Основы синхронизации процессов обезуглероживания и нагрева металла.

При управлении плавкой важно не просто окисление углерода и получение заданного содержания его в конечном металле, но и проведение этого процесса синхронно с процессом нагрева ванны. Задачу синхронизации этих двух важнейших процессов решают в два приема:

1. перед началом плавки, при ее шихтовке, основная цель которой установление расходов материалов, обеспечивающих синхронное проведение обезуглероживания и нагрева металла при конкретных производственных условиях;

2. по ходу (чаще ближе к концу) плавки корректируют режим окисления углерода и нагрева металла по информации, полученной измерением содержания уг­лерода в металле и температуры ванны.

В случаях корректировки процесса по ходу плавки основное ус­ловие синхронного проведения процессов обезуглероживания и нагрева металла математически можно представить в следующем виде: τ_[c]=τ_t, где τ_[c] и τ_t - соответственно время, необходимое на обе­зуглероживание и нагрев металла; τ_[c]=Δ[C]/ v_с; τ_t = Δt/v_t, ; Δ[С], Δt -заданные количество удаляемого углерода и изменение темпера­туры (обычно нагрев, но может быть и охлаждение) ванны; v_с и v_t - средние скорости окисления углерода и нагрева ванны, воз­можные за оставшееся время плавки. Подставив значения τ_[c] и τ_t из последних выражении в первое уравнение, после преобразова­ния получим

Δ t /Δ[C]/ = v_t / v_с = Δt_[c]

Отсюда следует, что для синхронного проведения процессов обезуглероживания и нагрева металла необходимо обеспечить определенное отношение скоростей их протекания. Это отношение равно возможному изменению температуры ванны при окислении 1% С в конкретных условиях.

Изменение температуры ванны при окислении 1% С, обозна­ченное Δt_[c] называют относитель­ным изменением температуры ванны при окислении углерода.

В идеальных условиях, когда ванна не обменивается теплом с окружающей средой и в ней не протекают никакие другие процессы, кроме окисления углерода, т.е. все изменение энтальпии ванны (металла и шлака) связано с тепловым эффектом процесса окисления углерода, Δt_[c] можно определить по формуле

Δt_[c] =Qt/(100Cм+gшлCшл),

где Qt - тепловой эффект реакции окисления углерода при данных условиях, кДж/кг; gшл - количество шлака, кг/100кг металла; С - удельные теплоемкости металла и шлака, Дж/(кг К).

Поскольку См=0,84 кДж/(кг-К) и Сшл= 2,09 кДж/(кг-К), а количество шлака обычно составляет 10-15%, то уравнение примет вид: Δt_[c] =0,009Qt.

Это означает, что синхронизация процессов обезуглероживания и нагрева металла в идеальных условиях возможна лишь из­менением теплового эффекта реакции окисления углерода.

Известно, что величина и даже знак теплового эффекта процесса окисления углерода могут изменяться в зависимости от источника кислорода. Основными источниками кислорода для окисления угле­рода являются: холодное дутье (кислородное или воздушное), окси­ды железа твердых окислителей (железной руды, агломерата, окаты­шей, окалины и т.п.), горячие печные газы(см. табл). Окисление углерода газо­образным кислородом дутья или печных газов происходит с выделе­нием тепла, при этом чем выше температура нагрева кислорода, тем больше тепловой эффект реакции. Окисление углерода кислородом твердых окислителей является резко эндотермическим процессом. Чем выше температура ванны в рассматриваемый момент плавки, тем меньше экзотермичность и больше эндотермичность реакции окисле­ния углерода, так как газообразные продукты реакции уносят тепла больше, чем его содержат углерод и кислород.

Qt, кДж/кг [С] Δt_[c] ,°C/%[C]

Холодное дутье:

воздушное ....………………………… +4450 +40

кислородное ..... ……………………..+12500 +115

Нагретая атмосфера печи . . . ………..15000 +135

Холодный твердый окислитель ……–20000 -180

В реальных сталеплавильных процессах величина Δt_[c] суще­ственно может отличаться от приведенных выше значений Δt_[c] no ряду причин: происходит потеря тепла в окружающую ванну среду (нагрев футеровки, окружающего воздуха и т.п.), возможно проте­кание в ванне других экзотермических и эндотермических процес­сов, кроме окисления углерода. Например, вследствие кратковре­менности конвертерных процессов потери тепла в окружающую среду пренебрежимо малы, но плавление лома обычно продолжа­ется почти до конца плавки, поэтому Δt_[c] в середине продувки, когда практически окисляется только углерод, не превышает 80-90°С/% [С]. В период чистого кипе­ния в мартеновском процессе Δt_[c] обычно со­ставляет 250-350 °С/% [С], поскольку имеет место интенсивное по­ступление тепла в ванну от факела.

Данные о возможном измене­нии температуры ванны при окислении 1% [С] в различных усло­виях позволяют сделать некоторые важные практические выводы.

1. При окислении 1% [С] температура плавления металла по­вышается в зависимости от области концентраций на 75-95°С, т.е. эта величина близка возможному нагреву ванны при окислении углерода в кислородном конвертере. Значит, в этом случае при окислении углерода хотя и происходит повышение температуры металла, но перегрев его выше линии ликвидуса за счет тепла одной только этой реакции остается почти неизменным, поэтому требуемый в конце плавки перегрев металла в рассматриваемом случае должен быть достигнут до того, как наступает момент окисления одного толь­ко углерода.

2. При окислении углерода воздушным дутьем в конвертерах возможный нагрев металла примерно в два раза меньше увеличения температуры плавления его, т.е. в этом случае неизбежно снижение перегрева металла. В бессемеровских конвертерах к началу периода окисления только углерода перегрев металла всегда был больше, чем в конце плавки (за счет физического и химического тепла жидкого чугуна), а в мартеновских печах при продувке ванны воздухом для обеспечения синхронного проведения процессов обезуглероживания и нагрева металла необходимо иметь значительно больший приток тепла факела в ванну, чем при продувке ее кислородом.

3. Для окисления 1% [С] обычно расходуется 6-7% твердых окис­лителей. При взаимодействии с металлом 1% твердого окислителя температура ванны снизится на 25-30°С. Обычно перегрев металла по ходу плавки не превышает 50-70°С, поэтому единовременные присадки твердых окислителей не должны превышать 2%, чтобы не вызвать переохлаждения ванны.