Сдам Сам

ПОЛЕЗНОЕ


КАТЕГОРИИ







Исследование возможности выплавки кальцийсодержащих сплавов их отвальных марганцевых шлаков и высокозольных углей





 

 

– Металлургия

 

 

Магистерская диссертация на соискание академической степени

магистра металлургии (см. ГOСO)

 

 

СOДЕРЖАНИЕ

 

 
1. ПРИМЕНЕНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО КОМПЛЕКСНЫХ ФЕРРОСПЛАВОВ С КАЛЬЦИЙСОДЕРЖАЩИМИ СПЛАВАМИ……………………………………..
1.1 Кальцийсодержащие лигатуры в производстве стали.......................................
1.2 Технология выплавки комплексных кальцийсодержащих сплавов ………......
1.3 Угольная промышленность мира…………...………............................................
1.4 Угольная промышленность Казахстана………………………………………..
 
2. ИССЛЕДOВАНИЕ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ СВOЙСТВ ШИХТOВЫХ МАТЕРИАЛOВ ВЫПЛАВКИ АЛЮМОСИЛИКОМАРГАНЦА С КАЛЬЦИЕМ, В ЧАСТНOСТИ ОТВАЛЬНЫХ МАРГАНЦЕВЫХ ШЛАКОВ И ВЫСОКОЗОЛЬНЫХ УГЛЕЙ……………………….…………………………….
2.1 Дифференциально-термические анализы исследуемых материалов……….
2.2 Изучение фазовых превращений в шихте выплавки КАМС методом рентгенофазового анализа….………………………………………………………..
2.3 Полный термодинамический анализ системы Al-Si-Ca-Mn-O-C на программном комплексе «АСТРА-4»…………………………………………….
 
3. КРУПНО-ЛАБОРАТОРНЫЕ ОПЫТЫ ПО ВЫПЛАВКЕ АЛЮМОСИЛИКОМАРГАНЦА С КАЛЬЦИЕМ ИЗ ОТВАЛЬНЫХ МАРГАНЦЕВЫХ ШЛАКОВ И ВЫСОКОЗОЛЬНЫХ УГЛЕЙ………………….
3.1 Проведение термодинамически-диаграммного анализа системы Al-Si-Ca-Mn.. …………………………………………………………………………
3.2 Крупно-лабораторные испытания технологии выплавки алюмосиликомарганца с кальцием в рудно-термической печи с мощностью трансформатора 0,2 МВА…………………………………………………………..
3.3 Расчет технико-экономических показателей выплавки алюмосиликомарганца с кальцием …………………………………………..................................................
3.4 Физико-химические свойства комплексного сплава алюмосиликомарганца с кальцием………………………………………………………………………………
3.5 Исследование микроструктуры и фазового состава комплексного сплава КАМС ………………………………………………………………………………..
ЗАКЛЮЧЕНИЕ…………………………………………………..……………………
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ…….…………………………
ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………………………

OПРЕДЕЛЕНИЯ, OБOЗНАЧЕНИЯ И СOКРАЩЕНИЯ



 

В настоящей диссертации применяют следующие термины c соответствующими определениями:

Анализ термический– метод определения температур фазовых переходов по отклонениям от монотонного изменения температуры в ходе непрерывного нагрева или охлаждения в результате процессов, сопровождающихся поглощением или выделением тепла.

Термодинамически-диаграммный анализ (ТДА)– метод физико-химического анализа процессов в многокомпонентных системах, совмещающий арсенал термодинамического метода c информативностью диаграмм состояния.

Фаза– однородная по химическому составу, кристаллической структуре и физическим свойствам часть гетерогенной термодинамической системы, отделённая от других ее частей поверхностями раздела, на которых происходит изменение свойств.

Пик– часть кривой ТА, которая отклоняется, a затем вновь возвращается к базисной линии.

Колоша– порция единовременно загружаемых в шахтную печь рудных материалов, флюсов и твердого топлива с определенным соотношением компонентов.

Колошник– верхняя часть ферросплавной руднотермической печи.

Шихта– смесь сырьевых материалов, а в некоторых случаях и топлива, подлежащая переработке в металлургических печах.

 

В настоящей диссертации применяют следующие сокращения:

 

АкЗФ – Аксуский завод ферросплавов
АМС – Алюминий – марганец - кремний
ДТА – Дифференциально-термический анализ
КАМС – Кальций – алюминий – марганец - кремний
ККА – Кремний—кальций—алюминий
МГТУ – Московский Государственный технический университет
ПТА – Полный термодинамический анализ
ПТМ – Полное термодинамическое моделирование
ТХМЗ – Темиртауский химико-металлургический завод
ТМЗ – Таразский металлургический комбинат
ХМИ – Химико-металлургический институт

 

 


 

ВВЕДЕНИЕ

 

Coвременнoе cocтoяние прoблемы.В настоящее время возрастает интерес металлургов к кальцийсодержащим сплавам. Данные сплавы успешно применяются в черной металлургии при раскислении стали, однако широкое их применение сдерживается сложностью и высокой стоимостью их производства. Преимущество использования комплексных кальцийсодержащих раскислителей определяется прежде всего возможностью получения легкоплавких включений, легко удаляющихся из жидкой стали [1-3].

Известно, что при получении силикокальция широко используют двухстадийную схему выплавки силикотермическим способом, в которой в качестве восстановителя используют высокосортные марки ферросилиция. Это значительно повышает себестоимость кальцийсодержащих ферросплавов и препятствует их широкому применению в металлургии.

Разрабатываемая технология кардинально отличается от существующих тем, что основным восстановителем является твердый углерод, содержащийся в высокозольном угле. Данная технология относится к бесшлаковой и практически безотходной.

Рост производства марганцевых ферросплавов сопровождается увеличением выхода отвальных шлаков. Часть данных шлаков перерабатывается на стройматериалы, но основная часть складируется в отвалы. При этом безвозвратно теряется значительное количество такого ценного элемента как марганец (имеющего стратегическое значение), содержание которого в шлаках достигает 15-20%. Для примера, в марганцевом концентрате содержание марганца составляет 30-40%. Повторная переработка данных шлаков по существующим применяемым технологиям не возможна или не рентабельна.

Марганцевые шлаки также содержат в среднем до 30-40% CaO, 30-
35% SiO2 и 10-20% Al2O3 и могут служить дешевым сырьем для получения соответственно кальция, кремния и алюминия в металлической форме в составе одного сплава. Сырьевой базой для разрабатываемой технологии также являются высокозольные угли, которые нигде не востребованы и могут служить в качестве углеродистого восстановителя при выплавке кремнеалюминиевых сплавов, так как содержат в зольной части сумму (SiO2 + Al2O3) более 90% [4-6].

Отвалы марганцевых шлаков и высокозольных углей в объеме свыше сотен миллионов тонн занимают тысячи гектаров земель и загрязняют окружающую среду. Необходимость переработки шлаков вызвана экологическими проблемами, которые в настоящее время полностью не решены. Поэтому, значимость их переработки и включения в металлургический передел для получения комплексных кальцийсодержащих ферросплавов (алюмосиликомарганца с кальцием) является главной непосредственной целью данной работы.

Предлагаемая технология по выплавке нового комплексного сплава алюмосиликомарганца с кальцием позволяет заменить дефицитные и дорогие раскислители стали, такие как силикокальций (закупаемый в настоящее время в Китае и РФ), ферросиликомарганец и вторичный алюминий. За счет комплексного использования и утилизации шлаков марганцевого ферросплавного производства появляется возможность повысить степень использования марганца на 10-15% (столько теряется со шлаками при выплавке ферросиликомарганца) и снизить себестоимость получаемого ферросплава.

Возможность использования ферросплавных шлаков и высокозольного угля (стоимость которого не превышает 30-40 $/т) в качестве исходного сырья при получении сплава КАМС (алюмосиликомарганец с кальцием), вместо дорогих высокосортных исходных материалов, как древесный уголь, кокс, свежеобожженная известь, ферросилиций значительно снижает себестоимость получаемого комплексного сплава. Выплавка сплава алюмосиликомарганца с кальцием будет осуществлена без использования дорогостоящегося восстановителя – металлургического кокса (стоимость которого достигает 400$ за 1 тонну), что позволит снизить себестоимость получения сплава более чем на 30 % по сравнению с технологией применения механической смеси ферросилиция, ферросиликомарганца и алюминия.

Дешевизна ферросплавного шлака и высокая стабильность его химического состава, а также возможность использования каменных углей определяют низкую стоимость сплава КАМС, содержащего более 80% таких активных элементов, как марганец, кремний, кальций и алюминий [5].

Применение в качестве шихтового материала марганцевых шлаков и техногенных отходов угольной промышленности значительно улучшит экологическую обстановку в регионе, а организация серийного крупнотоннажного производства этого уникального сплава позволит не только повысить экспортный потенциал республики, но и занятость населения.

