Удосконалення технології підготовки чавуну до конверторної плавки

Размещено на http://www.allbest.ru/

ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

УДК 669.162.267.6.(043)

УДОСКОНАЛЕННЯ технології підготовки чавуну до конверторної плавки

Спеціальність: 05.16.02. - Металургія чорних металів.

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Дубовкіна Маргарита Юріївна

Маріуполь 2004

анотація

Дубовкіна М.Ю. “Удосконалення технології підготовки чавуну до конверторної плавки”, рукопис на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.16.02. - Металургія чорних металів. Приазовський державний технічний університет, Маріуполь, 2004р.

Розроблено математичні моделі для прогнозування поточних значень температури у процесі передачі чавуну, з корекцією коефіцієнтів апроксимації у залежності від зміни умов транспортування. Розроблена структурна схема АСУ дозволить вчасно приймати рішення для виконання технологічних операцій і транспортування ковшів.

Розроблено методику визначення коефіцієнта акумулюючої здатності, футерівки чавуновізного ковша. Встановлено, що в процесі служби ковша за рахунок взаємодії з чавуном збільшується значення цього коефіцієнта, що знижує акумулюючі здатності футерівки.

Отримане рішення температури контакту футерівки з розплавом і товщини активного шару футерівки дозволило запропонувати нове рішення для визначення втрат тепла на акумуляцію кладкою.

Запропоновано заходи щодо скорочення втрат тепла чавуном, що дозволило підвищити кінцеву температуру металу на 25⁰С. У результаті аналізу термодинамічних і кінетичних умов, що впливають на ефективність десульфурації, запропонована двоступінчаста обробка в заливальному ковші: перший ступінь - вапном до 0,02%S, а потім - магнієм до 0,001-0,003%S.

При підвищенні кінцевої температури чавуну на 25⁰С економічна ефективність може складати близько 0,35грн/т сталі. За умовою використання двоступінчастої обробки в заливальному ковші, та заміни магнію вапном очікувана економічна ефективність може становити 0,52 - 4,00 грн/т чавуну.

Розроблено метод обробки промислових даних з десульфурації чавуна, який дозволяє виявити технологію з найвісшею ефективністю використання реагентів, зрівнювати їх ефективність, способи ввода у разплав, технологїї які використовують на різних комбінатах та в одном цехі, а також визначити економічну ефективність.

Ключові слова: чавун, футерівка, температура, десульфурація, чавуновізний ківш, коефіцієнт акумулюючої здатності, заливальний ківш, температура контакту, активний шар.

summary

Dubovkina М.U. “The improvement of hot metal quality increase methods during transfer to the steelmaking unit ”, manuscript on competition of a scientific degree of the candidate of engineering science on a speciality 05.16.02. - Ferrous metallurgy. The Priazovsky state technical University, Mariupol, 2004г.

There were developed the mathematical models for forecasting the current value of temperature, during transfer of hot metal, with correction of ratio approximation, depending on change of transportation conditions. The developed block diagram of a magement information system will allow to make a decision on performance of technological operations and transportation of ladles in time.

The definition technique of ratio the heat-sink ability of lining hot metal ladle car were developed, bassed on the theoretical and experimental research. It is stated that during the exploitation of a ladle at the expense of interaction with hot metal the value of the ration increases and thes reduces the hert-sink propertios jf lining.

The received decision of temperature contact lining with melt smelt and thickness of an active layer lining has allowed to offer the new decision for definition of losses of heat on accumulation lining.

The offered measures on reduction of heat by hot metal, allow to raise final temperature of metal 25⁰С up. As a result of the analysis of thermodynamic and kinetic conditions influencing the efficiency of desulphuration, the two-step processing in priming ladle is offered: the first step is bylime up to 0,02%S, and then by magnesium.

Key words: hot metal, lining, temperature, desulphuration, hot metal ladle car, ration of heat-sink ability, priming ladle, temperature of contact, active layer.

аннотация

Дубовкина М.Ю. “Совершенствование технологии подготовки чугуна к конвертерной плавке”, рукопись на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.16.02. - Металлургия черных металлов. Приазовский государственный технический университет, Мариуполь, 2004г.

Диссертация посвящена совершенствованию технологии подготовки чугуна к конвертерной плавке. Цель работы - раскрыть неиспользованные ранее возможности по сокращению потерь тепла и повышению эффективности десульфурации, рассмотрев всю технологию доставки чугуна, как последовательность взаимосвязанных элементов цикла, составляющих единое целое. Предложить мероприятия по совершенствованию технологии подготовки металла к конвертерной плавке, которые обеспечат высокую температуру и минимальное содержание серы при минимальных издержках.

Объектом исследования является технология доставки жидкого чугуна из доменного цеха к сталеплавильному агрегату и внедоменная обработка чугуна.

Предметом исследования является температура и химический состав чугуна, изменение теплофизических свойств футеровки чугуновозного ковша в результате взаимодействия с чугуном, оценка эффективности различных реагентов и технологий десульфурации чугуна.

Разработаны математические модели для прогнозирования текущих значений температуры, в процессе передачи чугуна, с коррекцией коэффициентов аппроксимации, в зависимости от изменения условий транспортировки. Разработанная структурная схема АСУ позволит своевременно принимать решение по выполнению технологических операций и транспортировке ковшей.

