Внепечное рафинирование чугуна и стали
  2.1.3 Основные требования к организации внедоменной десульфурации чугуна магнием

Рассмотренные выше особенности физических свойств магния, механизма и кинетики реакций, протекающих при обработке магнием сплавов железа, позволяют сформулировать следующие основные требования к организации процессов внедоменной десульфурации чугуна.

Из табл. 2.1 видно, что плотность металлического магния значительно меньше плотности металла и шлака. Поэтому первым обязательным условием эффективной обработки чугуна магнием является использование какого-либо из способов принудительного ввода его под уровень обрабатываемого металла. Гранулированный магний вдувают в чугун через погружаемые в металл фурмы в потоке транспортирующего газа или вводят в расплав в составе порошковой проволоки, слитковый магний погружают в обрабатываемый металл под колоколом и т.д.

Из-за резкого увеличения объема введенного в металл магния при его испарении для безопасной обработки чугуна магнием необходимы рассредоточенная во времени подача магния в металл и значительный недолив подаваемых под обработку ковшей. Так, например, при скорости подачи магния 6 – 8 кг/мин подаваемые под обработку 100 – 140-т чугуновозные ковши обычно наполняют не более чем на 70 – 75% номинальной их вместимости.

Низкая растворимость магния в сплавах железа является причиной того, что основное количество введенного в обрабатываемый металл магния удаляется из расплава в виде пузырей пара, у поверхности которых протекают химические реакции между магнием и примесями чугуна. Поэтому эффективная обработка чугуна магнием возможна только при подаче его в расплав на максимально возможную глубину (300 – 400 мм от дна ковша).

Еще одна особенность рассматриваемой технологии заключается в том, что оксиды магния являются значительно более устойчивыми химическими соединениями, чем сульфиды. По этой причине при обработке чугуна магнием происходит частичное окисление сульфидов растворенным в металле кислородом, скорость которого увеличивается по мере роста активности кислорода в расплаве. Данные на рис. 2.3 свидетельствуют о том, что активность кислорода в чугуне уменьшается при понижении его температуры. По этой причине эффективному использованию магния для десульфурации чугуна способствует низкая температура обрабатываемого металла.

В шлаке сульфиды магния могут окисляться в результате взаимодействия с оксидами железа, марганца и кремния, а также кислородом атмосферы. Протекание этих реакций сопровождается образованием оксидов магния и серы, которая растворяется в шлаке. Низкая основность шлака в чугуновозных ковшах часто приводит к тому, что его сульфидная емкость может оказаться недостаточной для растворения всего количества серы, поступающей в шлак при десульфурации чугуна. Это является причиной ресульфурации металла, которая может наблюдаться во время транспортирования ковшей из ОДЧ в миксерные отделения сталеплавильных цехов.

Для предотвращения ресульфурации чугуна высокосернистый шлак необходимо скачивать из чугуновозных ковшей сразу после окончания обработки.

Значительная растворимость магния в чугуне является причиной того, что десульфурация металла может протекать по гетерогенной реакции (2.3), а также путем растворения магния в чугуне

{Mg} = [Mg] (2.19)

и последующего взаимодействия с серой в объеме металла по реакции

[Mg] + [S] = (MgS). (2.20)

Для решения вопроса о том, какая из этих реакций получает преимущественное развитие при внепечной десульфурации чугуна, может быть использован широко применяемый в металлургии метод кинетической кривой, сущность которого заключается в следующем:

  • исходя из существующих представлений о природе рассматриваемой реакции, предварительно определяют возможные механизмы ее протекания;
  • для каждого возможного случая разрабатывают теоретические модели, которые описывают характер изменения концентрации взаимодействующих веществ во времени или влияние отдельных параметров технологического процесса на результаты обработки;
  • изучают кинетику реакции в лабораторных или промышленных условиях;
  • сравнивают характер теоретических и экспериментально установленных зависимостей. В случае, когда характер теоретической и экспериментальной зависимостей совпадает, механизм реакции считается установленным.

м//с; [S]н и [S]к – исходное и конечное содержание серы в чугуне, %; q – удельный расход магния на обработку, %.

