Теория и технология металлургии стали. Энергетика, технология и экология сталеплавильных процессов. Учебно-методическое пособие

Для определения общего количества образующего шлака и его состава необходимо составить следующую таблицу (табл. 2.2).

Таблица 2.2

Количество и состав шлака

Окислениепри-

месей(Si, Mn, P)

металлошихты

Добавкиизвести

Расходогнеупоров

Миксерныйшлак

Загрязненияметаллолома

Массашлакабез

FeO

Общаямасса шлака

Составшлака, %

На первом этапе составления таблицы в нее записывают все указанные компоненты без окислившегося железа. Содержание общего железа определяют по уравнению (2.6), предполагая при этом, что

80 % составляет FeO и 20 % – Fe2O3.

Содержание оксидов железа составляет

где 1,28 и 1,43 – стехиометрические коэффициенты пересчета содержания железа в шлаке в соответствующие оксиды.

Общее количество шлака рассчитывают исходя из того, что количество шлака без оксидов железа отвечает формуле 100 – х, %, где х – суммарное содержание (FeO) и (Fe2O3) в шлаке.

41

2. Определение выхода жидкой стали. В ходе продувки расплава в конвертере кислородом масса жидкого металла уменьшается в результате: окисления примесей чугуна и металлолома (углерода, кремния, марганца и фосфора), окисления железа и перехода его в шлак, потери железа с пылью в виде Fe3O4, потери железа в шлак в виде металлических корольков и вследствие загрязнения металлолома:

Потери металла с пылью принимают равными 1,5...2,0 % массы металлической шихты, потери в виде корольков – 6...10 % массы шла-

Рассчитав массу шлака, его конечный состав и выход жидкой стали, следует уточнить конечный состав стали (содержание марганца, фосфора и серы).

Содержание марганца необходимо определить по уравнению (2.5) с учетом уточненных данных.

Содержание фосфора необходимо уточнить по уравнениям (2.7) и (2.9) с учетом количества шлака, его состава (Feобщ, CaO) и выхода жидкой стали.

Содержание серы необходимо уточнить по уравнениям (2.10) и (2.11) с учетом количества шлака и выхода жидкой стали.

3. Определение расхода кислорода. В конвертерном процессе основ-

ным источником кислорода для рафинирования расплава является технически чистый кислород (99,5 %), вдуваемый через фурму в металлическую ванну. Часть кислорода поступает из окалины металлолома.

Кислород расходуется на окисление примесей шихты, окисление железа, переходящего в шлак, а также на образование пыли.

Расход газообразного кислорода можно рассчитать из балансового уравнения

42

где η = 0,10...0,15 – доля углерода, окисляющегося до СО2 в конвертере.

Количество кислорода, необходимое для образования оксидов железа в шлаке,

где 0,238 – стехиометрический коэффициент пересчета массы окислившегося железа на требуемую для этого массу кислорода в предположении, что в составе оксидов железа 80 % FeO и 20 % Fe2O3.

Количество кислорода, необходимое для образования пыли, состоящей из Fe3O4,

Количество кислорода, поступившего в конвертер с окалиной металлолома (в ее составе 30 % FeO и 70 % Fe2O3),

где 0,27 – стехиометрический коэффициент пересчета массы окалины на массу кислорода.

По уравнениям (2.22)–(2.26) можно рассчитать общую массу газообразного кислорода, необходимого для проведения конвертерного процесса; при этом следует учитывать его содержание в техническом кислороде и коэффициент использования кислорода K = 0,9:

где {O2} = 96...98 % – чистота технического кислорода.

43

Объем технического кислорода, требуемого на проведение конвертерного процесса, м3:

4. Определение количества отходящих газов. Источником отхо-

дящих газов являются продукты окисления углерода, «недопал» при разложении извести и неусвоенный кислород:

где Gi, Mi – масса i-го компонента отходящего газа и его молекулярная масса.

По результатам расчета определяют состав отходящих газов:

%i = V i 100 %. (2.36)

∑V i

44

Результаты расчетов материального баланса сводят в табл. 2.3.

Таблица 2.3

Материальный баланс конвертерной плавки

2.2.3. Тепловой баланс конвертерной плавки

Приходная часть теплового баланса включает физическую теплоту чугуна, химическую теплоту экзотермических реакций окисления примесей, теплоту шлакообразования и теплоту миксерного шлака.

Расходная часть баланса включает теплоту стали и шлака, теплоту отходящих газов и теплопотери, связанные с прогревом футеровки конвертера и теплопередачей через нее в атмосферу.

Приход теплоты:

1)физическая теплота чугуна;

2)теплота экзотермических реакций;

3)теплота шлакообразования;

4)теплота миксерного шлака.

Расход теплоты:

1)энтальпия стали;

2)энтальпия шлака;

3)теплота, теряемая с отходящими газами;

4)потери теплоты в окружающую среду.

По результатам расчета составляется тепловой баланс конвертер-

ной плавки (табл. 2.4).

