Анализ поведения углерода в процессе электроплавки при применении высокоуглеродистых брикетов синтикома

УДК 621.745.4

АНАЛИЗ ПОВЕДЕНИЯ УГЛЕРОДА В ПРОЦЕССЕ ЭЛЕКТРОПЛАВКИ ПРИ ПРИМЕНЕНИИ ВЫСОКОУГЛЕРОДИСТЫХ БРИКЕТОВ СИНТИКОМА

, ,

Показано, что использование в электропечах брикетов синтикома на основе Fe-O-C вносит принципиальные изменения в главную реакцию сталеварения – окисление углерода, а также возможность получения из высокоуглеродистых брикетов синтикома  в печи высокоэффективного науглероживателя в виде железоуглеродистого расплава нового типа.

Ключевые слова: углерод, электроплавка, брикеты, синтиком, науглероживатель, карботермическое восстановление.

Введение в шихтовку электродуговых печей брикетов синтикома на ос­нове элементов Fe-O-C вносит существенные изменения в главную реак­цию сталеварения – окисление углерода. Суть их заключается в создании нового фронта взаимодействия углерода и конденсированного кислорода, представленного оксидами железа, который содержит брикеты синтикома. Данный фронт служит одновременно зоной получения железа прямого восста­новления и образования в печи значительного количества моноок­сида углерода, являющегося потенциальным энергоносителем в случае его дожигания до СО2. Помимо отмеченных явлений одним из важных следст­вий эффекта применения брикетов синтикома на оксидоугольной основе является науглероживание ванны и дополнительное развитие процесса обезуг­лероживания. Это сопровождается в свою очередь выделением СО, интенсивным кипением и перемешиванием ванны, ускоренным нагревом металла и его рафинированием, более быстрым шлакообразованием и дру­гими позитивными эффектами. Кроме того, интенсивное образование СО и его более раннее выделение внутри слоя холодной шихты, начинающееся сразу с момента загрузки брикетов синтикома, существенно улучшает усло­вия дожигания СО до СО2 и повышает степень усвоения этого тепла благодаря совмещению зон образования СО, его дожигания и передачи те­пла.

Изложенное выше представляет собой результат многочисленных ис­следований, выполненных 10-20 лет назад российскими исследовате­лями и существенно опередивших соответствующие работы за рубежом. Среди этих иссдеователей особо следует выделить исследования ­ского, , .

Использованные в опытной серии плавок брикеты на основе ока­лины и коксовой мелочи отличались весьма высоким содержанием науглеро­живателя порядка 30% и по этому параметру не имеют прецеден­тов. Наличие  в составе брикетов столь значительного количества углеродного компонента  придало этим материалам в дополнение к их обыч­ным свойствам качество высокоэффективного науглероживателя но­вого типа, отличающего от известных жидкофазным состоянием и особо высокой концентрацией углерода в науглероженном железе.

Общее количество брикетов синтикома в опытной серии плавок соста­вило 112 т или 7,47 т в среднем на плавку. Из общего расхода брике­тов на долю коксика приходилось 33,6 т или 2240 кг на каждую плавку. С этим количеством коксика в ДСП за всю серию опытных плавок поступило 27,89 т углерода или в среднем 1859,33 кг углерода на плавку.

Восстановление оксидов железа синтикома данного состава в виде Fe2O3 и FeO при суммарной доле их 60% требует ориентировочно расхода 100 кг углерода на 1 т материала или 238,1 кг на 1 тонну полученного же­леза. Общая потребность на полное восстановление всех окислов железа, имеющихся в 112 т брикетов, составляет:

100 х 112 = 12000 кг = 11,2 т или  746,67 кг углерода в среднем на плавку.

Избыток углерода, оставшийся неизрасходованным на карботермиче­ское восстановление, будет равен:

27,89 – 11,20 = 16,69 т или 16690 кг.

