Расчет окисления примесей металлической шихты

 

Для решения этой задачи необходимо определить средний химический состав металлической шихты и остаточные содержания примесей в металле в конце продувки.

Средний химический состав металлической шихты определяется в соответствии с расходами чугуна и лома на плавку и их химическим составом. По известному расходу лома, определяется расход чугуна (G_Ч):

 

G_Ч = 100 – G_Л, кг. (7)

 

Химический состав чугуна указан в задании (Приложение 1). Химический состав металлического лома зависит от того, отходы каких марок сталей составляют лом. Часто сведения об этом носят приблизительный характер. Можно считать, что лом имеет химический состав, близкий к среднему составу сталей, выплавляемых отечественной металлургией в наибольшем количестве – низкоуглеродистых обыкновенного качества. В этом случае лом может содержать 0, 1-0, 2% С; 0, 20-0, 25% Si; 0, 4-0, 5% Mn; менее 0, 04% Р и S. Учитывая вышеизложенное, следует самостоятельно принять состав лома: [С]_Л; [Si]_Л; [Mn]_Л; [P]_Л; [S]_Л%, а данные о химическом составе чугуна и лома свести в таблицу 2.

 

Таблица 2 – Химический состав металлошихты

Материал	Химический состав, %
C	Mn	Si	P	S
Чугун жидкий
Лом металлический

 

Следует иметь в виду, что в производственных условиях вместе с жидким чугуном в конвертер попадает шлак, называемый миксерным шлаком. Миксерный шлак составляют часть доменного шлака на поверхности чугуна, материал футеровки миксеров (передвижных или стационарных), продукты окисления примесей чугуна и др. Миксерный шлак обычно содержит много кислотных оксидов и серы, поэтому является нежелательным материалом при производстве стали.

Технологией выплавки стали предусматривается удаление миксерного шлака с поверхности чугуна перед заливкой его в конвертер. Тем не менее, часть этого шлака попадает в конвертер, что необходимо учитывать при расчете плавки. Количество миксерного шлака оценивают в процентах к массе чугуна. До удаления шлака из заливочного ковша это количество составляет 0, 5-2, 0%, а после скачивания – 0, 2-1, 0% к массе чугуна. Из приведенных данных следует самостоятельно принять количество миксерного шлака, принимающего участие в формировании конвертерного шлака G_М.Ш, %. В дальнейшем расчете следует учитывать наличие миксерного шлака только при формировании конвертерного шлака, пренебрегая его влиянием на средний состав металлошихты.

Подобное замечание относится и к качеству металлического лома. Лом всегда частично окислен с поверхности и поступает в конвертер с некоторым количеством мусора: песком (основной компонент – 95% - SiO₂) и глиной (Al₂O₃). Окисленность и замусоренность лома оценивают в процентах к массе лома. Их величина обычно составляет 0, 5-2, 0% для каждой из этих характеристик качества металлического лома. Относительно небольшой расход лома на плавку позволяет пренебречь влиянием окалины и мусора в ломе при упрощенных расчетах.

С учетом вышеприведенных замечаний проводится расчет вносимых в конвертер с ломом и чугуном элементов:

 

- вносится с ломом (8)

- вносится с чугуном (9)

 

где G_[E] – количество вносимого элемента с компонентами металлошихты, кг/100 кг;

[%E] – содержание элемента в компоненте металлошихты, %.

 

По полученным данным определяется общее поступление элементов с компонентами металлошихты (химический состав металлошихты). Полученные данные сводятся в таблицу 3.

 

Таблица 3 - Определение среднего химического состава металлошихты

Компоненты металлошихты	Расход, кг	Внесено в шихту, кг
С	Si	Mn	P	S
Чугун	GЧ
Лом	GЛ
Всего в шихте		[C]Ш	[Si]Ш	[Mn]Ш	[P]Ш	[S]Ш

 

Для определения остаточных содержаний примесей в металле в конце продувки используются данные о содержание углерода в конце продувки (см. п.3) [C]_М, а также теоретические данные о поведении примесей в основных сталеплавильных процессах.

Кремний при выплавке стали в конвертере с основной футеровкой окисляется практически полностью, поэтому [Si]_М = 0%.

Марганец, фосфор и сера во время продувки частично удаляются из металла. Степень их удаления зависит от условий ведения плавки (состава шлака и металла, их температуры) и момента окончания продувки. Обычно наблюдаемые значения степени удаления элементов приведены в таблице 4.

 

Таблица 4 - Степень удаления некоторых элементов из металла при кислородно-конвертерной плавке с верхней продувкой, % [3]

Химический элемент	Степень удаления элемента при содержании углерода в металле в конце продувки, %
менее 0, 10	0, 10-0, 25	более 0, 25
Марганец	80-95	75-80	70-75
Фосфор	90-95	85-90	80-85
Сера	45-50	40-45	35-40

 

По содержанию углерода в конце продувки [C]_М = 0, 09% и данным таблицы 4 принимаются значение степени удаления марганца – Δ [Mn], %, фосфора – Δ [P], % и серы – Δ [S], %.

