АГРЕГАТ ДЛЯ УДАЛЕНИЯ МЫШЬЯКА ИЗ ЖЕЛЕЗОУГЛЕРОДИСТОГО РАСПЛАВА ПОД ВАКУУМОМ
AGGREGATE FOR REMOVAL OF ARSENIC FROM IRON-CARBON MELT UNDER VACUUM

Изобретение относится к металлургическому производству, а именно к внепечной обработке жидкого металла.
Известно устройство для вакуумирования жидкого металла, выполненное в виде двух сообщающихся сосудов, один из которых соединен с вакуум-камерой, а другой открытый и оборудованный сливным отверстием и стопором [1].
Кроме того, известно устройство, в котором промежуточная емкость и дозатор помещены в один корпус, соединенный с вакуум-камерой [1].
В известных устройствах не достигается хороший контакт жидкого металла с вакуумной средой и не обеспечивается удаление вредных примесей серы и мышьяка вакуумированием.
Известно устройство - прототип [2], в котором вакуум-камера оборудована внутренней емкостью с футерованного материала, которая суживается книзу и входит в горловину чугуновозного ковша, а кожух вакуум-камеры герметически соединен с корпусом приемного ковша. Для сокращения времени достижения в устройстве рабочего давления в вакуумной системе используется буферная емкость. При этом для герметизации вакуум-камеры использованы чугунные вставки, расположенные над огнеупорным стаканом приемного ковша.
Известное устройство для вакуумирования не позволяет достичь поддержания в вакуум-камере стабильного давления из-за малого объема буферной емкости.
Кроме того, при падении струи жидкого металла из промежуточного ковша не обеспечивается достаточно большая ее межфазная поверхность из-за малой высоты вакуум-камеры и недостаточного раскрытия струи металла, что приводит к удалению всего 30-50% мышьяка от начального содержимого.
В прототипе чугунная вставка, расположенная над огнеупорным стаканом промежуточного ковша, не позволяет достичь достаточной степени уплотнения, а при вакуумировании жидкого металла происходит его охлаждение. Также отсутствует дальнейшая конденсация мышьяка, который выделяется в виде паров при вакуумной обработке.
В основу изобретения поставлена задача разработать агрегат для удаления мышьяка из железоуглеродистого расплава под вакуумом, в котором, за счет изменения конструктивных элементов, достигается повышение степени очистки жидкого металла от мышьяка без нарушения технологического цикла на линии доменный цех - сталеплавильный цех, его извлечение из отходящих газов и стабилизация температуры жидкого металла.
Для решения поставленной задачи в агрегате для удаления мышьяка из железоуглеродистого расплава под вакуумом, включающем приемный ковш с фурмой для выпуска металла, над которой расположена вакуум-вставка, герметически соединенная с вакуум-камерой, которая соединена с буферной емкостью, и оснащена внутренней емкостью с футеровочного материала, сужающейся книзу и входящей в горловину чугуновозного ковша, согласно изобретению агрегат дополнительно оборудован емкостью для подачи нейтрального газа, соединенной через вакуумный затвор с вакуум-камерой, в сужающейся части которой расположены фурмы для подачи оксислителя, а в верхней части - канал, соединяющий ее с дополнительной емкостью для осаждения паров мышьяка, а буферная емкость выполнена с объемом, превышающим объем вакуум-камеры в 15-20 раз, при этом фурма для выпуска металла из приемного ковша выполнена многосопловой. Чугунная вакуумная вставка имеет форму усеченного конуса.
max
2
Выполненные лабораторные исследования на установке по определению поверхностных свойств расплавов [3], показали, что при малом содержании кислорода мышьяк резко снижает поверхностное натяжение расплавов, которое обусловливает значительную адсорбцию мышьяка на поверхности раздела металл - газ и металл - шлак. Максимум адсорбции мышьяка Г достигается при атомной частице его в металле ~6,8% и составляет 6,65·10-10 моль/см [4]. Адсорбируясь в поверхностном слое, сера и фосфор вытесняют из него мышьяк, снижая степень его влияния на поверхностную активность всей системы Fe-As-C-S-P. Увеличение концентрации серы и фосфора усиливает их общее влияние и снижает степень использования мышьяком своей поверхностной активности.
В связи с тем, что парциальное давление паров мышьяка выше давления паров фосфора при одинаковых температурах и содержании их в железе, мышьяк легче и в большей степени, чем фосфор, улетучивается при вакуумировании чугуна и стали.
