Выбор и расчёт технология получения стали в кислородном конвертере

II. Технологические расчеты
2.1 Расчет кислородного конвертера
Рассчитать конвертер емкостью G=100 т при продувке металла техническим кислородом (99,5 % О₂+0,5 % N₂) сверху. Шихта содержит 80 % чугуна и 20 % скрапа, состав которых и стали перед раскислением следующий:
Состав металлов Таблица 1.

	C	Si	Mn	P	S
Чугун 80 %	3,5	0,8	0,8	0,18	0,054
Скрап 20 %	0,13	-	0,53	0,041	0,056
Средний состав шихты	2,6	0,75	0,76	0,03	0,047
Сталь перед раскисление	0,1	-	0,04	0,01	0,025

Расход футеровки (периклазошпинелидный кирпич) примем равным 0,25 % массы садки.
Расчет конвертера включает:
1) расчет материального баланса;
2) расчет основных размеров конвертера;
3) расчет кислородной фурмы;
4) расчет теплового баланса.

2.2 Материальный баланс
Угар примесей определим как разность между средним содержанием элемента в шихте и в стали перед раскислением (расчет проводим на 100 кг шихты).
С................2,6 - 0,1 = 2,5 кг
Si........................... . 0,75 кг
Мn.......0,76 - 0,04 = 0,72 кг
Р……....0,03 - 0,01 =0,02 кг
S........0,047 - 0,025=0,022 кг
Fe (в дым)...______1,5 кг
Всего 5,512 кг
Принимая, что 10 % С окисляется до СО₂, а 90 % до СО, найдем расход кислорода на окисление примесей
Расход кислорода на окисление примесей Таблица 2

Расход кислорода, кг	Масса оксида, кг
C CO2…..…..0,25 ×32 ÷ 12 = 0,67	0,25 + 0,67 = 0,92
C CO……….2,25 × 16 ÷ 12 = 3	2,25 + 3 = 5,25
Si SiO2……0,75 × 32 ÷ 28 = 0,86	0,75 + 0,86 = 1,61
Mn MnO…..0,72 × 16 ÷ 55 = 0,21	0,72 + 0,21 = 0,93
P P2O5…….0,02 × 80 ÷ 62 = 0,026	0,02 + 0,026 = 0,046
S SO2 …..0,022 × 32 ÷ 32 = 0,022	0,022+0,022 =0,044
Fe Fe2O3….1,5 × 48 ÷ 112 = 0,643	1,5 + 0,643 = 2,143
Итого: 7,431	10,943

Здесь:
1-й столбец чисел - угар соответствующего элемента,
2-й - молекулярная масса кислорода в оксиде,
3-й - молекулярная масса элемента.
Для расчета количества и состава шлака принимаем, что расход боксита равен 0,6 кг (на 100 кг шихты). Обозначим расход извести через х и, заимствуя состав неметаллических материалов из таблица 3
Состав неметаллических материалов, % Таблица 3

Материал	SiО2	А12О3	Fe	Fe2O3	MnO	MgO
Железная руда	4,0	2,0	14,0	77,0	0,30	0,40
Известняк	2,0	0,3	-	0,2	-	2,00
Известь	3,5	0,5	-	0,35		3,5
Доломит обожжен.	2,0	2,0		0,30
Периклазошпинелидный кирпич	5,0	3,0	-	8,0	-	70,0
Магнезит	3,0	1,6		2,0
Магнезит, порош.	4,07	0,81		1,02		91,56
Магнезитохромит	6,0	4,0	-	10,0		66,0
Боксит	10,0	54,0	-	25,0	-	-
Плавиковый шпат	3,1	0,2	-	0,8	95 % CaF2	-
Материал	СаО	P2O5	S	Н20	CO2	Сr203
Железная руда	0,80	0,10	0,02	1,38	-	-
Известняк	53,0	0,07	0,01	0,83	41,50	-
Известь	85,0	0,10	0,13	-	6,92	-
Доломит обожжен.	55,0	-	-	2,20	2,50	-
Периклазошпинелидный кирпич	2,0	-	-	-	-	12,0
Магнезит	2,60	-	-	-	0,80
Магнезит, порош.	2,0	-	-	-	-	12,0
Магнезитохромит	1,0	0,08	0,1	9,02	0,8	-
Боксит	12,99	-	-	-	-	-
Плавиковый шпат	-	-	-	-	-	-

Для расчета количества и состава шлака принимаем, что расход боксита равен 0,6 кг (на 100 кг шихты). Обозначим расход извести через х и заимствуя состав неметаллических материалов из табл. 1, находим:

