Металлургические технологии металлургия чёрных металлов. Практикум

между металлом и шлаком. Тогда общая масса серы, содержащейся в чугуне и шлаке, будет равна

Запишем уравнение баланса серы:

где S и S – соответственно содержание серы в чугуне и шлаке, % масс.

Характеристикой десульфурирующей способности шлака является коэффициент распределения серы между шлаком и металлом

LS S / S . Зависимость LS от различных технологических пара-

метров доменной плавки изучена достаточно хорошо. На рис. 4.1 показана зависимость коэффициента распределения серы от основно-

сти и температуры шлака. Для оценки значения LS по предложенной

диаграмме следует по данным о составе доменного шлака рассчитать его основность

а затем путем интерполяции в указанных интервалах температуры чугуна определить коэффициент распределения серы, соответствующий требуемым условиям. Содержание серы в чугуне определяем из уравнения баланса серы в доменной печи:

mч/шл

S S . (4.13) 1 m100шл LS

Оценка содержания углерода в чугуне. Для оценки [C] использу-

ем эмпирическое уравнение зависимости содержания углерода от состава чугуна, выведенное на основании обработки большого числа производственных данных, полученных на стабильно работающих доменных печах большого объема:

21

Массу компонентов (за исключением FeO), переходящих в шлак, рассчитаем следующим образом:

где xа , xк – содержание компонента x соответственно в агломерате

икоксе, % масс.;

ηх – степеньвосстановлениякомпонентаx вдоменнойпечи, долиед.

Сучетом того, что оксиды железа в шихте доменной печи пред-

ставлены двумя формами (FeO и Fe2O3), а в шлаке присутствует только один оксид (FeO), массу оксида железа в шлаке рассчитаем по общему содержанию Fe в шихте:

где Feа , Feк – содержание Fe соответственно в агломерате и коксе, % масс.;

ηFe – степень восстановления железа в доменной печи, доли ед.

Задание. Выполнить расчет состава и выхода доменного шлака. Информация о составе и удельном расходе кокса размещена соответственно в прил. 3 и 4, о составе и удельном расходе агломерата – в результатах расчетов, относящихся к разд. 3.2 и 4.1 настоящего практикума. Обратите внимание, что в отличие от разд. 4.1 в настоящем расчете удельные расходы агломерата и кокса должны имеет размерность [кг/100 кг чугуна]. При определении количества и состава доменного шлака результаты расчетов рекомендуется вносить в соответствующие ячейки табл. 4.2.

По результатам расчетов состава чугуна и состава и выхода доменного шлака следует сделать выводы о возможной корректировке технологии плавки в целях оптимизации выплавки чугуна. Речь идет, например, о повышении (снижении) температуры в горне, увеличении (уменьшении) выхода шлака за счет добавки в шихту шлакообразующих материалов, увеличении (уменьшении) содержания отдельных компонентов чугуна путем изменения состава шихты.

23

24

Занятие 5 СТАЛЕПЛАВИЛЬНОЕ ПРОИЗВОДСТВО

Выплавка стали в кислородном конвертере производится из жидкого чугуна с добавлением некоторого количества металлического лома при продувке техническим кислородом. Нагрев металла осуществляется за счет тепла, выделяющегося при экзотермических реакциях окисления железа и примесей, содержащихся в металлошихте. Вредные примеси, прежде всего сера и фосфор, в той или иной степени переходят из жидкого металла в высокоосновный шлак, для наведения которого в кислородно-конвертерном процессе используется известь. Продуктами плавки являются жидкая сталь (полупродукт), конвертерный шлак и выделяющиеся из ванны газы.

5.1. Расчет изменения химического состава металла в конвертере

Металлошихта кислородного конвертера состоит из передельного чугуна и металлолома. Примем, что соотношение компонентов металлошихты и их химический состав нам известны. Для удобства работы с данными следует составить таблицу (табл. 5.1), в которую надо внести химический состав компонентов металлошихты, количество удаленных примесей и расчетный состав металла перед выпуском. В первой строке табл. 5.1 следует привести целевые параметры заданной марки стали. Вся эта информация потребуется при выполнении последующих расчетов.

