Анализ эффективности снижения содержания серы в чугуне в доменной плавке путем увеличения основности шлака

Для пользования данным уравнением необходимо задаться расходом кокса, который из практических соображений равен 450 кг (63 у.е.) на 1 т передельного чугуна. Количество восстанавливающегося кремния — 8*60/28 = 17,1 кг/т чугуна.

а) Основность шлака 0,9:

(CaO)ф = (1684*9,91/100+450*(12/100)*(55,7/100))*0,9−1684*8,89/100 = 27,6 кг/т чугуна.

Удельный расход известняка 27,6*100/54,3=50,8 кг/т чугуна при основности шлака 0,9.

б) Основность шлака 1,15:

(CaO)ф = (1684*9,91/100+450*(12/100)*(55,7/100))*1,15−1684*8,89/100 = 76,8 кг/т чугуна.

Удельный расход известняка 76,8*100/54,3=141,4 кг/т чугуна при основности шлака 1,15.

в) Основность шлака 1,3

(CaO)ф = (1684*9,91/100+450*(12/100)*(55,7/100))*1,3−1684*8,89/100 = 106,3 кг/т чугуна.

Удельный расход известняка 106,3*100/54,3=195,8 кг/т чугуна при основности шлака 1,3.

4. Удельный выход шлака:

Его масса складывается из пустой породы рудного материала, золы кокса и массы флюса за вычетом восстановившегося кремния:

а) Основность 0,9:

Ш=(1684*(100-(7,71+71,19))/100)+(450*12/100)+27,6−17,1=419,8 кг/т чугуна б) Основность 1,15:

Ш=(1684*(100-(7,71+71,19))/100)+(450*12/100)+76,8−17,1=469,0 кг/т чугуна в) Основность 1,3:

Ш=(1684*(100-(7,71+71,19))/100)+(450*12/100)+106,3 -17,1=498,5 кг/т чугуна

5. Выбор удельного расхода кокса В качестве ориентира для выбора удельного расхода кокса выбрана «эталонная плавка», удельный расход кокса в которой получен на действующей доменной печи — 434 кг/т чугуна. Основные параметры эталонной плавки приведены в таблицах. С помощью корректирующих коэффициентов, полученных теоретическими расчетами, легко пересчитать расход на другие условия плавки:

Таблица 2а. Удельный расход кокса при основности шлака 0,9

Параметры плавки Эталонная плавка В расчете Δ Корректирующие коэффициенты Изменение расхода кокса Расход известняка, кг/т чугуна 0 50,8 +50,8 0,36 50,8*0,36= +18,3 Удельный выход шлака, кг/т чугуна 340 419,8 +79,8 0,21 79,8*0,21= +16,8 Содержание кремния в чугуне, % 0,66 0,8 +0,14 50 0,14*50= +7 Итого 42,1 Удельный расход кокса, кг/т чугуна 434 476,1 Таблица 2б. Удельный расход кокса при основности шлака 1,15

Параметры плавки Эталонная плавка В расчете Δ Корректирующие коэффициенты Изменение расхода кокса Расход известняка, кг/т чугуна 0 141,4 +141,4 0,36 141,4*0,36= +50,9 Удельный выход шлака, кг/т чугуна 340 469,0 +129 0,21 129*0,21= +27,1 Содержание кремния в чугуне, % 0,66 0,8 +0,14 50 0,14*50= +7 Итого 85 Удельный расход кокса, кг/т чугуна 434 519

Таблица 2 В. Удельный расход кокса при основности шлака 1,3

Параметры плавки Эталонная плавка В расчете Δ Корректирующие коэффициенты Изменение расхода кокса Расход известняка, кг/т чугуна 0 195,8 +195,8 0,36 195,8*0,36= +70,5 Удельный выход шлака, кг/т чугуна 340 498,5 +158,5 0,21 158,5*0,21= +33,3 Содержание кремния в чугуне, % 0,66 0,8 +0,14 50 0,14*50= +7 Итого 110,8 Удельный расход кокса, кг/т чугуна 434 544,8

6. Расчет количества, состава шлака и его вязкости Основность шлака несколько меняется ввиду влияния изменения количества кокса, по сравнению с расчетом. Вязкость шлакового расплава при 1500 оС рассчитана графически из диаграммы:

Зависимость вязкости шлаковых расплавов от состава при 1500 оС Расчеты для шлаков различной основности представлены таблицами. Масса шлака — сумма масс оксидов алюминия, кремния и кальция.