Рассчитаем составляющие приходной части теплового баланса. 1. Физическая теплота чугуна

Qчуг.физ =

= Cтв.чугtпл.чуг + qчуг + Cж.чуг (tф.чуг −tпл.чуг ) Gчуг 10−3 , МДж, (2.37)

где Ств.чуг = 0,746 и Сж.чуг = 0,838 кДж/(кг · °С) – теплоемкость твердого и жидкого чугуна соответственно;

qчуг = 218 кДж/кг – теплота плавления чугуна;

45

tпл.чуг, tф.чуг – температура плавления чугуна и фактическая температура чугуна перед заливкой в конвертер, °С;

Gчуг – масса чугуна, кг.

где qFeO = 4,82 и qFe2O3 = 7,37 МДж/кг – теплота, выделяющаяся при окислении железа до FeO и Fe2O3;

ηFe2O3 – доля железа, окислившегося до Fe2O3.

3. Теплота шлакообразования.

Для реакции 2(CaO) + (SiO2) = 2CaO·SiO2

46

где Смикс = 1,2 кДж/(кг · °С) – теплоемкость миксерного шлака; tмикс – температура миксерного шлака, °С;

qмикс = 208 кДж/кг – теплота плавления миксерного шлака; Gмикс – масса миксерного шлака, кг.

Определим составляющие расходной части теплового баланса. 1. Энтальпия (теплосодержание) стали:

Qст = Cтв.ст tпл.ст + qст + Cж.ст (tвып.ст − tпл.ст ) Gст 10−3 , МДж, (2.46)

где Ств.ст = 0,750 и Сж.ст = 0,838 кДж/(кг · °С) – теплоемкость твердой и жидкой стали соответственно;

tпл.ст, tж.ст – температура плавления стали и температура стали на выпуске из конвертера, °C;

qст = 242 кДж/кг – теплота плавления стали; Gст – масса стали, кг.

2. Энтальпия (теплосодержание) шлака:

47

CCO = 1,467, CCO2 = 2,367, CH2O = 1,84, CN2 = 1,45; CO2 = 1,534 кДж/(кг · °С);

tотх = (tчуг + tвып.ст)/2 – температура отходящих газов, принимаемая как среднее между температурой чугуна и температурой стали на выпуске из конвертера.

4. Потери теплоты за счет теплоизлучения через горловину конвертера и теплопроводность футеровки принимаются равными 3...4 % от прихода теплоты.

Результаты расчета теплового баланса сводим в табл. 2.4.

Производительность конвертера. Производительность конвертера

где М – вместимость конвертера, т; τ – продолжительность цикла плавки, мин; 1440 – число минут в сутках;

А– простои конвертера (длительность ремонтов), сут.

Продолжительность цикла плавки складывается из операций, длительность которых приведена в табл. 2.5.

Простои конвертера, сут, определяют по следующей формуле:

где k – стойкость футеровки конвертера, число плавок;

τр – длительность одного ремонта рабочего слоя футеровки, сут.

48

Общая продолжительность ремонта рабочего слоя футеровки τр складывается из длительности отдельных операций (табл. 2.6).

Таблица 2.6

Продолжительность операций по ремонту рабочего слоя футеровки τр

2.3. Выплавка стали в дуговой электросталеплавильной печи

Дуговые электропечи являются агрегатами для выплавки сталей различных марок (углеродистых, низколегированных массового назначения, высоколегированных), а также специальных сплавов. В зависимости от сортамента и назначения стали используют две технологии шихтовки и ведения процесса: плавка на «свежей» шихте и с использованием легированных отходов. В настоящем разделе расчет материального и теплового балансов процесса проводится для первого варианта.

Выплавка стали в ДСП производится, как правило, из твердой металлошихты, состоящей из металлического лома и передельного чугуна; часто используются добавки углеродсодержащих материалов (Gугл).

49

Нагрев металла осуществляется в основном за счет теплоты электрической дуги, теплоты альтернативных энергоносителей, химической теплоты экзотермических реакций окисления железа и примесей.

Впоследнее время широкое распространение получило применение альтернативных энергоносителей, так как их энергетический КПД обычно заметно выше, чем при использовании электрической энергии.

Вкачестве альтернативных энергоносителей применяют: продувку жидкой ванны газообразным кислородом или кислородом одновременно с углеродсодержащими добавками, предварительный нагрев лома вне сталеплавильногоагрегата, использованиежидкогочугунаидр.

Тепловой баланс ЭСП, как и в случае любого сталеплавильного процесса, рассчитывается на основе материального баланса.

2.3.1.Материальный баланс выплавки стали

вэлектросталеплавильной печи

Материальный баланс выплавки стали в электросталеплавильной печи состоит из его приходной и расходной частей и выражается уравнением

Gчуг + Gлом + Gугл + Gизв + GО2 + Gфут = Gст + Gшл + Gотх + Gпт. (2.51)

Далее во всех расчетах принимаем массу маталлошихты Gших =

= Gчуг + Gлом.

Сначала составляем таблицу изменения основных элементов в процессе (табл. 2.7).

* Кремний окисляется до следов; содержание Mn ≈ 0,1 %; содержание углерода рассчитывается по марочному составу за вычетом углерода, вносимого ферросплавами; содержание фосфора и серы изменяется на 75 и 25 % соответственно от среднего состава шихты.

50