Феритнокальцієвий флюс, шихта для його одержання, способи ведення конвертерного процесу й доменної плавки з його використанням

1. Феритнокальцієвий флюс, що складається з оксидів заліза, кремнію, кальцію, магнію та інших елементів, що входять у залізорудний матеріал, який відрізняється тим, що флюс має склад, стехіометричний коефіцієнт ρ якого дорівнює 0,75-0,82, а його хімічний еквівалент Dе дорівнює (-4,1) - (-1,92), при цьому кількість SiO2 у флюсі дорівнює 1¸7 мас. %. 2. Флюс по п. 1, який відрізняється тим, що ρ знаходиться в інтервалі [0,78-0,82], а Dе у інтервалі [(-4,1) - (-3,8)]. C2 (54) ФЕРИТНОКАЛЬЦІЄВИЙ ФЛЮС, ШИХТА ДЛЯ ЙОГО ОДЕРЖАННЯ, СПОСОБИ ВЕД ЕННЯ КОНВЕРТЕРНОГО ПРОЦ ЕСУ Й ДОМЕННОЇ ПЛАВКИ З ЙОГО ВИКОРИСТАННЯМ 42860 підвищення витрати металургійного коксу й зниженню продуктивності доменних печей. При виробництві синтетичного флюсу для сталеплавильних процесів запропоновано (а.с. СРСР № 1257099; C21C5/54; 5/28; публ. 15.09.1986 р. Бюл. № 34) використати шихту, що складається з відходів металургійного виробництва й уміщує конвертерний пил, боксит, доломіт, тверде паливо та вапняк при такому співвідношенні компонентів, мас.%: конвертерний пил 20-25 боксит 10-15 доломіт 15-20 тверде паливо 8-10 вапняк інше. Одержаний флюс містить суміш оксидів елементів, що входять у залізорудний матеріал, склад якої повинен задовольняти умові: FeO/(SiО2+Аl2 О3)=0,5¸1,0 Такий флюс (прототип) забезпечує активне створення розплаву з високою асимілюючою здатністю до вапна, низькою в'язкістю і низькою температурою плавлення. Відповідно, найближчим аналогом для способу ведення конверторного процесу є розкритий в (а.с. СРСР № 1257099; С21С5/54; 5/28; публ. 15.09.1986 p. Бюл. № 34, прототип) спосіб, в якому як шлакоутворюючий компонент використовують згаданий флюс. Вадою описаного флюсу й шихти для його одержання є те, що необхідність підтримання у флюсі у заданих межах співвідношення FeO/(SiО2+Аl2 О3) приводить до збільшення витрати твердого палива та збільшення газодинамічного опору шихти, що спікають, аж до припинення процесу горіння твердого палива. Найбільш близьким аналогом для запропонованої шихти є ши хта, запропонована для одержання сталеплавильного флюсу (а.с. СРСР № 945209; С22В1/24; публ. 23.07.1982 р. Бюл. № 27, прототип), яка містить як наповнювач вапняк або доломіт крупністю 8-30 мм, а як зв'язуючу частину - суміш конвертерного шламу, окалини, вапна, вапняку та палива крупністю 0,1-2,0 мм, що забезпечують загальне співвідношення СаО/Fе2О3 у флюсі у межах 1,0-4,0, а у зв'язці - 0,3-0,4 при такій кількості вихідних компонентів у зв’язці, мас.%: вапно 15-20 вапняк або доломіт 10-12 паливо 8-10 конвертерний шлам або окалина інше. Використання вказаного флюсу знижує охолоджуючу дію флюсу у сталеплавильної ванні, він має підвищену механічну міцність кусків і є стійким до гідратації. Вада цієї шихти полягає у тому, що застосування у її складі вапна приводить до ускладнень регулювання вологості шихти перед подачею її у барабан-змішувач і огрудковувач і, отже, зниженню технологічних показників роботи агломашин, до погіршення санітарно-гігієнічних умов у процесі дозування вапна та транспортування шихти по трактах агловиробництва й підвищенню собівартості кінцевого продукту через високу вартість вапна (вартість вапна у 5-7 разів вища за вартість вапняку). Крім того, при складанні шихти не враховується рівень вмісту кремнезему і його роль у процесі спікання, що може привести до погіршення умов формування структури спіку та порушення процесу спікання через високий вміст тугоплавкого двокальцієвого силікату. В 70 роки Е.