При расчете плавки стали для условий донной или комбинированной продувки необходимо учитывать изменения в поведении элементов. Так, при донной продувке из-за низкого содержания FeO в шлаке (5-6 %) степень окисления мар­ганца составляет 30-40 %, повышаясь только при продувке до содержаний углерода в металле менее 0, 1—0, 05 %. При ведении плавки на кусковой изве­сти концентрация фосфора и серы в металле начинает снижаться лишь при [С] < 0, 1 %, что для большинства марок является передувом. При использовании порошкообразной извести нормальный известково-железистый шлак формируется уже в начале продувки, что обес­печивает дефосфорацию при любых концентрациях углеро­да, как при верхней подаче дутья. При донной подаче дутья с порошкообраз­ной известью возрастает коэффициент распределения серы меж­ду шлаком и металлом (при В= 3-3, 5 Ls = 6-10), и доля серы, переходящей в газовую фазу (15-20%), поэтому общая степень десульфурации (переход в шлак и газовую фазу) уве­личивается и обычно составляет 50-60% (при верхней подаче дутья 30-50%).

По принятым степеням удаления элементов в процессе продувки, определяются остаточные концентрации марганца фосфора и серы в металле в конце продувки:

 

[Mn]_М = G_Mn ∙ (100 - Δ [Mn]) ∙ 0, 01, кг;

[P]_М = G_P ∙ (100 - Δ [P]) ∙ 0, 01, кг; (10)

[S]_М = G_S ∙ (100 - Δ [S]) ∙ 0, 01, кг.

 

Полученные данные по составу металлошихты и остаточным содержаниям компонентов в конце продувки заносятся в таблицу 5, после чего в таблице 5 проводится расчет окисления примесей шихты.

Количество примесей, удаляемых при продувке (g_Е), определяют по разнице между исходным их содержанием в металлошихте и остаточным в конце продувки. При определении количества окисляющегося углерода по реакциям неполного и полного горения, учитывают, что 85-90% углерода, удаляемого при продувке, окисляется до СО, а 10-15% - до CO₂.

Потребность в кислороде на реакции окисления примесей определяется в соответствии с уравнениями реакций окисления примесей:

[С] + ½ {О₂} = {СО};

[С] + {О₂} = {СО₂};

[Si] + {О₂} = (SiO₂); (11)

[Mn] + {О₂} = (МnО);

4/5[P] + {О₂} ⁼ 2/5 (P₂O₅).

 

Таблица 5 - Расчет окисления примесей шихты*

Расчетные показатели	С*1	Si	Mn	P	S*2	Всего
Всего	Окисля-ется до СО	Окисля-ется до СО2
Содержится в шихте, кг (заполняется по данным таблицы 3)	[C]Ш	-	-	[Si]Ш	[Mn]Ш	[P]Ш	[S]Ш	-
Остается после продувки, кг	[C]М	-	-	[Si]М	[Mn]М	[P]М	[S]М	-
Удаляется при продувке gЕ, кг (комментарии в тексте)
Требуется кислорода,	кг							-
м3							-
Образуется оксидов, кг	-
* – ячейки, в которых проставлен знак «-» - не заполняются

 

из выражения

(12)

 

где g_Е – количество удаляемой при продувке примеси, кг;

- количество молей реагирующих веществ в соответствии с уравнением реакции окисления, моль;

- грамм-молекулярная масса реагирующих веществ, грамм/моль.

 

Потребность в кислороде, выраженная в м³, определяется по расходу кислорода в килограммах с учетом закона Авогадо, согласно которому 1 моль любого газа занимает объем 22, 4 л (в нашем случае 1 моль кислорода, имеющий массу 32 г/моль, занимает объем 22, 4 литра). Тогда, объемный расход кислорода на реакции окисления можно найти из уравнения:

 

(13)

 

Поскольку более 90% удаляемой серы в сталеплавильных процессах переходит в шлак по реакции [FeS] + (СаО) = (CaS) + (FeO), в данном расчете рекомендуется принять, что вся удаляемая из металла сера переходит в шлак в виде CaS, пренебрегая малым количеством ее окисления до газообразных продуктов. Тогда потребность в кислороде на окисление серы не определяется, а рассчитывается количество образующегося сульфида кальция по методике, применяемой для определения количества образующихся в результате окисления оксидов (см. ниже).

Количество образующихся оксидов (ЕО) в результате удаления (окисления) примесей (Е) находят по уравнениям реакций (11) из выражения:

 

(14)

 

 

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: