УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ДУГОВОГО ГЛУБИННОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ПРИ ПЕРЕРАБОТКЕ ШЛАКА ОТ ПРОИЗВОДСТВА СИЛИКОМАРГАНЦА

В настоящее время созданы теоретические основы и разработана технология дугового глубинного восстановления (ДГВ) элементов в железоуглеродистые расплавы для их рафинирования, раскисления- легирования, гомогенизации и нагрева [8, 4]. Данный метод был успешно реализован для десульфурации чугуна магнием и кальцием восстанавливаемыми непосредственно в жидкий металл из их оксидов входящих в состав различных отходов производства, вторичных материалов и недефицитного сырья (магнезит, бой магнезитовых огнеупоров, доломит, известь, известняк и др.). Кроме того, на нескольких машиностроительных и литейных предприятиях для раскисления-легирования железоуглеродистых расплавов опробована технология ДГВ Mn и Si из шлака от производства силикомарганца (МнС), которая показала свою достаточно высокую эффективность в сравнении с традиционной технологией предусматривающей использование для этих целей дорогостоящих ферросплавов и лигатур. Одним из основных преимуществ метода ДГВ является ресурсосбережение вследствие использования в качестве шихты бедных руд, шлаков, шламов, отходов и вторичных материалов для замены дорогостоящего первичного рудного сырья. Кроме того, более низкая себестоимость такого вида обработки позволяет получить значительный экономический эффект [5-7].

Принципиальная схема реализованных в настоящее время технологий обработки расплавов по методу ДГВ, в индукционной сталеплавильной печи (ИСТ), представлена на рисунке 1 и предусматривает использование одного рудно-восстановительного блока (РВБ), а для зажигания дуги в расплав дополнительно вводится графитовый контактный элемент в виде цилиндрического стержня или параллелепипеда.

Наиболее  важными  технологическими  параметрами  метода  ДГВ являются степень и скорость извлечения элементов, расход электроэнергии как основной затратной статьи в себестоимости процесса, скорость и эффективность нагрева расплава заглубленной дугой, себестоимость обработки и др.

Одним из недостатков, выявленных при реализации метода, является невысокая скорость восстановления элементов, что в первую очередь обусловлено относительной бедностью по их содержанию использованных отходов. При переработке шлака от производства МнС, содержащего 13-30% MnO, этот показатель находился в среднем на уровне 0,01 %/мин для каждого из извлекаемых элементов. Поэтому за 10-30 мин внепечной обработки расплав дополнительно насыщался Mn и Si на величину 0,1-0,3%. Такого содержания отмеченных элементов в стали вполне достаточно для ее раскисления, а для обеспечения более высоких концентраций Mn и Si в металле необходимо усовершенствование технологии с целью увеличен ия скорости извлечения полезных элементов в расплав.

Анализ используемой технологической схемы показал, что эффективным решением отмеченного недостатка может быть замена применяемого для образования дуги графитового контактного элемента на второй РВБ. В случае использования технологии ДГВ на предприятиях, имеющих в составе технологического оборудования дуговые печи, для обработки может использоваться их система электродержателей, в которую вместо графитовых электродов устанавливается три РВБ для обработки расплава с целью его раскисления, легирования, рафинирования, нагрева и перемешивания.

Для подтверждения выдвинутой гипотезы в лабораторных условиях была проведена серия экспериментов по одновременной обработке железоуглеродистого расплава в ИСТ методом ДГВ двумя РВБ (рис. 2).

Погружение блоков в расплав осуществлялось с помощью специальных устройств фото и принципиальная схема которых представлены на рисунке 3.

Базовым компонентом рудно-восстановительной смеси (РВС), использованных РВБ, был шлак от производства МнС, ее состав, конструкция и состав комбинированных электродов (КЭ) и самого РВБ, а также основные температурные и энергетические параметры обработки были выбраны на основании оптимальных значений технологических и конструктивных параметров метода Д ГВ установленных в ходе предыдущих исследований [1-4, 8] и рекомендованных для обеспечения максимальной степени и эффективности извлечения Mn.

Кремний в технологии переработки шлака от производства  МнС методом ДГВ является побочным продуктом, и создание условий для его эффективного извлечения не входило в перечень решаемых задач. Тем не менее, было отмечено, что эффективность нового метода существенно возрастает при увеличении степени извлечения Si, так как создаются условия для сокращения расхода дорогосто ящих кремниевых ферросплавов.

Для сравнительного анализа ТЭП обработки расплава по методу ДГВ с использованием различного количества РВБ было проведено 4 опытных плавки, на которых для насыщения металла Mn и Si в него одновременно погружалось два РВБ. При проведении экспериментов те мпература расплава перед обработкой была больше 1500 °С (1524-1645 °С), диаметр РВБ 55 мм, отношение площади поперечного сечения РВБ к площади поперечного сечения КЭ 9,4, сила переменного тока 250 А, удельная мощность подводимая в зону горения электрической дуги 4,1-5,7 Вт/мм2   площади поперечного   сечения РВБ (39-53 Вт/мм2   площади поперечного сечения КЭ), основность РВС 1,4, содержание магнезита в электродной смеси 12,5%, скорость расходования РВБ 0,37-0,50 мм/с.




Практически все рекомендованные в работах [1-4, 8] параметры были выдержаны за исключением скорости расходования РВБ и величины удельной мощности подводимой в зону горения электрической дуги (Вт/мм2 площади поперечного сечения КЭ) значения которых имели незначительные отклонения.

Практически все рекомендованные в работах [1-4, 8] параметры  были выдержаны за  исключением скорости расходования РВБ и величины удельной мощности подводимой в зону горения электрической дуги (Вт/мм2 площади поперечного сечения КЭ) значения которых имели незначительные отклонения.

Полученная на плавке №4 скорость расходования РВБ  0,37 мм/с обусловлена более плотной формовкой блока, а на плавке №3 – 0,50 мм/с более высокой начальной температурой обработки расплава (1645 °С). Однако отклонение этого параметра не оказало  существенного  влияния на экономическую эффективность процесса и снижение суммарных затрат на этих плавках в сравнении с обработкой ферросплавами (ФС) составило 45,2 % и 65,54 % соответственно.

Рекомендуемая  в  выше  отмеченных работах удельная   мощность  подводимая  в  зону  горения электрической дуги составляет 40-45 Вт/мм2  площади поперечного сечения КЭ, однако в соответствии с установленной в работах [4, 8] зависимостью влияния подводимой мощности на размеры откалывающихся фрагментов ЭС повышение мощности способствует уменьшению их размеров, что является позитивным фактором для исследуемой технологии. Уменьшение размеров откалывающихся фрагментов электродной смеси будет способствовать стабилизации режима  горения электрической дуги, обеспечивая меньшие колебания ее длины и более плавный переход дугового разряда на стальную трубку, что  немаловажно для организации автоматизированного управления процессом. Кроме того, большая мощность на дуге способствует увеличению степени извлечения элементов (рис. 4) и для рассматриваемой плавки эта величина составила 95% для Mn и 13% Si, что в конечном итоге компенсировало повышенный расход электроэнергии в калькуляции себестоимости обработки и позволило получить снижение суммарных затрат в сравнении с обработкой ФС на 32,3 %.

Результаты рисунка 4 свидетельствуют о том, что повышение мощности на дуге оказывает положительное влияние на степень извлечения Mn как при обработке одним РВБ, так и двумя. Более высокие значения степени извлечения Mn при обработке двумя РВБ можно объяснить улучшением тепло- и массообменна в результате увеличения интенсивности перемешивания и объемов расплава вовлеченных в него за счет газообразных продуктов реакций выделяющихся в ходе реализации метода ДГВ с реакционных поверхностей двух РВБ и соответственно обеспечения более благоприятных кинетических условий для протекания восстановительных  процессов.

