Расчет плавки стали в кислородном конвертере

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕНИЯ

Целью плавки является получение заданной массы жидкой стали с требуемым химическим составом и температурой при минимальных затратах материально-сырьевых, топливно-энергетических и трудовых ресурсов.

Все физико-химические процессы, связанные с получением заданного содержания примесей в готовой жидкой стали делятся на две группы:

-рафинирование металла – удаление избыточного количества примесей, содержащихся в исходном металле;

-раскисление-легирование металла – достижение необходимого содержания кислорода и полезных примесей, которые вводятся в металл в виде ферросплавов.

Оба процесса проводят, как правило, последовательно. Рафинирование металла, которое является более сложной задачей, обычно проводят в несколько стадий.

Стадии рафинирования металла:

Предварительное рафинирование - сводится к удалению из чугуна серы, фосфора и других примесей. Проводят его до подачи чугуна в сталеплавильный агрегат, как правило, в чугуновозных ковшах, сводится, главным образом, к обработке чугуна кальцинированной и каустической содой, магнием и жидкими синтетическими шлаками с целью его десульфурации.

Основное рафинирование - проводится в сталеплавильном агрегате за счет окисления примесей кислородом дутья, газовой фазы и твердых окислителей (обезуглероживание, дефосфоризация и десульфурация и др.).

Дополнительное рафинирование - проводят обычно сталеразливочном ковше путем обработки металла синтетическим шлаком и применяется, в основном, для удаления серы.

Дегазация металла с целью удаления водорода, кислорода и азота. Её проводят методом вакуумной обработки или продувки нейтральным газом в сталеразливочном ковше.

Процесс обезуглероживания металла регулируется изменением расхода кислорода, поступающего в ванну. При этом характерно, что реакция окисления углерода может быть как явно экзотермической, если она протекает за счет газообразного кислорода, так и резко эндотермической, если она протекает за счет кислорода твердых окислителей.

Процессы дефосфоризации и десульфурации осуществляются регулированием шлакового режима плавки, т.е. изменением химического состава и количества шлака.

Химический состав и количество шлака зависят, в основном, от количества кремния в чугуне и от расхода шлакообразующих материалов. Поэтому расчеты, связанные с управлением шлаковым режимом (десульфурация и дефосфоризация) сводятся к определению количества шлака и соответственного расхода флюсов.

Раскисление-легирование металла является обязательным и заключительным этапом плавки, обеспечивающим получение заданного содержания примесей в готовой стали. Поэтому этот этап является весьма ответственным, поскольку определяет качество литого и готового металла.

Порядок расчета плавки

Проведение расчетов производится в два приема – предварительный и окончательный.

Предварительный расчет выполняется с целью установления технологической схемы плавки – процесс может быть одношлаковый или многошлаковый.

Окончательный расчет выполняется для установления оптимального режима (расход исходных материалов и энергоресурсов, определение выхода и состава плавки).

Определение любого параметра плавки производится по формуле, полученной из уравнения материального и теплового балансов, путем определения их относительного искомого параметра.

Определение основных параметров плавки производится на 100 кг чугуна и стали. Расход материалов и выход продуктов плавки в основных расчетах выражается на 100 кг металлошихты (в процентах от массы металлошихты), что создает удобство при экономической оценке процесса плавки и практическом управлении плавкой.

Обеспечение оптимального шлакового режима начинается с установления оптимальных значений его параметров, которыми являются, в первую очередь, – основность и количество шлака, а также режим взаимодействия шлака и металла.

Основность шлака позволяет оценивать фосфоро- и серопоглотительную способность шлака. Универсальной формой выражения основности (B) шлака является отношение концентрации основных оксидов к концентрации кислотных и амфотерных оксидов:

,

где - , , – коэффициенты, учитывающие эквивалентность FeO, MnO, MgO по сравнению с CaO; , , – коэффициенты, учитывающие эквивалентность P₂O₅, Al₂O₃, Fe₂O₃ по сравнению с SiO₂.

В связи с неизученностью указанных коэффициентов, основность шлака определяют обычно упрощенно:

,

т.е. учитывают только самый сильный основной оксид (CaO), оказывающий решающее влияние на химические свойства шлака, и два главных кислотных (SiO₂, P₂O₅) оксида, массовое содержание которых выражают в процентах.

