Джерела потрапляння сірки до ванни сталеплавильних агрегатів. Розподіл сірки між металом і шлаком, реакція десульфурації, чинники, що впливають на ступінь її розвитку.Способи десу

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ДЕРЖАВНИЙ ВИЩИЙ НАВЧАЛЬНИЙ ЗАКЛАД

«ПРИАЗОВСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

МАРІУПОЛЬСЬКИЙ МЕХАНІКО-МЕТАЛУРГІЙНИЙ КОЛЕДЖ

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

МЕТОДИЧНА РОЗРОБКА

відкритого заняття на тему:

«Джерела потрапляння  сірки до ванни сталеплавильних агрегатів. Розподіл сірки між металом і шлаком, реакція десульфурації, чинники, що впливають на ступінь її розвитку.Способи десульфурації»

з дисципліни «Теорія і технологія виробництва сталі і феросплавів»

для студентів спеціальності «Виробництво сталі і феросплавів»

 

 

 

 

 

 

 

 

 План заняття №___

Дата_____

Дисципліна: Теорія і технологія виробництва сталі і феросплавів

Модуль змістовий:ПП.03.08.01/3 – Основи теорії виробництва сталі

Тема заняття: Джерела потрапляння  сірки до ванни сталеплавильних агрегатів. Розподіл сірки між металом і шлаком, реакція десульфурації, чинники, що впливають на ступінь її розвитку.Способи десульфурації.

Мета заняття:

Методична: удосконалити методи інтерактивного навчання;

Дидактична:

• навчальна:  визначити роль процесу десульфурації у  сталеплавильному виробництві; ознайомити студентів з джерелами влучення сірки в ванну сталеплавильного агрегату; засвоїти умови проходження реакцій; визначити чинники, які впливають на ступінь проходження реакцій десульфурації; ознайомити  зі способами десульфурації.
• розвивальна: розвивати  мову  і мислення, увагу  і пам`ять студентів; розширювати  їх світогляд

Виховна : Формувати самостійність, активність, творчу ініціативу у рішенні важливих питань; виховати  взаємоповагу;  сформувати професійні навички студентів, що допоможуть їм добре володіти технологією виробництва сталі; виховати  уважність, кмітливість.

Вид заняття: Проблемна лекція

Форма проведення заняття - інтерактивна лекція; лекція - діалог (евристична бесіда), бліц-опитування, індивідуальна робота з робочими картами,  робота у групах, робота з науковими статтями та технічною документацією

Міжпредметні зв'язки :

Забезпечуючі: Фізика, хімія, фізична хімія, металознавство, ознайомлювальна практика

Забезпечувальні: Курсове проектування, дипломне проектування

Технічні засоби навчання: мультимедійний проектор,комп’ютер

Методичне забезпечення :  Робочі карти, завдання, статті.

Література:

 1 Бойченко Б.М., Охотський В.Б., Харлашин П.С. Конвертерне виробництво сталі              Дніпропетровськ: РВА «Дніпро-ВАЛ», 2004.- 454 с., укр..

 2 Меджибожський М.Я.,Харлашин П.С.. Основи термодинамікі та кінетики сталеплавильных процесів              К.: Вища школа., 1993. – 327, українська

 

 

 

 

 

 

 

 

Хід заняття

 

1  Організаційний момент

1.1   Підготовка аудиторії до заняття

1.2  Привітання студентів , перевірка наявності студентів

2 Мотивація навчання

Сучасна тенденція у виробництві масових видів металопродукції зводиться до підвищення частки якісних марок сталі, підвищення виходу придатного і скорочення витрат на виробництво.

 Питання до студентів: Підкажіть, будь ласка, чим визначається якість стали? (Правильна відповідь: «Якість стали визначається вмістом в ній шкідливих домішок - сірки і фосфору»)

Сьогодні українські металургійні підприємства не мають труднощів в отриманні низького вмісту  фосфору в сталі, так як не працюють на високофосфористих чавунах. Але з сіркої справи йдуть інакше. І наше сьогоднішнє заняття буде присвячено боротьбі з сіркою - як головній проблемі сталеплавильників.

Але заняття буде проходити не зовсім у звичайній формі. Давайте з вами ненадовго заглянемо в майбутнє і уявімо, що ви - молоді співробітники престижного відділу вдосконалення сталеплавильного виробництва. Ми з вами - колеги.

Хочу представити вам правила роботи нашого відділу:

-активно обмінюйтеся інформацією між собою;

-спільно робіть висновки;

- спільно вибирайте єдиний підхід;

- Пам'ятайте, від вкладу кожного з вас залежить загальний результат роботи.

