Расчет плавки стали в кислородном конвертере

Основность шлака

L_p при содержании (% FeO)_к

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	∑ΔM_прм	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_c_т.к = t_пр.к+ (10÷20⁰C);

Необходимая температура металла перед внепечной обработкой:

t_внеп = t_c_т.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

Содержание серы:

= , (19)

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

Таблица 4

Значения коэффициента распределения серы

Основность В_к	3,0	3,2	3,4	3,6
Коэффициент η_s	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:	∑М_газ =	∑М_газ′ =

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	М_ч М_л М_м.шл М_з.л М_ок.л М_пл.ш М_изв М_ф М_дутья	Жидкий металл Шлак Газы Угар железа в дым Выбросы Железо корольков	М^к_мет М^к_шл ∑М_газ
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 SiO₂и 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: