ОЦЕНКА ВЛИЯНИЯ ТЕПЛОФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ РУДНО-ВОССТАНОВИТЕЛЬНЫХ БЛОКОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРОЦЕССА ДУГОВОГО ГЛУБИННОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ

На современном этапе развития металлургии очень остро стоят проблемы энерго- и ресурсосбережения, обусловленные высокой конкуренцией на мировом рынке, истощением источников первичных сырьевых материалов, ужесточением требований к защите окружающей среды, а также высокой долей энергетических затрат в себестоимости металлопродукции.

Одним из перспективных способов внепечной обработки железоуглеродистых расплавов, является метод дугового глубинного восстановления (ДГВ) в них элементов необходимых для рафинирования и раскисления- легирования [1]. Метод  ДГВ предполагает использование в  качестве основного рудного сырья  различных промышленных отходов (шлак, шлам, пыль газоочисток, бедные руды, бой огнеупоров и т.д.), позволяет снизить расход дорогостоящих ферросплавов и лигатур, а также объединить во времени протекание основных операций по доводке расплава (нагрев, гомогенизация, рафинирование, раскисление-легирование), что обеспечивает энерго- и ресурсосбережение при снижении себестоимости обработки в сравнении с традиционными технологиями. Особенно перспективен предложенный метод для обработки металла в условиях металлургических мини- и микро-заводов, использующих технологические емкости небольшого объема (до 6 т), где применение некоторых элементов современных технологий внепечной обработки невозможно, крайне затруднительно либо малоэффективно (дуговой нагрев, продувка инертным газом, рафинирование и др.).

Метод ДГВ относительно нов и в настоящее время проходит стадию формирования основных концептуальных положений его теоретических основ и практической реализации.

Одним из актуальных вопросов метода ДГВ, который не был изучен в ходе предыдущих исследований является теплофизика процесса, а именно влияние теплофизических свойств рудно-восстановительной смеси (РВС), рудно- восстановительных блоков (РВБ) и теплоэнергетических параметров процесса на эффективность обработки с точки зрения извлечения необходимых элементов, нагрева расплава и удельного расхода электроэнергии.

Для изготовления РВБ процесса ДГВ используются различные вторичные материалы и отходы производства сведения о теплофизических свойствах, которых как в отдельности, так и в составе РВС в настоящее время в научно- технической литературе отсутствуют.

Поэтому основной целью данной работы было проведение серии опытных обработок расплавов чугуна и стали по методу ДГВ для получения исходных данных позволяющих определить основные теплофизические параметры различных составов РВС, РВБ и процесса обработки в целом по предложенной в работе [2] методике, а также оценить их влияние на эффективность такого способа раскисления-легирования металла.

Для выполнения поставленной задачи были проведены 18 экспериментов по обработке железоуглеродистых расплавов методом ДГВ элементов из отходов производства и вторичных материалов в ИСТ-0,06.

На проведенных экспериментах для формирования РВС использовали отвальные шлаки непрерывной плавки силикомарганца и шламы Стахановского завода ферросплавов, стружку графитированых электродов, коксовую мелочь, антрацит и коксовый остаток каменноугольного пека, который применяли в качестве связующего РВБ. Все твердые материалы дробили и просеивали через сито размером ячеек 0,63 мм. Расходуемые материалы формовали в цилиндрические блоки с одним центральным электродом.

Электрод выполнен комбинированным из трубки Ø18´2,5 мм (Рисунок 1), полость трубки набита электродной смесью (ЭС) состоящей из стружки графитированых электродов со смолопеком. Кроме того, в состав углеродистой смеси вводили 11-13% MgO для обеспечения синхронной скорости расходования комбинированного электрода (КЭ) и РВБ содержащего необходимые для восстановления оксиды марганца и кремния. В зону дугового разряда ток поступает по стальной трубке, а вблизи дуги трубка оплавляется, и дуга горит от углеродистого сердечника.

В качестве связки для изготовления 4-х РВБ использовали 4% жидкого стекла, а остальные формовали на каменноугольном пеке, углерод, которого после коксования (~60%) участвует в процессах восстановления элементов. Основность смеси (В) определяли как отношение (СаО+MgO)/SiО2.

В ходе экспериментов использовали РВБ различного диаметра 42, 44, 50, 55, 56 и 60 мм. До и после обработки расплава по методу ДГВ, которую осуществляли при отключенном индукторе, производили замер температуры, а также отбор проб для химического анализа состава металла, начального и конечного шлаков.

