Практична робота №2

Тема: Розрахунок матеріального балансу киснево-конверторної плавки.

Мета роботи: Навчитися розраховувати матеріальний баланс киснево-конверторної плавки.

При продувці рідкого чавуну технічно чистим киснем зверху застосовуються три основні способи охолоджування операції (плавки):

1) Охолоджування твердими окислювачами (залізняком, окалиною, агломератом і т.д.).

2) Охолоджування сталевим скрапом.

3) Охолоджування сталевим скрапом з добавкою невеликої кількості твердого окислювача (1-2% від маси чавуну) для прискорення процесу шлакоутворення і коректування температури металу по ходу продування.

У сучасних великовантажних кисневих конвертерах чаші застосовується третій спосіб охолоджування плавки.

Справжній зразковий розрахунок матеріального балансу киснево-конвертерної плавки складений для випадку роботи із застосуванням для охолоджування операції сталевого скрапу з невеликими добавками твердого окислювача (залізної руди) і призначений як навчальний посібник при виконанні курсових і дипломних робіт.

Розрахунок киснево-конвертерної плавки з охолоджуванням операції скрапом і рудою

Початкові дані

Таблиця №1 – Хімічний склад чавуну, скрапу, металу, перед розкислюванням і готової сталі 3 сп %

Найменування матеріалу	С	Si	Mn	P	S
Чавун передільний 80%	4,12	0,67	1,58	0,13	0,05
Скрап 20%	0,17	0,23	0,46	0,03	0,04
Метал перед розкислюванням	0,15	0	0,18	0,01	0,03
Готова сталь	0,14 – 0,22	0,12 – 0,30	0,45 – 0,65	н.б.0,04	н.б.0,05

Таблиця 2 – Хімічний склад вапно, плавикового шпату, руди і футерування %

Найменування матеріалу	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	Fe2O3	CaF2	H2O
Вапно	2.0	91.0	1.0	1.5	-	-	0.5	4.0
Плавиковий шпат	4,2	2,1	-	0,8	-	89,4	-	3,5
Залізняк	7,1	1,0	0,2	4,6	86,0	-	1,1	-
Смолодоломітовий цеглина	2,0	58,0	36,5	1,5	2,0	-	-	-

Витрата чавуну складає 80% від маси металевої шихти, витрата скрапу - 20%.

Витрата залізняку для прискорення шлакоутворення і коректування температури металу - 1,5% від маси металошихти (звичайно складає 1-2%).

Температура чавуну при заливці в конвертер 1315°С.

Температура стали перед випуском 1610°С.

Розрахунок ведемо на 100 кг металошихти (чавун + скрап). Визначаємо середній склад металевої шихти %

Для чавуна

С 80/100×4,12=3,296

Mn 80/100×0,67=0,536

Si 80/100×1058=1,264

P 80/100×0,13=0,104

S 80/100×0,05=0,040 ці дані внесемо в таблицю 3

Для скрапа

С 20/100×0,17=0,034

Mn 20/100×0,23=0,046

Si 20/100×0,46=0,092

P 20/100×0,03=0,006

S 20/100×0,04=0,008 ці дані внесемо в таблицю 3

Таблиця 3 – Визначаємо середній склад металевої шихти, кг.

	С	Mn	Si	р	s
Чавун	3,269	1,264	0,536	0,104	0,040
Скрап	0,034	0,092	0,046	0,006	0,008
Середній склад	3,330	1,356	0,582	0,110	0,048

Визначаємо скільки віддаляється домішок на 100кг металу, кг

С 3,330-0,15×0,9 = 3, 195

Mn 1,356-0,18×0,9 = 1,194

Si 0,582

P 0,110-0,01×0,9 = 0,101

S 0,048 – 0,03×0,9 = 0,021

Fe(у дим) 1,2

-------------------------------------------

Чад домішок 6,293

Вихід сталі приймаємо рівним 0,9.

Втрати заліза випаровуванням звичайно складають 0,8 – 1,6%.

Приймаємо 1,2%

Приймаємо, що при продування ванни киснем 10% S вигоряє до SO₂, тобто окислюється:

0,048 /10 = 0,0048=0,005кг сірки

Витрата кисню на окислення домішок складає, кг:

C – CO₂ 3,195 ×0.1×32/12 = 0,850

C – CO 3,195×0.9×16/12 = 3,834

Si – SiO₂ 0.582×32/28 = 0,665

Mn – MnO 1,194×16/55 = 0.347

S – SO₂ 0,005×32/32 = 0,005

P – P₂O₅ 0,101×80/62 = 0,130

Fe – Fe₂O₃ 1,200×48/112 = 0,514

6,345

Приймаємо, що 90% С окислюється до СО, а 10% до CO₂

Утворюється маса оксидів, кг

CO₂ 3,195×0,1 × 44/12 = 1,169

CO 3,195×0,9× 28/12 = 6,710

SiO₂ 0,582×60/28 = 1,247

MnO 1,194×71/55 =1,541

P₂O₅ 0,101×142/62 = 0,231

SO₂ 0,005×64/32 = 0,010

Fe₂O₃ 1,2×160/112 = 1,714

У шлак переходить сірки, кг

0,021 – 0,005 = 0,016

Під час переходу сірки в шлак звільняється кисню, кг

0,016/2 = 0,008

Витрата кисню складає, кг

6,345-0,008=6,337

Витрата вапно визначаємо по балансу СаО і SiO₂ у шлаку для отримання основності 3,2 (основність шлаку повинна складати від 2,8 до 3,5). Для формування шлаку приймаємо витрату плавикового шпату рівним 0,3 кг За даними практики вітчизняних і зарубіжних заводів витрата разжижителей звичайно складає:

а) бокситу 0,6 - 1,2%;

б) плавикового шпату 0,2 - 0,6%.

Витрата (знос) футерування коливається в межах 0,8-1,2% від маси металошихти. Приймаємо витрату футерування рівним 1,1% або 1,1 кг на 100 кг металошихти.

Витрати вапна позначимо через х.

Кількість СаО в кінцевому шлаку, що поступає з матеріалів, складе, кг

Футерування 1,1/100×58 = 0,638

Залізняк 1,5/100×1,0 = 0,015

Плавиковий шпат 0,3/100×2,1 = 0,006

Вапно х/100×91 = 0,91х

-----------------------------------------------------------

Всього 0,6593+0,91х

SiO₂ у кінцевому шлаку, що вноситься матеріалами, кг

Металева шихта 1,247

Залізняк 1,5/100×7,1 = 0,106

Плавиковий шпат 0,3/100×4,2 = 0,013

Футерування 1,1/100×2,0 = 0,022

Вапно х/100×2,0 = 0,02х

-------------------------------------------------------

Всього 1,388+0,02х

MgО в кінцевому шлаку, що вноситься матеріалами, кг

Футерування 1,1/100×1,5 = 0,0165

Залізняк 1,5/100×36,5 = 0,402

Вапно х/100×1,0 = 0,01х

---------------------------------------------------------------------

Всього 0,4185 +0,01х

Al₂O₃ у кінцевому шлаку, що вноситься матеріалами, кг

Футерування 1,1/100×1,5 = 0,0165

Залізняк 1,5/100×4,6 = 0,069

Вапно х/100×1,5 = 0,015х

Плавиковий шпат 0,3/100×0,8 = 0,0024

-------------------------------------------------------------------

Всього 0,0879 +0,05х

Fe₂O₃ у кінцевому шлаку, що вноситься матеріалами, кг

Футерування 1,5/100×86,0 = 1,29

Залізняк 1,1/100×2,0 = 0,022

-------------------------------------------------------------------

Всього 1,312

СаF₂ в кінцевому шлаку, що вноситься матеріалами, кг

Плавиковий шпат 0,3/100×89,4 = 0,2682

СО₂ в кінцевому шлаку, що вноситься матеріалами, кг

Плавиковий шпат 0,3/100×3,5 = 0,0105

Вапно х/100×4,0 = 0,04х

----------------------------------------------------------

Всього 0,0105+0,04х

Замість СаО і SiO₂ підставляємо їх значення і визначаємо витрату вапно

0,659+0,91х = 3,2(1,388+0,02х)

0,659+0,91х = 4,4416+0,064х

0,659 - 4,4416 = 0,064х - 0,91х

-3,7826 = -0,846 х

Х = -3,7826/-0,846

Х = 4,470

Металева шихта, залізняк, плавиковий шпат, вапно і футерування вносять в шлак, кг(таблиця 4).