Это количество углерода вносится в электропечь и идёт на дополни­тельное науглероживание образующегося железа прямого восстанов­ления и в конечном счете науглероживание металлической ванны. В расчёте на одну плавку вносится 1112,67 кг дополнительного наугле­роживателя в виде углерода. Этому соответствует содержание угле­рода в восстановленном железе, равное (10,99/44,8)*100=37,25%. Столь высокое содержание углерода в железе не имеет прецедента и будет рассмот­рено далее.  Наличие дополнительного количества науглерожива­теля данного типа, причем в жидком состоянии, является одной из главных особенностей опытных плавок.

Ввод брикетов в шихтовку опытных плавок существенно изменяет ис­ходное содержание углерода в шихте. Металлическая шихта опытных плавок включает в себя лом и чугун в количестве соответственно 2368,7 и 225,4 т при общей их массе 2594,1 т. Принимая концентрацию углерода в этих материалах, равной 0,3% и 4,5% или 3 и 45 кг/т соответственно, опреде­лим общее содержание углерода в металлической части шихты опыт­ных плавок:

2368,7 х 3 + 225,4 х 45 = 7106,0 + 10143,0 = 17249 кг или 17,25 т.

На одну плавку приходится 1150 кг углерода. Среднее содержание угле­рода в исходной шихте при этом составит:

17,25 / 2594,1 х100 =0,665%.

В процессе плавки весь этот углерод окисляется, удаляясь из ме­талла.

Использование брикетов синтикома кардинально увеличивает содержа­ние углерода в шихте. С учётом наличия в материале 27,89 т угле­рода суммарное количество углерода достигнет значения:

17,25 + 27,89 = 45,14 т или 3009,3 кг на плавку.

Следовательно, при работе ДСП с использованием брикетов общее ко­личество углерода в шихте возрастает с 17,25 до 45,14 т или в 2,62 раза. При этом общая концентрация углерода в шихте, вносимого металличе­ской шихтой и брикетами синтикома, будет равна:

(45,14 х 100) / 2594.1 = 1,74%

Это значение существенно больше концентрации углерода в шихте, соз­даваемой металлической шихтой и равной 0,665%. В среднем на плавку содержание углерода увеличивается с 1150 кг до 3009,3 кг. Принимая во внимание расходование части углерода брикетов синтикома на восстановле­ние в количестве 11,2 т, не участвующего в выплавке стали, количество углерода, поступающего в ДСП несколько снижается и стано­вится равным:

(17,25 + 27,89 – 11,2) = 33,94 т или 2262,67 кг в среднем на плавку.

Применительно к этому содержание углерода в шихте опытных пла­вок с учётом расходования части углерода на восстановление будет равно:

(33,94 х 100) / 2594,1 = 1,36%.

Это несколько меньше исходного содержания углерода в шихте, состав­ляющего 1,74 %, но достаточно велико, превышая практически вдвое этот показатель на сравнительных плавках

Для сравнительных плавок при массе исходной металлической шихты 2621,0 т и доле лома и чугуна, соответственно 2327,3 и 293,7 т, содер­жание углерода в шихте будет равно: 

  2327,3 х 3 + 293,7 х 45 = 6981,9 + 13216,5 = 20198,4 кг или 20,20 т.

На одну сравнительную плавку при этом приходится 1346,67 кг угле­рода. Соответственно, концентрация углерода в шихте сравнительных плавок составит:

(20,2 х 100) / 2621,0 = 0,77%

Концентрация углерода в металлической шихте, равная 0,77%, близка к аналогичному показателю опытных  плавок, равному 0,665%. Не­сколько большая величина его объясняется более высоким количеством твёрдого чугуна в шихте сравнительных плавок –293,7 т против 225,4 т  в опытной серии. Однако ввод в шихту  опытных плавок брикетов синти­кома повышает содержание углерода в шихте до 1,36% и делает разницу в содержании углерода весьма существенной.

