Расчёт шихты кислородно-конвертерной плавки

«ТЕХНОЛОГИЯ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ»

Практические занятия №

Расчёт шихты кислородно-конвертерной плавки

Предварительное определение расхода стального лома

Предварительное определение расхода стального лома производится по уравнению (1), для упрощения которого принято, что выход металла (M_м) и (M_шл) после продувки составляет соответственно 90 и 15 кг на 100 кг металлошихты.

, (1)

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

– 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 расчёте принято, =0,14 %. Тогда

Дополнительные величины

Масса чугуна составит

.

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. Поэтому 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 (C_ост) и основностью шлака (B) 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]

а =2,

откуда получим, что

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: C, Mn, Si, S, P.

Удаляется примесей из металлошихты

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

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

Для условий примерного расчёта получим

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 x, y – стехиометрические коэффициенты в формулах соответствующих

оксидов;

16 – атомный вес кислорода, кг;

– атомный вес элемента-примеси, кг;

– молекулярный вес элемента-примеси, кг;

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

Для условий примерного расчёта 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 части:

Определение массы и состава шлака

Масса конечного шлака определяется по формуле:

а его состав по уравнению:

где K_i – масса соответствующего компонента в шлаке, вносимая всеми компонентами шихты, кг.

аналогично:

Баланс оксидов железа

Масса Fe₂O₃, вносимой неметаллической шихтой, определяется по уравнению:

Масса Fe₂O₃, уносимая отходящими газами, равна:

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

Расчёт количества дутья

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

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

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

б) так как чистота кислорода дутья и степень его усвоения задаются объёмными процентами, то определение массы дутья ведётся через объёмные расходы, то есть вначале определяется объём вдуваемого кислорода, а затем – масса дутья:

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

– расходы кислорода на образование соответствующих оксидов, кг;

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

Расчёт массы и состава отходящих газов

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

где Г_i – компонент отходящих газов: CO, CO₂, O₂, N₂, H₂O;

– объём компонента отходящих газов, м³;

– масса компонента отходящих газов, кг;

– масса 1 моля компонента отходящих газов, кг.

=81,51%

14,13% 1,750 кг

= 2,38 % = 0,214 кг

= 1,05% = 0,082 кг

= 0,93% = 0,047 кг

СУММА 100% СУММА 8,519 кг

Выход металла

Выход жидкого металла после продувки определяем по формуле:

где – масса железа, восстановленного из оксидов шихтовых материалов, кг;

– масса железа, перешедшего в шлак в виде оксидов, кг;

– масса корольков в шлаке, кг;

– потери железа в виде выноса и выбросов, кг.

Материальный баланс плавки

Поступило	кг	Получено	кг
Чугун, включая миксерный шлак	77,199	Жидкий металл	88,010
Стальной лом, включая загрязнённость и окалину	22,801	Шлак	17,682
Плавиковый шпат	0,360	Отходящие газы	8,.519
Футеровка	0,370	Fe2O3 дыма	2,000
Известь	9,354	Корольки	0,725
Дутья	7,248	Вынос и выбросы	0,396
ИТОГО	117,332	ИТОГО	117,332

Практические занятия №

Расчеты материальных и тепловых балансов конвертирования медных штейнов

Пример 1. Составить материальный и тепловой балансы работы конвертора при продувке 100кг штейна, содержащего 30% меди.

Штейн, содержащий 30% меди, будет содержать 4,2% О₂, 25%S и остальное железо. Примем состав кварцевого флюса: 80%SiO₂, 15%Fe₂O₃, 5% Al₂O₃, для расчета веса конвертерного шлака соотношение в нем

Fe : SiO₂ = 50 : 26 и содержание меди равно 2%. Меди в черновой меди 99%.

Решение

На 100кг штейна ориентировочно получится конверторного шлака

(100-30-25-4,2) : 0,5 = 81,6кг;

в нем будет содержаться меди

81,6 ∙ 0,02 = 1,63кг.

Учитывая еще 2% потерь в угар, в черновую медь перейдет

30 – 1,63 – (30∙ 0,02) = 27,77кг меди

и должно получиться черновой меди

27,77 : 0,99 = 28,05кг.

Для расчета флюсующей способности кварца определяем, сколько SiO₂ свяжет 10,5кг (15 : 159,6 ∙111,6) железа, содержащего в кварце:

10,5 : 50 ∙ 26 = 5,46кг SiO₂

Следовательно, флюсующая способность кварца составит

80 – 5,46 = 74,54%.

