Розробка технології десульфурації чавуну вдуванням диспергованого магнію

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тема: "Розробити технологію десульфурації чавуну вдуванням диспергованого магнію"

Зміст

1. Аналіз останніх досліджень десульфурації чавуну магнієм

2. Постановка завдань процесу вдування магнію через фурму із випарювальною камерою

3. Установка десульфурації чавуну вдуванням диспергованого магнію через заглиблювальну фурму

4. Аналіз результатів досліджень

Висновки

1. Аналіз останніх досліджень десульфурації чавуну магнієм

У сучасному металургійному маршруті виробництва високоякісної сталі "доменна піч - кисневий конвертер" важливе і невід'ємне місце займає позадоменна ковшова десульфурація чавуну в заливальних ковшах із забезпеченням перед заливкою в конвертер вмісту сірки в розплаві нижче 0,005%. При цьому в якості основного десульфуратору використовується диспергований магній, який вдувається через заглиблену фурму у розплав в струменях нейтральних газів (азот, аргон), в тому числі в складі порошкоподібних сумішей із вапном та карбідом кальцію з використанням процесів коінжекціі і мультіінжекціі [ ].

За кордоном визнано [ ], що широке промислове впровадження у світовій практиці позадоменної десульфурації чавуну магнієм стало можливим завдяки розробці і впровадженню з початку 70-х років в СРСР колективом наукових співробітників Інституту чорної металургії (м. Дніпропетровськ, Україна) під керівництвом Н.А . Воронової [ ] способу введення диспергованого магнію (гранульованого, фрезерованого) у розплав, як у складі порошкоподібних сумішей з вапном і доломітом, так і в чистому вигляді методом інжектування в струмені газу-носія через прямоточну заглиблену фурму та з випарником на виході.

Промислова практика десульфурації чавуну вдуванням

порошкоподібних сумішей магнію з вапном або карбідом кальцію виявила ряд істотних недоліків, а саме [ ]:

- значна тривалість (більше 10 хв) процесу десульфурації;

- велика витрата реагентів (6-20 кг/т чавуну);

- велика кількість додаткового утворюваного шлаку (до 10-40 кг / т чавуну) та значні втрати чавуну із скачуваним шлаком (в середньому 45% від маси шлаку);

- обмежені можливості досягнення глибокої десульфурації чавуну;

- значні економічні витрати.

Зазначені недоліки стали причиною розробки, освоєння і застосування сучасної української технології та обладнання для десульфурації чавуну чистим гранульованим магнієм на активно розвиваючих підприємствах Китаю [ ].

2. Постановка завдань процесу вдування магнію через фурму із випарювальною камерою

При промисловому освоєнні сучасної української технології десульфурації чавуну [ ] гранульованим магнієм у 150-320 - тонних заливальних ковшах з інтенсивністю вдування реагенту 13-26 кг/хв (0,081-0,086 кг/(т?хв)) зіткнулися з розвитком інтенсивного розбризкування рідкого чавуну та із збільшенням динамічних навантажень на фурменний пристрій. Зазначений негативний ефект посилювався в міру зменшення глибини заглиблеення фурми в розплав і його маси. Це пов'язано, перш за все, з відсутністю розосередженого вдування магнію в об'єм розплаву як у випадку використання прямоточних заглибних фурм, так і з випарником на виході.

Процес десульфурації чавуну вдуванням магнію через фурму із випарювальною камерою супроводжується збільшенням тиску парогазової суміші в підкупольному просторі з наступним активним виділенням по

периметру камери локальних турбулентних парогазових потоків у формі спливаючих макробульбашок, які при виході на поверхню ванни руйнуються з бризговиносом металу і сліпуче яскравим догоранням незасвоєного пару магнію з виділенням білого диму. При цьому відбувається вплив на фурму значних за величиною періодичних зусиль, котрі діють у вертикальному та горизонтальному напрямках. Те ж саме відбувається при вдуванні магнію через прямоточну односоплову фурму. Для забезпечення належного режиму продування вжили заходів щодо стабілізації великовагового фурменого пристрою (вага 43200кг) і зменшення передачі вібрацій на вузли установки і суміжні металоконструкції [ ].

Відомо [ ], що позитивний ефект з точки зору прискорення десульфурації чавуну дає активізація розчинення магнію в розплаві за рахунок збільшення площі контакту рідкої та газової фаз. Встановлено [ ], що використання обертових заглиблювальних фурм, замість стаціонарних, для продувки чавуну порошкоподібними сумішами магнію з вапном, так і магнію з карбідом кальцію призвело до поліпшення ступеня десульфурації від 20 до 30%, зниження падіння температури на 50% і зменшення схильності до викидів при однакових витратах магнію на обробку чавуну. У зв'язку з цим було доцільним з використанням високотемпературного та чисельного моделювання дослідити гідрогазодинамічні і фізико-хімічні особливості десульфурації чавуну при вдування диспергованого магнію через заглиблювальну обертову фурму. Отримана при цьому інформація, безсумнівно, дозволить наблизити рішення про доцільність широкого використання обертових заглиблювальних фурм в промислових умовах з метою інтенсифікації процесу десульфурації чавуну в великовантажних заливальних ковшах з ліквідацією таких негативних наслідків як бурхливий характер обробки і підвищені динамічні навантаження на фурменої пристрій.

3. Установка десульфурації чавуну вдуванням диспергованого магнію через заглиблювальну фурму

З'ясування закономірностей десульфурації чавуну вдуванням диспергованого магнію через обертову заглиблювальну фурму проводили на спеціально створеній установці (рис. 2.1) на базі 150-кг індукційної печі.

Рис. 2.1. Схема лабораторної установки:

1-тигель; 2-металева ванна; 3-барботажна зона; 4-шлак; 5-кришка; 6-заглиблювальна обертова фурма; 7-пастка для пилу; 8-привід обертання; 9-живильник з роторним дозатором; 10-манометр; 11-ротаметр; 12-вентилі; 13-редуктори; 14-газові балони.

У набивному кварцитовому тиглі розплавляли 100-130-кг переробного чавуну, котрий містить 4,05-4,15% С, 0,09-0,15% Mn, 0,65-0,90% Si, 0,025-0,08% S і 0,045-0,055% P, із забезпеченням початкової температури розплаву 1330-1350єС. Після видалення первинного покривного шлаку приступали до обробки чавуну диспергованим магнієм (марка МГП-99, фракція 0,63-1,0 мм), котрий подавали з питомою витратою 0,055-0,19 кг/ хв на тонну чавуну в потоці аргону інтенсивністю 0,015-0,018 м3 / (т?хв) через стаціонарну (рис. 2.2, а) і обертові (рис. 2.2, б, в) конструкції заглиблювальних фурм.

Швидкість обертання заглиблювальних фурм змінювали від 20 до 120

об/хв. Хімічному аналізу піддавалися проби чавуну, відібрані перед початком і після закінчення обробки розплаву. Макрокартину фізичних явищ, які супроводжують процес продувки чавуну диспергованим магнієм, фіксували кіно- і відеозйомкою. Ефективність десульфурації чавуну оцінювали за показниками: ступеня десульфурації (Ст. D); витрати магнію на видалену сірку (в), ступеня засвоєння магнію на сірку (KMgs), а також на сірку і магній залишковий (KMgs + Mg).

а) б) в)

Рис. 2.2. Конструкції заглиблених фурм (а-в):

а) відкритий з торця випарник із 8-ми зубчастим торцевим профілем; б) закритий з торця випарник з 2 соплами; в) закритий з торця випарник з 1-м похилим соплом.

1 - сталева трубка підведення диспергованого магнію в потоці аргону;

2 - зовнішній графітовий чохол; 3 - високоглиноземиста вогнетривка набивка; 4 - графітова втулка; 5 - різьбове з'єднання; 6 - сталевий фланець,

7 - відкритий з торця графітовий випарник; 8 - графітові випарники;

9 - сопла в торцевій частині випарника

4. Аналіз результатів досліджень

Обробкою матеріалів відеозйомкою (рис. 2.3) встановлено, що при використанні фурми з відкритим випарником (рис. 2.2, а) у зоні продувки, при подачі магнію з інтенсивністю 0,055-0,066 кг / (т?хв) фіксується вихід (поява) з тимчасовим інтервалом 0,25-0,83 с на поверхні ванни макробульбашок пару магнію з аргоном (діаметром 0,05-0,08 м), порівнянних, а іноді і перевищуючих розміри зовнішнього діаметра (0,06 м) випарника.

Час розкриття бульбашки на поверхні розплаву, з сліпучо яскравим горінням парів незасвоєнного магнію, коливається в межах 0,08-0,28 сек. Місце виходу макробульбашки щодо осі фурми змінюється без певної закономірності. В міру зниження температури чавуну частота виходу і розміри макробульбашок збільшується. Поряд з піроефектом, вихід макробульбашки на поверхню ванни супроводжується бризко- і хвилеутворення, а також виділенням білого диму.

Зафіксована картина свідчить на користь того, що вдуваємий в чавун диспергований магній перетворюється в газоподібний в межах внутрішнього об'єму випарника і газова суміш парів магнію і аргону, в міру перевищення тиску навколишнього середовища, покидає межі останнього у формі, можливо, декількох міхурів (через зубчастої торцевої частини випарника), що зливаються потім в одину макробульбашку при спливанні у ванні.

У тому випадку, коли при обробці технології інтенсивність подачі диспергованог магнію через фурму з випарником на виході (рис. 3.2, а) складала 0,10-0,19 кг / (т?хв), процес обробки протікав надзвичайно бурхливо, особливо при зниженій температури чавуну (менше 1320єС), з розвитком вибухового і канального виходу парів незасвоєнного магнію на поверхню ванни і викидом за межі тигля об'ємів металу (рис. 3.3, а) і в окремих випадках магнію в рідкому стані.

а)

б)

в)

Рисунок 2.3 - Картина виходу (а, б, в,) на поверхню рідкого чавуну макробульбашок незасвоєного магнію при використанні стаціонарної (рис. 2.2, а) і обертових двосоплової (рис. 2.2, б) і односоплової (рис. 2.2, в) заглиблювальних фурм відповідно:

1 - фурма; 2 - поверхня розплаву; 3 - вихід макробульбашок з догоранням пару магнію; 4 - викиди металу

Забезпечити спокійний характер обробки розплаву з підвищенням питомої витрати диспергованого магнію вдалося при використанні обертових заглибних фурм. За результатами лабораторних експериментів із десульфурації чавуну вдуванням диспергованого магнію з витратою 0,085-0,19 кг/(т•хв) були встановлені такі особливості гідрогазодинаміки розплаву при використанні обертової заглибленої фурми з двома соплами,

розташованими під кутом 900 до вертикальної осі (рис. 3.2 , б) і фурми з одним соплом, розташованим під кутом 450 до вертикальної осі (рис. 3.2, в). Перш за все, вдалося організувати обробку чавуну з істотно зменшеним, у порівнянні зі стаціонарною фурмой, виходом незасвоєних парів магнію на поверхню ванни, із незначними періодичними проявами піроефекта. Так, застосування 2-х соплової фурми забезпечувало повну відсутність виходу на поверхню ванни бульбашок незасвоєнного магнію в інтервалі зниження температури чавуну, в процесі обробки, з 1390 до 12800С.

Обробкою матеріалів відеозйомки встановлено, що при використанні фурми з одним соплом в зоні продувки фіксується вихід газового макроміхура на поверхню ванни з тимчасовим інтервалом 0,9-2,2 с. У разі двосоплової фурми часовий інтервал збільшується до 2,0-4,1 з пропорційно збільшенню швидкості обертання фурми.

Обробкою матеріалів відеозйомки визначена усереднена швидкість спливання макроміхурів магнію в об'ємі ванни, яка в досліджених умовах склала 0,21-0,54 м/с в порівнянні з 0,5-1,32 м/с при вдуванні магнію через стаціонарну фурму з випарником на виході . Це свідчить на користь підвищення площі контакту міхурів магнію із чавуном, поліпшення розосередження дуття і більш організованого розподілу потоків, що призвело до підвищення ступеня засвоєння магнію розплавом і ефективності десульфурації.

У досліджених умовах вдування магнію через обертову двосоплову заглиблену фурму з інтенсивністю 0,12 - 0,19 м3/(т?хв) дозволило при спокійному характері 8-10-хвилинної продувки забезпечити кінцевий вміст сірки в чавуні в межах 0,003-0,005% при витраті магнію 0,95-0,98 кг/т з досягненням показників Ст. D; в; KMgs, KMgs+Mg у межах 93,4-93,9%; 2,16-2,19 кг/кг; 34,5-35,7% та 77,5-79,3% відповідно.

