Пономарева Н.И. Научно-исследовательская работа

ДонНТУ| Портал магистров ДонНТУ

Пономарева Наталья Ильинична

Тема выпускной работы: Производство и применение железофлюсов для повышения эколого-экономических показателей кислородно-конвертерного производства стали

Электронная библиотека

Пономарева Н.И. Научно-исследовательская работа

на тему:

РЕСУРСОСБЕРЕЖЕНИЕ В КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТЕРНОЙ ПЛАВКЕ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ЖЕЛЕЗОФЛЮСА

1 ПРИМЕНЕНИЕ ДОЛОМИТИЗИРОВАННОЙ ИЗВЕСТИ В КОНВЕРТЕРАХ

На Мариупольском заводе «Азовсталь» разработана, исследована и внедрена технология использования доломитизированной извести при выплавке стали в конвертере. Средний химический состав ее: 68,5 % СаО; 22,4 % MgO. При изменении количества доломитизированной извести в общем расходе извести на плавку до 80 % содержание магнезии в конечных шлаках колебалось от 1,5 до 10,0 %. Влияние концентрации магнезии в шлаке на удаление серы оценивали по отношению содержания серы в конечном шлаке к содержанию ее в металле, т.е. по коэффициенту распределения серы. С увеличением основности шлака он возрастает, однако абсолютная его величина зависит от концентрации магнезии в шлаке. Наиболее высокий коэффициент распределения серы достигается при содержании магнезии в шлаке 3,1-5,0 % при основности 2,2-4,4. Полученная зависимость объясняется тем, что при концентрации магнезии в шлаке 3,1-5,0 % вязкость его минимальна. При дальнейшем увеличении содержания магнезии в шлаке коэффициент распределения серы несколько снижается, однако это снижение незначительно влияет на содержание серы в готовом металле. При основности шлака 3,01-3,50 при использовании обычной извести готовая сталь содержит 0,020; 0,010; 0,005 % серы, то при содержании магнезии в шлаке до 9,0 % содержание серы в готовой стали повысится соответственно до 0,022; 0,011 и 0,0056 %.

Установлено также, что с повышением содержания магнезии в конечном шлаке с 2,5 до 9,5 % при одинаковом расходе извести содержание фосфора на первой повалке увеличивается в среднем с 0,007 до 0,0092 %, однако содержание его в готовой стали осталось на прежнем уровне. Степень усвоения извести определяется по балансу ее прихода и расхода на процесс. При этом учитывается, что 1,5 % извести выносится с отходящими газами. Количество извести, переходящее в шлак за плавку, определяется по количеству СаО и MgO в шлаке за вычетом СаО и MgO, поступивших из миксерного шлака и футеровки.

В результате, определили, что зависимость степени усвоения извести от содержания магнезии в шлаке носит экстремальный характер с максимумом, который достигается при содержании магнезии 3-4 %. При повышении содержания ее до 8-9 % степень усвоения извести не отличается от степени усвоения при использовании обычной извести и составляет около 75 %. Следовательно, замена обычной извести доломитизированной не приводит к необходимости увеличения ее расхода.

При одинаковом содержании углерода на первой повалке с увеличением концентрации магнезии в шлаке с 2 до 9 % содержание закиси железа в нем снижается на 10-15 %. Связано это с изменением равновесных условий в шлаковой системе, способствующих улучшению условий службы футеровки.

Существенное влияние на технологические показатели плавки оказывает ре-жим присадки в конвертер доломитизированной извести. В завалку расход извести ограничивают из-за возможности ее «комкования» и в связи с этим снижение ско-рости растворения. Ухудшаются также тепловые условия в начале процесса. Оптимальный расход извести в завалку 15 т при этом достигаются наиболее высокие основность шлака, коэффициент распределения серы и степень усвоения извести.

