Расчет материального баланса конвертерной плавки

1. Расчет материального баланса конвертерной плавки

 

1.1 Исходные  данные

Расчет материального  баланса производится на 100 кг металлической завалки (чугун + скрап) при выплавке стали 09Г2С.

Примерный химический состав чугуна, металлического лома, металла перед раскислением и готовой стали приведен в таблице 1.

Таблица 1 – Химический состав металлошихты и металла

Наименование материала

Содержание элементов, %

C

Mn

Si

P

S

Жидкий чугун

4,50

0,43

0,41

0,006

0,024

Металлический лом

0,25

0,60

0,16

0,024

0,028

Металл перед раскислением

0,08

0,15

следы

0,015

0,015

Готовая сталь 09Г2С

ГОСТ 19282-73

<0,12

1,3-1,7

0,5-0,8

< 0,035

< 0,040


 

Температура чугуна при  заливке в конвертер принята  равной tчуг = 1420оС. Температура металла в конце продувки принимается равной = 1610 оС.

На основе практических данных принимаем следующий расход извести, других материалов и потери металла в процентах от веса металлической завалки (таблица 2).

Таблица 2 – Расход материалов и потеря металла

Наименование статей

Условные обозначения

Расход на 100 кг металлозавалки, (%)

принято

обычно

1. Известь

Мизв.

-

-

2. ФОМИ

МФМБУЖ

1,5

-

3. Уголь

Муголь.

0,6

-

4. Электродный бой

Мэл.бой

0,3

-

5. Футеровка

Мф.

0,2

0,10-0,30

6. Потери железа в виде пыли

Мпыли.

0,60

0,60-1,30

7. Потери железа в виде корольков

Мкор.

0,30

0,20-0,60

8. Потери железа с выбросами и выдувкой

Мвыбр.

1,00

1,0-2,0

9. Расход миксерного шлака

Мм.шл.

0,50

0,45-1,10

10. Загрязнения, вносимые металлическим ломом

Мзагр.

0,40

0,3-2,0

11. Потери металла в ковше при разливке

Мразл.

1,50

1,0-3,0


 

Для разжижения конвертерного  шлака и улучшения процесса шлакообразования, а также в целях переработки отходов алюминиевого производства, в конвертер вместо плавикового шпата присаживается электродный бой.

Примерный химический состав неметаллической части шихты, футеровки  конвертера и других материалов, используемых в конвертерной плавке, приведен в  таблице 3

Таблица 3 – Состав исходных материалов

Наименование материалов

Содержание компонентов,%

CaO

SiO2

MgO

Fe2O3

FeO

Al2O3

CaF2

MnO

P2O5

п.п.п.

S

Известь

93,3

1,25

2,02

1,13

-

0,71

-

-

-

5,1

0,018

ФОМИ

18

3,5

72

6,5

-

-

-

-

-

-

-

Зола угля

2,40

69,40

0,50

5,70

-

22,0

-

-

-

-

-

Электродный бой

-

-

-

-

-

15,1

34,4

-

-

50,42

0,08

Футеровка

5,80

3,0

88,7

1,25

-

1,25

-

-

-

-

-

Миксерный шлак

7,50

54,50

3,30

-

18,7

10,6

-

5,00

0,20

-

0,20

Загрязнение стального скрапа

3,00

68,00

2,0

3,0

-

24,0

-

-

-

-

-


 

 

1.2 Расчет технологических  параметров периода нагрева лома

Количество лома в  шихте составляет 30% от веса металлической завалки и обеспечивается предварительный нагрев лома. Нагрев лома осуществляется в конвертере за счет сжигания топлива (угля) в потоке кислорода.

Расчет выполняется  в несколько этапов ( ).

С учетом теплотворной способности, химического состава угля (см. таблицу 4), его расходом на предыдущей плавке и коэффициента усвоения тепла от топлива, определяем тепловой эффект предварительного нагрева лома.

Таблица 4 – Химический состав теплоносителя, %

Хим. Состав

Содержание элементов

Ср

Нр

SP

OP

NP

WP

AP

Уголь ССО, р-з Бачатский

81,1

4

0,3

4,5

2

6,5

8


 

В данном расчете расход угля принят равным 0,6 кг на 100 кг металлической  завалки.