Разработана методика определения коэффициента аккумулирующей способности футеровки чугуновозных ковшей на основе теоретических и экспериментальных данных. Установлено, что в процессе службы ковша при взаимодействии футеровки с жидким чугуном увеличивается значение этого коэффициента, последнее снижает аккумулирующие свойства огнеупора.

Получена зависимость для определения температуры контакта футеровки с расплавом и толщины ее активного слоя, что позволило усовершенствовать метод определения потерь тепла на аккумуляцию кладкой.

Предложенные мероприятия по сокращению потерь тепла чугуном позволили повысить конечную температуру металла на 25⁰С. В результате анализа термодинамических и кинетических условий, влияющих на эффективность десульфурации, предложена двухступенчатая обработка расплава в заливочном ковше: первая ступень известью до 0,02%S, а затем глубокая десульфурация магнием.

Разработан метод сравнительной оценки десульфурирующих реагентов , который позволяет при их сопоставлении, определить экономически выгодную технологию, а также выявить кинетические недостатки технологии.

При повышении конечной температуры чугуна на 25 ⁰С экономический эффект составит 0,35грн/т стали. При условии внедрения двухступенчатой десульфурации и замене магния известью ожидаемый экономический эффект может составить от 0,52 до 4,00 грн/т чугуна.

Разработан метод обработки производственных данных по различным технологиям десульфурации чугуна, позволяющий дать оценку эффективности применения десульфурирующих реагентов и рассчитать экономический эффект при замене одного реагента другим.

Ключевые слова: чугун, футеровка, температура, десульфурация, чугуновозный ковш, коэффициент аккумулирующей способности, заливочный ковш, температура контакта, активный слой.

Дисертація є рукописом

Робота виконана в Приазовському державному технічному університеті (ПДТУ), Міністерства освіти і науки України, м. Маріуполь

Науковий керівник -Капустін Євгеній Олександрович, д.т.н., професор кафедри Теплофізики та теплоенергетики металургійного виробництва Приазовський державний технічний університет

Офіційні опоненти:доктор технічних наук, професор Чернятевич Анатолій Григорович (Дніпродзержинський державний технічний університет)

доктор технічних наук, професор Скребцов Олександр Михайлович, Приазовський державний технічний університет

Провідна установа:Інститут чорної металургії імені З.І. Некрасова НАН України (м. Дніпропетровськ)

Захист відбудеться "11" лютого 2005 р. о 12⁰⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради К. 12.052.01 при Приазовському державному технічному університеті, за адресою: 87500, ПДТУ, вул. Університетська 7, м. Маріуполь Донецької обл., Україна.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Приазовського державного технічного університету: 87500, м. Маріуполь Донецької обл., вул. Італійська, 115

Автореферат розісланий " 28 " грудня 2004р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор В.О. Маслов

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Необхідною умовою високих техніко-економічних показників киснево-конверторного виробництва сталі є якість чавуну, яку визначають висока температура і стабільний хімічний склад від плавки до плавки. Збереження високої температури рідкого чавуну сприяє його економії за рахунок збільшення витрати металобрухту. Позапічна обробка приводить до зменшення витрати вапна і маси шлаку в сталеплавильному агрегаті, зниження концентрації сірки в чавуні, а отже, і в готовій продукції. Усе це сприяє скороченню витрат на виробництво стали.

Наявні методи оцінки термодинамічних процесів, що мають місце в при транспортуванні рідкого чавуну і проведенні технологічних операцій, мають багато спільного і не можуть бути прямо використані для конкретних підприємств. У зв'язку з цим виникає необхідність проведення теоретичних і експериментальних досліджень на всіх етапах передачі розплавленого металу до сталеплавильного агрегату. Максимально скоротити втрати температури і забезпечити необхідний хімічний склад можна, розглянувши всю технологію постачання і позадоменної обробки чавуну як послідовність взаємозалежних елементів циклу, що становлять єдине ціле.

Існуючий спосіб позапічної десульфурації чавуну, заснований на використанні дорогого магнію, вимагає пошуку альтернативних методів і більш глибокої порівняльної оцінки інших десульфуруючих реагентів.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Питання, що розглядаються в дисертації, відповідають Програмі перспективного розвитку підприємств металургійного комплексу Донецької області до 2010 року, “Закону України про енергозбереження” від 26 липня 1994 року, що визначає правові, економічні, соціальні й екологічні основи енергозбереження для всіх підприємств, об'єднань і організацій, розташованих на території України.

Робота виконана за науковим напрямком ПДТУ "Розвиток теоретичних і технологічних основ фізико-хімічних і теплофізичних процесів у доменному і сталеплавильному виробництвах" (прийнято рішенням ученої ради ПДТУ №4 від 03.02.2000р).

Мета і завдання дослідження. Розкрити не використані раніше можливості щодо скорочення втрат тепла і підвищення ефективності десульфурації, розглянувши всю технологію постачання чавуну як послідовність взаємозвязаних елементів циклу, що становлять єдине ціле. Запропонувати методи вдосконалення технології підготовки металу до конверторної плавки, що забезпечують його високу температуру і мінімальний вміст сірки при мінімальних витратах. До завдання досліджень входять моделювання теплових втрат у ковші, розробка заходів, спрямованих на зниження втрат температури чавуну, аналіз ефективністі використання різних реагентів для десульфурації.

