Сборник научных трудов ДонНТУ - 2012. Серия: металлургия
  Публикация №3

Влияние нитридообразования на эффективность использования дусульфуратора при инжектировании магния в чугун азотом

А.М. ЗБОРЩИК(д-ртехн.наук, проф.), Ю.Ю. КУЛИШ
Донецкий национальный технический университет, Донецк

УДК 669.162.463.2:721.4

Проанализированы результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния применяемого в качестве транспортирующего газа азота на эффективность использования магния для внедоменной десульфурации чугуна. Показано, что значительных потерь магния в результате взаимодействия с азотом не происходит. Это позволяет с достаточной для практических целей точностью рассматривать азот как нейтральный по отношению к магнию газ.

Keywords: чугун, внедоменная десульфурация, гранулированный магний, транспортирующий газ, азот.

Введение

Азот широко применяется в качестве транспортирующего газа для инжектирования магния в металл при внедоменной десульфурации чугуна. Однако, в настоящее время в научно-технической литературе содержатся крайне противоречивые сведения о возможном его влиянии эффективность обработки [1-8]. Поэтому в настоящей работе ставилась задача уточнить характер влияния азота на эффективность использования десульфуратора.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований и их обсуждение

Возможность образования и устойчивого существования в чугуне нитридов магния при инжектировании гранулированного магния в металл азотом наиболее полно проанализирована авторами работы [9], которые рассматривали термодинамические условия протекания следующих реакций (рис. 1).

Реакции, протекающие при инжектировании гранулированного магния в чугун в потоке азота

Рисунок 1 – Реакции, протекающие при инжектировании гранулированного магния в чугун в потоке азота.

При движении двухфазного потока вдоль фурмы азот может взаимодействовать с твёрдым и жидким магнием по реакциям

В объёме чугуна вблизи выходного отверстия фурмы происходит испарение магния и частичное растворение его в металле. Поэтому азот может взаимодействовать как с газообразным, так и с растворенным в чугуне магнием по реакции

С точки зрения термодинамики взаимодействие магния с азотом по реакциям (1) и (2) возможно. Однако, учитывая сравнительно низкие температуры, высокую скорость двухфазного потока в фурме, наличие на поверхности гранул магния защитного солевого покрытия и др., авторы работы [9] пришли к выводу, что эти реакции не получают существенного развития.

В непосредственной близости от выходного отверстия фурмы термодинамические и кинетические условия протекания реакций (3) и (4) весьма благоприятны. Экспериментальным подтверждением образования нитрида магния по реакции (3) могут служить данные работы [6], авторы которой в ходе лабораторного исследования десульфурации чугуна инжектированием магния в потоке азота наблюдали случаи закупоривания внутреннего канала фурмы. Рентгеноспектральный анализ вещества, которое закупоривало канал фурмы, показал наличие в его составе Mg3N2, MgO, металлического магния и др. В промышленных условиях при вдувании магния в чугун через фурмы с испарительными камерами на внутренней поверхности камер обычно наблюдаются отложения, для удаления которых поверхность камеры опрыскивают водой. При этом ощущается характерный запах аммиака, образующегося по реакции

Образовавшиеся вблизи выходного отверстия фурмы нитриды магния выносят из металла всплывающими пузырями газа или остаются в чугуне.

По мере всплывания пузырей давление в них понижается. Кроме того, в результате взаимодействия с примесями чугуна уменьшается содержание магния в газовой фазе. Поэтому в верхних горизонтах ковша реакции (3) и (4) могут протекать в направлении диссоциации нитрида магния.

В объёме чугуна и у поверхности всплывающих пузырей возможно протекание реакций

Термодинамические условия протекания реакций (6) и (7) авторы работы [9] считают весьма благоприятными, так как, согласно выполненной ими оценке, в равновесии с нитридом магния при 1350оС содержание серы в чугуне не превышает 10–4%, а содержание кислорода на несколько порядков меньше фактической концентрации его в металле.

Результаты приведённого выше анализа свидетельствуют о том, что негативное влияние азота на эффективность десульфурации чугуна магнием становится возможным, если образовавшиеся вблизи выходного отверстия фурмы нитриды магния выносятся из металла или подвергаются термической диссоциации вблизи поверхности расплава, в результате чего образующийся при диссоциации нитридов газообразный магний не успевает взаимодействовать с примесями чугуна.

Для количественной оценки потерь магния при использовании в качестве транспортирующего газа азота необходимо сравнить эффективность десульфурации чугуна при инжектировании магния в металл азотом и аргоном. Если эти исследования проведены в ковшах разного тоннажа, а также при использовании существенно отличающихся режимов обработки, сравнение результатов возможно только при наличии математической модели, которая корректно отражает влияние параметров технологического процесса на результаты обработки.

В работе [10] показано, что изменение растворимости магния в чугуне и условий растворения его в обрабатываемом металле не оказывает существенного влияния на эффективность десульфурации. Это возможно только в случае, когда сера удаляется из чугуна, главным образом, в результате гетерогенной реакции у поверхности всплывающих в металле пузырей пара десульфуратора.