  (1)

где: К1 – коэффициент усвоения тепла угля, %  равен 35;

 кДж/кг;

 кДж/100 кг.

Затем определяем температуру  лома после нагрева по формуле:

,  (2)

где: Сл – теплоемкость твердого лома, равная 0,7 кДж/кг-град;

Мл – количество лома, кг;

- температура лома после нагрева,  оС;

- температура лома до нагрева,  оС (принимаем равной 0 оС);

Избыточное тепло чугуна рассчитывается на 100 кг чугуна. Во время продувки выгорит следующее количество основных примесей чугуна:

,

где: Si, Mn, C – окислившееся их количество, % от веса чугуна;

В – основность шлака (CaO/SiO2 = 3,2);

С = 4,5 %; Mn = 0,43 %; Si = 0,41 %;

tчуг – температура заливаемого чугуна, оС;

tМ – температура металла на выпуске, оС;

Далее рассчитываем величину охлаждающего эффекта лома, которая, в зависимости от температуры  его нагрева будет иметь разную величину:

,  (3)

где:  - теплоемкость лома, равная 0,7 кДж/кг-град;

- температура плавления лома, оС (принимается равной температуре плавления выплавляемой стали);

- температура лома после нагрева;

- скрытая теплота плавления  лома, равная 284,9 кДж/кг;

- температура металла в конце  продувки, оС;

- теплоемкость расплавленного  лома, равная 0,84

кДж/кг-град;

При этом расчетный расход лома составит:

,  (4)

где: qл – охлаждающий эффект лома, кДж/кг;

% лома.

Определяем количество кислорода на нагрев (таблица 5), а  также состав и объем отходящих  газов этого периода (таблица 6). Основываясь на практических данных работы конвертеров, принимаем, что углерод угля сгорает с образованием 40% СО и 60% СО2. Также необходимо учитывать кислород для сжигания находящегося в угле водорода (окисление происходит по реакции 2Н2 + О2 = 2Н2О).

 

Таблица 5 – Количество кислорода и образовавшихся оксидов

Элемент

Количество окислившегося  элемента, кг

Потребное количество кислорода, кг

Количество образовав-шегося окисла, кг

Уголь

0,535

C

{CO2}

C

{CO}

0,226

H2

{H2O}

0,216

Итого:

0,267

0,977


Таблица 6 –  Количество и состав газов

Уголь

СО2

СО

N2

H2O (от Н)

H2O

О2

1,01 – 0,96 = 0,05*

Итого:

1,08 кг

* Не усвоенный ванной кислород


 

Учитывая тот факт, что операция нагрева ограничена по времени (5 – 7 мин), в данном расчете принято, что в процессе нагрева сгорают летучие компоненты топлива, а также 40 – 70% углерода. Перед заливкой чугуна в конвертере остается не окислившийся углерод топлива и зола. Количество неокислившегося углерода может быть принято 50%.

С учетом усвоения кислорода ванной, равной 95%, чистоты технического кислорода 99,6%, а также количества азота, поступившего в металл с кислородом, определяем его количество на прогрев:

.

Вместе с кислородом поступит азота:

0,456 – 0,454 = 0,002 м3 или 0,002 кг.

Всего технического кислорода  на прогрев требуется:

0,649 + 0,002 = 0,652 кг.

В процессе продувки образуются газы: СО2, СО, N2, H2O от водорода топлива, H2O, неусвоенный О2.

Тогда общее количество газов, выделившихся за период нагрева, составит 1,08 + 0,652 = 1,732 кг.

Рассчитанное количество угля, кислорода и газов входят в итоговую таблицу материального  баланса.

 

 

1.3 Определение среднего состава металлошихты и количества примесей, окисляющихся к концу продувки

Количество примесей, внесенных металлической шихтой, приведено в таблице 7.

