Определение основных параметров технологии плавки стали конвертере с верхней подачей дутья

В этих условиях исходная концентрация элементов в металлошихте существенно  превышает их содержание в марочном составе выплавляемой стали. Поэтому удаление избытка элементов (в основном углерода) является главной задачей окислительного рафинирования в процессе продувки металла кислородом.

Продувку желательно прекратить тогда, когда достигнуто требуемое содержание углерода в металле [С]_м. Для марки 08 – это любое значение из марочного интервала 0,05...0,12% (см. таблица 1).

Однако целесообразно  ориентироваться на среднее значение из интервала: нижний предел – середина марочного интервала (0,05...0,085%). Это связано с возможностью поступления углерода в металл при раскислении ферросплавами (особенно углеродистым ферромарганцем).

При этом следует иметь  ввиду, что получение стали с содержанием углерода ближе к верхнему пределу предпочтительнее с точки зрения расхода кислорода и раскислителей, массы жидкого металла, времени продувки и других технико–экономических показателей.

Таким образом, продувка металла  в конвертере может быть закончена, когда в металле останется  такая концентрация углерода, при которой последующий ввод материалов (раскислителей и легирующих) не приведет к выходу ее за указанные маркой стали пределы.

Учитывая все вышеизложенное, выбираем [С]_м = 0,06%.

При продувке невозможно избежать практически полного окисления  кремния и большей части марганца (окисляется на 75...85%). Это значит, что  остаточные содержания кремния и  марганца окажутся в большинстве случаев меньше необходимых и потребуется вводить их в металл в виде специальных материалов (как правило, ферросплавов). При этом надо учитывать поступление в металл сопутствующих элементов (в том числе и углерода). Например, ферромарганец марки ФМн78 содержит 7,0% углерода.

В производственных условиях, если после продувки реальная концентрация углерода не соответствует расчетным  значениям, проводится коррекция: при  высокой концентрации углерода металл додувают, при низкой – в металл на выпуске вводят углеродсодержащий материал (кокс, графит и др.). Однако любая коррекция является нежелательной, так как связана с дополнительными затратами материалов, энергии, времени и труда.

Температура металла в  конце продувки зависит от содержания углерода в металле, способа ковшевой обработки и типа разливки, так как это определяет необходимый запас тепла металла для сохранения его в жидком состоянии вплоть до разливки последних порций металла. Данная температура (t_м) равна сумме температуры начала затвердевания металла – температуры плавления (t_пл) и величины перегрева металла, учитывающего потери тепла от момента выпуска металла до окончания разливки (t_пер):

 

 В этом случае температуру плавления металла можно определить по формуле:

 ,

где  1539 – температура плавления чистого железа, °С;

[С]_м – содержание углерода в металле в конце продувки, %.

Величину перегрева металла  можно выбирать в пределах, указанных  в табл. 2.

Для условий примера расчета [С]_м = 0,06%.

Тогда °С или 1535°С (определять точнее, чем ± 5°С не имеет смысла, так как точность измерения температуры в производственных условиях находится в этих пределах).

Принимаем среднее значение перегрева металла для непрерывной разливки с предварительной продувкой металла в ковше инертным газом, равным 115°С

(см. таблица 2). В результате  требуемая температура металла в конвертере в конце продувки должна быть

°С .

 

Таблица 2 – Величина необходимого перегрева металла в конвертере в зависимости от условий ковшевой обработки и разливки

Условия ковшевой обработки  и разливки	Величина перегрева металла
1. Разливка в изложницы  сверху	75... 85
2. Разливка в изложницы  сифоном	90...110
3. Непрерывная разливка  с предварительной продувкой  металла в ковше инертным газом	100...120
4. Непрерывная разливка  с предварительным вакуумированием металла в ковше	110... 130
5. Непрерывная разливка  с комбинированными способами  ковшевой обработки металла	120...150

 

Таким образом, в конце  продувки в конвертере необходимо получить 310 т жидкого металла, содержащего 0,06% углерода и имеющего температуру 1650°С.

 

3 Определение расхода лома на плавку

 

Металлический лом является важнейшим, после жидкого чугуна, исходным железосодержащим материалом конвертерной плавки. Он выполняет роль основного охладителя процесса окислительного рафинирования, благодаря которому обеспечивается необходимая температура металла. Масса лома должна определяться из условий баланса тепла конвертерной плавки. Избыток тепла процесса расходуется на переработку эквивалентной массы лома.

Однако лом вносит химические элементы, участвующие в окислительном  рафинировании, как и элементы чугуна. Поэтому величина массы лома используется в начале расчета в уравнениях баланса элементов, а правильность выбора ее может быть установлена только в конце расчета при составлении теплового баланса плавки. Критерием оценки может служить рассчитанное значение температуры металла.

Для начала расчета можно  было бы выбрать расход лома произвольно  из обычно наблюдаемого на практике интервала  значений (20...25%), провести все расчеты до определения температуры металла, сравнить ее с требуемой и вернуться к началу расчета, скорректировать величину расхода лома и расчет повторить. Успех расчета (кратность повторения) зависит от удачного первоначального выбора.

Для быстрого приближения  используют эмпирические соотношения между массой лома и различными известными параметрами плавки [3]. Их эффективность будет зависеть от того, на сколько условия конкретной плавки соответствуют условиям, при которых получены расчетные зависимости. Можно рекомендовать следующую упрощенную формулу, полученную по усредненным параметрам для условий Магнитогорского конвертерного цеха, когда лом является единственным охладителем:

где  G_л – расход лома на плавку, % (кг/100 кг металлошихты);

[С]_ч, [Si]_ч – соответственно содержание углерода и кремния в чугуне, %;

t_ч, t_м – соответственно температура чугуна и металла, °С.