Для вибору ефективних режимів обробки і раціональних параметрів конструкції обертових фурми розроблена математична модель [ ]

гідродинамічних процесів під час обробки чавуну в 200-т ковші вдуванням диспергованого магнію.

Враховано такі основні фактори: суміш пари магнію з азотом вдувається в розплав при нестаціонарному розташуванні сопів фурми; сопла фурми розташовані на певній висоті відносно днища ковша; граничні умови мають тривимірну конфігурацію; газорідинна середовище має соленоїдальний характер руху. Математична модель, при наявності газової і рідкої фази, описана спільно в одношвидкісному підході, в якому дозволяється, що середовище є суцільним, в'язким і нестисливим. При цьому немає необхідності враховувати кількість, розміри і форму міхурів магнію з азотом. десульфурація чавун магній випарювальний

В основу моделі покладено наступні вихідні припущення:

1. За геометрії розрахункової області:

- ківш має циліндричну форму;

- поперечний переріз ковша наближений до квадратної форми.

2. За гідродинамікою розплаву:

- вільна поверхня металу рівна, на ній відсутні хвилі;

- розплав металу в ковші певною мірою турбулізований.

В моделі припускається, що основним чинником, який визначає характер руху газорідинного середовища, є підйомна сила, котра виникає внаслідок неоднорідності по щільності, яка обумовлена наявністю газових включень; коефіцієнт газовмісту залежить лише від точки простору і часу. Система рівнянь, яка описує рух газорідинного середовища має вигляд і вирішується

чисельно в природних змінних методом розщеплення по фізичних факторів за допомогою триетапної схеми розщеплення.

Тут -

тиск, нормоване по густині;

-

об'ємна складова зовнішніх сил;

- коефіцієнт кінематичної в'язкості, що враховує турбулентний характер руху металу; - вектор прискорення вільного падіння; - коефіцієнт газовмісту; - вектор швидкості середовища.

Вектор швидкості середовища не збігається ні зі швидкістю руху середовища, ні зі швидкістю руху повітря, а є середнім між ними і досить повно характеризує рух газорідинної середовища як єдиного цілого.

Крім того, в моделі допускається, що основним чинником, який визначає характер руху газорідинного середовища, є підйомна сила

, котра виникає внаслідок неоднорідності по густині, зумовленої наявністю газових включень. Коефіцієнт газовмісту залежить тільки від точки простору і часу. З фізичної точки зору це означає нехтування явищами гравітації і стискальністю бульбашок газу.

Подача диспергованого магнію та азоту через сопла фурми здійснюється шляхом введення в місці їх розміщення джерела газової фази об'ємної густини

, де q - витрата пари диспергованого магнію та азоту через фурму, поділений на число сопів фурми і V0 - об'єм зони формування барботажного режиму в області біля сопла фурми.

Турбулентний характер руху враховується шляхом введення ефективних коефіцієнтів в'язкості і дифузії бульбашок газової фази, які містять турбулентну і апроксимаційної складові

, де - швидкість в межах даного осередку; - сіткове число Рейнольдса.

З використанням моделі виконані чисельні дослідження якісної картини гідродинамічних процесів в об'ємі металевої ванни 200-т ковша при промислових параметрах вдування диспергованого магнію з використанням заглибленої обертової фурми. На рис. 2.4 наведений розподіл поля

швидкостей і концентрації азоту в горизонтальному перетині по осі симетрії і сопел фурми в ковші.

а) б)

Рисунок 2.4 - Розподіл полів швидкості і концентрації азоту в горизонтальному перетині в ковші на висоті 1696 мм (а) та 3150 мм (б)

На рис. 2.5 - поля швидкостей і концентрації азоту у вертикальному перерізі через вісь симетрії і сопла фурми.

Рисунок 2.5 - Розподіл полів швидкості і концентрації азоту у вертикальному перерізі через вісь симетрії і сопла фурми. Темні поля - області об'ємної концентрації азоту у відсотках (від 3 до 100)

Висновки

З використанням високотемпературного та чисельного моделювання досліджено гідрогазодинамічних закономірності процесу обробки чавуну диспергованим магнієм з використанням обертової заглибленої фурми. Встановлено адекватність чисельних розрахунків результатами експериментальних даних і підтверджено ефективність застосування обертових заглибних фурм для інтенсифікації та підвищення ступеня десульфурації чавуну диспергованим магнієм.

Размещено на Allbest.ru