ферромарганца на 7 % и алюминия на 26 %.
Баланс расхода углерода при науглероживании составил, %:
- на науглероживание 58;
- на восстановление железа 15;
- на раскисление стали 7;
- потери углерода (угар, вынос)... 20.
Таким образом, следует полагать, что большая часть вводимого углерода (до 80,0 %) расходуется полезно - на предварительное раскисление стали, восстановление железа и науглероживание, а меньшая часть теряется, не успевая раствориться в стали, и выносится вдуваемым воздухом в атмосферу печи. Усвоение заметно увеличивается при повышении углерода в стали до 0,3% (с 25-50 до 60-70 %), а затем остаётся примерно на одном уровне. Авторы [82] получили более высокое усвоение углерода металлом (67,35 %), так как инжектирование графита производилось в нагретую до 1560 С ванну при концентрации в ней углерода 0,5 %. Наши данные также отличаются увеличенным расходом углерода на раскисление стали вследствие более высокого содержания [О] в стали (рисунок 4.2.). Содержание кислорода брали в соответствии с [С] по [86].
На основании полученных результатов был разработан Стандарт предприятия СТП 177-01-03-98 «Науглероживание металла в мартеновской печи с использованием инжекционной установки» (Приложение В).
Применение импортного инжекционного оборудования показало эффективность данного метода обработки расплавов.
В 1999 - 2000 г.г. ИМЕТ УрО РАН при участии автора был выполнен международный проект - «Внедрение инжекционных технологий на металлургических заводах Урала». В результате изучения опыта использования инжекционных технологий на металлургических заводах Европы, проведенного анализа российского рынка, а также выполнения исследовательских работ по вводу в расплав различных порошкообразных материалов, было рекомендовано продолжить работы по оснащению металлургических заводов отечественными инжекционными установками. В связи с этим возникла необходимость в создании такого инжекционного оборудования, которое, не отличаясь от зарубежных аналогов качеством, надёжностью, долговечностью, соответствовало бы условиям эксплуатации на отечественных металлургических предприятиях и одновременно было значительно дешевле импортного, а также позволяло бы работать в большем диапазоне производительности, скоростей подачи и качества вдуваемых углеродсодержащих материалов.
С 2001 г. на металлургических предприятиях для вдувания порошков в металлический расплав стало использоваться отечественное инжекционное оборудование, изготавливаемое ООО «НТМ». Технологический процесс вдувания углеродсодержащих материалов (рисунок 4.3.) состоял из подачи материала из «биг-бэга» в загрузочный бункер; загрузки материала через шлюзовой питатель в пневмомеханический нагнетатель; пневмотранспортирования материала от установки к фурме и далее в расплав металла мартеновской печи.
Торкретирование футеровки конвертеров
Исследования по торкретированию футеровки конверторов проведены в конвертерном цехе ОАО «НТМК» [100-103, 106].
Изношенные участки футеровки конверторов ранее ремонтировали переносными торкрет-установками пневматического типа импортного производства (КНР и Австрия). Недостатком импортных торкрет-установок пневматического типа являлись повышенные требования к физическим свойствам используемых материалов (зернистость - не более 5 мм; влажность - не более 1,0 %) и технологическому газу (влажность до 1,0 %). Несоблюдение этих требований приводило к частому образованию пробок в материалопроводе и затрудняло использование торкрет-установок, что в свою очередь вело к сокращению срока службы футеровки конвертеров.
Исходя из необходимости увеличения стойкости футеровки конвертеров на 15-20 % за счёт нанесения качественного торкрет-слоя была выполнена работа по конструированию, изготовлению и применению нового современного оборудования и отработке технологии торкретирования (см. главу 2).
В 2004 г. была пущена в эксплуатацию мобильная инжекционная установка НТМ - 01 - 4М пневмомеханического типа для торкретирования футеровки конвертеров (рисунок 5.2.). Пуск установки в эксплуатацию позволил провести испытания и отработать технологию нанесения торкрет-слоя перикла-зовыми торкрет - массами китайского производства на различные части футеровки конвертера. При промышленных испытаниях нанесения огнеупорных масс установкой нами были определены и зафиксированы необходимые технические параметры работы установки для наиболее качественного торкретирования футеровки конвертера.
