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

Приводится краткая характеристика процесса плавки в ДСП:

•характеристика шихтовых материалов, порядок из загрузки;

•режим плавления шихтовых материалов, его особенности;

•наведение шлака в процессе, его роль;

•особенности проведения окислительного периода плавки, продувка кислородом;

•контроль технологического процесса плавки;

•раскисление и легирование.

Расчет материального баланса проводится на 100 кг Gших в следующем порядке.

1. Определение расхода извести, количества и состава конечного шлака:

Количество окислившихся примесей на 100 кг шихты составляет

где 2,14, 1,29, 2,29 – соответствующие стехиометрические коэффициенты пересчета количества окислившихся примесей в количество образующихся оксидов.

Количество извести определяют исходя из заданной основности шлака B:

Основность шлака характеризует его способность к рафинированию стали (прежде всего к дефосфорации и десульфурации). В конечном шлаке обычно В = 3,0...3,5.

Количество вводимой извести

51

Содержание оксидов железа в шлаке

(FeO) = (Fe)общ 1,28 0,8; (Fe2O3) = (Fe)общ 1,43 0,2,

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 – сумма содержаний (FeO) и (Fe2O3) в шлаке (табл. 2.8).

Таблица 2.8

Количество и состав шлака

Окисление при-

месей (Si, Mn, P)

металлошихты

Добавки извести

Расход огнеупоров*

Масса шлака без

FeO

Общая масса шлака

Состав шлака, %

*Принимаем 0,5 кг/100 кг стали.

2.Определение выхода жидкой стали. В ходе процесса плавки в ДСП масса жидкого металла уменьшается в результате:

– окисления примесей металлошихты (углерода, кремния, марганца, и фосфора);

– окисления железа и перехода его в шлак;

– потери железа с пылью в виде Fe3O4 при продувке ванны кислородом;

– потери с загрязнением лома;

– потери железа в шлак в виде металлических корольков, т.е

где

52

Потери металла с пылью Gпыльпот принимают равными 1,0...1,5 % от металлошихты, в виде корольков – 5 % массы шлака, загрязнением лома – 1 % массы лома.

Выход жидкой стали

3. Определение расхода кислорода. В плавке в ДСП основными ис-

точниками кислорода для рафинирования расплава являются кислород поступающего в печь воздуха и технический чистый кислород (99,5 %), вдуваемыйвметаллическуюваннучерезспециальнуюфурму.

Расход газообразного кислорода можно рассчитать из балансового уравнения

53

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

Количество кислорода, поступившего с окалиной металлолома (в

ее составе 30 % FeO и 70 % Fe2O3)

При определении количества газообразного кислорода GOгаз2 , необходимого для окисления примесей принимаем два допущения:

1) окислениежелезаипримесейвДСПпроисходитна35 % отобщего расхода кислорода за счет кислорода воздуха, поступающего в печь:

Обьем воздуха

V возд = (G возд/28,8) · 22,4, м3,

где Gвозд/28,8 – число киломолей в воздухе; 22,4 – объем одного киломоля, м3;

2) окисление примесей и железа на 65 % происходит за счет газообразного кислорода дутья. В этом случае расход газообразного кислорода на проведение процесса

K2 = 0,7 – коэффициент использования технического кислорода.

54

Объем технического кислорода, требуемого на проведение процесса,

4. Определение количества отходящих газов. Источником отходя-

щих газов являются продукты окисления углерода – СО и СО2, «недопал» при разложении извести, неусвоенный азот воздуха при проведении плавки и неусвоенный кислород:

Материальный баланс плавки в ДСП представляют в виде табл. 2.9.

55

5. Расчет количества раскислителей и легирующих. Операции раскисления и легирования являются заключительными для получения заданногосоставастали. Вкачествераскислителейиспользуютферросилиций, ферромарганец, силикомарганец, алюминий и др. Расчет выполняют на 100 кг жидкой стали. Для уменьшения потерь раскислителей и легирующих процесс проводят с максимальным предотвращением попадания в ковш окислительного шлака. Оптимальным является использованиетакназываемогоэркерноговыпускаметалла.

Количествораскислителейилегирующихрассчитываютпоформуле

η– угар легирующего элемента.

Коэффициент усвоения легирующих существенно изменяется в зависимости от типа раскислителя. Так, при раскислении ферромарганцем

φ = 0,75...0,80, ферросилицием φ = 0,65...0,70, алюминием φ = 0,20...0,25.

Значение φ также зависит от способа ввода ферросплавов в металл, окисленности металла на выпуске и температуры металла. При использовании дорогостоящих микролегирующих элементов (Ti, Nb, V, Zr, редкоземельных и щелочно-земельных материалов) используют ввод леги- рующихввидепроволокиснаполнителемспомощьютрайб-аппарата.

После расчетов количества раскислителей и легирующих приводится таблица их расходов на заданную марку стали.

56

2.3.2. Тепловой баланс выплавки стали в электросталеплавильной печи

Тепловой баланс ДСП состоит из приходной и расходной частей:

Приход теплоты:

1)теплота электрической дуги Qэл;

2)теплота альтернативных энергоносителей Qал;

3)теплота химических реакций окисления железа и примесей Qхим.

Расход теплоты:

1)энтальпия стали Qст;

2)энтальпия шлака Qшл;

3)теплота, теряемая с отходящими газами Qотх;

4)потери теплоты в окружающую среду Qпот.

