Влияние основности ковшевого шлака на изменение содержания серы в чугуне в ковшах

А.М. Зборщик, Н.Ф. Анищенко, В.П. Стец, Д.А. Галинков, А.П. Витязь, М.Я. Васькевич, И.В. Автюхович

Постановка проблемы

Исследования в доменных цехах ряда металлургических предприятий Украины показали, что рассчитанная как соотношение концентраций оксида кальция и оксида кремния основность шлака в чугуновозных ковшах может изменяться от 0,08 до 1,12, обычно составляя 0,3 – 0,8. Низкая основность ковшевых шлаков часто является причиной того, что их сульфидная емкость не позволяет абсорбировать все количество поступающей в шлак серы. При этом выпуск плавки и транспортирование ковшей из доменного цеха в отделения десульфурации чугуна (ОДЧ) или в миксерные отделения (МО) сталеплавильных цехов сопровождается ресульфурацией металла.

Анализ публикаций по теме исследования

В научно-технической литературе имеются единичные публикации, в которых описано изменение химического состава чугуна в ковшах [1,2]. При этом влияние основности ковшевого шлака на изменение содержания серы в металле при наполнении и транспортировании чугуновозных ковшей до настоящего времени не изучено.

Формулировка целей статьи

В настоящей работе ставилась задача изучить влияние основности ковшевого шлака на изменение содержания серы в чугуне за время наполнения и доставки ковшей в ОДЧ и при транспортировании ковшей из ОДЧ в МО сталеплавильных цехов.

Основная часть

Для анализа влияния основности ковшевого шлака на изменение содержания серы в чугуне при наполнении и транспортировании ковшей были использованы результаты опытно-промышленного исследования, выполненного в доменном цехе ОАО «Металлургический комбинат «Азовсталь» («МК «Азовсталь»). В ходе исследования во время наполнения ковша из чугуновыпускного желоба доменной печи отбирали 2 – 3 пробы металла, по результатам анализа которых рассчитывали содержание серы в чугуне на выпуске. Пробы металла и шлака из чугуновозных ковшей отбирали после доставки их в ОДЧ через 60 – 135 минут после наполнения, после обработки чугуна магнием, а также перед сливом металла в миксер в МО кислородно-конвертерного цеха (ККЦ).

В первой серии экспериментов какие-либо мероприятия, направленные на повышение основности шлака в чугуновозных ковшах, не использовались. При этом содержание серы в чугуне на выпуске из доменной печи изменялось в пределах 0,012 – 0,069%. Состав ковшевого шлака согласно результатам химического анализа был следующим, %: 15,4 – 32,8 CaO; 37,3 – 49,66 SiO₂; 6,4 – 7,38 Al₂O₃; 2,8 – 6,0 FeO; 1,4 – 2,3 MnO; 4,1 – 7,3 MgO; 0,58 – 1,30 S. Основность шлака изменялась от 0,31 до 0,83, в среднем составляя 0,66.

Во время наполнения и доставки в ОДЧ всех проконтролированных ковшей наблюдалась ресульфурация металла (рис. 1а). Обработка данных на рис. 1а с использованием пакета прикладных программ «Statgraphics Plus 3.0» показала, что зависимость между содержанием серы в чугуне после доставки ковшей в ОДЧ (S_одч) и концентрацией серы в металле на выпуске из доменной печи (S_дп) описывается уравнением

S_одч=0,000451208+1,25695*S_дп(1)

При найденных значениях коэффициентов в уравнении (1) величина коэффициента линейной корреляции R=0,9538.

Транспортирование чугуна из ОДЧ в МО ККЦ также сопровождалось с существенной ресульфурацией металла в большинстве проконтролированных ковшей (рис. 1б).

Результаты этих экспериментов показали, что для устранения ресульфурации чугуна при наполнении и транспортировании чугуновозных ковшей необходимо увеличить основность ковшевого шлака.

Ранее в ОДЧ «МК «Азовсталь» сотрудниками Института черной металлургии МЧМ СССР изучена возможность повышения основности ковшевого шлака при помощи присадок извести фракцией 0 – 10 мм и доломита фракцией 3 – 20 мм [3]. Была установлена низкая скорость растворения в шлаках извести и доломита, что можно объяснить низкой температурой ковшевых шлаков и малым содержанием в них оксидов железа и марганца. Следовательно, для повышения основности шлака в чугуновозных ковшах необходимо использование легкоплавких материалов, температура плавления которых не превышает 1400 – 1450^оС.

