3.2 Расчет процесса десульфурации стали в ковше твердой шлакообразующей смесью

Содержание серы в качественной и высококачественной стали должно составлять в пределах 0,020 – 0,025 %, а для некоторых марок стали – не более 0,010 и даже 0,003 %.

Десульфурация стали протекает при наличии основных шлаков. Реакция десульфурации описывается уравнением:

(СаО) + [S] = (CaS) + [O]

Для обработки металла обычно используют базовую твердую шлакообразующую смесь (ТШС), присаживаемую под струю металла при выпуске его из сталеплавильного агрегата в ковш. При соблюдении рациональных технологических параметров обработки металла быстро формируется жидкоподвижный шлак с высокой десульфурирующей способностью, обеспечивающий содержание серы в стали на уровне 0,010 – 0,015 %. Химический состав шлака может быть различным (см. таблицы 6 и 7).

Таблица 6 – Рекомендуемый химический состав рафинировочного шлака для сталей, раскисленных алюминием

	CaO	SiO2	MgO	Al2O3	FeO	MnO
% вес	58–62	8–10	6–8	20–25	<0,5	0,13–0,15

Таблица 7 – Рекомендуемый химический состав рафинировочного шлака для не раскисленных алюминием сталей

	CaO	SiO2	MgO	Al2O3	FeO	MnO	CaF2
% вес	58–62	8–10	6–8	5–8	<0,5	0,13–0,15	5–10

Также в качестве ТШС может использоваться смесь извести и плавикового шпата в соотношении (3–4):1

Для формирования в ковше низкоокисленного высокоосновного шлака оптимальный расход ТШС составляет 8–10 кг/т.

Расчет процесса десульфурации стали выполняется на основе балансового уравнения распределения серы между металлом и рафинировочным шлаком [8]:

или

,

и, наконец,

,

где – масса металла в ковше, т;

– масса рафинировочного шлака в ковше, т;

– содержание серы в металле до и после обработки в ковше, %;

– кратность шлака;

– коэффициент распределения серы между шлаком и металлом.

При этом степень десульфурации η_s равна:

Уравнение, связывающее оба показателя эффективности процесса десульфурации и , имеет вид:

Уравнение для расчета коэффициента распределения серы в зависимости от температуры, основности рафинировочного шлака и активности кислорода в металле имеет вид:

где (CaO), (Al₂O₃), (SiO₂), (MgO) – содержание оксидов в рафинировочном шлаке %;

– коэффициент активности серы, растворенной в

металле,

а₀ – активность кислорода, растворенного в металле, %;

Т – температура металла, К.

При использовании для раскисления металла марганца, кремния и алюминия значение а₀ определяется содержанием алюминия, как наиболее сильного элемента раскислителя.

Значение а₀, равновесное с алюминием, определяется по формуле:

,

где – содержание алюминия и кислорода в металле, %.

При этом активность кислорода составляет:

Пример. Выполнить расчет обработки стали марки 15ХСНД ТШС следующего химического состава: 60 % CaO, 10 % SiO₂, 24 % Al₂O₃, 6 % MgO при расходе 10 кг/т. Температура металла на выпуске 1610ºС.

Состав печного шлака (только оксиды, влияющие на коэффициент распределения серы): 68 % CaO;

8 % MgO;

21 % SiO₂;

3 % Al₂О₃.

Принимаем, что в ковш попадает 3 кг/т печного шлака. Расчет количества оксидов, образующихся при раскислении стали, приведен в таблице 8.

Изменение состава рафинировочного шлака в ковше представлено в таблице 9.

Таблица 8 – Количество оксидов, образующихся при раскислении стали (расчет на 1 тонну стали).

Элемент	Концентрация в стали, %	Угар элемента, %	Введено в сталь, %	Образуется оксидов, кг
Мn	0,60	0,11	0,71	1,42
Si	0,60	0,15	0,75	3,21
Cr	0,80	0,09	0,89	1,32
Аl	0,03	0,12	0,15	2,27
Итого	-	-	-	8,22

Таблица 9 – Изменение состава рафинировочного шлака

Материал	Кол-во, кг	Состав шлака, кг
		Cr2O3	CaO	Al2O3	SiO2	MgO	MnO
ТШС	10	-	6,0	2,4	1,0	0,6	-
Оксиды-продукты раскисления	8,22	1,32	-	2,27	3,21	-	1,42
Печной шлак	3	-	2,04	0,09	0,63	0,24	-
Футеровка ковша	0,2	-	0,01	-	-	0,19	-
Итого	21,42	1,32	8,05	4,76	4,84	1,03	1,42
Состав конечного рафинировочного шлака, %	100	6,2	37,6	22,2	22,5	4,8	6,7

Для ковша с периклазоуглеродистой футеровкой =10^-14 из выражения =[Al]²[O]³ при [Al]=0,03%, найдем степень раскисления металла а₀:

lga₀ = - 3,65. Коэффициент активности серы, растворенной в металле, можно принять равным 1 (lgf_s = 0)

L_s = 10^1,856 = 72

или 59%,

где  − коэффициент кратности шлака,

Определим конечное содержание серы в металле после обработки твердой шлакообразующей смесью:

: