Расчёт материального и теплового балансов кислородно-конвертерной плавки

 

_{3.2 Расчет легирования}

_{Заданную марку  стали легируем вводом в металл феррохрома.}

_{Сталь перед легированием содержит, кг (табл.15):}

_{углерода  – 0,0775;                                  фосфора – 0,0294;}

_{марганца  – 1,5043;                                серы – 0,0235.}

_{кремния – 0,65;}

_{Расход  феррохрома среднеуглеродистого ФХ 200 (приложение В) определим по формуле}

                                           _кг

_{Это количество феррохрома содержит, кг:}

_{С          0,4525 ∙ 0,02  = 0,0091;}

_{Сr         0,4525 ∙ 0,65  = 0,2941;}

_{Si          0,4525 ∙ 0,02 = 0,0091;}

_{P           0,4525 ∙ 0,0003 = 0,00014;}

_{S           0,4525 ∙ 0,0003 = 0,00014;}

_{Fe         0,4525 ∙ 0,3094 = 0,1400;}

                                                          _{∑ =0,4526.}

_{Выгорает, кг}

_{С               0,0091 ∙ 0,30 = 0,0027;}

_{Сr            0,2941∙ 0,15 = 0,0441;}

_{Si                                 = 0,0091;}

                                         _{∑= 0,0559.}

_{Переходит в сталь, кг}

_{С               0,0091 – 0,0027 = 0,0064;}

_{Сr              0,2941 – 0,0441 = 0,25;}

_{P                                           = 0,00014;}

_{S                                           = 0,00014;}

_{Fe                                         = 0,1400;}

                                            _∑=0,0559.

 

_{Требуется кислорода на окисление  примесей, кг}

_{С → СО        0,0027 ∙ 16 : 12  = 0,0036;}

_{Сr → Cr2O3    0,0441 ∙ 48 : 104 = 0,0204;}

_{Si → SiO2     0,0091 ∙ 32 : 28   = 0,0104;}

                                                         _{∑= 0,3967.}

_{Поступит  кислорода из атмосферы, кг – 0,0344}

_{Выход стали после легирования  феррохромом составит, кг}

_{95,622 + 0,3967 = 96,0187 кг}

_{Получится оксидов, кг:}

_{CO           0,010 + 0,01 = 0,023}

_{Cr2O3       0,078 + 0,168 = 0,246}

_{SiO2         0,034 + 0,039 = 0,073}

_{Выход шлака, кг: 11,958 + 0,0645 + 0,0195 = 12,045 кг}

_{Окончательный материальный баланс плавки после раскисления и легирования феррохромом составит(таб.16).}

 

_{Материальный  баланс плавки после  легирования                              Таблица 16}

Поступило, кг		Получено, кг
Стали до легирования	95,622	Стали	96,0187
Шлака до легирования	11,958	Шлака	12,045
Феррохром	0,4526	СО	0,0063
Кислорода из атмосферы	0,0344	∑	108,07
∑	108,067	невязка	0

 

_{В таблице 17 приведен конечный состав стали после легирования феррохромом.}

 

_{Состав стали  после легирования  феррохромом                                  Таблица 17}

Наименование	С	Mn	P	S	Si	Cr	Fe	∑
Металл до легирования	0,0775	1,5043	0,0294	0,0235	0,65	–	93,622	95,622
FeCr вносит	0,0064	–	0,00014	0,00014	–	0,25	0,1400	0,3967
Всего, кг	0,0839	1,5043	0,0295	0,0236	0,65	–	93,762	96,0187
%	0,0874	1,5667	0,0312	0,0246	0,6769	0,2604	97,6497	100

 

_{Полученная сталь  соответствует ГОСТ 4543–71.}

 

4 Тепловой баланс плавки

 

4.1 Приход тепла

 

 Физическое тепло  чугуна, ккал (МДж)

Q₁ = (0,178∙1200 + 52 +0, 2∙(1390 – 1200))∙72∙0,00419 = 86,16 МДж,

где  0,178 – средняя теплоемкость чугуна до температуры плавления ккал/кг;

1200 – температура плавления чугуна, ⁰С;

52 – скрытая теплота плавления чугуна, ккал/кг;

1390 – температура чугуна, при которой последний заливается в конвертер, ⁰С;

0,2 – теплоемкость жидкого чугуна, ккал/кг;

72 – доля чугуна в металлошихте, %.