В. Приходько була розроблена напівемпірична теорія CHIP (Приходько Е.В. "Система неполяризованих іонних радіусів та її використання для аналізу електронної структури й властивостей речовин", Київ: Наукова думка, 1973 p.), яка відкривала можливості для прогнозування складу і структури речовин із заданими фізико-хімічними властивостями. Грунтуючись на цій теорії, автор запропонував (Приходько Е.В. "Металохімія багатокомпонентних систем", М.: Металургія, 1995 p., включається у опис шляхом посилання на нього) будь-яку багатокомпонентну оксидну композицію розглядати як хімічно єдину систему і, враховуючи її повний склад, для оцінки зв'язку склад - властивість використати інтегральні модельні параметри r і Dе, де: Dе - хімічний еквівалент складу багатокомпонентного розплаву, що є інтегральною характеристикою взаємодії катіонів з аніонами, r - стехіометричний коефіцієнт, що показує, яке число катіонів (Me) приходиться у даній системі (представленої у вигляді МеrЕ) на один аніон (Е). Таким чином, у межах теорії, що розглядається, для будь-якого багатокомпонентного розплаву, його властивості як хімічно єдиної системи визначаються сполученням модельних параметрів r і Dе, що характеризують його хімічний і структурний стан. В основу напівемпіричного підходу до моделювання металургійних розплавів покладений постулат, що у конденсованих фазах радіуси реальних іонів Ru і їх ефективні заряди Zu не залишаються незмінними, а варіюються залежно від відстані d між атомами, що створюють зв'язок, і хімічної індивідуальності сусідів, причому величина заряду може бути дрібною. Індивідуальність атомів характеризується двома вихідними модельними параметрами - радіусом неполяризованого (ізольованого) атома Ru0 і його поляризовуваністю, яка виражається кутовим коефіцієнтом tga із рівняння 0 IgR u = IgR u - Z u tg a Параметри Ru0 і tga залежать від положення елементів у Періодичній системі і систематизовані автором теорії у систему неполяризованих іонних радіусів CHIP. Реальні розміри іонів Ru і їх заряди Zu пов'язані з міжатомною відстанню d таким чином: A B Ru + Ru = d A ° IgRu = lgRuA - (Z minA + De 2 )tg a A (І) B ° IgRu = lgRuB - (Z minB + De 2) tga B де ZminA = -ZminB - "сферична", а De/2 - "направлена" компоненти ефективного заряду Z=Zmin+De/2. 2 42860 Параметр Dе характеризує порушення сферичної симетрії електронних хмар взаємодіючих атомів, тобто характеризує донорно-акцепторну здатність зв'язку у цілому. Він визначає частину електронів, яка переходить з атомних орбіталей на зв’язуючі, витягнені у напрямку А-В. В результаті чисельного рішення системи (І) визначаються радіуси RuA, RuB і Dе для кожної пари атомів. Багатокомпонентна система моделюється шляхом перебору всі х парних зв'язків залежно від структури розплаву з подальшим визначенням інтегральних фізико-хімічних критеріїв шляхом усереднення параметрів Dе, tga, а також зарядового стану. При цьому кожен з інтегральних параметрів розраховується як адитивна величина з урахуванням імовірності створення парних зв'язків пропорційної концентрації компонентів, що створюють розплав. Передбачений розрахунок взаємодії кожного атома як з найближчими, так і з далекими сусідами. Модель електронних структур металургійних шлаків, що пропонується, базується на описі умов рівноваги катіонної й аніонної підграток за допомогою таких рівнянь сталості: R R - 0,485 ZE (E-Me ) - Z E (E-E ) = uMe uE + 0,275 6,067tg a E - 0,1927 (ІІ) R R + 0,53 ZMe (Me -E ) - Z Me(Me- Me) = uE uMe 1,5045 + 0,51 15,43(tga Me ) тут ZE(E-Me), Z E(E-E), ZMe(Me-E), ZMe(Me-Me), RuE, RuMe - середньозважені