Расчет материального баланса конвертерной плавки

1. Расчет материального баланса конвертерной плавки

 

1.1 Исходные  данные

Расчет материального  баланса производится на 100 кг металлической завалки (чугун + скрап) при выплавке стали 09Г2С.

Примерный химический состав чугуна, металлического лома, металла перед раскислением и готовой стали приведен в таблице 1.

Таблица 1 – Химический состав металлошихты и металла

Наименование материала	Содержание элементов, %
	C	Mn	Si	P	S
Жидкий чугун	4,50	0,43	0,41	0,006	0,024
Металлический лом	0,25	0,60	0,16	0,024	0,028
Металл перед раскислением	0,08	0,15	следы	0,015	0,015
Готовая сталь 09Г2С ГОСТ 19282-73	<0,12	1,3-1,7	0,5-0,8	< 0,035	< 0,040

 

Температура чугуна при  заливке в конвертер принята  равной t_чуг = 1420^оС. Температура металла в конце продувки принимается равной = 1610 ^оС.

На основе практических данных принимаем следующий расход извести, других материалов и потери металла в процентах от веса металлической завалки (таблица 2).

Таблица 2 – Расход материалов и потеря металла

Наименование статей	Условные обозначения	Расход на 100 кг металлозавалки, (%)
		принято	обычно
1. Известь	Мизв.	-	-
2. ФОМИ	МФМБУЖ	1,5	-
3. Уголь	Муголь.	0,6	-
4. Электродный бой	Мэл.бой	0,3	-
5. Футеровка	Мф.	0,2	0,10-0,30
6. Потери железа в виде пыли	Мпыли.	0,60	0,60-1,30
7. Потери железа в виде корольков	Мкор.	0,30	0,20-0,60
8. Потери железа с выбросами и выдувкой	Мвыбр.	1,00	1,0-2,0
9. Расход миксерного шлака	Мм.шл.	0,50	0,45-1,10
10. Загрязнения, вносимые металлическим ломом	Мзагр.	0,40	0,3-2,0
11. Потери металла в ковше при разливке	Мразл.	1,50	1,0-3,0

 

Для разжижения конвертерного  шлака и улучшения процесса шлакообразования, а также в целях переработки отходов алюминиевого производства, в конвертер вместо плавикового шпата присаживается электродный бой.

Примерный химический состав неметаллической части шихты, футеровки  конвертера и других материалов, используемых в конвертерной плавке, приведен в  таблице 3

Таблица 3 – Состав исходных материалов

Наименование материалов	Содержание компонентов,%
	CaO	SiO2	MgO	Fe2O3	FeO	Al2O3	CaF2	MnO	P2O5	п.п.п.	S
Известь	93,3	1,25	2,02	1,13	-	0,71	-	-	-	5,1	0,018
ФОМИ	18	3,5	72	6,5	-	-	-	-	-	-	-
Зола угля	2,40	69,40	0,50	5,70	-	22,0	-	-	-	-	-
Электродный бой	-	-	-	-	-	15,1	34,4	-	-	50,42	0,08
Футеровка	5,80	3,0	88,7	1,25	-	1,25	-	-	-	-	-
Миксерный шлак	7,50	54,50	3,30	-	18,7	10,6	-	5,00	0,20	-	0,20
Загрязнение стального скрапа	3,00	68,00	2,0	3,0	-	24,0	-	-	-	-	-

 

 

1.2 Расчет технологических  параметров периода нагрева лома

Количество лома в  шихте составляет 30% от веса металлической завалки и обеспечивается предварительный нагрев лома. Нагрев лома осуществляется в конвертере за счет сжигания топлива (угля) в потоке кислорода.

Расчет выполняется  в несколько этапов ( ).

С учетом теплотворной способности, химического состава угля (см. таблицу 4), его расходом на предыдущей плавке и коэффициента усвоения тепла от топлива, определяем тепловой эффект предварительного нагрева лома.

Таблица 4 – Химический состав теплоносителя, %

Хим. Состав	Содержание элементов
	Ср	Нр	SP	OP	NP	WP	AP
Уголь ССО, р-з Бачатский	81,1	4	0,3	4,5	2	6,5	8

 

В данном расчете расход угля принят равным 0,6 кг на 100 кг металлической  завалки.

  (1)

где: К₁ – коэффициент усвоения тепла угля, %  равен 35;

 кДж/кг;

 кДж/100 кг.

