Отримання синтетичних ливарних чавунів

Малюнок 2.11– Залежність питомої продуктивності та питомої витрати коксу в доменних печах від вмісту кремнію в чавуні (числа у кривих – обсяги доменних печей, м 3 )

Наразі накопичено великий позитивний досвід виробництва синтетичного ливарного чавуну на низці металургійних заводів України та України. При цьому присадку феросиліцію в чавун здійснювали в потоці чавуну на жолобі доменної печі або безпосередньо в чавуновозний ківш. Однак, високий ступінь засвоєння феросиліцію (85-90%) досягався лише за умови дотримання найбільш сприятливих для розчинення феросиліцію умов. Так, при виробництві синтетичного ливарного чавуну на Магнітогорському металургійному комбінаті феросиліцій ФС75, попередньо підігрітий у контейнерах коксовим газом (розмір шматків 50-80 мм), завантажували в ківш, розпечений до червоного. На ряді металургійних заводів у ківш перед заливкою чавуну подавали рідкий феросиліцій. Організаційно-технологічні недоліки таких технологій у принципі досить очевидні, що власне і підтверджується тим фактом, що вони не набули серйозного поширення.

Високих показників за засвоєнням твердого феросиліцію досягнуто НВО «Тулачермет». При цьому електропічний феросиліцій ФС45 і ФС75 вводять у строго нормованих дозах в струмінь чавуну на жолобі доменної печі під час випуску. Найкращі умови для засвоєння феросиліцію (85-95 %) відповідають певній крупності шматків (близько 30 мм) та температурі чавуну на випуску (близько 1550 про С). Проведені дослідження показали суттєву неоднорідність чавуну за вмістом у ньому кремнію, яка за оптимальних умов обробки становила щонайменше 0,2-0,3%.

Аналізуючи розглянуті результати, не можна не відзначити, щопроблема максимально повного розчинення феросиліцію в чавуні визначається двома головними аспектами: наявність позитивного теплового балансу з точки зору забезпечення процесу розплавлення феросиліцію, що вводиться; забезпечення умов для швидкого розчинення феросиліцію за рахунок інтенсифікації процесів масо- та теплообміну (примусове перемішування).

На рис.2.12 представлена розрахункова діаграма зміни температури чавуну при розчиненні феросиліцію безпосередньо в ковші, побудована на підставі теплового балансу.

У розрахунку було прийнято, що феросиліцій завантажується в ківш після зливу чавуну, яке розчинення відбувається після заповнення ковша в умовах інтенсивного перемішування. Передбачається, що за рахунок ентальпії футерування ковша (тепло від попередньої плавки) феросиліцій перед заливкою прогрівається до температури 500 про С, а перед примусовим перемішуванням чавун і феросиліцій витримуються в ковші 80-90 хв (втрати тепла 5 /хв, а в процесі перемішування – 1,0 про З/хв).

Малюнок 2.12- Діаграма зміни температури чавуну в ковші: 1-4 - температура плавлення феросиліцію; 5-8 – температура у ковші після випуску з доменної печі; 9-16 – температура в період нагрівання та розплавлення феросиліцію; 17-22 - потрібна температура на випуску з доменної печі; точки 9,11,13,15,17,19,21 відповідають підвищенню вмісту кремнію в чавуні на 1%; точки 10,12,14, 16,18,20,22 відповідають підвищенню вмісту кремнію в чавуні на 2,5%.

Необхідна температура чавуну на випуску з доменної печі визначена як сума втрат тепла чавуном при нагріванні та розплавленні феросиліцієм (з урахуванням теплового ефекту), випуску з доменної печі, транспортуванні та обробці, складена зтемпературою плавлення феросиліція заданої марки.

Як видно з представленої діаграми, найбільш сприятливі умови для розплавлення феросиліцію створюються при використанні ФС65, так як витрати тепла на його розплавлення визначаються, головним чином, втратами тепла чавуном при витримці в ковші, а температура його плавлення виявляється найменшою.