 

Aктуaльнocть рaбoты –заключаетсявнеобходимости разработки теоретических и технологических основ переработки отвальных марганцевых шлаков и отходов угольной промышленности для выплавки комплексного сплава алюмосиликомарганца с кальцием, способствующему для вовлечения их в металлургический передел.

Отвалы марганцевых шлаков и высокозольных углей в объеме свыше сотен миллионов тонн занимают тысячи гектаров земель и загрязняют окружающую среду. Необходимость переработки шлаков вызвана экологическими проблемами, которые в настоящее время полностью не решены. Поэтому, значимость их переработки и включения в металлургический передел для получения комплексных кальцийсодержащих ферросплавов (алюмосиликомарганца с кальцием) является главной непосредственной целью данной работы.

 

Цель работы - исследование возможности выплавки алюмосиликомарганца с кальцием (сплав КАМС) из высокозольных углей и отвальных шлаков производства марганцевых ферросплавов с установлением общих закономерностей фазовых равновесий в системе A1-Si-Ca-Mn-О-С и физико-химических свойств нового комплексного сплава.

Задачи исследования:

- исследование физико-химических свойств шихтовых материалов для выплавки комплексного сплава алюмосиликомарганца с кальцием;

- проведение полного термодинамического анализа системы Al-Si-Ca-Mn-O-C на программном комплексе «АСТРА-4» в интервале температур 700-2700К;

- изучение термодинамическо-диаграммного анализа системы Al-Si-Ca-Mn;

- крупно-лабораторные апробация выплавки нового сплава алюмосиликомарганца с кальцием в рудно-термической печи с мощностью трансформатора 0,2 МВА.

- исследование физико-химических свойств нового комплексного сплава алюмосиликомарганца с кальцием;

- исследование микроструктуры комплексного сплава КАМС.

 

Нaучнaя нoвизнa. В нacтoящей рaбoте:

- возможность вовлечения в металлургический передел, в качестве исходного сырья, марганцевых ферросплавных шлаков и высокозольных углей, которые в настоящее время используются в малом количестве:

- исследование и разработка технологии совместного карботермического восстановления марганца, кремния, алюминия и кальция из марганцевых шлаков одностадийным электротермическим способом с использованием в качестве восстановителя высокозольных восстановителей;

- проведение полного термодинамического моделирования (ПТМ) процесса выплавки алюмосиликомарганца с кальцием (сплав КАМС) на программном комплексе «Астра-4», алгоритм которого основан на принципе максимума энтропии и учитывающий все известные свойства реагирующих компонентов, составляющих термодинамическую систему;

- построена диаграмма фазового строения системы Mn-Si-Al-Ca, моделирующей составы различных марок сплава КАМС, позволило установить, что она состоит из 6 элементарных тетраэдров: Si-CaSi2-MnSi-Al; CaSi2-MnSi-Mn5Si3-Al; Mn5Si3-CaSi2-Al-Mn; Mn-Al- CaSi2-CaAl2; Mn-CaSi2-CaAl2-CaSi и Mn-Ca-CaAl2-CaSi;

- в первые проведены крупно-лабораторные плавки комплексного сплава КАМС из отвальных марганцевых шлаков и высокозольных углей карботермическим способом.

- в первые изучены микроструктура сплава КАМС.

 

Ocнoвные пoлoжения рaбoты, вынocимые нa зaщиту:

- результаты фазовых превращений шихтовых материалов выплавки КАМС методом ДТА и РФА;

- результаты экспериментальных исследований металлургических свойств: вязкость, электропроводность и истинная плотность шихтовых материалов;

- результаты изучения фазовых равновесий в металлических системах на основе марганца, кальция и его соединений;

- результаты фазового состава конгруэнтных соединений четырех компонентной системы Mn-Si-Al-Ca;

- результаты крупно-лабораторных исследований выплавки КАМС на рудно-термической печи с мощностью трансформатора 0,2 МВА;

- результаты фазового состава и микроструктура комплексного сплава КАМС методами рентгенофазовым и микроструктурным анализом.

 

Публикации по теме работы - по данной магистерской диссертационной работе были опукликованы следующие статьи:

1 Копабаев А.С., Байсанов А.С., Уразгалиева А.Н., Заякин О.В. Перспективы выплавки новых видов кальцийсодержащих ферросплавов из отвальных марганцевых шлаков и высокозольных углей // Труды Международной научно-практической конференции «Наука и образование – ведущий фактор стратегии Казахстан – 2030» - (Сагиновские чтения №4) – Караганда, 2012. - С. 203-205

2 Копабаев А.С., Байсанов А.С., Уразгалиева А.Н., Есенгалиев Д.А. Тазартылған ферромарганец қождарынан кешенді қорытпа кальцийалюмосиликомарганецті алу мүмкіндігі // VIII халықаралық жас ғалымдар мен студенттердің ғылыми-практикалық конференциясы «Қазақстан Республикасының индустриалды-инновациялық даму стратегиясындағы ғылымның рөлі». - Актобе, 2012.- С. 275-276.

