Производство отливок из чугуна
СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛ 2.3

Внепечная десульфурация чугуна

В настоящее время масштабы внепечной десульфурации чугуна по-прежнему возрастают как при обработке товарного и передельного чугуна в доменных цехах, так и в литейных цехах перед его заливкой в литейные формы. Такая тенденция характерна для заводов Западной Европы, США, Японии, Китая и др. Это обусловлено сразу несколькими причинами, главными из которых являются повышение эффективности доменного производства, увеличение объемов поставок высококачественного чугуна и отливок из него, расширение объемов производства качественных сталей и разливка их на МНЛЗ.

Сравнивая тенденции развития внедоменной десульфурации чугуна в 60-90 годы необходимо отметить, что в последнее время основная часть капитальных вложений направляется на расширение и совершенствование способов внепечной обработки чугуна. При этом наибольшее внимание уделяется рациональному выбору десульфураторов, созданию промышленной базы для их производства и разработке методов их эффективного введения в металл. Из значительного числа десульфураторов, прошедших широкие промышленные испытания (магний, магнийсодержащие реагенты, кальцинированная сода, известь, карбид кальция, карбонат кальция и пр.) все большее предпочтение отдается гранулированному магнию и в ряде случаев промышленным смесям на базе нескольких десульфураторов. Кроме того, достаточно распространенным реагентом в США и Западной Европе по-прежнему остается карбид кальция. Вместе с тем, определенные ограничения в применении карбида кальция обусловлены рядом технологических факторов и соображениями техники безопасности и экологии.

Основные причины использования магния вместо карбида кальция заключаются в следующем:

  • уменьшение расхода реагента (гранулированного магния с солевой оболочкой необходимо в 8-12 раз меньше, смеси магния с известью – в 3-4 раза меньше, чем карбида кальция);
  • низкие удельные затраты на обработку чугуна из-за небольшого расхода магния;
  • уменьшение капитальных затрат в результате большей безопасности магниевого реагента, образующегося шлака и выделяющегося из ковша дыма;
  • повышение степени десульфурации при обработке чугуна с низкой температурой;
  • возможность достижения конечного содержания серы на уровне 0,003%;
  • сокращение длительности внепечной обработки примерно в 2 раза;
  • меньшее проявление негативного влияния на футеровку ковша;
  • уменьшение в 3-10 раз количества образующегося шлака.

После обработки карбидом кальция шлак содержит непрореагировавший карбид, который при взаимодействии с влагой образует ацетилен. Поэтому при десульфурации чугуна карбидом кальция применяют специальное оборудование и специальные меры предосторожности. При работе на гранулированном магнии применяют обычные приемы и оборудование для внепечной обработки чугуна.

Технологические аспекты десульфурации чугуна магнием во многом зависят от его физических свойств, важнейшими из которых являются температура плавления, кипения и упругость пара. Температура плавления магния составляет 650 оС. Давление пара p чистого магния (мм рт.ст.) в зависимости от температуры Т определяется, например, по Бауэру и Брунеру из следующего уравнения:

lgp = 10,162 - 7115/T - (2.1)

Температура кипения магния, подсчитанная при помощи уравнения (2.1), составляет 1107 оС при атмосферном давлении, 1200 оС при давлении в две атмосферы и 1250 оС при давлении в три атмосферы. При оценке эффективности магния как модификатора необходимо учитывать термодинамические характеристики реакций взаимодействия его с компонентами расплава, кинематические условия протекания реакций, условия эвакуации продуктов реакции из расплава и технологические возможности введения в расплав модификатора.

Термодинамические предпосылки применения магния для рафинирования расплава определяются его высоким химическим сродством к сере и кислороду, являющимися вредными примесями в чугуне. Теплота образования сульфида магния в два раза выше, чем марганца. Реакция взаимодействия газообразного магния с растворенной в расплаве серой характеризуется значительным изменением свободной энергии. Химическое сродство магния к сере быстро снижается с повышением температуры и при 1600 оС приближается к сродству марганца к сере. Можно с высокой степенью уверенности считать, что лимитирующим звеном процесса при ограниченной глубине десульфурации чугуна является массоперенос серы из объема металла к поверхности всплывающих в расплаве пузырей пара магния.

Магний имеет очень высокое химическое сродство к кислороду. Теплота образования окиси магния достаточно высока:

2Mgгаз + О2 = 2MgO – 287400, кал/моль - (2.2)

Реакция взаимодействия газообразного магния с кислородом протекает с большим выделением свободной энергии. В железоуглеродистых сплавах магний также активно взаимодействует с растворенным кислородом. Однако, развитие реакции между магнием и кислородом зависит от наличия последнего в чугуне в растворенном виде. Известно, что промышленные доменные чугуны имеют низкую степень окисленности, что дает основание считать потери магния от его реакции с кислородом незначительными.

