6. Тепловой режим

Сталь, выпускаемая из конвертера, должна быть нагрета до температуры 1600–1660 °С, в то время как заливаемый в кислородный конвертер чугун обычно имеет температуру 1300–1450 °С. Источником тепла для нагрева стали, шлака, отходящих газов, а также для компенсации теплопотерь при плавке является тепло, выделяющееся при окислении примесей чугуна. Величины тепловых эффектов реакций окисления составляющих жидкого металла приведены в табл. 5.

Расчеты теплового баланса и практика показывают, что общее количество тепла, выделяющегося при окислении примесей чугуна при любом его составе, значительно превышает потребность в тепле для нагрева стали до температуры выпуска и для компенсации теплопотерь. Если в конвертере перерабатывать один чугун, то температура металла в конце

301

Таблица 5. Тепловые эффекты реакций окислениия растворенных в железе элементов

	Тепловой эффект1
Реакция		-
	–Atf, Дж/моль	кДж/l кг элемента
[Si] + О2 = SiO2	745800	26640
[Мп] + 1/2О2 = МпО	385140	7000
Fe + l/2O2 = FeO	265680	4740
2Fe + 1V2O2 = Fe2O3	820900	7330
2[P] + 2V2O2 = P2O5	1190980	19210
[C] + l/2O2 = CO	133120	11090
[c] + o2 = co2	416100	34670

Стандартный тепловой эффект окисления с учетом теплоты растворения жидкого элемента в жидком железе.

Таблица б. Соотношение между приходными и расходными статьями теплового баланса

Приход тепла	Приход	Расход тепла	Расход
	тепла, %		тепла, %
Физическое тепло		Физическое тепло
чугуна ....	49-53	стали ....	69-72
Тепло реакций		В том числе на
окисления . .	45-49	нагрев и расплав-
В том числе:		ление ....	15-21
углерода до СО	17-22	Физическое тепло
углерода до СО2	6-7,5	шлака ....	12-17
кремния . .	6,5-10,5	Физическое тепло
марганца	0,6-2,5	газов ....	6,5-9,5
железа . .	5-8	Тепло, уносимое
фосфора . .	0,5-1,5	плавильной пылью	1,5-2,0
Тепло реакций шла-		Потери тепла	1,8-3,0
кообразования	2,5-5	В том числе:
		через корпус	0,3-0,7
		с водой фурмы	0,4-0,7
		через горлови-
		ну излучением
		и конвекцией	1,1-2,0
Всего	100,0	Всего	100,0

Примечание. Общий приход (расход) тепла составляет 180–200 МДж/ /100 кг шихты

302

продувки была бы 1850-1900 °С, что недопустимо. Поэтому при кислородно-конвертерной плавке всегда применяют охладители (обычно стальной лом). Расход охладителей определяют на основании расчета теплового баланса плавки; он должен быть таким, чтобы поглощалось все избыточное тепло и при этом обеспечивалось бы получение требуемой температуры металла перед выпуском из конвертера.

В табл. 6 приведены данные о тепловом балансе конвертерных плавок при использовании в качестве охладителя стального лома. Основные приходные (вносящие тепло) статьи теплового баланса – это физическое тепло жидкого чугуна и тепло экзотермических реакций окисления; немного тепла дают экзотермические реакции шлакообразования (реагирования СаО с SiO₂ и СаО с Р₂О₅). С учетом того, что около 50 % вносимого тепла приходится на долю жидкого чугуна, очень важно проведение мероприятий по увеличению температуры заливаемого чугуна. Из экзотермических реакций окисления первое место по количеству вносимого тепла занимает реакция окисления углерода (несмотря на то, что около 30 % этого тепла уносится из конвертера газообразными продуктами реакции – СО и СО₂), на втором месте стоит реакция окисления кремния, на третьем– реакции окисления железа в шлак; роль окисления прочих составляющих металла менее значительна.

Особо следует подчеркнуть роль изменения количества кремния в перерабатываемом чугуне. Поскольку тепловой эффект реакции окисления кремния велик, изменение его содержания в чугуне очень сильно влияет на величину прихода тепла и температурные условия плавки (конечную температуру металла и расход охладителей).

Основные расходные статьи теплового баланса: тепло, уносимое жидкой сталью и шлаком, а также конвертерными газами; из общего количества тепла, идущего на нагрев стали (69–72 %) 15–21 % расходуется на нагрев и расплавление стального лома. К основным видам потерь тепла относятся потери в окружающую атмосферу через корпус конвертера, температура которого составляет 120–350 °С; потери с охлаждающей фурму водой; потери на нагрев футеровки, охлаждающейся в межпродувочные периоды, которые можно подсчитать как сумму потерь излучением через горловину конвертера и в результате свободной конвекции воздуха в

303

полости конвертера. Необходимо подчеркнуть, что при увеличении простоев конвертера между плавками теплопотери излучением и конвекцией сильно возрастают.

Охладители конвертерной плавки. В качестве охладителей можно использовать стальной лом, железную руду, известняк, окалину, железорудные агломерат и окатыши, доломит и др. Обычно используют стальной лом. Это объясняется тем, что он заменяет значительную часть дорогостоящего чугуна, снижая стоимость стали; кроме того, при снижении расхода чугуна отпадает необходимость в дополнительных мощностях по выплавке чугуна, производству кокса, добыче и обогащению железных руд. При использовании стального лома избыточное тепло процесса расходуется на его нагрев и расплавление, охлаждающая способность 1 кг лома составляет 1410 кДж (при 1620 °С); расход лома по условиям теплового баланса не превышает 25–27% от массы металлической шихты.

Железную руду, окалину, окатыши, известняк, иногда известь и другие добавки обычно используют для корректировки температуры металла – вводя небольшими порциями по ходу продувки или в ее конце в случае получения на той или иной плавке избыточной температуры металла. Руду, окалину, окатыши и агломерат, содержащие оксиды железа, иногда применяют также для ускорения шлакообразования, загружая в конвертер в начале продувки. При использовании руды избыточное тепло расходуется на ее нагрев и восстановление железа из оксидов; восстановленное железо несколько повышает выход годной стали. Охлаждающее воздействие руды в 3,0–3,8 раза выше охлаждающего воздействия равного количества лома.

При использовании в качестве охладителей известняка и доломита тепло расходуется на разложение СаСО₃ и MgCO₃. Редкое использование этих охладителей связано с тем, что они не увеличивают выход годного металла.