2. ЗАДАНИЕ

Выполнить расчет плавки заданной марки стали в кислородном конвертере заданной ёмкости для разливки на МНЛЗ. Исходные данные принять согласно варианта из таблиц А.1 и А.2 приложения А.

Вместимость конвертора _________________ т;

Химический состав чугуна и лома – табл. 1;

Температура жидкого чугуна ______________°С;

Химический состав стали - _таблица 1;

Интенсивность продувки ванны __________нм3/(т·мин);

Химический состав металлической и неметаллической частей шихты и готовой стали сводим в таблицу 1 и 2.

Таблица 1

Химический состав металлической части шихты и стали

Материалы	C	Si	Mn	P	S	Fe
Чугун жидкий
Металлический лом1
Ферромарганец	6,00	1,00	78,00	0,300	0,020	14,68
Готовая сталь

1) – Средний химический состав лома выбираем из интервала значений, %: С=0,2-0,5; Si=0,2-0,4; Mn=0,1-0,5; S=0,030-0,045; P=0,030-0,050.

Таблица 2

Химический состав неметаллической шихты и других материалов, %

Материал	SiO2	Al2O3	MnO	CaO	MgO	P2O5	S	CaF2	∑ΔMпрм	Fe2O3	FeO	H2O	CO2
Известь	2,0	0,8	-	85,0	2,0	0,1	0,1	-	90,0	-	-	1,0	9,0
Плавиковый шпат	4,5	0,9	-	7,6	-	-	-	81,0	94,0	-	-	-	2,0
Футеровка	3,4	1,4	-	40,3	52,8	-	-	-	97,9	2,1	-	-	-
Загрязнения лома	68,0	24,0	-	3,0	2,0	-	-	-	97,0	3,0	-	-	-
Окалина лома	-	-	-	-	-	-	-	-	-	69,0	31,0	-	-
Ковшевой шлак	47,5	6,5	8,0	16,6	4,5	0,2	0,4	-	83,7	-	16,3	-	-

Для удобства основную часть результатов теоретических расчетов плавки стали (расход материалов и тепла, выход продуктов плавки) целесообразно выражать в килограммах и килоджоулях на 100 кг металлошихты (чугун + лом).

Материалы из малозначащих источников, участвующие в плавке

Такими источниками поступления материалов являются: футеровка конвертера; миксерный и доменный шлак; оксиды железа, кремния и алюминия, попадающие с металлоломом. К этой категории материалов, участвующих в плавке, относят также боксит и плавиковый шпат.

Поскольку все указанные выше материалы поступают из малозначащих источников, их точный качественный учет невозможен. Но их влияние на процесс шлакообразования не вызывает сомнений и поэтому соответствующие данные для таких материалов обычно принимают на основе среднестатистических данных теории и практики плавки.

Принято считать, что количество засорений (мусора) в металлическом ломе составляет 1…3 %, в основном это SiO₂=75 % и Al₂O₃=25 %.

Количество окалины (ржавчины) в металлоломе составляет обычно 1…4 %, главным образом это Fe₂O₃ – 69 % и FeO – 31 %.

С учетом того, что расход металлического лома в кислородно-конвертерном процессе составляет обычно 20…30 %, можно считать, что количество засорений из металлического лома будет составлять 0,25…0,75 %.

Расход футеровки конвертера принято считать равным 0,7…1,2 кг, боксита – 0,6…1 кг, миксерного шлака – 0,5…1,2 кг.

Таким образом, расход материалов из малозначащих источников, участвующих в образовании шлака, для расчета плавки можно принять:

Футеровка конвертера – 1,0 кг;

Миксерный шлак – 0,8 кг;

Боксит – 0,8 кг;

Засорение лома – 0,4 кг.

6. Порядок расчета

6.1. Определение температуры металла в конце продувки

Требуемую температуру металла в конце продувочной операции находим последовательным расчётом.

Температура плавления (ликвидуса) стали:

t_ликв = 1539 – 88%С – 16%Si – 3,4%Mn – 1,9%Ni – 1,3%Co – 2,4%Mo – 8,7%Nb – 2,1%V – 1,6%Cr;

или

t_ликв = 1539 – 88%С – 8%Si – 5%Mn – 4%Ni – 5%Cu – 2%V – 1,5%Cr – 25%Ti – 30%P.

Выбор расчётной формулы производим из условия учёта влияния максимального числа компонентов.