В работах [11,12] описана математическая модель десульфурации чугуна всплывающими пузырями парообразного магния и инертного газа. На примере приведённых авторами работы [7] результатов опытно-промышленного исследования десульфурации чугуна инжектированием порошкообразного магния в потоке азота показано, что эта модель позволяет с достаточной точностью прогнозировать влияние изменения концентрации серы в металле, температуры чугуна и параметров технологического процесса на эффективность обработки.

В табл. 1 представлены для сравнения результаты десульфурации чугуна инжектированием гранулированного магния в заливочные ковши сталеплавильных цехов в потоке аргона и азота на металлургических предприятиях Украины и Китая, опубликованные авторами работы [9] со ссылкой на работу [14].

Таблица 1 – Результаты десульфурации чугуна инжектированием гранулированного магния в потоке азота и аргона.

Результаты десульфурации чугуна инжектированием гранулированного магния в потоке азота и аргона

Исследования десульфурации чугуна в крупных заливочных ковшах инжектированием гранулированного магния в потоке аргона выполнялись на опытно-промышленной установке в кислородно-конвертерном цехе (ККЦ) комбината «Азовсталь» [5,16]. Результаты исследования представлены на рис. 2 [15].

Зависимость степени использования магния на десульфурацию чугуна от концентрации серы в металле при инжектировании магния в заливочные ковши в потоке аргона

Рисунок 2 – Зависимость степени использования магния на десульфурацию чугуна от концентрации серы в металле при инжектировании магния в заливочные ковши в потоке аргона

В настоящее время металлургические предприятия России и Украины освоили технологию десульфурации чугуна в крупных заливочных ковшах инжектированием гранулированного магния совместно с порошкообразной флюидизированной известью. Эффективность использования десульфураторов в этом процессе проанализирована авторами работ [17-19], в которых показано, что вдуваемая вместе с магнием в металл известь не оказывает существенного влияния на результаты обработки. Это позволяет провести непосредственное сравнение эффективности десульфурации чугуна в крупных заливочных ковшах при использовании в качестве транспортирующего газа аргона и азота.

В то время проведения описанных выше исследований содержание серы на выпуске из доменных печей комбината «Азовсталь» изменялось от 0,03 до 0,12%. Поэтому для получения металла с особо низким содержанием серы требовалась двойная обработка чугуна магнием. Практически все количество чугуна подвергалось десульфурации в доменном цехе и поступало в миксерное отделение ККЦ с содержанием серы 0,005 – 0,03% [20]. Часть металла дополнительно обрабатывали в заливочных ковшах после удаления миксерного шлака.

При переработке в ККЦ комбината «Азовсталь» чугуна, подвергавшегося десульфурации магнием, концентрация растворенного в металле магния в миксерах и заливочных ковшах близка к равновесной с серой чугуна [21]. Поэтому при рафинировании в заливочных ковшах чугуна, предварительно прошедшего глубокую десульфурацию в доменном цехе, до начала обработки в металле уже имелось значительное количество магния. Это, безусловно, способствовало повышению эффективности использования магния на десульфурацию чугуна при обработке его в заливочных ковшах.

С учётом этого из данных на рис. 2, а, в, были отобраны результаты обработки чугуна с исходным содержанием серы 0,033 – 0,047%, который не подвергался предварительной десульфурации в чугуновозных ковшах. Как видно из рис. 3, при обработке этих ковшей эффективность использования магния на десульфурацию чугуна не отличалась от результатов, достигнутых при инжектировании магния в металл азотом.

Результаты десульфурации чугуна в заливочных ковшах инжектированием магния азотом и аргоном

Рисунок 3 – Результаты десульфурации чугуна в заливочных ковшах инжектированием магния азотом и аргоном: 1 – результаты расчёта по уравнению (11); 2 – результаты расчёта по уравнению (12)

Выводы

Результаты описанного выше исследования дают основания утверждать, что при десульфурации чугуна инжектированием магния в металл в потоке азота значительных потерь магния не происходит. Это позволяет при выполнении технологических расчётов с достаточной для практических целей точностью рассматривать азот как нейтральный по отношению к магнию газ.

