Сопоставление эффективности способов десульфурации чугуна

"Сталь" №4 2001
СОПОСТАВЛЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ СПОСОБОВ ДЕСУЛЬФУРАЦИИ ЧУГУНА
Д. А. Дюдкин, С. Е. Гринберг
Ко многим современным конструкционным сталям
предъявляются требования ограничить содержание вредных
примесей, в частности серы в пределах от < 0,001 до 0,008 %.
В "чистой" стали суммарное содержание серы, фосфора и
азота не должно превышать 0,005 %. Получение чугуна с
низким содержанием серы в доменном процессе связано со
значительным увеличением затрат. Поэтому в последние
20 лет широко применяются процессы внедоменной десульфурации чугуна. В настоящее время в качестве десульфураторов используют порошкообразную известь, соду, карбид
кальция, гранулированный магний или смеси нескольких
реагентов.
По данным американских исследователей, приведенным
в монографии [1], выведено уравнение десульфурации чугуна известью, инжектируемой в струе природного газа:
(1)
Sк = 0,005 + 4,05∙Sн/2,2∙q + 0,23∙Sизв
где:
Sк — конечное содержание серы, %;
Sн — начальное содержание серы, %;
Sизв — содержание серы в извести, %;
q — расход извести, кг/т чугуна.
Анализ этого уравнения показал, что для получения малосернистого чугуна требуется достаточно много извести
даже с малым содержанием в ней серы (до 0,007 %). Значительный расход извести приводит к большим потерям тепла
и снижению температуры чугуна. Кроме того, известь должна применяться только в свежеобоженном виде из-за склонности ее к гидратации.
Использование извести в смеси с магнием приводит к
снижению эффективности воздействия магния, так как имеющийся в извести "недопал" (неразложившийся известняк —
СаСО3), а его содержание достигает 10 %, будет реагировать
с магнием по реакциям:
СаСО3 = СаО + СО2;
СО2 + Mg = СО + MgO.
Известный способ десульфурации чугуна содой малопривлекателен из-за ее значительного испарения, что требует
высокой степени очистки отходящих газов, и большого расхода материала. Так, по данным [1], требуемая степень десульфурации достигается при следующем расходе соды:
Таблица 1 – Расход извести в зависимости от степени десульфурации.
Степень десульфурации, %
20
30
50
60
76
Расход соды, кг/т
2,5
4,0
6,2
7,3
20
Кроме того, при использовании соды развивается реакция взаимодействия содового шлака с огнеупорами ковша,
что сокращает срок службы футеровки почти вдвое. Поэтому
соду как десульфуратор обычно применяют только для незначительного уменьшения содержания серы или в особых
случаях, например в сочетании с окалиной для получения
чугуна с пониженным содержанием серы и фосфора одновременно.
Таблица 2 – Сопоставление производственных ресурсов при десульфурации чугуна вводом магнийсодержащей проволоки с инертной добавкой и вдуванием гранулированного магния.
Статьи расходов
Амортизационные отчисления
Эксплуатационные расходы
Огнеупоры
Фурмы
Энергия для компенсации снижения температуры чугуна
Заработная плата
Затраты на материалы
Итого производственных расходов
Вдувание порошка Mg
0,75
0,80
2,50
0,75
Ввод порошковой проволоки
0,08
0,05
1,50
–
Экономия
0,67
0,75
1,00
0,75
0,60
–
0,60
0,50
1,55
7,45
0,05
4,41
6,09
0,45
–2,86
1,36
Использование карбида кальция требует специальных
мер безопасности при обработке чугуна и хранении получаемого шлака, в котором имеется остаточное количество
непрореагировавшего карбида.
Исходя из изложенного, как показано в статье [2], в
настоящее время лучшим десульфуратором может быть
признан магний, применение которого позволяет получать
низкое и сверхнизкое содержание серы в чугуне. Гранулированный магний вводят путем вдувания в струе газа-носителя
через фурму или в виде порошковой проволоки с помощью
трайб-аппарата. Первый способ появился значительно раньше (примерно на 30 лет), а способ ввода порошковой проволоки получил развитие в последние 10 лет. В работе [2] приведено сопоставительное исследование этих двух способов
ввода магния в чугун, выполненное, по нашему мнению,
недостаточно корректно, так как учитываются только затраты на реагенты. При этом делается вывод о фактической
308818372
неэффективности способа ввода магния в виде порошковой
проволоки "как в теоретическом, так и в практическом
плане".
Обычно для сопоставления любых технологий применяют системный подход, предусматривающий оценку капитальных и амортизационных затрат, экологических аспектов
и необходимых средств очистки отходящих газов, снижения
температуры чугуна, затрат на реагенты и другие материалы,
организационных работ и т.д.
Для реализации способа вдувания необходимо громоздкое дорогостоящее оборудование, включающее систему бункеров и пневмотранспорт; требуются значительные площади
под это оборудование, помещения для сборки и сушки фурм
и т.д. Стоимость комплекса для десульфурации чугуна составляет 10…14 млн. долл. США.
Для ввода порошковой проволоки используется компактное оборудование, включающее трайбаппарат, разматы1
ватель и направляющую трубу, которое может быть установлено на площади не более 5…8 м2. На предприятиепотребитель поступают уже готовые бухты порошковой проволоки; их размещение не требует значительных складских
помещений.
Для организации вдувания магния необходим участок,
включающий склад огнеупоров и огнеупорных масс, смеситель для их приготовления; участок наборки фурм и сушило,
а также персонал, обслуживающий эти участки. При вдувании порошкового магния нельзя обрабатывать полные чугуновозные и заливочные ковши, так как газ-носитель занимает часть объема ковша и, кроме того, возникает сильный
барботаж. Поэтому при вдувании магния ковш заполняют не
более чем на 75 % полезного объема или увеличивают объем
ковша за счет его высоты, что не всегда возможно. При вводе порошковой проволоки, как показала практика, можно
обрабатывать ковши с полным наливом (высота свободного
борта должна быть порядка 200…300 мм).
По измерениям, проведенным …энергочерметом на металлургическом комбинате им. Ильича, количество отходящих газов при вдувании магния примерно вдвое больше, чем
при вводе порошковой проволоки, так как объем отходящих
газов увеличивается за счет вдуваемого газа-носителя. Это
влечет за собой необходимость увеличения пропускной способности газоочистки и приводит к дополнительным затратам.
Измерения температуры, проведенные при вводе порошковой проволоки на ряде предприятий, показали, что
снижение температуры чугуна за время обработки (без учета
естественных потерь температуры ковшом) составляет
5…10 °С. При вдувании магния охлаждение достигает
15…20 °С, а это существенно, особенно для конвертерного
процесса.
Процесс ввода порошковой проволоки автоматизирован,
и режим можно оперативно изменять по ходу процесса. В
работе [3] сообщается о компьютерной программе "Советчик
оператора", позволяющей установить параметры эффективной оптимизации технологии внедоменной десульфурации
чугуна порошковой проволокой с магнием.
Преимущество способа вдувания заключается в том, что
магний поступает в объем чугуна точно на глубине погружения фурмы. При вводе порошковой проволоки на глубину ее
погружения влияют физико-химические свойства чугуна, в
частности его химический состав и температура, но влияние
этих параметров можно скорректировать, изменяя скорость
ввода проволоки.
Следует отметить, что и при вдувании, и при вводе порошковой проволоки магний практически сразу же испаряется. Это объясняется следующим [2]. Давление насыщенных паров магния при 1300 °С равно 0,4 МПа. при 1350 °С
уже 0,8 МПа, что соответствует ферростатическому давлению столба жидкого чугуна — 6 и 12 м. Поскольку высота
налива чугуна в чугуновозных ковшах не превышает 2,5 м, а
в заливочных — до 5 м, то идет интенсивное выделение паров магния из расплава.
Как известно, введенный в чугун магний расходуется на
реакцию десульфурации, часть его растворяется в чугуне (по
нашим данным, обычно до 0,015…0,025 %), часть расходуется на соединение с растворенным в чугуне кислородом (до
0,010 % [1]), а остальной непрореагировавший магний, соединяясь с кислородом воздуха и образуя MgO, испаряется в
виде белого дыма. В связи с изложенным приведенное в работе [2, рис. 2] значение степени усвоения магния на уровне
95 % при глубине погружения фурмы 3,5 м представляется
завышенным. По-видимому, указанные данные получены
при опытной обработке чугуна в 300-т заливочных ковшах в
миксерном
отделении
конвертерного
цеха
металлургического комбината "Азовсталь". Известно, что весь
поступающий в этот цех чугун предварительно обрабатывают вдуванием гранулированного магния в чугуновозных
308818372
ковшах в отделении десульфурации чугуна. После его перелива в заливочные ковши содержание растворенного магния
обычно составляет до 0,025 %. Естественно, что при повторной обработке чугуна на опытной установке в миксерном
отделении ККЦ этот магний участвует в реакции десульфурации. Возможно, этим можно объяснить получение такой
высокой степени использования магния.