параметри зарядів і радіусів іонів у зв'язку катіон (Me) - аніон (Е). З приведеної системи (ІІ) методом послідовних наближень визначають dMe-E (що входить до неї у неявному вигляді) і відповідні йому відстані Ме-Ме і Е-Е. Інформація, яку одержують при рішенні рівняння сталості (ІІ), послужила основою для розробки напівемпіричного методу розрахунку фізикохімічних властивостей розплавів. Ми вже згадували, що при виборі системи рівнянь основною задачею був опис закономірностей змінення фізико-хімічних властивостей розплаву залежно від складу шляхом уведення у зв'язок між складом і властивостями проміжної ланки - інтегральних параметрів r і Dе, що характеризують хімічний і структурний стан системи. Параметр Dе є інтегральною характеристикою взаємодії катіонів з аніонами, тобто аналогом хімічного еквівалента складу багатокомпонентного розплаву. Якщо оксидний розплав записати у вигляді АnВ m C1-n-mD k Е1- k, де А, В і С - катіони, а D і Е - аніони, рівняння розрахунку для Dе буде De = D eA -D × n × k + D eA -E × n × (1 - k ) + ... теристику хімічної індивідуальності конкретного багатокомпонентного складу і, використовуючи великий експериментальний матеріал, вивів рівняння, які зв'язують основні фізико-хімічні властивості системи з параметрами, що розглядаються, які є абстрагованими від конкретного хімічного складу (Приходько Е.В., Хамхотько А.Ф., Тагобіцька Д.Н. "Структура і фізико-хімічні властивості металургійних шлакових розплавів", М., 1983 р. Експрес-інформація; Приходько Е.В. "Металохімія багатокомпонентних систем", М.: Металургія, 1995 p.) Так, наприклад, виведені залежності для в'язкості (h) і поверхового натягу (d) доменного розплаву lgη1300 = 10,33 - 15,13ρ - 0,138D e (H/c м2 ) lgh1400 = 7,7 - 11,23 r - 0,043D e lgh1500 = 6,55 - 9,97r - 0,047De коефіцієнт кореляції r>0,9 d1550-1600=606,18-67,04r+39,73Dе г =0,92, змінення концентрації фосфору ([Р]) і температури металу (TМ) по ходу плавки для киснево-конвертерної переробки (Тучина М.В. "Технологічні особливості переробки чавунів різного складу із застосуванням шлакоутворюючих матеріалів" 1993 р. (автореферат дисертації)) [Р]=2,575+0,0037(МnO)-4,453r -0,399Dе г =0,63 TM =1391+581,8r +89,5Dе r =0,48 Рівняння зв'язку, засновані на теорії Е.В. Приходько, задовільно описують різні металургійні процеси і забезпечують достатній рівень точності для масивів, що об'єднують дані різних технологічних процесів, що свідчить про універсальність одержаних закономірностей. Основна гідність описаного підходу є в тому, що він дозволяє лінеарувати складні залежності фізико-хімічних властивостей багатокомпонентних оксидних систем від складу. У теперішній час теорія Приходько Е.В. успішно використовується у прикладній металургії, дозволяючи з достатньою для практичних цілей точністю, використовуючи інтегральні модельні параметри r та Dе, прогнозувати фізико-хімічні властивості металургійного оксидного розплаву для любого сполучення й співвідношення компонентів, а також прогнозувати склад розплав, який має необхідні основні властивості. В основу винаходу покладена задача одержати феритнокальцієвий флюс із заданими фізикохімічними властивостями й зниженням витрати твердого палива, необхідного для його одержання, запропонувати шихту для його одержання, а також способи ведення конвертерного процесу й доменної плавки, які, завдяки використанню флюсу за винаходом, є більш продуктивними і економічними, ніж способи за згаданими прототипами. Поставлена задача вирішена таким чином. Запропонований флюс містить суміш оксидів заліза, кальцію, магнію, кремнію й інших елементів, які входять у залізорудний матеріал, у такому співвідношенні, що стехіометричний коефіцієнт суміші r знаходиться у межах від 0,75 до 0,82, а її хімічний еквівалент Dе - у межах від -4,1 до -1,92, при цьому кількість SiO2 у суміші не повинна перевищувати 7%. ... + DeC-E × (1 - n - m ) × (1 - k ) Розрахунок стехіометричного коефіцієнта r системи відомого складу пов'язаний з переведенням масових концентрацій його складових у кількість атомів Me і Е кожної сполуки у 100 г розплаву з подальшим визначенням сумарного числа катіонів і аніонів і їх співвідношення. Приходько Е.В. запропонував використати згадані модельні параметри як комплексну харак 3 42860 Наші дослідження показали, що тільки флюс, для якого r і Dе вкладаються у межі від 0,75 до 0,82 і від -4,1 до -1,92, відповідно, при кількості SіO2 не більш 7% має задовільні фізико-хімічні характеристики. Вихід r і/або Dе за вказані межі, а також кількість SiO2 у флюсі більше 7% приводять до погіршення механічної міцності флюсу, його флюсуючої й асимілюючої здатності, підвищення його температури плавлення та в'язкості. Шихта для одержання запропонованого флюсу містить відходи металургійної переробки або їх суміш, кальцій- і магнійвміщуючі матеріали і тверде паливо, при цьому відношення Feобщ./SiO2 у відходах металургійної переробки або їх суміші не повинно бути менше 11, а кількість SiO2 повинна дорівнювати 0,5-5,0 мас.%. Склад шихти для одержання флюсу заданого складу з кількістю в ньому SiO2 в інтервалі 1-7 мас.% визначається, виходячи з дотримування матеріального і теплового балансу, але при цьому важливо, щоб у залізовміщуючи х відхода х сумарне відношення Feобщ./SiO2 було не менше 11 при кількості SiO2 від 0,5 до 5 мас.%. При сумарній кількості оксиду кремнію у залізовміщуючих відхода х більше 5 мас.% процес агломерації не здійснюється, що пояснюється високим ступенем створення у високотемпературній зоні двокальцієвого силікату (2СаО×SіO2), що важко плавиться, і зниження за рахунок цього кількості рідких фаз. Зменшення сумарного відношення Feобщ./SіО2 у залізовміщуючи х відходах також приводить до зменшення кількості рідких фаз і ускладнює процес агломерації. Як кальційвміщуючі й магнійвміщуючі компоненти звичайно використовують вапняк, доломітизований вапняк, доломіт або їх суміш. Запропоноване рішення дозволяє одержувати синтетичний флюс на феритнокальцієвій основі з відходів виробництва, причому залежно від його передбачуваного використання можна одержати саме той флюс, який у даному конкретному випадку дасть оптимальний результат. Так, запропонований флюс може бути, наприклад, використаний як шлакоутворюючий компонент у конвертерному процесі або при проведенні доменної плавки. Нами показано, що для використання у конвертері оптимальним буде флюс, що має склад, стехіометричний коефіцієнт r якого дорівнює 0,78-0,82, а хімічний еквівалент Dе - від (-4,1) до (-3,8). Для доменної ж плавки переважно використати флюс, у якого r 0,75-0,78, а Dе (-2,3) - (-1,92). При цьому, якщо склад флюсу задовольняє умові, що співвідношення СаО/Fе2О3 становить 0,15–0,55, а кількість Fеoбщ. у флюсі більше 50 мас.