Сопоставляя представленные выше результаты, приходим к выводу о том, что применение брикетов синтикома данного состава резко увеличи­вает содержание углерода в шихте по сравнению с работой электропечей на одном металлическом сырье – с 0,665 до 1,36%. Приведенные пара­метры показывают, какие значительные изменения вносит использование брикетов синтикома в содержание исходного количества углерода в шихте, увеличивая его в два раза.

Отмеченный выше фактор является главенствующим, отличая про­цесс электроплавки на металлической шихте с добавлением брикетов синти­кома от классической технологии.

Выполненный выше анализ относится ко всей массе шихты, используе­мой в серии опытных и сравнительных данных, в целом. Рассмот­рим теперь эти данные применительно к отдельной плавке.

Для опытных плавок имеем:

- количество коксика, вносимого на одну плавку брикетами синти­кома:

33,6 / 15 = 2,24 т/плавку или 2240 кг/плавку;

- то же в пересчёте на углерод:

27,89 /15 = 1,859 т/плавку или 1859,3 кг/плавку;

- количество углерода, вносимого металлической шихтой (металло­лом и чугун):

17,249 / 15 = 1,1499 т/плавку или 1150 кг/плавку;

- суммарное поступление (приход) углерода из металлошихты и брике­тов синтикома:

45,14 / 15 = 3,009 т/ т шихты или 3009,3 кг/т шихты;

Для сравнительных плавок имеем:

- количество коксика, вносимого брикетами синтикома:  «0»;

- количество углерода, вносимого брикетами синтикома: «0»;

- количество углерода, вносимого металлической шихтой (металло­лом и чугун):

20,20 /15 = 1,347 т/плавку или 1347 кг/плавку.

Удельный расход углерода на опытных плавках составил

(45,14 х 103) / 2638,90 = 17,11 кг/т шихты;

или 45,14 х 103 / 2416,51 = 18,68 кг/т полупродукта;

При учёте убыли части углерода на восстановление железа значе­ние этих показателей будет равным

(33,94 х 103) / 2638,9 = 12,86 кг/т шихты или (33,94 х 103) / 2416,51 = 14,05 кг/т полупродукта.

На сравнительных плавках эти показатели составили соответст­венно

(20,20 х 103) / 2621,0 = 7,71 кг/т шихты или (20,20 х 103)/2391,77 = 8,45 кг/т полупродукта.

Отличие между этими параметрами для опытных и сравнительных пла­вок представляются весьма значимым, достигающими 1,66 раза.

В традиционной классической электроплавке на металлическом сы­рье поведение углерода складывается из двух отдельных процессов. Пер­вый из них – окисление углерода металлической ванны с целью получе­ния заданной концентрации углерода в металле перед выпуском полупродукта из печи. Второй – окисление углерода, вдуваемого в шлак с целью его вспенивания и экранирования электрических дуг, протекающий в жидкий период плавки после полного расплавления всей шихты и образова­ния жидкой металлической ванны. К науглероживанию металла данный процесс не имеет отношения. При этом количество окисляемого углерода сопоставимо по величине и составляет 4-8 кг на тонну стали для каждого из этих элементов плавки.

Введение по ходу электроплавки брикетов синтикома создаёт но­вый дополнительный фронт окисления углерода, располагающийся непосред­ственно в кусках материала. Присутствие в составе брикетов одновре­менно углерода и окислителя в виде кислорода оксидов железа (конденсированного кислорода) создают в сочетании с подводом энергии необходимые и достаточные условия для их взаимодействия. Результатом этого является карботермическое восстановление железа из его оксидов, сопровождающееся образованием нового железа и выделением моноок­сида углерода. При этом часть углерода окисляется конденсированным кисло­родом оксидов железа, снижая его содержание по сравнению с необходи­мым. Оставшаяся в избытке большая часть углерода переходит в железо, образуя высокоуглеродистый расплав, который далее стекает вниз и поступает в металлическую ванну, дополнительно науглероживая её. Дан­ный расплав при этом выполняет роль жидкометаллического науглерожи­вателя, не имеющего аналогов.

