Анализ поведения углерода в процессе электроплавки при применении высокоуглеродистых брикетов синтикома

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.745.4

Анализ поведения углерода в процессе электроплавки при применении высокоуглеродистых брикетов синтикома

Г.А. Дорофеев

П.Р. Янтовский

Я.М. Степанов

Показано, что использование в электропечах брикетов синтикома на основе Fe-O-C вносит принципиальные изменения в главную реакцию сталеварения - окисление углерода, а также возможность получения из высокоуглеродистых брикетов синтикома в печи высокоэффективного науглероживателя в виде железоуглеродистого расплава нового типа.

Ключевые слова: углерод, электроплавка, брикеты, синтиком, науглероживатель, карботермическое восстановление.

It is shown that the use of electric furnaces the briquettes synticom based on Fe-O-C is making fundamental changes in the main reaction of steelmaking, the oxidation of carbon, as well as the possibility of obtaining high-carbon briquettes in a furnace synticom highly effective naegleriasis in the form of iron-carbon melt is a new type.

Key words: carbon, electrofusion, briquettes, sindicom, naplanovane, carbothermic reduction.

Введение в шихтовку электродуговых печей брикетов синтикома на основе элементов Fe-O-C вносит существенные изменения в главную реакцию сталеварения - окисление углерода. Суть их заключается в создании нового фронта взаимодействия углерода и конденсированного кислорода, представленного оксидами железа, который содержит брикеты синтикома. Данный фронт служит одновременно зоной получения железа прямого восстановления и образования в печи значительного количества монооксида углерода, являющегося потенциальным энергоносителем в случае его дожигания до СО2. Помимо отмеченных явлений одним из важных следствий эффекта применения брикетов синтикома на оксидоугольной основе является науглероживание ванны и дополнительное развитие процесса обезуг-лероживания. Это сопровождается в свою очередь выделением СО, интенсивным кипением и перемешиванием ванны, ускоренным нагревом металла и его рафинированием, более быстрым шлакообразованием и другими позитивными эффектами. Кроме того, интенсивное образование СО и его более раннее выделение внутри слоя холодной шихты, начинающееся сразу с момента загрузки брикетов синтикома, существенно улучшает условия дожигания СО до СО2 и повышает степень усвоения этого тепла благодаря совмещению зон образования СО, его дожигания и передачи тепла.

Изложенное выше представляет собой результат многочисленных исследований, выполненных 10-20 лет назад российскими исследователями и существенно опередивших соответствующие работы за рубежом. Среди этих исследователей особо следует выделить исследования Г.Н. Еланского, В.П. Цымбала, А.В. Павлова. расплав синтиком углерод

Использованные в опытной серии плавок брикеты на основе окалины и коксовой мелочи отличались весьма высоким содержанием науглероживателя порядка 30% и по этому параметру не имеют прецедентов. Наличие в составе брикетов столь значительного количества углеродного компонента придало этим материалам в дополнение к их обычным свойствам качество высокоэффективного науглероживателя но-вого типа, отличающего от известных жидкофазным состоянием и особо высокой концентрацией углерода в науглероженном железе.

Общее количество брикетов синтикома в опытной серии плавок составило 112 т или 7,47 т в среднем на плавку. Из общего расхода брике-тов на долю коксика приходилось 33,6 т или 2240 кг на каждую плавку. С этим количеством коксика в ДСП за всю серию опытных плавок поступило 27,89 т углерода или в среднем 1859,33 кг углерода на плавку.

Восстановление оксидов железа синтикома данного состава в виде Fe2O3 и FeO при суммарной доле их 60% требует ориентировочно расхода 100 кг углерода на 1 т материала или 238,1 кг на 1 тонну полученного железа. Общая потребность на полное восстановление всех окислов железа, имеющихся в 112 т брикетов, составляет:

100 х 112 = 12000 кг = 11,2 т или 746,67 кг углерода в среднем на плавку.

Избыток углерода, оставшийся неизрасходованным на карботермическое восстановление, будет равен:

27,89 - 11,20 = 16,69 т или 16690 кг.

Это количество углерода вносится в электропечь и идёт на дополнительное науглероживание образующегося железа прямого восстановления и в конечном счете науглероживание металлической ванны. В расчёте на одну плавку вносится 1112,67 кг дополнительного науглероживателя в виде углерода. Этому соответствует содержание угле-рода в восстановленном железе, равное (10,99/44,8)*100=37,25%. Столь высокое содержание углерода в железе не имеет прецедента и будет рассмотрено далее. Наличие дополнительного количества науглерожива-теля данного типа, причем в жидком состоянии, является одной из главных особенностей опытных плавок.

