Материальный баланс конвертерной плавки

 

 

 

 

 

 

 

1. ЗАДАНИЕ НА РАСЧЕТ

 

Исходные данные:

• Емкость конвертера - 200 т;
• Удельная интенсивность продувки металла кислородом – 3,2 м³/(т ∙ мин);
• Температура чугуна, заливаемого в конвертер - 1563 К  (1290 ⁰С);
• Продолжительность плавки - 38 мин;
• Средняя температура отходящих газов - 1893 К (1620 ⁰С);
• Марка выплавляемой стали - сталь 08кп;
• Футеровка конвертера - трехслойная.

 

Химический состав чугуна, стали  и ферросплавов представлен в  табл. 1.1., 1.2.

 

Таблица I.I

Химический  состав чугуна и стали, % по массе

Материал	С	Si	Mn	P	S	O	Cr
Чугун передельный (ГОСТ 805-80)	4,4	0,3	0,3	0,08	0,05	-	-
Металл после продувки (перед раскислением)	0,14	-	0,30	0,025	0,03	0,04	-
Сталь после раскисления	-	0,015	0,3	<0.025	<0.01	0,01	≤ 0,1

 

Таблица 1.2

Химический  состав ферросплавов

Марка и название ферросплава	С	Si	Mn	P	S	O	Cr
Ферромарганец ФМН 2, 0	2,0	2,0	75,0	0,35	0,03	-	-
Ферросилиций ФС 45	0,1	43,0	0,6	0,05	0,02	2,0	0,5

 

Согласно  заданию для разжижения шлака  используется боксит, который расходуют  в количестве 0,6-1,2% от массы стали. В расчете принимаем расход боксита, равный 1%. Также предусмотрено введение в процесс железной руды в количестве 2 % от массы чугуна. Содержанием кислорода  в чугуне и ферросплавах пренебрегаем ввиду весьма незначительного количества его в указанных материалах. Концентрацию кислорода в используемом техническом  кислороде принимаем равной 99,5%.

Для составления теплового баланса  плавки и определения состава  отходящих газов важно правильно  оценить долю углерода окисляющегося  до СО и СО₂. в соответствии со средними данными практики принимается, что в среднем 90% окислившегося углерода уходит из полости конвертера в виде  СО, а остальное количество – в виде СО₂.

Расход и состав других материалов плавки приведен в  таблице 1.3.

 

Таблица 1.3

Расход и состав других материалов плавки

Материал	Расход,   % от массы чугуна	SiO2	Al2O3	FeO	Fe2O3	MnO	CaO	MgO	P2O5	CaF2	S	CO2	H2O	Итого
Футеровка (рабочий стол)	0,25	2,5	1,0	–	2,8	–	55	38,7	–	–	–	–	–	100
Железная руда (в завалку)	2,0	5,0	2,0	3,0	88,0	0,2	0,6	0,1	0,1	–	–	–	1,0	100
Известь		3,0	1,9	–	–	–	90	2,0	–	–	0,1	3,0	–	100
Боксит (плавиковый шпат)	1,0	14,0	38,5	–	38,0	–	1,0	–	0,4	–	0,1	–	8,0	100

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС КОНВЕРТЕРНОЙ ПЛАВКИ

 

В настоящее время  отдается предпочтение конвертерной плавке методом LD без спуска первичного шлака. При этом обеспечивается увеличение выхода жидкой стали на 0,5–1,0 % и сокращение продолжительности плавки на 2,0–2,5 мин. Ввиду весьма малой общей продолжительности плавки, указанное небольшое сокращение приводит к значительному увеличению производительности агрегата. Однако такая технология может быть применена лишь в случае передела шихты с небольшим содержанием серы и фосфора. Для этого приходится подбирать шихту допустимой чистоты, но эти дополнительные хлопоты и расходы вполне окупаются. Для простоты расчет ведется на 100 кг чугуна (табл. 2.1. – 2.3).

 

Таблица 2.1

Количество примесей, удаляющихся из 100 кг чугуна

к концу продувки, в кг

	C	Si	Mn	P	S
Чугун вносит	4,4	0,3	0,3	0,08	0,05
Остается в  продутом металле	0,11	–	0,30	0,025	0,01
Удаляется из чугуна	4,29	0,285	0	0,055	0,04

 

Далее рассчитаем количество кислорода, необходимое для окисления примесей и количество образующихся окислов. Результаты приведены в таблице 2.2.