Этим же можно объяснить и более высокие значения степени извлечения Mn, максимальное значение которой при обработке одним блоком составило 82%, тогда как при использовании двух блоков эта величина находилась в пределах 71,4-95%, при среднем значении 82,8% (рис. 5).

Как было отмечено выше, для эффективного извлечения Mn температура расплава перед обработкой должна быть не ниже температуры восстановления его из силиката с учетом протекания процесса в объеме обрабатываемого расплава. Повышение температуры увеличивает степень извлечения, однако требует больших энергетических затрат. Тем не менее, для увеличения степени извлечения Si этот параметр может быть одним из основных управляющих факторов.

Так при начальной температуре расплава 1645 °С, очень близкой к температуре восстановления Si в условиях заглубленного в объем металла дугового разряда (1653°С), отмечена высокая степень его извлечения из РВС (46,7%) со скоростью 0,04 %/мин (рис. 6), а степень извлечения Mn для этих условий составила 83%. При этом удельный расход электроэнергии на процесс составил 0,496 кВт·ч/моль, что практически в 3 раза меньше среднего значения этой величины характерного для обработки одним РВБ, которая составляет 1,419 кВт·ч/моль и в 2,5  раза меньше удельного расхода электроэнергии характерного для обработки двумя блоками при начальной температуре обрабатываемого расплава в пределах 1524-1562 °С средняя величина которого имеет значение 1,245 кВт·ч/моль (рис. 7).

На основании вышеизложенного можно утверждать, что расплавы, в которых необходимо иметь большее содержание Mn нужно обрабатывать при меньшей начальной их температуре и, наоборот, в случае необходимости обеспечения высокого содержания Si в металле начальная температура расплава должна быть не менее 1650 °С.

На рисунке 8 представлены значения скорости извлечения Mn и Si в расплав. Как  и  ожидалось, замена графитового контакта вторым РВБ позволила в 2 раза увеличить величину этого параметра, что является важным фактором в случае необходимости обеспе чения высокого содержания легирующих элементов в расплаве в условиях ограниченного времени внепечной обработки.

Согласно данным рисунка 8 скорость извлечения Mn и Si практически одинаковы, несмотря на тот факт, что степень извлечения Mn почти в 3 раза превышает степень извлечения Si. Однако это легко объясняется составом РВС в которой содержание SiО2  в 4-7 раз превышает содержание оксида MnО.

Следующим  важным  параметром,  исследованным  в данной работе, является скорость нагрева расплава. Данные рисунка 9 свидетельствуют о значительном улучшении теплового баланса при обработке металла двумя РВБ, при которой средняя скорость нагрева ванны возрастает практически на 30%. Это может быть связано с отмеченным выше усилением барботажа ванны отходящими из реакционной зоны газами, когда улучшаются условия переноса тепла к нижним объемам расплава и меньшее его количество теряется через зеркало металла. Кроме того, больший экранирующий эффект оказывает второй РВБ в сравнении с используемым ранее контактным электродом.

Экономическую эффективность нового способа обработки железоуглеродистого расплава оценивали сравнением разницы между затратами имеющими место при реализации внепечного раскисления -легирования по методу ДГВ с использованием одного и двух РВБ, а также базовой технологии предусматривающей применение марганцевых и кремнийсодержащих ФС. На рисунке 10 показана экономическая эффективность различных технологических схем обработки железоуглеродистых расплавов свидетельствующая  о значительных преимуществах способа обработки железоуглеродистых расплавов двумя РВБ не только в сравнении с базовой технологией, но и с технологией ДГВ предусматривающей использование одного РВБ.

Снижение затрат на обработку расплава по методу ДГВ с одновременным использованием двух блоков обусловлено значительным улучшением практически всех параметров обработки исследованных в ходе проведенных экспериментов.

