01 марта 2016г.
В условиях истощения запасов полезных ископаемых, используемых в металлургических технологиях значительную актуальность приобретают вопросы ресурсосбережения. Снижение расходных коэффициентов на основные виды сырья, а также частичная или полная замена традиционных материалов различными отходами позитивно сказывается на себестоимости продукции, техногенной обстановке, а также конкурентоспособности металлопродукции.
В настоящее время раскисление-легирование и рафинирование железоуглеродистых расплавов осуществляется в основном с использованием различных ферросплавов и лигатур производство которых является весьма энерго- и ресурсоемким, а также сопряжено со значительными выбросами в атмосферу вредных веществ, образованием шлаков, шламов и других техногенных отходов.
Авторами работы [7] предложен принципиально новый метод дугового глубинного восстановления (ДГВ) для насыщения железоуглеродистых расплавов необходимыми полезными элементами, восстанавливаемыми из отходов и вторичных материалов непосредственно в объем жидкого металла в условиях низкотемпературной плазмы заглубленного дугового разряда.
В процессе ДГВ элементы восстанавливаются и поступают в расплав, минуя стадию производства ферросплавов и лигатур, а, следовательно, связанные с этим производством дополнительные затраты.
Кроме того, метод ДГВ позволяет совместить во времени важные операции раскисления, легирования, рафинирования, нагрева и гомогенизации характерные заключительным этапам технологии производства черных металлов, а также обеспечить высокую энергетическую эффективность за счет реализации указанных процессов в объеме высокотемпературного металлического расплава. При заглублении в расплав значительно возрастает КПД дуги, что обусловлено улучшением условий теплопередачи при организации ее горения в замкнутом пространстве, а также участия в процессе передачи тепла материала электродов, которые, разрушаясь, расплавляясь или испаряясь под действием тепла электрической дуги, попадают в жидкий металл и отдают ему свое избыточное теплосодержание.
Для реализации метода используются одноразовые формованные рудно-восстановительные блоки (РВБ) различной конструкции и состава (Рисунок 1), одно- и двухэлектродные, с поддувом Ar, а также работающие на постоянном, переменном либо трехфазном токе. В настоящее время получено более 10 патентов на конструкцию и состав РВБ, а также технологию обработки ими расплавовв зависимости от наличия необходимого технологического оборудования и решаемых в процессе обработки расплава задач.
Согласно Рисунка 1а двухэлектродный РВБ 3 состоит из смеси восстановителя с восстанавливаемыми оксидами, снабжен электродами 4 и погружен в расплав 1 ниже уровня шлака 2. В нижнем торце РВБ 3 между электродами 4 горит электрическая дуга 6. Дуга прожигает и проплавляет в блоке 3 каверну 5, на поверхности которой, обращенной к дуге 6, происходят эндотермические реакции восстановления элементов необходимых для рафинирования или раскисления-легирования расплава (Рисунок 2). Энергия, необходимая для восстановления, поступает от дуги 6. Продукты реакций в газообразном или конденсированном виде поступают в расплав 1, насыщают его или реагируют с его примесями. Скорость расходования блока 3 определяется мощностью, потребляемой электрической дугой 6.
В лабораторных условиях былиопробованы оба вариантапредставленных на Рисунке 1 РВБ и предпочтение отдано одноэлектродной конструкции (Рисунок 3), имеющей существенные преимущества с точки зрения изготовления оснастки и формовки блоков. Кроме того, цилиндрическая форма блока обеспечивает равномерное распределение тепла дуги по рудно-восстановительной смеси (РВС) и расходование блока, а лучшему заглублению блока в расплав способствует давление столба дуги.
Данная технология была реализована в ковшах 0,16 т, 0,24 т, 0,4 т и 1,0 т литейных и металлургических микро-заводов для внедоменной десульфурации чугуна магнием, восстанавливаемым из магнезита и раскисления-легирования железоуглеродистых расплавов марганцем и кремнием восстанавливаемыми из отвального шлака от производства силикомарганца и обеспечила снижение себестоимости
обработки на
3-5 $/т в сравнении с применением магниевой проволоки, гранул, ферромарганца, ферросилиция и силикомарганца. Кроме того, данная технология может быть использована на заключительном этапе получения заготовок из жидкого металла, а именно для обработки в промежуточном ковше МНЛЗ, что позволит управлять температурным режимом и увеличить эффективность раскисления, легирования и рафинирования металла многими элементами (в связи с более поздним временем их присадки).