Применение автоматизированной системы управления инжекционным оборудованием (АСУ ИО) позволило расширить возможности его использования и значительно улучшить технико-экономические показатели производства стали в конвертерном цехе ОАО «НТМК» [106].
В результате применения мобильной торкрет-установки стойкость наносимого огнеупорного торкрет-слоя увеличилась с 2 плавок до 6-7 плавок, а удельные затраты на огнеупоры снижены в 3,4 раза.
Следует также отметить, что поскольку внедрение технологии торкретирования футеровок вакууматоров и конвертеров в конвертерном цехе ОАО «НТМК» позволило значительно снизить расход огнеупоров за счет увеличения стойкости футеровок, было примерно в два раза снижено количество поступающих в отвалы отходов производства при перефутеровках этих металлургических агрегатов и пыли, выбрасываемой в атмосферу при удалении старой футеровки.
Кроме того, как показали замеры атмосферы воздуха, в конвертерном цехе из-за более низкого отскока торкрет-масс, наносимых торкрет-установками НТМ-01-4 на поверхность футеровок вакууматоров и конвертеров, запыленность воздуха была снижена примерно на 10 -12 %. Пуск установок в эксплуатацию позволил провести испытания и отработать технологию нанесения торкрет-слоя периклазовыми торкрет-массами LNM-85 и DSA-MCAREP 80С китайского производства на различные части футеровки конвертера, в том числе и в область цапфенных зон [108]. Химический состав торкрет-масс указан в таблице 5.2.
Торкрет-массу LNM-85 наносили торкрет-установкой НТМ-01-4М слоями на большую площадь в район конической зоны конвертера, сливную и загрузочную части от середины цилиндрической и ниже в цапфенные зоны. Расход огнеупорной торкрет-массы составил около 1000 кг на одну операцию торкретирования при минимальном отскоке порошка. Время спекания массы составило 25-40 мин в зависимости от толщины нанесённого торкрет-слоя. При испытании торкрет-массы DSA-MCAREP 80С её наносили в область цапфенных зон конвертера, расход массы составил 300-500 кг за одну операцию. Отмечено, что время спекания массы составляло 12-18 минут, отскок порошка значительно выше, чем у сравниваемой. Результаты испытаний торкрет-масс китайского производства, наносимых на футеровку конвертера торкрет-установкой НТМ-01-4, указаны в таблице 5.3.
Из таблицы 5.3 следует, что стойкость торкрет-слоя у масс LNM-85 выше, чем у масс DSA-MCAREP 80С. Более продолжительное спекание массы LNM-85 объясняется большей толщиной нанесённого торкрет-слоя, так как расход массы на операцию превысил сравниваемую в 2-3 раза. Увеличенный отскок порошка и более низкая стойкость торкрет-масс DSA-MCAREP 80С объясняется более крупным зерновым составом (таблица 5.2). Выявленный при осмотре футеровки локальный износ глубиной более 70 мм подлежал обязательному ремонту. Локальный износ ремонтировался торкретированием по следующей технологии (рисунок 5.3):
1. Торкрет-установка располагалась стационарно и перед торкретированием подключалась к определенной пневмолинии, в зависимости от выбранного для ремонта одного из трех конвертеров.
2. Через специальное металлическое сопло, закрепленное к жаростойкой металлической трубе, и гибкий материалопровод диаметром 50 мм и длиной около 20 м, наносился за один приём огнеупорный торкрет-слой. Толщина торкрет-слоя не превышала 50 мм. Расстояние от сопла до футеровки конвертера при нанесении масс на футеровку было в пределах от 400 мм до 1000 мм для обеспечения максимальной адгезии огнеупорной массы и минимизации её отскока. Слой выдерживался не менее 20 минут для просушки, затем операция повторялась. Количество торкрет-массы на один слой составляло не менее 500 кг.
3. После каждой операции торкретирования сливной или цапфенной зон футеровки конвертера осматривалось состояние сталевыпускного отверстия.
При промышленных испытаниях нанесения данных огнеупорных масс торкрет-установками НТМ-01-4М, используя широкие возможности оборудования по регулированию расхода торкрет-массы и скорости её вылета из сопла, были определены и установлены необходимые технические параметры работы установок для наиболее качественного торкретирования футеровки конвертера.
Похожие диссертации на Совершенствование и внедрение инжекционного метода науглероживания стали и торкретирования футеровки металлургических агрегатов
-
-
-
-
-
-