Как уже отмечено, процесс десульфурации чугуна порошковой проволокой находится в развитии. Промышленное
опробование порошковой проволоки с наполнением ферросиликомагнием на металлургическом комбинате им. Ильича
показало, что при уменьшении содержания серы в чугуне с
0,035 до 0,005 % удельный расход реагента (по магнию) составляет 0,45 кг/т чугуна (при вдувании — 0,52 кг/т [2,
рис. 3]). Согласно проведенным в отделении десульфурации
чугуна Институтом экологических технологий Донбасса
измерениям, объем пылегазовых выбросов сокращается в
7,3 раза по сравнению с образующимся в случае применения
порошковой проволоки с гранулированным магнием.
Сопоставление экономической эффективности способов
десульфурации чугуна вдуванием гранулированного магния
и вводом магнийсодержащей порошковой проволоки представлено в таблице, исходя из данных [4]. Следует отметить,
что в этой работе сопоставление проведено для обработки
жидкой стали силикокальцием. Поскольку установки для
обработки стали и чугуна способами вдувания и ввода порошковой поволоки идентичны, такое сопоставление можно
признать правомочным. Единственное, что затраты на огнеупоры и фурмы при обработке чугуна будут несколько
меньше, так как обрабатываемый чугун имеет более низкую
температуру, чем сталь. Вместе с тем в приведенном сопоставлении отсутствуют затраты на очистку отходящих газов,
которые при использовании порошковой проволоки значительно меньше (см. отчет ИЭТ).
Затраты на материалы приведены по фактическим данным металлургического комбината им. Ильича, обрабатывающего чугун магнийсодержащей порошковой проволокой с
инертной добавкой на протяжении ряда лет, и, по данным [2,
рис. 3], для десульфурации способом вдувания при одинаковом уменьшении содержания серы (с 0,035 до 0,005 %). Как
следует яз таблицы, уровень производственных расходов при
использовании порошковой проволоки существенно ниже,
чем при вдувании гранулированного магния, даже с учетом
значительно больших затрат на порошковую проволоку.
При использовании в качестве наполнителя порошковой
проволоки кремниймагниевой лигатуры вместо гранулированного магния с инертной добавкой затраты на материалы
уменьшатся по сравнению с приведенными в таблице, так
как удельный расход проволоки сократится в — 1,5 раза.
Таким образом, сопоставлением способов десульфурации чугуна показало технико-экономическое и организационное преимущество ввода магнийсодержащей порошковой проволоки перед вдуванием гранулированного магния.
Следует отметить, что образующийся при десульфурации чугуна магнием высокосернистый шлак при дальнейшем переделе чугуна в сталь необходимо в обязательном
порядке скачивать во избежание попадания в сталеплавильный агрегат. Вязкий высокомагнезиальный шлак в отличие
от жидкотекучего при обработке содой или "рассыпчатого"
при обработке известью достаточно хорошо удаляется современными гребковыми машинами для скачивания шлака.
При изготовлении чугунного литья скачивание шлака не
требуется.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Проведено сопоставление способов десульфурации чугуна магнийсодержащей порошковой проволокой и вдуванием гранулированного магния, исходя из капитальных затрат,
затрат на материалы, снижения температуры чугуна, организации производства и т.д.
2
Использование системного анализа при сопоставлении
обоих способов показало, что при равных условиях десульфурации (начальное и конечное содержание серы) способ
десульфурации порошковой проволокой более экономичен
по сравнению с продувкой.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Воронова Н. Л. Десульфурация чугуна магнием. М.: Металлургия, 1980. 239 с.
2. Шевченко А. Ф., Двоскин Б. В., Вергун А. С и др. Сопоставление эффективности способов десульфурации чугуна // Сталь. 2000. № 8. С. 14…17.
3. Крупенников С. Л., Филимонов Ю, П., Мазуров Е. Ф.,
Кузьменко А. Г. Определение оптимальной скорости
ввода порошковой проволоки с магнием при десульфурации чугуна // Сталь. 2000. № 8. С. 8…21.
4. Поляков В. В. Ресурсосбережение в металлургии. М.:
Машиностроение, 1993. С. 142…146.
308818372
3