 

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 2.2

Количество  кислорода, необходимое для окисления  примесей и количество образующих окислов

Количество окисляющейся примеси, кг	Требуемое количество кислорода, кг	Количество окислов, кг
		переходящих
		в шлак	в атмосферу
С в СО                    4,29 х 0,90 = 3,861	3,86 х(16/12) =5,148	–	9,009 СО
С в СО2                  4,29 – 3,861 = 0,429	0,43 х(32/12) = 1,114	–	1,573  СО2
Si в SiO2                                       0,285	0,28х(32/28) = 0,326	0,611	–
Mn в MnO                                    0	0	0	–
P в P2O5                                                           0,055	0,05х(80/62) = 0,071	0,126	–
Fe в Fe2O3                                   1,00	1,00х(48/112) = 0,43	–	1,43  Fe2O3
Итого:    5.63	7,119	–	–
Кислород в стали в конце  продувки	0,4	–	–
Всего требуется кислорода	7,159	–	–

 

Используя данные таблицы 2.2, рассчитаем, какое количество примесей переходит  в шлак и уходит с газами из чугуна и других шихтовых материалов. Для  расчетов применяем данные таблиц 1.3 и 2.2. Результаты приведем в таблице 2.3.

Таблица 2.3

Переходит в шлак и уходит с газами из чугуна и других

шихтовых материалов

	SiO2	Al2O3	FeO	Fe2O3	MnO	CaO	MgO	CaF2	P2O5	S	CO	CO2	H2O	Сумма
Из чугуна	0,611	–	–	1,43	0	–	–	–	0,126	0,04	9,01	1,573	–	12,789
Из 0,25 кг рабочего слоя	0,01	0,00	–	0,01	–	0,14	0,10	–	–	–	–	–	–	0,25
Из 2,0 кг руды данной в завалку	0,10	0,04	0,06	1,76	0,00	0,01	0,00	–	0,00	–	–	–	0,02	2,00
Из 1,0 кг  боксита	0,14	0,39	–	0,38	–	0,01	–	–	–	–	–	–	0,08	1,00
Итого	0,861	0,43	0,06	3,58	0	0,16	0,10	–	0,126	0,04	9,01	1,573	0,10	16,039

 

2.1.   Расчет количества и состава шлака

 

Способность шлака экстрагировать из металла серу и фосфор практически  зависит от отношения CaO / (SiO₂ + P₂O₅)  (основность) шлака. Величина этого отношения в конечном шлаке при переделе малофосфористых чугунов (типа мартеновских) при обычных требованиях к концентрации серы и фосфора в стали колеблется в пределах 2,5–3,5. В данном расчете основность конечного шлака принята равной 2,5.

Для обеспечения такой основности в шлаке должно быть (см. табл. 2.3)

(0,861 +0,126) ∙ 2,8 = 2,668 кг CaO.

В шлаке имеется 0,16 кг СаО. Значит нужно ввести

2,668 – 0,16 = 2,508 кг  СаО.

В составе извести имеется 90,0 % СаО и 3,0 % SiO₂. После связывания в силикат находящейся в извести SiO₂ оказывается свободной СаО:

90,0 - 3ּ2,5 = 82,5 %.

Следовательно, чтобы ввести в шлак 2,508 кг СаО нужно загрузить извести (табл. 2.4):

2,508 / 0,825 = 3,04 кг.

 

Таблица 2.4

Вносится  известью, в кг

SiO2	Al2O3	FeO	Fe2O3	MnO	CaO	MgO	P2O5	S	CO2	H2O	Сумма
0,088	0,056	-	-	-	2,742	0,056	-	0,005	0,093	-	3,04

 

Рассчитанное  количество извести обеспечит необходимую основность только в том случае, если все количество СаО растворяется в шлаке, образуя гомогенный расплав. Так как часть извести (мелочь) выдувается при загрузке, то приходится загружать извести несколько больше расчетного количества. Согласно практическим данным указанные потери извести принимаем равными 25 % от расчетного количества. Следовательно, в конвертер необходимо загрузить 3,04 ∙ 1,25 = 3,8 кг извести.

Рассчитаем, какое количество примесей переходит в шлак (кроме окислов  железа) из различных источников. Результаты приведем в таблице 2.5.