На основе теплового баланса ДСП рассчитывается расход электрической энергии на процесс исходя из основного постулата теплового баланса любого сталеплавильного процесса: Qприх = Qрасх. В результате порядок расчета теплового баланса ДСП задается следующим.

1. Расчет суммарного расхода теплоты на процесс:

Gст, Gшл, Gотх i – масса стали, шлака и отходящих газов соответственно, кг.

57

По уравнениям (2.79)–(2.81) рассчитывают Qст, Qшл, Qотх.

Потери теплоты в процессе Qпот принимают равными 20 % от общего

количестватеплотыпроцесса. Тогда Qпот = 0,2 (Qст + Qшл + Qотх).

2. Расчет прихода теплоты. Теплоту химических реакций Qхим вычисляют так же, как в расчете теплового баланса кислородноконвертерного процесса:

Тепловые эффекты альтернативных энергоносителей Qальт определяют по данным, приведенным в разд. 1.3.1. Соответственно, они имеют следующие значения [10]:

–при продувке ванны газообразным кислородом (окисление только железа) qFe = 5,354 МДж/кг железа;

–при продувке ванны газообразным кислородом одновременно с коксиком (окисление растворенного углерода) qС = 12,1 МДж/м3 кислорода, или 22,4 МДж/кг углерода;

–при добавлении в ванну жидкого передельного чугуна 2,1 МДж/кг чугуна;

–при дожигании CO до CO2 тепловой эффект равен 25,3 МДж/м3 кислорода;

–при вводе металлического лома количество теплоты определяется температурой нагрева лома:

где Слом = 0,74 кДж/(кг· °С)– теплоемкость лома.

Суммарное количество теплоты, полученное с альтернативными энергоносителями,

Количество теплоты, которое необходимо ввести с электрической энергией, вычисляют по формуле

После определения Qэл его пересчитывают на эквивалентное количество электрической энергии по известному теоретическому соотношению: 1 кВт·ч = 3,6 МДж.

Результаты выполненных расчетов сводят в таблицу теплового баланса процесса выплавки стали в ДСП (табл. 2.10).

58

Можно отметить существенное снижение расхода электрической энергии при выплавке стали в дуговой электропечи за счет увеличение количества теплоты, вносимой альтернативными энергоносителями, – за счет подогрева лома и интенсивной продувки ванны кислородом.

Необходимо также отметить, что суммарная энергоемкость процесса выплавки стали в ДСП при варианте с альтернативными энергоносителями существенно уменьшается при сравнении с работой агрегата исключительно на электрической энергии. Это положение связано с более высоким энергетическим КПД процесса при использовании альтернативных носителей, что было показано в разд. 1.3.1.

В окончательном варианте применение альтернативных носителей должно оцениваться с экономической точки зрения, т.е. техникоэкономическую эффективность и целесообразность применения альтернативных носителей следует оценивать с учетом их рыночной стоимости и изменения себестоимости готовой продукции.

При этом важно иметь в виду, что в настоящее время стоимость энергоносителей в России значительно ниже соответствующих цен на энергоносители в США и странах Европы. Это обстоятельство в перспективе может заметно снизить конкурентоспособность отечествен-

ной металлургии при намечаемом вступлении России в ВТО.

Таким образом, проблема энергосбережения и связанная с ней проблема техногенного воздействия промышленного производства на окружающую среду остаются в числе важнейших. Их решение воз-

можно только на пути изучения энергетики сталеплавильных процессов, проведения соответствующих инженерных расчетов и создания малозатратных и энергосберегающих технологий и агрегатов, снижающих суммарную энергоемкость металлургической продукции по всему металлургическому переделу.

59

Примеры типовых задач

1.Запишите и расшифруйте составные части материального баланса ККП .

2.Запишите и расшифруйте составные части теплового баланса ККП.

3.Рассчитайте значения суммарной энергоемкости Э∑ и соотношение прямых и косвенных энергозатрат для ККП по производственной калькуляции.

4.Рассчитайте значения суммарной энергоемкости Э∑ и соотношение прямых и косвенных энергозатрат ДСП при работе на окатышах или ГБЖ по производственной калькуляции.

5.Рассчитайте значения суммарной энергоемкости Э∑ и соотношение прямых и косвенных энергозатрат ДСП при работе на обычной завалке (чугун и лома).

6.Рассчитайте суммарную энергоемкость Э∑ энергоносителей и сырьевых материалов в ДСП по производственной калькуляции.

7.Рассчитайте расходы раскислителей и легирующих элементов для выбранной марки стали.

8.Рассчитайте суммарную энергоемкость Э∑ при раскислении и легировании.

9.Рассчитайте эквивалентные количества углерода и выбросы диоксида углерода по значениям суммарной энергоемкости процесса и соотношению прямых и косвенных энергозатрат в ККП.

10.Рассчитайте эквивалентные количества углерода и выбросы диоксида углерода по значениям суммарной энергоемкости и соотношению прямых и косвенных энергозатрат в процессе ДСП.

11.Рассчитайте суммарную энергоемкость мартеновского скрап-про- цесса и эквивалентные количества углерода и выбросов диоксида углерода по производственной калькуляции.

12.Рассчитайте суммарную энергоемкость мартеновского скрапрудного процесса и эквивалентные количества углерода и выбросов диоксида углерода по производственной калькуляции.

60