Температура стали в кристаллизаторе:

t_кр = t_ликв + (10÷15⁰C);

Определяем температуру металла в промковше:

t_пр.к = t_кр + (15÷20⁰C);

Температура металла в стальковше:

t_cт.к = t_пр.к + (10÷20⁰C);

Необходимая температура металла перед внепечной обработкой:

t_внеп = t_cт.к + (10÷20⁰C);

Определяем температуру металла в конверторе по окончании продувки:

t^к_мет = t_внеп + (30÷40⁰C);

6.2. Расчет материального баланса плавки

Расчет ведется на 100 кг металлошихты (чугун + лом).

Предварительное определение расхода лома

= [(3000 + 6430 + 1680 + 4720 + 21 + 4200)– (25,2 + +2730 )]/(30 + 64,3 + 16,8 + 47,2 + 0,21 ), кг (1)

где , , , – содержание соответствующих элементов в чугуне, %; , – соответственно температура заливаемого в конвертер чугуна и температура металла в конце продувки, ; – содержание углерода в металле в конце продувки, % (принимаем равным нижнему пределу в готовой стали).

Расход чугуна, (кг) = 100 - (2)

Расход миксерного шлака составляет 0,6 – 0,9 % от , кг

Принимаем = (0,006 ÷ 0,009)М_ч. (3)

Для выполнения дальнейших расчетов принимаем:

Количество загрязнений, вносимых ломом, кг

= 0,0065 (4)

Расход плавикового шпата в зависимости от параметров технологии находится в пределах 0,6 – 1,0 кг.

Принимаем = (5)

Расход футеровки составляет 0,7 – 1,2 кг.

Принимаем = (6)

Количество окалины, внесенной ломом, кг (1-4 % от )

= (7)

Количество примесей, внесенных металлошихтой, кг

= 0,01( ∙ + ∙ ) (8)

= 0,01( ∙ + ∙ ) (9)

= 0,01( ∙ + ∙ ) (10)

= 0,01( ∙ + ∙ ) (11)

= 0,01( ∙ + ∙ ) (12)

где , – соответственно масса чугуна и лома, кг;

, , , , , , , , , – содержание углерода, кремния, марганца, фосфора, серы соответственно в чугуне и ломе, %.

Расход извести на плавку ( ), кг

Основность конечного шлака в зависимости от состава чугуна и марки выплавляемой стали (требуемых показателей дефосфорации и десульфурации) находится в пределах 3,0 – 3,6

Принимаем для расчета основность конечного шлака =

=

,кг (13)

где – содержание кремния в металлошихте; , ­и т.д. – содержание кремнезёма в используемых материалах; , – содержание оксида кальция в используемых материалах (табл.2); , и т.д. – расход материалов.

Содержание оксидов железа в конечном шлаке:

= . (14)

где – температура металла в конце продувки, .

= ; = , (предполагаем, что на 2/3 состоит из (%FeO)_к и на 1/3 – из )

Ориентировочный выход жидкого металла в конце продувки ( )

Принимаем, что за время продувки окисляется весь кремний, 80 % марганца, 90 % фосфора. Потери железа с отходящими газами, выбросами, со шлаком (в виде корольков) превышают количество железа, восстановленного из оксидов, окалины, загрязнений скрапа и других материалов на 3,5 – 4,5 %.

В расчете принимаем эти потери = %.

Тогда

= , кг (15)

где , и т.д. – количество примесей, вносимых металлошихтой, кг;

Ориентировочное количество шлака:

= =

(16)

где , и т.д. – расход материалов; , и т.д. – содержание оксидов в материалах.

Уточнение количества примесей в металле в конце продувки:

Содержание углерода в металле должно соответствовать нижнему пределу его в готовой стали.

Содержание марганца определяем из балансового уравнения распределения марганца между шлаком и металлом:

= )]/

/ ,% (17)

– константа равновесия реакции окисления марганца, определяемая из уравнения: lg = lg = ,

где Т = + 273, К.

Содержание фосфора:

= , (18)

где = – коэффициент распределения фосфора между металлом и шлаком, определяемый из табл.3

Таблица 3

Значения коэффициента распределения фосфора

Основность шлака	Lp при содержании (% FeO)к
					16 и более
3,0
3,2
3,4
3,6

Содержание серы:

= , (19)

где – коэффициент распределения серы металлом и шлаком, принимаемый по табл. 4.