Исходя из этого требования, для повышения основности ковшевых шлаков в настоящей работе была использована рафинирующая смесь ИРС-2, производство которой освоено ОАО «НПП «Техмет» (г. Донецк). Смесь представляет собой предварительно переплавленный материал следующего химического состава, %: менее 3,0 С; 53 – 60 СаОобщ; менее 6 MgO; менее 16 SiO₂; 4 – 8 F; 4 – 6 (Na₂O + K₂O); 10 – 18 Al₂O₃; менее 0,5 S; менее 1,5 P₂O₅; менее 2 MnO; менее 3 FeO. Температура плавления ИРС-2 не превышает 1300 – 1350^оС. Основность смеси, рассчитанная как отношение концентраций CaO и SiO₂, обычно составляет не менее 3,5.

Рисунок 1 – Сведения об изменении содержания серы в чугуне под шлаком основностью 0,31 – 0,83: а – за время наполнения и доставки ковшей в ОДЧ; б – за время транспортирования ковшей из ОДЧ в МО ККЦ

В ходе исследования в доменном цехе «МК «Азовсталь» смесь фракцией до 20 мм присаживали в ковш на литейных дворах печей под струю чугуна. Подачу смеси начинали при наличии в ковше 5 – 15 т металла и заканчивали к моменту слива 50 – 60 т чугуна. Методика отбора проб металла и шлака для химического анализа соответствовала описанной ранее.

Полученные в ходе исследования данные о влиянии основности ковшевого шлака на изменение содержания серы в чугуне за время наполнения ковшей и транспортирования их в ОДЧ показаны на рис. 2.

Рисунок – 2 Зависимость степени десульфурации чугуна за время выпуска и транспортирования ковшей в ОДЧ «МК «Азовсталь» от основности ковшевого шлака: 1 – ковши без обработки ИРС-2; 2 – ковши, обработанные ИРС-2

Обработка данных на рис. 2 показывает, что зависимость степени десульфурации чугуна от основности ковшевого шлака () может быть описана уравнением

Из рисунка видно, что для предотвращения ресульфурации чугуна основность ковшевого шлака должна составлять не менее 0,9 – 1,0. При повышении основности шлака до 1,1 – 1,2 и более возникают условия для десульфурации металла. При основности ковшевого шлака 1,4 – 1,6 степень десульфурации чугуна при выпуске из доменной печи и транспортировании в ОДЧ может составлять 0,3 – 0,4.

К аналогичным выводам приводит анализ приведенных на рис. 3 результатов исследования десульфурации чугуна смесью ИРС-2 на литейных дворах доменных печей ОАО «Мариупольский металлургический комбинат им. Ильича» («ММК им. Ильича») [4].

Обработка данных на рис. 3 показывает, что зависимость степени десульфурации чугуна от основности ковшевого шлака может быть описана уравнением

Рисунок 3 – Зависимость степени десульфурации чугуна за время выпуска и транспортирования ковшей в ОДЧ «ММК им. Ильича» от основности ковшевого шлака

Из рисунка видно, что и в этом исследовании повышение основности ковшевого шлака до 1,0 позволяло избежать ресульфурации чугуна при наполнении и транспортировании ковшей в ОДЧ.

В условиях «МК «Азовсталь» отмечено также, что повышение основности ковшевого шлака до 1,2 и более позволяет значительно уменьшить интенсивность ресульфурации чугуна при транспортировании ковшей из ОДЧ в МО ККЦ после десульфурации магнием до содержания серы 0,005%. Так в 28 из 37 ковшей, обработанных на литейных дворах доменных печей смесью ИРС-2 в количестве 4 – 5 кг/т, содержание серы в чугуне за время доставки из ОДЧ в МО ККЦ уменьшилось или оставалось неизменным. Еще в 3 ковшах содержание серы увеличилось на 0,001%, что сравнимо с погрешностями, которые могут иметь место в процессе отбора проб и химического анализа. И лишь в 6 ковшах содержание серы в чугуне за время доставки в МО ККЦ увеличилось от 0,004 – 0,006% до 0,007 – 0,011%.