В процессе обработки поддерживали заданную силу тока дуги, контролировали напряжение, расход электроэнергии и время обработки.

Количество восстановленных элементов определяли по разности содержания элементов во второй и первой пробах, а также по дублирующим анализам стружки от полученного и исходного слитка. Огарки блоков и слитки взвешивали для определения количества израсходованных материалов. Параметры использованных РВБ и обработки ими расплава представлены в Табл.2 и 3.

Таблица 2 

Параметры использованных в экспериментах РВБ

Параметры составляющих РВБ
Доля			Площадь, мм2			ρк, кг/м3
РВС	Трубка	ЭС	РВС	Трубка	ЭС	РВС
0,82-0,91 0,88	0,04-0,09 0,055	0,05-0,1 0,065	1130-2570 1940	120	130	1,02-2,01 1,56

Таблица 3

 Основные параметры обработки металла по методу ДГВ

№, п/п	начальная температура расплава	Время обработки	Скорость горения	Мощность на дуге	Расход эл. энергии	Восстановлено, моль		Израсходовано, г
	0С	мин	мм/с	кВт	кВт·ч	Mn	Si	РВБ	РВС	Трубка	ЭС
1*	1283	5,5	0,12	4,7	1,022	0,260	0	433	359	62	9
2	1717	15,5	0,44	16,6	1,790	1,154	1,126	1386	1178	222	40
3	1501	9,2	0,36	10,2	1,433	0,576	0,556	820	625	166	30

* – 1 – min, 2 – max, 3 – ср.

где М – масса израсходованного материала РВБ, кг; V – объем РВБ (V= WFt), м3; W – скорость расходования

блока, м/с; F – площадь поперечного сечения расходуемого материала, м2; t – время горения блока, с.

По данным Табл.1-3 расчетным путем определяли основные теплофизические параметры процесса ДГВ, не поддающиеся непосредственному измерению с использованием отмеченной выше методики, подробно описанной в работе [2]. Это теплоемкость, температуропроводность, теплопроводность и температура расходования материала РВБ.

В Табл.4 и 5 представлены пределы отклонений и средние значения расчетных теплофизических параметров материала РВБ для всего массива проведенных экспериментов.

Таблица 4 

Расчетные значения плотности и теплоемкости РВБ

Кажущаяся и истинная плотность материала РВБ, (кг/м3) ·10-3		К=ρк/ρи	qпл, ккал/блок	Истинная, кажущаяся и условная теплоемкость материала РВБ при 1800 К
				ккал/кг·град		ккал/блок·град
ρк	ρи			Сист	Скаж	Сусл
1,39-2,28 1,84	2,62-2,89 2,77	0,49-0,87 0,67	22,60-71,94 43,51	0,481-0,627 0,552	0,236-0,547 0,370	0,180-0,646 0,42

При извлечении элементов из РВБ кажущаяся теплоемкость материала возрастает вследствие расходования тепла на реакции восстановления. Поэтому расходуемому РВБ характерна «условная» теплоемкость ( С ус , ккал/блок·град), определяемая по уравнению:

где Мбл – масса израсходованного материала блока, кг/блок; Мэл – масса израсходованного электрода, кг; 50 и 65– соответственно теплота плавления, ккал/кг; NMn и NSi – количество восстановленных Mn и Si, моль/блок; 54 и 188 – теплоты восстановления Mn и Si, ккал/моль; 1520 0С – средняя температура расходования РВБ, которая в процессе переработки изменяется или самопроизвольно устанавливается в зависимости от теплопоглощения блоком.

При расчете кажущейся плотности РВБ использовали средние расчетные значения кажущейся плотности стальной трубки и электродной смеси которые составили 7 и 1 кг/м³ соответственно.

Величина «К» учитывает пористость материала блока (чем больше К, тем меньше пористость) и определяется как отношение кажущейся плотности (rкаж, кг/м³ ) к истинной (rист, кг/м³) которая рассчитывается по выражению:

где 𝑔𝑖 – массовые доли составляющих; ri – плотность составляющих РВБ материалов, кг/м3 [3].

