Глубокая десульфурация передельного чугуна в ковше: 3 метода. Технологии обработки чугуна

Эффективные способы снижения содержания серы в расплаве чугуна на этапе ковшевой обработки

Глубокая десульфурация передельного чугуна остаётся одной из ключевых задач современной металлургии. Строгие требования к качеству стали диктуют необходимость удаления серы до минимальных значений (менее 0.005%) ещё на стадии жидкого чугуна. Ковшовая обработка является наиболее гибким и контролируемым этапом для решения этой задачи.

На практике применяются различные реагенты и технологии вдувания. Однако эффективность метода зависит от химического состава чугуна, температуры и конструкции оборудования. В этом материале мы рассмотрим три проверенных рабочих подхода, которые позволяют стабильно достигать сверхнизких концентраций серы.

Каждый метод имеет свои особенности дозирования реагентов, оптимальные режимы перемешивания и экономические показатели. Важно понимать, что выбор конкретной технологии часто определяется производственными условиями и доступностью сырья.

1. Инжекция порошкообразной извести с плавиковым шпатом

   Это классический и наиболее распространённый метод ковшевой десульфурации. Он основан на вдувании смеси высокоосновной извести (CaO) с добавкой флюса — плавикового шпата (CaF₂) — в струе газа-носителя. Известь выступает как основной десульфуратор, а флюс снижает температуру плавления шлака и улучшает его жидкотекучесть.

   Основной химической реакцией является взаимодействие оксида кальция с серой, растворённой в чугуне: CaO + [S] + [C] = CaS + CO↑. Образующийся сульфид кальция переходит в шлак. Выделяющийся монооксид углерода дополнительно перемешивает расплав, ускоряя процесс массообмена.

   Для достижения глубокой степени десульфурации необходимо обеспечить высокую основность шлака и низкое содержание оксидов железа в нём. Температура процесса обычно поддерживается в диапазоне 1300–1400 °C. Расход извести варьируется от 3 до 10 кг на тонну чугуна, в зависимости от исходного содержания серы.

   Плавиковый шпат вводится в количестве 10–15% от массы извести. Однако этот метод имеет и недостатки: увеличивается объём шлака, а также повышается износ футеровки из-за агрессивного воздействия шлака с фтором. Кроме того, плавиковый шпат является дорогим и экологически небезопасным материалом.

2. Обработка гранулированным магнием с известью в проницаемом ковше

   Магний является гораздо более сильным десульфуратором, чем известь. Его применение позволяет резко снизить содержание серы за короткое время. Технология заключается в погружении в расплав гранулированного магния (в смеси с известью) с помощью фурмы или подаче его струей инертного газа через пористые пробки в днище ковша.

   

   Реакция десульфурации магнием: [Mg] + [S] = MgS (твёрдый сульфид). Преимущество магния в том, что сульфид магния не растворяется в чугуне и легко удаляется в шлак. Процесс идёт бурно, с выделением значительного количества тепла, что частично компенсирует потери температуры при обработке.

   Критическим фактором является безопасность: магний пирофорен и требует строгого контроля скорости подачи. Обычно обработку проводят в закрытых ковшах или под колпаком с отводом газов. Вдувание смеси (магний + известь) позволяет сгладить экзотермический эффект и улучшить усвоение реагента.

   Данный метод обеспечивает высокую скорость десульфурации (до 0.01% за 3–5 минут) и низкий конечный уровень серы (менее 0.002%). Однако стоимость магния значительно выше стоимости извести, поэтому его применяют для производства высококачественных сталей с жёсткими требованиями. Также требуется тщательная просушка всех материалов во избежание взрыва.

3. Использование карбида кальция в комбинации с известью при донной продувке

   Карбид кальция (CaC₂) является высокоэффективным, но более дорогим десульфуратором. Его часто используют в комбинации с известью для снижения варьируемости результатов. Метод заключается в подаче смеси пылевидного CaC₂ и CaO в расплав через погружную фурму или через пористый элемент на дне ковша.

   Химизм процесса: CaC₂ + [S] = CaS + 2C. Образующийся углерод переходит в чугун, что в некоторых случаях является плюсом (для передельных чугунов). Карбид кальция очень гигроскопичен, поэтому его транспортировка и хранение требуют герметичной упаковки.

