Материальный и тепловой баланс кислородно-конвертерной плавки

Поведение железа и выход годного металла

В кислородно-конвертерном процессе, как в любом другом сталеплавильном процессе, в зависимости от периода плавки возможно как окисление, так и восстановление железа. Во время присадки твердых окислителей происходит восстановление железа в первую очередь углеродом металла по реакции Fe₂O₃ + 3[С] = 3{СО} + 2[Fe]. В период интенсивного формирования шлака в начале и конце плавки (при [С] < 0,1%) железо окисляется.

Если рассматривать плавку в целом, то в кислородно-конвертерных процессах наблюдается окисление железа, так как обычно присаживаемое количество оксидов железа в виде твердых окис­лителей (< 1 % от садки) меньше их количества, необходимого для формирования шлака (2-3%), поэтому неизбежные потери железа в результате его окисления и перехода в шлак обычно составляют 0,7-1,5%. Если плавка в целях возможно большей переработки лома ведется без твердых окислителей, то потери железа в результате его окисления повышаются до 1,5-2,0%. Кроме того, же­лезо испаряется и уносится газами в виде частичек Fе₂О₃ бурого цвета. Средний выход газа в кисло­родных конвертерах составляет - 70 м³/т, а среднее содержание в нем пыли (в основном оксиды железа) 100-150 г/м³, следователь­но, потеря железа в результате испарения в среднем составляет 1-1,5 от массы металла и уменьшаются при сокращении длительности продувки.

Часть железа теряется с корольками железа шлака. Содержание корольков железа в шлаке неиз­бежно и в конечном конвертерном шлаке колеблется в пределах 2-5%. Нижний предел относится к случаям выплавки низкоуглеро­дистой стали (< 0,1% [С] жидкий высокозакисный шлак), верхний - высокоуглеродистой (>0,5% [С] низкоокисленный шлак). Количество шлака 11-16%, поэтому потери с король­ками составляют > 0,5%.

Вынос мелких капель металла отходящими газами наблюдается в начале продувки, когда поверхность металла не защищена шлаком и усиливается при приближении фурмы к поверхности ванны. В связи с этим следует обеспечивать раннее образование шлака. Общие потери металла с выбросами и выносом составляют в среднем около 1 %.

В целом общие потери железа при плавке стали в конвертерах с верхней подачей дутья обычно 3-4%, но могут достигать >5%, если продувка и шлакообразование протекают не в оптимальном режиме.

Кроме железа в процессе продувки окисляется весь кремний, большая часть углерода и марганца чугуна. Выход жидкой стали (выход годного) при кислородно-конвертерном процессе с учетом всех потерь составляет 88—90 %от массы металлической шихты.

Материальный баланс. В оптимальном случае, когда выход металла максимален (90%), а расход чугуна минимален (74%), расход чугуна на 1 т жидкой стали составляет (74:90) х 1000 = 822 кг. Учитывая, что жидкий чугун поступает с некоторым количеством доменного (миксерного) шлака, лом обычно содержит мусор и при разливке неизбежна некоторая потеря металла, для рассматрива­емого случая минимальный фактический расход чугуна составляет ~ 830 кг/т и расход металлошихты (чугуна и лома) 1140-1150 кг/т литой стали. При плавке стали в мартеновских печах расход на 1 т литой стали металлошихты <1135 кг, а расход чугуна может быть снижен до < 500 кг. Таким образом, кислородно-конвертерный процесс отличается от мартеновского не только высоким потребле­нием чугуна, но и металлошихты в целом, т. е. большей емкостью главных видов материальных ресурсов.

Тепловой баланс. Сталь, выпускаемая из конвертера, должна быть нагрета до температуры 1600—1650 °С, в то время как заливаемый в кислород­ный конвертер чугун обычно имеет температуру 1250—1400 °С. Источником тепла для нагрева стали со шлаком, а также для воспол­нения потерь тепла с отходящими газами и через кожух конвертера является тепло, выделяющееся при окислении примесей чугуна.

Расчеты теплового баланса и практика показывают, что общее количество тепла, выделяющегося при окислении примесей чугуна при любом его составе, значительно превышает потребность в тепле для нагрева стали и шлака до температуры выпуска и для компен­сации теплопотерь. В связи с этим при кислородно-конвертерной плавке обязательно применение охлаждающих добавок. Их коли­чество определяется температурой чугуна, содержанием в нем крем­ния и других примесей, а также темпом работы конвертера, поскольку при удлинении пауз между продувками возрастают потери тепла в результате охлаждения конвертера.

В качестве охладителей можно использовать железную руду, стальной лом, агломерат, железо­рудные окатыши, известняк, доломит, известково-рудные брикеты.

Обычно в качестве охладителя применяют стальной лом. Избыточное тепло процесса расходуется при этом на его нагрев и расплавление (1420 кДж на 1 кг лома); расход лома доходит до 25—28 % от массы металлической шихты. Увеличение расхода лома снижает себестоимость стали, а также вызы­вает повышение выхода годного, так как лом содержит меньше, чем чугун примесей, окисляющихся при продувке. Достоинством лома считается также то, что он вносит мало вредных примесей, то есть не требует повышения расхода шлакообразующих.

Недостатком лома является то, что его завалку производят в на­чале плавки, в то время как выделение тепла происходит в течение всей продувки. В связи с этим начало продувки получается «холод­ным». Недостатком считают и то, что его охлаждающее воздействие не затрагивает непосредственно зоны максимальных температур в конвертере — подфурменной реакционной зоны, поскольку лом находится под слоем жидкого чугуна. Затраты времени на загрузку лома и возможность повреждения кусками лома футеровки конвертера также является недостатком этого охладителя.

Железная руда как охладитель применяется сравнительно редко. При использовании руды избыточное тепло расходуется на ее нагрев и восстановление железа из окислов; восстановленное железо несколько повышает выход годной стали. Охлаждающее воздействие руды в 3,0—3,8 раза выше охлаждающего воздействия равного коли­чества лома; расход руды доходит до 8 %.

По сравнению с ломом руда как охладитель имеет ряд преиму­ществ: она обеспечивает охлаждение высокотемпературной подфурменной зоны; для загрузки руды не требуется останавливать продувку; содержащиеся в руде окислы железа ускоряют раство­рение в шлаке извести, т. е. ускоряют шлакообразование; наличие кислорода в руде снижает (на 10—15 %) расход газообразного кислорода.

Недостатки руды. Она вносит в шлак много SiO₂, в связи с чем возрастает расход извести и количество шлака, что обычно вызывает уменьшение выхода годного. Кроме того, при большом расходе руды на плавку (> 5— 6 %) и ее введении одной порцией возрастает количество выбросов и снижается выход годного металла.

Применение в качестве охладителей агломерата, окатышей и бри­кетов оказывает такое же охлаждающее действие как и железная руда.

Основной причиной использо­вания лома, а не руды в качестве охладителя является то, что лом заменяет значительное количество дорогостоящего чугуна.

При использовании в качестве охладителей известняка и доло­мита тепло расходуется на разложение содержания в них CaCO₃ и MgCO₃. Охлаждающая способность доломита и известняка близки к охлаждающей способности руды. Редкое использование этих охладителей связано с тем, что они не увеличивают выход годного металла.