Таблица 7 – Количество внесенных примесей

Наимено-вание материала

Содержание элементов  в металлошихте, % (кг)

C

Mn

Si

P

S

Чугун

Скрап

Итого:

3,225

0,481

0,335

0,011

0,025


 

На основе предварительно принимаемого состава металла перед  раскислением и среднего состава  металлической завалки определяется количество примесей, окислившихся за время продувки. Так как расчет ведется на 100 кг металлической завалки, а состав металла перед раскислением дан в процентах, отнесенных к жидкой стали, то необходимо внести поправку на изменение количества металла за время продувки (выход жидкого металла к моменту раскисления). Тогда количество окислившихся примесей за время продувки определится величинами, представленными в таблице 8.

Таблица 8- Количество окислившихся примесей

Примеси

С

Мn

Si

Р

S

Содержание примесей в шихте

3,225

0,481

0,335

0,011

0,025

Остается в металле

следы

Удаляется за время продувки

3,151

0,343

0,335

0,006

0,009


 

1.4 Определение расхода извести

Для определения расхода извести задается необходимая основность шлака в конце продувки, которая в зависимости от состава чугуна обычно колеблется в пределах 3,0 – 4,5. В данном расчете основность может быть прията равной Вк = 3,0.

Расчет количества вносимого SiO2 и СаО всеми шихтовыми материала-ми (кроме извести) и футеровкой конвертера приводится в таблице 9.

Таблица 9 - Количество вносимых SiO2 и СаО

Источники

Расход материала на 100кг шихты, кг

Вносится, кг

SiO2

 

Si02

СаО

Окисление металлошихты

0,335

0,335 . 60/28 = 0,718

-

ФОМИ

1,4

1,4 . 3, 5/100 = 0,049

1,4 . 18/100 = 0,252

Футеровка

0,200

0,2 . 3/100 = 0,006

0,2 . 5,8/100 = 0,016

Миксерный шлак

0,500

0,5 . 54,5/100 = 0,273

0,5 . 7,5/100 = 0,038

Загрязнение стального  скрапа

0,400

0,4 . 68/100 = 0,272

0,4 . 3/100 = 0,012

Итого

2,835

SiО2 = 1,318

СаО = 0,318


 

На основе данных таблицы 6 для получения принимаемой основности конечного шлака (Вк = 3,0) необходимо иметь в последнем СаО:

МСаО =

SiO2 . ВК = 1,318 . 3,0 = 3,954 кг.  (5)

Шихтовыми материалами  вносится СаО = 0,318 кг, следовательно, присадкой извести необходимо внести окиси кальция:

МСаО  =  3,954 - 0,318 = 3,636 кг.

Флюсующая способность  извести (Физв) определяется по формуле:

  (6)

Тогда расход извести для обеспечения заданной основности шлака:

Однако часть извести будет выноситься из конвертера отходящими газами. В расчете принято, что потери извести с отходящими газами составляют 5%.

Тогда расход извести на плавку:

 кг,

из них выносится:

4,330 – 4,113 = 0,217 кг.

1.5 Определение содержания окислов железа в шлаке

При относительно постоянных условиях продувки содержание окислов  железа в конечном шлаке может быть определено исходя из содержания углерода в металле и основности шлака, используя следующее эмпирическое уравнение:

  (7) 

где:   - суммарное содержание окислов железа в конечном шлаке;

Вк – основность шлака;

[%C]раск – концентрация углерода в металле в конце продувки, %;

.

В зависимости от режима продувки плавки, основности конечного шлака и содержания углерода в металле в конце продувки, отношение (%FeO) и (%Fe2O3) в конечном шлаке обычно колеблется в пределах 1,5 – 3,0.

В расчете это отношение принято  равным 2,5, таким образом:

(%FeO) = 2,5 (%Fe2O3).   (8)

Исходя из баланса  уравнения:

 

1.6 Предварительное определение количества и состава шлака в конце продувки

Количество шлакообразующих окислов, получающихся при окислении примесей металлошихты (не учитывая окисление железа) и вносимых шихтовыми материалами, миксерным шлаком и футеровкой конвертера, приводится в таблице 10.

 

Таблица 10 – Расчет количества шлака

Источники

кг/100 кг м.з.

