Материальный и тепловой баланс

РАСЧЁТ МАТЕРИАЛЬНОГО  БАЛАНСА

КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТЕРНОЙ ПЛАВКИ

 

Исходные данные

 

Химический состав чугуна

Вариант	С	Mn	Si	S	P
12	4,30	0,65	0,95	0,025	0,145

 

Химический состав металлолома

Вариант	С	Mn	Si	S	P
12	0,10	0,55	0,25	0,025	0,040

 

Химический состав стали

Вариант	Марка стали	Массовая доля элементов, %
		С	Mn	Si	S	P
12	2 кп	0,10…0,15	0,30…0,60	до 0,09	до 0,035	до 0,030

 

Предварительное определение расхода стального  лома

 

Предварительное определение  расхода стального лома производится по уравнению, приведенному в работе [2], для упрощения которого принято, что выход металла (М_м) и (М_шл) после продувки составляет соответственно 90 и 15 кг на 100 кг металлошихты.

где ∑Н^хим_чуг – химическое тепло, выделяемое при полном окислении примесей на 100 кг чугуна, кДж/100 кг;

С_ост – содержание углерода в металле в конце продувки, %.

 

где 12552, 26903, 7029, 19748 – тепловые эффекты окисления соответствующих  элементов – примесей, кДж/кг

Содержание углерода в металле в конце продувки определяется содержанием углерода в готовой стали и содержанием марганца в металлошихте и готовой стали. Эта величина тем ближе к нижнему пределу заданного содержания углерода в готовой стали, чем ниже содержание марганца в металлошихте и чем

 

 

 

 

 выше содержание  марганца в готовой стали, так  как присаживаемый для раскисления  ферромарганец вносит в металл  дополнительное количество углерода.

В примерном расчете  принято, С_ост.=0,10%. Тогда

∑Н^хим_чуг =12552•4,30+26903•0,95+7029•0,65+19748•0,145= 86963,76 кДж/100 кг

 

 

Дополнительные  величины

 

Масса чугуна составит

М_ч=100 – М_л = 100 – 24,0417 = 75,9583 кг/100кг

Следует учитывать, что поступающие  в сталеплавильный цех шихтовые материалы (чугун и стальной лом) взвешиваются вместе с содержащимися в них, соответственно, миксерным шлаком и загрязнённостью и окалиной. По этому действительное количество чугуна и лома, поступающее на плавку, меньше и будет определяться их чистотой.

Действительные массы чугуна и  лома составляют:

 

а массы миксерного шлака, загрязнённости и окалины лома составят:

 

Расчёт массы  примесей, вносимых неметаллической  шихтой

 

Расчёт массы примесей, вносимых неметаллической шихтой, производится с учётом расходов компонентов шихты и их состава

Массы остальных примесей рассчитываются аналогично:

 

 

 

Расчёт содержания оксидов железа в шлаке

Содержание оксидов железа в  шлаке (FeO и Fe₂O₃) зависит, в основном от содержания углерода в металле в конце продувки, режима продувки (положение среза фурмы над уровнем металла в ванне, расхода (интенсивности продувки) кислорода и его давления, типа и количества сопел в головке фурмы, конструкции фурмы и т.д.), основности шлака, температуры и т.д. [1,2,3,4,5].

 При относительно  постоянных условиях продувки  содержание оксидов железа в  конечном шлаке определяется, в  основном, содержанием углерода  в конце продувки (С_ост) и основностью шлака (В) и может быть определено по эмпирическим формулам [4,5,6].

 

Окислительная способность  шлака определяется общим (суммарным) содержанием закиси железа в конечном шлаке, которое может быть определено по уравнению

 

Баланс марганца

 

Уравнение баланса марганца составляется из условия, что весь марганец, вносимый шихтой и другими материалами, распределяется между металлом и шлаком в соответствии с константой равновесия реакции

[Mn]+(FeO)=(MnO)+[Fe]

 

В случае равновесия с  основным шлаком [4]

γ_(MnO)=3, а γ_(FeO)=2

Откуда получим, что

(MnO)=0.67•K•[Mn] •(FeO),

 

 

где Т - температура металла, К.