Полученные экспериментальные данные исследования кинетики испарения мышьяка в вакууме из расплавов с разным содержанием мышьяка приведены в таблице 1.
Таблица 1
Испарение компонентов расплавов Fe-As при температуре 1600°С и остаточном давлении 6,7·10<sup>-3</sup> Па (масса исходного сплава 1,5·10<sup>-2</sup> кг, время выдержки в вакууме 6,0·10<sup>2</sup> с)
Массовая доля в сплаве As, %
Масса компонента сплава, который испарился, m·103, кг
Молярная доля мышьяка (среднее значение за время эксперимента)
As
Fe
расплав
пар
30,5
1,2975
0,1334
0,2135
0,8785
25,0
1,0690
0,1507
0,1755
0,8410
15,0
0,6676
0,1799
0,1010
0,7340
10,0
0,5686
0,2565
0,0631
0,6230
4,0
0,1658
0,1864
0,0262
0,3910
3,0
0,0832
0,1171
0,0205
0,3460
1,0
0,0225
0,0922
0,0069
0,1540
0,5
0,0078
0,0648
0,0035
0,0822
0,3
0,0025
0,0335
0,0022
0,0526
Оценку степени испарения мышьяка с железомышьяковистых расплавов при вакуумировании на основании полученных данных выполняли с помощью расчетов коэффициента летучести а, который определяет поведение примесного компонента расплава, находящегося в кинетическом режиме. Используя формулу Ленгмюра для скорости молекулярного испарения компонентов расплава, эта зависимость выражается уравнением
i
осн
i
осн
где p и p - парциальные давки пар i-ой примеси и растворителя (то есть основного компонента) соответственно при заданной температуре; М и М - молекулярные массы.
As
-3
Численное значение α при температуре 1600°С и остаточном давлении 6,7·10 Па оказалось в пределах от 24 до 27 [5], что свидетельствует о возможности испарения значительного количества мышьяка из расплавов Fe-As (для серы коэффициент летучести равняется 33-37).
min
min
Fe
As
Полученные экспериментальные данные дают возможность приблизительно рассчитать максимальную степень дезарсенации расплавов на основе железа по величине минимальной концентрации мышьяка [% As], при которой относительная летучесть его становится равной единице и поэтому его содержание при вакуумировании расплава не будет изменяться. Для расчетов [% As] преобразуем уравнение (1), применив закон Рауля для основного компонента, то есть железа, и закон Генри для растворенного в нем мышьяка. Тогда, принимая активность железа α и коэффициент активности мышьяка f в расплаве равными единице, получим:
Г,As
As
где K - величина, обратная константе Генри Г;
- давление паров чистого железа при температуре вакуумирования [6].
As
As
min
При известном по экспериментальным данным значении α по уравнению (2) определяют величину R, зная среднее содержание мышьяка в расплаве за время эксперимента, после чего находят [% As] при таких же самых условиях вакуумирования из соотношения:
As
2
As
-3
При использовании среднеарифметического значения α=25 и считая пары мышьяка такими, которые состоят только из молекул As (M=150 кг/кмоль), рассчитано, что при вакуумировании расплава Fe-C-As с исходной массовой долей мышьяка 0,184% при температуре 1600°С и остаточном давлении 6,7·10 Па можно достичь содержание мышьяка в расплаве ~0,005%, то есть удалить из расплава 97,3% As.
-3
3
2
Исследование вакуумирования синтетических железоуглеродистых расплавов при различных температурах и давлениях показали, что скорость испарения мышьяка из расплава увеличивается не только с повышением температуры, но и со снижением остаточного давления. Так, если при 1550°С и остаточном давлении 6,7·10 Па концентрация мышьяка в расплаве за 3,6·10 с вакуумированием снижается на 80,5%, то при остаточном давлении 0,2·10 Па - только на 45% при практически одинаковом начальном содержании мышьяка в обеих расплавах. Результаты экспериментов приведены в таблице 2.
-3
2
Удаление мышьяка из жидкого металла при вакуумировании основано на падении струи в вакууме с ее дроблением и образованием капельной зоны, которая охватывает центральную плотную зону и состоит из капель диаметром (0,3-1,5)·10 м, что приводит к увеличению межфазной поверхности тем большей, чем с большей высоты падает струя и, таким образом, большее влияние на нее вакуума. Так, при давлении (1,3-1,7)·10 Па с увеличением высоты падения струи жидкого металла с 2,8 до 6,5 м удельная величина ее межфазной поверхности увеличивается почти в 5 раз: с 56 до 271 м/т стали [7].
2
Исследования показали, что использование для герметизации вакуум-камеры алюминиевых вставок не приводит к необходимому результату, из-за высокой скорости их плавления. Было установлено, что наилучшими характеристиками обладают чугунные вставки толщиной 1,5-2,5 см (меньшая толщина не обеспечивает надлежащей герметизации, большая - не эффективна из-за увеличения времени плавления). Предлагаемая вставка имеет конусность с углом зазора около 15-20°. Первые порции жидкого металла, которые попадают в зазор между приемным ковшом и чугунной вставкой, «замораживаются» образовывая при этом герметичность соединения. Расплавление чугунной вставки происходит по (0,9…1,2)·10 с.
При сливе из приемного ковша в вакуум-камеру последних порций жидкого металла возникает перепад давления, вследствие чего будет происходить интенсивное засасывание воздуха в вакуум-камеру. С этой целью при окончании выпуска жидкого металла из приемного ковша для недопущения экстремальных ситуаций и резкого окисления жидкого металла, и для выравнивания давления с помощью вакуумного затвора прекращается подача вакуума и вакуум-камера заполняется нейтральным газом, который подается через трубопровод.
Проведенные лабораторные исследования показали, что при распылении жидкого металла в вакуум-камере его температура снижается. Для решения поставленной задачи предлагаемый агрегат оборудован кольцевыми фурмами, из которых периодически (через 2-3 мин) в вакуум-камеру подается окислитель под струю металла на 15-20 с. В результате происходит окисление примесей чугуна (кремния, углерода) и тепло, которое выделяется, позволяет поддерживать температуру жидкого металла в чугуновозном ковше на заданном уровне, не допуская ее снижения.
Присоединение вакуум-камеры к вакуумной системе через буферную емкость, которая в 15-20 раз превышает объем вакуум-камеры, позволяет быстро создать в ней рабочее давление перед поступлением в нее чугуна из приемного ковша, смонтированного на крышке вакуум-камеры с надежным уплотнением.
С целью увеличения угла раскрытия жидкого металла, который распыляется в вакууме, и его межфазной поверхности чугун из приемного ковша подается не через стакан, а через фурму с 4-5 соплами, расположенными в строго определенном порядке, которая размещена в днище приемного ковша.
Для осаждения мышьяка из газов, которые выделяются при вакуумировании чугуна, предусмотрена дополнительная емкость, входящая в систему конденсации мышьяка, включающая в себя несколько ярусов железной губки [8].
Время вакуумирования в предложенном агрегате составляет 30-35 минут, которых достаточно для достижения поставленной цели.
Агрегат для удаления мышьяка из железоуглеродистого расплава под вакуумом изображен на чертеже (общий вид).
2
Вакуум-камера 1 содержит внутреннюю емкость из футеровочного материала 2, которая сужается книзу и входит в горловину чугуновозного ковша 3 (типа Клинг). В днище приемного ковша 4 вставлена фурма 5 для выпуска металла с 4-5 соплами, а над ней выбрано углубление для чугунной вставки конусного типа 6. Герметичность вакуум-камеры 1 достигается за счет уплотнения жидким металлом чугунной вставки 6, которая расплавляется за (0,9…1,2)·10 с и обеспечивает наполнение приемного ковша 4 металлом до начального уровня, а также уплотнением 7 во фланцах 8 вакуум-камеры с рычажным механизмом 9 и чугуновозного ковша 3. Вакуум-камера соединяется с помощью трехпозиционного вакуумного затвора 10 с буферной емкостью 11, которая в 15-20 превышает объем вакуум-камеры 1, и с емкостью для подачи нейтрального газа 12. Кольцевые фурмы 13 для подачи окислителя под струю жидкого металла расположены во внутренней емкости вакуум-камеры, которая сужается. С помощью газопровода 14 вакуум-камера 1 соединена с емкостью для осаждения паров мышьяка 15.
Вставка 6, которая размещена над фурмой с соплами 5 приемного ковша 4, уплотняется жидким металлом и в начальный момент работы агрегата обеспечивает герметизацию вакуум-камеры 1. После ее плавления и до конца выпуска жидкий металл служит затвором, который герметизует вакуум-камеру 1.