Поступило в шлак, кг

ППП

Мок

CaO

SiO2

MnO

P2O5

FeO

Fe2O3

MgO

Al2O3

CaF2

S

От окисления примесей чугуна

-

-

0,718

0,443

0,014

-

-

-

-

-

0,009

-

1,184

Известь

4,113

3,837

0,051

-

-

-

0,046

0,083

0,029

-

0,001

0,210

3,903

ФОМИ

1,5

0,27

0,052

-

-

-

0,097

1,080

-

-

-

-

1,5

Футеровка

0,200

0,012

0,006

-

-

-

0,003

0,177

0,003

-

-

-

0,200

Электродный бой

0,3

-

-

-

-

-

-

-

0,045

0,103

-

0,151

0,148

Миксерный шлак

0,500

0,038

0,273

0,025

0,001

0,094

-

0,017

0,053

-

0,001

-

0,500

Загрязнение стального скрапа

0,400

0,012

0,272

-

-

-

0,012

0,008

0,096

-

-

-

0,400

Итого

  

4,169

1,372

0,468

0,015

0,094

0,158

1,365

0,226

0,103

0,011

0,361

7,981


 

Из таблицы следует, что суммарный вес шлакообразующих (без окислов железа) равен:

7,981 – 0,094 – 0,158 = 7,729 кг.

Эта сумма окислов  должна составлять от веса шлака:

100 – (%FeO) – (%Fe2O3) = 100 – 14,45 – 5,78 = 79,77%.

Тогда в конце продувки шлака должно образоваться:

 

 На основе известного количества шлака и количества поступивших в него компонентов рассчитывается процентное содержание отдельных окислов:

 

  

 

  

FeO = 14,45 %;   Fe2O3 = 5,78 %.

Сумма:    100%

Основность шлака  , что соответствует действительности.

 

1.7 Определение состава металла в конце продувки

Содержание углерода. Содержание углерода в металле в конце продувки может быть принято исходя из состава выплавляемой марки стали: [%C]к = 0,08 %.

Содержание кремния. При основном сталеплавильном процессе кремний окисляется до следов. Поэтому его содержание в металле перед раскислением принимается равным нулю: [%Si]к = 0.

Содержание марганца. Распределение марганца в системе металл-шлак в конце продувки приближается к равновесному. Константа равновесия по Керберу и Ользену:

 (10)

Для температуры конца  продувки 1610 оС (1883 К):

,

Тогда константа равновесия марганца составит:

= 1,93.

   (11)

следовательно (%MnO) = 27,89 . [%Mn].

Балансовое уравнение  распределения марганца между шлаком и металлом имеет следующий вид:

 (12)

где:  - количество марганца, внесенного всей шихтой, кг;

[%Mn]к – содержание марганца в конечном металле;

Ммет – выход жидкого металла, принятый равным 92,0 кг;

Мшл – количество шлака в конце продувки, равное 9,7 кг.

Вносится марганца ( ):

металлической шихтой  0,481 кг (см. таблицу 7);

миксерным шлаком кг

Итого = 0,500 кг.

где: 0,500 – расход миксерного шлака;

5,0 – содержание MnO в миксерном шлаке.

Подставляя известные величины в балансовое уравнение, получим:

Отсюда содержание марганца в металле в конце продувки:

1.8 Определение содержания фосфора в металле

Значение коэффициента распределения фосфора между  шлаком и металлом в конце продувки при температуре, близкой к 1600 оС, для различных содержаний СаО и FeO может быть определено из уравнения на основании данных таблицы, составленной на основе обработки большого количества производственных данных.

. (13)

В данном расчете: (%CаО) = 42,98 % и (%FeO) = 19,65 %:

.

Отсюда (%P2O5) = 138,33 . [%P].

Балансовое уравнение  распределения фосфора между  шлаком и металлом имеет вид:

  (14)

где:  - количество фосфора, вносимого всеми шихт. материалами, кг;

[%Р]к – содержание фосфора в металле в конце продувки плавки, %;

Ммет – принятый выход жидкого металла, кг;

Мшл – количество конечного шлака, кг.