 Тепло экзотермических реакций, ккал  (МДж)

С→СО2	34,1 ∙ 0,3061 = 10,438;
С→СО	10,47 ∙ 2,75 = 28,793;
Si→SiO2	31,1 ∙ 0,832 = 25,875;
Mn→MnO	7,37 ∙ 0,452 = 3,331;
P→P2O5	25 ∙ 0,20 = 5;
S→SO2	9,28 ∙ 0,00079 = 0,0073;
Fe→Fe2O3	7,37 ∙ 0,284 = 2,0931;
Fe→FeO	4,82 ∙ 1,084 = 5,2249;
Fe→Fe2O3(дым)	7,37 ∙ 1,500 = 11,055;
∑	= 91,8173 МДж.

 

 Тепло шлакообразования, ккал (МДж)

 SiO₂    2,32∙0,832·60:28 = 4,1362;

 P₂O₅   4,74∙0,20·142:62 = 2,1712;      

                                                              ∑=6,3074 МДж.

Приход тепла Q_прих = 86,16 + 91,8173 + 6,3074 = 184,285 МДж

 

4.2 Расход тепла

 

Физическое тепло стали, ккал (МДж)

      Q₁ = (0,167∙1500 + 65 + 0,2∙(1610 – 1500))∙(91,079 + 0,5 + 1,0) ∙ 0,00419 = 130,918 МДж

где  0,167 – средняя теплоемкость стали до температуры плавления, ккал/кг;

1500 – температура плавления  стали, ⁰С;

65 – скрытая теплота  плавления стали, ккал/кг;

0,2 – теплоемкость  жидкой стали, ккал/кг;

1610 – температура выпуска стали, ⁰С;

91,079 – выход стали до раскисления, кг;

0,5 и 1,0 – потери  металла с корольками и выбросами соответственно, кг.

 0,00419 – коэффициент перевода ккал в МДж.

Физическое тепло шлака 

Q₂ = (0,298 ∙ 1610 + 50) ∙ 10,72 ∙ 0, 00419 = 23,7960 МДж;

Потери тепла принимаем равными 5% от прихода

Q₃ = 184,285 ∙ 0,05 =9,214 МДж;

 Частицы Fe₂O₃ выносят тепла

Q₄ = (0,294∙1450 + 50)∙2,143∙0,00419 = 4,276 МДж

Газы уносят тепла  при средней t =1450 ^{0. С},

CO2	3,411∙0,772 = 2,6334;
CO	2,12∙5,143 = 10,9032;
H2O	2,648∙0,156 = 0,4131;
O2	2,212∙0,253 = 0,5596;
N2	2,091∙0,0225 = 0,0470;
SO3	3,411∙0,00056 = 0,0019;

                                                              ∑ = 14,5582 МДж.

Расход тепла составит:

Q_р. = 130,918 + 23,7960 + 9,527 + 4,274 + 14,5582 = 183,0732 МДж

 

Избыток тепла 184,2847 – 183,073 = 1,212 МДж.

По полученным данным составляем баланс плавки (табл.18)

 

Тепловой баланс плавки                                                                        Таблица 18

Приход тепла
	МДж	%
Физическое тепло чугуна	86,16	46,754
Тепло экзотермических  реакций	91,8173	49,824
Тепло шлакообразования	6,3074	3,423
Итого	184,2847	100
Расход тепла
	МДж	%
Физическое тепло: стали	130,918	68,71
Шлака	23,7960	12,488
Потри тепла через  футеровку и горловину	9,527	4,99
Потри тепла с частицами Fe2O3	4,2746	2,243
Потри тепла с газами	14,5582	7,640
Избыток тепла	1,212	3,922
Итого	184,285	100

Корректировка теплового баланса плавки.

Энтальпия 1 кг стали при  температуре 1610⁰С составит 1,445МДж.

В данном случае тепла недостаточно на расплавление 1,212/1,445 ≈ 0,839 кг скрапа. В данных расчетах следовало бы принять в шихте 77% чугуна и 23% скрапа.

 

5 Технология плавки

 

После выпуска металла  и шлака предыдущей плавки футеровку  конвертера осматривают и при  необходимости исправляют (например, торкретированием).

Плавка в кислородном  конверторе включает следующие периоды:

1. Загрузка лома. Стальной лом в количестве 22 % от массы металлической шихты загружают в наклоненный конвертер совками. Загрузка длится 2–4 мин. Иногда с целью ускорения шлакообразования после загрузки лома или перед ней в конвертер вводят часть расходуемой на плавку извести.

2. Заливка чугуна. Жидкий чугун при температуре 1390 °С заливают в наклоненный конвертер одним ковшом в течение 2–3 мин.

3. Продувка. После заливки чугуна конвертер поворачивают в вертикальное рабочее положение, вводят сверху фурму и включают подачу кислорода, начиная продувку. Расход кислорода составляет 43,80 м³/т. Фурму в начале продувки для ускорения шлакообразования устанавливают в повышенном положении (на расстоянии до 4,8 м от уровня ванны в спокойном состоянии), а через 2–4 мин ее опускают до оптимального уровня (1,0–2,5 м в зависимости от вместимости конвертера и особенностей технологии).

В течение первой трети  длительности продувки в конвертер  двумя–тремя порциями загружают известь; вместе с первой порцией извести, вводимой после начала продувки, дают плавиковый шпат. Для получения основности равной 3,5 общий расход извести на 100 кг шихты составляет 4,414 кг.

В течение продувки протекают  основные металлургические процессы:

а) окисление составляющих жидкого металла вдуваемым кислородом; окисляется избыточный углерод, а также весь кремний, около 70% марганца и немного (1–2%) железа. Газообразные продукты окисления углерода (СО и немного СО₂) удаляются из конвертера через горловину (отходящие конвертерные газы), другие оксиды переходят в шлак;

б) шлакообразование. С первых секунд продувки начинает формироваться основной шлак из продуктов окисления составляющих металла (SiO₂, MnO, FeO, Fe₂O₃) и растворяющейся в них извести (СаО), а также из оксидов, вносимых миксерным шлаком, ржавчиной стального лома и растворяющейся футеровкой. Основность шлака по ходу продувки возрастает по мере растворения извести;

в) дефосфорация и десульфурация. В образующийся основной шлак удаляется часть содержащихся в шихте вредных примесей – большая часть (до 90%) фосфора и немного (до 30%) серы;

г) нагрев металла до требуемой перед выпуском температуры равной 1630°С за счет тепла, выделяющегося при протекании экзотермических реакций окисления составляющих жидкого металла;

д) расплавление стального лома за счет тепла экзотермических реакций окисления; обычно оно заканчивается в течение первых 2/3 длительности продувки;

е) побочный и нежелательный процесс испарения железа в подфурменной зоне из-за высоких здесь температур (2000-2600°С) и унос окисляющихся паров отходящими из конвертера газами, что вызывает потери железа и требует очистки конвертерных газов от пыли.

4. Отбор проб, замер температуры, ожидание анализа, корректировка. Продувку необходимо закончить в тот момент, когда углерод будет окислен до нужного в выплавляемой марке стали содержания. К этому времени металл должен быть нагрет до требуемой температуры, а фосфор и сера удалены до допустимых пределов.

Окончив продувку, из конвертера выводят фурму, а конвертер поворачивают в горизонтальное положение. Через горловину конвертера отбирают пробу металла, посылая ее на анализ, и замеряют температуру термопарой. Если по результатам анализа и замера температуры параметры металла соответствуют заданным, плавку выпускают. В случае несоответствия проводят корректирующие операции: при избыточном содержании углерода проводят кратковременную додувку для его окисления; при недостаточной температуре делают додувку при повышенном положении фурмы, что вызывает окисление железа с выделением тепла, нагревающего ванну; при излишне высокой температуре в конвертер вводят охладители – легковесный лом, руду, известняк, известь и т.п., делая выдержку после их ввода в течение 3–4 мин. По окончании корректировочных операций плавку выпускают.

На отбор и анализ проб затрачивается 2–3 мин; корректировочные операции вызывают дополнительные простои конвертера и поэтому нежелательны.

Перед раскислением получаем 92,068 кг годной стали, имеющей следующий состав:

C=0,153%; Mn=0, 18%; S=0, 0135% ; P=0,0135%; и температуру выпуска 1630°С.

5. Выпуск. Металл выпускают в сталеразливочный ковш через летку без шлака; это достигается благодаря тому, что в наклоненном конвертере, у летки располагается более тяжелый металл, препятствующий попаданию в нее находящегося сверху шлака. Такой выпуск исключает перемешивание металла со шлаком в ковше и переход из шлака в металл фосфора и FeO. Выпуск длится 3–7 мин.

В процессе выпуска в  ковш из бункеров вводят ферросплавы  для раскисления и легирования. Раскисление проводим присадками ферромарганца в количестве 1,208 кг и ферросилиция в количестве 2,308 кг. Легирование проводим присадками феррохрома в количестве 1,72 кг. После раскисления и легирования получаем 96, 34 кг годной стали и окончательный состав: C = 0,187%; Mn = 0,984%; S = 0,023%; P = 0,019%; Si = 1,08%; Cr = 0,979%, что соответствует ГОСТу. В конце выпуска в ковш попадаем немного шлака (9,544кг), который предохраняет металл от быстрого охлаждения.