Определение основных параметров технологии плавки стали конверторе с верхней подачей дутья

Компоненты шлака	Вносится, кг								Состав шлака, %
	металличской шихтой	окатышами	футеровкой конвертера	миксерным шлаком	плавиковым шпатом	итого	известью	всего
СаО	–	0,050	0,175	0,151	0,010	0,386	3,603	3,988	36,81
SiO2	0,795	0,095	0,015	0,172	0,020	1,097	0,042	1,139	10,52
Прочие	0,630	0,030	0,300	0,077	0,170	1,207	0,381	1,589	14,67
Итого	1,425	0,175	0,490	0,400	0,200	2,690	4,026	6,716	62
FeO	–	0,030	–	0,026	–	0,056	–	2,925	27
Fe2O3	–	0,795	0,010	0,004	–	0,810	–	1,192	11
Итого	–	0,825	0,010	0,030	0,000	0,865	–	4,117	38
Всего	1,425	1,000	0,500	0,430	0,200	3,555	4,026	10,833	100

 

Для заполнения оставшихся двух колонок таблицы 9 необходимо определить уровень концентрации оксидов железа в шлаке. Содержание оксидов железа в шлаке не имеет прямой связи с их количеством в шихтовых материалах, а зависит, в первом приближении, от содержания углерода в металле и удельного расхода дутья снизу. Содержание оксидов железа в шлаке представлены в таблице 10.

 

Таблица 10 – Содержание оксидов железа в шлаке (%): числитель – FeO, знаменатель – Fe₂O₃

Удельный расход инертного газа снизу, м3/т	Содержание углерода в металле в конце продувки, %
	< 0,10	0,10...0,25	>0,25
0	22...32/8...14	17...22/6...8	12...17/5...7
0,75	20...30/6...12	15...20/4...6	10...15/3...5
1,5	18...28/4...10	13...18/2...4	8...13/ 1...3

 

В процессе продувки оксиды железа поступают в шлак при окислении железа металлического расплава кислородом дутья и при растворении неметаллических материалов. Часть оксидов железа участвует в процессах окислительного рафинирования. Содержание оксидов железа в шлаке в конце продувки зависит от соотношения процессов их образования и расходования. В свою очередь эти процессы зависят от конкретных параметров плавки.

Для упрощения  расчетов условно будем считать, что все оксиды железа, поступающие в конвертерную ванну с неметаллическими материалами, полностью разлагаются на железо, переходящее в жидкий металл, и кислород, участвующий в окислении примесей. В то же время оксиды железа шлака образуются за счет окисления железа металлического расплава кислородом дутья.

По данным таблицы 10 принимаем FeO=26% и Fe₂O₃=10%. Записываем эти значения в последнюю колонку таблицы 9. На все остальные оксиды шлака в количестве 6,716 кг приходится 100 – (26 + 10) = 62%. Отсюда определяем общее количество шлака:

6,716*100/62 = 10,83 кг.

Далее заполняем все оставшиеся колонки и строки таблицы 9.

 

6 Расчет расхода дутья

 

В качестве дутья для продувки металла сверху используем технически чистый кислород с содержанием 99,5% кислорода. Расход дутья определим по балансу кислорода, учитывая, что кроме дутья; кислород поступает в ванну при разложении оксидов железа неметаллических материалов, а расходуется не только на окисление примесей металла, но и на дожигание части СО до СО₂, окисление железа, а также частично растворяется в металле и теряется в газовую фазу в начале продувки.

Ранее была определена потребность в кислороде для  окисления примесей металла. Значения представлены в таблице 6: 5,623 кг или 3,936 м³. Определим расход кислорода на окисление железа.

В таблице 9 в предпоследней колонке записано количество FeO (2,925 кг) и Fe₂O₃ (1,192кг) в шлаке. Для их образования потребуется кислорода:

2,925*16/72 + 1,192*48/160 = 1,007 кг или 1,007*22,4/32 = 0,705 м³.

При этом окисляется железа

2,925 + 1,192 – 1,007 = 3,109 кг.

Определим расход кислорода на дожигание СО. В зависимости от положения фурмы относительно поверхности металла 5... 15%, а при использовании двухъярусных фурм до 25%, образующийся СО окисляется до СО₂. Принимаем: 10% СО окисляется до СО₂. По реакции:

{СО} + 0,5{О₂} = {СО₂}

на каждые 28 кг СО требуется 16 кг или 11,2 м³ О₂.

Так как при  окислении углерода образовалось 7,071 кг СО, то для окисления 10% этого количества (0,707 кг) потребуется кислорода:

0,707*16/28 = 0,404 кг или 0,404*22,4/32 = 0,283 м³.

С неметаллическими материалами поступает 0,056 кг FeO и 0,810 кг Fe₂O₃ . При их полном усвоении образуется кислорода

0,056*16/72 + 0,810*48/160 = 0,255 кг или 0,255*22,4/32 = 0,179 м³.

При этом восстанавливается железа:

0,056 + 0,810 – 0,255 = 0,610 кг.

Теперь определим  общую потребность в кислороде  дутья для окислительного рафинирования (V_к)

V_к = 5,623 + 1,007 + 0,404 – 0,255 = 6,780 кг или 4,746 м³.

Обычно 5... 10% от этого количества приходится на потери кислорода в газовую фазу и растворение его в металле. Принимаем потери 7%. С учетом содержания кислорода в дутье (99,5%) определим общий расход дутья (V_д)

V_д = (6,780*7/100 + 6,780)*100/99,5 = 7,292 кг или 5,103 м³

Избыток дутья  примерно составит:

7,292*7/100 = 0,583 кг.