И ориентировочное количество кварца для образования 81,6кг конвертерного шлака будет

81,6 ∙ 0,26 : 0,7454 = 28,4кг.

Количество потребного воздуха берем по таблице Х.К.Аветисяна (111,8кг). На 100кг штейна потребуется воздуха по весу, без учета содержащейся в нем влаги, но с учетом использование 90%О₂:

111,8 ∙ 1,293 : 0,9 = 160,6кг,

В нем кислорода 36,9кг (23%) и азота 123,7кг (77%).

Все полученные данные сводим в таблицу материального баланса для уточнения и проверки полученных расчетом цифр (таблица 1).

Таблица 1- Материальный баланс работы конвертера, кг

Компоненты	Загружено			Итого	Получено
	штейна	кварца	воздуха		Черновой меди	шлака	угара и газов
Cu	30,0	-	-	30,	27,77	1,63	0,60
Fe	40,8	3,0	-	43,8	0,14	42,79	0,87
S	25,0	-	-	25,0	0,05	1,69	23,26
O2	4,2	1,3	36,9	42,4	0,09	12,68	29,63
N2	-	-	123,7	123,7	-	-	123,7
SiO2	-	22,7	-	22,7	-	22,25	0,45
Al2O3	-	11,4	-	1,4	-	1,4	-
Итого	100,0	28,4	160,6	289,0	28,05	82,44	178,51

Для составления этой таблицы ориентировочно принято:

1) 1% примесей в черновой меди распределяется на 0,5% железа, 0,2% S и 0,3% O₂;

2) в угар уходит около 2% шихты (Cu, Fe и SiO₂).

Вес и состав конвертерного шлака в результате уточнения очень мало изменились. Учитывая переход в угар 2,29кг (Cu, Fe и SiO₂), включая 0,37 кг O₂, связанных с железом, вес газов составляет 176,22кг и их состав, пренебрегая содержащимся в них SO₃ (точнее, считая SO₃ за смесь SO₂ и O₂) будет равен 46,52кг SO₂, 6,00кг O₂, 123,70кг N₂.

Тепловой баланс работы конвертера

На основе полученных данных можно составить ориентировочный тепловой баланс работы конвертера. Для составления этого баланса принимаем следующее.

1. Тепловой эффект основной реакции первого периода продувки штейна в конвертере:

или 2205кал на 1кг железа.

2. Тепловой эффект суммарной реакции второго периода продувки белого штейна на черновую медь:

согласно данным практики, составляет, кал:

теплота образования SO₂ ……………………..70960

вычитается теплота образования Cu₂S ………19000

тепловой эффект реакции …….. 51960

Это дает 1кг меди, перешедшей в черновую медь,

51960 : 127,2 = 408,5кал.

3. Теплоемкости штейна 0,25 и шлака 0,30 принимаем те же ориентировочные. Теплоемкость газа, для SO₂ -0,191; O₂ -0,251; N₂ – 0,272 и воздуха -0,24.

Пренебрегая некоторыми реакциями, не имеющими существенного значения (образование Fe₃O₄, SO₃ и т.д.), а также пренебрегая изменением тепловых эффектов реакции с повышением температуры, получаем ориентировочный тепловой баланс:

Приход тепла

1. Окисление и ошлакование FeS

42,79 ∙ 2205 = 94352кал (71,5%)

2. Окисление Cu₂S

27,77 ∙ 408,5 = 11344кал (8,6%)

3. Вносится горячим штейном

100 ∙ 0,25 ∙ 1000⁰ = 25000кал (19,0%)

4. Вносится воздухом

160,6∙ 0,24 ∙30⁰ = 1156кал (0,9%)

Итого ……….. 131852кал (100%)

Расход тепла

1. Уносится черновой медью

28,05 ∙ 0,11 ∙ 1100⁰ = 3394 кал (2,6%)

2. Уносится конвертерным шлаком

82,44 ∙ 0,30 ∙ 1200⁰ = 29678кал (22,6%)

3. Уносится газами:

SO₂ … 46,52 ∙ 0,191 ∙ 1200⁰ = 10662 кал

O₂ … 6,0 ∙ 0,251 ∙ 1200⁰ = 1872 кал

N₂ ….123,7 ∙ 0,272 ∙ 1200⁰ = 40376 - 52910 кал (40,2%)