Технология обработки чугуна магнезийсодержащими брикетами

Бойченко Б.М., Низяев К.Г., Стоянов А.Н., Молчанов Л.С., Раевская Н.В.
Национальная металлургическая академия Украины
УДК 669.056.9:669.16

Постановка задачи исследований

В настоящее время одной из актуальных проблем современного производства является повышение качества продукции на металлургических предприятиях Украины. Выплавка стали, которая бы соответствовала международным стандартам, требует внедрения комплексных технологий для повышения качества металлургического сырья и конечной продукции. Неотъемлемым звеном данных технологий является десульфурация жидкого чугуна перед выплавкой стали. Наиболее эффективным способом обессеривания жидкого чугуна является его обработка магнием в заливочных ковшах [1]. Применение данного вида десульфуратора связанно с рядом трудностей, среди которых наиболее значительными являются высокая стоимость самого материала и необходимость использования дополнительного оборудования для его подготовки и введения непосредственно в жидкий чугун [2].

Среди существующих альтернативных методов десульфурации наибольший интерес представляет технология, основанная на обработке жидкого чугуна магнием, восстановленным из оксида [3-6]. Преимущество такого способа обработки заключается в применении сравнительно недорогих исходных материалов – магнезита, доломита, ферросилиция и алюминия. В ходе выполнения данной работы проведена оценка возможности десульфурации чугуна магнием, восстановленным из оксида за счёт теплоты экзотермических реакций.

Методика проведения исследований

Состав экзотермической смеси для восстановления магния из оксидов рассчитывали, исходя из стехиометрии протекания реакции, наиболее термодинамически вероятной в данных условиях [7]:

При расчёте шихтовой смеси принимали во внимание, что её теплопроизводительность должна составлять в соответствии с правилом Жемчужного [8] не менее 2300 КДж/кг. Состав экзотермической смеси для изготовления магнезийсодержащих брикетов приведен в таблице 1.

Таблица 1 - Состав экзотермической смеси для изготовления магнезийсодержащих брикетов, %

Из полученной экзотермической смеси изготовляли брикеты массой 20 граммов. Технология изготовления была следующей: в качестве формы использовали алюминиевую фольгу. Из неё изготавливали цилиндрическую форму, внутрь которой запрессовывали экзотермическую смесь.

Первоначальная подпресовка была необходима для обеспечения эффективного соприкосновения компонентов экзотермической смеси.

Полученные брикеты закрепляли на штанге, при помощи которой вводили в расплавленный чугун массой 1 кг. Его химический состав приведен в таблице 2. Контроль процесса растворения брикета проводили визуально, по характеру кипения расплава.

Оценку процесса десульфурации осуществляли путём отбора проб до и после введения экзотермического брикета.

Таблица 2 - Химический состав литейного чугуна, %

Проведены 3 серии экспериментов по определению оптимальной структуры экзотермического брикета. В первой серии экспериментов смесь, содержащую оксиды магния, железа и алюминиевый порошок, запрессовывали в оболочку из алюминиевой фольги. Во второй серии экспериментов в брикет послойно запрессовывали смесь, содержащую порошок алюминия с оксидом железа и смесь, содержащую оксид магния с порошком алюминия. В третьей серии экспериментов дополнительно к послойному формированию брикета в состав экзотермической смеси вводили инертную добавку (железную стружку) в количестве до 10%.

Результаты исследований

Совместное восстановление оксидов магния и железа алюминием протекает по следующей схеме: экзотермическая смесь нагревается жидким чугуном, в ней происходят процессы плавления алюминия. Жидкий алюминий вступает в реакцию с оксидами железа. Теплота, выделившаяся при этом, нагревает оксид магния, который вступает во взаимодействие с жидким алюминием и восстанавливается.

В первой серии экспериментов наблюдали чрезвычайно интенсивное кипение жидкого чугуна, что вызвано интенсивным растворением и восстановлением магния. Это привело к низкой эффективности десульфурации вследствие того, что восстановленный магний не успевал взаимодействовать с серой, но испарялся.

Поэтому во второй серии экспериментов смеси оксида железа с алюминием и оксида магния с алюминием запрессовывали послойно, с толщиной слоя в 2 мм. В результате этого наблюдали снижение интенсивности кипения жидкого чугуна, увеличилась длительность растворения брикета и повысилась степень десульфурации.

В третьей серии экспериментов в состав брикетов дополнительно была введена инертная добавка (железная стружка). При этом длительность растворения брикета и степень десульфурации повысилась. Но данное явление наблюдалось вплоть до 10% инертного наполнителя. При большем его содержании значительно снижалась степень десульфурации вследствие значительных затрат теплоты на процесс растворения.

Средние значения контролируемых показателей для всех 3 серий экспериментов приведены в таблице 3.

Таблица 3 - Среднее значение показателей для 3 серий экспериментов

Выводы

1. Проведенные исследования позволяют сделать вывод о возможности применения экзотермических магнезитосодержащих брикетов для десульфурации чугуна вместо магния.
2. Изучено положительное воздействие на процесс десульфурации чугуна использования послойного составления брикетов из смесей оксида магния с алюминием и оксида железа с алюминием, а также применения в составе брикета до 10% инертного наполнителя (металлической стружки).

Библиографический список:

1. Бойченко Б.М., Охотский В.Б., Харлашин П.С. Конвертерное производство стали: теория, технология, качество стали, конструкции агрегатов, рециркуляция материалов и экология: Учебник. – Днепропетровск: РВА “Дніпро-ВАЛ”, 2006. – 454с.
2. Sears G.W., Navias L. Crystalline Silicates Containing Calcium and Magnium // J. Chem. Phys.- 1959.- 30.- Р.1111.
3. Низяев К.Г. Термодинамический анализ алюмотермического восстановления оксидов магния и кальция в условиях повышенного давления// Металлургическая и горнорудная промышленность.- 2002.- №7.- С.149-153.
4. Низяев К.Г. Исследование процесса десульфурации стали щелочноземельными элементами, восстановленными в зоне погруженной в металл электрической дуги// Металл и литье Украины.- 2007.- №3.- С.9-10.
5. Низяев К.Г. Повышение эффективности десульфурации чугуна погружаемой электрической дугой// Теория и практика металлургии.- 2007.- №4-5. – С.33-35.
6. Низяев К.Г., Бойченко Б.М., Стоянов А.Н., Кирьян Д.В. Расчет состава шихты для производства экзотермических магнийсодержащих брикетов // Металлургическая и горнорудная промышленность.- 2010.- №7.- с.163-165.
7. О. Кубашевский, С. Б. Олконн.Метллургическя термохимия . Москва Металлургия 1982.-392 с.
8. Теория металлургических процессов: Учебник для Вузов / Под. ред. Д. И. Рыжкова. – М.: Металлургия, 1989.-391с.

© Бойченко Б.М., Низяев К.Г., Стоянов А.Н., Молчанов Л.С., Раевская Н.В., 2011