Таблица 2.5

Вещества, переходящие в шлак (кроме окислов железа)

из различных источников в кг:

	SiO2	Al2O3	MnO	CaO	MgO	P2O5	S	Сумма
Из 3,04 кг извести	0,088	0,056	–	2,742	0,056	–	0,005	2,947
Из источников, приведенных в табл. 2.3	0.891	0,43	0	0,16	0,10	0,126	0,04	1,747
Вес шлака без оксидов железа	0.979	0,486	0	2,902	0,156	0,126	0,045	4,694

 

Содержание окислов железа в  конечном шлаке при концентрации углерода в металле больше 0,10% может  быть определено по следующей эмпирической формуле:

,

где (Σ FeO) – общее количество железа в шлаке, пересчитанное на FeO, %; В – основность шлака; [C] – концентрация углерода в металле в конце продувки, %; t – температура металла, °С.

При [C] = 0,18 %, основности шлака 2,5 температуре металла в конце продувки 1620°С общее содержание оксидов железа в шлаке будет равно:

%.

В конечных шлаках кислородно-конвертерного  процесса отношение двухвалентного железа к трехвалентному можно принять равным примерно трем.

Поэтому концентрация FeO  в шлаке равна

2/3 ∙ 17,217 = 11,478 %,

а общее количество железа в шлаке в виде оксидов:

17,217 ∙ (56/72) = 13,39 %.

Концентрация  Fe₂O₃ в шлаке определяется из уравнения:

(Fe₂O_3, %) ∙ (112/160) + (FeO, %) ∙ (56/72) = (Fe, %)

Fe₂O₃ ∙ (112/160) + 10,36 ∙ (56/72) = 12,944%

Fe₂O₃ = 5,76 %

FeO + Fe₂O₃ = 16,12 %

Вес шлака без оксидов железа (табл.2.5.) равен 4,694 кг. Поэтому количество FeO и Fe₂O₃ в шлаке:

FeO = ∙ 11,478 = 0,65 кг;

Fe₂O₃ = ∙ 5,739 = 0,325 кг.

Вес и состав конечного шлака  приведены в таблице 2.6.

 

Таблица 2.6

Вес и состав конечного шлака

	Вес			Вес
Составляющие	кг	%	Составляющие	кг	%
SiO2	0,979	17,29	CaO	2,902	51,21
Al2O3	0,486	8,59	MgO	0,156	2,75
Fe2O3	0,325	5,75	P2O5	0,126	2,16
FeO	0.65	11,46	S	0,045	0,79
MnO	0	0	Итого	5,669	100,00

 

 

2.2.   Расчет количества стали, получающейся из 100 кг чугуна

 

 В шлаке должно быть 0,325 кг Fe₂O₃ и 0,65 кг FeO. Количество Fe₂O₃, вносимое в шлак шихтой (табл. 2.3.)

0,01 + 1,76 + 0,38 = 2,15 кг

Разница 2,15 - 0,325 = 1,825 кг Fe₂O₃ должна восстановиться до FeO, при это выделится:

1,825 ∙ (144/160) = 1,64 кг FeO и 1,825 – 1,642 = 0,182 кг кислорода.

Шихтовыми материалами вносится 0,06 кг FeO. Избыток 1,64 + 0,06 – 0,65= 1,052 кг FeO восстановится до железа. При этом получится 1,052 ∙ (56/72) = 0,818 кг Fe и 1,052 – 0,818 = 0,2345 кг кислорода.

Исходя из данных практики общие  потери металла с выбросами и  выносом можно принять 1 % от массы чугуна при использовании в качестве охладителя (металлической ванны) скрапа и 2 % – в случае применения руды.

 Некоторое количество железа  теряется со шлаком, находясь  в нем в виде корольков. Количество  корольков в шлаке зависит  в основном от интенсивности  перемешивания ванны и консистенции  шлака. Количество корольков в  шлаке обычно составляет 2 - 7 % от веса  шлака. В данном расчете примем его равным 5 %.

Потери металла (в виде корольков) со шлаком будут равны:

5,669 ∙ 0,05 = 0,283 кг.

Величина  угара металла:

5,63 (табл.2.2) + 0,04 (сера, удаляющаяся из металла) – 0,818 (железо, восстановленное из руды) = 4,852 кг.

Рассчитаем количество стали, получающейся из 100 кг чугуна. Результаты приведем в таблице 2.7.

Таблица 2.7

Баланс  металла, кг

Чугун	Угар	Выбросы металлаּ	Корольки в шлаке	Кислород в металле	Выход стали в кг
+100	-4,852	-1,00	-0,283	+0,04	93,905

 

2.3.  Расчет состава и количества отходящего из конвертера газа

 

На  окисление примесей требуется кислорода:

7,159 (табл.2.2) – 0,2345 (кислород, выделяющийся при восстановлении   Fe₂O₃) – 0,182 (кислород, выделяющийся при восстановлении  FeO) = 6,742 кг

или 6,742 ∙ (22,4/32) =4,72 м³.

Требуется технического кислорода, содержащего 99,5 % О₂:

4,72/0,995 = 4,744 м³,

который внесет:

4,744 – 4,72 = 0,024 м³ азота массой 0,03 ∙ 28/22,4 = 0.032 кг.

Количество уходящих из конвертера газов: СО от окисления углерода чугуна (табл.2.2):

9,009 кг или 9.009 ∙ 22,4/28 = 7,207 м³;

СО₂ от окисления углерода чугуна и из извести (табл. 2.2 и 2.4)

1,573 + 0,093 = 1,666 кг или 1,666 ∙ (22,4/44) = 0,848 м³;

Н₂О боксита  (табл. 2.3) и руды

0,08 + 0,02 = 0,10 кг или 0,10 ∙ (22,4/18) = 0,12 м³;

азота 0,03 кг или 0,025 м³

Итого:    0,024 + 7,207 + 0,848 + 0,12 = 8,199 м³

Уходящие из полости конвертера газы содержат некоторое количество свободного кислорода. По литературным данным концентрация его колеблется от 0,5 до 5% (по объему). Примем концентрацию кислорода в отходящих газах  равной 3%.

Для обеспечения наличия такого количества кислорода в отходящих  газах нужно ввести дополнительно  Х м³ технического кислорода. При этом общее количество уходящих газов составит: (8,199 + Х), м³.

Дополнительно количество технического кислорода определится из уравнения:

(8,199 + Х) ∙ 0,03 = 0,995 ∙ Х.

Откуда  Х = 0,255 м³.

Последнее внесет:

0,255 ∙ 0,995 = 0,253 м³ О₂  массой 0,253 ∙ (32/22,4) = 0,361 кг

и выходящее за пределы точности наших  расчетов количество N_2.

Общее количество технического кислорода  будет равно:

4,744 + 0,255 = 4,999 м³ массой 4,999 ∙ (32/22,4) = 7,141

или 6,742 (кислород) + 0,361 (кислород) + 0,03 (азот) = 7,141 кг

Общая масса и состав конвертерных газов приведены в таблице 2.8.

Таблица 2.8

Общая масса и состав конвертерных газов

Составляющие	Масса, кг	Объем, м3	% (по объему)
СО	9,009	7,207	85.28
СО2	1,66	0,848	10,031
Н2О	0,10	0,12	1,42
N2	0,03	0,024	0,28
O2	0,361	0,253	2,99
Итого	11,166	8,452	100

Таблица 2.9

Материальный баланс плавки до раскисления стали

Состав плавки	Приход, кг	Состав плавки	Расход, кг
Чугун	100	Сталь	93,905
Кислород технический	7,141	Шлак	5,669
Известь	3.8	Корольки металла в шлаке	0,283
Боксит	1	Газы	11,166
Руда	2	Fe2O3 в газах	2,408
Футеровка	0,25	Потери извести	0.76
Итого	114,191	Итого	114,191

 

 

 

3. ТЕПЛОВОЙ БАЛАНС КОНВЕРТЕРНОЙ ПЛАВКИ

 

Тепловой баланс составляется по результатам материального  баланса и относится также  к 100 кг чугуна. Необходимые для расчета теплофизические величины и тепловые эффекты реакций приведены в прил. 3.

.

3.1.   Приход тепла

 

3.1.1. Теплота жидкого  чугуна

 

Для определения  теплосодержания жидкого металла  необходимо знать средние удельные теплоемкости в твердом и жидком состояниях, теплоту и температуру  плавления, температуру и массу  металла.

