8.8. Тепловой режим плавки
Заливаемый в конвертер чугун имеет температуру 1300—1450°С, а металл в конце продувки 1600—1650°С. Источником тепла для нагрева стали, а также для компенсации потерь тепла (со сливаемым шлаком, отходящими газами и др.) является тепло, выделяющееся при окислении составляющих жидкого металла. Тепловые эффекты реакций окисления элементов приведены в табл. 2.
Расчеты тепловых балансов и практика показывают, что при любом составе чугуна количество тепла, выделяющегося при реакциях окисления, значительно превышает потребность в нем для нагрева стали до температуры выпуска и компенсации потерь тепла. При продувке кислородом жидкого чугуна без добавки охладителей температура металла в конце продувки
составит 1850—1900°С, что недопустимо, поэтому при кислородно-конвертерной плавке в конвертер всегда вводят охладители (обычно стальной лом). Расход лома или других охладителей определяют на основании расчета теплового баланса плавки. Этот расход должен быть таким, чтобы поглощалось все избыточное тепло и при этом обеспечивалась бы требуемая температура металла в конце продувки.
Таблица 17 Соотношения между приходными и расходными статьями баланса
Статья |
Приход тепла |
Статья |
Расход тепла |
Физическое тепло чугуна 19 – 53 Физическое тепло
Тепло реакций окисления 15 – 49 стали 69 – 72
В том числе В том числе на нагрев и
углерода до СО 17 – 22 раплавление 15 – 21
углерода до СО2 6 – 7,5 Физ. тепло шлака 12 – 17
кремния 6,5 – 10,5 Физ тепло газов 6,5 – 9,5
марганца 0,6 - 2,5 Тепло уносимое плавиль
железа 5 – 8 ной пылью 1,5 – 2,0
фосфора 0,5 – 1,5 Потери тепла
Тепло реакций В том числе
шлакообразования 2,5 – 5 через корпус 0,3 – 0,7
с водой фурмы 0,4 – 0,7
через горловину излучением
и конвекиией 1,1 – 2,0
Всего |
100 |
Всего |
100 |
Общий приход (расход) тела составляет 180-200 МДж /100-кг. шихты.
В табл. 17 приведены данные теплового баланса конвертерной плавки при продувке сверху и использовании в качестве охладителя стального лома. К основным приходным стать-ям теплового баланса относятся тепло жидкого чугуна и экзотермических реакций окисления; некоторое количество (3,5—5%) тепла вносят экзотермические реакции шлакообразования (взаимодействие СаО с SiO2 и СаО с Р2О5). Около 50 % тепла вносит жидкий чугун, в связи с чем значительна роль температуры чугуна; ее повышение на 100 °С позволяет увеличить долю лома в шихте на 6—7%. Из экзотермических; реакций окисления первое место по количеству вносимого тепла занимают реакции окисления углерода. Обычно до СО окисляется ~90 %| содержащегося в металле углерода, а до СО2— ~ 10 %; с учетом этого окисление до СО дает примерно в 2,9 раза больше тепла, чем окисление до СО2. Второе место по количеству вносимого тепла занимает реакция окисления кремния и затем железа (в шлак и дым). Тепловой эффект реакции окисления кремния велик (см. табл. 2), поэтому изменение его содержания в чугне существенно влияет на приход тепла и температурные условия плавки.
Основные расходные статьи теплового баланса: тепло, уносимое жидкими сталью и шлаком, а также конвертерными газами; из общего количества тепла, расходуемого на нагрев стали (69—72%) 15—21 % расходуется на нагрев и расплавление стального лома. К основным видам потерь тепла относятся потери в окружающую среду через корпус конвертера; потери с охлаждающей фурму водой; потери на нагрев футеровки, которые можно подсчитать как сумму потерь излучением через горловину и в результатс свободной конвекции воздуха в полости конвертера.
Рис. 44. Температура корпуса конвертера
Методика расчета теплового баланса изложена в п. 3.3. При подсчете потерь тепла через корпус конвертера его температуру можно принять в соответствии с данными рис. 44. Охладители конвертерной плавки. В качестве охладителей можно использовать стальной лом, железную руду, известняк, окалину, железорудные окатыши, агломерат, доломит и др. Обычно в качестве охладителя используют стальной лом; это объясняется тем, что он заменяет значительную часть дорого-стоящего чугуна, благодаря чему снижается себестоимость стали и отпадает потребность в увеличении выплавки чугуна. По условиям теплового баланса доля лома в шихте (без принятия специальных мер по увеличению его расхода) не превышает 25—27% от массы металлической шихты.
Для корректировки температуры металла применяют железную руду, окалину, известняк, окатыши, иногда известь и другие добавки; их вводят в конвертер по ходу продувки (некоторые после ее окончания).
Охлаждающий эффект (количество поглощаемого тепла) при использовании лома обусловлен расходом тепла на его расплавление и нагрев до температуры конвертерной ванны; при введении руды и окалины — на нагрев составляющих и разложение Fе2О3 и Fе3О4; известняка — на нагрев составляющих и разложение СаСО3 (методика расчета охлаждающего воздействия этих и других охладителей, а также изменения температуры ванны при добавке охладителей приведена в п. 3.4.). Охлаждающее воздействие 1 кг лома при 1620 °С равно 1410 кДж; максимальное охлаждающее действие руды (при полном разложении Fе2О3 или Fе3О4) при 1500—1600°С может составить 5500—5900 кДж/кг; охлаждающее действие известняка ~3600 кДж/кг
Температурный режим плавки. Характер изменения температуры металла по ходу продувки показан на рис. 41. Наиболее сильно температура повышается в течение первых 60 % длительности продувки, когда окисляются кремний, марганец и большая часть углерода. Особенностью температурного режима является то, что в первые 2—3 мин продувки температура жидкой ванны понижается. Это вызвано затратами тепла на нагрев и расплавление лома. Легковесный лом расплавляется быстро, поэтому первоначальное снижение температуры ванны тем сильнее, чем больше в конвертер загружено легковесного лома.
По данным, привёденным в типовой технологической инструкции 1986 г. по выплавке стали в кислородных конвертерах, изменение технологических факторов и введение охлаждающих добавок вызывают следующее изменение температуры металла в конце продувки (Δ tk):
Фактор Изменение фактора- Δ tk °C
Введение добавок:
железной руды ......... + 10 кг/т стали —43
известняка + 10 кг/т стали - 36
извести ...... + 10 кг/т стали - 21,5
стального лома + 10 кг/т стали -12
Содержание в чугуне:
углерода..... + 0,1 % +3,4
кремния + 0,1 % +13,6
марганца .............. .+ 0,1 % +4,3
Температура чугуна . + 10 оС +7
Длительность
межпродувного периода - 10 мин +12
Количество доменного +1% от массы чугуна шлака ........ – 25