Тогда уравнение баланса марганца будет иметь вид

Откуда содержание марганца в металле в конце продувки равно

 

Баланс фосфора

 

Балансовое уравнение  фосфора составляется из условия, что  весь фосфор шихты распределяется между  металлом и шлаком в соответствии с константой его распределения, эмпирическое выражение которой имеет вид [4,6]:

 

Остаточное содержание фосфора в металле в конце  продувки равно

 

Баланс серы

 

Конечное содержание серы в металле в конце продувки определяется основностью конечного шлака по эмпирической формуле [4,6]:

И может быть определено из уравнения баланса серы

 

Количество  примесей в металлошихте

 

Количество примесей, содержащихся в металлошихте, определяется составом и расходом компонентов металлошихты

Где Э – элемент  примесь: С, Mn, Si, S, P.

 

 

 

 Удаляется  примесей из металлошихты

 

Количество элемента-примеси, удаляющегося из металлошихты, может  быть определено по уравнению:

где Э_ост – остаточное содержание элемента-примеси в металле после продувки (при продувке кремний выгорает полностью, то есть Si_ост=0), %.

Для условий примерного расчета получим

С_уд = 3,2166 – 0,01•0,10•90=3,1266 кг

Mn_уд = 0,6091 – 0,01•0,3•90=0,3391 кг

Si_уд = 0,7603 кг

S = 0,0243 – 0,01•0,035•90=-0,0072 = 0 кг

Р_уд = 0,1168 – 0,01•0,03•90=0,0898 кг

 

Потребность кислорода на окисление примесей металлошихты и масса образующихся при этом оксидов

 

Потребность кислорода  на окисление примесей и масса  образующихся оксидов рассчитывается с учётом массы окисляющихся элементов-примесей и стехиометрических коэффициентов в формулах соответствующих оксидов

 

где х,у – стехиометрические  коэффициенты в формулах соответствующих  оксидов;

16 – атомный вес кислорода,  кг;

А_э – атомный вес элемента-примеси, кг;

Мэ_хо_у – молекулярный вес элемента-примеси, кг;

К – доля окисления элемента-примеси  до оксида данного вида (например, ЭО, ЭО₂, Э₂О₃ и т.д.).

Для условий примерного расчета  получим

 

 

 

Расход извести

 

При продувке обычных  передельных чугунов необходимое  количество извести определяется основностью  конечного шлака, количеством кремнезёма и оксида кальция, вносимых футеровкой и всеми шихтовыми материалами (кроме извести), и флюсующей способностью извести и может быть определено по уравнению:

 

 

Расчёт массы  примесей, поступающих в шлак

 

Учитывая примеси, поступающие как из металлической части шихты, так и из всей (включая известь) неметаллической шихты:

 

Определение массы  и состава шлака

 

Масса конечного шлака определяется по формуле:

 

 

 

 

 

А его состав по уравнению:

                                   

 

Где К_i – масса соответствующего компонента в шлаке, вносимая всеми компонентами шихты, кг.

 

Баланс оксидов  железа

 

Масса Fe₂O₃, вносимой неметаллической шихтой, определяется по уравнению:

Масса Fe₂O₃, уносимая отходящими газами, равна:

Fe₂O_3д=(160/112)•М_д=1,429•1,4=2,0006 кг

где 160 и 112 – соответственно вес  моля Fe₂O₃ и вес Fe в молекуле Fe₂O₃

 

 

 

 

 

 

 

Расчёт количества дутья

 

а) при расчете количества дутья принято, что все оксиды железа, поступающие с шихтовыми и другими материалами, восстанавливаются до железа, а оксиды железа в шлаке получаются за счет окисления железа металлошихты. Это упрощает расчет, не изменяя конечных результатов.

Массы кислорода, необходимого для образования оксидов железа шлака и отходящих газов, равны соответственно:

 

Массы кислорода, образующегося  при диссоциации оксидов железа, поступающих из шихты, равна:

 

б) так как чистота кислорода  дутья и степень его усвоения задаются объемными процентами, то определение массы дутья ведется  через объемные расходы, то есть вначале  определяется объем вдуваемого кислорода, а затем – масса дутья:

где 22,4 и 32,0 – молекулярные объем  и вес кислорода;

О_2Р2О5 – расходы кислорода на образование соответствующих оксидов, кг;

О^д_2Fe – масса кислорода, образующегося при диссоциации оксидов железа шихты, кг.

 

Расчет массы  и состава отходящих газов

 

В примерном расчете  принято, что вся влага шихтовых материалов переходят в газовую  фазу в виде пара, то есть степень  диссоциации влаги равна нулю.

 

%Г_г = (V_п/V_г)·100, %,       G_п = (М_п/22,4)·V_п, кг.

где Г_г – компонент отходящих газов: СО, СО₂, О₂, N₂, H₂O;

V_п – объем компонента отходящих газов, м³;

G_п – масса компонента отходящих газов, кг;

М_п – масса 1 моля компонента отходящих газов, кг.

 

СО_г = (5,1868/6,4023) ·100=81,0146%      G_COг = (28/22,4) ·5,1868=6,4835 кг

СО_2г =(0,9333/6,4023) ·100=14,5775%      G_CO2г =(44/22,4) ·0,9993=1,8331 кг

О_2г = (0,1491/6,4023) ·100=2,3288%         G_O2г = (32/22,4) ·0,1491 = 0,2129 кг

N_2г = (0,0654/6,4023) ·100=1,0215%         G_N2г = (28/22,4) ·0,0654 = 0,0817 кг

H₂Oг = (0,0677/6,4023) ·100=1,0574%      G_H2Oг =(18/22,4) ·0,0677 =0,0543 кг

СУММА                                   100%         СУММА                            8,6655 кг

 

Выход металла    

 

Выход жидкого металла после продувки определяем по формуле:

где - масса железа, восстановленного из оксидов шихтовых материалов, кг

- масса железа, перешедшего в  шлак в виде оксидов, кг

G_к – масса корольков в шлаке, кг

G_пот – потери железа в виде выноса и выбросов, кг

 

 

Материальный  баланс плавки

 

Поступило                             кг                                            Получено               кг

Чугун, включая                 75,9583                                    Жидкий металл   88,5266

миксерный шлак

Стальной лом, включая    24,0417                                    Шлак                   18,3518

загрязненность и окалину

Плавиковый шпат                 0,36                                      Отходящие газы  8,6655

Футеровка                              0,37                                      Fe₂O₃ дыма           2,0006

Известь                                10,7815                                   Корольки              0,7524

Дутья                                   7,1841                                    Вынос и выбросы  0,396

ИТОГО                             118,6956                                    ИТОГО             118,6929

РАСКИСЛЕНИЕ СТАЛИ

 

Определение расхода  раскислителей

 

Расчет необходимых  количеств раскислителей производится на среднезаданное содержание соответствующих  элементов (Mn и Si) в готовой стали с учетом их угара по формуле:

 

где Э_кон – среднезаданное содержание элемента в готовой стали, %

Э_К – содержание элемента в раскислителе, %

где Э_макс и Э_мин – соответственно максимальное и минимальное содержание элемента

,   Si_пот=0,03%

 

Расчет массы  готовой стали

 

Принимаем, что все  элементы (кроме Mn и Si), входящие в состав раскислителей, полностью переходят в готовую сталь, то есть их угар равен нулю.

Масса примесей, переходящих  из раскислителей в готовую сталь  может быть определена по формуле:

 

Масса готовой стали  составит:

М_г.с. = G_м + ∑G_Fe = 88,5266+0,4017+0,0728=89,0011 кг

 

Химический  состав готовой стали

 

 

 

 

 

 

ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС

КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТЕРНОЙ ПЛАВКИ

 

Приход тепла

 

Приход тепла в конвертер  определяется по уравнению:

где Q₁ – физическое тепло жидкого чугуна, кДж;

Q₂ – химическое тепло реакций окисления примесей металлошихты, кДж

Q₃ – химическое тепло реакций шлакообразования, кДж;

Q₄ – химическое тепло реакций образования оксидов железа шлака и дыма, кДж;

Q₅ – физическое тепло миксерного шлака, кДж.

