Parametrii regimului de desulfurare a otelului

TEMA DE PROIECT:

Sa se calculeze parametrii regimului de desulfurare a otelului cu compozitia chimica:

prin tratare cu zgura sintetica in intervalul S_i si S_f.

STABILIREA ALGORITMILOR DE CALCUL PENTRU ZGURILE DESUFURANTE, A MODALITATILOR DE APLICARE LA SCARA INDUSTRIALA A ACESTORA SI A POSIBILITATILOR DE CONDUCERE A PROCESELOR, FOLOSIND CALCULATORUL

Folosirea zgurilor sintetice desulfurante prezinta o serie de avantaje, in comparatie cu celelalte metode de desulfurare:

- simplitatea metodei, comparativ cu celelalte metode; zgura constituie un real
instrument tehnologic in scopul desulfurarii avansate si de asemenea pentru
purificarea avansata a otelului in incluziuni oxidice;

- metoda cea mai ieftina in comparatie cu celelalte metode, prin aceea ca nu
foloseste echipamente speciale iar materialele folosite sunt din categoria celor
obisnuite in otelarii, dar cu unele cerinte de calitate mai bine precizate
(compozitie chimica, stare fizica);

- absenta, practic totala, a riscurilor de producere a accidentelor tehnice, a riscurilor
de intoxicare a personalului si a poluarii mediului;

- inalta eficienta si reproductibilitate a rezultatelor in obtinerea continuturilor scazute de sulf, oxigen si incluziuni nemetalice, conditii care potenteaza efectele tratamentelor ulterioare ale otelului, in vederea modificarii, cu calciu, a incluziunilor sulfidice si oxidice.

Tehnica rafinarii otelului cu zguri sintetice nu este noua, dar aplicarea sa cu succes, in scopul obtinerii otelurilor de inalta puritate este posibila acum ca urmare a bunelor rezultate obtinute in caracterizarea proprietatilor fizico-chimice, a dependentelor activitatii componentilor din zguri, de compozitia chimica si temperatura si prin caracterizarea, mai completa, a conditiilor de echilibru termodinamic intre zguri si baile metalice tratate.

In aceasta directie se inscrie si modelul termodinamic de estimare a raportului de repartitie a sulfului, la echilibru, in sisteme zgura-baie metalica, dezoxidate cu aluminiu, stabilit in prezenta lucrare.

Formarea zgurilor desulfurante

In conditii industriale, la obtinerea zgurilor desulfurante, concura o serie de factori, asa cum se prezinta in schema din figura l. Dupa aceasta schema, zgura desulfuranta, care se obtine in reactorul oala de tratament, ca si orice alta zgura de rafinare in oala, este rezultatul actiunii urmatorilor factori:

I.             Componentii adaugati, special introdusi in cantitati care trebuie determinate, pentru a asigura compozitia chimica dorita a zgurii, mijlocul prin care se realizeaza proprietatile cerute zgurii;

II.          Combinatiile chimice de natura exogena, provenind din oxizii captuselii
refractare uzate prin actiunea mecanica si chimica a otelului tratat;

III.               Combinatii chimice de natura endogena, provenind din baia metalica
(oxizi, sulf).

IV.               Combinatii chimice provenind din zgura din agregatul de elaborare,
antrenata cu otelul, la evacuarea in oala de turnare, sau in reactorul de
tratament.

Principalul factor, in formarea zgurii desulfurante, il reprezinta componentii adaugati (I) care insa, trebuie introdusi in cantitati adecvate, in momente bine stabilite. Aceste cerinte sunt satisfacute corespunzator daca exista posibilitatea determinarii cantitative a participatiilor celorlalti factori mentionati, operatie relativ dificil de realizat in conditii industriale obisnuite.

Schema de principiu a realizarii desulfurarii avansate prin folosirea algoritmilor de calcul

Reluand schematizarea din figura l, care este o schema de principiu, adaptarea ei la problema desulfurarii avansate, in conditii industriale, a otelurilor dezoxidate cu aluminiu, folosind zguri sintetice din sistemul CaO-MgO-Al₂O₃ -SiO₂ , se face pe baza urmatoarelor date initiale:

Avand in vedere ca zgura din sistemul CaO-MgO-Al₂O₃-SiO₂ sa fie lichida, la o temperatura mai joasa cu cea 50°C decat temperatura la care se intrerupe tratamentul pentru zgura si pentru marirea sigurantei ca zgura se mentine lichida la aceste temperaturi, se are in vedere ca zgura sa contina cea 4-5%CaF2, pentru care trebuie efectuat un adaos de 7-10% de fluorina, tinand seama de pierderea de fluor, prin formarea compusilor volatili ai acestui element.

Din analizele efectuate asupra raportului de repartitie al sulfului in conditii de echilibru la 1600°C (1873,15 K), pentru a se putea folosi ecuatiile modelului termodinamic stabilit, trebuie avute in vedere si conditii restrictive, referitoare la compozitia zgurii:

(SiO₂) = max l5%

(MgO) = max 8%

Σ(%CaO + %MgO) = max 60%

(S) = max 1%

(FeO) + (MnO) = max l %

Se are in vedere ca grosimea stratului de zgura in oala sa fie de 100-120 mm. O grosime mai mica duce la dezvelirea unei parti din baia metalica, prin barbotare cu argon, chiar si la debite scazute. O grosime prea mare nu se justifica datorita caderii mari de temperatura in stratul de zgura ceea ce face ca o proportie prea mare din zgura sa fie inactiva in procesul de desulfurare, in special in partea finala a tratamentului, cand temperatura scade si mai ales cand tratamentul sub zgura se efectueaza in oale descoperite.

Modelul matematic al zgurii desulfurante cuprinde doua tipuri de ecuatii:

Ecuatia cantitatii de zgura de desulfurare:

Z = + B₁ + E₁ + F₁ , [kg/t otel]

Ecuatiile bilanturilor pe componenti ai zgurii:

z_ij =

Ecuatia bilantului de caldura pe oala de tratament

Q_i = Q_e

unde:

Q_i - sunt caldurile intrate in conturul oalei de tratament la inceperea tratamentului

Qe - caldurile iesite din oala de tratament la sfarsitul perioadei de tratament.

Q_i=Q_zs + Q_ot + Q_zo

unde: Q_zs este caldura zgurii sintetice lichide;

Q_ot - caldura otelului lichid la evacuarea din agregatul de elaborare;

Q_zo - caldura inmagazinata in zidaria refractara a oalei de turnare.

Qe=

unde: este caldura otelului lichid la sfarsitul perioadei de tratament;

- caldura zgurii lichide dupa realizarea tratamentului;

- caldura fizica a captuselii refractare a oalei de tratament dupa efectuarea tratamentului;

Q_p - caldura pierduta prin convectie si radiatie in timpul tratamentului cu zguri sintetice.

Din ecuatia bilantului de caldura, impunand temperatura otelului dupa realizarea tratamentului, se poate determina cantitatea de zgura sintetica lichida.

unde: m_s este masa zgurii sintetice lichide;

i_zs - entalpia zgurii sintetice lichide.

unde: ΔQ_ot este pierderea de caldura a otelului in timpul tratamentului;

ΔQ_zo - aportul de caldura la captuseala refractara a oalei datorita tratarii cu zguri sintetice.

Pentru o utilizare mai sugestiva a datelor referitoare la sursele de formare a zgurilor desulfurante, ele au fost tabelate in tabelul l sub forma matriciala. Acest tabel contine:

a) matricile linie (MA)_i, continand ca elemente compozitiile chimice ale
componentilor adaugati pe baza calcului, in scopul obtinerii zgurii
desulfurante;

i = l n - componenti adaugati;

j = l m - indici ai combinatiilor chimice din componentii adaugati.

b)                matricea linie (MB) = (b_1j) avand ca elemente, continuturile diferitelor
combinatii chimice, de natura exogena, trecute in zgura. Aceste combinatii
sunt oxidice, provenind din captuseala refractara a oalei, dar pot proveni si
din unele resturi de zgura, neindepartata la sarja precedenta;

c)                 matricea linie (ME) = (e_1j), avand ca elemente, cantitatile de combinatii
chimice, de natura endogena, trecute in zgura (in kg/t otel). Aceste combinatii
sunt in principal oxizi ai elementelor dezoxidante; la otelurile dezoxidate cu
aluminiu, calciu si siliciu sunt oxizii Al₂O₃, CaO, SiO₂ ca atare si sub forma
compusilor binari, ternari, etc;

d)               matricea linie (MF) = (f_1j) avand ca elemente compozitia chimica a zgurii din
agregatul de elaborare; din aceasta, o fractie F (kg/t otel) trece in reactorul
oala de tratare a otelului, in timpul evacuarii acestuia, mai ales in ultima
perioada a evacuarii otelului.

Calculul cantitatii de zgura de desulfurare

Baia metalica este dezoxidata cu siliciu. Admitand un grad de asimilare a Si de 80%, cantitatea de Si adaugat va fi:

Cantitatea de Si care se oxideaza la SiO₂

Cantitatea de SiO₂ care rezulta din oxidarea siliciului

unde 180 t este capacitatea oalei in care se face tratarea cu zgura sintetica desulfuranta.

Cantitatea de SiO₂ adusa de uzura captuselii oalei de tratament

Admitem ca captuseala dolomitica contribuie prin uzura cu 1,5 kg/t otel.

Cantitatea de SiO₂ adusa de zgura de convertizor.