Расчет ведется на 100 кг металлошихты.

Таблица 5.1

Изменение состава конвертерной ванны в результате кислородной продувки

25

где X iч , X iл , X iср – содержание i-го компонента соответственно

вчугуне, ломе и среднее в металлошихте, % масс.;

α– доля металлического лома в шихте, доли ед.

Оценка химического состава полупродукта. При выплавке ста-

ли в кислородных конвертерах продувку жидкого металла ведут, как правило, до весьма низких концентраций углерода с последующей корректировкой состава по углероду (науглероживанием) во время выпуска. На этом основании примем содержание углерода в полупродукте на уровне 0,05…0,10 % масс. В условиях окислительного рафинирования кремний окисляется «до следов». Остаточное содержание марганца после продувки зависит от многих факторов, основными из которых являются исходное содержание Mn в металлошихте, шлаковый режим плавки и температура металла и содержание в нем углерода после продувки. При переработке шихты с низким содержанием марганца (до 0,3 % масс.) его концентрация в полупродукте составит 0,04…0,08 % масс., при использовании шихты с более высоким содержанием марганца имеет место повышение содержания марганца в металле после продувки в конвертере (0,10…0,12 % масс.). Процесс удаления фосфора в условиях кислородного рафинирования протекает весьма эффективно, чему способствует наличие в конвертере высокоосновного шлака, а также высокая окисленность металла и шлака по ходу продувки. Содержание фосфора в полупродукте может быть выбрано из диапазона 0,01…0,03 % масс. Содержание серы в полупродукте не должно превышать значений, установленных соответствующим нормативным документом (стандартом, техническими условиями и прочими). В условиях кислородно-конвертерной плавки сера из металла удаляется примерно на 15…30 % отн.

Количество удаленных примесей определяется как разность ме-

жду средним содержанием примеси в металлошихте и полупродукте. Задание. Выполнить расчет изменения химического состава металлической части конвертерной ванны в результате продувки кислородом. Учесть, что доля металлического лома в шихте определена заданием (прил. 5). Химический состав металлолома выбрать само-

стоятельно в пределах, % масс.: С – 0,15…0,35; Si – 0,5…1,5; Mn – 0,5…1,5; S – 0,02…0,04; P – 0,02…0,05. Также самостоятельно выби-

рается состав передельного чугуна в пределах, % масс.: C – 4,0…4,5; Si – 0,3…0,7; Mn – 0,5…0,8; S – 0,04…0,05; P – 0,05…0,07.

26

5.2. Материальный баланс конвертерной операции

Материальный баланс плавки в кислородном конвертере состоит из двух частей: приходной и расходной. Приходная часть материального баланса включает в себя расходы всех материалов, поступивших в конвертер, в том числе: жидкого чугуна, металлолома, извести, перешедшей в шлак футеровки, технического кислорода. В расходной части материального баланса приведены продукты плавки: полупродукт, конвертерный шлак, отходящие газы, а также потери металла с пылью и корольками.

Расход извести. Присадки извести в конвертер как при загрузке шихтовых материалов, так и в процессе продувки ванны кислородом, производятся в целях наведения высокоосновного шлака, обеспечивающего удаление из металла вредных примесей: S и Р. Основность шлака – соотношение концентраций в нем основных и кислотных

оксидов ( B CaO/SiO 2 ), характеризует его способность к рафини-

рованию стали. Оптимальной величиной основности в кислородноконвертерном процессе является 3,0…3,5. Для определения расхода извести следует составить уравнение основности конвертерного шлака

где mCaO и mSiO2 – масса оксидов соответственно СаО и SiO2, поступивших в шлак из различных источников.

Для упрощения расчетов примем, что источниками CaO в конвертерном шлаке являются известь и футеровка сталеплавильного агрегата. Массу оксида кальция, поступающего в шлак, можно рассчитать следующим образом:

где CaOизв , CaOфут – содержание оксида кальция в извести и футеровке, % масс.;

mизв , mфут – расход извести и футеровки, перешедшей в шлак, кг/100 кг шихты.