2 ТЕХНОЛОГИЯ ПРОИЗВОДСТВА И ПРИМЕНЕНИЯ КОНВЕРТЕРНОГО ФЛЮСА

Для ускорения шлакообразования предлагаются различные способы: улучшение качества извести (увеличение ее реакционной способности, предварительное измельчение, применение доломитизированной извести), заливка в конвертер готовых жидких шлаков, использование шлаков предыдущей плавки, применение специальных плавней и флюсов (плавикового шпата, колеманита), изготовление и применение искусственных флюсов (агломерата, окатышей, брикетов, специальных сортов извести), вдувание пылевидной извести. Разнообразие предлагаемых решений объясняется трудностью придания основному шлакообразующему материалу (флюсу) свойств, которые диктуются особенностями современного кислородно-конвертерного процесса.

К составу и структуре конвертерного флюса и к технологии его изготовления предъявляются следующие требования:

а) низкая температура плавления (не выше температуры ванны);

б) высокая флюсующая способность (не менее 70 % СаО);

в) низкая охлаждающая способность (в связи с дефицитом тепла при повышенном потреблении скрапа);

г) нейтрализация экранирующего влияния пленки двухкальциевого силиката, образующейся при взаимодействии СаО с кислым шлаком;

д) прочность и устойчивость при транспортировании и хранении, а также возможность точной дозировки и присадки по ходу продувки;

е) невысокие капитальные и эксплуатационные затраты.

Судя по этим требованиям, исходным материалом для изготовления флюса должна быть свежеобоженная известь. Однако свободная окись кальция ассимилируется шлаком путем растворения (а не плавления) с образованием на кусках тугоплавкой пленки двухкальциевого силиката, препятствующей дальнейшей ассимиляции извести. Добавка к извести окислов железа и марганца позволит связать окись кальция в легкоплавкие соединения и получить в качестве продукта первичного акта ее ассимиляции кислым шлаком легкоплавкие соединения СаО, FeO (а не тугоплавкий двухкальциевый силикат).

Поставленная цель будет достигнута лишь в том случае, если добавки будут химически связаны с окисью кальция. Однако, учитывая характер изменения химического состава шлака и механизма ассимиляции извести по ходу продувки, нецелесообразно связывать окись кальция в химические соединения с оксидами железа и марганца во всем объеме куска. В шлаке основностью более 2 известь растворяется без образования тугоплавких пленок, поэтому строение флюса может быть двухзонным. При таком строении флюса значительно уменьшится общее содержание в нем окислов железа и марганца, благодаря чему охлаждающий эффект флюса будет небольшим.

Разработанная технология получения флюса представляет собой дополнение к процессу обжига извести во вращающейся известеобжигательной печи. Главной ее особенностью является нанесение на поверхность извести (на заключительном этапе обжига) пылевидных флюсующих добавок (железорудного и марганцевого концентратов, колошниковой пыли). Как известно, свежеобоженная нагретая известь быстро впитывает капли окислительного шлака. Частицы концентрата за время полета нагреваются и попадают на известь в состоянии предплавления. Благодаря миграции расплавившихся капель внутрь кусков извести, процесс протекает без присутствия жидкой фазы.

Для подачи флюсующих добавок использовали пневмокамерный насос производительностью 2-3 т/ч (по железорудному концентрату). В качестве газа-носителя применяли компрессорный воздух под абсолютным давлением 3 ат. При этом массовая концентрация двухфазного потока, вдуваемого в печь, составляет 8-9 кг/кг воздуха. Поток поступал в печь по трубке диаметром 40 мм, наклон которой по отношению к слою извести изменяли от 0 до 15 градусов. При угле наклона 15 градусов взаимодействие частиц концентрата с известью в основном локализуется; наоборот, при подаче добавок параллельно поверхности обжигаемого слоя они «размазываются» вдоль печи, что приводит к нестабильным результатам по составу флюса, а также уменьшает степень использования добавок. При отработке технологии в качестве добавок применяли железорудный концентрат, колошниковую пыль и марганцевый концентрат. Наиболее устойчивые результаты получены в первом случае. Для марганцевого концентрата, как более тугоплавкого материала, требуется повышение температуры факела. В процессе одной операции получали от 6 до 40 т флюса. Основные параметры тепловой работы известеобжигательной печи в процессе получения флюса были такими же, как и при обжиге извести. Однако температура отходящих газов понижалась (с 860-900^оC до 760-860^оC) в результате увеличения теплоотдачи к извести после образования на ней оболочки флюса. Температура флюса по выходе его из печи также была ниже по сравнению с температурой извести.