Процесс карботермического восстановления протекает с момента на­чала плавки и ввода брикетов в электропечь и происходит одновременно и параллельно с расплавлением шихты. Образующийся расплав, имея повы­шенную концентрацию углерода, приобретает при этом дополнитель­ную склонность к обезуглероживанию. Одним из доминирующих факто­ров, усиливающих этот эффект, является присутствие в железоуглеродистом расплаве части углерода, находящегося в виде ультрадис­персных частиц графита в свободном виде (коллоидный раствор углерода в железе). Вследствие этого создаются благоприятные условия для начала более раннего окисления углерода, а именно с момента начала плавления. Сдвиг обезуглероживания в начало плавки создаёт предпо­сылки для интенсивного кипения, перемешивания металла и шлака, улучше­ния шлакообразования и рафинирования, ускорения нагрева. Од­ним из следствий этого является тенденция получения к концу плавки весьма низкой концентрации углерода на уровне 0,02-0,04%.

Следовательно, появление в электропечи нового фронта окисления уг­лерода, которым являются собственно брикеты синтикома, одновре­менно сдвигает окисление углерода в расплаве, образующемся из синти­кома и металлической шихты, в начало плавления. Это означает возникновение в электродуговой печи ещё одной области обезуглерожива­ния, роль которой выполняет расплав, образующийся из металлошихты и восстановленного железа. Повышенная концентрация углерода в этом рас­плаве, обусловленная науглероживающей способностью брикетов синти­кома, выполняет в этом случае роль достаточного условия. Отмеченное выше раннее начало окисления углерода является одним из преимуществ технологии электроплавки с применением синтикома.

Дополнительное и весьма существенное науглероживание металличе­ской ванны вызывает необходимость последующего удаления избыточного углерода и соответствующего увеличения расхода окисли­теля. Роль процесса обезуглероживание металлической ванны при этом полно­стью сохраняется, однако окисление углерода при этом усиливается и приобретает более развитый характер. Достаточно сравнить случай обезугле­роживания ванны с высокой и более низкой концентрацией угле­рода.

Из изложенного следует, что дополнительный ввод в шихту брике­тов синтикома, обладающих высоким науглероживающим эффектом, карди­нально меняет баланс углерода и его поведение, в том числе природу процесса обезуглероживания и его характер. Наличие в составе шихты брике­тов синтикома создаёт новые области окисления углерода, располагаю­щиеся непосредственно в кусках этого материала, а также сущест­венно изменяет традиционный процесс обезуглероживания металлической ванны, усиливая его. Одновременно с этим достигается пере­нос начала окисления углерода с жидкого периода на начало плавле­ния. Это создаёт условия для ведения плавки с непрерывным окислением углерода по ходу всего процесса, существенно ускоряющим тепломассооб­мен по сравнению с существующей технологией.

Отдельно рассмотрим вопрос о количестве высокоуглеродистого рас­плава – чугуна, который образуется из восстановленного железа и жид­кого металла, получаемого в результате перехода металлической шихты из твёрдого в жидкое состояние. Из 33,6 т углерода, присутствующего в 112 т брикетов синтикома, на дополнительное науглероживание расходуется часть его, равная 16,69 т. При содержании в чугуне 4.2% углерода или 42 кг/т чугуна данное выше количество углерода по науглероживающей способно­сти эквивалентно следующему количеству чугуна: (16,69 х 103) /42 = 397,38 т чугуна.

Следовательно, науглероживающая способность синтикома оказыва­ется достаточной для образования 397,38 т жидкого чугуна. Это означает возможность получения непосредственно в электродуговой печи жидкого чугуна, причём в значительных количествах – для данных усло­вий 26,5 т  на плавку или 164,49 кг/т полупродукта.