Об'єкт дослідження - технологія постачання рідкого чавуну з доменного цеху до сталеплавильного агрегату і позадоменна обробка чавуну.

Предмет дослідження - температура і хімічний склад чавуну, зміна теплофізичних властивостей футерівки чавуновізного ковша в результаті взаємодія з чавуном, оцінка ефективності різних реагентів та технології десульфурації чавуну. тепло десульфурація чавун метал

Основні методи дослідження - фізичне і математичне моделювання теплообмінних і фізико-хімічних процесів, обробка виробничих даних.

Наукова новизна отриманих результатів.

Розроблено метод визначення втрат тепла на акумуляцію кладкою чавуновізного ковша, в якому враховано температуру поверхні (контакту) футерівка - чавун, яка залежить від теплофізичних властивостей вогнетриву та розплаву. Установлено зміну цих властивостей внаслідок проникания чавуну в шви та пори кладки вогнетриву. Визначено фактичне значення коефіцієнта акумулюючої здатності футерівки чавуновізного ковша, що дозволило встановити причину підвищених втрат на акумуляцію та намітити заходи щодо їх зниження.

Розроблено новий метод обробки виробничих даних за різними технологіями десульфурації чавуну, що дозволяє надати оцінку ефективності застосування десульфуруючих реагентів та розрахувати економічний ефект при заміні одного реагента іншим.

Практичне значення отриманих результатів:

На підставі теоретичних і експериментальних досліджень з метою вдосконалення технології передачі чавуну:

Дано рекомендації щодо збереження температури чавуну за рахунок зниження акумулюючих властивостей футерівки чавуновізних ковшів і жолобів ливарного двору, застосування ізоляційного шару між кожухом і кладкою, використання кришок для порожніх ковшів;

Запропоновано проводити додаткове зважування чавуну в процесі наливання і здійснювати автоматичний контроль за місцем розташування ковшів. Крім того, для мінімізації транспортних циклів необхідно використовувати пристрій для контролю зайнятості залізничних колій;

Запропоновано метод розрахунку порівняльної оцінки ефективності десульфуруючих реагентів і оптимізації економічних витрат при різних технологіях десульфурації.

Особистий внесок здобувача. Дисертація є самостійною роботою автора, яка базується на опублікованих результатах досліджень.

Встановлено, що найбільші втрати температури чавуну під час випуску повязані з відсутністю контролю ваги під час наповнення ковшу та подачі під налив охолоджених ковшів. Запропоновано використання статистичних моделей для прогнозування втрат тепла та процедура уточнення коефіцієнтів, які входять до моделей. Зроблено розрахунки втрат тепла за ціми моделями. Розроблено структурну схему АСУ. Отримано залежність для визначення температури контакту на межі футерівка-чавун. Встановлено, що час нагріву та охолодження внутрішньої поверхні футерівки визначається її акумулюючими здібностями. Розкрито вплив величини коефіцієнту акумулюючої здатності на охолодження кладки чавуновізного ковша, та отримано його фактичне значення. Розроблено метод обробки промислових даних з десульфурації чавуну.

Апробація результатів дисертації. Результати дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на VII регіональній науково-технічній конференції присвяченій 70-річчю університету, м. Маріуполь, 2000р.; Першій міжнародній науково-практичній конференції "Обчислювальна техніка в інформаційних і керуючих системах", м. Маріуполь, 2000р.; VIII регіональній науково-технічній конференції, Маріуполь, 2001р.; IX регіональній науково-технічній конференції, м. Маріуполь, 2002р. X регіональній науково-технічній конференції, м. Маріуполь, 2003р, . XI регіональній науково-технічній конференції, м. Маріуполь, 2004р.

Публікації. Результати досліджень, представлених у дисертації, опубліковані в девяти статтях за темою дисертації.

Структура й обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, 4 розділів, висновків, переліку посилань з 99 найменувань, 3 додатків і містить 116 сторінок машинописного тексту, 18 рисунків, 14 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЇ

Розділ 1. Стан питання і завдання дослідження

Проведений аналіз опублікованих робіт з підготовки чавуну до конверторної плавки показав, що основна увага металургів приділяється питанню десульфурації. Значно меншою мірою розглядаються методи зниження втрат температури чавуну, хоча відомо, що в конверторних процесах виробництва сталі приблизно половину приходу тепла складає фізичне тепло чавуну. Підвищення температури чавуну, у результаті вдосконалення технології підготовки дозволить зменшити кількість рідкого чавуну, збільшити частку брухту в металошихті і приведе до економії енергетичних ресурсів, а також поліпшить екологічну обстановку за рахунок зменшення кількості викидів в атмосферу.

На металургійних комбінатах України основним десульфуруючим реагентом є магній, який вводиться в чавун різними методами, цьому питанню присвячена основна кількість робіт. Однак єдиної думки про їхню ефективність немає. Недостатнім є порівняльний аналіз різних реагентів, хоча, крім магнію, найчастіше використовують карбід кальцію і вапно.

Крім того, відсутні такі дослідження, як вплив теплофізичних властивостей футерівки на зниження температури металу. У зв'язку з цим виникає необхідність усю технологію підготовки чавуну, розглянути як послідовність взаємозвязаних елементів циклу, що складають єдине ціле. Це дозволить розкрити не використані раніше можливості щодо скорочення втрат тепла і підвищення ефективності позадоменної обробки чавуну.

