Соединения бария, образующиеся при обработке стали на агрегате ковш-печь

 

В данной работе будут проанализированы соединения бария, образующиеся при обработке металла на 100 тонном агрегате ковш-печь (АКП).

Для раскисления и модифицирования стали используется кальций в виде силикокальция (SiCa) и барий в виде ферроcиликобария (FeSiBa), которые вводятся по очереди. В расчете рассматривается обработка стали ферроcиликобарием, поэтому система металл-шлак-газ приведена к моменту окончания обработки стали силикокальцием.

Ферроcиликобарий будут подавать в тот момент, когда в стали достигнуты требуемые содержания химических элементов, кроме кремния и кислорода, а так же в металле не достигнуты низкое содержание и необходимая форма неметаллических включений.

В качестве примера, выбрана сталь марки 09Г2С, в которую будет добавлятся барий в виде ферросиликобария - 35 (FeSiBa35).

Определены исходные данные о составе и количестве газовой фазы, шлака, металла и модифицирующей добавки для расчета в программе «TERRA»:

- Газовая фаза (воздух, при 20 ⁰С и давлении 1 атм). Количество воздуха 5 м³/т стали или 6 кг/т стали. При этом его химический состав представлен в таблице 2:

 

Таблица 2 - Химический состав воздуха, %

N	O

 

- Шлак. При кратности 1 % масса шлака 1000 кг. Его химический состав представлен в таблице 3:

Таблица 3 - Химический состав шлака, %

CaO	Al2O3	SiO2	MgO

 

- Металл (сталь марки 09Г2С). Масса металла принята равной 100 тоннам. Химический состав представлен в таблице 4:

 

Таблица 4 - Химический состав металла, %

C	Si	Mn	S	P	Cr	Cu	Ni	O	Fe
0,12	0,65	1,5	0,04	0,035	0,3	0,3	0,3	0,01	96,745

 

 

- Модифицирующая добавка (ферросиликобарий, FeSiBa35). Количество ферросиликобария 0,5 кг/т стали. Его химический состав представлен в таблице 5:

 

Таблица 5 - Химический состав металла ферросиликобария (FeSiBa35), %

Si	Ba	Fe

 

Для ввода в программу «TERRA» все данные были приведены к одной единице измерения – к килограммам. Исходные данные по всем химическим элементам для ввода в программу «TERRA» представлен в таблице 6:

 

Таблица 6 - Количество химических элементов, кг

C	Si	Mn	S	P	Cr	Cu
Ni	O	Fe	Al	Mg	Ba	N
	504,52	96747,5	185,29		17,5

 

Для определения соединений бария и их количества данные о составе металла, шлака и газа введены в программу «TERRA» (рисунок 1):

 

Рисунок 1 – Исходный химический состав системы «металл – шлак – газ» введенный в программу

«TERRA»

Так же в качестве исходных данных были приняты давление P= 0,1 МПа и температура от 1800 до 3300 К, с шагом 20 К.

В результате были получены соединения бария и их концентрации при различных температурах.

Были получены следующие соединения:

- барий (Ba);

- оксид бария (BaO);

- сульфид бария (BaS);

- силикат бария (BaSiO₃);

- алюминат бария (BaAl₂O₄).

График показывающий зависимость концентрации этих веществ от температуры представлен на рисунке 2.

 

 

Рисунок 2 – Зависимость концентраций соединений бария от температуры

 

 

Далее было убрано вещество Ba₂, так как концентрация Ba₂ значительно ниже концентрации остальных полученных соединений бария.

В итоге были выбраны четыре температуры при которых наблюдалось значительное изменение концентрации какого-либо вещества.

Первая температура 2040 К. При этой температуре начинается снижение концентрации силиката бария (BaSiO₃(с)) и повышение бария (Ba) за счет распада BaSiO₃ на Ba и SiO₂.

Вторая температура 2320 К. При этой температуре наблюдается самая высокая концентрация алюмината бария (BaAl₂O₄). Далее при повышении температуры концентрация BaAl₂O₄ резко снижается.

Третья температура 2460 К. При этой температуре наблюдаются наивысшие концентрации веществ: оксида бария (BaO) и сульфид бария (BaS).

Четвертая температура 2840 К. При этой температуре наблюдаются наивысшая концентрация бария (Ba).

Далее для выбранных температур рассчитаем количество веществ найденных соединений с учетом годовой производительности агрегата ковш-печь равной 1,2 млн. т/год. Примем равными нулю концентрации веществ, значения которых менее 0,001 %. Выбранные температуры и концентрации веществ представлены в таблице 7.

 

Таблица 7 – Концентрации найденных веществ в зависимости от температуры, %

T, К	Ba	BaO	BaS	BaSiO3(c)	BaAl2O4(c)
				0,0269
	0,008	0,001	0,001		0,0143
	0,014	0,00275	0,00184
	0,017

 

Рассчитаем количества веществ для каждой из выбранных температур с учетом годовой производительности. Для этого умножим каждую концентрацию на годовую производительность 1,2 млн. т/год. Результаты представлены в таблице 8.

 

Таблица 8 – Количество веществ найденных соединений.

T, К	Количество вещества Bi, т
Ba	BaO	BaS	BaSiO3(c)	BaAl2O4(c)
		1171,135	1084,352
		194,3364

 

 

Рассчитаем коэффициент агрессивности для каждого вещества A_i.

Формула нахождения агрессивности вещества [17]:

 

(10)

 

 

 

Тогда приведенная масса выбросов М_пр за год для количеств веществ, соответствующих выбранным температурам рассчитывается по формуле (11):

 

(11)

 

T₂=2320 К

 

355665 усл. т/год

 

T₃=2460 К

 

усл. т/год

 

 

T₄=2840 К

 

усл. т/год

 

Приведенная масса выбросов М_пр на тонну стали:

 

усл. т/т стали

 

усл. т/т стали

 

усл. т/т стали

 

Вывод. Соединения бария полученные при расчете в программе «TERRA» относятся ко II классу опасности, т. е. являются высоко опасными веществами. Эти вещества подлежат контролю, т. к. они входят в состав вредных веществ содержащихся в воздухе рабочей зоны.

 

Выводы

 

Основной задачей расчетов было определение вредных составляющих газовойфазы и их возможного влияния на организм человека. Анализ соединений, образующихся при взаимодействии между компонентами газовой, шлаковой и металлической фаз, показал возможное образование бария, а также оксидов и сульфидов бария.

Взаимодействие бария с воздухом сводится к образованию гидроксидов бария (при переменном составе присадок бария). При увеличение присадок бария без изменения состава и количества воздуха гидроксиды бария начинают разлагаться (при температуре 1300-1400°С) и образовывать оксид бария (BaO). При неизменном содержании бария и последующем увеличении присадок воздуха состав газовой фазы был представлен прежде всего гидрооксидом бария и оксидом бария.

Поэтому в процессе выплавки стали с применением барийсодержащих модификаторов необходимо блокировать подсосы воздуха при подаче ферросплава (обеспечить минимальную вытяжку).

При взаимодействии бария с компонентами шлаковой фазы (плавиковым шпатом и алюминиевым шлаком) возможно образование соединений хлорида и фторида бария, которые входят в состав вредных веществ содержащихся в воздухе рабочей зоны и подлежат контролю. Данные соединения выделяются в газовую фазу при температуре 1600-1650° С, при 1700° С отмечается образование соединений BaF₂ и BaCl₂. В связи с этим шлакообразующие целесообразнее подавать при низких температурах (меньше 1650° С) и обязательно в виде проволоки в глубину расплава.