 

а) расчет физического  тепла жидкого чугуна производится с учетом массы чугуна, его температуры, средней теплоемкости в твердом  и жидком состояниях, а также скрытой теплоты плавления по уравнению:

б) химическое тепло реакций  окисления примесей металлошихты определяется по уравнению:

где 11088, 34685, 7029, 26903 и 19748 –  тепловые эффекты окисления примесей, кДж/кг

в) химическое тепло реакций  шлакообразования:

 

где 2300 и 4860 – тепловые эффекты реакций взаимодействия SiO₂ и P₂O₅ с CaO, пересчитанные на 1 кг SiO₂ и P₂O₅, кДж/кг

 

г) химическое тепло реакций  образования оксидов железа шлака и дыма:

где 7370 и 4820 – тепловые эффекты реакций окисления 1 кг Fe соответственно до Fe₂O₃ и FeO , кДж/кг

 

д) физическое тепло миксерного шлака производится с учетом массы  шлака, его температуры, средней  теплоемкости в твердом и жидком состояниях, а также скрытой теплоты плавления по уравнению:

 

Расход тепла

 

где Qⁿ₁ – физическое тепло жидкой стали, кДж,

Qⁿ₂ – физическое тепло конечного шлака, кДж;

Qⁿ₃ – тепло, уносимое отходящими газами, кДж;

Qⁿ₄ – тепло, диссоциации извести и оксидов железа, кДж;

Qⁿ₅ – тепло, уносимое дымом, кДж;

Qⁿ₆ – тепло, уносимое выбросами и корольками, кДж;

Qⁿ₇ – потери тепла в окружающую среду, кДж.

 

а) расчет физического  тепла жидкой стали производится с учетом массы стали, ее температуры, средней теплоемкости в твердом и жидком состояниях, а также скрытой теплоты плавления по уравнению:

 

б) расчет физического  тепла конечного шлака производится с учетом массы шлака, его температуры, средней теплоемкости в твердом и жидком состояниях, а также скрытой теплоты плавления по уравнению:

 

в) тепло уносимое отходящими газами:

где t_г – средняя температура отходящих газов, равная 0,5·(t_ч+t_м), ⁰С.

 

С_i – средняя теплоемкость отдельных компонентов отходящих газов, кДж/(кг·град); 1,466; 2,332; 1,526; 1,436; 3,550 соответственно для СО, СО₂, О₂, N₂ и H₂O, включая теплоту испарения влаги;

%Г_i – объемная концентрация компонентов отходящих газов, %.

г) тепло диссоциации  извести и окислов железа

где 4025, 5160 и 3750 – тепловые эффекты диссоциации, отнесенные соответственно к 1 кг СО₂, Fe₂O₃ и FeO, кДж/кг;

М^СО – масса СО₂, вносимая отдельными компонентами неметаллической шихты, кг.

 

д) тепло, уносимое дымом:

Расчет тепла уносимого  дымом, производится с учетом средней  температуры дыма и средней теплоемкости Fe₂O₃ по формуле:

 

е) тепло, уносимое выбросами  и корольками:

Расчет тепла, уносимого  выбросами и корольками, производится с учетом средней теплоемкости железа, выбросов и корольков, массы выбросов и корольков, а также средней  температуры их по формуле:

 

ж) потери тепла в окружающую среду:

 

Общий расход тепла составит

Тепловой баланс кислородно-конвертерной плавки

 

Приход	кДж	%	Расход	кДж	%
Физическое тепло чугуна	91889,68	46,89	Физическое тепло стали	125228,84	64,56
Физическое тепло миксерного шлака	2809,20	1,43	Физическое тепло шлака	39089,33	20,15
Химическое тепло реакций  шлакообразования	8775,88	4,47	Тепло, уносимое отходящими газами	15096,33	7,78
Химическое тепло оксидов  примесей шихты	69696,15	35,56	Тепло диссоциации	4844,57	2,49
Химическое тепло реакций  образования оксидов железа	22774,28	11,62	Тепло, уносимое дымом	2570,37	1,32
			Тепло выносов и корольков	1448,31	0,74
			Потери тепла	5682,41	2,92
ИТОГО	195945,19	100	ИТОГО	193960,16	100