27

Примем также, что диоксид кремния поступает в шлак в результате окисления кремния, содержащегося в металлошихте, а также из извести и футеровки (другими источниками пренебрежем), т.е. массу

SiO 2 в шлаке определим как

где Si – количество окислившегося кремния, % масс.;

SiOизв2 , SiOфут2 – содержание SiO 2 в извести и футеровке агре-

гата, перешедшей в шлак, % масс.;

mшх – масса металлошихты, mшх = 100 кг.

После подстановки данных выражений в уравнение основности (5.2) и проведения соответствующих преобразований его следует

решить относительно расхода извести ( mизв ).

Химический состав извести следует принять самостоятельно в следующих пределах, % масс.: CaO – 83…87; SiO2 – 2…3; Al2O3 – 1…3; MgO – 2…10; CO2 – 2…10; H2O – 0,5…1,5. Правильность вы-

бора состава определяется тем, что суммарное содержание всех компонентов извести должно быть равно 100 % масс. Количество огнеупорной футеровки, перешедшей в шлак за время продувки, составляет 0,2…0,3 кг/100 кг металлошихты. Состав огнеупорной футеров-

ки конвертера, % масс.: CaO – 53; MgO – 43; SiO2 – 2; Al2O3 – 2.

Состав и количество конвертерного шлака. Для определения общего количества образующегося шлака и его состава следует составить табл. 5.2.

28

На первом этапе составления таблицы в нее записываются массы всех компонентов, переходящих в шлак из указанных источников, за исключением оксидов железа. Суммирование этих величин дает массу шлака без оксидов железа. Содержание FeO и Fe2O3 определим по

количеству железа в шлаке ( Fe общ , % масс.), которое характеризует

окислительную способность конвертерного шлака и зависит от его основности (В), содержания углерода в полупродукте ( С п/п , %

масс.) и температуры металла и шлака ( tп/п , °С):

Примем, что 80 % отн. железа, переходящего в шлак, окисляется до FeO и 20 % отн. – до Fe2O3. Тогда содержание оксидов железа, % масс., составит:

Общее количество шлака рассчитывают исходя из того, что масса шлака без оксидов железа соответствует величине

100 FeO Fe2O3 , а общая масса шлака соответствует 100. Ре-

зультаты расчетов позволяют определить состав конвертерного шлака, который следует записать в соответствующей строке табл. 5.2. Проверкой установить соответствует ли основность шлака величине, принятой в расчете.

Выход полупродукта. Примем, что в ходе продувки расплава в конвертере масса металлошихты уменьшается только в результате:

окисления примесей чугуна и металлолома mок.пр ; окисления желе-

за mок.Fe ; потерь железа с пылью mпыль ; потерь железа в виде корольков в шлаке mкор . Остальными факторами, влияющими на вы-

ход полупродукта, пренебрежем. Отсюда массу полупродукта ( mп/п ) можно рассчитать следующим образом:

29

Массу окислившихся примесей и железа, перешедшего в шлак, определим, соответственно, как

Потери железа с пылью принимают равными 1,5…2,0 % массы металлической части шихты, в виде корольков – 6…10 % массы шлака.

Выход жидкой стали, % отн., является важной характеристикой эффективности работы сталеплавильного агрегата, его величина определяется отношением

Расход кислорода. В кислородно-конвертерном процессе основным источником кислорода для рафинирования расплава является технический кислород, вдуваемый через фурму в металлическую

ванну mOтк2 . Еще одним источником поступления кислорода явля-

ется окалина, находящаяся на поверхности металлолома. Однако, так как доля этого источника относительно невелика, для упрощения расчета его влиянием пренебрежем.

Кислород расходуется на окисление примесей шихты mOок2.пр и железа, переходящего в шлак mOок2.Fe , а также на образование пла-

вильной пыли mOпыль2 . Массовый расход технического кислорода можно определить из уравнения

30