Таблица 5 

Основные теплофизические параметры РВБ в процессе ДГВ

Начальная температура РВБ	Пошло тепла на блок		Обогреваемая поверхность	Тепловой поток на блок		Температура расходования	Коэффициент температуро- проводности	Коэффициент теплопровод- ности
град	ккал	мм2		Мкал/м2·ч	0С		мм2/ч	ккал/м·ч·град
15-30 22,7	273-982 639	1370-5280 3060		614-3743 1696	1589-2063 1762		1600-3100 2200	0,630-4,361 2,134

Основными параметрами в значительной степени определяющими эффективность ДГВ элементов из силикомарганцевого шлака являются скорость и степень извлечения марганца и кремния, скорость и величина нагрева расплава, а также энергетические затраты на процесс.

При развитии теории и разработке технологии ДГВ элементов из силикомарганцевого шлака основная задача заключалась в извлечении марганца, а восстановление кремния оценивалось как позитивный попутный процесс. Тем не менее ранее проведенные исследования показали, что высокая рентабельность технологии достигается при высоких скоростях нагрева и насыщения расплава необходимыми элементами, а также одновременном восстановлении марганца и кремния на уровне более 60-65% и 30-35% соответственно, тогда как в случае восстановления одного марганца рентабельность обеспечивается лишь при степени его извлечения более 75%.

Статистический анализ полученных в ходе экспериментов и расчетов результатов показал, что основное влияние на степень извлечения элементов оказывают температура расходования РВС дугового блока (tp) и толщина слоя РВС (∆h) прогреваемого до температуры начала реакции карботермического восстановления марганца из силиката (по термодинамическим расчетам составляет 1489 0С, а при заглублении дугового узла в расплав на 300 мм – 1500 0С). Согласно данных представленных на Рисунке 2 и в Табл.6 повышение значений этих параметров позитивно влияет на извлечение марганца и кремния в расплав.

В свою очередь tp и ∆h в основном температурном интервале обработки по методу ДГВ почти прямо пропорционально связаны между собой (Рисунок 3) и зависят от целого ряда технологических и теплофизических параметров (Рисунок 4).

На Рисунке 4 представлены зависимости, характеризующие связь между температурой расходования РВБ, температурой расплава перед обработкой, расходом электроэнергии, условной теплоемкостью и кажущейся плотностью РВБ. Характер представленных зависимостей свидетельствует о повышении температуры расходования и соответственно увеличении толщины слоя РВС, где создаются термодинамические условия для восстановления марганца и кремния при увеличении температуры металла перед проведением внепечной обработки и расхода электроэнергии на процесс (мощности подводимой в зону горения дуги), а повышение условной теплоемкости и кажущейся плотности РВБ приводит к снижению эффективности обработки расплава по методу ДГВ.

Кажущаяся плотность и условная теплоемкость в первую очередь зависят от состава и пористости РВБ. Учитывая бедность силикомарганцевого шлака по содержанию оксида марганца вводить в рудную смесь какие-

либо компоненты, не содержащие его, крайне нежелательно. Это приводит к еще большему разбавлению смеси по содержанию основного восстанавливаемого оксида. Ранее проведенные исследования показали, что лишь СаО может добавляться в смесь для повышения ее основности. Для системы МnО-SiO2, которая является основой оксидного марганцевого сырья – силикомарганцевого шлака, добавка извести (СаО) способствует образованию в процессе нагрева твердых растворов на основе (Са, Мn) O и (Са, Мn) SiO3, что снижает температуру плавления оксидной системы и термодинамическую прочность соединений оксида марганца с кремнеземом [1, 4]. Кроме того, добавка СаО в систему МnО-SiO2 увеличивает тепловой эффект реакции восстановления марганца кремнием, которая также может иметь место при реализации технологии восстановления элементов из силикомарганцевого шлака [1].

Также необходимо строго подходить и к содержанию восстановителя в смеси, недостаток которого ухудшает условия извлечения восстанавливаемых компонентов, а избыток приводит к увеличению энергетических затрат.

Поэтому при анализе полученных результатов основное внимание, с точки зрения снижения теплоемкости и плотности было уделено именно влиянию, СаО, основности и содержания восстановителя в РВС (Рисунок 5).

Данные Рисунка 5 свидетельствуют о том, что повышение в смеси содержания восстановителя и кремнезема, а также добавка извести (СаО) для увеличения основности, будет способствовать снижению условной теплоемкости и кажущейся плотности, что в свою очередь позитивно влияет на значения температуры расходования РВБ и толщину слоя РВС прогреваемую до температуры восстановления марганца из силиката при ДГВ, а также позволяет увеличить степень извлечения марганца и кремния для раскисления-легирования железоуглеродистого расплава.