Кинетические условия протекания реакций взаимодействия магния с компонентами чугуна определяются тем, что магний находится в газообразном состоянии. Газообразный магний имеет чрезвычайно развитую контактную поверхность с металлом, об-легчающую условия подвода реагента к реакционной поверхности. Большое количество газа, образующегося при вводе магния, способствует интенсивному перемешиванию расплава и, следовательно, улучшает условия конвективного подвода растворенных в металле примесей к реакционной зоне.

Условия эвакуации продуктов реакции из расплава определяются их плотностью, вязкостью расплава, а также его перемешиванием в процессе обработки. Сравнительно низкая плотность и высокая температура плавления сульфида (2,3 г/см3 и 2000 оС) и оксида (3,57 г/см3 и 2800 оС) магния предопределяют быстрое всплытие твердых частиц этих соединений.

Для технологических процессов, связанных с обработкой железоуглеродистых расплавов магнием, важна растворимость магния в твердом и жидком сплаве. Растворимость магния в твердом железе очень низка, что объясняется неблагоприятным объемным фактором магния по отношению к железу. Атомный объем магния более чем в два раза превышает атомный объем железа.

Растворимость магния в железоуглеродистом расплаве значительно выше и составляет при 1400 оС от 0,3 до 0,6 %. Усвоение магния металлом оказывается достаточно высоким только в том случае, когда в чугуне имеются компоненты, образующие химические соединения с магнием. На практике остаточное содержание магния в чугуне обычно на порядок ниже указанного предела растворимости.

Для более полного проявления свойств магния как десульфурирующего, рафинирующего и модифицирующего реагента большое значение имеет способ ввода его в расплав. В промышленных условиях используется магний в виде слитков, гранул и порошка. Однако, во всех случаях для эффективного использования десульфуратора характерным является стремление обеспечить регулируемый ввод магния в струе транспортирующего газа.

Наиболее дешевым, удобным (безопасным) в хранении и доступным в поставке является слитковый магний, выпускаемый предприятиями цветной металлургии. Если погружаемое устройство для ввода магния (испаритель) выполнить с полой штангой и через нее под колокол подать газ, то при погружении испарителя в ковш чугун не поднимется выше отверстий в колоколе. Это позволяет разместить в верхней части испарителя механический дозатор и подавать магний в необходимом количестве через штангу в колокол.

Слитки магния (рис. 2.8, а), соединенные в гирлянду, перед началом обработки надевают на крюк и с помощью приводного барабана, размещенного в герметичном корпусе, втягивают внутрь штанги испарителя так, чтобы нижний край слитка находился примерно на уровне отверстий в колоколе или несколько выше. Испаритель погружают в ковш с чугуном, подавая в него через патрубок газ (азот или воздух) с расходом, обеспечивающим скорость подъема давления внутри корпуса и штанги, соответствующую скорости увеличения глубины погружения испарителя в металл. После достижения испарителем заданной глубины погружения расход газа уменьшают и начинают медленно подавать слитки магния к поверхности металла внутри колокола испарителя. В реальных устройствах скорость испарения магния изменяют в диапазоне 0,05-0,20 кг/с, что для стандартных слитков магния массой 8 кг и длиной 0,48 м достигается при скорости их опускания 0,003-0,012 м/с. Величина разового заряда слитков определяется допустимым временем пребывания испарителя в расплавленном металле, принятой скоростью ввода магния и обычно составляет 3-4 слитка.

Схема ввода слиткового и гранулированного магния

Рисунок 2.8 - Схема ввода слиткового (а) и гранулированного (б) магния: 1 - испаритель; 2 – патрубок для подвода газа; 3 – корпус дозатора; 4 – барабан; 5 – цепь; 6 – крюк; 7 – слитки магния; 8 – бункер для гранулированного магния.

Расход газа, подаваемого в испаритель в процессе обработки, выбирают из условия предотвращения возможности проникновения паров магния в штангу испарителя и вытеснения этих паров в чугун через отверстия в колоколе. При использовании азота и воздуха достаточным оказывается расход, соответственно, 20-40 и 40-80 м3 в час.

Применительно к гранулированному магнию принципиальная схема реализации способа «магний-газ» представлена на рис.2.8, б. Процесс десульфурации в этом случае регулируется более гибко, упрощается работа по зарядке устройства магнием, уменьшается сечение штанги и, соответственно, сокращается расход газа, подаваемого в испаритель. Оптимальная скорость ввода магния определяется в зависимости от допустимого времени пребывания испарителя в расплавленном металле, величины «заряда» магния и степени наполнения ковша. На практике при обработке чугуна слитковым магнием она обычно составляет 0,07 – 0,12 кг/с, гранулированным - 0,01- 0,2 кг/с.

Развитием способа десульфурации чугуна гранулированным магнием является применение гранул со специальным солевым покрытием. Начиная с 80-х годов, гранулированный магний применяется на многих заводах Западной Европы и США. В странах западной Европы были получены магниевые гранулы с негигроскопичным покрытием из эвтектической смеси 40-50% хлорида натрия и 50-60% хлорида калия. В США для десульфурации достаточно широко применяют реагент «Pelamag», представляющий собой гранулы, содержащие 88-92% металлического магния с солевым покрытием из смеси хлоридов магния, калия, кальция и натрия. Использование реагента «Pelamag» позволило заменить на двух заводах фирмы «Armco» ранее используемую смесь магния с известью. Интенсивность его ввода в чугун составляет 13 кг/мин при наполнении 200-тонных ковшей до 95 %. Магний вводят в жидкий металл в струе азота через погружаемую под углом 15-25о к вертикали фурму, имеющую Т-образный канал на выходе. Степень усвоения магния в этом случае составляет примерно 50 %, а длительность продувки – 8 мин. Скорость снижения температуры чугуна в ходе обработки равна 1-2 оС в минуту.

В качестве примера поиска рационального вида десульфуратора можно также привести завод фирмы «Youngstown Steel» (США), где первоначально использовался метод десульфурации магкоком (смесь магния и кокса). Начиная с 1977 г., десульфурацию на этом заводе производят гранулированным магнием, покрытым оболочкой из 54% хлористого натрия, 20 % хлористого магния и 13% хлористого калия.

Во Франции с 1980 г. применяют магниевый реагент, разработанный французскими фирмами USINOR и SOFREM и представляющий собой смесь 80% сферических гранул чистого магния размером 0,3-1,6 мм и 20% гранулированного основного шлака, того же гранулометрического состава. По мнению разработчиков, шлак предотвращает налипание магния на срез фурмы и улучшает текучесть реагента. Длительность обработки составляет 8-10 мин, а интенсивность ввода реагента – 6-12 кг/мин.

Помимо гранулированного магния на ряде заводов используется технология вдувания порошкообразного магния. В промышленных масштабах вдувание порошкообразного магния впервые реализовано Институтом черной металлургии НАН Украины (г. Днепропетровск) на комбинате «Азовсталь» (г. Мариуполь). Магний вдувают в чугун через футерованную огнеупорным материалом фурму вместе с наполнителем – известью или доломитом. Наполнитель экранирует порошок магния от теплового излучения жидкого металла и способствует очищению выходного отверстия фурмы от налипающих частиц магния (заваривание фурмы металлом в этом случае не происходит). Наилучшее отношение магния и наполнительной смеси 1:3. Принципиальная схема установки для десульфурации чугуна порошкообразным магнием приведена на рис.2.9.

Расход воздуха на транспортирование смеси составляет 70 – 120 м3, расход смеси – 50 – 80 кг/мин. Удельный расход магния 0,7 – 0,95 кг/т обеспечивает достаточно полное удаление серы из чугуна. В дальнейшем технология была распространена на ряд заводов Украины.

Известны также и другие варианты промышленного использования порошкового магния в смеси с наполнителями:

  • смесь магния и карбида кальция на заводе «Arbed Saarstahl»(ФРГ);
  • смесь соединений MgSi и MgAl2O3.

Схема установки десульфурации чугуна порошкообразным магнием

Рисунок 2.9 – Схема установки десульфурации чугуна порошкообразным магнием: 1 – емкости с магнием; 2 – автоцистерна для подачи извести; 3 – бункер для извести; 4 – компрессорная установка; 5 – смеситель; 6 – расходные бункера; 7 – динамометр; 8 – фурмы; 9 – чугуновозный ковш.

В целом практика применения магнийсодержащих смесей с относительно невысоким содержанием магния (менее 60%) наряду с определенными преимуществами по сравнению с другими реагентами выявила также и недостатки, связанные с необходимостью применения наполнителей из высококачественных материалов, требующих специальной подготовки. Кроме того, несмотря на сравнительно невысокий расход смесей, эта величина в 2,5-3,5 раза выше, чем при вводе чистого магния.

С другой стороны рассмотренные методы регулируемой подачи магния за последние десятилетия практически полностью заменили методы введения магния с неактивными наполнителями (коксик, доломит, мартеновский шлак и т.п.).

СОДЕРЖАНИЕ РАЗДЕЛ 2.3

СТАТЬИ

ПОПУЛЯРНОЕ

КОНФЕРЕНЦИИ

КНИГИ