Вносится фосфора :

металлошихтой 0,011 кг;

миксерным шлаком кг

Итого:   = 0,011 кг,

где: 0,50 – расход миксерного шлака, кг;

0,20 – содержание P2O5 в миксерном шлаке, %.

Подставляя известные  значения в балансовое уравнение, получим:

откуда:

 

1.9 Определение содержания серы в металле

Считается, что вся сера шихты распределяется между шлаком и металлом, так как удаление серы в газовую фазу имеет сравнительно слабое развитие (2 - 4 % от общего количества серы шихты).

Значение коэффициента распределения  серы между шлаком и металлом может определено по формуле А.Н. Морозова:

 (15)

где:  ; (16)

   

   

   

Тогда: 0,77 – 0,471 – 0,003 – 0,02 = 0,276.

Коэффициент распределения  серы между шлаком и металлом будет равен:

,

тогда:

Балансовое уравнение распределения серы имеет вид:

 (17)

Вносится серы :

металлошихтой    0,025 кг;

известью 4,113 . 0,018/100 =  0,001 кг;

миксерным шлаком 0,50 . 0,2/100 = 0,001 кг

электродным боем 0,3 . 0,08/100 = 0,0002 кг

Итого    = 0,027 кг,

где: 4,113; 0,5 и 0,3 – количество извести, миксерного шлака и электродного боя, соответственно, кг;

0,018; 0,2 и 0,08– содержание серы в извести, миксерном шлаке и электродном бое, %.

Подставляя известные величины в балансовое уравнение, получим:

отсюда: 

1.10 Определение угара примесей чугуна и количества образовавшихся окислов

Состав металла перед  раскислением:

[C]к = 0,08 %;  [Mn]к = 0,17%;   [Si]к = следы;

[P]к = 0,002 %;  [S]к = 0,018 %.

Количество примесей, оставшихся в металле:

углерода   0,08 . 0,92 = 0,074 кг,

марганца  0,17 . 0,92 = 0,156 кг,

кремния   [Si]к = следы,

фосфора 0,002 . 0,92 = 0,002 кг,

серы         0,018 . 0,92 = 0,017 кг,

где: 0,92 – принятый выход жидкого металла.

 Следовательно, за операцию примесей удаляется:

углерода = 3,225 – 0,074 = 3,151 кг,

Сгорает до СО   3,151 . 0,90 = 2,836 кг,

СО2     3,151 . 0,10 = 0,315 кг;

марганца    0,481 – 0,156 = 0,325 кг,

кремния    0,335 – следы = 0,335 кг,

фосфора    0,011 – 0,002 = 0,009 кг.

серы     0,025 – 0,017 = 0,008 кг.

С учетом извести, миксерного шлака и электродного боя серы поступило в шлак:

0,008 + 0,001 + 0,001 + 0,0002 = 0,010 кг.

В таблице 11 приводится расчет количества кислорода для окисления указанных примесей и выхода окислов.

 

Таблица 11 – Количество кислорода и образовавшихся окислов

Элемент,

окисел

Количество 

окислившегося

элемента, кг

Потребное

количество 

кислорода, кг

Количество образовавшегося окисла, кг

Металлозавалка

[C] – {CO}

 

3,151 . 0,9 = 2,836

 

2,836 . 16/12 = 3,781

 

2,836 + 3,781 = 6,617

[C] – {CO2}

3,151 . 0,1 = 0,315

0,315 . 32/12 = 0,840

0,315 + 0,840 = 1,155

[Mn] – (MnO)

0,325

0,325 . 16/55 = 0,095

0,325 + 0,095 = 0,420

[Si] – (SiO2)

0,335

0,335 . 32/28 = 0,383

0,335 + 0,383 = 0,718

[P] – (P2O5)

0,009

0,009 . 80/62 = 0,012

0,009+ 0,012 = 0,021

[Fe] – (Fe2O3)пыль

0,600

0,600 . 48/112 = 0,257

0,600 + 0,257 = 0,857

Итого

4,420 + 0,0081) = 4,428

5,368

-

1) 0,008 – количество серы, удаленной из металла

Расчет материального баланса конвертерной плавки