Ввод брикетов в шихтовку опытных плавок существенно изменяет исходное содержание углерода в шихте. Металлическая шихта опытных плавок включает в себя лом и чугун в количестве соответственно 2368,7 и 225,4 т при общей их массе 2594,1 т. Принимая концентрацию углерода в этих материалах, равной 0,3% и 4,5% или 3 и 45 кг/т соответственно, определим общее содержание углерода в металлической части шихты опытных плавок:

2368,7 х 3 + 225,4 х 45 = 7106,0 + 10143,0 = 17249 кг или 17,25 т.

На одну плавку приходится 1150 кг углерода. Среднее содержание углерода в исходной шихте при этом составит:

17,25 / 2594,1 х100 =0,665%.

В процессе плавки весь этот углерод окисляется, удаляясь из ме-талла.

Использование брикетов синтикома кардинально увеличивает содержание углерода в шихте. С учётом наличия в материале 27,89 т угле-рода суммарное количество углерода достигнет значения:

17,25 + 27,89 = 45,14 т или 3009,3 кг на плавку.

Следовательно, при работе ДСП с использованием брикетов общее количество углерода в шихте возрастает с 17,25 до 45,14 т или в 2,62 раза. При этом общая концентрация углерода в шихте, вносимого металлической шихтой и брикетами синтикома, будет равна:

(45,14 х 100) / 2594.1 = 1,74%

Это значение существенно больше концентрации углерода в шихте, создаваемой металлической шихтой и равной 0,665%. В среднем на плавку содержание углерода увеличивается с 1150 кг до 3009,3 кг. Принимая во внимание расходование части углерода брикетов синтикома на восстановление в количестве 11,2 т, не участвующего в выплавке стали, количество углерода, поступающего в ДСП несколько снижается и становится равным:

(17,25 + 27,89 - 11,2) = 33,94 т или 2262,67 кг в среднем на плавку.

Применительно к этому содержание углерода в шихте опытных плавок с учётом расходования части углерода на восстановление будет равно:

(33,94 х 100) / 2594,1 = 1,36%.

Это несколько меньше исходного содержания углерода в шихте, составляющего 1,74 %, но достаточно велико, превышая практически вдвое этот показатель на сравнительных плавках

Для сравнительных плавок при массе исходной металлической шихты 2621,0 т и доле лома и чугуна, соответственно 2327,3 и 293,7 т, содержание углерода в шихте будет равно:

2327,3 х 3 + 293,7 х 45 = 6981,9 + 13216,5 = 20198,4 кг или 20,20 т.

На одну сравнительную плавку при этом приходится 1346,67 кг углерода. Соответственно, концентрация углерода в шихте сравнительных плавок составит:

(20,2 х 100) / 2621,0 = 0,77%

Концентрация углерода в металлической шихте, равная 0,77%, близка к аналогичному показателю опытных плавок, равному 0,665%. Не-сколько большая величина его объясняется более высоким количеством твёрдого чугуна в шихте сравнительных плавок -293,7 т против 225,4 т в опытной серии. Однако ввод в шихту опытных плавок брикетов синти-кома повышает содержание углерода в шихте до 1,36% и делает разницу в содержании углерода весьма существенной.

Сопоставляя представленные выше результаты, приходим к выводу о том, что применение брикетов синтикома данного состава резко увеличивает содержание углерода в шихте по сравнению с работой электропечей на одном металлическом сырье - с 0,665 до 1,36%. Приведенные параметры показывают, какие значительные изменения вносит использование брикетов синтикома в содержание исходного количества углерода в шихте, увеличивая его в два раза.

Отмеченный выше фактор является главенствующим, отличая про-цесс электроплавки на металлической шихте с добавлением брикетов синтикома от классической технологии.

Выполненный выше анализ относится ко всей массе шихты, используемой в серии опытных и сравнительных данных, в целом. Рассмотрим теперь эти данные применительно к отдельной плавке.

Для опытных плавок имеем:

- количество коксика, вносимого на одну плавку брикетами синти-кома:

33,6 / 15 = 2,24 т/плавку или 2240 кг/плавку;

- то же в пересчёте на углерод:

27,89 /15 = 1,859 т/плавку или 1859,3 кг/плавку;

- количество углерода, вносимого металлической шихтой (металлолом и чугун):

17,249 / 15 = 1,1499 т/плавку или 1150 кг/плавку;

- суммарное поступление (приход) углерода из металлошихты и брикетов синтикома:

45,14 / 15 = 3,009 т/ т шихты или 3009,3 кг/т шихты;

Для сравнительных плавок имеем:

- количество коксика, вносимого брикетами синтикома: «0»;

- количество углерода, вносимого брикетами синтикома: «0»;

- количество углерода, вносимого металлической шихтой (металлолом и чугун):

20,20 /15 = 1,347 т/плавку или 1347 кг/плавку.

Удельный расход углерода на опытных плавках составил

(45,14 х 103) / 2638,90 = 17,11 кг/т шихты;

или 45,14 х 103 / 2416,51 = 18,68 кг/т полупродукта;

При учёте убыли части углерода на восстановление железа значе-ние этих показателей будет равным

(33,94 х 103) / 2638,9 = 12,86 кг/т шихты или (33,94 х 103) / 2416,51 = 14,05 кг/т полупродукта.

На сравнительных плавках эти показатели составили соответст-венно

(20,20 х 103) / 2621,0 = 7,71 кг/т шихты или (20,20 х 103)/2391,77 = 8,45 кг/т полупродукта.

Отличие между этими параметрами для опытных и сравнительных плавок представляются весьма значимым, достигающими 1,66 раза.

В традиционной классической электроплавке на металлическом сырье поведение углерода складывается из двух отдельных процессов. Первый из них - окисление углерода металлической ванны с целью получения заданной концентрации углерода в металле перед выпуском полупродукта из печи. Второй - окисление углерода, вдуваемого в шлак с целью его вспенивания и экранирования электрических дуг, протекающий в жидкий период плавки после полного расплавления всей шихты и образования жидкой металлической ванны. К науглероживанию металла данный процесс не имеет отношения. При этом количество окисляемого углерода сопоставимо по величине и составляет 4-8 кг на тонну стали для каждого из этих элементов плавки.

Введение по ходу электроплавки брикетов синтикома создаёт но-вый дополнительный фронт окисления углерода, располагающийся непосредственно в кусках материала. Присутствие в составе брикетов одновременно углерода и окислителя в виде кислорода оксидов железа (конденсированного кислорода) создают в сочетании с подводом энергии необходимые и достаточные условия для их взаимодействия. Результатом этого является карботермическое восстановление железа из его оксидов, сопровождающееся образованием нового железа и выделением монооксида углерода. При этом часть углерода окисляется конденсированным кислородом оксидов железа, снижая его содержание по сравнению с необходимым. Оставшаяся в избытке большая часть углерода переходит в железо, образуя высокоуглеродистый расплав, который далее стекает вниз и поступает в металлическую ванну, дополнительно науглероживая её. Данный расплав при этом выполняет роль жидкометаллического науглероживателя, не имеющего аналогов.

Процесс карботермического восстановления протекает с момента начала плавки и ввода брикетов в электропечь и происходит одновременно и параллельно с расплавлением шихты. Образующийся расплав, имея повышенную концентрацию углерода, приобретает при этом дополнительную склонность к обезуглероживанию. Одним из доминирующих факторов, усиливающих этот эффект, является присутствие в железоуглеродистом расплаве части углерода, находящегося в виде ультрадисперсных частиц графита в свободном виде (коллоидный раствор углерода в железе). Вследствие этого создаются благоприятные условия для начала более раннего окисления углерода, а именно с момента начала плавления. Сдвиг обезуглероживания в начало плавки создаёт предпосылки для интенсивного кипения, перемешивания металла и шлака, улучшения шлакообразования и рафинирования, ускорения нагрева. Одним из следствий этого является тенденция получения к концу плавки весьма низкой концентрации углерода на уровне 0,02-0,04%.

Следовательно, появление в электропечи нового фронта окисления углерода, которым являются собственно брикеты синтикома, одновре-менно сдвигает окисление углерода в расплаве, образующемся из синти-кома и металлической шихты, в начало плавления. Это означает возникновение в электродуговой печи ещё одной области обезуглероживания, роль которой выполняет расплав, образующийся из металлошихты и восстановленного железа. Повышенная концентрация углерода в этом расплаве, обусловленная науглероживающей способностью брикетов синтикома, выполняет в этом случае роль достаточного условия. Отмеченное выше раннее начало окисления углерода является одним из преимуществ технологии электроплавки с применением синтикома.

Дополнительное и весьма существенное науглероживание металлической ванны вызывает необходимость последующего удаления избыточного углерода и соответствующего увеличения расхода окисли-теля. Роль процесса обезуглероживание металлической ванны при этом полностью сохраняется, однако окисление углерода при этом усиливается и приобретает более развитый характер. Достаточно сравнить случай обезуглероживания ванны с высокой и более низкой концентрацией углерода.

Из изложенного следует, что дополнительный ввод в шихту брике-тов синтикома, обладающих высоким науглероживающим эффектом, кардинально меняет баланс углерода и его поведение, в том числе природу процесса обезуглероживания и его характер. Наличие в составе шихты брикетов синтикома создаёт новые области окисления углерода, располагающиеся непосредственно в кусках этого материала, а также существенно изменяет традиционный процесс обезуглероживания металлической ванны, усиливая его. Одновременно с этим достигается перенос начала окисления углерода с жидкого периода на начало плавле-ния. Это создаёт условия для ведения плавки с непрерывным окислением углерода по ходу всего процесса, существенно ускоряющим тепломассообмен по сравнению с существующей технологией.

Отдельно рассмотрим вопрос о количестве высокоуглеродистого расплава - чугуна, который образуется из восстановленного железа и жидкого металла, получаемого в результате перехода металлической шихты из твёрдого в жидкое состояние. Из 33,6 т углерода, присутствующего в 112 т брикетов синтикома, на дополнительное науглероживание расходуется часть его, равная 16,69 т. При содержании в чугуне 4.2% углерода или 42 кг/т чугуна данное выше количество углерода по науглероживающей способности эквивалентно следующему количеству чугуна: (16,69 х 103) /42 = 397,38 т чугуна.

Следовательно, науглероживающая способность синтикома оказывается достаточной для образования 397,38 т жидкого чугуна. Это означает возможность получения непосредственно в электродуговой печи жидкого чугуна, причём в значительных количествах - для данных условий 26,5 т на плавку или 164,49 кг/т полупродукта.

Таким образом, работа дуговой сталеплавильной печи при вводе в её шихту синтикома позволяет благодаря его высокой науглероживающей способности переводить значительную часть расплава, образующегося из твёрдой металлошихты и в результате восстановления, в расплав чугуна. В данном случае доля жидкого чугуна на опытных плавках составила (397,3 х 100) / 2416,51 = 16,44%. С технологической точки зрения это эквивалентно заливке в электропечь жидкого чугуна с массой, составляющей 16% от общей массы металлошихты. С позиций энергетики увеличение удельного расхода углерода на опытных плавках до 14,05 вместо 8,5 кг/т стали в сравнительных плавках приводит к поступлению в печь дополнительного количества тепла. На плавках с использованием 46,5 кг/т синтикома общее количество тепла от окисления углерода до СО и дожигания СО до СО2 при степени дожигания 40% и коэффициент усвоения тепла 55%составляет 89 кВт*ч/т стали. Это существенно превышает аналогичный показатель на опытных плавках без применения синтикома, равный 48 кВт*ч/т. Сквозной энергетический к.п.д. при этом составляет 57-59%. Дан-ное значение существенно превышает показатели известных вариантов применения других энергоносителей, в том числе и наилучшие из них.

Отметим особо, что приведенная величина значительно превышает сквозной энергетический к.п.д. ЭДП при работе ее на электрической энергии равный всего 20-25%. Суммарная энергоемкость работы ЭДП с использованием брикетов синтикома не превышает 1490 кВт*ч/т стали. Удельные выбросы СО2 при этом составляют менее 400 кг/т металла.

Показатели, характеризующие новую технологию подтверждают, что по технологической, энергетической, экологической и экологической эффективности новый способ превосходит существующие технологии выплавки стали. Можно ожидать, что принцип максимального использования углерода в ЭДП получит широкое применение в электроплавке.

Список литературы

1. Инновационное развитие электросталеплавильного производства. Шалимов А.Г., Семин А.Е., Галкин М.П, Косарев К.А., Монография. М.: Металлургиздат, 2014. 308 с. Ил.

2. Патент РФ № 2539890 «Способ выплавки стали в электродуговой печи и электродуговая печь» Опубликовано 27.01.2015г. Бюл.№3.

3. Шахпазов Е.Х., Дорофеев Г.А., Новые синтетические композиционные материалы и технология выплавки стали с их использованием. - М.: Интерконтакт Наука, 2008. 272 с.

4. Дорофеев Г.А.. Афонин С.З., Шевелев Л.Н. Энерготехнологические особенности использования синтикома при выплавке стали в электродуговых печах. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013.112 с.

Размещено на Allbest.ru