Принимаем, что вместимость конвертера составляет 240 тонн, а это значит, что в конце продувки в конвертере масса жидкого металла должна быть равна 240 тонн. Так как при продувке происходит окисление элементов металла и неизбежны потери железа, то исходная масса металлических материалов, из которых получают сталь (масса чугуна и лома), должна быть больше массы жидкой стали. Определение массы каждого из металлических материалов, загружаемых в конвертер, является одной из задач расчета плавки.
Химический состав стали любой марки регламентируется стандартами или оговаривается с заказчиком и должен соответствовать установленным требованиям. В задании выплавляется IF-сталь, состав которой приведен в таблице 1.
Таблица 1 – Химический состав выплавляемой марки стали
| Марка стали | Массовая доля элементов, % | |||||
| C | Si | Mn | P | S | ||
| не более | не более | не более | не более | |||
| IF | 0,004 | 0,02 | 0,25 | 0,010 | 0,010 | |
Кроме того, следует учесть, что для осуществления безаварийной разливки на машинах непрерывного литья заготовок содержание серы и фосфора в разливаемом металле не должно превышать 0,025 и 0,015% соответственно.
Известно, что в классическом кислородно-конвертерном процессе количество лома, загружаемого на плавку, не превышает 30% от массы металлошихты (обычно 22…28%). Это обусловлено тепловым балансом плавки, когда расход лома как охладителя плавки определяется разностью приходной и расходной частей теплового баланса. При подаче холодного дутья снизу доля лома в шихте уменьшается (на 1…5% в зависимости от расхода и вида 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 IF-стали это значение не должно превышать 0,004% (по таблице 1). Но при выплавке стали в кислородном конвертере такое низкое содержание углерода получить невозможно (оно достигается при последующей ковшевой обработке стали), поэтому примем среднее содержание углерода в металле на выходе из конвертера равным 0,03%.
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).
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 (tм) равна сумме температуры начала затвердевания металла – температуры плавления (tпл) и величины перегрева металла, учитывающего потери тепла от момента выпуска металла до окончания разливки (tпер):
tм= tпл + tпер.
В этом случае температуру плавления металла можно определить по формуле:
tпл = 1539 – 80·[C]м,
где 1539 – температура плавления чистого железа, °С;
[C]м – содержание углерода в металле в конце продувки, %.
Величину перегрева металла можно выбирать в пределах, указанных в таблице 2.
Таблица 2 – Величина необходимого перегрева металла в конвертере взависимости от условий ковшевой обработки и разливки
| Условия ковшевой обработки и разливки | Величина перегрева металла |
| Разливка в изложницы сверхуРазливка в изложницы сифономНепрерывная разливка с предварительной продувкой металла в ковше инертным газомНепрерывная разливка с предварительным вакуумированием металла в ковшеНепрерывная разливка с комбинированными способами ковшевой обработки металла | 75…8590…110100…120110…130120…150 |
Для условий примера расчета [C]M= 0,03%.
Тогда tпл = 1539 – 80·0,03 = 1536,6 ºС.
Принимаем среднее значение перегрева металла, равным 120 °С (по таблице 2). В результате требуемая температура металла в конвертере в конце продувки должна быть:
tм =1536,6 + 120= 1656,6 °C.
Таким образом, в конце продувки в конвертере необходимо получить 240 тонн жидкого металла, содержащего 0,03% углерода и имеющего температуру 1656,6 °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. Их эффективность будет зависеть от того, на сколько условия конкретной плавки соответствуют условиям, при которых получены расчетные зависимости. Можно использовать следующую упрощенную формулу, полученную по усредненным параметрам для условий Магнитогорского конвертерного цеха, когда лом является единственным охладителем:
Gл = 17,85 + 4,2·([C]ч - 4,0) + 7,6·([Si]ч – 0,5) + 0,034·(tч – 1330) + 17,0·(0,12 – [С]м) + 0,049·(1650 – tм),
где Gл– расход лома на плавку, % (кг/100 кг металлошихты);
[С]ч, [Si]ч – соответственно содержание углерода и кремния в чугуне, %;
tч, tм – соответственно температура чугуна иметалла, °С.
Все величины, входящие в эту формулу, известны. Поэтому:
Gл = 17,85 + 4,2· (4,0–4,0) + 7,6· (0,6–0,5) + 0,034· (1400–1330) + 17,0·(0,12–0,03) + 0,049· (1650–1656,6) = 23%.
В качестве твердого окислителя, играющего роль дополнительного охладителя, используются окатыши. Оценим охлаждающую способность этого материала:
σто = 0,062·Fe– 0,014·(FeO)то– 0,633,
где σто – коэффициент эквивалентности твердого окислителя как охладителя
по отношению к лому, кг/кг;
Fе – содержание железа в твердом окислителе, %;
(FeO)то – содержание FeO в твердом окислителе, %.
Принимаем: Fe = 63,0%; (FeO)то= 1,0%.
Тогда σто = 0,062·63,0 – 0,014·1,0 – 0,633 = 3,26 кг/кг.
Следовательно, 1 кг окатышей по охлаждающему эффекту эквивалентен 3,26 кг лома.
На плавку расходуется 0,6% окатышей (или 0,6 кг на 100 кг металлошихты). Значит, расход лома должен быть уменьшен в соответствии с коэффициентом эквивалентности на 0,6 · 3,26 = 1,96 кг.
Таким образом, ориентировочный расход лома на плавку составит:
23 – 1,96 = 21 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 (Gч) составит:
Gч = 100 – 21 = 79 кг.
Химический состав чугуна указан в таблице 3. 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 (таблица3): [С]л= 0,1%; [Si]л = 0,2%; [Mn]л= 0,5%; [Р]л = 0,04%; [S]л – 0,04%.
Таблица 3 – Химический состав металлических шихтовых материалов
| Материал | Массовая доля элементов% | ||||
| С | Si | Mn | P | S | |
| Чугун жидкийЛом металлический | 4,00,1 | 0,60,2 | 0,70,5 | 0,150,4 | 0,0250,04 |
Следует иметь в виду, что в производственных условиях вместе с жидким чугуном в конвертер попадает 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.