количество СаО в конечном шлаке, кг, поступающее из:
футеровки…………….0,25-0,02=0,005
боксита.......................0,60-0,01=0,006
извести..................................... 0,85 х
0,011+0,85 х

количество SiO₂ в конечном шлаке, кг, поступающее из:
металлической шихты ................ 1,61
футеровки .............0,25×0,05 = 0,0125
боксита .................... 0,60×0,10 = 0,06
извести ............... 0,035 х
1,6825+0,035 х
Задаваясь основностью шлака CaO/SiO₂=3,5, определим расход извести

Откуда х=8,06
Теперь, используя данные таблица 1, легко определить конечный состав шлака (таблица 4).
Состав шлака, кг Таблица 4

Источник	SiO2	СаО	MgO	Al2O3	Сr2O3	S	МnО	P205	Fe203
Металлическая шихта	1,61	__	__	__	__	0,018	0,933	0,053	—
Футеровка	0,0125	0,005	0,175	0,0075	0,03	—	—	—	0,02
Боксит	0,06	0,025	—	0,324	—	0,0006	—	0,0005	0,15
Известь	0,271	6,593	0,271	0,039	—	0,010	—	0,0078	0,027
Итого	1,8865	6,623	0,446	0,3705	0.03	0,0286	0,933	0,0613	0,197

В соответствии с практическими данными примем, что содержание FeO и Fе₂Оз в конечном шлаке соответственно равно 15 и 5 %. Тогда масса шлака без оксидов железа равна 80% или согласно предыдущей таблице 10,379, а общая масса шлака L_шл= 10,379/0,8= 12,974 кг.

Масса оксидов железа в шлаке равна 12,974 - 10,379 = 2,595 кг, из которых 0,649 кг Fe₂O₃ и 1,946 кг FeO.
Таким образом, состав конечного шлака следующий:

Состав конечного шлака Таблица 5

	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	Cr2O3	S	MnO	P2O5	Fe2O3	FeO
кг	1,8865	6,623	0,446	0,3705	0,03	0,0286	0,933	0,0613	0,649	1,946
%	14,54	51,05	3,44	2,86	0,23	0,22	7,19	0,47	5,00	15,00

Окислится железа, кг:
До Fe₂O₃….0,649 - 0,197=0,452
До FeO …………………..1,946
Здесь 0,197 кг—количество Fe₂O₃, поступающее из различных источников (см. выше).
Поступит железа из металла в шлак
1,946×56/72 + 0,452×112/160 = 1,514 + 0,319 = 1,833 кг.
Выход годного составит
100 – 5,512 - 0,5 - 1,0 - 1,833 = 91,15 кг,
где 5,512 — угар примесей, кг; 0,5 — количество железа, уносимого со шлаком, кг; 1,0 — потери железа с выбросами, кг; 1,833—потери железа на образование окислов железа в шлаке, кг.
- Расход кислорода на окисление железа (определяем как разность между массами окисла и исходного элемента):
(1,946 - 1,514)+ (0,649 - 0,319) =0,762 кг.
Расход кислорода на окисление всех примесей
7,431 + 0,762 = 8,193 кг.
Принимая коэффициент усвоения подаваемого в ванну кислорода равным 0,9, определим необходимое количество технического кислорода на 100 кг садки
8,193×22,4/(0,995×0,9×32) =6,4 м³.
Расход кислорода на 1 т садки равен 64 м³/т. Количество подаваемого азота равно 6,4×0,005=0,032 м³ или 0,04 кг.
Количество неусвоенного кислорода
(6,4 - 0,032) ×0,05 = 0,319 м³ или 0,455 кг.

Масса технического кислорода равна

8,193 + 0,04 + 0,455 = 8,688 кг.
Теперь можно определить состав и количество выделяющихся газов

	кг	м^3	%
CO2	0,92+0,0048+0,537=1,46	0,74	14
CO	5,25	4,2	79,44
Н2О	0,054	0,067	1,26
O2	0,354	0,247	4,67
N2	0,04	0,032	0,6
SO2	0,004	0,001	0,019
Итого	7,162	5,287	100,0

Состав и количество выделяющихся газов Таблица 6

Материальный баланс плавки Таблица 7

Поступило, кг:		Получено,кг:
Чугун	80,000	Сталь 91,15
Скрап	20,000	Потери металла со шлаком 0,500
Боксит	0,600	Потери металла с выбросами 1,000
Известь	8,06	Шлак 12,974
Футеровка	0,250	Газы 7,162
Технический O2	8,688	F2O3 (в дым) 2,143
Итого	117,597	Итого 114,929
		Невязка - 2,699