Все величины, входящие в  эту формулу, известны. Поэтому

      

По заданию (п.2) в качестве твердого окислителя, играющего роль дополнительного охладителя, используются окатыши. Оценим охлаждающую способность этого материала. По формуле

_,

где   σ_то – коэффициент эквивалентности твердого окислителя как охладителя по отношению к лому, кг/кг;

Fe – содержание железа в твердом окислителе, %;

(FeO)_то– содержание FeO в твердом окислителе, %.

Известно: Fe = 60,0%; (FeO)_то = 1,5% (см. задание).

Тогда σ_то = 0,062*60 – 0,014*1,5 – 0,633 = 3,1 кг/кг.

Следовательно, 1 кг окатышей по охлаждающему эффекту эквивалентен 3,1 кг лома.

На плавку расходуется  1,5% окатышей (или 1,5 кг на 100 кг металлошихты). Значит расход лома должен быть уменьшен в соответствии с коэффициентом эквивалентности на 1,5 * 3,1= 4,6 кг.

Таким образом, ориентировочный  расход лома на плавку составит

24,5 –4,6 = 19,9 кг.

 

 

4 Расчет окисления примесей металлической шихты

 

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

Средний химический состав металлической шихты определяем в соответствии с расходами чугуна и лома на плавку и их химическим составом. Так как расход лома был определен ранее, то расход чугуна (G_ч) составит:

G_ч = 100 –19,8 = 80,2 кг.

Химический состав чугуна указан в задании. Оценим состав металлического лома. Очевидно, он 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% Мn; менее 0,04% Р и S. Принимаем (таблица 3): [С]_л = 0,1%; [Si]_л = 0,2%; [Мn]_л = 0,5%; [P]_л = 0,04%; [S]_л = 0,04%.

 

Таблица 3 – Химический состав металлических  шихтовых материалов

Материал	Массовая доля элементов, %
		С	Si	Мn	Р	S
Чугун жидкий Лом металлический	4,6 0,1	0,8 0,2	0,4 0,5	0,18 0,04	0,027 0,04

 

Следует иметь в виду, что в производственных условиях вместе с жидким чугуном в конвертер попадает шлак, так называемый миксерный шлак. Это и часть доменного шлака на поверхности чугуна, и материал футеровки миксеров (передвижных или стационарных), и продукты окисления примесей чугуна, и др. Миксерный шлак обычно содержит много кислотных оксидов и серы, а 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 шлака остается и принимает участие в формировании конвертерного шлака. Необходимо учитывать количество и состав миксерного шлака при расчетах плавки. Обычно бывает известна суммарная масса чугуна и шлака, так как их взвешивают в заливочном ковше общей массой. Поэтому 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. Для расчета принимаем G_м.ш = 0,5%.

Расход чугуна был определен  ранее, тогда расход чистого чугуна (G_чч)составит:

G_чч = G_ч – G_ч* G_м.ш/100.

Тогда G_чч=79,8 кг.

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 – SiO₂) и глиной (Аl₂О₃). Окисленность и замусоренность лома оценивают в процентах к массе лома, что составляет в пределах 0,5...2,0% для каждого. Относительно небольшой расход лома на плавку позволяет пренебречь влиянием окалины и мусора в ломе при упрощенных расчетах.

С учетом этих замечаний  расчет среднего химического состава шихты представлен в таблице 4.

Определим остаточное содержание примесей в металле в конце  продувки. Содержание углерода было установлено  ранее (п.З): [С]_м=0,06%.

 

Таблица 4 – Расчет среднего химического состава металлической  шихты

Материал	Расход, кг	Внесено в шихту, кг
		С	Si	Мn	Р	S
Чугун	80,2	3,691	0,642	0,321	0,144	0,022
Лом	19,8	0,020	0,040	0,099	0,008	0,008
Всего в шихте	100,0	3,711	0,681	0,420	0,152	0,030

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 5.

 

Таблица 5 – Степень удаления элементов (%) из металла за время продувки в кислородном конвертере

Химический элемент	Содержание углерода в  металле в конце продувки, %
	< 0,10	0,10...0,25	>0,25
Марганец Фосфор Сера	80...85 90...95 45...50	75...80 85...90 40...45	70... 75 80... 85 35... 40

Для условий примера расчета  при [С]_м = 0,06% в соответствии с данными таблицы 5 принимаем степень удаления марганца 82%, фосфора 92 и серы 47.

 

Тогда:

[Mn]_м = 0,42*(100 – 82)/100 = 0,076 кг;

[P]_м = 0,152*(100 – 92)/100 = 0,012 кг;

[S]_м = 0,030*(100 – 47)/100 = 0,016 кг

Расчет окисления примесей шихты представлен в таблице 6.

Принимаем, что 90% углерода, удаляемого при продувке, окисляется до СО, а 10% – до СО₂; остаточные содержания углерода в металле в % и кг отличаются несущественно, так как выход жидкого металла обычно составляет 90...92%. Также принимаем, что вся удаляемая из металла сера переходит в шлак, пренебрегая малым количеством ее окисления до газообразных продуктов, а пересчет в м³ производится из условия, что 32 кг кислорода занимают объем 22,4 м³.