Таким образом, работа дуговой сталеплавильной печи при вводе в её шихту синтикома позволяет благодаря его высокой науглероживающей способности переводить значительную часть расплава, образующегося из твёрдой металлошихты и в результате восстановления, в расплав чугуна. В данном случае доля жидкого чугуна на опытных плавках составила (397,3 х 100) / 2416,51 = 16,44%. С технологической точки зрения это эквива­лентно заливке в электропечь жидкого чугуна с массой, составляющей 16% от общей массы металлошихты.

С позиций энергетики увеличение удельного расхода углерода на опыт­ных плавках до 14,05 вместо 8,5 кг/т стали в сравнительных плавках приводит к поступлению в печь дополнительного количества тепла. На плав­ках с использованием 46,5 кг/т синтикома общее количество тепла от окисления углерода до СО и дожигания СО до СО2 при степени дожигания  40% и коэффициент усвоения тепла 55%составляет 89 кВт*ч/т стали. Это существенно превышает аналогичный показатель на опытных плавках без применения синтикома, равный 48 кВт*ч/т.

Сквозной энергетический к. п.д. при этом составляет 57-59%. Дан­ное значение существенно превышает показатели известных вариантов приме­нения других энергоносителей, в том числе и наилучшие из них.

Отметим особо, что приведенная величина значительно превышает сквозной энергетический к. п.д. ЭДП при работе ее на электрической энер­гии равный всего 20-25%.

Суммарная энергоемкость работы ЭДП с использованием брикетов син­тикома не превышает 1490 кВт*ч/т стали. Удельные выбросы  СО2 при этом составляют менее 400 кг/т металла.

Показатели, характеризующие новую технологию подтверждают, что по технологической, энергетической, экологической и экологической эффективности новый способ превосходит существующие технологии вы­плавки стали. Можно ожидать, что принцип максимального использования углерода в ЭДП получит широкое применение в электроплавке.

Список литературы

1. Инновационное развитие электросталеплавильного производства. , , Монография. М.: Металлургиздат, 2014. 308 с. Ил.

2. Патент РФ № 000 «Способ выплавки стали в электродуговой печи и электродуговая печь» Опубликовано 27.01.2015г. Бюл.№3.

3. , , Новые синтетические композиционные материалы и технология выплавки стали с их использованием. – М.: Интерконтакт Наука, 2008. 272 с.

4. . , Энерготехнологические особенности использования синтикома при выплавке стали в электродуговых печах. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013.112 с.

, канд. техн. наук, доц., *****@***ru, Россия, Тула, Интермет-Сервис»,

, генеральный директор, *****@***ru, Россия, Тула, ГК «Ферро-Технолоджи»,

, генеральный директор, *****@***ru, Россия, Тула, «Инновационные технологии и материалы».

ANALYSIS OF THE BEHAVIOR OF CARBON IN THE PROCESS OF ELECTRIC SMELTING WITH THE USE OF HIGH-CARBON BRIQUETTES SINTICOM

G. A. Dorofeev, P. R.  Yantovskiy, Y. M. Stepanov

It is shown that the use of electric furnaces the briquettes synticom based on Fe-O-C is making fundamental changes in the main reaction of steelmaking, the oxidation of carbon, as well as the possibility of obtaining high-carbon briquettes in a furnace synticom highly effective naegleriasis in the form of iron-carbon melt is a new type.

Key words: carbon, electrofusion, briquettes, sindicom, naplanovane, carbothermic reduction.

Dorofeev Genrikh Alekseevich, candidate of technical science, docent, *****@***ru, Russia, Tula, OOO «NPMP Intermet-Service»,

Yantovskiy Pavel Rudolfovich, general director, *****@***ru, Russia, Tula, Ferro-Technology Group,

Stepanov Yaroslav Mihajlovich, general director, *****@***ru, Russia, Tula, production enterprise «Innovative technologies and materials» LLC.