Розділ 2. Дослідження технології підготовки чавуну до конверторної плавки

На тепловий баланс при виплавленні сталі в конверторах істотно впливає тепловміст рідкого чавуну, який заливається в конвертор. Цей параметр визначає частку металобрухту в завалку. Однак у процесі постачання металу відбувається зниження температури, що веде до збільшення витрат чавуну.

Дані модельного розрахунку апроксимувалися статистичними залежностями, які дозволяють прогнозувати зниження температури на різних ділянках. На рис.1 наведено математичне очикування значень температури рідкого чавуну від часу, який витрачається на виконання операцій:

Використовуючи ці моделі, можна розрахувати середньозважену температуру чавуну при зливі в міксер, у залежності від маси металу, що наливається в ківш. Температура металу на випуску з ДП прийнята 1430 ⁰С.

Вплив факторів на ділянках транспортування й обробки чавуну на температуру чавуну, що зливається з міксера, становить близько + 10 ⁰С, і підвищення температури чавуну на 10 ⁰С буде виправдувати витрати на створення АСУ, що контролює транспортні й технологічні операції при постачанні рідкого чавуну з доменного цеху в конвертерний.

Наявність інформації у диспетчера доменного цеху про місце перебування ковша, масу і температуру чавуну в ньому дозволить вчасно приймати рішення щодо прискорення виконання технологічних операцій і транспортування ковшів.

Сучасний рівень техніки дозволяє вирішити проблеми, пов'язані з інформаційним забезпеченням АСУ. Для одержання даних про поточне значення маси чавуну, що наливається в ковші, і місце розташування лафетів з ковшами можуть бути використані локальні пристрої для зчитування інформації, формованої на рухомих об'єктах залізничного транспорту. Ці пристрої монтуються на лафетах чавуновозів, а інформація передається по радіоканалу. Для здійснення автоматичного контролю за місцем розташування ковшів пропонується використовувати пристрій для контролю зайнятості залізничних колій.

Для розвитку комплексу АСУ доцільно передбачити створення експертної підсистеми на основі застосування штучних нейронних мереж, призначеної для прогнозування маси плавки. Упровадження подібної системи дозволить більш точно визначати кількість ковшів, що знаходяться в обороті, а також тих, що подаються під налив.

Таблиця 1

Розрахункове зниження температури чавуну на окремих етапах транспортування в чавуновізному ковші

№	Ділянка	Маса чавуну в ковші
		80	90	100 з обробкою	100 без обробки
1	Випуск чавуну і налив ківша	51,0	48,0	45,0	45,0
2	Постачання у ВДЧ	20,7	18,0	16,2	16,2
3	Обробка у ВДЧ	20,0	17,0	15,0
4	Постачання у ВСШ	6,2	5,5	5,0	3,0
5	Скачування шлаку	2,8	2,7	2,6
6	Постачання в МВ	11,7	10,5	9,6	2,0
7	Злив у міксер	2,3	2,1	1,7	1,7
8	Загальне зниження температури при транспортуванні	38,6	34,0	30,8	21,2
9	Загальне зниження температури при виконанні технологічних операцій	25,1	21,8	19,3	1,7
10	Кінцева температура чавуну при зливі в міксер	1315	1326	1335	1362

Розділ 3. Дослідження теплообміну в чавуновізному ковші і методи зниження втрат тепла

Розглянуто послідовність теплообмінних процесів, що протікають під час руху рідкого чавуну від моменту випуску з ДП до заливання його в сталеплавильний агрегат. Встановлено, що зниження температури чавуну пов'язано з нагріванням і охолодженням футерівки чавуновізного ковша, з утратою тепла зовнішньою поверхнею ковша конвекцією і випромінюванням, зміною акумулюючих властивостей вогнетривкої кладки. Дано якісну і кількісну оцінку всім утратам тепла чавуном. Показано можливість і доцільність використання закономірностей стаціонарних процесів для розв'язання нестаціонарних задач. Визначено розмір активного шару футерівки при нагріванні й охолодженні, приймаючи кінцевою швидкість поширення тепла.

, (1)

де а - коефіцієнт температуропровідності, м²/с;

- час поширення потоку тепла, с.

Для визначення втрат тепла при транспортуванні порожнього ковша знайдена температура контакту на поверхні розділу футерівка - чавун

 , (2)

де Т₁ = Т_ох - температура поверхні порожнього ковша перед наливом, ⁰С;

Т₂ = Т_ч - температура чавуну в ковші, ⁰С;

- коефіцієнт теплопровідності, Вт/м ⁰С;

з - теплоєнкість, кДж/кг ⁰С;

- щільність, кг/м³;

Втрати тепла робочим шаром футерівки порожнього ковша компенсуються нагріванням за рахунок чавуну, тому його акумулюючу здатність можна визначити через утрати тепла випромінюванням футерівки при її остиганні від Т_к до температури, з якою ківш подається під налив Т_ох.

Середні значення щільності потоків на поверхні футерівки , тоді

, (3)

Чи

. (4)

Ця залежність дозволяє розкрити вплив коефіцієнта акумулюючої здатності на темп охолодження футерівки (рис.3). За виробничими даними з використанням отриманої залежності 4 визначено фактичне значення цього коефіцієнта - 3260. Більш точне значення коефіцієнта дозволило накреслити заходи щодо зниження втрат тепла на акумуляцію. Для вогнетривів, які не знаходилися в контакті з чавуном згідно з довідковими даними ця величина коливається від 1070 до 1950. Разниця між довідковими та експеріментальними даними пояснюється відмінностями теплофізичних властивостей футерівки від теплофізичних властивостей шамоту до експлуатації.