Незважаючи на те, що динаміка зміни температури чавуну при розплавленні феросиліцію ФС65 і ФС75 практично однакова, для розплавлення останнього потрібна велика температура чавуну на випуску через різницю в значеннях температури плавлення. Використання ж феросиліція ФС25, мабуть, може мати лише обмежений характер і, перш за все, для невеликої корекції вмісту кремнію в чавуні. Порівнюючи отримані дані щодо необхідної температури чавуну на випуску з доменної печі з даними НВО «Тулачермет», не можна не відзначити, що розрахункові дані вийшли трохи нижче. Це, на нашу думку, свідчить про те, що в технології НВО «Тулачермет» перемішування чавуну з феросиліцією виявляється недостатньо ефективним. Тому більш повне засвоєння феросиліцію може бути досягнуто за рахунок збільшення тривалості перебування феросиліцію в чавуні (повніше використання ентальпії чавуну), попереднього підігріву феросиліцію і примусового його перемішування з чавуном в процесі ковшової обробки (збільшення щільності теплового потоку, зменшення товщини відрив неповністю частинок, що розчинилися, феросиліція за рахунок впливу з примусовими конвективними потоками). Характерним прикладом такої технології, що поєднує всі ці принципи, є технологія отримання синтетичного ливарного чавуну з використанням пульсаційного перемішування металуковші, яка включає наступні основні етапи:

завантаження феросиліцію в гарячий ківш після зливу з нього чавуну на ділянці розливальних машин;
транспортування ковша до доменних печей, у процесі якого здійснюється попереднє нагрівання феросиліція за рахунок ентальпії футерування ковша (1,5-2,0 год);
заповнення ковша чавуном, у процесі якого внаслідок становища феросиліція на дні ковша відбувається його «приморожування»;
транспортування ковша з чавуном до установки позапічної обробки (0,8-1,2 год), у процесі якого здійснюється наступне прогрівання феросиліцію аж до температури плавлення;
розчинення феросиліцію в чавуні в процесі пульсаційного перемішування (14-15 хв) за допомогою розмивання «примороженого» феросиліцію пульсуючим затопленим струменем чавуну.

Технологія та промислова установка були відпрацьовані за умов Донецького металургійного заводу (рис.2.13).

Як показали дослідження, ступінь засвоєння при пульсаційному перемішуванні може становити 90-95% навіть для неподрібненого феросиліцію. Наявні, хоч і досить незначні, втрати феросиліцію, мабуть, пов'язані з тим, що в процесі взаємодії феросиліція з пульсуючими струменями чавуну деяка частина шматків спливає на поверхню і потрапляє в шлак, де їхнє розплавлення суттєво утруднюється. Крім того, встановлено, що при зливі чавуну на розливу в ковші практично завжди залишається деяка кількість чавуну (зазвичай не більше 2 тонн), яке при визначенні ступеня засвоєння феросиліція до уваги не береться.

Ступінь засвоєння феросиліцію залежить від температури чавуну в ковші і для чавуну з недостатньо високою температурою помітно знижується (мал.2.14), оскільки його розплавленняприпиняється при зниженні температури чавуну нижче температури плавлення феросиліцію. Встановлено, що феросиліцій, що не розплавився, залишається «примороженим» до днища ковша і розчиняється при подальшому наливі, що може призвести до отримання некондиційного чавуну.

Малюнок 2.13- Дослідно-промислова установка для пульсаційного перемішування чавуну: 1-робочий візок із шахтами; 2-естакада; 3-каретка; 4-чавуновозний ківш з металом; 5-футерована занурювальна колона; 6,7-патрубок для відведення та підведення газу; 8-розподільний клапан; 9-привід клапана; 10-ресивер

З погляду скорочення витрат за отримання синтетичного чавуну значний інтерес становить використання феросиліція без додаткового дроблення (зазвичай феросиліцій поставляється у шматках з максимальним лінійним розміром 300-350 мм). Однак при цьому ступінь засвоєння феросиліції падає, як мінімум, на 20-25% через спливання великих шматків у шлак. Підвищення ступеня засвоєння (до 93-94%) в цьому випадку вдається досягти шляхом зменшення в 1,5-3,5 рази глибини занурення пульсаційної колони в заключні 0,25-0,50 періоду обробки, що стимулює перемішування верхніх шарів чавуну зі спливлими. шматками феросиліція.