Приймаємо ці правила? (Студенти відповідають)

3 Актуалізація опорних знань

Колеги, перш, ніж приступити до роботи, наше керівництво хоче дізнатися, наскільки ви грамотні і кваліфіковані фахівці. Вам будуть запропоновані декілька завдань.

3.1  «Мозковий штурм» (задається питання - студент відповідає)

1. Що таке десульфурація? (Правильна відповідь: Десульфурація – це процес видалення сірки з металу)

2. Чому сірка є шкідливою домішкою? (Правильна відповідь: Сірка визиває  розвиток червоноламкості сталі – погіршення  механічних властивостей сталі в області високих температур)

3. Який зміст сірки повинен бути в якісних сталях? (Правильна відповідь:Вміст сірки в якісних марках сталі не повинен перевищувати 0,02%)

4. Назвіть сучасні способи виробництва сталі (Правильна відповідь: Сучасні способи виробництва сталі – конвертерний і електросталеплавильний)

5. Який матеріал використовується в конвертерній плавці для утворення шлаку? (Правильна відповідь:Вапно, плавиковий шпат)

6. Назвіть основні функції шлаку (Правильна відповідь:Основні функції шлаку – видалення шкідливих домішок;передача кисню з атмосфери до металу; теплоізоляція металу; захист металу від взаємодії з атмосферою; асиміляція та наступний розчин неметалевих включень)

7. Яка хімічна властивість шлаку характеризує його здатність видаляти сірку? (Правильна відповідь:Основність)

3.2 Індивідуальна робота з картками із взаємоперевіркою

Кожному дано картки із записаною хімічною реакцією. Ваше завдання - на підставі закону діючих мас записати константу рівноваги цієї реакції.

Варіанти хімічних реакцій:

[С] +[О] = {СО}                (К_C-CO = )

[С] +2[О] = {СО₂}             (К_C-CO2 = )

[Si] +2[О] = (SiО₂) (К_Si = )

[Mn] +[О] = (MnО) (К_Mn = ) 

[FeS] +(CaО) = (FeО)+ (CaS)       (К_S = )

2[Al] +3 [О] = (Al₂O₃)         (К_Al = )  

Після виконання завдання студенти обмінюються картками і проводять взаємоперевірку. Вибірково студентам пропонується записати результати на дошці.

3.3  Робота в групах «Технологічна схема роботи металургійного підприємства»

Колеги, ви не так давно проходили практику на металургійному комбінаті «Азовсталь». Давайте згадаємо з вами етапи металургійного виробництва та їх послідовність. Вам пропонуються картинки із зображенням цехів комбінату, а також картки з назвою вихідних матеріалів і продукції, одержуваної в цехах. Ваше завдання - на чистому аркуші паперу (за допомогою клею) розташувати їх в потрібному порядку і скласти технологічну схему роботи підприємства з повним металургійним циклом. Послідовність і напрямок подальшого використання продукції цехів показати стрілочками. На виконання завдання вам дається 2 хвилини. (Опитування ведеться по черзі у кожної групи, підводимо підсумки)

4 Викладання нового матеріалу

4.1 Постановка проблемного завдання

Отже, колеги, ми переконалися, що ви маєте достатньо глибокі знання з теорії сталеплавильних процесів і можемо сміливо перейти до роботи. Перед нашим відділом керівництвом було поставлено завдання: «Розробити технологію виробництва якісної низькосернистої стали марки 10Г2ФБ (вміст сірки менш 0,006%) в умовах металургійного комбінату« Азовсталь ». Завдання не просте, але я впевнена, що ви з ним впораєтеся, а я вам в цьому допоможу.

Для початку, давайте складемо план нашої з вами роботи. Що ми з вами повинні зробити для того, щоб розробити нову технологію?

1 Дізнатися джерела потрапляння сірки в сталь

2 Вивчити розподіл сірки між металом і шлаком

3 Розглянути реакцію десульфурації і з'ясувати які фактори впливають на ступінь її розвитку

4 Дізнатися і проаналізувати способи десульфурації

Ці питання і є темою нашого заняття, яка формулюється так: «Джерела потрапляння сірки до  ванни сталеплавильних агрегатів. Розподіл сірки між металом і шлаком; реакція десульфурації, фактори, які впливають на ступінь її розвитку. Способи десульфурації »

Почнемо роботу.

4.2 Випереджувальне завдання

Отже, колеги, ми з вами вже згадали, що сірка - шкідлива домішка, яка викликає червоноламкість - тобто зниження механічних властивостей сталі в області високих температур. Але це поверхневе визначення. Я пропоную розглянути явище червоноламкості докладніше, і в цьому мені допоможе Тужик Євген, який приготував доповідь з теми «Червоноламкість сталі».