   Комбинация карбида кальция с известью даёт синергетический эффект. Известь связывает оксиды кремния и алюминия, уменьшая вязкость шлака, а карбид активно реагирует с серой. Это позволяет достичь степени десульфурации до 95% при расходе смеси 2–5 кг/т.

   Недостатком является дороговизна реагента и образование высокодисперсной пыли CaC₂ в атмосфере. Требуется мощная газоочистка. Технология наиболее популярна при производстве рельсовой стали и чугуна для отливок ответственного назначения, где цена вопроса оправдана качеством продукта.

Выбор конкретного метода зависит от баланса между стоимостью реагентов, требуемой глубиной очистки и имеющимся оборудованием. Важно отметить, что во всех трёх случаях решающее значение имеет контроль окисленности шлака и предотвращение насыщения чугуна водородом. Правильная организация перемешивания позволяет сократить время обработки и снизить потери температуры.

Современные тенденции направлены на комбинирование этих методов. Например, предварительная десульфурация известью с последующей доводкой магнием даёт оптимальное соотношение цена/качество. Соблюдение технологии заливки ковша и состояния футеровки также остаются критическими факторами успеха.

Какие три основных метода глубокой десульфурации чугуна в ковше используются в промышленности?

На практике наибольшее распространение получили три технологии: 1) вдувание порошковой магниевой проволоки (Mg), 2) использование гранулированного магния с флюсом (через погружной фурменный блок), 3) обработка смесью извести (CaO) и плавикового шпата (CaF₂) с использованием механического перемешивания или азотной продувки. Выбор метода зависит от требуемой глубины обессеривания, исходного содержания серы и экономической эффективности.

В чем заключается принцип работы метода вдувания магниевой проволоки?

В ковш с чугуном погружается стальная проволока, наполненная гранулированным магнием. Под действием температуры чугуна магний испаряется и активно растворяется в расплаве, образуя высокопрочные сульфиды магния (MgS), которые переходят в шлак. Метод обеспечивает стабильное снижение серы до 0,005% и ниже (с исходного уровня 0,03-0,05%), отличается высоким коэффициентом усвоения магния (до 70-85%) и низкой продолжительностью обработки (8-15 минут на ковш).

Какое сырье используется в методе «гранулированный магний + известь» и как он реализуется?

Этот метод предполагает вдувание через погружную фурму смеси гранулированного магния (фракция 0,5-2 мм) и мелкодисперсной извести (CaO) при помощи транспортирующего газа (обычно азота). Известняк создает активный шлаковый покров, связывая оксиды и предотвращая повторное окисление магния, а магний обеспечивает глубокое раскисление и обессеривание. Технология позволяет достичь стабильной десульфурации до 0,002-0,008% серы при снижении расхода магния на тонну по сравнению с чисто «проволочной» обработкой.

Когда и для чего применяется метод обработки чугуна высокоосновным шлаком с продувкой азотом?

Данный метод используется, когда требуется снижение серы до уровня 0,01-0,02% без применения дорогого магния. В ковш присаживается шлакообразующая смесь (известь + плавиковый шпат), после чего через фурму или пористый блок подается азот для интенсивного перемешивания расплава. Азот создает циркуляцию, ускоряя массообмен между шлаком и металлом. Метод эффективен при «средней» глубине десульфурации, но не подходит для сверхнизких концентраций серы (<0,005%), так как процесс медленнее и требует высокого расхода извести.

Какие основные проблемы возникают при реализации всех трех методов и как их минимизируют?

Основные вызовы: 1) Высокая температура процесса (угар железа и футеровки) — решается контролем скорости вдувания и использованием защитных флюсов. 2) Всплески и выбросы металла при вдувании магния — решается точным дозированием расхода проволоки/гранул и использованием плотных крышек ковша. 3) Необходимость удаления высокосернистого шлака после обработки — требует тщательного скачивания, иначе сера может вернуться в металл. 4) Усвоение реагентов при высокой исходной окисленности чугуна — перед десульфурацией проводят раскисление (например, добавками алюминия).