Сравнение теоретических зависимостей с данными опытнопромышленных исследований показывает, что уравнение (2.21) с достаточной точностью описывает результаты десульфурации чугуна в ковшах разной вместимости с использованием различных способов подачи магния в металл. В качестве примера на рис. 2.6 показаны экспериментально установленные зависимости степени использования магния для десульфурации чугуна от концентрации серы в металле при обработке пассивированным магнием в 100-т ковшах (рис. 2.6а), путем регулируемой подачи слиткового магния с независимой подачей газа в испарительную камеру в 80-т ковшах (рис. 2.6б), продувкой гранулированным магнием в 140-т ковшах (рис. 2.6в) и продувкой гранулированным магнием в 420-т миксерных ковшах (рис. 2.6г).

Зависимость степени использования магния для десульфурации чугуна от содержания серы в металле при использовании различных способов подачи магния в расплав

Рис. 2.6. Зависимость степени использования магния для десульфурации чугуна от содержания серы в металле при использовании различных способов подачи магния в расплав

На рис. 2.6а - 2.6в точками обозначены средние значения степени использования магния, полученные в результате обработки массивов экспериментальных данных. На рис. 2.6г показаны результаты обработки отдельных ковшей. На этих же рисунках показаны расчетные зависимости, полученные по формуле (2.21) с использованием значений коэффициента a равных соответственно 22,1, 17,5, 19,8 и 23,1.

Данные на рис. 2.7 подтверждают возможность использования уравнений (2.21) и (2.22) для прогнозирования результатов десульфурации чугуна продувкой гранулированным магнием при изменении глубины ввода магния в металл. При обработке экспериментальных данных были проанализированы результаты десульфурации чугуна, полученные при заглублении фурмы в металл на 2,3 м. После этого с использованием найденного значения коэффициента K в уравнении (2.22) расчетным путем были получены зависимости степени использования магния для десульфурации чугуна от концентрации серы в металле при погружении фурмы в расплав на глубину 1,8 и 1,3 м.

Зависимость степени использования магния для десульфурации чугуна от содержания серы в металле и глубины ввода его в расплав

Рис. 2.7. Зависимость степени использования магния для десульфурации чугуна от содержания серы в металле и глубины ввода его в расплав: 1 – 2,3 м; 2 – 1,8 м; 3 – 1,3 м

При инжектировании магния в металл в потоке транспортирующего газа с достаточной точностью прогнозировать влияние нейтрального по отношению к магнию транспортирующего газа на результаты обработки позволяет полученная из уравнения (2.21) зависимость

Чтобы показать возможность использования уравнения (2.26) для учета совместного влияния различных параметров технологического процесса на эффективность использования магния для десульфурации чугуна были проанализированы приведенные в табл. 2.4 результаты десульфурации передельного чугуна инжектированием магния через погружаемые в металл фурмы в потоке азота.

Табл. 2.4. Результаты десульфурации чугуна инжектированием магния через погружаемые в металл фурмы в потоке азота

Результаты десульфурации чугуна инжектированием магния через погружаемые в металл фурмы в потоке азота

Первоначально при помощи уравнений (2.26) и (2.22) были обработаны результаты опыта №2. При этом величина коэффициента K в уравнении (2.22) была получена равной 0,039. После этого с использованием найденного значения коэффициента K была проведена оценка степени использования магния для десульфурации чугуна в условиях остальных опытов. Результаты расчетов и фактические значения степени использования магния для десульфурации чугуна в каждом из опытов также представлены в табл. 2.4.

Анализ приведенных в таблице данных показывает, что с учетом точности определения степени использования магния для десульфурации чугуна в промышленных условиях совпадение расчетных и экспериментальных результатов можно считать вполне удовлетворительным.

Приведенные выше сведения дают достаточные основания утверждать, что при десульфурации чугуна магнием преимущественное развитие получает гетерогенная реакция (2.3). Косвенным подтверждением доминирующей роли реакции (2.3) в десульфурации металла является также установленный многими авторами вынос большого количества сульфидов магния в газовую фазу. Поэтому при выборе технологических параметров процессов, основанных на вдувании магния в чугун в потоке транспортирующего газа, нет необходимости стремиться к созданию условий для растворения в обрабатываемом металле максимально возможного количества магния.

  2.1.3 Основные требования к организации внедоменной десульфурации чугуна магнием
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