3 Копабаев А.С., Байсанов А.С., Толымбеков М.Ж., Байсанов С.О., Нурумгалиев А.Х. Шихтовые материалы для выплавки комплексного сплава КАМС //Труды II Межд. интерактивной научно-практ. конф. «Инновации в материаловедении и металлургии». – Екатеринбург, 2013. – С. 212-214.

4 Копабаев А.С., Байсанов А.С., Нурумгалиев А.Х., Торговец А.К., Уразгалиева А.Н. Возможность получения комплексного сплава кальцийалюмосиликомарганца из шлаков рафинированного ферромарганца // Материалы Республиканского научного журнала «Технология производства металлов и вторичных материалов». – Темиртау, 2013. - С. 20-22.

5 Baisanov A.S., Kopabaev A.S., Baisanov S.O., Tolymbekov M.Zh., Dzhundibaev M.K. Theoretical and practical aspects of the smelting of new complex alloy - alumosilikomanganese with calcium //The thirteenth international ferroalloys congress INFAKON XIII. – Almaty, 2013. – P. 775-780.

6 Копабаев А.С., Байсанов А.С., Нурумгалиев А.Х., Торговец А.К., Есенгалиев Д.А. Крупно-лабораторная апробация технологии выплавки алюмосиликомарганца с кальцием //Материалы Междун. научно-практ. конф., посв. 20-летию РГП «НЦ КПМС РК» и 55-летию Химико-металлургического института им.Ж.Абишева «Проблемы и перспективы развития горно-металлургической отрасли: теория и практика». – Караганда, 2013. – С. 57-60.

7 Копабаев А.С., Байсанов А.С., Нурумгалиев А.Х., Торговец А.К., Есенгалиев Д.А., Абилбериков А.А., Уразгалиева А.Н. Термодинамическое моделирование системы Al-Si-Ca-Mn-O-C на программном комплексе «АСТРА-4» // Материалы VII Межд. Научно- практ. конф. «Научно-технич. прогресс в металлургии». – Темиртау, 2013. – С. 413-418.

 

Cтруктурa и oбъём диccертaции -Диссертация состоит из введения, 3 глав, включающий критический обзор и анализ литературы; постановку задачи и обсуждение теоретических задач; для выплавки алюмосиликомарганца с кальцием исследованы и испытаны результаты разработок и освоены нестандартные шихтовые материалы; пунктов - определения и обозначения, реферата, заключения, списка использованных источников и приложения. Работа изложена на 83 страницах, содержит 16 таблиц и 38 рисунка.

 

 


 

1. ПРИМЕНЕНИЕ И ПРОИЗВОДСТВО КОМПЛЕКСНЫХ ФЕРРОСПЛАВОВ

С КАЛЬЦИЙСОДЕРЖАЩИМИ СПЛАВАМИ

 

Комплексные сплавы достаточно однородны по химическому составу, имеют относительно низкую температуру плавления и большую плотность, что способствует более полному усвоению их металлом при раскислении. При этом совместное применение нескольких элементов значительно повышает их раскисляющую способность вследствие образования в стали легкоплавких оксидных включений, которые легко коалесцируют и быстро всплывают. Так, марганец увеличивает раскислительную способность кремния за счет расширения области расплавов FeO—МnО—SiO2. Согласно диаграмме равновесия кремния, марганца и кислорода в железе равновесная концентрация кислорода в железе с 0,20% кремния при 1600 °С составляет 0,0165 %, а при добавке 0,50 % марганца при тех же условиях — 0,0115 %. Марганец увеличивает также раскислительную способность алюминия. При этом вместо узкой области концентраций алюминия с возможным существованием герцинита или твердых растворов FeO—Аl2О3 появляется более широкая область расплавов (или твердых растворов) FeO—МпО—Аl2О3. Промышленные комплексные ферросплавы по сравнению с чистыми элементами обеспечивают более низкие активность кислорода и суммарное его содержание в металле. Они способствуют повышению долговечности изделий и снижению расхода металла при их производстве. До сих пор особый интерес у металлургов вызывают комплексные алюмокремнистые сплавы со щелочноземельными металлами (ЩЗМ), предложенные в качестве раскислителей и десульфураторов жидкой стали еще в начале века [7]. В отличие от принятых способов обработки металла марганцем, кремнием и, алюминием раскисление и десульфурация кальцием улучшают механические свойства стали — ударную вязкость в поперечном направлении, ковкость, усталостную прочность и обрабатываемость [8]. При введении 0,05—0,1 % кальция в сталь общее количество неметаллических включений в ней уменьшается на 30—50 %, а содержание кислорода снижается в 2— 2,5 раза [9]. Возросший в настоящее время спрос на сталь с такими свойствами определил значительное развитие способа обработки ее кальцием.