Таблица 4

Значения коэффициента распределения серы

Основность Вк	3,0	3,2	3,4	3,6
Коэффициент ηs	7,2	7,8	8,3	8,7

Содержание кремния в металле в конце продувки принимаем равным нулю = 0.

Уточненный химический состав металла в конце продувки, %:

= = ; = = ; = 0; = = ; = =;

Остается примесей в металле, кг:

Углерода – = ∙ /100 (20)

Кремния = 0;

Марганца – = ∙ /100 (21)

Фосфора – = ∙ /100 (22)

Серы – = ∙ /100 (23)

Удаляется примесей, кг:

= . (24)

= . (25)

= (26)

= (27)

= (28)

Всего окисляется примесей, кг:

= + + + + ; (29)

Образуется оксидов, кг:

Принимаем, что 90 % углерода окисляется до СО и 10 % до .

= 2,1∙ (30)

= 0,37∙ (31)

= 2,14∙ (32)

= 1,29∙ (33)

= 2,29∙ (34)

Количество шлакообразующих оксидов (кроме оксидов железа и соединений, внесенных металлошихтой и другими материалами), кг:

= +

. (35)

=

. (36)

= + (37)

=

. (38)

=

. (39)

= + . (40)

= . (41)

= + . (42)

Общее количество шлакообразующих, оксидов и соединений (кроме оксидов железа), кг:

= + + + + + + + .(43)

Уточненное количество конечного шлака, кг:

= (44)

Таблица 5

Химический состав конечного шлака, %

SiО2	CaO	MgO	MnО	P2О5	S	Fe2О3	FeO	Al2O3	CaF2	Итого
						(%Fe2O3)	(%FeO)			100,0

(%CaO) = и т. д.

Фактическая основность шлака по данным табл. 5

= ; (45)

Уточненный выход жидкого металла в конце продувки, кг

= , (46)

где = + – количество железа, восстановленного из оксидов железа шихты;

= – количество железа, израсходованного на образование оксидов железа шлака;

Принимаем:

= 1,2кг – угар железа в дым;

= 0,8кг – потери железа с выбросами;

= – потери железа в шлаке в виде корольков, кг;

= – количество оксидов железа в дыме, кг.

Расход кислорода, кг

, (47)

где k – степень усвоения кислорода ванной (принимаем 97 %); n – чистота кислорода (принимаем 99,5 %);

=

, кг (48)

= + =

, кг (49)

М_дутья =

Расход кислорода, нм³

= М_дутья∙ 22,4/32 = 0,7 М_дутья .

Определяем продолжительность продувки, мин

,

где - интенсивность продувки, нм³/(т∙мин) - (задана).

Количество и состав конвертерных газов:

= + ; кг (50)

= ∙22,4/44; нм³

= , кг (51)

= ∙22,4/28; нм³

= ; кг (52)

= ∙22,4/18; нм³

= ; кг (53)

= ∙22,4/2 ; нм³

= 0,005∙ ; кг (54)

= ∙22,4/28; нм³

= 0,003∙ ; кг (55)

= ∙22,4/32; нм³

= + + + + + ., кг (56)

= + + + + + . нм³

Таблица 6

Количество и состав газов

Газ	кг	нм3	%
CO2 CO H2O H2 N2 O2	∑CO2 … … … … …	∑CO2′ … … … … …
Итого:	∑Мгаз =	∑Мгаз′ =

Составляем сводную таблицу материального баланса.

Таблица 7

Материальный баланс плавки (до раскисления)

Поступило, кг	Получено, кг
Чугун Лом Миксерный шлак Загрязнения лома Окалина лома Плавиковый шпат Известь Футеровка Дутье	Мч Мл Мм.шл Мз.л Мок.л Мпл.ш Мизв Мф Мдутья	Жидкий металл Шлак Газы Угар железа в дым   Выбросы   Железо корольков	Мкмет Мкшл ∑Мгаз
Итого:		Итого:

Невязка = =

(допустимая невязка 0,2 %)

6.3. Расчет теплового баланса плавки

Расчет ведется на 100 кг металлошихты.

ПРИХОД ТЕПЛА кДж:

= , (57)

где – физическое тепло жидкого чугуна; – химическое тепло реакций окисления примесей металлошихты; – химическое тепло реакций шлакообразования; – химическое тепло реакций образования оксидов железа шлака; – химическое тепло испарения железа до оксида железа; – физическое тепло миксерного шлака.