Использование дуговой глубинной обработки расплавов на микро-заводах является также привлекательным с точки зрения наличия необходимых источников электроэнергии (печных трансформаторов), устройств для введения дуговых блоков в металл (электрододержатели), а также вспомогательных участков и отделений для их изготовления характерных машиностроительным и литейным цехам (участки по механообработке, дроблению, рассеву, смешиванию, формовке, сушке и т.д.).
По результатам исследований, проведенных при отработке технологии ДГВ были предложены конструкции РВБ, составы РВС, основные электрические и тепловые параметры необходимые для реализации процесса в производственных условиях. Одним из важных и неизученных в настоящее время показателей, оказывающих существенное влияние на ход ДГВ является уровень заглубления РВБ и соответственно дугового разряда в объем обрабатываемого металла. Поэтому целью настоящей работы был теоретический и экспериментальный анализ изменения степени извлечения элементов, скорости нагрева металла и энергетических затрат в зависимости от глубины расположения реакционной зоны на которой протекают реакции восстановления элементов необходимых для раскисления-легирования железоуглеродистого расплава.
Из практики ковшевого нагрева стали в агрегатах ковш-печь известно, что экранирование дугового разряда шлаком позволяет значительно улучшить условия передачи тепла металлу при минимальном его излучении на футеровку
[6].
Аналогичная картина должна наблюдаться и
при реализации процесса ДГВ. Однако в
этом случае имеет место несколько отличительных моментов не характерных дуговому нагреву. В первую очередь
это
реакции восстановления, протекание которых при повышении давления в системе требует больших энергетических затрат. С другой стороны, ранее проведенные исследования свидетельствуют о том, что заглубление реакционной поверхности благоприятно сказывается на процессах усвоения расплавом восстановленных элементов и особенно продуктов, выделяющихся в газообразном состоянии [7].
Теоретическую оценку возможной величины заглубления РВБ в металлический расплав производили по методике, приведенной в работе [1] для постоянного и переменного тока, подаваемого на комбинированный электрод блока. Комбинированный электрод используемый в технологиях ДГВ магния, марганца и кремния представляет собой стальную трубку, набитую электродной массой, состоящей из графитовой стружки с добавкой 12,5% глинозема или магнезита[7].
Рассматривая катодное и анодное подключение дуговых блоков (прямая и обратная полярность) необходимо отметить,
что давление
ионов на катод в несколько
сот
раз больше чем давление электронов на анод. Поэтому работая на обратной полярности уровень заглубления дугового разряда в металл будет значительно больше. Это подтверждается результатами расчета теоретической глубины погружения дуги со стальными и графитовыми электродами в жидкую сталь для плотности
тока на электроде 1-2 А/мм2, металлической ванне 0,07 А/мм2, напряжения 40-50 В, температуры кипения железа и графита 3013 К 5103 К соответственно. Теоретически возможное максимальное заглубление дуги при работе на обратной полярности и использовании стальных электродов составляет 200 мм. Учитывая,
что используемый в процессе ДГВ электрод комбинированный и состоит из
графитомагнезитовой электродной смеси, набитой в стальную трубку теоретически возможное его заглубление в жидкую сталь не будет превышать величины полученной для случая работы со стальным электродом. В случае работы на переменном токе, когда катодом и анодом попеременно являются металл и дуговой блок можно предположить, что заглубление дуги в жидкую сталь будет иметь среднее значение от суммы заглубления при анодном и катодном подключении.
Результаты заглубления дугового разряда в железоуглеродистые расплавы полученные авторами работ [2- 5] свидетельствуют о том, что при использовании близких к разрабатываемому процессу значений плотности и силы тока эта величина находится в пределах 150-300 мм.