Таблиця 4 – складові шлаку, кг

	Матеріали					Всього
	Мет шихта	Залізна руда	Футеровка	Плавиков. шпат	Вапно / Х /
SiO2	1,247	0,106	0,022	0,013	0,069	1,477
CaO	-	0,015	0,638	0,006	4,068	4,727
MgO	-	0,003	0,402	-	0,045	0,450
Al2O3	-	0,069	0,016	0,002	0,067	0,154
SiO2	0,016	-	-	-	-	0,016
MnO	1,541	-	-	-	-	1,541
P2O5	0,231	-	-	-	-	0,231
Fe2O3	-	1,29	0,022	-	-	1,312
CaF2	-	-	-	0,2682	-	0,268
∑	3,035	1,483	1,100	0,289	4,269	10,176

У вапно міститься

4,47/100×0,5=0,022 кг Н₂О

4,47/100×4,0=0,179 кг СО₂

Плавиковий шпат містить

0,3/100×3,5=0,011 СО₂

Залізняк містить

1,5/100×1,1=0,016 кгН₂О

Маса шлаку без оксидів заліза складає, кг

10,176- 1,312 = 8,864

Залежно від режиму продування, основності кінцевого шлаку і зміст “ С ” у металі в кінці продування плавки відношення FeO (у %) до Fe₂O₃ (у %) у шлаку звичайно коливається в межах 1,5 – 3,0.

Приймаємо вміст оксидів заліза в шлаку 12% FeO і Fe₂O₃ 5% , тоді маса оксидів шлаку без FeO і Fe₂O₃ буде складати 83%.

Маса шлаку рівна, кг 8,864/83 × 100=10,679

Розраховуємо хімічний склад кінцевого шлаку, кг/ перший стовпчик беремо із таблиці 4, /останній стовпчик/.

% SiO₂ 1,477 / 10,679×100 =13,83

%СаО 4,727/ 10,679× 100 =44,26

% MgO 0,450 / 10,679× 100 =4,21

% Al₂O₃ 0,154 / 10,679×100 =1,44

%S 0,016/ 10,679× 100 =0,15

% MnO 1,541/ 10,679×100 =14,43

% P₂O₅ 0,231 / 10,679× 100 =2,17

% CaF₂ 0,268 / 10,679× 100 =2,51

% FeO 12,00

% Fe₂O₃ 5,00

-------------------------------------------------------

Всього 100

Таблиця 5- Хім. склад кінцевого шлаку, %

SiO2	СаО	MgO	Al2O3	S	MnO	P2O5	CaF2	FeO	Fe2O3
13,83	44,26	4,21	1,44	0,15	14,43	2,17	2,51	12	5	100

Фактична основність кінцевого шлаку

тобто відповідає заданою (допустимо на 0,05)

Маса оксидів заліза складає

10,679-8,864=1,815 кг, зокрема

FeO = 10,679/ 100×12 = 1,281

і

Fe₂O₃ = 1,815 - 1,281 = 0,534

Приймаємо, що 90% що вноситься рудою і футеруванням Fe₂O₃ відновлюється до заліза, а 10 % - до FeO

Відновлення Fe₂O₃ до заліза дає, кг

а) кисень 1,312 × 0,9×48/160 = 0,354

б) заліза 1,312 ×0,9 - 0,354 = 0,827

Відновлення Fe₂O₃ до FeO дає, кг

а) кисню 1,312×0,1×16/160 = 0,013

б) FeO 1,312×0,1-0,013 = 0,1118

Ця кількість FeO поступає в шлак.

В результаті окислення заліза утворюється, кг

FeO 1,281 - 0,118 = 1,163

Fe₂O₃ 0,534

---------------------------------------

Всього 1,697

Окислюється заліза, кг

(1,163×56/72) + (0,534×112/160 )=0,904+0,374= 1,278

Втрати заліза у вигляді корольків металу, що заплуталися в шлаку (коливається в межах 6 – 10% від маси шлаку). Приймаємо 8%, тоді втрати складуть:

10,679/100×8 = 0,865

Вихід сталі рівний, кг

100 + 0,827 - 6,293 - 1,278 – 1,0 – 0,865 = 91,406

де 1,0 – втрати металу з викидами (коливається в межах 0,5 – 1,1% від маси металошихти);

6,293-чад домішок;

1,278 - окислюється заліза;

0,87- втрати заліза у вигляді корольків металу

0,827- відновлення Fe₂O₃ до заліза

Буде потрібно кисню на окислення заліза, кг

1,697 - 1,278 = 0,419

Всього буде потрібно кисню на окислення домішок і заліза, кг

6,337+ 0,419– (0,354+0,013) = 6,389

Приймаємо технічний кисень що містить 99,5% О₂ і 0,5% N₂ .

Буде потрібно технічного кисню при 95% засвоєнні, м³

Кількість незасвоєного кисню рівна 4,731×0,05 = 0,237 м³ або 0,237×32/22,4 = 0,338 кг

Кількість азоту рівна 4,731×0,005=0,024 м³ або 0,024×28/22,4=0,030 кг

Маса технічного кисню рівна, кг 6,389 + 0,338 + 0,030= 6,757

Таблиця 6 Склад і кількість газів

Складаючи	кг	М^3	%
1	2	3	4
СО2	1,169+0,179+0,011 = 1,359	0,692	10,86
СО	6,710	5,368	84,27
Н2О	0,022+0,016 = 0,038	0,047	0,74
О2	0,338	0,236	3,70
N2	0,030	0,024	0,38
SO2	0,010	0,003	0,05
Разом	8,485	6,370	100

Для розрахунку третього стовпчика м³ таблиці 6 необхідно:

СО₂ 1,359×22,4/44=0,692

СО 6,710×22,4/28=5,368

Н₂О 0,038×22,4/18=0,047

О₂ 0,338×22,4/32=0,236

N₂ 0,030×22,4/28=0,024

SO₂ 0,010×22,4/64=0,0035

Для розрахунку четвертого стовпчика, % таблиці 6 необхідно:

СО₂ 0,692×100/6,370=10,86

СО 5,368×100/6,370=84,27

Н₂О 0,047×100/6,370=0,74

О₂ 0,236×100/6,370=3,70

N₂ 0,024×100/6,370=0,38

SO₂ 0,003×100/6,370=0,05

Таблиця 7-Матеріальний баланс плавки

Поступило, кг		%	Одержано, кг		%
Чавуну	80,00	70,09	Стали	91,406	80,08
Скрапу	20,00	17,52	Корольків	0,850	0,74
Залізняку	1,500	1,31	металу у викидах	1,000	0,87
Плавикового шпату	0,300	0,26	Шлаку	10,679	9,36
Вапно	4,470	3,92	Газів	8,485	7,43
Футерування	1,100	0,96	Fe2O3 (у дим)	1,714	1,50
Техн.. кисню	6,757	5,92
Всього	114,127	100	Всього	114,134	100

Незв'язність що в межах допустимого.

Допустимо до 0,20%

Додаток 2

Данні для розрахунку матеріального балансу конверторної плавки

Варіант	Доля чувуну	Зміст чавуну, %					Доля скрапа	Зміст скрапа, %
		С	Мn	Si	S	P		С	Мn	Si	S	P
1	75	4,10	1,56	0,7	0,13	0,05	25	0,20	0,42	0,23	0,04	0,03
2	74	4,11	1,55	0,71	0,14	0,05	26	0,21	0,44	0,22	0.04	0,03
3	73	4,09	1,53	0,72	0,14	0,06	27	0,22	0,44	0,22	0,04	0,03
4	72	4,09	1,48	0,73	0,13	0,06	28	0,20	0.43	0,23	0,04	0,03
5	71	4,12	1,54	0,74	0,14	0,05	29	0,16	0,44	0,24	0.04	0,03
6	70	4,11	1,55	0,65	0,13	0,06	30	0,19	0,45	0,25	0,04	0,03
7	69	4,09	1,56	0,66	0,13	0,05	31	0,19	0,46	0,26	0,04	0,03
8	68	4,14	1,56	0,69	0,13	0,06	32	0,17	0,47	0,24	0,04	0,03
9	65	4,13	1,58	0,68	0,12	0,05	35	0,18	0,48	0,24	0,04	0,03
10	75	4,12	1,59	0,69	0,13	0,06	25	0,19	0,49	0,23	0,04	0,03
11	74	4,12	1,55	0,65	0,13	0,05	26	0,18	0,50	0,25	0,03	0,03
12	73	4,13	1,56	0,71	0,12	0,05	27	0,16	0,51	0,24	0,03	0,03
13	72	4,12	1,57	0,69	0,13	0,05	28	0,19	0,52	0,22	0,03	0,03
14	71	4,12	1,57	0,68	0,13	0,06	29	0,19	0,53	0,23	0,03	0,03
15	70	4,12	1,57	0,65	0,12	0,05	30	0,19	0,49	0,24	0,03	0,03
16	69	4,13	1,58	0,66	0,13	0,05	31	0,17	0,44	0,21	0,04	0,03
17	68	4,13	1,49	0,66	0,13	0,06	32	0,18	0,45	0,22	0,04	0,03
18	65	4,14	1,60	0,67	0,12	0,05	35	0,18	0,44	0,23	0,04	0,03
19	75	4,14	1,58	0,68	0,13	0,05	25	0,18	0,44	0,23	0,04	0,03
20	74	4,15	1,56	0,69	0,13	0,05	26	0,19	0,45	0,25	0,04	0,03
21	73	4,15	1,55	0,69	0,12	0,05	27	0,18	0,45	0,23	0.04	0,04
22	72	4,16	1,55	0,68	0,13	0,06	28	0,18	0,46	0,23	0,041	0,04
23	71	4,16	1,60	0,66	0,12	0,05	29	0,18	0,46	0,22	0,042	0,04
24	70	4,17	1,55	0,67	0,13	0,05	30	0,17	0,46	0,23	0.043	0,04
25	69	4,15	1,55	0,68	0,13	0,06	31	0,18	0,46	0,24	0,044	0,04

Додаток 3

Масовий зміст елементів у сталі

Варіант	Марка сталі	Масовий зміст елементів у готовій сталі
		С	Мп	Si	S	Р
					не більш	не більш
1	Зсп	0,14- 0,20	0,40-0,65	0,15-0,30	0,050	0,040
2	5сп	0,28-0,37	0,50-0,80	0,20-0,40	0,050	0,040
3	10	0,07-0,14	0,35-0,65	0,17-0,37	0,040	0,035
4	20	0,17-0,24	0,35-0,65	0,17-0,37	0,040	0,035
5	А515-6	0,14-0,21	0,60-0,90	0,15-0,40	0,035	0,035
6	А36	0,15-О,20	0,85-1,15	0,17-0,37	0,040	0,040
7	St 37-2	0,12-0,17	0,40-0,60	0,15-0.30	0,035	0,035
S	St44-2	0,15-О,20	0,40-0,60	0,10 -0,25	0,040	0,040
9	15Г	0,12-0,19	0,70-1,00	0,17-0,37	0,035	0,035
10	St 52-3	0,15-0,20	1,2-1,60	0,35-0,55	0,030	0,035
11	17ГС	0,14-0,20	1,00-1,40	0,40-0,60	0,030	0,030
12	А	0,17-0,21	0,40-1,00	0,15-0,30	0,040	0,040
13	Е	0,13-0,18	0,70-1,40	0,15-0,30	0,040	0,040
14	D40	0,12-0,18	0,90-1,60	0,15-0,30	0,035	0,035
15	А 572-50	0,14-0,20	0,85-1,25	0,15-0,40	0,050	0,040
16	А 516-55	0,12-0,18	0,60-0,90	0,15-0,40	0,035	0,035
17	А 516-70	0.14-0.22	0,85-І,21	0,15-0,40	0,035	0,035
18	АВ/ЕН	0,12-0,18	1,20-1,60	0,17-0,50	0,040	0,040
19	А 572-65	0,14-0.23	0,90-1,30	0,15-0,40	0,050	0,040
20	А 572-60	0,14-0,25	0,90-1,30	0,15-0,40	0,050	0,040
21	А 572-42	0,14-0,20	0,85-1,25	0,15-0,40	0,050	0,040
22	LRA	О,14-0,22	0,30-0,60	0.17-0.37	0,030	0,040
23	ЗПС	0,14-О,22	0,40-0,65	0,05-0,17	0,050	0,040
24	SS400	0.14-0.22	0.40-0.60	0,17-0,37	0,030	0,030
25	30	0,27-0,35	0,50-0,80	0,17-0,37	0,040	0,035