Современное состояние технологии внепечного рафинирования чугуна

Первые промышленные исследования внедоменной десульфурации чугуна были выполнены в конце XIX столетия. В ХХ веке различные способы десульфурации чугуна в ковшах получили широкое распространение. К настоящему времени внедоменная десульфурация является единственной разновидностью внепечного рафинирования чугуна, которая в промышленных масштабах используется металлургическими заводами Украины.

Наличие на металлургических предприятиях отделений внедоменной десульфурации чугуна (ОДЧ) позволяет решать следующие задачи:

• десульфурация товарного чугуна;
• глубокая десульфурация передельного чугуна для выплавки низкосернистых марок стали;
• устранение периодического повышения содержания серы в чугуне при устойчивой работе доменных печей, а также последствий нарушений хода печей, промывок и др.;
• десульфурация всего количества выплавленного чугуна при работе доменных печей на шлаках пониженной основности с целью снижения расхода кокса.

Из большого количества реагентов, которые могут применяться для внедоменной десульфурации чугуна, в промышленных масштабах в разное время использовали порошкообразную известь, кальцинированную соду, карбид кальция и различные виды магниевых реагентов.

Применение каждого из этих десульфураторов имеет свои особенности, важнейшие из которых изложены ниже.

Известь является наиболее дешевым реагентом, который до настоящего времени доступен в практически неограниченных количествах.

Главным недостатком извести является высокий ее расход на обработку, который в зависимости от качества извести и необходимой глубины десульфурации металла может достигать 10 – 15 кг/т чугуна.

При десульфурации чугуна порошкообразной известью в ковше формируются гетерогенные («сухие») шлаки, которые содержат 40 – 60% «корольков» (затвердевших капель обезуглероженного металла).

Этим обусловлены большие потери чугуна со шлаком, который удаляют из ковша после обработки.

Десульфурация чугуна продувкой порошкообразной известью сопровождается также значительными потерями температуры металла. По этой причине в кислородно-конвертерных цехах возникает необходимость в увеличении доли жидкого чугуна в металлической шихте и уменьшении доли более дешевого металлического лома.

Кальцинированная сода (Na₂CO₃) также является сравнительно дешевым реагентом. При обработке чугуна содой ковшевые шлаки обогащаются легкоплавким оксидом натрия, в результате чего резко уменьшаются их температура плавления и вязкость. Поэтому потери чугуна со шлаком, который удаляют из ковша после десульфурации, практически полностью отсутствуют.

Наиболее распространенным способом обработки чугуна содой была подача ее в ковш под струю металла в количестве 2 – 8 кг/т. При этом содержание серы в чугуне обычно не удавалось получить менее 0,015 – 0,020%, что не отвечает современным требованиям сталеплавильного производства. Кроме того, результаты десульфурации чугуна содой были нестабильными, что объясняется, в первую очередь, значительным изменением количества и химического состава шлака в чугуновозных ковшах.

В результате взаимодействия содового шлака с кислой футеровкой чугуновозных ковшей срок службы ковшей уменьшался почти вдвое. Кроме того, в результате обогащения ковшевого шлака кремнеземом его основность понижалась, что приводило к ресульфурации чугуна после обработки.

Термическая диссоциация карбоната натрия протекает с поглощением большого количества тепла, поэтому десульфурация чугуна кальцинированной содой также сопровождается значительным понижением температуры металла.

Обработка чугуна содой на желобе доменной печи или в ковше приводит к ухудшению санитарно-гигиенических условий в цехе в результате выделения большого количества вредных газов и пыли. Существенным недостатком этого способа десульфурации чугуна является также то, что шлаки с высоким содержанием оксида натрия растворяются в дождевой воде. Поэтому они не могут быть направлены в отвал и требуют специальных способов переработки.

Карбид кальция (CaC₂) является эффективным десульфуратором чугуна, применение которого в количестве 1,5 – 6 кг/т позволяет понижать концентрацию серы в металле до 0,005% и менее.

Использование карбида кальция для десульфурации чугуна на металлургических предприятиях Украины и стран СНГ сдерживается тем, что необходимый для использования в металлургических целях порошкообразный карбид кальция в странах СНГ в промышленных масштабах не производится. Дробление карбида кальция на металлургических заводах должно выполняться в инертной атмосфере с использованием оборудования, изготовленного во взрывобезопасном исполнении, чем обусловлены высокие затраты на подготовку этого реагента.

Десульфурация чугуна карбидом кальция также сопровождается образованием в ковшах «сухих» шлаков, в результате чего увеличиваются потери металла. Имеются также сведения о том, что при температуре обрабатываемого чугуна ниже 1300 – 1350^оС наблюдается интенсивное образование настылей на стенках чугуновозных ковшей и увеличивается объем работ по их очистке.

Ковшевые шлаки после такой обработки содержат значительное количество непрореагировавшего карбида кальция. Взаимодействие их с атмосферной влагой сопровождается образованием ацетилена, который загрязняет окружающую среду и может стать причиной вспышек и взрывов. По этой причине ковшевые шлаки после десульфурации чугуна карбидом кальция также требуют специальных способов переработки.

Магний является наиболее дорогостоящим из применяемых промышленностью десульфураторов. Применение магния позволяет понижать содержание серы в чугуне до 0,002 – 0,005%. При этом расходы магния обычно не превышают 1 кг/т.

При обработке чугуна магнием также возможно образование «сухих» ковшевых шлаков. Но, из-за малых расходов десульфуратора, количество дополнительно образующегося шлака и потери металла с ним минимальны.

Главными недостатками технологии десульфурации чугуна магнием являются необходимость значительного недолива подаваемых под обработку ковшей и большое количество пылегазовых выбросов. Однако, образующиеся при такой обработке пыль и ковшевые шлаки не токсичны и не требуют специальных способов очистки и переработки.

На ранних этапах развития внедоменной десульфурации чугуна при выборе реагентов ориентировались, главным образом, на стоимость десульфуратора. Поэтому в качестве наиболее перспективных десульфураторов чугуна долгое время рассматривали порошкообразную известь и кальцинированную соду.

В 80-х годах ХХ столетия работами сотрудников Института черной металлургии МЧМ СССР (в настоящее время Институт черной металлургии им. З.И. Некрасова НАН Украины, г. Днепропетровск) и ряда зарубежных фирм было показано, что с учетом сопутствующих затрат (потери чугуна с ковшевым шлаком, обусловленное снижением температуры чугуна изменение состава металлической шихты, расходы на переработку ковшевых шлаков и др.) при глубокой десульфурации чугуна наименьшие затраты наблюдаются при использовании магния. При этом расходы, связанные с десульфурацией чугуна различными реагентами, увеличиваются в следующей последовательности: магний > карбид кальция > кальцинированная сода > порош- кообразная известь.

По этой причине в последние 10 – 15 лет в мире вводятся в эксплуатацию ОДЧ, спроектированные преимущественно для десульфурации чугуна продувкой гранулированным магнием или смесями магния с порошкообразной известью или карбидом кальция. В последнем случае магний выступает в качестве основного десульфуратора, а порошки извести и карбида кальция выполняют вспомогательные технологические функции.

На металлургических предприятиях Украины магний в настоящее время является единственным реагентом, который применяется для десульфурации чугуна в промышленных масштабах.

Согласно данным технико-экономических исследований при глубокой десульфурации чугуна магнием стоимость десульфуратора составляет 80 – 90% суммарных затрат на обработку.

По этой причине не получили широкого распространения разработанные в 90-х годах ХХ столетия технологии десульфурации чугуна, основанные на подаче магния в металл в составе порошковой проволоки. Изготовление магнийсодержащей порошковой проволоки является дорогостоящей операцией, которая увеличивает стоимость десульфуратора более чем в два раза. Примером может служить опыт ОАО «Мариупольский металлургический комбинат им. Ильича». В ОДЧ этого предприятия десульфурацию чугуна проводят в 140-т чугуновозных ковшах с использованием порошковой проволоки диаметром 10 мм, которая содержит 150 – 160 г/м оболочки из стали 08Ю или 08кп, 28 – 35 г/м гранулированного магния и 78 – 85 г/м применяемого в качестве пассивирующей добавки ставролитового концентрата. В мае 2010 г. цена гранулированного магния марки МГП-4 была равной 31190 грн./т. В это же время стоимость порошковой проволоки указанного выше состава, изготовленной на химико-металлургической фабрике комбината, составляла 8190 грн./т, что соответствует стоимости 1 т гранулированного магния в составе порошковой проволоки 68250 грн.

По этой причине применение магнийсодержащей порошковой проволоки для систематической обработки больших масс чугуна на металлургических предприятиях экономически не целесообразно.

Использование этой технологии оправдано при необходимости периодической обработки небольших масс металла, а также при обработке чугуна в ковшах малого тоннажа в литейных цехах металлургических и машиностроительных заводов.

В ОДЧ, которые вводятся в эксплуатацию в последние годы, гранулированный магний вдувают в металл через погружаемые в расплав фурмы в потоке транспортирующего газа. При этом, учитывая высокую стоимость реагента, металлургические предприятия отказываются от десульфурации металла магнием в чугуновозных ковшах и стремятся выполнять эту операцию в крупных заливочных ковшах современных сталеплавильных цехов, что позволяет значительно понизить удельные расходы магния и затраты на обработку.

В 80-х годах ХХ столетия были разработаны и прошли широкое промышленное опробование технологии внепечной дефосфорации чугуна окислительными шлакообразующими смесями, а также способы комплексного рафинирования чугуна, которые позволяют одновременно проводить дефосфорацию и десульфурацию металла.

Одновременно были разработаны способы обескремнивания чугуна в реакционных желобах и чугуновозных ковшах, которые могут быть использованы как в качестве самостоятельной технологической операции, так и в качестве одного из этапов подготовки чугуна к внепечной дефосфорации.

В настоящее время технологии внепечной дефосфорации, комплексного рафинирования и обескремнивания чугуна в промышленных масштабах используются, главным образом, металлургическими предприятиями Японии.