Cantitatea de SiO₂ totala

A₁ + B + F = 30,852 + 4,05 + 56 =90,902 kg SiO₂

Cantitatea de SiO₂ adusa de silicocalciu cu 65% Si si 35% Ca

Admitem ca se introduce cca. 1 kg SiCa/t otel.

A₂ =

Cantitatea totala de SiO₂ din zgura rezultata dupa tratament

A₁ + A₂ + B + F = 90,902 + 125 = 216,20 kg SiO₂

In zgura de desulfurare avem conditia restrictiva ca %SiO₂≤5%

Cantitatea de zgura de desulfurare

Cantitatea de zgura care trebuie adaugata

Z_ad = Z - (270 + 400 + 216,2) = 4324- 886,2 = 3437,8 kg

Aceasta cantitate este alcatuita din var, fluorina, alumina.

Calculul adaosului de var

CaO din zgura finala: 48%

- greutatea CaO din zgura finala

Aportul de CaO al zgurii de convertizor

Aportul de CaO adus de dezoxidarea cu silicocalciu

Necesarul de CaO care trebuie adus prin adaugarea varului

Cantitatea de var ce trebuie adaugata

Consumul de var va fi

Calculul necesarului de aluminiu pentru a mari puterea dezoxidanta a zgurii de desulfurare

Cantitatea de FeO adusa de zgura de convertizor

Reactia de dezoxidare

3FeO + 2Al → Al₂O₃ 3Fe

La terminarea tratamentului in otel admitem ca avem 0,03% Al rezidual, iar gradul de asimilare al aluminiului este 40%.

Cantitatea de aluminiu ce trebuie introdusa in zgura de rafinare

Deoarece in baia metalica s-a admis ca exista 0,01 % Al sub forma de Al₂O₃ , se impune sa majoram cu 30%.

Cantitatea totala de aluminiu ce trebuie introdusa

Cantitatea de Al₂O₃ rezultata in procesul de dezoxidare

Cantitatea de Al₂O₃ adusa de captuseala refractara a oalei de turnare

Cantitatea de Al₂O₃ adusa de zgura de convertizor

Cantitatea totala de Al₂O₃ existenta

Cantitatea de Al₂O₃ necesara concentratiei impuse pentru zgura de rafinare

Cantitatea de alumina ce trebuie adaugata

Cantitatea de fluorina ce trebuie adaugata

Reactia de desulfurare a SiCa

Ca_vap + [S] = (CaS)

Cantitatea de calciu vaporizata

Cantitatea de sulf indepartata prin vaporizarea calciului

Cantitatea de sulf din otel

Cantitatea de sulf din var

Cantitatea de sulf din zgura de convertizor

Cantitatea de sulf din otel dupa tratare

Bilantul S la nivelul conturului oalei de tratament

Bilantul CaO pe conturul oalei de tratament

Bilantul SiO₂ pe conturul oalei de tratament

Bilanul Al₂O₃     pe conturul oalei de tratament

Toate calculele privind alegerea compozitiei chimice a zgurii, a cantitatii necesare de zgura, a cantitatilor de componenti ce trebuie introdusi, extragerea dozata din buncare a acestora si introducerea lor in proces, poate fi efectuata automat, folosind conducerea procesului cu calculatorul, dupa schema de principiu prezentata in figura 2. Avantajul principal il constituie rapiditatea executiilor tuturor operatiilor, tinand seama de durata foarte scurta a intervalului de timp avut la dispozitie si care, practic, este durata evacuarii otelului.

Un program adecvat necesitatilor si o configuratie corespunzatoare a sistemului de conducere automata a procesului de rafinare cuprinde:

Interfata cu procesul, pentru accesul in sistem a unor date tehnologice in forma
digitala, (temperatura in sistemul baie metalica - zgura, activitatea oxigenului in
baie) si a unor date de laborator (compozitia chimica a zgurii si a otelului);

Vizualizarea evolutiei in timp, pe un ecran, a valorilor prognozate prin modelul de
predictie si a valorilor utilizate ale parametrilor tehnologici (cronograma
procesului), cu marcarea interventiilor programate de operator si a celor cerute
prin programul initial ales dintr-un meniu;

Posibilitati de dialog intre calculator si operator; se are in vedere o instruire
corespunzatoare a operatorului.

Un astfel de program permite dirijarea procesului, in timp relativ scurt de tratament (de obicei 20-30 minute) spre performanta dorita (nivelul de desulfurare), cu reproductibilitate ridicata si minimizarea costurilor specifice pe unitatea de sulf indepartat din baia metalica. Implicit, scad si costurile specifice pe tona de otel tratat in vederea modificarii incluziunilor sulfidice remanente, cu conditia ca puritatea in incluziuni oxidice a otelului, sa fie ridicata (de dorit ca [O]_tot < 0,003%).