%, його використання у складі доменної шихти дозволяє одержати необхідну основність шлаку без додавання вапняку і збільшити при цьому кількість у шихті незафлюсованих окатишів і/або високоміцного залізорудного агломерату з основністю 0,9-1,0. При зменшенні кількості заліза у флюсі знижується вихід чавуну, підвищується вихід шлаку з одиниці залізорудних матеріалів, збільшується витрата коксу. Використання ж флюсу з порушеним співвідношенням СаО/Fе2О3 , як правило, приводить до погіршення газодинамічних умов у печі, що веде до зниження її продуктивності. Приведені приклади ілюструють запропоноване рішення, не обмежуючи його. При проведенні розрахунків нами була використана програма, розроблена у Дніпропетровському інституті чорної металургії на основі рівнянь, згаданих вище. Програма дозволяє розрахувати основні фізико-хімічні властивості оксидного розчину залежно від його складу, використовуючи r і Dе як проміжні параметри. Приклад 1 Відомо, що на економічні показники роботи конвертера особливо істотно впливають такі властивості феритнокальцієвого розплаву, як в'язкість (h), температура плавлення (Тпл), асимілююча здатність (G). Використовуючи для розрахунків нагромаджений масив експериментальних даних, ми показали, що вказані властивості мають оптимальні значення (0,06-0,08 Пас, 1200-1300°С і 7,1-9,1 мг/см 2, відповідно) для оксидних розплавів, стехіометричний коефіцієнт і хімічний еквівалент яких знаходяться у інтервалі 0,78-0,82 і (-4,1) - (-3,8), відповідно, а склад відповідає таким умовам (приведені основні оксиди, мас.%): Fe2О3 33-42 МgО 3-5 FeO 10-12 SiO2 3-7 СаО 39–43 Інше (як правило близько 3%) становлять оксиди Мn, Аl і інших елементів, що входять у залізорудний матеріал. Шихта для одержання флюсу складалась з конвертерного шламу (у якому Feобщ /SіО2=30, SіО2=2,0%), суміші вапняку й доломіту (співвідношення 1: 1) і твердого палива. Розрахунок кількості вихідних компонентів у шихті здійснювали на основі рівнянь матеріального балансу по виходу твердого продукту при спіканні, по залізу, кальцію та кремнію. Кількість необхідного твердого палива визначали, виходячи з теплопотреби процесу. Для розрахунку складу ши хти використали усереднені оптимальні значення складу флюсу: Fе2О3 37%, FeO 11% (у перерахунку на Fеoбщ 34,5%), СаО 41%, SiO2 5%, МgО 4%. Розрахунки показали, що на одержання 1 тонни флюсу треба (у кг): конвертерного шламу - 400 суміші вапняку й доломіту - 800 (співвідношення 1:1) кокс - 58. Феритнокальцієвий флюс, одержаний при спіканні шихти приведеного складу, містив Fеобщ 32,7%, СаО 39,5%, SiO2 6,7%, МgО 3,9% (розрахункові модельні параметри r=0,8; De=-3,9) і мав Тпл =1210°С, в'язкість 0,07 Пас і асимілюючу здатність 8,4 мг/см 2 с. Результати використання одержаного флюсу при проведенні плавки у 160-тонних конвертерах приведені у табл. 1. З табл. 1 видно, що застосування запропонованого флюсу дозволило інтенсифікувати процес шлакоутворення та поліпшити основні технікоекономічні показники роботи конвертера. Так, пи 4 42860 якого параметри r і Dе дорівнюють [0,75-0,78] і [(-2,3)-(-1,92)] відповідно, а кількість основних оксидів вкладається у такі інтервали (мас.%): Fe2О3 63-69 МgО 4-6 FeO 10-13 SiO2 3-6 СаО 10-16 Як вже відзначалось, у теперішній час при проведенні доменної плавки як шлакоутворюючий компонент найбільш часто використовують вапняк. Ми встановили, що якщо при проведенні доменної плавки, яка включає завантаження у доменну піч залізорудних матеріалів, шлакоутворюючого компонента і твердого палива, використати як шлакоутворюючий компонент, що регулює основність доменного шлаку, не вапно, а феритнокальцієвий флюс, у якому відношення СаО/Fе2О3 становить 0,15-0,55 при кількості в ньому SiO2 від 1 до 7% і Fеoбщ. більше 50%, зменшується витрата коксу, необхідного для проведення плавки, і поліпшуються показники доменного виробництва. Для одержання флюсу потрібного нам складу Fе2О3 64%, FeO 13% (у перерахунку на Fеобщ 54,8%), СаО 11%, SiO2 5,5%, МgО 5% (СаО/Fе 2О3 0,172, r 0,76, Dе - 2,1) використали шихту, що складається з відвального шламу, окалини, суміші вапняку та доломіту (співвідношення 1:1) і коксу. Концентрація SіО2 у відвальному шламі - 6,57%, в окалині - 1,89%. Відношення Fеобщ /SіО2 - 7,53 і 37,90 відповідно. Розрахунки, засновані на рівняннях матеріального балансу, показали, що для одержання 1 тонни флюсу ши хта повинна містити (у кг): відвального шламу - 528 окалини - 323 суміші вапняку й доломіту - 210 (співвідношення 1:1) коксу - 50. Розрахунок сумарної концентрації SiO2 і відношення Feобщ /SіО2 у залізовміщуючій частині шихти дає значення 4,79% і 12,26, відповідно. Одержаний при спіканні шихти способом агломерації флюс має механічну міцність по виходу фракцій (+5) 86%, відновлюваність 43%, температурний інтервал розм'якшення DТ 70°С. Випробування, проведені у виробничих умовах (табл. 2) показали, що використання одержаного феритнокальцієвого флюсу як компонента доменної шихти, що регулює основність доменного шлаку, дозволило збільшити кількість незафлюсованих окатишів у шихті до 70% і одержати необхідну основність шлаку без додавання вапняку. При цьому кількість заліза у рудної частині шихти збільшилась на 0,9 абс. %, питома витрата рудної частини шихти знизилась з 1,777 до 1,759 т/т чавун у, витрата коксу зменшилась на 70 кг/т чавуну. тома витрата чавуну знизилась на 17 кг/т сталі за рахунок зниження втрат металу із шлаком, зниження процесу іскріння та зменшення викидів; час продувки кисню знизився з 15 до 14,5 хвилин при економії вапна 7 кг/т сталі; витрата на продувку при цьому знизилась з 55 до 50 м 3/т сталі. Таблиця 1 Показники Питома витрата чавун у, кг/т сталі Питома витрата брухту, кг/т сталі Питома витрата флюсу, кг/т Питома витрата вапна, кг/т Питома витрата кисню, м 3/т Склад чавуну (%): Si Mn S P Температура чавун у, °С Склад металу на повалці (%): C Mn S P Температура металу, °С Склад шлаку (%): FeO SiO2 CaO MgO CaO/SiO2 Час продувки, хв. Флюс по а.с. 1257099 Запропонований флюс 812 795 312 337 30,0 30,0 52,0 45,0 55,0 50,0 0,65 0,65 0,023 0,011 0,65 0,11 0,025 0,011 1315 1340 0,04 0,11 0,02 0,007 0,04 0,12 0,022 0,007 1645 1650 16,5 17,9 50,0 2,84 2,79 15,0 16,0 17,0 51,0 2,00 3,00 14,5 Приклад 2 Найбільш важливими характеристиками флюсу при його використанні у доменному процесі є відновлюваність за методом А.Н. Похвиснєва (оптимальні значення 42-46%); механічна міцність, вихід фракцій, більш 5 мм (ГОСТ 15137-77, 85-88%); температурний інтервал розм'якшення DT 70-80°С, Ткінця плавлення 1250-1280°C). Розрахунки показали, що за прогнозами такі властивості повинен мати оксидний розчин, для 5 42860 Таблиця 2 Склад доменної ши хти Шматкова руда Губкінський агломерат Ми хайловські окатиші Вапняк Доломіт Кількість заліза у рудної частині шихти, % Сухий кокс Основність шлаку Питома витрата 438 342 997 235 165 56,61 670 1,05 Кількість компонен. шихти, % 24,6 19,3 56,1 Ми хайловські окатиші Комплексний флюс Кількість заліза у рудної частині шихти, % Сухий кокс Основність шлаку 1231,3 527,7 57,41 600 1,05 70 30 Спосіб Склад шихти кг/т Застосовуваний спосіб Запропонований винахід __________________________________________________________ ДП "Український інститут промислової власності" (Укрпатент) Україна, 01133, Київ-133, бульв. Лесі Українки, 26 (044) 295-81-42, 295-61-97 __________________________________________________________ Підписано до друку ________ 2002 р. Формат 60х84 1/8. Обсяг ______ обл.-вид. арк. Тираж 50 прим. Зам._______ __________________________________________________________ УкрІНТЕІ, 03680, Київ-39 МСП, вул. Горького, 180. (044) 268-25-22 __________________________________________________________ 6