Повышение эффективности десульфурации чугуна: На примере Магнитогорского металлургического комбината Шаповалов Алексей Николаевич

Повышение эффективности десульфурации чугуна : На примере Магнитогорского металлургического комбината Шаповалов Алексей Николаевич

Шаповалов Алексей Николаевич. Повышение эффективности десульфурации чугуна : На примере Магнитогорского металлургического комбината : диссертация . кандидата технических наук : 05.16.02.- Магнитогорск, 2001.- 137 с.: ил. РГБ ОД, 61 02-5/1305-X

Глава 1. Состояние вопроса. Постановка цели и задач исследования 6

1.1. Десульфурация чугуна в доменной печи 6

1.1.1. Поведение серы в процессе доменной плавки 6

1.1.2. Десульфурация чугуна в горне доменной печи 12

1.1.3. Фактическое распределение серы в доменной печи 18

1.1.4. Особенности десульфурации и возможности выплавки малосернистого чугуна на доменных печах ОАО «ММК» 27

1.2. Внедоменная десульфурация чугуна 30

1.2.1. Физико-химические процессы, протекающие при десульфурации чугуна 31

1.2.2. Сравнение различных способов десульфурации чугуна 32

1.3. Цель и задачи работы 34

Глава 2. Анализ колеблемости показателей процесса обессеривания на доменных печах ОАО «ММК» 36

Глава. 3 Влияния числа и параметров воздушных фурм на результаты десульфурации чугуна в горне доменной печи 55

Глава 4. Разработка методики расчета рационального содержания серы в чугуне на выпуске перед внедоменным обессериванием 68

4.1. Постановка задачи 68

4.2. Математическое описание расчета рационального уровня десульфурации чугуна в доменной печи и вне ее 74

4.3. Результаты расчета рационального уровня десульфурации чугуна в доменной печи и их анализ 104

Общие выводы 117

Библиографический список 1

• Десульфурация чугуна в горне доменной печи
• Особенности десульфурации и возможности выплавки малосернистого чугуна на доменных печах ОАО «ММК»
• Влияния числа и параметров воздушных фурм на результаты десульфурации чугуна в горне доменной печи
• Математическое описание расчета рационального уровня десульфурации чугуна в доменной печи и вне ее

Десульфурация чугуна в горне доменной печи

В дополнение к реакциям (1.2), (1.3), (1.4) следует указать на возможность перехода серы из металла в шлак совместно с марганцем, и на участие в реакции распределения серы (1.3) MgO и МпО, а также на восстановление закиси железа не только углеродом, но и металлотермически -кремнием и марганцем чугуна, а также восстановительными газами СО и Н2.

Согласно термодинамике, для успешного протекания десульфурации чугуна по реакции (1.5) требуется высокая основность шлака и восстановительная среда, обеспечивающая быстрое восстановление Fe из FeO. Следовательно, для обессеривания наиболее пригодны основные восстановительные процессы. Температура двойственно влияет на равновесное распределение серы. С одной стороны, суммарная реакция десульфурации (1.5) имеет небольшой отрицательный тепловой эффект, а с другой — активность компонентов шлака является сложной функцией температуры [20, 60].

Из анализа приведенных фактов следует, что в доменной печи созданы самые благоприятные термодинамические условия для десульфурации: восстановительная атмосфера по всей высоте печи кроме фурменных очагов; горн, заполненный коксом; высокие температуры продуктов плавки; возможность получения шлака требуемой основности от 0,9 до 1,35 ед. по отношению (CaO)/(Si02), а также активизации его, путем вдувания в горн СаО через воздушные фурмы. Существенным препятствием для десульфурации является развитие вторичного окисления элементов чугуна в фурменных очагах, в результате которого шлак обогащается оксидами железа. Однако ниже горизонта фурм создаются хорошие условия для восстановления железа из его оксидов и, кроме того, существуют способы уменьшения развития этого процесса.

Кинетика десульфурации чугуна в горне. На практике равновесие в распределении серы не достигается, а степень приближения реакций к нему определяется кинетикой взаимодействия.

Куликов И.С. [20], проанализировав процесс десульфурации чугуна в доменных печах, установил, что на первых двух стадиях процесса лимитирующим звеном будет распределение серы в шлаке. При этом шлак будет обогащаться оксидами железа и марганца. Восстановление оксидов железа и марганца из шлака также связано с диффузией в шлаковой фазе. Так как абсолютные концентрации оксидов железа и марганца в шлаке, равновесные с углеродом и газовой фазой, составляют всего лишь сотые доли процента [20], а оксиды железа и марганца непрерывно поступают в шлак во второй стадии процесса десульфурации, то третья стадия — восстановление оксидов железа и марганца из шлака — является наиболее медленной и, следовательно, лимитирует весь процесс в целом. Это подчеркивает актуальность уменьшения развития процессов вторичного окисления элементов чугуна (прежде всего железа) в фурменных очагах.

