5. 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 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 – 22,7 = 77,3 кг.

Химический состав чугуна указан в задании. 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.

Принимаем следующий состав лома: [С]_Л = 0,1%; [Si]_Л = 0,2%; [Mn]_Л = 0,5%; [P]_Л = 0,04%; [S]_Л = 0,04%. Данные о химическом составе чугуна и лома сведены в табл. 3.

Таблица 3 – Химический состав металлошихты

Материал	Химический состав, %
	C	Mn	Si	P	S
Чугун жидкий	4,5	0,2	0,7	0,10	0,030
Лом металлический	0,1	0,5	0,2	0,04	0,040

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. Для расчета принимаем G_М.Ш = 0,5%. В расчете будем 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 этих замечаний расчет среднего химического состава шихты представлен в табл. 4.

Таблица 4 - Определение среднего химического состава металлошихты

Компо-ненты	Расход, кг	Внесено в шихту, кг
		С	Si	Mn	P	S
Чугун	77,3	77,3 ∙ 4,5 ∙ ∙ 0,01 = 3,479	77,3 ∙ 0,7 ∙ ∙ 0,01 = 0,541	77,3 ∙ 0,2 ∙ ∙ 0,01 = 0,155	77,3 ∙ 0,1 ∙ ∙ 0,01 = 0,077	77,3 ∙ 0,03 ∙ ∙ 0,01 = 0,023
Лом	22,7	22,7 ∙ 0,1 ∙ ∙ 0,01 = 0,023	22,7 ∙ 0,2 ∙ ∙ 0,01 = 0,045	22,7 ∙ 0,5 ∙ ∙ 0,01 = 0,114	22,7 ∙ 0,04 ∙ ∙ 0,01 = 0,009	22,7 ∙ 0,04 ∙ ∙ 0,01 = 0,009
Всего в шихте	100	3,501	0,587	0,268	0,086	0,032

Определим остаточное содержание примесей в металле в конце продувки. Содержание углерода было установлено ранее (см. п.3) [C]_М = 0,09%. 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 табл. 5.

Таблица 5 - 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

Для условий примера расчета при [C]_М = 0,09% в соответствии с данными табл. 5 принимаем степень удаления марганца 82%, фосфора – 92% и серы – 47%. 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%).

В рассматриваемом примете остаточные концентрации марганца фосфора и серы в металле в конце продувки составят:

[Mn]_М = 0,268 ∙ (100 - 82) ∙ 0,01 = 0,048 кг;

[P]_М = 0,086 ∙ (100 - 92) ∙ 0,01 = 0,007 кг;

[S]_М = 0,032 ∙ (100 - 47) ∙ 0,01 = 0,017 кг.

Расчет окисления примесей шихты представлен в табл. 6.

Таблица 6 - 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	3,501			0,587	0,268	0,086	0,032
Остается после продувки, кг	0,090			0,0	0,048	0,007	0,017
Удаляется при продувке, кг	3,411	3,411 × × 0,9 = = 3,070	3,411 × × 0,1 = = 0,341	0,587	0,220	0,079	0,015	4,314
Требуется кислорода, м3 кг		3,070 × × 16/12 = = 4,093	0,341 × × 32/12 = = 0,910	0,587 × ×32/28 = = 0,670	0,220 × ×16/55 = = 0,064	0,079 × ×80/62 = = 0,102	-	5,840
		2,865*3	0,637*3	0,469*3	0,045*3	0,072*3	-	4,088
Образуется оксидов, кг		3,070 × × 28/12 = = 7,164	0,341 × × 44/12 = =1,251	0,587 × ×60/28 = = 1,257	0,220 × ×71/55 = = 0,284	0,079 × ×142/62 = = 0,182	0,015 × ×72/32= =0,034*2	10,17

^*1 – принимаем, что 90% углерода, удаляемого при продувке, окисляется до СО, а 10% - до CO₂: остаточные содержания углерода в металле в % и в кг отличаются несущественно, так как выход жидкого металла обычно составляет 90-92%.

^*2 – принимаем, что вся удаляемая из металла сера переходит в шлак в виде CaS, пренебрегая малым количеством ее окисления до газообразных продуктов.

^*3 – пересчет в м³ производится из условия, что 32 кг кислорода занимают объем 22,4 м³.