Однако, как было отмечено выше, увеличивать содержание кремнезема в смеси оправдано лишь при переработке богатых по содержанию марганца рудных материалов (марганцевая руда, марганцевый агломерат, передельный марганцевый шлак и т.д.), а оптимальная концентрация в смеси углерода тоже имеет определенные границы.

В соответствии с данными Рисунка 6 повышение содержания углерода в смеси (Ссм) более стехиометрических значений (Сстех) необходимых для восстановления всего находящегося в ней марганца и кремния вызывает увеличение удельных энергозатрат в качестве характеристики которых был принят 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 удельная мощность, подводимую в зону заглубленного дугового разряда для реализации технологии (кВт/(кг·%·0С)).

Характер представленных на Рисунке 6 зависимостей можно объяснить существенным повышением электропроводности смеси с ростом содержания в ней углерода, что вызывает увеличение расхода электроэнергии [5]. Такая ситуация свойственна углетермическим восстановительным процессам производства марганцевых ферросплавов при которых очень важно иметь оптимальное сопротивление шихты, главным образом зависящее от содержания восстановителя. Избыток восстановителя приводит к уменьшению сопротивления шихты, увеличению токовой нагрузки на электродах и неглубокой их посадке. Это влечет за собой увеличения расхода электроэнергии, снижение производительности печи и удорожание продукции [6].

Таким образом, проведенные исследования позволили впервые определить основные теплофизические параметры процесса ДГВ марганца и кремния из различных по составу РВС на основе силикомарганцевого шлака и установить, что основное влияние на степень извлечения марганца и кремния в железоуглеродистый расплав оказывают температура расходования РВБ, и толщина слоя РВС прогреваемого до температуры начала реакции карботермического восстановления марганца. Установленные в работе корреляционные зависимости позволяют утверждать, что для повышения эффективности обработки расплава по методу ДГВ элементов из рудных смесей на основе силикомарганцевого шлака по возможности необходимо иметь более высокую температуру расплава перед обработкой, а в составе РВС использовать компоненты с меньшей теплоемкостью и кажущейся плотностью. Наиболее эффективной присадкой в рассмотренные РВС является известь (СаО) и углерод, причем доля углерода в РВС не должна превышать 20%. При переработке богатых оксидами марганца рудных материалов, кроме отмеченных добавок, целесообразно повышать в составе РВС содержание кремнезема который кроме положительного влияния на рассмотренные в работе параметры будет также восстанавливаться углеродом и играть роль не только раскислителя или лигатуры, но и участвовать в реакциях восстановления марганца.

В ходе дальнейших исследований предполагается проанализировать основные энергетические показатели процесса ДГВ и установить параметры оказывающие наиболее существенное влияние на их величину.

 

Список литературы

1.     Смирнов А.Н. Электродуговая и электромагнитная обработка расплавов: Монография. / А.Н. Смирнов, С.В. Куберский, С.Б. Эссельбах и др. // – Алчевск: ДонГТУ, 2013. – 320 с.

2.     Куберский С.В. Разработка методики прогнозирования теплофизических параметров процесса дугового глубинного восстановления / С.В. Куберский // Современный взгляд на проблемы технических наук / Сб. науч. тр. по итогам междунар. науч.-практ. конф. – № 2. Уфа, 2015. – С. 38-43.

3.     Ойкс Г.Н., Иоффе Х.М. Металлургия стали. Расчеты. – М.: «Металлургия», 1975, 480 с.

4.     Самсонов М.В. Совершенствование технологии прямого легирования стали посредством восстановления оксидсодержащих материалов / Дис. канд. техн. наук: 05.16.02. – М. МГИСиС. – 2006. – С. 20.

5.     Куберский С.В. Влияние состава рудно-восстановительной смеси на эффективность дугового глубинного извлечения элементов из силикомарганцевого шлака / С.В. Куберский, М.Ю. Проценко // Актуальные вопросы науки и техники / Спеціальна металургія: вчора, сьогодні, завтра [Електрон. ресурс]: матеріали XIII Всеукр. наук.-практ. конф., Київ, 21 квітня 2015 р. / [редкол.: В.С. Богушевський (відпов. ред.) та ін.]. – К.: НТУУ «КПІ», 2015. – С. 497-507.

6.     Гасик М.И. Марганец. / Гасик М.И. – М.: Металлургия, – 1992. – 608 с.