Как было отмечено выше повышение давления в системе влияет на температуру начала реакций восстановления. Поэтому было оценено ее изменение для случая углетермического восстановления марганца и кремния из оксидов и силикатов силикомарганцевого шлака при заглубления дугового разряда до 300 мм и установлено, что максимальное повышение температуры начала восстановления составляет всего 160С и незначительно влияет на показатели обработки по методу ДГВ.
Для экспериментального изучения влияния заглубления РВБ в расплав на показатели процесса ДГВ марганца и кремния из силикомарганцевого шлака было проведено 54 обработки чугуна и стали в индукционной печи ИСТ-0,06. Обработку 27,5-33 кг металла (среднее 30,4 кг) в течение 4-15 мин. (среднее 9 мин.)осуществляли на постоянном (обратной полярности) и переменном токе, при его силе 180-350 А, напряжении 20-55 В, а уровень заглубления РВБ в расплав изменяли от 25 мм до 70 мм с шагом 5 мм (при заглублении 25 мм было проведено 3 обработки, 30
– 3, 35 – 4,40 – 5,45 – 11,50 – 18,55 – 2,60 – 3,65 – 2,70 – 3).
В результате проведенных экспериментов были получены следующие средние значение основных технологических показателей: извлечение марганца – 0,495 моль (0,09%), кремния – 0,343 моль (0,03%), скорость насыщения марганцем – 0,01%/мин., кремнием – 0,0035%/мин., нагрева – 6,4 0С/мин.
Полученные в ходе экспериментов результаты позволили установить влияние величины заглубления РВБ в железоуглеродистый расплав на количество восстановленных элементов и скорость нагрева металла (Рисунок 4).
Данные Рисунка
4 свидетельствуют о том, что
увеличение
заглубления дугового
разряда
с 0,025 м до
0,070 м позитивно сказывается на двух основных показателях процесса ДГВ, а именно количестве восстановленных для раскисления-легирования
элементов и скорости
нагрева
расплава которые возрастают в 4,1
и
1,8 раза соответственно.
При реализации данной технологии основная задача сводилась к углетермическому извлечению из шлака марганца, а кремний восстанавливается попутно и может даже выступать в качестве дополнительного восстановителя. Поэтому все основные технологические параметры (температура расплава перед обработкой, состав, основность, электропроводность и другие свойства РВС) были ориентированы на максимальное насыщение расплава марганцем, что и имело место по результатам лабораторных и промышленных экспериментов. Однако отмечено, что при большем заглублении разница в количестве восстановленных молей марганца и кремния значительно снижается и при величине этого параметра более 0,05 м исчезает практически полностью (Рисунок 5), что свидетельствует о возникновении благоприятных термодинамических условий для восстановления кремния, имеющего температуру начала восстановления (1640 0С) значительно превышающую температуру начала восстановления марганца из оксида (1400 0С) и силиката(15000С).
Как было отмечено выше эффективность современных металлургических технологий
в значительной степени определяется затратами энергии. Поэтому было проанализировано влияние заглубления дугового разряда в объем обрабатываемого металла на расход электроэнергии. Реализованный при проведении экспериментов процесс ДГВ характеризовался изменением большого количества параметров и для учета их влияния в качестве характеристики энергозатрат можно принять расход электроэнергии (кВт·ч) на
восстановление 1% Mn и Si в 1 кг обрабатываемого расплава и нагрев его на 1 0С при длительности обработки 1 ч (кВт·ч/(кг·%·0С·ч)) или удельную мощность, подводимую в зону заглубленного дугового разряда для реализации технологии (кВт/(кг·%·0С)).
Обработка результатов проведенных экспериментов позволила установить характер изменения удельных затрат электроэнергии от уровня заглубления дугового узла (Рисунок 6).
Представленные на Рисунке 6 данные свидетельствуют о том, что зависимость удельных затрат электроэнергии от уровня заглубления дуги носит нелинейный характер. Для используемой конструкции РВБ и технологических параметров обработки в соответствии в рисунком 6 можно выделить
три наиболее характерных участка соответствующих уровню заглубления 0,025-0,040 м, 0,045-0,055 м и 0,060-0,070 м.
При заглублении до 0,04 м удельный расход электроэнергии возрастает, что может быть связано с потерями тепла в окружающую среду в следствие недостаточной теплоизоляции дугового разряда и оголения поверхности металла при воздействии на него дуги. При этом наблюдался повышенный барботаж верхних объемов расплава и брызгообразование.
Погружение дуги в объем металла на 0,045-0,055 м обеспечивает снижение удельных энергозатрат и в данных условиях являлось оптимальным обеспечивая при этом высокую степень восстановления элементов и скорость нагрева.
В соответствии с Рисунками 4 и 5 увеличение уровня заглубления во всем исследованном диапазоне повышает эффективность обработки с точки зрения извлечения элементов и нагрева металла. Однако удельный расход электроэнергии при заглублении на 0,06-0,07 м также, как и для диапазона 0,025-0,040 м характеризуется повышенными значениями. Объяснить это можно природой существования заглубленного дугового разряда.
Полученный расчетом
теоретически возможный уровень заглубления дуги в металлический расплав для наших условий находится в пределах 0,1-0,2 м и по данным работы [1] всегда превышает значения, получаемые исследователями в реальных условиях.
При проведении экспериментальных исследований по обработке методом ДГВ с погружением РВБ в железоуглеродистый расплав на 0,06-0,07 м отмечалось нестабильное горение дуги с частым ее прерыванием, что требовало повторного зажигания путем поднятия и опускания электродов, вызывало увеличение расхода электроэнергии и снижало КПД дугового узла. Поэтому для данной конструкции РВБ, состава РВС и электрических параметров обработки оптимальным является диапазон заглубления 0,050-0,055 м.
Таким образом, проведенные исследования позволили установить положительное влияние уровня заглубления РВБ в металлический расплав
на
количество восстанавливаемых марганца и кремния, а также скорость нагрева металла и определить оптимальную глубину погружения дуги в расплав, которая для данной конструкции и состава РВБ составляет
0,050-0,055 м и обеспечивает минимальный удельный расход электроэнергии на реализацию процесса ДГВ.
В ходе последующих исследований процесса ДГВ предполагается оценить преимущества и недостатки работы на переменном и постоянном токе, а также определить влияние теплофизических свойств РВБ на основные ТЭП новой технологии.
Список литературы
1. Лесков Г.И. Электрическая сварочная дуга / Г.И. Лесков //
– М.: Машиностроение. – 1970. – 335 с.
2. Низяев К.Г. Нагрев стали электрической дугой, погруженной в жидкий металл / К.Г. Низяев // Металлургическая и горнорудная промышленность. – 2007. – №3. – С. 24-25.
3. Низяев К.Г. Экспериментальные исследования десульфурации чугуна магнезитом в условиях ДЗПВ / К.Г. Низяев, А.Г. Величко, Б.М. Бойченко и др. // Теория и практика металлургии. – 2001. – №6. – С. 16-19.
4. Семирягин С.В. Технологические особенности десульфурации чугуна магнием, восстановленным в глубине металлического расплава / С.В. Семирягин, В.Н. Дорофеев,
С.В Куберский. и др. // Матер. междунар. конф.: ―Экология и безопасность жизнедеятельности – 2004‖ (Гурзуф, Крым, август 2004 года): Сб. научн. трудов. – Алчевск: ВУО МАНЕБ,
ДГМИ, 2004. – С. 17-25.
5.
Семирягин С.В. Физико-химические условия процесса дугового восстановления магния под слоем металлического расплава / С.В. Семирягин, С.В. Куберский, В.Н. Дорофеев
и др. // Сбор. науч. трудов. Вып. №18 – Алчевск ДонГТУ. 2004. – С. 192-203.
6. Смирнов А.Н. Металлургические мини-заводы: Монография/ А.Н. Смирнов, В.М. Сафонов, Л.В. Дорохова, А.Ю. Цупрун// – Донецк: ДонНТУ. – 2005. – 469 с.
7. Смирнов А.Н. Электродуговая и электромагнитная обработка расплавов: Монография. / А.Н. Смирнов, С.В. Куберский, С.Б. Эссельбахи др. // – Алчевск: ДонГТУ, 2013. – 320 с.