Зависимость коэффициента распределения серы Ls от основности шлака; числа на кривых — содержание кремния в чугуне.

Исходя из зависимости распределения серы от основности шлака, можно вычислить содержание серы в чугуне по формуле: [S] = Σ(mi*Si)/(1+Ш*Ls)

Таблица 3а. Рассчитанная основность шлака 0,9

Компонент доменной шихты Удельный расход, кг/ т ч. CaO SiO2 Al2O3 S % кг % кг % кг % кг Рудный материал 1684 8,89 149,7 9,91 166,9 1,22 20,5 0,04 0,67 Кокс 476,1 1,2 5,7 Зола кокса 57,1 5,1 2,9 55,7 31,8 26,1 14,9 Известняк 50,8 54,3 27,6 1,1 0,6 0,5 0,3 0,02 0,01 Итого 1792 180,2 199,3 35,7 6,38 Переходит в чугун 17,1 0,8 Переходит в шлак 398,1 45,3 180,2 45,8 182,2 8,9 35,7 5,58 Шлак такого состава имеет вязкость 4−6 сантипауз при температуре 1500 оС.

Основность шлака составляет 0,99. Коэффициент распределения серы равен 16,7. [S] = 6,38/(1+0,4198*16,7) = 0,8 кг/т чугуна или 0,08%, что не соответствует ГОСТу для передельного чугуна.

Таблица 3б. Рассчитанная основность шлака 1,15

Компонент доменной шихты Удельный расход, кг/ т ч. CaO SiO2 Al2O3 S % кг % кг % кг % кг Рудный материал 1684 8,89 149,7 9,91 166,9 1,22 20,5 0,04 0,67 Кокс 519 1,2 6,2 Зола кокса 62,3 5,1 3,2 55,7 34,7 26,1 16,3 Известняк 141,4 54,3 76,8 1,1 1,6 0,5 0,7 0,02 0,03 Итого 1887,7 229,7 203,2 37,1 6,9 Переходит в чугун 17,1 0,32 Переходит в шлак 453,3 50,6 229,7 41,1 186,1 8,3 37,5 6,68 Шлак такого состава имеет вязкость менее 3 сантипауз при температуре 1500 оС.

Основность шлака составляет 1,23. Коэффициент распределения серы равен 43,3. [S] = 6,9/(1+0,469*43,3) = 0,32 кг/т чугуна или 0,032%, что соответствует ГОСТу для передельного чугуна.

Таблица 3 В. Рассчитанная основность шлака 1,3

Компонент доменной шихты Удельный расход, кг/ т ч. CaO SiO2 Al2O3 S % кг % кг % кг % кг Рудный материал 1684 8,89 149,7 9,91 166,9 1,22 20,5 0,04 0,67 Кокс 544,8 1,2 6,5 Зола кокса 65,3 5,1 3,3 55,7 36,4 26,1 17,0 Известняк 195,8 54,3 106,3 1,1 2,2 0,5 1,0 0,02 0,04 Итого 1945,1 259,3 205,5 38,5 7,21 Переходит в чугун 17,1 0,2 Переходит в шлак 486,2 53,3 259,3 38,7 188,4 8,0 37,1 7,01 Шлак такого состава имеет вязкость 3−4 сантипауз при температуре 1500 оС.

Основность шлака составляет 1,38. Коэффициент распределения серы равен 70. [S] = 7,21/(1+0,4985*70) = 0,2 кг/т чугуна или 0,02%, что соответствует ГОСТу для передельного чугуна.