Малюнок 2.14- Ступені засвоєння подрібненого феросиліцію ФС45 для різних температур чавуну та тривалостей пульсаційної обробки

У комплексі з розглянутою технологією отримання синтетичного ливарного чавуну було досліджено можливість його десульфурації злитковим магнієм у ковші. З точки зору забезпечення мінімальної тривалості обробки найбільш доцільним є послідовне розчинення феросиліцію, а потім обробка магнієм. У цьому випадку тривалість пульсаційного перемішування можебути зменшена до 7-10 хв, оскільки надалі чавун інтенсивно перемішується при десульфурації. При цьому ефективність використання магнію для десульфурації синтетичного чавуну щонайменше не нижче, ніж звичайного доменного. Це, певне, пояснюється тим, що температура синтетичного чавуну під час обробки виявляється трохи нижче. Характерною особливістю методу отримання синтетичного ливарного чавуну із застосуванням пульсаційного перемішування є досягнення високої хімічної однорідності у макро-, а й у мікрооб'ємах. Дослідженнями, виконаними за допомогою рентгенівського мікроаналізатора MS-46 «Cameca», показано, що концентраційні профілі розподілу кремнію в синтетичному ливарному та доменному чавунах ливарному практично однакові.

Узагальнюючи розглянуті дослідження, можна стверджувати, що в доменних цехах металургійних заводів існують широкі можливості з доведення чавуну до рівня високоякісного ливарного, що представляє значний інтерес для споживачів – ливарних цехів машинобудівних заводів. Безумовно, у разі потреби отримання високоякісних виливків ливарні цехи будуть зацікавлені у придбанні вихідного чавуну високої кондиції.

Що ж до позапічної обробки чавуну безпосередньо в ливарних цехах, то, на наш погляд, основна сфера її застосування більшою мірою може бути обмежена коригуванням хімічного складу чавуну під регламентований склад, а також його модифікацією та мікролегуванням для високоякісних виробів відповідального призначення. При цьому в чавун будуть вводитися значно менші кількості лігатур, що, зрештою, не вимагає значних витрат тепла на їх розплавлення або засвоєння. Способи введеннямодифікаторів та лігатур у метал також можуть бути різними: подрібнені матеріали, вдування порошків, порошкоподібний дріт та ін. Видається найбільш доцільним та ефективним здійснювати введення лігатур та інших матеріалів одночасно з інтенсивним перемішуванням розплаву.

При виборі оптимальних методів обробки чавуну та способів введення добавок велике значення має механізм та кінетика розчинення феросплаву (або іншого матеріалу) у рідкому чавуні. Залежно від співвідношення температури плавлення матеріалу, що вводиться ТП, температури кристалізації чавуну ТК і температури чавуну в ковші ТЧ розрізняють легкоплавкі (ТП ТЧ). Такий умовний поділ матеріалів, що вводяться в метал, дозволяє зіставити кінетику їх розчинення в чавуні (рис.2.15). Так, процес розчинення легкоплавкого феросплаву відбувається у три етапи. Протягом першого етапу феросплав прогрівається до температури плавлення, але в його поверхні «намерзає» тверда скоринка чавуну.

Малюнок 2.15– Схематичне уявлення кінетики розплавлення легкоплавкого (а, б) та тугоплавкого (в) феросплаву в чавуні

На другому етапі феросплав починає плавитися під «намерзлою» скоринкою і в залежності від конкретних умов (величини теплового потоку і теплофізичних властивостей феросплаву) період закінчується або повним розчиненням феросплаву, або повним розплавленням твердої оболонки і зануренням нерозплавленої частини шматка феросплаву. Під час третього етапу завершується або розчинення твердої оболонки, або розчинення матеріалу, що вводиться. Утворення рідкої фази феросплаву під твердою оболонкою в кінцевому підсумку може викликати виникнення в ній тріщин (обсяг рідкого феросплаву більшого, ніж твердого) і витікання рідкого феросплаву, щоінтенсифікує процес його розчинення з допомогою локального перегріву розплаву. Розтріскування оболонки «намерзлої» сталі, наприклад, стосовно розчинення феросиліція підвищує швидкість його розчинення в 1,5-1,6 рази. Процес розчинення тугоплавкого феросплаву в металі можна також умовно розбити на три етапи: на першому етапі метал «намерзає» на шматок феросплаву, на другому – феросплав прогрівається до температури плавлення, а скоринка розплавляється, а на третьому відбувається плавлення та розчинення феросплаву в металі.

Відповідно до розглянутої класифікації, більшість промислових марок феросплавів на відміну від сталі, є тугоплавкими по відношенню до чавуну. Відповідно потрібно коригування методів введення феросплавів у розплав. У першу чергу, може йтися про створення умов для тривалого перебування частинок матеріалу, що вводиться в розплаві в умовах примусового перемішування. Додаткові можливості щодо поліпшення розчинності модифікаторів і феросплавів в рідкому чавуні можуть бути створені за рахунок надання частинкам, що вводяться, спеціальної геометричної форми, наприклад, у вигляді пластинок.