 


 

1.1 Кальцийсодержащие лигатуры в производстве стали

 

Кальций обладает высоким сродством к кислороду и сере, благоприятно влияет на морфологию, тип и распределение неметаллических включений (НВ). Однако небольшая плотность (1,54 г/см3) и низкая температура кипения (1760 К), а также незначительная взаимная растворимость кальция и железа затрудняют его использование в элементарном виде. В связи с этим кальций целесообразно применять в составе комплексных лигатур, в частности с кремнием и алюминием, ввиду значительного сродства к нему последних, благоприятного влияния их на растворимость кальция в жидком железе и сужения области несмешиваемости при высоких давлениях [10].

Использование кальция и сплавов с ним при окончательной обработке стали позволяет воздействовать на морфологию и кинетику всплывания НВ предварительно раскисленного металла алюминием [11], а применительно к комплексному Са, Аl - раскислителю глобуляризует НВ и ускоряет их всплывание, повышая обрабатываемость стали [12] и ее ударную вязкость [13]. Так, если степень деформируемости сульфидов в стали А12 при заданных режимах прокатки составила в среднем 15%, а в стали, раскисленной силикокальцием 11 %. При использовании сплава кальций — алюминий средняя степень деформации снизилась до 5,5 %, причем 80 % сульфидов имело глобулярную форму (против 45 и 50 % в стали А12 обычной и раскисленной силикокальцием) [14]. Одновременно на 30 % возросла ударная вязкость поперечных образцов, на 15 % —скорость резания и на 25 % — чистота обрабатываемой поверхности. Путем раскисления силикоалюминием получена сталь более чистая по включениям, чем при раздельном раскислении ферромарганцем, ферросилицием и алюминием, однако силикоалюминий в этом плане дал результаты несколько худшие, чем комплексные сплавы Si—Са, Si—Al—Са, Мn—Si—Са, Са—Mg—Si, Al—Mn—Si [15].

Кальций заметно повышает пластичность (снижая интергранулярные сульфидные включения), жидкотекучесть и деформируемость некоторых сталей в горячем состоянии. Регулируя изменением содержания кальция в металле морфологию НВ, можно получить легкообрабатываемую десульфурированную сталь с низкой анизотропией пластических и вязкостных свойств [16—20].

Силикокальций, присаживаемый в сталь с высокой окисленностью, незначительно снижает содержание в ней кислорода в первый момент после присадки, очевидно, из-за медленного всплывания оксидных включений [21]. Скорость удаления кислорода из стали связана с типом и количеством присаживаемого раскислителя. Например, при обработке стали силикокальцием после предварительного раскисления ее силикомарганцем или алюминием не только понижается содержание кислорода в ней, но изменяются форма и состав неметаллической фазы с оксидом кальция. При этом по [21], у углеродистой легированной стали улучшились вязкостные характеристики и пластичность.

Высокоэффективна обработка сплавами кальция рельсовой стали [22—26]. При ковшевом раскислении рельсовой стали силикокальцием с модифицированием ванадием [22] вместо алюминия уменьшаются загрязненность стали строчечными неметаллическими включениями (на 50 %) [25] и усталостные повреждения (на 20 %) [25], а также повышаются прочностные характеристики объемнозакаленных рельсов [22]. Выход рельсов первого сорта возрос на 2—3 %, а испытание готовых изделий на магистральных путях показало повышение их эксплуатационной стойкости на 30—35 %. Ферросилиций, алюминий и силикокальций снижают концентрацию неметаллических включений и улучшают макроструктуру и механические свойства трубной углеродистой стали [27]. При конечном ее раскислении кальцийсодержащим сплавом кремний—кальций—алюминий (ККА) [28] брак по поверхностным дефектам заготовки из конвертерной стали Ст10тр (плены, продольные трещины, рванины) снижается в 3, а Ст20тр — в 2,5 раза.