Результат обессеривания металла будет определяться длительностью взаимодействия и контактной поверхностью расплавов, а также температурой, влияющей на вязкость шлака. Если процесс десульфурации определяется второй стадией, то его скорость будет также зависеть от обессеривающей способности шлака [61], а если — третьей, то также от концентрации углерода и кремния в чугуне и от парциального давления СО в газовой фазе [20].

Таким образом, с точки зрения кинетики, учитывая, что реакция идет на поверхности раздела «металл-шлак», требуется низкая вязкость шлака, поскольку диффузия реагентов и продуктов реакций в нем лимитирует весь процесс. Это требование может быть выполнено, либо путем изменения состава шлака, либо за счет поддержания высокой температуры в горне доменной печи. Известно, что жидкие продукты плавки в горне имеют температуру порядка 1500 С, при которой наблюдаются достаточно высокие скорости диффузии компонентов реакций десульфурации. Помимо этого, как было отмечено ранее, в доменной печи есть возможность изменять состав шлака в широких пределах, что дает возможность работать на «устойчивых» шлаках с низкой вязкостью и достаточной обессеривающей способностью.

Что касается длительности эффективного взаимодействия металла со шлаком и степени их перемешанности, то в доменной печи созданы наиболее благоприятные условия. По данным Федулова Ю.В.[62] в фурменных очагах происходит дробление стекающего через него металла: при высокой интенсивности плавки количество частиц размером менее 0,25 мм составляет до 90%. Диспергированный до частиц с такими размерами металл имеет огромную контактную поверхность и, следовательно, высокую интенсивность физико-химических взаимодействий. Конечно, только 40 % металла проходит через фурменные очаги и возможно объединение мелких частиц чугуна в более крупные образования. В этой связи целесообразно сравнить поверхности раздела «чугун — шлак» в горне с поверхностью капель и струек, стекающих через слой шлака. Для условий работы печи полезным объемом 2000 м суммарная поверхность капель чугуна размером 10 мм больше площади раздела «чугун — шлак» в 45 — 50 раз; для капель размером 5 мм — в 90 — 100 раз. Эти факты показывают, что в доменной печи созданы отличные условия для перевода серы из металла в шлак.

Особенности десульфурации и возможности выплавки малосернистого чугуна на доменных печах ОАО «ММК»

Улучшение качества металлургической продукции дает возможность получать экономию денежных средств и металла, а также повысить надежность и долговечность работы различных механизмов и машин. Поэтому требования к уровню и стабильности свойств стали постоянно растут [7 — 9]. Это обусловливает более жесткий подход к чистоте металла, особенно по содержанию в нем серы. Сера является одним из наиболее нежелательных элементов в чугуне, существенно влияющих не только на качество стали, но и на экономичность сталеплавильного процесса. Расчеты [188], основанные на предположении, что распределение серы между металлом и шлаком приближается к равновесному, показывают, что снижение концентрации серы в стали при сталеплавильном переделе на каждые 0,001 % приводит к потерям примерно 0,17 % металла от массы металлошихты и увеличению расхода извести на 0,2 %. Повышение содержания серы в чугуне приводит к ухудшению практически всех показателей кислородно-конвертерного процесса [156, 189], чему способствует стремление получить в готовой стали содержание серы, по крайней мере, на уровне 0,020 %, что особенно важно для непрерывной разливки, поскольку допустимое содержание серы в стали при ее разливке на МНЛЗ — 0,015 — 0,020 %. Так, с повышением содержания серы в чугуне на 0,01 % себестоимость т конвертерной стали увеличивается на 0,8 -2,0 % [5]. В этой связи большое значение приобретает борьба с серой на каждом этапе получения металла: от подготовки сырья к доменной плавке до сталеплавильного передела. Удаление серы непосредственно в сталеплавильных агрегатах -трудоемкий и дорогостоящий процесс, требующий больших затрат времени, энергии и различных материалов. Особое значение приобретает качество чугуна для конвертерного передела, где возможности по удалению серы ограничены [15]. Также низка эффективность внеагрегатной десульфурации стали (по сравнению с чугуном) в связи с низкой концентрацией в ней элементов, повышающих активность серы в металле. Таким образом, основная работа по удалению серы из металла должна осуществляться в доменной печи и при обработке чугуна после нее.

В доменных печах можно получать чугун различного химического состава, в том числе и по сере, но его регулирование в процессе доменной плавки неизбежно вызывает изменения в экономике производства. Некоторые исследователи [190] считают экономически и технологически выгодным вынести процесс десульфурации металла из доменной печи. Этим они дают возможность работать ей при пониженной основности шлака на чугун с низким содержанием кремния, что дает, до определенного предела, и технологические, и экономические преимущества. Однако при этом приходится весь чугун подвергать внедоменной обработке [153]. Такое положение предопределяет существование, в конкретных условиях плавки, рационального уровня десульфурации чугуна в доменной печи, при котором суммарные затраты на доменную плавку и внедоменную обработку минимальны. Решение этой задачи является актуальной для всех металлургических предприятий, имеющих доменные печи и агрегаты для внедоменной обработки чугуна. К таким предприятиям, в частности, относится ОАО «ММК». В этой связи основной целью настоящей работы было определение рационального, с экономической точки зрения, сочетания десульфурации чугуна в доменной печи и при внеагрегатной обработке.

Известно, что для выплавки низко- и особонизкосернистых сталей нужно обеспечить конвертеры чугуном с содержанием серы не более 0,010 70 0,015 % и 0,002 — 0,003 %, соответственно. Так, для выплавки качественной стали типа 09Г2ФБ для газопроводных труб большого диаметра в северном исполнении необходимо обеспечить конвертерный цех низкосернистым чугуном с содержанием серы не более 0,005 % [191 — 193]. Поэтому в настоящей работе все расчеты проводились при следующих конечных содержаниях серы в чугуне после внедоменной обработки: 0,002; 0,005; 0,010; 0,015 %.

На ТЭП работы доменной печи и качественные показатели продукции решающим образом влияют качество входного сырья и уровень технологии, который включает в себя совершенство существующего технологического процесса, уровень технической оснащенности производства и организационно-исполнительский фактор. В условиях работы одного агрегата все эти факторы, за исключением некоторых показателей качества сырья (СаО, Si02, Fe, S и др.) и параметров работы доменной печи, практически не изменяются. Поэтому, все действия в настоящей работе проводили относительно конкретных агрегатов: доменной печи №4 (Vn=1370 м3) и №9 (Vn=2014 м3) ОАО «ММК». При изменении состава шихты или соотношения шихтовых материалов количество влияющих на результаты десульфурации факторов резко увеличивается. Это осложняет расчеты и снижает их эффективность. Поэтому в основу расчетов были приняты условия и усредненные показатели работы доменных печей №4 и 9 ОАО «ММК» за период с октября 1996 по сентябрь 1998 года. Этот период характеризуется стабильной работой данных агрегатов на относительно постоянной шихте с высокой удельной производительностью (2,0 — 2,3 т/м в сутки) при среднем содержании серы в чугуне — 0,0195 % для ДП №4 и 0,0198% для ДП №9. Детальнее сведения представлены в табл. 4.1.

Влияния числа и параметров воздушных фурм на результаты десульфурации чугуна в горне доменной печи

Корректировка состава чугуна по содержанию в нем серы (наведением шлака требуемой основности) вынуждает менять технологический режим плавки, что ведет к изменению технико-экономических показателей доменной плавки. Для учета этого воздействия в расчете изменения себестоимости чугуна в доменной печи необходимо иметь количественную зависимость какого-либо показателя обессеривания с удельным расходом кокса (производительностью). Известно множество показателей десульфурации ([S], Ls, Cs, Е) [40, 41, 88, 197]. Для оценки эффективности десульфурации в доменной печи наиболее часто применяется фактический коэффициент распределения серы между чугуном и шлаком (Ls). Установлено, что сера в чугуне и шлаке, от концентрации которой в продуктах плавки зависит показатель Ls, ведет себя относительно самостоятельно [101] из-за колебаний в циркуляции, прихода серы в доменную печь и др. Поэтому использование Ls по разовым анализам и небольшим периодам усреднения (как в нашем случае) нежелательно. В этой связи в качестве показателя обессеривания нами была выбрана степень ошлакования серы в доменной плавке (г). Этот показатель зависит не только от коэффициента распределения серы (Ls), но и от поступления серы в доменную печь, выхода шлака: где г] — степень ошлакования серы, %; SmJi — количество серы, переходящей в шлак, кг/т; S0CT — количество серы, остающейся в доменной печи и распределяющейся между чугуном и шлаком, кг/т; выход шлака, т/т; и успешно применялся нами ранее при изучении особенностей процесса десульфурации чугуна на доменных печах ОАО «ММК» [199].

Для выявления количественной взаимосвязи между результатами десульфурации и удельным расходом кокса (производительностью), методом множественной регрессии, по данным о работе рассматриваемых агрегатов за анализируемый период (см. табл. 4.4), были получены частные уравнения регрессии между расходом кокса и степенью ошлакования серы в доменной плавке. Кроме степени ошлакования было учтено влияние следующих основных условий доменной плавки: параметров дутья, основности шлака, содержания [Si] и некоторых составляющих шлака. Результаты регрессионного анализа представлены в табл. 4.8. Оценка достоверности полученных данных проведена по критериям Фишера и Стьюдента, аналогично зависимости коэффициента распределения серы от основности шлака. Графическое представление полученных результатов для зимнего периода работы доменной печи № 4 приведено на рис. 4.9. Для иллюстрации отмеченной нами ранее сезонности в поведении ТЭП и результатов десульфурации на рис. 4.10 приведены регрессионные кривые, относящиеся к летнему и зимнему периодам работы ДП №4.

Полученные данные позволяют сделать следующие выводы: — для более полного перевода серы в шлак и лучшего использования его обессеривающей способности необходимо повышать тепловое состояние горна, путем увеличения расхода кокса или другими известными способами. При этом в зимние периоды показатели десульфурации практически при всех уровнях расхода кокса хуже, чем в летние. — степень влияния повышения расхода кокса на результаты десульфурации с ростом Куд — падает, что объясняется приближением системы «чугун -шлак» к равновесию по сере и увеличением поступления серы в доменную печь. Установлено, что повышение расхода кокса сверх 420 — 440 кг/т чугуна для доменной печи №9 и 440 — 460 кг/т для печи №4 не ведет к заметным результатам и может привести даже к ухудшению результатов десульфурации. Это говорит о том, что потенциал мероприятий, связанных с повышением теплового состояния горна ограничен и имеется оптимальный уровень нагрева доменной печи (по [Si] = 0,6 — 0,7 %), обеспечивающий устойчивую работу ее при благоприятных условиях для десульфурации.

Кроме расхода кокса результаты десульфурации чугуна в доменной печи взаимосвязаны с производительностью ее. Многими исследователями отмечен факт согласованного изменения производительности и удельного расхода кокса [18, 19]. С целью установления связи между этими параметрами нами была рассмотрена динамика изменения технико-экономических показателей доменной плавки на печах №4 и 9 за период с 10.1996 по 09.1998 годы. Для иллюстрации данной взаимосвязи на рис. 4.11 приведены данные об удельном расходе кокса и производительности на доменной печи №4 за январь-февраль 1998 года.

Из анализа поведения данных об удельном расходе кокса и производительности (см. рис. 4.11 и табл. 4.9) следует, что рассматриваемые параметры доменной плавки изменяются согласованно как на доменной печи №4 так и на печи №9. Причем, изменение производительности проявляется на обеих печах в большей степени, чем изменение расхода кокса. В свою очередь, в зимний период это различие более заметно, чем в летний (см. табл. 4.9).

Полученные в результате регрессионного анализа зависимости легли в основу программы расчета себестоимости производства чугуна в доменной печи.

Расчет себестоимости чугуна в «плановом» периоде вели для зимнего и летнего промежутков времени. В основу расчета легли усредненные данные о работе рассматриваемых доменных печей в «базовом» периоде (10.1996-09.1998 гг.) (см. табл. 4.4). Таким образом, расчет изменения себестоимости чугуна вели относительно базового периода на заданное содержание серы в чугуне на выпуске в плановом периоде. Схема расчета показателей работы доменной печи с заданным содержанием серы в чугуне приведена на рис. 4.12.

Математическое описание расчета рационального уровня десульфурации чугуна в доменной печи и вне ее

В настоящей работе все расчеты проведены в ценах сентября 1997 года с учетом деноминации. Однако это не снижает актуальности ее основного содержания — расчетов по выявлению количественных отклонений показателей производительности металлургических агрегатов и расходных коэффициентов материалов и топлива, возникающих под влиянием изменения содержания серы в чугуне. Оптимальное содержание серы в чугуне перед его внедоменной обработкой может изменяться в зависимости от условий работы агрегата и соотношения цен на исходные материалы.

Кроме решения задач по прогнозированию изменения показателей работы конкретных доменных печей в зависимости от конечного содержания серы в чугуне на выпуске, разработанная математическая модель десульфурации чугуна в печи позволяет решать обратные задачи, такие, как определение количественного влияния отдельных параметров доменного процесса и химического состава шихтовых материалов на технико-экономические показатели работы доменной печи. В этой связи, например, представляет интерес оценка количественного влияния поступления серы в доменную печь на себестоимость чугуна (в условиях ОАО «ММК»). Для установления такого влияния были проведены расчеты изменения себестоимости получения чугуна на ДП №4 ОАО «ММК» с заданным содержанием серы на выпуске (0,020; 0,025; 0,030 %) относительно базового периода в зависимости от содержания серы в коксе (изменяли от 0,4 до 1,3 %). При этом также были рассчитаны требуемая основность шлака и планируемый расход кокса. Некоторые результаты представлены на рис. Полученные данные (см. рис. 4.20, 4.21) позволяют сделать следующие выводы: — поступление серы в доменную печь, зависящая (по условиям работы доменных печей ОАО «ММК»), в основном, от расхода кокса и его сернистости, оказывает огромное влияние на конечные результаты десульфурации чугуна в доменной печи и ТЭП ее работы. Так, для доменной печи №4 затраты на выплавку чугуна с содержанием серы на выпуске — 0,030 % при повышении содержания серы в коксе с 0,4 до 1,2 % возрастают примерно на 6 % (отн.) в зимний период и на 5 % (отн.) — в летний. Причем, при существующей на доменных печах ОАО «ММК» технологии доменной плавки повышение содержания серы в коксе сверх определенного предела не позволяет выплавить чугун с заданным содержанием серы: — при конечном содержании серы в чугуне ([S]K) 0,020 % предельное содержание серы в коксе в зимний период равно 0,71 %, а в летний -0,8%; — при [S]K =0,030 % предельное содержание серы в коксе в зимний период равно 1,19 %, а в летний — 1,33 %.

Приведенные данные также наглядно демонстрируют влияние на показатели работы доменных печей ОАО «ММК» сезонных факторов. — рост поступления серы в доменную печь с коксом, при необходимости выплавлять чугун с заданным содержанием серы, вынуждает повышать основность шлака и перерасходовать кокс. Однако, поскольку зависимость результатов десульфурации от основности шлака имеет экстремальный характер, то эффект от увеличения основности имеет место только до определенного предела. Рациональные пределы повышения основности шлака, при существующей на доменных печах ОАО «ММК» технологии и сырьевой базе, приведены в табл. 4.7.

Разработанная методика определения рационального уровня десульферации чугуна в доменной печи с учетом последующей внеагрегатной обработки позволяет выяснить влияние поступления серы в печь на экономически выгодный уровень обессеривания металла. Проведенные расчеты для доменной печи №4 ОАО «ММК» относительно базового периода, характерного низким содержанием серы в коксе (0,48 — 0,52 %) и поступлением серы в печь в пределах 3,0 — 3,4 кг/т показали (см. табл. 4.11), что для получения чугуна с конечным содержанием серы после внеагрегатной обработки — 0,005 % с наименьшими затратами на выпуске из доменной печи содержание серы должно составлять в зимний период — 0,0217 %, а в летний период — 0,0191 %. Расчеты при изменении содержания серы в коксе от базового уровня до 1,1 % показали, что при повышении содержания серы в коксе на каждые 0,1 % (аба), соответствующем росту поступления серы в доменную печь примерно на 8 — 10 % относительно базового периода, рациональная степень десульфурации чугуна в доменной печи №4 сдвигается в сторону увеличения содержания серы в металле на 0,0017 % в летнее время и на 0,0021 % в зимнее время, при этом себестоимость чугуна с конечным содержанием серы в 0,005 % повышается примерно на 0,7 — 0,8 % от базовой.

Вывод. Разработана методика расчета себестоимости чугуна в доменной печи и затрат на внедоменное обессеривание в зависимости от конечного содержания серы в чугуне (и других характеристик доменного процесса и шихтовых материалов), а также предложена комплексная методика определения рационального, с экономической точки зрения, уровня десульфурации чугуна в доменной печи с учетом последующей внеагрегатной обработки. Рациональный с экономической точки зрения уровень содержания серы в чугуне на выпуске из печи зависит от параметров и условий работы конкретной доменной печи, конечного заданного содержания серы в чугуне, соотношения цен на исходные материалы и других параметров. По предложенной методике рассчитаны рациональные содержания серы на выпуске для доменных печей №4 и 9 ОАО «ММК» при следующих конечных содержаниях серы в чугуне после внедоменной обработки: 0,002; 0,005; 0,010; 0,015%.