Полученные значения основности шлака несколько превышают изначально рассчитанные значения. Сложность заключается в том, что для определения удельного расхода кокса необходимо знать удельный расход флюса и выход шлака, для расчета которых необходимо знать удельный расход кокса. В нашем случае при начальном заданном расходе кокса 450 кг/т чугуна имеется значительно расхождение в полученном в результате расчетов. Так, при основности шлака 0,9 расход кокса составляет 476 кг/т чугуна, что вполне соотносится с предположенными 450 кг/т чугуна. В то же время расчет для основности шлака 1,15 и 1,3 предполагает использование кокса 519 и 544,8 кг/т чугуна, что подвергает полученные ранее расчеты сомнению и необходимости пресчета.

Кратко повторим расчет для основности шлака 1,15 и 1,3:

Основность шлака 1,15.

(CaO)ф = (1684*9,91/100+519*(12/100)*(55,7/100))*1,15−1684*8,89/100 = 82,1 кг/т чугуна.

Удельный расход известняка 82,1*100/54,3=151,2 кг/т чугуна при основности шлака 1,15.

Ш=(1684*(100-(7,71+71,19))/100)+(519*12/100)+82,1−17,1=482,6 кг/т чугуна Рассчитаем удельный расход кокса Таблица 4б. Удельный расход кокса при основности шлака 1,15 (повтор) Параметры плавки Эталонная плавка В расчете Δ Корректирующие коэффициенты Изменение расхода кокса Расход известняка, кг/т чугуна 0 151,2 +151,2 0,36 151,2*0,36= +54,4 Удельный выход шлака, кг/т чугуна 340 482,6 +142,6 0,21 142,6*0,21= +29,9 Содержание кремния в чугуне, % 0,66 0,8 +0,14 50 0,14*50= +7 Итого 91,3 Удельный расход кокса, кг/т чугуна 434 525,3 Таблица 5б. Рассчитанная основность шлака 1,15 (повтор) Компонент доменной шихты Удельный расход, кг/ т ч. CaO SiO2 Al2O3 S % кг % кг % кг % кг Рудный материал 1684 8,89 149,7 9,91 166,9 1,22 20,5 0,04 0,67 Кокс 525,3 1,2 6,3 Зола кокса 63,0 5,1 3,2 55,7 35,1 26,1 16,4 Известняк 151,2 54,3 82,1 1,1 1,7 0,5 0,8 0,02 0,03 Итого 1898,2 235,0 203,7 37,7 7,0 Переходит в чугун 17,1 0,3 Переходит в шлак 459,4 51,1 235,0 40,6 186,7 8,3 37,7 6,7 Шлак такого состава имеет вязкость менее 3 сантипауз при температуре 1500 оС.

Основность шлака составляет 1,26. Коэффициент распределения серы равен 46,6. [S] = 7,0/(1+0,4826*46,6) = 0,30 кг/т чугуна или 0,03%, что соответствует ГОСТу для передельного чугуна.

Основность шлака 1,3.

(CaO)ф = (1684*9,91/100+544,8*(12/100)*(55,7/100))*1,3 -1684*8,89/100 = 114,6 кг/т чугуна.

Удельный расход известняка 114,6*100/54,3=211,0 кг/т чугуна при основности шлака 1,3.

Ш=(1684*(100-(7,71+71,19))/100)+(544,8*12/100)+114,6−17,1=518,2 кг/т чугуна Рассчитаем удельный расход кокса Таблица 4 В. Удельный расход кокса при основности шлака 1,3 (повтор) Параметры плавки Эталонная плавка В расчете Δ Корректирующие коэффициенты Изменение расхода кокса Расход известняка, кг/т чугуна 0 211,0 +211,0 0,36 211,0*0,36= +76,0 Удельный выход шлака, кг/т чугуна 340 518,2 +178,2 0,21 178,2*0,21= +37,4 Содержание кремния в чугуне, % 0,66 0,8 +0,14 50 0,14*50= +7 Итого 120,4 Удельный расход кокса, кг/т чугуна 434 554,4

Таблица 5 В. Рассчитанная основность шлака 1,3 (повтор) Компонент доменной шихты Удельный расход, кг/ т ч. CaO SiO2 Al2O3 S % кг % кг % кг % кг Рудный материал 1684 8,89 149,7 9,91 166,9 1,22 20,5 0,04 0,67 Кокс 554,4 1,2 6,65 Зола кокса 66,5 5,1 3,4 55,7 37,1 26,1 17,4 Известняк 211,0 54,3 114,6 1,1 2,3 0,5 1,1 0,02 0,04 Итого 19,61 267,7 206,3 39,0 7,36 Переходит в чугун 17,1 0,32 Переходит в шлак 495,9 54,0 267,7 38,2 189,2 7,8 39,0 6,68 Шлак такого состава имеет вязкость 3−4 сантипауз при температуре 1500 оС.