Раскисление в ковше малоуглеродистой стали, предварительно обработанной ферромарганцем или силикомарганцем, сплавом с 50,6 % кремния, 21,1 % алюминия и 22 % кальция, взятым в количестве 1,4 кг/т, обеспечивает более низкое содержание кислорода, чем раскисление алюминием или алюминием с силикокальцием.

В целях снижения газонасыщенности стали и угара раскисляющих и легирующих элементов рекомендуется использовать для раскисления сплав состава, мас. %: 45—59 кремния, 10—14 алюминия, 4—8 кальция, остальное — железо [29].

Кальций и его сплавы эффективно используют в производстве качественных марок стали: разработана оптимальная технология раскисления нержавеющей стали 08Х2ОН10Г6 [30]. При раскислении одним ферросилицием чистота стали по оксидным и сульфидным включениям была недостаточной, а горячая деформируемость (по испытаниям на горячее кручение) — низкой. Применение силикокальция, а также сплава альсикаль (25 % алюминия, 23 % кальция, остальное — кремний и железо) существенно повысило эти показатели. Исследовано раскисление нержавеющей стали (Сг 18 %, Ni 9,5 %, Si 0,15 %) сплавами силикомарганец — алюминий — силикокальций при их раздельном и совместном (по два и три) применении. Определено количество кислорода и неметаллических включений в поперечном сечении образца в зависимости от выдержки жидкого металла с раскислителями. Лучшие результаты достигнуты при трех раскислителях в комплексе.

Согласно [18, 31—33], при обработке стали комплексным сплавом ККА (50—53% кремния, 10—12 кальция, 7—9 алюминия,| остальное — железо) скорость удаления образующихся кальцийсодержащих включений выше, чем при раздельном введении кальция (силикокальция) и алюминия. Применение этого сплава взамен ферросилиция и алюминия снизило содержание кислорода в стали на 30—35 %. Кальций в сплаве способствует десульфурации металла. Количество удаленной серы увеличилось в 2,5, и в 1,5 раза снизилась загрязненность стали оксидными включениями, уменьшился угар кремния с 24—25 до 4—5 %, повысились механические, особенно пластические, свойства готового проката.

При производстве стали и стального литья присадка кальции приводит к перемешиванию ванны и удалению газов из металла увеличивает его жидкотекучесть, улучшает поверхность кованных изделий, повышает пластичность стали, особенно в поперечном направлении, измельчает зерно [34]. Совместно с кальцием вводят 200—300 г/т такого сильного раскислителя, как алюминий, титан и цирконий.

Влияние разных сочетаний элементов на раскисление стали изучено недостаточно, а композиции сплавов подбираются в основном опытным путем [35]. Данные по оптимальному содержанию компонентов в сплавах имеются в отдельных работах [36—39]. Добавка кальция к сплавам на основе марганца, кремния и алюминия усиливает их раскислительную способность, поэтому целесообразно взамен высокопроцентного применять низкопроцентный силикокальций. Сплавы с 10—14 % кальция связывают от 25 до 40 % кислорода в металле, что вполне обеспечивает низкое остаточное содержание оксида кальция в нем [40]. Однако с увеличением добавки силикокальция в сталь доля участия кальция раскислении снижается до 6,5 %. При раскислении углеродистой стали сплавом кальций—кремний—алюминий степень использования кальция зависит как от содержания кремния и алюминия в сплаве, так и от упругости паров кальция [8] : у сплавов с 10 % кальция упругость его паров в 3 раза ниже, чем с 30 % кальция, а расход последнего в 3 раза выше, т. е. доля полезного использования кальция обратно пропорциональна его количеству, задаваемому в металл. Поэтому при раскислении стали 20К сплавом ККА с 11 % кальция в металле меньше оксидных и сульфидных включений, чем при использовании подобного сплава с 26 % кальция [41].

При введении со сплавом Мn—Si—Аl—Са вдвое меньшего количества алюминия (0,05 % вместо 0,1) раскислительная способность его выше, чем у сплава без кальция (АМС) [34].

Таким образом, увеличение содержания кальция в сплавах типа кремний—кальций—алюминий и кремний—марганец—кальций—алюминий более 15 % нецелесообразно, так как оно приводит к повышению упругости его паров, а следовательно, к снижению степени использования кальция. Стремление повысить последний параметр при раскислении, десульфурации и модифицировании стали привело к разработке широкой гаммы комплексных кальцийсодержащих сплавов, как у нас в стране, так и за рубежом. По [42, 43], за рубежом применяются сплавы типа кальций—кремний—алюминий (20—25 % Са, 37—42 % Si, 30—33 % Аl) и марганец—кремний—алюминий—кальций (5—15 % Мn, 25—50 % Si, 22 % Аl и 20—25 % Са), обеспечивающие получение стали с низким содержанием неметаллических включений и соответственно повышенными механическими свойствами.