Визначено чисельні значення зниження температури чавуну за рахунок утрат теплоти зовнішньою поверхнею чавуновізного ковша і на акумуляцію.

, (5)

де - час контакту футерівки і чавуну, с;

F - площа контакту футерівки і чавуну, м².

Таблиця 2

Зниження температури чавуну за рахунок втрат тепла зовнішньою поверхнею чавуновізного ковша і на акумуляцію

Пора року	qзов, кДж/м2с	Qзов, ГДж	qак, кДж/м2с	Qак, ГДж	qак/qзов	Qак /Qзов	Т 0С
Зима	6,3	1,36	25,6	1,93	4,06	1,42	30,0
Літо	4,6	1,00	25,6	1,93	5,57	1,93	27

Втрати тепла в навколишнє середовище через кожух ковша збільшуються за рахунок зносу футерівки.

Таблиця 3

Додаткове зниження температури чавуну за рахунок утрат через кожух при зносі футерівки _изн=80 мм

Пора року	qзн, кДж/м2з	Т 0С
Зима	4,6	6,8
Літо	4,4	6,5

Скорочення втрат тепла на акумуляцію випливає з розглянутих раніше теплообмінних процесів між рідким чавуном і футерівкою протягом усього циклу роботи ковша, що дозволило зробити висновок про доцільність використання більш щільного вогнетриву. Акумулюючі властивості робочого шару футерівки (які визначаються величиною коефіцієнта акумулюючої здатності, ) із щільного вогнетриву, що безпосередньо контактує з залізовуглецевим розплавом, у процесі взаємодії з чавуном, будуть мало змінюватися. Розмір швів у такій кладці повен бути мінімальним, щоб уникнути проникання в них металу, для цього варто застосовувати суху кладку (як для конвертера). Зменшення величини коефіцієнта акумулюючої здатності на 20 % дає можливість скоротити втрати температури чавуном у ковші на 5 ⁰С и в жолобах ливарного двору на 4 ⁰С.

Рекомендується наступний за робочим арматурний шар викладати з пористої шамотної цегли. Між кожухом і арматурним шаром необхідно передбачити ізоляційний шар _із з волокнистого вогнетриву марки МКРПГ - 400, товщиною 0,02 м. Для зменшення теплових утрат кладку виконують багатошаровою. Це дозволить постачати чавун від доменної печі до сталеплавильного агрегату з мінімальними втратами температури.

Упровадження запропонованих заходів дозволить скоротити втрати при постачанні чавуну до міксера на 25⁰С.

Таблиця 4.

Збереження температури чавуну з урахуванням зносу футерівки і при наявності ізоляційного шару

Пора року	qц кДж/м2с	qзн кДж/м2с	qіз кДж/м2с	qзн/qіз	Т 0С
Зима	3,5	4,6	3,2	1,42	4,4
літо	2,5	4,4	3,1	1,42	3,4

Розділ 4. Вибір раціональной схеми обробки чавуну при підготовці до конверторної плавки

Для керування процесом десульфурації виявлено основні фактори, що впливають не тільки на термодинаміку, але й на кінетику процесу. Потік сірки залежить від величини міжфазної поверхні і швидкості переносу сірки в чавуні

М_s = U_д ([S_ч] - [S_пов]) F_повй (6)

у шлаку

М_s = U_д ((S_пов) - (S)) F_пов, (7)

У (6, 7) М, U_д, S, F_пов відповідно потік, швидкість спрямованого переносу, концентрація сірки, площа міжфазної поверхні чавуну і шлаку.

Власне кажучи, рівняння (6, 7) є основою математичної моделі десульфурації, а з урахуванням реакцій типу

[S] + [C] + (Ca) = (Ca) + CO, (8)

виявлено основні фактори, що дозволяють керувати цим процесом.

Створити найбільш сприятливі умови десульфурації необхідно відразу після випуску чавуну із ДП, тому що ковшові шлаки, що формуються на ливарному дворі, мають низьку основность. потрапляння їх у чавуновізний ківш приводить до ресульфурації. У зв'язку з цим уже на ливарному дворі доцільною є добавка вапна на поверхню чавуну, який рухається по транспортних жолобах. Це сприяє не тільки підвищенню основности ковшового шлаку, але й знижує втрати випромінюванням з відкритої поверхні чавуну.

Згідно з даними, які отримані на комбінаті “Азовсталь”, при існуючій технології (обробці чавуну в чавуновізних ковшах, зливанні його в міксер, а потім у заливальний ківш) 90 % з усього металу, що заливається в конвертор, має температуру, нижчу за 1320 ⁰С. Низька температура чавуну, безумовно, підвищує собівартість продукції і знижує техніко-економічні показники процесу. Тому доцільно розглянути як один з варіантів використання чавуновізних ковшів у ролі ємкості для прискореного постачання чавуну.

