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 | Mпрм | 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:
tликв = 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
tликв = 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:
tкр = tликв + (10÷150C);
Определяем температуру металла в промковше:
tпр.к = tкр + (15÷200C);
Температура металла в стальковше:
tcт.к = tпр.к + (10÷200C);
Необходимая температура металла перед внепечной обработкой:
tвнеп = tcт.к + (10÷200C);
Определяем температуру металла в конверторе по окончании продувки:
tкмет = tвнеп + (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)Мч. (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 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)
Мдутья =
Расход кислорода, нм3
= Мдутья 22,4/32 = 0,7 Мдутья .
Определяем продолжительность продувки, мин
,
где 
- интенсивность продувки, нм3/(тмин) - (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 |  =  =
| … | ||
| MnMnO |  =  =
| … | ||
| PP2O5 |  = =
| … | ||
| 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/(кгград)
= 
;
= 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:
= 
= 
, (66)
где 
– количество составляющей отходящих газов, 
и т.д., нм3 (см. табл. 6); 
- средняя теплоёмкость газов, кДж/(м3град) (из табл. 9 заносим в табл. 10)
Таблица 9
Теплоёмкость газов
| Газ | Средняя теплоёмкость, кДж/(м3град) 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:
= + 0,5 
– 242000 кДж/(кг - моль )
поглощается тепла