Рафінувальний шлак для десульфурації доменного чавуну

Реферат: Рафінувальний шлак для десульфурації доменного чавуну містить окиси кремнію, алюмінію, магнію й кальцію. Вмісти його компонентів находяться у наступних співвідношеннях (мас. %): SiO2 30-40 Аl2О3 5-10 MgO 4-8 CaO решта, при його основності (CaO/SiO2)=1,3-1,7. UA 94414 U (12) UA 94414 U UA 94414 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 Корисна модель належить до чорної металургії, зокрема, до десульфурації доменного чавуну. У металургійній практиці найбільше поширення отримала обробка залізовуглецевих розплавів синтетичними шлаками, які являють собою багатокомпонентну систему CaO-SiO2Al2O3-MgO-CaF2. Залежно від вмісту кремнезему й глинозему шлаки підрозділяються на вапняно-глиноземисті й вапняно-силікатні. Вапняно-глиноземисті шлаки вдало сполучать у собі високу активність (СаО) і відносну легкоплавкість (температура ліквідусу 1450 °C). Наприклад, відомий шлак складу (у мас. %) 5055 СаО, 37-43 Аl2О3, 10-15 SiO2, 6-7 MgO [1]. Ці шлаки мають високу десульфуруючу і розкислюючу здатність, але виробляються з дефіцитних глиноземистих матеріалів, що обумовлює їхню високу вартість. Шихта вапняно-силікатних шлаків в 4-5 разів дешевше, ніж вапняно-глиноземистих, а ефективність їхнього застосування порівнянна з ефективністю вапняно-глиноземистих. Відомий, наприклад, вапняно-глиноземистий шлак складу (у мас. %): СаО - 50, Аl2О3 - 16,8, SiO2 - 20,6, MgO - 6,9, CaF2 - 2,3 [2]. До складу шихти для виплавки цього шлаку входять в основному недефіцитні природні матеріали. Однак для зниження температури їхнього плавлення доданий дефіцитний плавиковий шпат (CaF2). Крім цього, при застосуванні цього компонента з шлакового розплаву в атмосферу виділяються фторидні сполуки, що негативно впливають на людський організм і живу природу. Десульфуруюча здатність цього шлаку не висока, а його склад не є оптимальним. Найбільш близьким по складу й одержуваному результату до пропонованої корисної моделі є вапняно-алюмосилікатний рафінувальний шлак складу (у мас. %): СаО - 40-54, Аl2О3 - 12-17, SiO2 - 10-16, MgO - 2-6, CaF2 - 6-16, Na2O+K2O - 5-8 [3]. Недоліком цього шлаку також є присутність у його складі дефіцитного й екологічно небезпечного компонента - плавикового шпату. Вапняно-силікатні шлаки оптимального складу характеризуються високою хімічною активністю й сприятливими фізичними властивостями: відносно низкою температурою плавлення й задовільною рідкоплинністю, відносно низьким міжфазовим натягом. Однак вибрати конкретний склад шлаків з оптимальним співвідношенням компонентів важко, тому що до шлаків пред'являються суперечливі вимоги. Так, для досягнення високої десульфуруючої здатності до складу шлаків потрібно додавати якнайбільше СаО, але чим більше в складі СаО, тим більше його основність, в'язкість і тем менше стає його рідкоплинність, і, як наслідок, знижується його рафінуюча здатність. В основу корисної моделі поставлена задача розробити такий склад шлаків для десульфурації чавуну, що мав би гарну рідкоплинність і високу десульфуруючу здатність і був би досить дешевим і екологічно безпечним. Поставлена задача вирішується тим, що рафінувальний шлак для десульфурації доменного чавуну, який містить окиси кремнію, алюмінію, магнію й кальцію, відповідно до корисної моделі містить компоненти в наступних співвідношеннях (мас. %): SiO2 30-40 Аl2О3 5-10 MgO 4-8 СаО решта, при його основності (CaO/SiO2)=1,3-1,7. Як окиси магнію й кальцію можна використовувати доломіт і вапняк, а як окиси кремнію й алюмінію - шамотний бій і кварцити. У процесі доменної плавки сірка шихтових матеріалів окисляється в зоні фурменого поясу й віддаляється в газову фазу, сірка відновленого заліза утворює сульфіди заліза, марганцю, магнію, кальцію й віддаляється в шлаки при нагромадженні рідкого чавуну в горні доменної печі [4]. Мінеральний склад плавильних (горнових) доменних шлаків включає силікатні й алюмосилікатні фази - монтичелліт, мервиніт, мелиліт, геленіт і ін., що визначають фізикохімічні властивості, зокрема, рідкоплинність і адсорбційну ємність шлаків. Дослідження механізму процесів рафінування залізовуглецевих розплавів [5] показали, що максимальну рідкоплинність мають легкоплавкі шлаки евтектичного складу, а адсорбційна ємність їх залежить від ступеня структурно-хімічного розупорядкування. Відомо, що присадки MgO і Аl2О3 знижують температуру плавлення шлаків у певному інтервалі їхніх вмістів, які визначаються дослідним шляхом для конкретних умов роботи металургійних підприємств. 1 UA 94414 U 5 10 15 20 25 30 У зв'язку із цим був проведений аналіз структурно-хімічного стану силікатних і алюмосилікатних фаз на полігональних діаграмах потрійних систем CaO-SiO2-Al2O3 і CaO-SiO2MgO, побудованих графо-аналітичним методом у всьому інтервалі концентрацій твердих і рідких вихідних компонентів [6] і визначені оптимальні склади евтектичних шлаків. До таких складів належать силікатні й алюмосилікатні шлаки, які містять окис магнію й глинозем не більше 10-12 % і плавляться при температурах рідкого чавуну. У структурно-розупорядкований (активований) стан доменні шлаки перетворюються в зоні фурменого поясу при високих температурах (до 2000 °C) у результаті хімічних реакцій розкислення вуглецем коксу й чавуну, коли утворюються вільні хімічні зв'язки сульфідоутворювальних елементів - марганцю, магнію, кальцію. Сульфідні фази адсорбуються плавильними шлаками з утворенням оксисульфідів, розчинених у гомогенному рідкорухливому шлаку. Рафінувальні шлаки для десульфурації залізовуглецевих розплавів відповідають вимогам двох структурно-хімічних критеріїв, що є умовами необхідності й достатності: легкоплавкість і структурна розупорядкованість. Легкоплавкість регламентується ступенем евтектичності, що забезпечує максимальний перегрів і мінімальну в'язкість при температурах рідкого металу. Структурна розупорядкованість шлаків досягається при його розкисленні хімічно активними елементами з високою спорідненістю до кисню. Цим умовам відповідають шлаки евтектичного складу - легкоплавкі й активовані при розкисленні вуглецем. У системі CaO-SiO2-MgO цим умовам відповідає шлак стехіометричного складу 4CaO3SiO2MgO, що утворюється між ранкинітом - 3CaO2SiO2 і монтичеллітом CaOSiO2MgO, який містить (у мас. %) 40,5 SiO2 + 9,0 MgO + 50,5 СаО при основності шлаків B=CaO/SiO 2=1,24. У системі CaO-SiO2-Al2O3 цим умовам відповідає шлак стехіометричного складу 6CaO3SiO2Al2O3 (54,4 СаО + 29,1 SiO2 + 16,5 Аl2О3) при основності В = 1,87. При взаємодії магнезіального й глиноземистого шлаків утворюється легкоплавка евтектика 10CaOMgOAl2O36SiO2 (52,7CaO+3,8MgO+9,5 Al2O3+34,0 SiO2) (TE≤1250 °C) з основністю В=1,56. Приклад Для десульфурації чавуну в доменному цеху одного з металургійних комбінатів України був виплавлені шлаки наступних складів (табл.). Температури плавлення шлаків 1200-1300 °C. Проведені дослідні плавки показали високу ефективність шлаків пропонованого складу (№ 2-4), порівняну із найближчим аналогом (№ 6), але не утримуючих дорогих дефіцитних і екологічно небезпечних добавок. їхнє застосування дало можливість знизити сірку в чавуні до 0,0150,020 % (табл.).Найбільш оптимальним є склад № 3, як більше близький до евтектичного. Позамежні склади (№ 1,5) менш ефективні. 35 Таблиця Шлаки Позамежний Пропонований Позамежний Відомий 40 45 Склад шлаків, мас. % Номер складу SiO2 Аl2О3 MgO СаО 1 2 3 4 5 6 28 30 35 40 42 13 12 10 8 5 3 15 10 8 3 4 2 5 50 52 54 51 53 50 Залишковий Основність вміст сірки в CaF2 Na2O+K2O чавуні, мас. % 1,8 0,027 1,7 0,018 1,5 0,015 1,3 0,020 1,3 0,025 10 7 3,8 0,020 Для виготовлення рафінувальних шлаків пропонованого складу можна використовувати дешеві й недефіцитні матеріали: доломіт, вапняк, шамотний бій і кварцити. Десульфурація чавуну пропонованим шлаком дає можливість значно знизити вміст сірки й підвищити якість металу. За своєю десульфуруючою здатністю він є повноцінним замінником дорогих вапняно-глиноземистих шлаків. Джерела інформації: 1. Кудрин В.А. Внепечная обработка чугуна и стали. - М.: Металлургия, 1992. - 337 с. 2. Николаенко Е.И., Найдек В.Л., Глике Т.Н. Прогрессивные способы внеагрегатного рафинирования железоуглеродистых расплавов. - К: УкрНИИНТИ, 1979. - 64 с. 3. Пат. 18021 Україна, МПК С21С 7/076 (2006.01). Вапняно-силікатний рафінувальний шлак / Бойко В.С, Кліманчук В.В., Ларіонов О.О. та інш. - № u200605071; заявл. 10.05.2006; опубл. 16.10.2006, Бюл. № 10. 4. Куликов И.С. Десульфурация чугуна. - М: Металлургиздат. - 1962. - 305 с. 2 UA 94414 U 5 5. Анализ рафинировочных процессов ковшевой обработки стали / Буга И.Д., Троцан А.И., Белов Б.Ф., Носоченко О.В. и др. // Металлург, и горноруд. пром-сть. - 2010. - №3, - С. 16-20. 6. Метод побудови полігональних діаграм стану потрійних металургійних систем / Белов Б.Ф., Троцан А.І., Буга І.Д., Носоченко О.В., Бродецький І.Л., Крейденко Ф.С. // Свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір № 48344 від 18.03.2013. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 10 1. Рафінувальний шлак для десульфурації доменного чавуну, який містить окиси кремнію, алюмінію, магнію й кальцію, який відрізняється тим, що вмісти його компонентів находяться у наступних співвідношеннях (мас. %): SiO2 30-40 Аl2О3 5-10 MgO 4-8 CaO решта, при його основності (CaO/SiO2)=1,3-1,7. 2. Рафінувальний шлак за п. 1, який відрізняється тим, що як окиси магнію й кальцію використовують доломіт і вапняк, а як окиси кремнію й алюмінію - шамотний бій і кварцити. 15 Комп’ютерна верстка М. Шамоніна Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3