Студентам пропонується записати повне визначення поняття червоноламкість сталі у робочі карти.

Колеги, щоб відповісти на питання: «Як прибрати сірку з сталі?» , давайте подумаємо, як вона туди потрапляє.

4.3 Мозковий штурм - студенти пропонують джерела потрапляння сірки в сталь і роблять записи в робочих картах.

З джерелами визначилися. Тепер давайте подумаємо, які матеріали вносить найбільшу кількість сірки. Зверніть увагу на таблицю 1.

Студентам пропонується  проаналізувати джерела надходження сірки в конвертерну ванну.

Матеріал		Вміст сірки, %	Кількість сірки, що вноситься до конвертеру,кг/т сталі
Назва	Витрати, кг/т сталі
Чавун	700-870	0,005-0,04	0,035 - 0,35
Доменний (міксерний шлак)	0,5-30	0,5-2,5	0,002-0,75
Металолом	240-310	0,005-0,1	0,012-0,31
Вапно	60-100	0,02-0,2	0,012-0,2
Плавіковый шпат	0,5-6	0,08-0,2	0,004-0,012

 

Зробіть позначку в ваших робочих картах. Тепер ми з вами вже можемо сформулювати одну з умов отримання низькосірчистих сталей. Допоможіть мені, яка це умова? (Правильна відповідь: Одна з умов отримання низькосернистої стали - зменшення вмісту сірки у всіх шихтових матеріалах)
      4.4 Міні-лекція

Давайте розглянемо механізм видалення сірки.

Сірка в розплаві залізо-вуглець знаходиться у вигляді сульфіду заліза [FeS]. Існує два шляхи видалення сірки з металу:

1 У газову фазу

2 В шлак

1Розглянемо  видалення сірки в газову фазу.

Видалення сірки в газову фазу можливо лише в початковий період продувки стали в конвертері при надлишку кисню в зоні продувки:

[S] +{О₂}= {SО₂}

Кількість сірки, що перейшла в газову фазу зазвичай невисока, і становить близько 10% від загальної кількості сірки в металі.

2 Розглянемо видалення сірки в шлак

Результати десульфурації в кисневому конвертері в основному визначаються переходом сірки в шлак.

Процес десульфурації характеризується наступними показниками: розподілом сірки між металом і шлаком і ступенем десульфурації.

Ls - коефіцієнт розподілу сірки між шлаком і металом; Ls = (S)/[S];

ηs - ступінь десульфурації

 η_S =

де [S]_н і [S]_к - відповідно початковий і кінцевий вміст сірки в металі.

4.5 Робота в групах за індивідуальними завданнями

Колеги, для вас завдання: Розрахуйте ступінь десульфурації при таких умовах:

1 при виплавці сталі в конвертері, якщо початкове вміст сірки в шихтових матеріалах (чавун і лом) становить 0,02%, а кінцеве - 0,015%

2 при позапічної обробці стали, якщо вміст сірки в стали до обробки становить 0,015%, а після обробки - 0,005%

3 при позапічної десульфурації чавуну - якщо початковий зміст сірки в чавуні становить 0,04%, а кінцеве - 0,02%

Отже, колеги, які результати у вас вийшли? Аналізуємо, в якому процесі вище ступінь десульфурації, студенти роблять відмітки у робочих картах.

4.6 Міні-лекція

Тепер перейдемо до реакції десульфурації. Підкажіть, які елементи можуть бути десульфураторами? (Відповідь - Ті, у яких висока хімічна спорідненість з сіркою)

4.7 Робота з таблицею

Давайте розглянемо з вами таблицю 2, де представлені реакції взаємодії сульфіду заліза з деякими металами і оксидами і спад вільної енергії ΔG ° ₁₈₇₃ на 1 кг металу або оксиду.

Хімічна реакція	Спад вільної енергії ΔG °1873
Взаємодія з металами
[FeS] +{Ca} = Feж + (CaS) (температура кипіння кальцію 1484оС)	-9177
[FeS] +{Mg} = Feж + (MgS) (температура кипіння  магнію  1091оС)	-4774
[FeS] +[Mn]  = Feж + (MnS)	-2462
Взаємодія з  оксидами
[FeS] +(CaО) = (FeО)+ (CaS)	-2237
[FeS] +(MnО) = (FeО)+ (MnS)	-1771
[FeS] +(MgО) = (FeО)+ (MgS)	+1978
3[FeS] +(Al2О3) = 3(FeО)+ (Al2S3)	+2764

 

Прошу вас проаналізувати дані таблиці і назвати найсильніші десульфуратори.

(Відповідь - з розглянутих металів найбільшим спорідненістю до FeS володіє Ca -найбільша спад вільної енергії на 1 кг металу становить 9177 кДж, потім слідують Mg, Mn. З розглянутих оксидів найбільшим спорідненістю до FeS володіє CaO (найбільша спад вільної енергії - 2237 кДж на 1 кг оксиду), потім слідує MnO. Оксиди магнію і алюмінію не володіють властивостями специфічних десульфураторів, так як значення ΔG ° для них позитивні (відповідно +1978 і + 2784 кДж на 1 кг оксиду).

4.8 Міні-лекція

Тепер дамо характеристику найсильнішим десульфураторам:

1 Металевий кальцій - сильний десульфуратор, але має високу ціну, його використання в чистому вигляді пов'язане з технологічними труднощами, так як при температурах сталеплавильних процесів він знаходиться в газоподібному вигляді - тому застосовується у вигляді сплавів: силікокальция, алюмокальція, феррокальція при позапічної обробці якісних сталей.

2 Металевий магній - хороший десульфуратор,  при відносно низьких температурах (1200-1350^оС), з підвищенням температури його активність різко знижується; використання пов'язане з технологічними труднощами (як кальцій); застосовується при позапічної десульфурації чавуну.

3 Вапно (СаО) – сильний, найдешевший і доступний матеріал, застосовується при виплавці та позапічної обробки сталі.

Основну реакцію видалення сірки в шлак правомірно записати в наступному вигляді:

[FeS] +(CaО) = (FeО)+ (CaS)

З'єднання CaS дуже міцне. Практично сірка, що перейшла в шлак, назад з нього в метал не переходить.

Запишемо константу рівноваги цієї реакції:

К_S =

 

Величина a [FeS] пропорційна концентрації сірки в металі, тому вираз можна записати в наступному вигляді:

4.9 Бесіда

Давайте з вами сформулюємо термодинамічні умови для зниження вмісту сірки в сталі і наведемо технологічні прийоми, які це можуть забезпечити.(Студенти формулюють умови і вносять записи до робочих карт)

До цих умов відносимо:

1 Висока активність (CaО) в шлаку - досягається присадками вапна, забезпеченням умов для його  розчинення, що призведе до підвищення основності шлаку до межі 3,0-3,5. Після перевищення цієї межі шлак стає густим і неоднорідним, що негативно впливає на процеси рафінування металу від сірки.

2 Низький вміст оксиду заліза (FeО) в шлаку - з точки зору термодинаміки - бажано якомога нижча окисленность шлаку. Але з точки зору кінетики процесів - оксид заліза є головним розчинником вапна і необхідно забезпечити його оптимальний вміст в шлаку. У конвертерному процесі зміст (FeО) в шлаку знаходиться в межах 12-18%, що створює не дуже сприятливі умови для десульфурації, тому в конвертері видаляється всього близько 30% від вихідного вмісту сірки.

3 Висока константа рівноваги реакції десульфурації - константа рівноваги реакції десульфурації підвищується зі збільшенням температури; проте, в межах температур сталеплавильної ванни константа рівноваги майже не залежить від температури і дорівнює 0,05-0,06.

4 Низька активність (CaS) в шлаку - може бути забезпечена скачуванням шлаку і наводкою нового, що не містить сірку.

5 Вплив складу металу на коефіцієнт активності сірки.

Розглянемо графічну залежність коефіцієнта активності сірки від змісту основних елементів.

 

Давайте з вами проаналізуємо графік. (Вуглець і кремній підвищують активність сірки в рідкому металі завдяки створенню сполук із залізом, а марганець зменшує її за рахунок утворення з'єднань із сіркою. Тому сірка краще видаляється з розплаву з більш високим вмістом вуглецю , тобто з чавуну.)

6 Вплив окислення металу. Сірка - поверхнево-активні елемент. Кисень також поверхнево активний, тому між ним і сіркою відбувається як би «боротьба за поверхню». У тих випадках, коли в металі багато кисню (метал окислен), реакція десульфурации йде з трудом. З цієї точки зору умови десульфурації конвертерної ванни залишають бажати кращого.

4.10 Робота в групах

Колеги, ми з вами дізналися умови, необхідні для успішної десульфурации, тепер давайте подумаємо, де ми можемо їх створити. Кожній групі пропонується картка, в якій перераховані потрібні нам умови і етапи виробництва сталі, на яких ми це можемо проводити десульфурацию. Ви повинні поставити знак «+», якщо ми можемо створити ці умови і знак «-», якщо не можемо. На виконання завдання у вас 1 хвилина.

Умови успішної десульфурації	Можливість створення необхідних умов	Етап виробництва
Висока активність  магнію в металі		Позапічна десульфурація чавуну
Висока активність сірки в металі
Низька активність  (MgS) у шлаку
Високий вмість вуглецю
Низька окисленість металу
Висока активність сірки в металі
Висока активність  (CaО)  у шлаку		Виплавка сталі в конвертері
Низька активність (FeО) у шлаку
Низька активність  (CaS) у шлаку
Високий вмість вуглецю
Низька окисленість металу
Висока активність сірки в металі
Висока активність  (CaО)  у шлаку		Позапічна обробка сталі
Низька активність (FeО) у шлаку
Низька активність  (CaS) у шлаку
Високий вмість вуглецю
Низька окисленість металу
Висока активність сірки в металі

Студентам пропонується зробити висновок про успішність десульфурації при виплавці сталі в конвертері і при її позапічній обробці, а також при позапічній десульфурації чавуну магнієм.

4.11  Міні-лекція

Тепер, колеги, розглянемо способи десульфурації. Попрошу вносити інформацію в ваші робочі карти.

1 Позапічна десульфурация чавуну - є обов'язковим елементом технології виробництва якісних сталей. На користь доцільності проведення позапічної десульфурації чавуну говорить високий коефіцієнт активності сірки в розплавах з високим вмістом вуглецю. Для позапічної десульфурації чавуну в Україні застосовується металевий магній, який вводять в метал у вигляді порошкового дроту, вдувають в струмені інертного газу.

2 Десульфурація сталі в конвертері – не дуже успішна, можемо видалити до 30% сірки:

- застосування шихтових матеріалів з низьким вмістом сірки, використання десульфурованного чавуну і оборотного брухту з відомим хімічним складом;

- застосування вапна для шлакоутворення; отримання однорідного, шлаку з високою основностью;

- проміжне скачування шлаку.

3 Позапічна обробка сталі для десульфурації:

-обробка твердими шлакоутворюючих сумішами, що складаються з вапна і плавикового шпату;

-обробка рідкими шлаками з високою основністю  і низькою окисленістю;

-обробка кальційвмісними матеріалами - порошковим дротом з наповненням силікокальцієм, алюмокальціем; вдування матеріалів, що містять кальцій в метал в струмені інертного газу.

4.12 «Ланцюжок»

Тепер, колеги, я хочу, щоб ви ще розширили свої знання, і пропоную вивчити наукові статті, які безпосередньо стосуються нашої теми. Кожній групі пропонується по дві статті. Завдання груп - вивчити їх, і бути готовими відповідати на питання по першій статті, а за другою статтею придумати питання для іншої групи. Перша група готує питання для другої групи, друга - для третьої, а третя - для першої. На виконання завдання у вас 10 хвилин.

5 Узагальнення і систематизація знань

5.1 Розробка  проекту (робота в групах)

Колеги, тепер ви прекрасно готові до виконання свого головного завдання – розробки технології виробництва якісної низькосернистої стали марки 10Г2БТ (вміст сірки менш 0,006%) в умовах металургійного комбінату «Азовсталь». Кожна група зараз буде виконувати частину цього завдання і разом ми отримаємо готовий проект. Перша група буде займатися розробкою технології позапічної десульфурації чавуну; друга – розробкою технології виплавки сталі з низьким вмістом сірки в конвертері; третя – технологію позапічної обробки стали з метою десульфурації.

На допомогу вам я пропоную скористатися технологічними інструкціями комбінату «Азовсталь» за цими етапами виробництва. На виконання завдання у вас 10 хвилин.

(Після закінчення часу представники груп виходять і по черзі презентують свої розробки)

5.2 Висновок

Колеги, ви молодці, прекрасно впоралися з поставленим завданням і технологічно вірно розробили технологію виробництва якісної сталі з низьким вмістом сірки.

А тепер давайте з вами проаналізуємо наше заняття.

Скажіть, що нового для себе ви сьогодні дізналися і що вивчили? (Джерела потрапляння сірки в сталь; вивчили розподіл сірки між металом і шлаком; розглянули реакцію десульфурации і з'ясували, які фактори впливають на ступінь її розвитку; дізналися і проаналізували способи десульфурації.)

Ці знання і досвід, отриманий на занятті вам дуже скоро знадобиться при розробці курсових і дипломних проектів, з якими, я впевнена, ви з легкістю впораєтеся.

6 Оцінювання - виставляння і аргументація оцінок за роботу на занятті.

7 Домашнє завдання - закріплення теми за підручником [1] с.130-145, с.331-338