По внешнему виду флюс представляет собой куски извести, покрытые ферритной оболочкой, толщиной до 10 мм. Содержание окислов железа по сечению флюса уменьшается от периферии (4-14 %) к центру (до 0,4-0,6 %, как в обычной извести). Среднее содержание окиси кальция во флюсе несколько выше, чем в извести, что объясняется более высокой степенью обжига известняка. Присутствие на извести железистой оболочки с более высокой степенью черноты, улучшая теплообмен с факелом, способствует повышению степени обжига (потери при прокаливании флюса составляют 2-4 %). Петрографический анализ образцов флюса по сечению обнаруживает зональное строение. Наружная зона I (силикатная) представлена силикатной составляющей, между зернами которой расположена вмещающая ферритная фаза. Зона II (ферритная) представлена двухкальциевым ферритом с «островками» остаточной извести. Иногда наружная зона является несплошной и тогда ферритная зона выходит наружу. Зона III (разрыхления) характеризуется слабо развитой ферритизацией. Зона IV представляет собой кристаллы чистой окиси кальция. Присутствие ферритов «разрыхляет» структуру извести и препятствует образованию сплошной пленки двухкальциевого силиката.

Покрытие, образующееся на извести, улучшает условия транспортирования и хранения флюса. Истираемость флюса получилась примерно вдвое меньшей, чем чистой извести.

Исследовали также способность извести и флюса поглощать влагу из воздуха, что важно при транспортировании. Известь интенсивно поглощает влагу сразу же после выхода из печи: по истечении первых суток известь вбирает 6-8 % влаги. Через 8 суток процесс гидратации завершается: к этому времени практически вся известь переходит в гидрат. Количество влаги, поглощенной флюсом за первые сутки, не превышает 2 %. Затем оно медленно увеличивается: после 5 суток флюс содержит 5-12 % влаги (известь к этому времени насыщена до 28-30 %). Полная гидратация флюса наступает после 14-15 суток. Эффективность применения флюса оценивали по изменению содержания в шлаке неусвоенной окиси кальция, по скорости и полноте десульфурации и дефосфорации металла, а также по скорости роста основности шлака. На плавках с флюсом в большинстве проб шлака содержалось не более 1,5 % неусвоенной извести, тогда как на сравнительных – около 3-6 %. Динамика роста основности шлака на плавках с флюсом практически не зависит от интенсивности продувки, что свидетельствует о несущественном влиянии гидродинамики на скорость ассимиляции флюса. При низкой основности шлака (до 2) коэффициент распределения серы ((S)/[S]) составляет для плавок с флюсом 2,5-4,2 и для плавок с известью 2,0-2,6.

Одним из основных показателей скорости шлакообразования по ходу продувки является дефосфорация. Увеличение интенсивности продувки приводит к ее замедлению. При содержании 2,0 % С в ванне содержалось 0,020 % Р; начиная с 1,2 % С содержание фосфора опускалось до 0,007 %. Опускание фурмы на ванной, как и увеличение интенсивности продувки, замедляют дефосфорацию.

С большой достоверностью установлено увеличение выхода годного (на 2,05 %). Это связано с уменьшением содержания общего железа в шлаке (на 3,31 %) и с более спокойным ходом продувки (отсутствием выносов и выбросов шлака). Уменьшение удельного расхода извести обеспечивается более высоким абсолютным содержанием окиси во флюсе (на 4-6 %) и более полной его ассимиляцией. Относительно невысокая степень десульфурации на плавках обеих групп объясняется низким содержанием серы в чугуне (0,030-0,035 %).

3 ПЕРСПЕКТИВЫ ВНЕДРЕНИЯ БЕЗОТХОДНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ПРИ ДОБЫЧЕ И ПЕРЕРАБОТКЕ ФЛЮСОВОГО ИЗВЕСТНЯКА

Постоянно растущая добыча железных руд подземным способом системами с твердеющей закладкой требует поиска рациональных компонентов твердеющих закладочных смесей. Их выбор предопределяет выбор данной технологии. Полнота извлечения полезного ископаемого при разработке месторождений системой с твердеющей закладкой зачастую окупает затраты на нее, хотя и достигают 50 % от себестоимости добычи.

Данное исследование посвящено поиску более дешевых и менее дефицитных закладочных смесей на основе комплексного использования минерального сырья. Дробильно-обогатительные фабрики изготовляют флюсовые известняки для доменного, сталеплавильного и ферросплавного производства, щебень из природного камня для строительных работ, бутовый и известняковый камень (известняк) для сахарной промышленности и др.

Оценочными компонентами флюсовых известняков являются оксид кальция и нерастворимый остаток. По отраслевым стандартам этих компонентов должно быть более 51,5 и менее 4% соответственно, а фракционный состав флюсового известняка – 3-25, 3-40, 20-50 и 40-80 мм. Установлено, что содержание нерастворимого остатка с увеличением размера фракции уменьшается до 1,7 %, а оксида кальция увеличивается до 54 %. Во время дробления и обогащения на дробильно-обогатительных фабриках сырого известняка получается около 500 тыс. т отходов, фракционный состав которых 0-6 мм с незначительным содержанием зерен более 6 мм – до 10 % по массе.

Химический состав известняка фракции 0-6 мм, получаемого в процессе переработки сырого известняка в товарную продукцию, такой, %: FeO – 0.54, CaO – 43.61, MgO- 0.6, нерастворенный остаток – 22,1.

До настоящего времени отходы не применялись и вывозились автотранспортом в отвалы. Неоднократно ставился вопрос о комплексном использовании эксплуатируемых ме-сторождений, внедрении безотходной технологии. Для решения этой проблемы возможны два направления: создание такой технологии, при которой фракция 0-6 мм либо будет отсутствовать, либо соответствовать отраслевым требованиям существующих потребителей; поиск путей утилизации данного материала. Рассмотрена возможность использовать известняк фракции 0-6 мм в составе твердеющей закладки как наполнитель.

При переходе на шлакоизвестняковую закладочную смесь существенно улучшится качество добываемой рудной массы из-за резкого снижения содержания оксида кремния, попадающего в руду в процессе взрывной отбойки вторичных камер, за счет разубоживания шлако-песчано-цементной закладкой, применяемой в настоящее время.

Применение отходов добычи и переработки флюсовых известняков в качестве наполнителя твердеющей закладки позволяет внедрить безотходную технологию разработки месторождения флюсовых известняков; исключить мокрую схему обогащения известняка из технологических процессов разработки месторождения; увеличить прибыль за счет реализации известняка фракции 0-6 мм и выход готовой продукции до 98 %; улучшить экологическую обстановку в промышленном регионе.

4 ПЕЧИ ДЛЯ ОБЖИГА КОНВЕРТЕРНОЙ ИЗВЕСТИ

В нынешних условиях развития кислородно-конвертерного способа выплавки стали повышаются требования и к качеству извести как флюсу. Известь должна иметь высокое содержание окиси кальция, минимальное содержание серы и кремнезема, быть равномерно обожженной и характеризоваться определенным гранулометрическим составом. Способ обжига во многом определяет уровень затрат на производство извести.

В настоящее время для производства конвертерной извести широко используются вращающиеся печи, которые обеспечивают стабильность свойств извести и высокую степень обжига мелких фракций известняка. Однако эти печи имеют не-достатки: значительную металлоемкость оборудования, высокие капитальные затраты и большие расходы по эксплуатации. Поэтому в последнее время ведутся ра-боты по определению оптимальной длины печи и применению кислорода при сжатии топлива. Наиболее удачный вариант работы вращающейся печи получен с применением шахтных подогревателей, где температура уходящих продуктов горения снижается до 300-350^оC.

Совершенствуется также и традиционный способ получения извести - шахтный. Но на таких агрегатах получить известь с фракционным составом 20-40 мм очень трудно.

Печи не отвечают современным требованиям к расходу топливно-энергетических ресурсов, техническому уровню и состоянию оборудования и технологии, степени автоматизации, количеству выбросов и другим показателям. В этой связи разработана и осуществляется комплексная программа реконструкции вращающихся и шахтных печей. На первом этапе были выполнены мероприятия по уменьшению выбросов известковой пыли в атмосферу. На всех печах установлены новые, более эффективные электрофильтры и решены вопросы улавливания, и утилизации известковой пыли. Затем требуется реконструкция котлов-утилизаторов на вращающихся печах, что позволит повысить их тепловой КПД и увеличить выработку пара для технологических нужд и отопления помещений. Реконструкцией вращающихся печей предусмотрена также замена корпусов, которые после длительной эксплуатации деформировались. С целью увеличения срока эксплуатации вводится постоянная выверка печи и роликов с помощью оптических и лазерных приборов.

Главным элементом реконструкции является, однако, тепловое совершенствование конструкции вращающихся печей. Задача состоит в том, чтобы снизить расход топлива, который для исходных условий составляет более 300 кг/т (усл.) извести. Высокий удельный расход топлива обусловлен несовершенством конструкции охладителей извести и отсутствием подогревателей известняка. В качестве охладителей извести, в основном, используются малоэффективные колосниковые холодильники, требующие больших затрат на ремонт и обслуживание. Отсутствие на печах подогревателей известняка приводит к тому, что продукты горения топлива и диссоциации карбонатов покидают печь при температуре 850-900^оC. При наличии же подогревателя физическое тепло печных газов могло быть израсходовано на подогрев сырья вплоть до температуры диссоциации и частичной диссоциации, как это делается на современных вращающихся печах. Холодный известняк, попадая в загрузочный конец печи, вызывает интенсивное разрушение футеровки. Таким образом, установка подогревателей на вращающихся печах является высокоэффективным мероприятием.

Разработали конструкцию подогревателя, применительно к условиям строительных сооружений цеха. Задача усложнялась отсутствием достаточной высоты и площадей для размещения полномасштабного подогревателя, способного утилизировать весь объем отходящих газов. Было принято решение установить подогреватель под одним из бункеров известняка с частичным использованием его объема. Из пылевой камеры печные газы с помощью дымососа, установленного за подогревателем, подаются по футерованному газоходу через бункер в газораспределительную камеру подогревателя, установленную по его оси. Объем пропускаемых газов и температура их на выходе из подогревателя (200-250^оC) регулируются направляющим аппаратом дымососа. Из газораспределительной камеры, выполненной в нижней части с расширением из жаропрочного материала, газы распределяются в слой материала через его откосы. В теплообменную зону известняк из бункера поступает через кольцевую запорную течку, охватывающую газораспределительную камеру. Материал нагревается в противотоке с газами. Строгая симметрия профиля теплообменного слоя обеспечивает равномерность тепловой обработки материала в подогревателе. Для повышения эффективности использования объема теплообменной зоны в боковых стенках подогревателя на уровне основания камеры установлены толкатели возвратно-поступательного перемешивания, обеспечивающее увеличение скорости схода материала вдоль боковых стенок, что препятствует настылеобразованию.

Разгрузка известняка из подогревателя обеспечивается качающимся питателем с регулируемой скоростью перемешивания. Из-за сравнительно высокой температуры нагретого известняка для повышения надежности работы питателя предусмотрено скольжение движущей платформы питателя по специальной теплоизолированной плите (качающие ролики отсутствуют). Расстояние передачи материала из подогревателя в загрузочную течку печи составляет 2,5 м. Конструкция питателя предварительно отрабатывалась на полномасштабной модели. Технические показатели подогревателя следующие: производительность 25-30 т/ч, температура газов на входе 750-800⁰C, на выходе 200-250^оC, температура нагрева известняка 300-400^оC, гидравлическое сопротивление 1,5 кПа, тип дымососа ДН-12,5.

Данная конструкция подогревателя от применяемых в промышленности отличается малыми габаритами, простотой, высокой степенью использования объема для теплообмена и равномерностью тепловой обработки. Успешное освоение конструкции позволит с минимальными затратами произвести реконструкцию множества эксплуатируемых в отрасли печей, не оснащенных подогревателями сырья, и существенно улучшит их технико-экономические показатели.

На зарубежных заводах эксплуатируются печи с двухоткосными шахтами и выносными камерами сжигания топлива, прямоточно-противоточные регенеративные, кольцевые вертикальные шахтные и другие.

ДонНТУ | Портал магистров ДонНТУ