Тепловий баланс і температурний режим процесу

Загальну кількість тепла, що виділяється в зоні продування, можна визначити за виразом

,

де q_i – тепловий ефект окислення елементу, кДж/ кг;

[Ел_і] – кількість елементу, що окислюється, кг.

Кількість тепла, яке дістає ванна при окисленні 1 кг елементу в кисневому конвертері при певній температурі, наведено в таблиці.

Реакція	МДж/кг при температурі, оС
	1200	1400	1600
[C] + {O2} = {CO2} [C] + 0,5{O2} = {CO} Fe + 0,5{O2} = (FeO) [Mn] + 0,5{O2} = (MnO) [Si] +{O2} + 2CaOтв=(2CaOSiO2) 2[P]+2,5{O2}+3CaOтв=(3СаOР2О5)	33 11,5 4,1 6,32 20,4 25,7	32,9 11,1 4,0 6,31 19,3 24,5	32 11,0 3,95 6,3 18 23,3

Особливістю теплового балансу є велика роль у нагріванні металу реакцій за участю [С], який окислюється на 5-10 % до {СО₂} і на 90-95 % до {СО}. Оскільки окислення 1 % [С] киснем забезпечує підвищення температури ванни  на 100 К, тобто  55 % усього тепла хімічних реакцій припадає на [С].

Як охолоджувачі в кисневому конвертері застосовуються брухт, руда, вапняк, іноді пара. Брухт – суто фізичний охолоджувач, руда, вапняк і пара - хімічні, оскільки їх охолоджувальний ефект зумовлюється теплотою дисоціації і меншою мірою – на нагрівання продуктів дисоціації. Якщо ефект брухту взяти за одиницю, то охолоджувальний ефект руди і окалини – 4-4,5, вапняку - 4-4,25, а пару - 10-11. Нині вважається найдоцільнішим охолоджувати метал брухтом, частка якого в металевій шихті становить 23-27 %.

Деякі переваги руди (отримання дешевого [Fe] і поліпшення шлакоутворення) знецінюються збільшенням витрат чавуну і собівартості сталі. Охолоджувати метал вапняком і паром недоцільно, оскільки не збільшує вихід рідкої сталі, а пар підвищує вміст водню в металі. Оптимальний метод охолодження – застосування брухту і коригуючих присадок руди.

Кисневий конвертер має високий тепловий ККД 60-70 %, що в 1,5-2 рази вищий, ніж у електростанцій і в 3 рази вищий, ніж у мартенівської печі. Проте і втрати великі. Тільки до 10 % [С] окислюється до {CO₂}. Якщо б увесь [С] окислювався до {CO₂} надходження тепла збільшилося б у 2,4-2,5 рази. Власне теплові втрати через футеровку , випромінюванням через горловину, з водою, що охолоджує фурму і становлять 2-5 %.

 Температурний режим киснево-конверторної плавки залежить від типу охолоджувача (рис. ст.144 в). Якщо як охолоджувач використовується руда, що вводиться невеликими порціями (лінія 1), то плавка протікає порівняно горячою і це сприяє більш ранньому шлакоутворенню. Присадка брухту однією порцією до зливу чавуну (лінія 2), особливо при значній частці легковагового брухту, дещо погіршує тепловий режим плавки, оскільки розчинення частки брухту істотно знижує температуру і перегрівання металу в першій половині продування.

Якщо температура металу наприкінці плавки недостатня, то виконується додування при високому (в 1,5-2 рази вищому за звичайне) положенні фурми, тобто окислюють [Fe].

Фізичні втрати металу. До фізичних втрат металу належать втрати з викидами, виносами, корольками в шлаці і димом.

 Викиди – це періодичні переливи через горловину конвертера шлакометалевої емульсії, зумовлені спучуванням ванни або виплесками об’єму металу і шлаку в моменти вибухового прискорення окислення [CO]. Відбуваються нерівномірно, можуть причинити втрати до 2-3 % і більше металу.

Коливання рівню ванни та викиди пов’язані з впливом зміни швидкості виділення газів із ванни, кількістю шлаку, його схильності до спінювання.

До ефективних засобів боротьби з викидами належать:

1. збільшення висоти і питомого об’єму порожнини конвертора і надання їй форми, що сприяє відбиттю бризок;

2. зменшення шару металу і шлаку за рахунок оптимізації садки;

3. збільшення кількості присадок сипких матеріалів без підвищення їх витрат;

4. зміна руди на брухт, при цьому температура ванни змінюється плавніше, зменшується М_шл, (SiO₂), (FeO) не збільшується;

5. послаблення спінення шлаку і зсув максимуму спінення ближче до початку плавки прискоренням шлакоутворення, присадки матеріалів, що впливають на стійкість піни;

6. збільшення частки великовалового брухту, що забезпечує гарячий початок операції;

7. зниження інтенсивності продування одразу після викиду і присадки вапна з плавним збільшенням витрат кисню;

8. нетривале опускання фурми, що зменшує вміст (FeO), або короткочасний підйом фурми для осаджування піни;

9. збільшення кількості сопел у фурмі;

 Виноси – це втрати металу і шлаку протягом продування у вигляді металевих часточок. Інтенсивність виносу залежить від кількості (товщини) шлаку і його в’язкості при згортанні шлаку через малу кількість рідкої фази (насамперед (FeO)), він стає напівтвердою масою, яка викидується з поверхні реакційної ванни до стін конвертера потоками газу, що виділяється. При цьому втрачається захисна функція шлаку, що перешкоджає сплескам і виносу металу.

Винос металу при нормальному шлаці зводиться до нуля, а при згорненому – досягають  0,2 % в хвилину.

Зі збільшенням товщини шару рідкого спіненого шлаку маса виносів зменшується, а викидів – зростає (рис. ст.147). Для мінімізації сумарних втрат необхідно досягти оптимального спінювання шлаку.

 Втрати металу в шлаці у вигляді корольків становлять 0,5-1 % в залежності від кількості і властивостей (в’язкості) шлаку.

 Втрати металу з димом становлять 0,8-1,3 %. Причина утворення пилу є випарювання Fe у первинній реакційній зоні, температура якої 2600-2900 К. Понад 90 % плавильного пилу – оксиди Fe, а також до 5 % MnO, до 1-2 % CaO, Al₂O₃, а при роботі без допалювання {CO} – вільне Fe. На 1 м³ кисню припадає  0,2 кг Fe, або 0,31 кг пилу/м³ О₂. Інтенсивному пилоутворенню сприяє також розташування первинній реакційній зони зверху, що зменшує відфільтрування парів заліза й окислів ванною.

Зменшення пилоутворення може бути забезпечено:

• збільшенням кількості сопел у фурмі і кута їх розбіжності. Це поліпшує відведення тепла від реакційної зони і фільтрації газів;

• введення в струмінь кисню води або пару; рідкого кисню. Але при цьому збільшуються нераціональні витрати тепла;

• прискорення шлакоутворення, що зменшує винос металу і посилює фільтрацію газів;

• вдування в струмінь кисню порошкової руди, вапняку, вапна. Проте порошки стирають фурми;

• механічне перемішування ванни шляхом обертання фурми або конвертера;

• продувка киснем із зануренням фурми у ванну. Це ефективно послаблює пилоутворення.

Лекція 12