 


 

1.2 Технология выплавки комплексных кальцийсодержащих сплавов

 

В отечественной и зарубежной металлургии широкое применение нашли сплавы на основе кальция и кремния (силикокальций), которые получают карбо, силико и алюмотермией. Наиболее распространенным и экономичным является карботермический метод, основанный на совместном восстановлении кальция и кремния углеродом из шихты: свежеобожженная известь, кварцит, древесный уголь, коксик, каменный уголь. Недостатки карботермии силикокальция – использование дорогих и дефицитных шихтовых материалов, точнее дозирование во избежание усиленного шлако- или карбидообразование; спекание колошника и образование «свищей», что приводит к большим потерям тепла (расходу электроэнергии) и требует постоянной обработки колошника, затрудняет механизацию загрузки шихты и не позволяет выплавлять его в закрытой печи; кратковременность компании работы печи из-за зарастания ее карбидами и силикатами. Все это ухудшает технологические и электрические параметры процесса, а также усложняет и удорожает его.

Исследования [44-49] посвящены улучшению карботермии силикокальция. Согласно результатам промышленных испытаний по выплавке сплава на основе кремния и кальция с повышенным содержанием в нем железа (ферросиликокальция). При введений в шихту железной стружки, продукты плавки ускоренно выводятся из высокотемпературных зон в районе электрических дуг под слой шлака, что понижают температуру процесса и повышает извлечение в сплав кальция до 50 % и кремния до 73 %. При этом химизм процесса описывается схемой, отражающей количественное соотношение компонентов:

 

5/11 SiO2 1/11 CaO + 3/22 Fe + C = 1/11 CaSi + 3/22 FeSi + 5/22 Si + CO

 

для которой

∆GT=350300 – 199,62 T Дж/моль

 

Свободный кремний не сосуществует с моносилицидами железа и кальция.

В опытных плавках силикокальция карботермией с избытком восстановителя 2 – 4 % в электропечи 15 мВА содержание карбида кремния в шлаке поддерживали в пределах 30 – 40 %. Вероятна следующая схема процесса:

CaO + 3C = CaC2 + CO;

 

CaC2 + 2SiO2 + 2C = CaSi2 + 4CO,

 

что хорошо согласуется с данными [10] о термодинамической вероятности формирование сплава при разрушении карбида кальция кремнеземом. Химическим и петрографическим анализом 40 проб шлака ферросиликокальция из ванны печи установлено, что в зоне до 1300 0С шлак представлен стекловидными конденсатами, образованными из газовой фазы, содержащий SiO и Са. Шлакообразование активизируется при 1500 – 1800 0С в основном за счет прямого контакта оксидов и может быть снижено хорошим усреднением компонентов шихты. В нижних горизонтах в шлаке увеличивается содержание карбида и оксида кальция и уменьшается кремний.

Брикетирование шихты повышает эффективность выплавки ферросиликокальция углевосстановительным процессом. Определены скорость и степень восстановления шихты при изотермической выдержке при 1600 и 1700 0С. Наиболее высокие показатели достигнуты при работе на брикетированной моношихте из кварцевого песка, каменного угля, известняка и железорудного концентрата и брикетированной шихте и кусковом известняке. При этом процесс плавки практически бесшлаковый из-за исключения контакта известняка с кремнеземом. С увеличением крупности кварцита в брикете снижаются содержание силикатной фазы и потери кремния в улет, что создает наиболее благоприятные условия образования силикокальция по реакции:

 

SiO2+CaC2= CaSi+2C0.

 

При повышении крупности частиц извести в высокотемпературную зону печи поступают в основном карбид и диоксид кремния, оксид кальция и образуется силицид кальция согласно взаимодействию

 

CaO-SiO2+SiC = CaSi-SiO2+CO.

 

Следовательно, имеется возможность регулировать механизм выплавки силикокальция изменением крупности исходных материалов.

Согласно анализу проб гарниссажа промышленной печи [50] показатели выплавки силикокальция определяются скоростью загрузки шихты и расходом электроэнергии: при увеличении количества загружаемой шихты процесс идет холоднее с образованием SiC, что сопровождается неудовлетворительным погружением электродов в шихту и повышенным испарением Са и Si, а с увеличением расхода электроэнергии использование кальция повышается.