Зміна технології постачання, а також упровадження заходів, запропонованих вище, дозволить мати перед зливом у заливальний ківш чавун з температурою порядку 1373⁰С, що на 47⁰С вище, ніж при існуючій технології (табл.5). При такій схемі підготовки металу операції десульфурації і скачування шлаку варто перенести в заливальний ківш. Утрати температури чавуну в заливальному ковші становлять близько 16⁰С, а його розрахункова температура перед обробкою буде 1357⁰С. Така температура і маса чавуну в заливальному ковші (порядку 300т) розширює потенційні можливості процесу десульфурації з використанням немагнієвих реагентів.

Для визначення ефективності використання різних реагентів при десульфурації розроблено метод порівняльної оцінки, що дозволяє використовувати отримані у виробничих умовах експериментальні дані залежності ступеня десульфурації від витрати реагенту.

(9)

де _дес - ступінь десульфурації, з виробничих даних залежності ступеня десульфурації від витрати реагенту, %;

R_ф - фактична витрата реагенту, кг/т;

S_н - початковий зміст сірки, %;

т - маса реагенту на видалення 1 кг сірки, кг.

У випадку, якщо є дослідні дані залежності ступеня використання реагенту від вмісту сірки, звичайно їх усереднюють, але це не дає чіткої картини для аналізу ефективності використання реагенту. Розроблений метод дозволяє розкид, що спостерігається в залежності ступеня використання від концентрації сірки, систематизувати інакше. У результаті такої обробки отримані лінійні залежності ступеня використання будь-якого реагенту від початкового вмісту сірки, що виходять з початку координат і мають значення, які відповідають співвідношенню _дес./R_ф .

Використовуючи вираз (9), будуємо графічну залежність (рис.4), цифри біля точок і ліній співвідношення _дес./R_ф; для вдування гранульованого магнію в струмені природного газу (285, 200, 133, 112), карбіду кальцію (17, 16) і вапна (10,7, 9,5, 8,5). У випадку, якщо є всі дані, на графік можна нанести точки, отримані безпосередньо в результаті обробки.

Маючи лінійну залежність ступеня використання реагенту від початкового вмісту сірки, можна розрахувати очікувану витрату реагенту з урахуванням вилученої сірки.

(10)

Залежності, наведені на рис.4, дають можливість піддати аналізу причини високої чи низької ефективності використання кожного реагенту, аналізувати ефективність технології і знаходити причини достоїнств і недоліків, мати порівняльну оцінку ефективності використання різних реагентів.

Таблиця 5

Варіанти підвищення температури чавуну, який постачається до МВ ККЦ

Дільниця	Заходи	Підвищення температури чавуну, 0С без зміни технології	Підвищення температури чавуну, 0С зі зміною технології
Ливарний двір	Ущільнення вогнетривкої кладки жолобів	+4	+4
	Подача під налив ковшів з температурою кладки не менше 700 0С	+4	+4
	Налив ковшів до 100 тонн		+3
	Налив ковшів не менше 90 тонн	+3
Постачання чавуну в чавуновізному ковші	Ущільнення шару який безпосередньо контактує з залізовуглецевим розчином	+5	+5
	Виключення позадоменної обробки		+20
	Застосування теплоізоляційного шару	+4	+4
	Вага чавуну в ковші 100 тонн		+7
	Вага чавуну в ковші не менше 90 тонн	+5
Сумарне підвищення температури чавуну, який постачається до міксера		+25	+47
Температура чавуну, який постачається до міксера		1351	1373

Розроблений метод оцінки заснований на обробці промислових експериментальних даних, у ньому враховуються контрольовані параметри технології (тип реагенту, початкова концентрація сірки) і неконтрольовані параметри, що узагальнюються величиною _дес./R_ф

У результаті аналізу термодинамічних і кінетичних умов, що впливають на ефективність десульфурації чавуну (концентрації сірки на початку і в кінці обробки, якості реагенту і його ціни, методів його введення, міжфазної поверхні, часу взаємодії), пропонується двоступінчаста десульфурація металу в заливальних ковшах. Перший ступінь десульфурації вапном, для максимальної ефективності процесу, проводиться до фіксованого значення 0,02%S. Витрата десульфуратору становить від 5 до 8 кг/т, і як наслідок, мінімальне зниження температури металу 18-20⁰С. Потім чавун з температурою порядку 1333⁰С, (що на 47⁰С нижче, ніж у чавуновізному) обробляється гранульованим магнієм до необхідної величини (0,001%-0,003%S), який вдувають у струмені природного газу чи аргону. Витрата магнію при цьому визначається кількістю сірки, що видаляється, і величиною коефіцієнта використання і становить 0,26 кг/т. Скачування шлаку відбувається двічі (рис.5), а зниження температури при цьому становитиме відповідно 4⁰С и 2⁰С (табл.6).

Метод порівняльної оцінки реальної ефективності різних реагентів десульфурації дозволяє в кожному конкретному випадку на будь-якому комбінаті, з огляду на кон'юнктуру цін, знаходити економічно найбільш вигідну технологію десульфурації чавуну, заміняючи дорогий реагент іншим, більш дешевим. Економічний ефект на тонну чавуну від такої заміни може бути обчислений за наступною залежністю

(11)

де Ц і Ц - ціна реагентів, грн.

При впровадженні запропонованих заходів, без зміни технології постачання, кінцева температура чавуну може бути вищою на 25 ⁰С. Економія чавуну в таких умовах становитиме порядку 10кг/т сталі, а економічний ефект 0,35.грн/т. За умовою впровадження двоступінчастої десульфурації очікуваний економічний ефект може становити 0,52 - 4,00 грн/т чавуну.

З використанням запропонованого методу визначено, що при ціні магнію більш 12грн/кг (з урахуванням утрат металу зі шлаком) упровадження двоступінчастої десульфурації є економічно вигідним.

Керуючись вищевикладеними дослідженнями з удосконалювання технології підготовки чавуну до конверторної плавки, упровадження запропонованих заходів дозволить підвищити кінцеву температуру металу й одержати більш високі техніко-економічні показники.

Таблиця 6

Розрахункове значення температури чавуну після двоступінчастої обробки в заливальному ковші

№	Параметри двоступінчастої обробки чавуну	СaO	Mg
	Вага чавуну у ковші, т,	290	290
	Вміст сірки початковий, %	0,04	0,02
	Вміст сірки кінцевий, %	0,02	0,005
	Інтенсивність подачі реагенту, кг/хв	125-150	6-15
	Витрата реагенту, кг/т	8	0,26
	Час обробки, хв	15-18	5-13
	Температура металу перед десульфурацією, 0С	1357	1333
	Зниження температури під час десульфурації, 0С	18 - 20	5-12
	Температура металу після десульфурації, 0С	1337	1324
	Швидкість зниження температури під час скачування шлаку, 0С/мин	0,3	0,3
	Кількість шлаку, якій утворюється, кг/т	15	0,35
	Час скачування шлаку, хв	14	8
	Зниження температури під час скачування, 0С	4	2
	Температура чавуну після скачування шлаку, 0С	1333	1322
	Температура чавуну перед зливом в конвертор, 0С		1322

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено теоретичне узагальнення й нове технічне розв'язання наукової задачі поліпшення техніко-економічних показників технології підготовки чавуну до конверторної плавки шляхом збереження фізичного тепла чавуну й оптимізації його обробки на основі комплексного дослідження теплообмінних і фізико-хімічних процесів, реалізованих у чавуновізному і заливальному ковшах, а також системи організації постачання чавуновізних ковшів.

Отримано залежності для визначення температури контакту футерівки з розплавом і товщини активного шару футерівки. Удосконалено метод визначення втрат тепла на акумуляцію кладкою. Запропоновано метод визначення акумулюючої здатності активного шару футерівки в процесі експлуатації.

Уточнено фізичну сутність коефіцієнта акумулюючої здатності матеріалу і встановлено його фактичне значення, величина якого більша за довідкову мало не в два рази. Встановлено, що в процесі взаємодії футерівки з залізовуглецевим розплавом на 20% збільшується щільність і коефіцієнт теплопровідності вогнетриву. З цим пов'язані втрати тепла на акумуляцію, що зростають у процесі експлуатації ковша. Використання більш щільного вогнетриву для робочого шару дозволить знизити ці втрати.

З метою зниження втрат тепла, під час зносу футерівки чавуновізного ковшу, пропонується між кожухом і кладкою використовувати теплоізоляційний шар товщиною 0,02м з волокнистого вогнетриву МКРПГ - 400.

Розроблено метод обробки промислових даних з десульфурації чавуну, який дозволяє виявити технологію з найвищею ефективністю використання реагентів, порівнювати їх ефективність, способи введення в розплав, застосовувані технологїї на різних комбінатах та в одному цеху, а також визначити економічну ефективність.

У результаті аналізу термодинамічних і кінетичних умов, що впливають на ефективність десульфурації чавуну (концентрації сірки на початку і в кінці обробки, якості реагенту і його ціни, методів його введення, міжфазної поверхні, часу взаємодії), пропонується використовувати двоступінчасту десульфурацію металу в заливальних ковшах. Перший ступінь - обробка вапном до фіксованого значення 0,02%S, другий ступінь - глибока десульфурація гранульованим магнієм.

Впровадження таких заходів, як ущільнення шару вогнетриву, який контактує безпосередньо з залізовуглецевим розчином, наявність ізоляційного шару в чавуновізному ковші, подача під налив ковшів з температурою внутрішньої поверхні не менш 700⁰С, налив ковшів не менш 90т , зробить можливим підвищення кінцевої температурі металу на величину порядку 25⁰С. При цьому витрати магнію на десульфурацію підвищаться на 3%, однак підвищення температури чавуну під час зливу в конвертер дозволить мати очікуваний економічний ефект порядку 0,35грн./т.

За умовою впровадження двоступінчастої десульфурації чавуну економічний ефект може становити 0,52 - 4,00 грн/т чавуну (в залежності від ціни на реагентів).

Для оптимізації технологічних параметрів при доставці й обробці передільного чавуну розроблена структурна схема АСУ, що дозволить диспетчеру доменного цеху мати необхідну інформацію і приймати своєчасні рішення щодо прискорення руху ковшів і виконання технологічних операцій.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ здобувача

1. Капустин Е.А., Дубовкина М.Ю. К теории и экономической оценке десульфурации чугуна // Сталь.-2004.-№9.-С.12-15.

2. Капустин Е.А., Дубовкина М.Ю. Аккумуляция теплоты футеровкой чугуновозного ковша // Металлургическая и горнорудная промышленность.-2001.-№4.-С.89-91.

3. Капустин Е.А., Дубовкина М.Ю. Метод определения теплоаккумулирующей способности футеровки печей. // Металлургическая и горнорудная промышленность.-2002.-№.-4.-С.90-92.