При использовании ИРС-2 для повышения основности ковшевого шлака значительное уменьшение интенсивности ресульфурации чугуна за время доставки ковшей из ОДЧ в МО ККЦ отмечено также в условиях «ММК им. Ильича» [5,6]. В ОДЧ этого предприятия для десульфурации чугуна используют порошковую проволоку, наполнителем которой является механическая смесь гранулированного магния в количестве 0,028 – 0,035 кг/м и применяемого в качестве пассивирующей добавки ставролитового концентрата в количестве 0,078 – 0,085 кг/м. При производстве штрипсовой заготовки из стали марок Х60 и Х70 содержание серы в чугуне, поступающем в ККЦ, не должно превышать 0,005%. Однако, при использовании порошковой проволоки указанного выше состава соблюдение этого требования вызывало значительные трудности из-за большого количества ковшей, в которых при транспортировании в МО ККЦ наблюдалась ресульфурации металла.

Значительно уменьшить интенсивность ресульфурации чугуна позволила замена ставролитового концентрата порошкообразной ИРС-2. При использовании порошковой проволокой со смесью гранулированного магния и ИРС-2 в количестве 0,042 – 0,073 кг/м лишь в 2 из 40 ковшей была отмечена ресульфурация металла от 0,005 до 0,007%. Для остальных 38 ковшей содержание серы в чугуне при сливе его в миксер находилось в пределах 0,003 – 0,005%. При использовании порошковой проволоки со смесью гранулированного магния и ставролитового концентрата при сливе чугуна в миксер содержание серы выше 0,005% было получено в 27 ковшах из 67 проконтролированных ковшей.

Выводы и перспективы дальнейших исследований

В результате выполненных исследований установлено, что для устранения ресульфурации металла при наполнении и транспортировании чугуновозных ковшей основность ковшевого шлака должна составлять не менее 1,0. Повышение основности шлака до 1,1 – 1,2 и более создает предпосылки для десульфурации чугуна при доставке в ОДЧ из доменного цеха. При повышении основности ковшевого шлака до 1,2 и более значительно уменьшается интенсивность ресульфурации обработанного магнием чугуна во время транспортирования ковшей из ОДЧ в МО сталеплавильных цехов.

Дальнейшие исследования должны быть направлены на снижение стоимости высокоосновных легкоплавких флюсов, применяемых для по-вышения основности шлака в чугуновозных ковшах.

Список литературы

1. Изменение содержания серы в чугуне при его транспортировке. / Г.А. Бицадзе, В.В. Парасташвили, Н.Н. Чернов [и др.] // Металлург. – 1988. – №1. – С.26-28.
2. Изменение содержания серы в чугуне после выпуска из доменной печи. / Б.В. Дво-скин, Д.В. Гулыга, В.П. Лозовой [и др.]; Ин-т чер. металлургии. – Днепропетровск, 1983. – 7 с. – Деп. в Черметинформации 5.01.84, №2284чм-Д84.
3. Исследование и совершенствование внепечной десульфурации чугуна магнием с корректировкой состава шлакового покрытия и газовой атмосферы: отчет о НИР (заключ.): ВО-40-85, №ГР 01850028731 / Ин-т чер. металлургии МЧМ СССР; рук. Двоскин Б.В.; исполн.: Шевченко А.Ф. [и др.]. – Днепропетровск, 1986. – 75 с.
4. Использование смеси ИРС-2 для десульфурации чугуна в доменном цехе ОАО «Мариупольский металлургический комбинат им. Ильича». / А.М. Зборщик, Н.В. Косолап, Э.Н. Шебаниц [и др.]. // Металл и литье Украины. – 2006. – №6. – С.20-22.
5. Порошковая проволока для глубокой десульфурации чугуна. / А.М. Зборщик, В.В. Климанчук. Н.Ф. Анищенко [и др.]. // Металл и литье Украины. – 2008. – №3-4. – С.3-5.
6. Опытно-промышленное опробование порошковой проволоки для глубокой десуль-фурации чугуна. / А.М. Зборщик, В.В. Климанчук, Н.Ф. Анищенко [и др.]. // Сталь. – 2008. – №12. – С.47-49.

Рецензент д.т.н., проф. А.Н. Смирнов

© А.М. Зборщик, Н.Ф. Анищенко, В.П. Стец, Д.А. Галинков, А.П. Витязь, М.Я. Васькевич, И.В. Автюхович