Кальцийсодержащие комплексные сплавы, производимые у нас в стране и за рубежом в опытном порядке, представлены табл. 1.1. Сплавы имеют большой разброс в содержании кальция, что указывает на широкие возможности их применения. Однако степень полезного использования кальция резко снижается с ростом его содержания в сплаве [8, 41]. Степень использований кальция максимальна при содержании его в сплаве 8—12 % [51].

Получение сплава кремний—кальций—алюминий карботермией из многокомпонентной шихты (кварцит, известняк, зола каменного угля, боксит, железная руда, каменный уголь и коксик) усложняет и удорожает производство [52]. При выплавке сплавов кремний—кальций—алюминий и кальций—марганец—кремний из доменного шлака карботермией с использованием древесного угля вести процесс непрерывно не удалось [53] из-за недостаточного содержания железа в шихте и высокого содержания в ней трудновосстановимых оксидов кальция, алюминия и кремния. Карботермия подобных сплавов возможна при содержании кремнезема в рудной части шихты не менее 50 %. Снижение его содержания в шихте приводило к интенсивному шлакообразованию, и продуктом плавки была оксидно-карбидная смесь [10].

 

Таблица 1.1 – характеристика комплексных кальцийсодержащих сплавов, %

 

Страна, сплав Si Са Al Fe S P C
Россия ГОСТ 4762-71
СК10 Ост. 10-15 1,0 ≥25 - 0,02 0,2-0,5
СК15 « 15-20 1,0 ≥20 - 0,02 0,2-0,5
СК20 « 20-25 - - - - -
СК25 « 25-30 2,0 ≤10 - 0,04 0,5-1,5
СК30 « ≥30 2,0 ≤6 - 0,04 0,5-1,5
ASTMA-495-64
США 60-65 8-12 1,5 3,0 0,07 0,02 1,0
UNI-3102
Италия 60-65 30-35 3,0 - 0,1 0,1 1,0
  60-70 20-25 3,0 - 0,1 0,1 1,0
Япония 55-65 25-35 - - - 0,05 1,0
  55-66 25-29 - - - 0,05 1,0
ФРГ 44,1 21,3 29,8 - - - -
  50,0 23,0 30,0 Ост. - - -
Англия 64,0 30,0 6,0 - - - -

 

Составлены технические условия выплавки ряда комплексных раскислителей и модификаторов различного состава на основе кремния и кальция [43], которые получают в небольших количествах путем сплавления дорогостоящих металлов. Несмотря на многочисленные усилия по усовершенствованию и разработку процессов получения кальциевых лигатур восстановительной плавкой [54], опытные технологии имеют существенные недостатки (большая трудоемкость, использование дефицитного и дорогого сырья).

Таким образом, на основании вышеизложенного целесообразно применение для раскисления стали комплексных сплавов, раскислительная способность которых много выше, чем отдельных их составляющих таких как, ферромарганцем, ферросилицием и алюминием. Введение комплексных сплавов в сталь обеспечивает минимальное содержание в ней остаточного кислорода, т. е. является прогрессивным технологическим приемом.


 

1.3 Угольная промышленность мира

 

Угольная промышленность включает добычу (обогащение) и переработку (брикетирование) бурого и каменного угля. Способ добычи угля зависит от глубины его залегания. Разработка ведется открытым способом, если глубина залегания угольного пласта не превышает 100 метров. Нередки и такие случаи, когда при все большем углублении угольного карьера далее выгодно вести разработку угольного месторождения подземным способом.

Для извлечения угля с больших глубин используются шахты. Самые глубокие шахты на территории Российской Федерации добывают уголь с уровня чуть более 1200 метров.

К 1945 г в мире имелось 15 заводов синтеза Фишера-Тропша (в Германии, США, Китае и Японии) общей мощностью около 1 млн.т углеводородов в год. Они выпускали в основном синтетические моторные топлива и смазочные масла [55].

В годы после второй мировой войны синтезу ФТ уделяли большое внимание во всём мире, поскольку считалось, что запасы нефти подходят к концу,









Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

ЧТО ТАКОЕ УВЕРЕННОЕ ПОВЕДЕНИЕ В МЕЖЛИЧНОСТНЫХ ОТНОШЕНИЯХ? Исторически существует три основных модели различий, существующих между...

Что способствует осуществлению желаний? Стопроцентная, непоколебимая уверенность в своем...

ЧТО ПРОИСХОДИТ ВО ВЗРОСЛОЙ ЖИЗНИ? Если вы все еще «неправильно» связаны с матерью, вы избегаете отделения и независимого взрослого существования...





Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте:


©2015- 2021 zdamsam.ru Размещенные материалы защищены законодательством РФ.