Установлено, что при обработке железоуглеродистых расплавов по методу ДГВ с ис пользованием двух РВБ  повышается степень и скорость извлечения полезных элементов, а также скорость нагрева расплава заглубленным в его объем дуговым разрядом, что наряду со снижением расхода электроэнергии способствует значительному уменьшению затрат на о бработку в сравнении с базовыми технологиями. Полученные зависимости степени извлечения Mn от удельной мощности на дуге и кремния от температуры расплава перед обработкой подтверждают ранее установленные связи между этими параметрами при обработке одним РВБ. Однако в случае использования двух РВБ степень извлечения Mn значительно возрастает. Улучшение значений рассмотренных параметров связано со значительным изменением гидродинамики ванны, условий тепло- и массообмена за счет выделения большего количества р еакционных газов и дополнительного экранирующего эффекта создаваемого вторым РВБ.

Использование двух РВБ при обработке железоуглеродистых расплавов по методу ДГВ обеспечивает повышение степени извлечения Mn в среднем на 8,8%, скорости насыщения расплава Mn и Si в 2 раза, скорости нагрева расплава заглубленным в его объем дуговым разрядом на 30%, а также снижению расхода электроэнергии в 1,5 раза в сравнении с обработкой по одноблоковой схеме. Среднее снижение себестоимости внепечной обработки расплава составляет 47,6% в сравнении с базовой технологией предусматривающей использование ферросплавов для раскисления и легирования металла.

Список литературы

1.          Куберский, С.В. Анализ технологических параметров обработки металла методом дугового глубинного восстановления марганца [Текст] / С.В. Куберский и др. // Наукові праці Донецького національного технічного університету. Серія «Металургія». — Донецьк: ДонНТУ, 2013. — №1 (16)- 2(17). — С. 96–106.

2.                     Куберский, С.В. Влияние состава рудно-восстановительных смесей на основе силикомарганцевого шлака на степень извлечения марганца и кремния [Текст] / С.В. Куберский // Металл и литье Украины. — 2015. — № 12. — С.3–6.

3.         Куберский С.В. Влияние состава рудно -восстановительной смеси на эффективность дугового глубинного извлечения элементов из силикомарганцевого шлака / С.В. Куберский, М.Ю. Проценко // Спеціальна металургія: вчора, сьогодні, завтра: матеріали XIII Всеукраїнської науково -практичної конференції. — К.: НТУУ «КПІ», 2015. — С. 497–507. —  [Електрон. ресурс]. —  https ://www.s cience- community.org/en/s ys tem/files /Conference_Info_21_04_2015.pdf

4.        Куберский С.В. Внепечная обработка расплавов методом дугового глубинного вос становления [Текст] : монография / С.В. Куберский, А.Н. Смирнов, М.Ю. Проценко. — LAMBERT Academic Publishing. Германия, 2014. — 116 с.

5.        Проценко, М.Ю. Использование отходов ферросплавного производства для легирования метала методом дугового глубинного восстановления [Текст] / М.Ю Проценко и др. // Металл и литье Украины. — 2010. — № 9–10. — С. 54–57.

6.    Проценко, М.Ю. Сравнение эффективности легирования металла ферросплавами и методом дугового глубинного восстановления [Текст] / М.Ю. Проценко, С.В. Куберский, В.С. Эссельбах // Сборник научных трудов ДонГТУ. — Алчевск: ДонГТУ, 2011. — № 35. — С. 211–220.

7.        Проценко, М.Ю. Сравнительный анализ эффективности легирования металла методом дугового глубинного восстановления и ферросплавами [Текст] / М.Ю. Проценко и др. // Сборник научных трудов конференции «Инновационные технологи внепечной  металлургии чугуна и стали». — Донецк: ДонНТУ, 2011. — С. 143–151.

8.      Электродуговая и электромагнитная обработка расплавов [Текст] : монография / А.Н. Смирнов и др. — Алчевск: ДонГТУ, 2013. — 320 с.