Затем определяем температуру  лома после нагрева по формуле:

,  (2)

где: С_л – теплоемкость твердого лома, равная 0,7 кДж/кг-град;

М_л – количество лома, кг;

- температура лома после нагрева,  ^оС;

- температура лома до нагрева,  ^оС (принимаем равной 0 ^оС);

Избыточное тепло чугуна рассчитывается на 100 кг чугуна. Во время продувки выгорит следующее количество основных примесей чугуна:

,

где: Si, Mn, C – окислившееся их количество, % от веса чугуна;

В – основность шлака (CaO/SiO₂ = 3,2);

С = 4,5 %; Mn = 0,43 %; Si = 0,41 %;

t_чуг – температура заливаемого чугуна, ^оС;

t_М – температура металла на выпуске, ^оС;

Далее рассчитываем величину охлаждающего эффекта лома, которая, в зависимости от температуры  его нагрева будет иметь разную величину:

,  (3)

где:  - теплоемкость лома, равная 0,7 кДж/кг-град;

- температура плавления лома, ^оС (принимается равной температуре плавления выплавляемой стали);

- температура лома после нагрева;

- скрытая теплота плавления  лома, равная 284,9 кДж/кг;

- температура металла в конце  продувки, ^оС;

- теплоемкость расплавленного  лома, равная 0,84

кДж/кг-град;

При этом расчетный расход лома составит:

,  (4)

где: q_л – охлаждающий эффект лома, кДж/кг;

% лома.

Определяем количество кислорода на нагрев (таблица 5), а  также состав и объем отходящих  газов этого периода (таблица 6). Основываясь на практических данных работы конвертеров, принимаем, что углерод угля сгорает с образованием 40% СО и 60% СО₂. Также необходимо учитывать кислород для сжигания находящегося в угле водорода (окисление происходит по реакции 2Н₂ + О₂ = 2Н₂О).

 

Таблица 5 – Количество кислорода и образовавшихся оксидов

Элемент	Количество окислившегося  элемента, кг	Потребное количество кислорода, кг	Количество образовав-шегося окисла, кг
Уголь			0,535
C {CO2}
C {CO}			0,226
H2 {H2O}			0,216
Итого:	0,267		0,977

Таблица 6 –  Количество и состав газов

Уголь
СО2
СО
N2
H2O (от Н)
H2O
О2	1,01 – 0,96 = 0,05*
Итого:	1,08 кг
* Не усвоенный ванной кислород

 

Учитывая тот факт, что операция нагрева ограничена по времени (5 – 7 мин), в данном расчете принято, что в процессе нагрева сгорают летучие компоненты топлива, а также 40 – 70% углерода. Перед заливкой чугуна в конвертере остается не окислившийся углерод топлива и зола. Количество неокислившегося углерода может быть принято 50%.

С учетом усвоения кислорода ванной, равной 95%, чистоты технического кислорода 99,6%, а также количества азота, поступившего в металл с кислородом, определяем его количество на прогрев:

.

Вместе с кислородом поступит азота:

0,456 – 0,454 = 0,002 м³ или 0,002 кг.

Всего технического кислорода  на прогрев требуется:

0,649 + 0,002 = 0,652 кг.

В процессе продувки образуются газы: СО₂, СО, N₂, H₂O от водорода топлива, H₂O, неусвоенный О₂.

Тогда общее количество газов, выделившихся за период нагрева, составит 1,08 + 0,652 = 1,732 кг.

Рассчитанное количество угля, кислорода и газов входят в итоговую таблицу материального  баланса.

 

 

1.3 Определение среднего состава металлошихты и количества примесей, окисляющихся к концу продувки

Количество примесей, внесенных металлической шихтой, приведено в таблице 7.

Таблица 7 – Количество внесенных примесей

Наимено-вание материала	Содержание элементов  в металлошихте, % (кг)
	C	Mn	Si	P	S
Чугун
Скрап
Итого:	3,225	0,481	0,335	0,011	0,025

 

На основе предварительно принимаемого состава металла перед  раскислением и среднего состава  металлической завалки определяется количество примесей, окислившихся за время продувки. Так как расчет ведется на 100 кг металлической завалки, а состав металла перед раскислением дан в процентах, отнесенных к жидкой стали, то необходимо внести поправку на изменение количества металла за время продувки (выход жидкого металла к моменту раскисления). Тогда количество окислившихся примесей за время продувки определится величинами, представленными в таблице 8.