4. Шмачков П.Л., Дубовкина М.Ю., Капустин Е.А. Влияние процесса доставки чугуна на его конечную температуру // Металлургическая теплотехника. Сборник научных трудов / НметАУ. -Днепропетровск,.-2000.-Т.3.-С.166-170.

5. Зайцев В.С. Дубовкина М.Ю. К вопросу моделирования потерь тепла в чугуновозном ковше // Вестник Приазов. гос. техн. ун-та: Сб. науч. тр.- Мариуполь, 2001. - Вып.11.- С. 259-262.

6. Зайцев В.С., Дубовкина М.Ю. Влияние массы чугуна на его конечную температуру при транспортировке в чугуновозных ковшах // Теория и практика металлургии. -2001.-№6.-С.8-10.

7. Зайцев В.С. Гулыга Д.В. Дубовкина М.Ю. Вопросы создания АСУ при перевозках жидкого чугуна на участке доменный цех - конвертерный цех // Металлургическая и горнорудная промышленность.-2002.-№1.-С.107-109.

8. Дубовкина М.Ю. Снижение потерь тепла при транспортировке жидкого чугуна из доменного в сталеплавильный цех // Вісник Національного університета "Львівська політехніка", Теплотехніка, інженерія, довкілля, автоматизація.-2002.-№ 452.-С 72-74.

9. Берестовой А.М., Дубовкина М.Ю., Хлестова О.А. Проблемы энергосбережения при перевозке наливных грузов. // Залізничний транспорт України.-2001.-№1-С.21-22.

10. Шмачков П.Л., Дубовкина М.Ю., Капустин Е.А. Сохранение теплофизических параметров чугуна в чугуновозном ковше в процессе его доставки от доменной печи к миксеру // Тезисы докладов VII региональной научно-технической конференции, Мариуполь, апрель 2000г.- Мариуполь, 2000.-Т.2.-С 36.

11. Зайцев В.С., Дубовкина М.Ю. Экспертная система для прогнозирования веса плавок в доменном цехе // Тезисы докладов VIII региональной научно-технической конференции. Мариуполь, 2001г.- Т.2.- С 112.

12. Зайцев В.С., Дубовкина М.Ю.. Влияние массы чугуна на его конечную температуру при транспортировке в чугуновозных ковшах // Материалы первой международной научно-практической конференции “Вычислительная техника в информационных и управляющих системах”.-Мариуполь, 2000.-С.41-42.

13. Дубовкина М.Ю. Усовершенствование технологии доставки чугуна к сталеплавильному агрегату // Тезисы докладов IХ региональной научно-технической конференции, Мариуполь, апрель 2002г.-Мариуполь, 2002.-Т.2.-С 26.

14. Дубовкина М.Ю. Минимизация затрат в процессе десульфурации чугуна в заливочном ковше // Тезисы докладов Х региональной научно-технической конференции, Мариуполь, апрель 2003г.-Мариуполь, 2003.-Т.1.-С 20-21.

15. Исследования технологических возможностей десульфурации металла при выплавке качественных сталей на ММК “Азовсталь” Харлашин П.С., Чаулхри Т.М. Дубовкина М.Ю. // Тезисы докладов ХI региональной научно-технической конференции, Мариуполь, апрель 2004г.-Мариуполь, 2004.-Т.1.-С 30.

16. Капустин Е.А., Дубовкина М.Ю. О целесообразности внедрения двухступенчатой десульфурации при высоком содержании серы в чугуне // Тезисы докладов ХI региональной научно-технической конференции, Мариуполь, апрель 2004г.-Мариуполь, 2004.-Т.1.-С 40.

17. Капустин Е.А., Дубовкина М.Ю. О методах обработки экспериментальных данных по десульфурации чугуна// Тезисы докладов ХI региональной научно-технической конференции, Мариуполь, апрель 2004г.-Мариуполь, 2004.-Т.1.-С 42.

Особистий внесок здобувача в наданих публікаціях.

В [1] розроблено метод порівняльної оцінки десульфуруючих реагентів. В [2] отримана залежність для визначення температури контакту на межі футерівка-чавун. Установлено, що час нагріву та охолодження внутрішньої поверхні футерівки визначається її акумулюючими здібностями. В [3] розкрито вплив величини коефіцієнту акумулюючої здатності на охолодження кладки чавуновізного ковшу. В [4] здобувачем визначено, що найбільші втрати температури чавуну під час випуску звязані с відсутністю контролю ваги в процесі наповнення ковшу та подачі під налив охолоджених ковшів. В [5] запропоновано використання статистичних моделей для прогнозування втрат тепла на різних ділянках постачання чавуну від доменної печі до сталеплавильного агрегату та процедура по уточненню коефіцієнтів, які входять в моделі. В [6] автором розроблені статистичні моделі зниження температури чавуну на різних ділянках постачання. Зроблені розрахунки втрат по запропонованим моделям. В [7] розроблені моделі, які використовуються в АСУ постачання чавуну. Отримані вхідні і вихідні величини, також запропонована схема АСУ. [8] розроблена самостійно. В [9] здобувачем проведено аналіз енерговитрат під час постачання наливних вантажів, визначені основні задачі при транспортуванні високотемпературних рідин.

Размещено на Allbest.ru

...