Физическое тепло жидкого чугуна, кДж

= (58)

где – количество чугуна, кг; – теплоемкость твердого чугуна (0,755 кДж/(кг · град); – теплоемкость жидкого чугуна (0,92 кДж/(кг · град);

– температура заливаемого в конвертер чугуна, ; – температура плавления (ликвидуса) чугуна (1150 – 1200 ); – скрытая теплота плавления чугуна (218 кДж/кг).

Химическое тепло окисления примесей металлошихты, кДж

Таблица 8

Химическое тепло окисления примесей

Элемент-оксид	Окисляется примесей, кг	Тепловой эффект реакции окисления (на 1 кг элемента), кДж	Выделяется тепла, кДж	% от
С → СО	= =		=
С → СО2	= =		…
Si → SiO2	= =		…
Mn→MnO	= =		…
P→P2O5	= =		…
Итого:	Q2=	100,00

Химическое тепло реакций шлакообразования, кДж

Принимаем, что весь SiO₂ и P₂O₅ в шлаке связываются в соединения с оксидом кальция по реакциям:

1. SiO₂+ 2СаО = кДж/ кг

2. P₂O₅ + 4СаО = кДж/ кг

тогда = ; (см.(35)и(40)) (59)

Химическое тепло реакций образования оксидов железа шлака, кДж

= ,

где – количество тепла железа, окислившегося до ; – количество тепла железа, окислившегося до .

кДж/кг;

кДж/кг.

= ; (60)

(см. табл. 5)

Химическое тепло реакций окисления железа до оксида железа дыма, кДж

= , (61)

Физическое тепло миксерного шлака, кДж

= , (62)

где – средняя температура миксерного шлака, ;

= ;

– средняя теплоемкость миксерного шлака, кДж/(кг∙град)

= ;

= 210 кДж/кг – скрытая теплота плавления миксерного шлака.

РАСХОД ТЕПЛА, кДж:

= , (63)

где – физическое тепло жидкой стали; – физическое тепло конечного шлака; – тепло отходящих газов; – тепло диссоциации влаги, вносимой шихтой; – тепло диссоциации шихтовых материалов; – тепло диссоциации оксидов железа, внесенных шихтой; – тепло, уносимое оксидом железа дыма; – тепло, уносимое железом выбросов; – тепло, уносимое железом корольков; – потери тепла на нагрев футеровки, излучением через горловину, на нагрев воды, охлаждающей фурму и другие неучтенные потери.

Физическое тепло жидкой стали, кДж

= , (64)

где = 0,70 кДж/(кг · град) – теплоемкость твердого металла; = 0,84 кДж/(кг град) – теплоемкость жидкого металла; – температура металла в конце продувки; – температура плавления (ликвидуса) металла, ;(см. раздел 6.1); = 285 кДж/кг – скрытая теплота плавления металла.

Физическое тепло жидкого шлака, кДж

= , (65)

где = 0,73 + 0,00025 – средняя теплоемкость конечного шлака, кДж/(кг · град); = 210 кДж/кг – скрытая теплота плавления шлака; .

Тепло, уносимое отходящими газами, кДж

Среднюю температуру отходящих газов принимаем равной средней температуре металла во время продувки:

=

= Σ , (66)

где – количество составляющей отходящих газов, и т.д., нм³ (см. табл. 6); - средняя теплоёмкость газов, кДж/(м³∙град) (из табл. 9 заносим в табл. 10)

Таблица 9

Теплоёмкость газов

Газ	Средняя теплоёмкость, кДж/(м3∙град) при , 0С
CO2	2,26	2,28	2,30	2,32	2,34	2,36	2,38
CO	1,43	1,44	1,45	1,46	1,47	1,48	1,49
H2O	1,77	1,79	1,81	1,83	1,85	1,87	1,89
H2	1,33	1,34	1,35	1,36	1,37	1,38	1,39
N2	1,40	1,41	1,42	1,43	1,44	1,45	1,46
O2	1,49	1,50	1,51	1,52	1,53	1,54	1,55

Таблица 10

Тепло отходящих газов

Газ	Количество газов, нм3	Средняя теплоемкость газов	Уносится тепла, кДж
СО2	∑СО2′
СО	…
	…
	…
	…
	…
Итого:	Q3′

Тепло диссоциации влаги, вносимой шихтой, кДж

При диссоциации влаги по реакции: