Материальный и тепловой баланс

РАСЧЁТ МАТЕРИАЛЬНОГО  БАЛАНСА

КИСЛОРОДНО-КОНВЕРТЕРНОЙ ПЛАВКИ

 

Исходные данные

 

Химический состав чугуна

Вариант	С	Mn	Si	S	P
12	4,30	0,65	0,95	0,025	0,145

 

Химический состав металлолома

Вариант	С	Mn	Si	S	P
12	0,10	0,55	0,25	0,025	0,040

 

Химический состав стали

Вариант	Марка стали	Массовая доля элементов, %
		С	Mn	Si	S	P
12	2 кп	0,10…0,15	0,30…0,60	до 0,09	до 0,035	до 0,030

 

Предварительное определение расхода стального  лома

 

Предварительное определение  расхода стального лома производится по уравнению, приведенному в работе [2], для упрощения которого принято, что выход металла (М_м) и (М_шл) после продувки составляет соответственно 90 и 15 кг на 100 кг металлошихты.

где ∑Н^хим_чуг – химическое тепло, выделяемое при полном окислении примесей на 100 кг чугуна, кДж/100 кг;

С_ост – содержание углерода в металле в конце продувки, %.

 

где 12552, 26903, 7029, 19748 – тепловые эффекты окисления соответствующих  элементов – примесей, кДж/кг

Содержание углерода в металле в конце продувки определяется содержанием углерода в готовой стали и содержанием марганца в металлошихте и готовой стали. Эта величина тем ближе к нижнему пределу заданного содержания углерода в готовой стали, чем ниже содержание марганца в металлошихте и чем

 

 

 

 

 выше содержание  марганца в готовой стали, так  как присаживаемый для раскисления  ферромарганец вносит в металл  дополнительное количество углерода.

В примерном расчете  принято, С_ост.=0,10%. Тогда

∑Н^хим_чуг =12552•4,30+26903•0,95+7029•0,65+19748•0,145= 86963,76 кДж/100 кг

 

 

Дополнительные  величины

 

Масса чугуна составит

М_ч=100 – М_л = 100 – 24,0417 = 75,9583 кг/100кг

Следует учитывать, что поступающие  в сталеплавильный цех шихтовые материалы (чугун и стальной лом) взвешиваются вместе с содержащимися в них, соответственно, миксерным шлаком и загрязнённостью и окалиной. По этому действительное количество чугуна и лома, поступающее на плавку, меньше и будет определяться их чистотой.

Действительные массы чугуна и  лома составляют:

 

а массы миксерного шлака, загрязнённости и окалины лома составят:

 

Расчёт массы  примесей, вносимых неметаллической  шихтой

 

Расчёт массы примесей, вносимых неметаллической шихтой, производится с учётом расходов компонентов шихты и их состава

Массы остальных примесей рассчитываются аналогично:

 

 

 

Расчёт содержания оксидов железа в шлаке

Содержание оксидов железа в  шлаке (FeO и Fe₂O₃) зависит, в основном от содержания углерода в металле в конце продувки, режима продувки (положение среза фурмы над уровнем металла в ванне, расхода (интенсивности продувки) кислорода и его давления, типа и количества сопел в головке фурмы, конструкции фурмы и т.д.), основности шлака, температуры и т.д. [1,2,3,4,5].

 При относительно  постоянных условиях продувки  содержание оксидов железа в  конечном шлаке определяется, в  основном, содержанием углерода  в конце продувки (С_ост) и основностью шлака (В) и может быть определено по эмпирическим формулам [4,5,6].

 

Окислительная способность  шлака определяется общим (суммарным) содержанием закиси железа в конечном шлаке, которое может быть определено по уравнению

 

Баланс марганца

 

Уравнение баланса марганца составляется из условия, что весь марганец, вносимый шихтой и другими материалами, распределяется между металлом и шлаком в соответствии с константой равновесия реакции

[Mn]+(FeO)=(MnO)+[Fe]

 

В случае равновесия с  основным шлаком [4]

γ_(MnO)=3, а γ_(FeO)=2

Откуда получим, что

(MnO)=0.67•K•[Mn] •(FeO),

 

 

где Т - температура металла, К.

Тогда уравнение баланса марганца будет иметь вид

Откуда содержание марганца в металле в конце продувки равно

 

Баланс фосфора

 

Балансовое уравнение  фосфора составляется из условия, что  весь фосфор шихты распределяется между  металлом и шлаком в соответствии с константой его распределения, эмпирическое выражение которой имеет вид [4,6]:

 

Остаточное содержание фосфора в металле в конце  продувки равно

 

Баланс серы

 

Конечное содержание серы в металле в конце продувки определяется основностью конечного шлака по эмпирической формуле [4,6]:

И может быть определено из уравнения баланса серы

 

Количество  примесей в металлошихте

 

Количество примесей, содержащихся в металлошихте, определяется составом и расходом компонентов металлошихты

Где Э – элемент  примесь: С, Mn, Si, S, P.

 

 

 

 Удаляется  примесей из металлошихты

 

Количество элемента-примеси, удаляющегося из металлошихты, может  быть определено по уравнению:

где Э_ост – остаточное содержание элемента-примеси в металле после продувки (при продувке кремний выгорает полностью, то есть Si_ост=0), %.

Для условий примерного расчета получим

С_уд = 3,2166 – 0,01•0,10•90=3,1266 кг

Mn_уд = 0,6091 – 0,01•0,3•90=0,3391 кг

Si_уд = 0,7603 кг

S = 0,0243 – 0,01•0,035•90=-0,0072 = 0 кг

Р_уд = 0,1168 – 0,01•0,03•90=0,0898 кг

 

Потребность кислорода на окисление примесей металлошихты и масса образующихся при этом оксидов

 

Потребность кислорода  на окисление примесей и масса  образующихся оксидов рассчитывается с учётом массы окисляющихся элементов-примесей и стехиометрических коэффициентов в формулах соответствующих оксидов

 

где х,у – стехиометрические  коэффициенты в формулах соответствующих  оксидов;

16 – атомный вес кислорода,  кг;

А_э – атомный вес элемента-примеси, кг;

Мэ_хо_у – молекулярный вес элемента-примеси, кг;

К – доля окисления элемента-примеси  до оксида данного вида (например, ЭО, ЭО₂, Э₂О₃ и т.д.).

Для условий примерного расчета  получим

 

 

 

Расход извести

 

При продувке обычных  передельных чугунов необходимое  количество извести определяется основностью  конечного шлака, количеством кремнезёма и оксида кальция, вносимых футеровкой и всеми шихтовыми материалами (кроме извести), и флюсующей способностью извести и может быть определено по уравнению:

 

 

Расчёт массы  примесей, поступающих в шлак

 

Учитывая примеси, поступающие как из металлической части шихты, так и из всей (включая известь) неметаллической шихты:

 

Определение массы  и состава шлака

 

Масса конечного шлака определяется по формуле:

 

 

 

 

 

А его состав по уравнению:

                                   

 

Где К_i – масса соответствующего компонента в шлаке, вносимая всеми компонентами шихты, кг.

 

Баланс оксидов  железа

 

Масса Fe₂O₃, вносимой неметаллической шихтой, определяется по уравнению:

Масса Fe₂O₃, уносимая отходящими газами, равна:

Fe₂O_3д=(160/112)•М_д=1,429•1,4=2,0006 кг

где 160 и 112 – соответственно вес  моля Fe₂O₃ и вес Fe в молекуле Fe₂O₃

 

 

 

 

 

 

 

Расчёт количества дутья

 

а) при расчете количества дутья принято, что все оксиды железа, поступающие с шихтовыми и другими материалами, восстанавливаются до железа, а оксиды железа в шлаке получаются за счет окисления железа металлошихты. Это упрощает расчет, не изменяя конечных результатов.

Массы кислорода, необходимого для образования оксидов железа шлака и отходящих газов, равны соответственно:

 

Массы кислорода, образующегося  при диссоциации оксидов железа, поступающих из шихты, равна:

 

б) так как чистота кислорода  дутья и степень его усвоения задаются объемными процентами, то определение массы дутья ведется  через объемные расходы, то есть вначале  определяется объем вдуваемого кислорода, а затем – масса дутья:

где 22,4 и 32,0 – молекулярные объем  и вес кислорода;

О_2Р2О5 – расходы кислорода на образование соответствующих оксидов, кг;

О^д_2Fe – масса кислорода, образующегося при диссоциации оксидов железа шихты, кг.

 

Расчет массы  и состава отходящих газов

 

В примерном расчете  принято, что вся влага шихтовых материалов переходят в газовую  фазу в виде пара, то есть степень  диссоциации влаги равна нулю.

 

%Г_г = (V_п/V_г)·100, %,       G_п = (М_п/22,4)·V_п, кг.

где Г_г – компонент отходящих газов: СО, СО₂, О₂, N₂, H₂O;

V_п – объем компонента отходящих газов, м³;

G_п – масса компонента отходящих газов, кг;

М_п – масса 1 моля компонента отходящих газов, кг.

 

СО_г = (5,1868/6,4023) ·100=81,0146%      G_COг = (28/22,4) ·5,1868=6,4835 кг

СО_2г =(0,9333/6,4023) ·100=14,5775%      G_CO2г =(44/22,4) ·0,9993=1,8331 кг

О_2г = (0,1491/6,4023) ·100=2,3288%         G_O2г = (32/22,4) ·0,1491 = 0,2129 кг

N_2г = (0,0654/6,4023) ·100=1,0215%         G_N2г = (28/22,4) ·0,0654 = 0,0817 кг