Во время работы вакуум-камера автоматически с помощью гидродомкратов 16 занимает два положения: подготовительное и рабочее. В подготовительном положении опускается вставка 6 и присоединяется чугуновозный ковш 3. Пароэжекторный насос работает на буферную емкость 11, создавая предельное разрежение в буферной емкости, трехпозиционный вакуумный затвор 10 закрыт.
К рабочему положению вакуум-камера 1 переходит автоматически, происходит соединение ее с чугуновозным ковшом 3, при этом перед уплотнением выполняется пневмосдув пыли из наклонного опорного фланца 8. Герметизация достигается за счет уплотнения жаропрочной резины под действием силы веса вакуум-камеры 1. Чугун из доменной печи направляется по желобу 17 к приемному ковшу 4 и заполняет его до начального уровня. Автоматически приоткрывается трехпозиционный вакуумный затвор 10, соединяя буферную емкость 11 с камерой 1. Происходит выравнивание давления. К моменту расплавления вставки 6 в системе устанавливается рабочее давление 1 мм рт.ст. и струя, раскрываясь, подает вниз чугун, энергично распыляется в вакуум-камере. При этом достигается хороший контакт металла с вакуумной средой за счет лучшего распыления и большей высоты падения. С помощью фурм 13 окислительный газ (кислород) порционно через 2-3 мин на 15-20 с подается в вакуум-камеры под струю жидкого металла. В это время трехпозиционный вакуумный затвор 10 отсекает подачу вакуума к вакуум-камере до окончания продувки кислородом. Это позволяет стабилизировать температуру металла и снизить содержимое кремния в чугуне. Газы, выделяющиеся во время вакуумирования, через газопровод 14 попадают в систему конденсации мышьяка 15, в результате чего мышьяк, который содержится в них, оседает в дополнительной емкости, входящей в состав системы.
По окончании выпуска металла трехпозиционный вакуумный затвор 10 автоматически переключается и вакуум-камера 1 из емкости для подачи нейтрального газа 12 заполняется им, после чего вакуум-камера 1 занимает подготовительное положение.
Таким образом, использование предложенного агрегата позволяет увеличить степень извлечения мышьяка с жидкого железа, добиться стабильной температуры металла после вакуумирования и сконденсировать мышьяк, который содержится в газах, которые испаряются во время вакуумирования. Конечное содержимое мышьяка в металле снижается на 70-80%.
Источники информации
1. Гершгорн М.А., Конкин В.Д., Клемешов Г.А. Извлечение вредных примесей вакуумированием металла // Доменное производство. - М., 1959. - С.130-140.
2. Устройство для вакуумирования жидкого металла. / Г.Д.Молонов, А.А.Шокул, П.С.Харлашин, О.В.Носоченко, А.И.Кириченко. - А.с. СССР №608839, МКИ С21С 5/56. - №2443483/22. Заявл. 17.01.77, Опубл. 30.05.78, Бюл. №20.
3. Способ определения поверхностных свойств расплавов и устройство для его осуществления. / П.С.Харлашин - Заявка №4857334/25(87203), МКИ G01N 13/02; Заявл. 13.08.90; Положит. решение 28.06.91.
4. Харлашин П.С. Исследование физико-химических свойств расплавов систем Fe-As, Fc-As-C, C-S-P и поведение мышьяка в металлургических процессах // Современные технологии производства и разливки стали. - Варна, 1989. - С.289-302.
5. Харлашин П.С, Кирюшкин Ю.И. Кинетика испарения мышьяка при вакуумировании ферромышьяковистых расплавов // Изв. АН СССР. Металлы. - 1987. - №4. - С.31-35.
6. Харлашин П.С., Молонов Г.Д., Кирюшкин Ю.И. Экспериментальное определение термодинамических характеристик расплавов системы Fe-As // Журн. физ. химии. - 1983. - Т.57, №8. - С.1901-1904.
7. К механизму вакуумной дегазации струи жидкой стали. / Г.А.Соколов, В.Д.Завродин, В.Ф.Захаревич и др. // Тепло- и массообменные процессы в ваннах сталеплавильных агрегатов. - М., 1975. - С.342-346.
8. Харлашин П.С. Миш'як в металургiйних розплавах, процесах, технологiях [Монографiя]. - К.:. Вища шк., 2007. - 538 с.