Основность шлака составляет 1,41. Коэффициент распределения серы равен 73,3. [S] = 7,36/(1+0,5182*73,3) = 0,19 кг/т чугуна или 0,019%, что соответствует ГОСТу для передельного чугуна.

Анализ результатов расчетов Стоимость исходных компонентов шихты состоит из стоимости кокса, рудного материала и флюса. Варьирование состава шихты позволяет изменить основность шлака и уменьшить содержание серы в чугуне. При этом количество рудного материала остается постоянным для выплавки 1 т чугуна, меняется лишь количество флюса и кокса.

Найдем среднюю цену рудного материала: 26*0,55+45*0,45 = 34,55 у.е. Из предыдущих расчетов известны массы компонентов шихты, что позволяет рассчитать цену материалов для производства 1 т чугуна с заданным содержанием серы, результаты расчетов приведены в таблице:

Рассчитанная основность шлака (уточненная) Содержание серы, % Стоимость компонентов шихты для выплавки 1 т чугуна, у.е. 0,9 (0,99) 0,080 145,1 1,15 (1,26) 0,030 152,6 1,3 (1,41) 0,019 157,1

Как видно из предоставленных данных, наибольшую эффективность имеет увеличение основности шлака от 0,9 до 1,15, расходы на уменьшение содержания серы на 0,01% в чугуне здесь составляют 1,5 у.е. Дальнейшее увеличение основности шлака и уменьшение содержания серы оказываются менее эффективными, так для области основности шлака в пределах 1,15−1,3 уменьшение содержания серы на 0,01% требует затрат 4,9 у.е. на 1 т выплавленного чугуна.

Выводы Увеличение основности шлака и, как следствие, уменьшение содержания серы в чугуне требует дополнительных затрат. Согласно проведенным расчетам наибольшую эффективность имеет снижение содержания серы в чугуне от 0,08% до 0,032%. Однако, при основности шлакового материала 0,9 не удастся выплавить передельный чугун (передельный ПI), соответсвующий ГОСТу, т.к. содержание серы в нем превышает допустимые нормы. В то же время, рассчитанный состав шихты для основности шлакового материала 1,15 имеет ряд приемуществ: низкое содержание серы в полученном чугуне (0,032%), низкую вязкость шлаковых материалов при 1500 оС (менее 3 сантипауз), высокую эффективность изменения основности шихты для уменьшения содержания серы в выплавляемом чугуне и относительно невысокую стоимость по уменьшению содержания серы в чугуне на 0,01%.

Список использованной литературы Мезенин Н. А. Занимательно о железе. М. «Металлургия», 1972

Сообщения World Steel Association (WSA)

Глинка Н. Л. Общая химия. Л.: Химия, 1985

Богданова О. С. Справочник по обогащению руд. Основные процессы. Недра, 1983

Коротич В.И., Фролов Ю. А., Бездежский Г. Н. Агломерация рудных материалов. «ГОУ ВПО „“ УГТУ-УПИ» «», 2003

Полтавец В. В. Доменное производство. М., 1981

Готлиб А. Д. Доменный процесс. Металлургия, 1966

Рамм А. М. Современный доменный процесс. Металлургия, 1980

Лахтин Ю.М., Леонтьева В. П. Материаловедение. М.: Машиностроение, 1990

Справочник ЗАО УЗЦМ, адрес в сети Интернет

http://www.uzcm.ru/spravka/

Кузьмин Б.А. и др. Металлургия. Металловедения и конструкционные материалы. М.: Высшая школа, 1977