  • 1. Вдувание в чугун порошкового магния в струе различных газов / Н.А. Воронова, П.И. Стовпченко, К.В. Шадрин, Ю.А. Лымарь // Интенсификация металлургических процессов вдуванием порошкообразных материалов: тр. респ. науч. конф., 15 – 17 декабря 1970 г. – М.: Металлургия, 1972. – С. 66–72.
  • 2. Разработка и исследование технологического процесса внепечной обработки чугуна магнием, вводимым в металл в струе природного газа / Н.А. Воронова, Б.В. Двоскин, Д.В. Гулыга [и др.] // Сталь. – 1985. – № 2. – С. 13–15.
  • 3. Двоскин Б.В. Разработка, исследование и внедрение технологического процесса внепечной обработки чугуна магнием, вводимым в металл в струе природного газа / Б.В. Двоскин, Д.В. Гулыга, Н.С. Харченко // Внепечная обработка металлических расплавов: сб. науч. тр. ; редкол.: В.И. Найдек (отв. ред.) и др. – К.: ИПЛ АН УССР, 1986. – С. 18–21.
  • 4. Выбор оптимального процесса обработки чугуна магнийсодержащими реагентами / А.Ф. Шевченко, Б.В. Двоскин, Н.Т. Ткач [и др.] // Труды четвертого конгресса сталеплавильщиков (Москва, 7 – 10 октября 1996 г.). – М.: ОАО «Черметинформация», 1997. – С. 229–232.
  • 5. Шевченко А.Ф. Технология и оборудование десульфурации чугуна магнием в большегрузных ковшах / А.Ф. Шевченко, В.И. Большаков, А.М. Башмаков. – К.: Наукова думка, 2011. – 205 с.
  • 6. Десульфурацияпривдуваниимагниявчугун / K. Nakanishi, A. Ejima, T. Suzuki, F. Sudo // Тэцутохаганэ, Tetsu-to-Hagane, Journal of Ironand Steel Institute Japan. – 1978. – V. 64. – № 9. – P. 1323–1332.
  • 7. Зборщик А.М. Влияние скорости диссипации энергии на кинетику реакции десульфурации чугуна магнием / А.М. Зборщик // Металлы. – 1999. – № 4. – С. 19–20.
  • 8. Зборщик А.М. Влияние азота на эффективность десульфурации чугуна магнием / А.М. Зборщик, П.Е. Власов, И.В. Черкашин // Известия вузов. Черная металлургия. – 1986. – № 6. – С. 15.
  • 9. Sun H. Thermodynamic and Kinetic Analysis of Nitrogenization in Desulfurization of Hot Metal by Magnesium Injection / H. Sun, Y.-C. Liu, M.-J. Lu // Iron and Steel Institute Japan International. – 2009. – V. 49. – № 6. – P. 771–776.
  • 10. Зборщик А.М. Влияние условий растворения магния в чугуне на эффективность десульфурации металла / А.М. Зборщик // Известия вузов. Черная металлургия. – 2010. – №7. – С. 21–24.
  • 11. Доменный чугун с шаровидным графитом для крупных отливок / А.М. Зборщик, В.А. Курганов, Ю.Б. Бычков [и др.] – М.: Машиностроение, 1995. – 128 с.
  • 12. Зборщик А.М. О десульфурации чугуна инжектированием магния в струе природного газа / А.М.Зборщик, Н.Т. Лифенко // Известия АН СССР. Металлы. – 1990. – № 1. – С. 21–25.
  • 13. Бигеев А.М. Металлургия стали: [учебник для вузов] / А.М. Бигеев. – [2-е изд., перераб. и доп.].– М.: Металлургия, 1988. – 480 с.
  • 14. NiuL. Application Results of New Process for Hot Metal Desulphurization with Granular Magnesium / L. Niu, H. Zhuang // Research on Iron and Steel. – 2005. – V. 142. – № 1. – P. 52–54.
  • 15. Зборщик А.М. Особенности кинетики десульфурации чугуна в заливочных ковшах комбината «Азовсталь» / А.М. Зборщик // Сталь. – 2005. – № 10. – С. 54–57.
  • 16. Вергун А.С. Развитие теории и разработка ресурсо- и энергосберегающих технологий ковшевого рафинирования чугуна перед кислородно-конвертерной плавкой: дис. … докт. техн. наук: 05.16.02 / Александр Сергеевич Вергун. – Днепродзержинск, 2003. – 388 с.
  • 17. Эффективность современных технологий внедоменной десульфурации чугуна / А.М. Зборщик, С.В. Куберский, К.Е. Писмарев [и др.] // Известия вузов. Черная металлургия. – 2009. – № 11. – С. 10–12.
  • 18. Эффективность использования флюидизированной извести для десульфурации чугуна в 300-т заливочных ковшах / А.М. Зборщик, С.В. Куберский, Г.Я. Довгалюк, К.Е. Винник // Сталь. – 2011. – № 9. – С. 16–19.
  • 19. Зборщик А.М. Эффективность использования реагентов в современных процессах внедоменной десульфурации чугуна / А.М. Зборщик, С.В. Куберский, Н.В. Косолап // Черная металлургия. Бюл. ин-та «Черметинформация». – 2011. – № 12. – С. 35–41.
  • 20. Поживанов А.М. Опыт производства низкосернистых трубных сталей / А.М. Поживанов // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 1992. – № 3. – С. 12–16.
  • 21. Взаимосвязь концентраций серы и магния в чугуне при внепечном рафинировании / А.Ф. Шевченко, А.В. Зотов, Б.В. Двоскин [и др.] // Теория и практика металлургии. – 1999. – № 4. – С. 35–39.
  Публикация №3
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