Теплосодержание 100 кг чугуна при температуре заливки в конвертер 1673 К (1400°С) будет равно:

ΔН_чуг = 100,00 ּ [(1423-273)ּ0,74 + 217 + 0,87ּ(1563-1423)] = 118 980 кДж,

где 217 - теплота  плавления чугуна, кДж/кг; 0,74 и 0,87 – средние удельные теплоемкости соответственно твердого и жидкого чугуна, кДж/(кгּК); 1423 (1150) - температура плавления чугуна данного состава, К (°С).

Теплофизические свойства сплавов зависят от их состава. Однако ввиду отсутствия необходимых данных приходится принимать для различных составов практически одни и те же значения.

 

3.1.2. Теплота окисления  примесей

 

Рассчитанные  теплоты окисления примесей чугуна сведены в таблицу 3.1.

Таблица 3.1

Теплота окисления примесей

Реакция	Окисляется примесей, кг	Выделяемая теплота, кДж
[C] + 1/2O2 = CO	3,861	42 471
[C] + O2 = CO2	0,429	14 851
[Si] + O2 = SiO2	0,283	7 703
[Mn] + 1/2O2 = MnO	0	0
2[P] + 5/2 O2 = P2O5	0,055	1 090
2Fe + 3/2 O2 = Fe2O3	1,00	7 360
Итого	3,63	73 476

3.1.3. Теплота шлакообразования

 

Учитывается теплота шлакообразования SiO₂ и P₂O₅, получившийся от окисления кремния и фосфора чугуна. Предполагается, что SiO₂ и P₂O₅ поступившие в шихту из других источников уже находятся в соединении с основными окислами этих материалов.

 

Таблица 3.2

Теплота шлакообразования

Образующееся соединение	Количество  вещества, участвующего  в реакции, кг	Количество  выделившейся теплоты на 1 кг окисла,  кДж	Выделившаяся  теплота, кДж
(СаО)2 SiO2 (СаО)4 P2O5	SiO2 – 0,979 P2O5 – 0,126	SiO2 – 2108 P2O5 – 5086	2063 640
Итого			2704

 

3.2.   Расход тепла

 

3.2.1. Теплосодержание выпускаемой  из конвертера стали

 

93,905 кг стали (табл.2.7.) при температуре 1893 К (1620⁰С) содержат:

ΔН_ст = 92,37 ∙ [(1793-273) ∙ 0,70 + 260 + 0,4 ∙ (1893-1793)] = 129 972 кДж,

где 0,70 - средняя удельная теплоемкость твердой стали в КДж/(кгּК); 260 - теплота плавления стали заданного состава, К (°С).

 

3.2.2. Теплосодержание конечного  шлака

 

Теплосодержание основного шлака сталеплавильного производства в пределах температур Т = 1723 - 1923К (1450 - 1650°С) можно определить по следующей эмпирической формуле:

ΔН_шл = 5,669 ∙ [2,09 ∙ (1893 - 273) - 1380] = 11 370 кДж.

 

3.2.3. Теплота, уносимая  газами

 

Теплосодержание 1 м³ конвертерных газов, уходящих из рабочего пространства через горловину конвертера при заданной температуре Т, К можно определить по формуле:

, кДж/м³,

где Х_i – содержание отдельного газа в 1 м³ смеси, м³; С_pi – средняя теплоемкость отдельного газа в интервале температур (273-Т, К), кДж/(м³ К)

Для отходящего газа, имеющего состав, приведенный в таблице 2,8 и температуру 1893 К (1620°С):

 

СО   –   0,853 ∙ 1,473   = 1,256;

СО₂ –   0,105 ∙ 2,3611 = 0,2361;

Н₂О –   0,014 ∙ 1,8822 = 0,0264;

N₂    –    0,0028 ∙ 1,4615 = 0,0041;

О₂    –    0,030 ∙ 1,5407 = 0,0462

                    1,000м³       1,5688

 

то  есть = 1,5688 кДж/(м³К)

8,452 м³ газов уносят:

ΔН_г = 8,452 ∙ 1,5688 ∙ (1893-273) = 21 480 кДж.

 

3.2.4. Теплота стали, остающейся  в виде корольков в шлаке

 

Температура корольков металла  принимается равной температуре шлака:

ΔН_км = 0,283 ∙ [(1793 - 273) ∙ 0,70 + 260 + 0,84 ∙ (1893 - 1793)] = 636 кДж (см 3.2.1)