 

7 Расчет выхода жидкой стали перед раскислением и составление

материального баланса

 

Сначала составим баланс металла за период окислительного рафинирования.

Приход металла  состоит из 100 кг металлошихты (чугуна и лома) и железа, восстановленного из неметаллических материалов составляет 0,610 кг.

Расходная часть  баланса металла включает в себя массы окислившихся примесей (4,107 кг), железа (3,109 кг), потери металла с выносами и выбросами (обычно 1...2%, принимаем 1кг), массу миксерного шлака (0,43 кг) и потери железа с пылью.

Массу железа, теряемого  с пылью, можно определить по формуле:

G_п = 0,00001 *V_г*K_п*Fe_п,

где G_п – масса железа, теряемая с пылью во время продувки, кг;

V_г – объем образующихся газов, м³;

К_п – концентрация пыли в газе, г/м³ (обычно 150...250 г/м³);

Fe_п– содержание железа в пыли, % (обычно 60...80%).

В процессе продувки газы образуются в результате окисления углерода и поступления потерь при прокаливании из неметаллических материалов (поступлением азота из дутья пренебрегаем). Масса, объем и состав образующихся газов определяются в таблице 11

Принимаем К_п = 200 г/м³, Fe_п = 70%.

Тогда

G_п = 0,00001*6,393*200*70 = 0,874 кг.

Таким образом, выход жидкого металла перед  раскислением (G_м) составит:

G_м= 100 + 0,610 – 4,107 – 3,109 – 1,0 – 0,43 – 0,874 = 91,09 кг.

Материальный  баланс плавки сведем в таблице 12.

 

 

 

Таблица 11 Расчет количества газообразных продуктов плавки

Источник поступления		Количество, кг
		СО	СО2	Аг	Всего
Окисление углерода		7,071	1,235	–	8,305
Известь		–	0,212	–	0,212
Дожигание части  СО		–0,707	1,111	–	0,404
Дутье снизу		–	–	0	0
Итого	кг	6,364	2,558	0	8,921
	м3	5,091	1,302	0	6,393
Состав газа, %		79,6	20,4	0,0	100,0

 

Таблица 12 – Материальный баланс плавки

Задано		Получено
Наименование	кг	Наименование	кг
Чугун жидкий	85,566	Металл жидкий	91,091
Лом металлический	14,434	Шлак	10,833
Окатыши	1,000	Газ	8,921
Известь	4,238	Избыток дутья  сверху	0,583
Плавиковый  шпат	0,200	Выносы и  выбросы	1,000
Дутье:		Потери железа с пылью	0,874
сверху	7,291
снизу	0,000
Футеровка конвертера	0,500
Невязка	0,074
Итого	113,303	Итого	113,303

 

8 Составление теплового баланса плавки и определение температуры металла

 

8.1 Приход тепла

а) Физическое тепло  жидкого чугуна

Q_ч = G_ч*(61,9 + 0,88*t_ч),

где  Q_ч – физическое тепло жидкого чугуна, кДж;

t_ч – температура жидкого чугуна, °С.

Известно: G_ч = 85,57 кг; t_ч = 1320 °С.

Тогда

Q_ч = 85,57*(61,9 + 0,88*1320) = 104690 кДж.

 

б) Тепловой эффект реакций окисления примесей шихты

Q_x = 14770*[С]_ок + 26970*[Si]_ок + 7000*[Мn]_ок + 21730*[Р]_ок

где  Q_x – тепло от окисления примесей металлошихты, кДж;

[С]_ок – количество окислившегося углерода, кг;

[Si]_oк – то же, кремния, кг;

[Мn]_ок – то же, марганца, кг;

[Р]_ок – то же, фосфора, кг.

Известно: [С]_ок = 3,367 кг; [Si]_ок = 0,317 кг; [Мn]_ок = 0,202 кг;

[Р]_ок= 0,157 кг. Данные приведены в  таблице 6.

Тогда

Q_x = 14770*3,367 + 26970*0,317 + 7000*0,202 + 21730*0,157 =

= 65545 кДж.

в)  Химическое тепло образования оксидов железа шлака

Q_Fe = 3707*G_FeО + 5278*G_Fe2o3,

где  G_FeО – тепловой эффект от окисления железа, кДж;

G_FeО – количество FeO в шлаке, кг;

G_Fe2o3 – то же, Fe₂O₃, кг.

Известно: G_Feo = 2,925 кг; G_Fe2O3 = 1,192 кг (см. таблицу 9).

Тогда

Q_Fe = 3707*2,925 + 5278*1,192 = 17132 кДж.

г) Тепловой эффект реакций шлакообразования

Q_шо = 628*G_CaO + 1464*G_SiO2,

где  Q_шо – тепло образования соединений в шлаке, кДж;

G_CaO – количество СаО в шлаке, кг;

G_SiO2– то же, SiO₂, кг.

Известно: G_CaO = 3,988 кг; G_SiO2 = 1,139 кг. Данные приведены в  таблице 9.

Тогда

Q_шо = 628*3,988 + 1464*1,139 = 4173 кДж.

д) Тепло дожигания СО

Q_CO = 10100*G_CO*Z,

где  Q_СО – химическое тепло окисления СО, кДж;

G_СО – количество СО, дожигаемого в полости конвертера, кг;

Z – доля тепла, передаваемого конвертерной ванне (обычно Z = 0,1…0,3).

Известно: G_CO= 0,707 кг. Принимаем Z = 0,2.

Тогда

Q_co = 10100*0,707*0,2 = 1428 кДж.

Общий приход тепла  составляет

104690+ 65545 + 17132 + 4173 + 1428 = 192968 кДж.