Теоретические основы металлургического производства
  11.2 Влияние тепловых эффектов реакции окисления углерода на организацию плавки

Имея сведения о тепловых эффектах реакции окисления углерода, можно рассчитать изменение температуры ванны в идеальных условиях, которые предполагают, что ванна не обменивается теплом с окружающей средой и в ней не протекают другие процессы, кроме окисления углерода. При соблюдении этих условий изменение энтальпии металла и шлака связано только с тепловыми эффектами реакции обезуглероживания.

К идеальным условиям близки условия конца плавки в кислородных конвертерах при выплавке стали с содержанием углерода не менее 0,15 – 0,2%. При этом металл и шлак представляют собой жидкие фазы и отсутствуют эндотермические процессы плавления шиты, а при высокой скорости окисления углерода потери тепла в окружающую среду малы в сравнении с тепловым эффектом реакции обезуглероживания.

В этом случае изменение температуры ванны можно оценить по формуле, полученной из теплового баланса, составленного на 100 кг металла

Результаты оценки изменения температуры ванны при окислении 1% углерода в идеальных условиях представлены в таблице 11.1. В расчетах среднее содержание CO2 в продуктах реакции окисления углерода принято равным 10%.

Таблица 11.1 – Изменение температуры ванны при окислении 1% углерода в идеальных условиях

Изменение температуры ванны при окислении 1% углерода в идеальных условиях

Приведенные в таблице сведения о возможном изменении температуры ванны при окислении 1% углерода в различных условиях позволяют сделать некоторые практически важные выводы.

  1. При обезуглероживании металла продувкой холодным кислородом окисление 1% углерода в идеальных условиях должно сопровождаться нагревом ванны на 115оС.
  2. В реальном кислородно-конвертерном процессе вследствие малой про-должительности продувки потери тепла в окружающую среду малы, но плавление лома обычно продолжается почти до конца плавки. Поэтому в середине продувки, когда основное количество вдуваемого в ванну кислорода расходуется на окисление углерода, рост температуры ванны при окислении 1% углерода не превышает 80 – 90оС.

    При окислении 1% углерода температура плавления металла увеличивается на 75 – 95оС в зависимости от его концентрации. Поэтому при обезуглероживании металла продувкой холодным кислородом температура ванны увеличивается, но перегрев металла над температурой плавления остается практически неизменным.

    Это означает, что при выплавке стали в кислородных конвертерах достаточный для нормального проведения операций выпуска и разливки стали перегрев металла должен быть создан в начальном периоде продувки до начала интенсивного обезуглероживания. С этой целью в составе передельного чугуна необходимо наличие оптимального количества кремния, марганца и других примесей, окисление которых в начальном периоде продувки позволит создать необходимый перегрев металла над температурой плавления.

  3. При обезуглероживании металла с использованием воздушного дутья значительное количество тепла расходуется на нагрев вдуваемого в ванну азота. В этих условиях возможное увеличение температуры металла в результате окисления 1% углерода приблизительно в два раза меньше, чем повышение температуры его плавления.
  4. Поэтому при выплавке стали в конвертерах воздушного дутья в начальном периоде продувки требовалось создать значительно больший перегрев металла над температурой плавления, чем при плавке в кислородных конвертерах. С этой целью, например, для производства стали в бессемеровских конвертерах выплавлялся чугун с содержанием кремния 3 – 3,5%. Окисление большого количества кремния в начальном периоде продувки давало возможность нагрева металла до температуры выпуска при минимальном количестве металлического лома в шихте.

  5. При обезуглероживании ванны с использованием твердых окислителей окисление 1% углерода в идеальных условиях должно сопровождаться охлаждением металла на 180оС.
  6. Для окисления 1% углерода необходим расход железной руды в количестве 6% от массы металла. Следовательно, в идеальных условиях присадка в ванну 1% железной руды должна сопровождаться охлаждением ее на 30оС. В реальной плавке при наличии источника тепла в рабочем пространстве сталеплавильного агрегата эта величина может быть несколько меньше.

    Обычно при доводке плавки в крупных мартеновских печах перегрев металла над температурой плавления не превышает 50 – 70оС. Поэтому масса одновременной присадки твердых окислителей не должна превышать 2% от массы металла. На практике ее обычно ограничивают 1 – 1,5%.

  7. При обезуглероживании мартеновской ванны присадками твердых окислителей непосредственно перед подачей очередной порции окислителя металл перегрет над температурой плавления на 50 – 70оС. После ввода железной руды температура ванны несколько понижается и следующая порция железной руды может быть подана только спустя некоторое время, которое требуется для восстановления исходной величины перегрева металла. После присадки окислителя температура ванны снова понизится и т.д. Поэтому при обезуглероживании металла присадками твердых окислителей, происходит некоторое повышение температуры ванны, но перегрев металла над температурой плавления обычно не превышает 50 – 70оС.
  8. Для нормального выполнения операций выпуска, внепечной обработки и разливки стали перегрев металла должен составлять 100оС и более. По этой причине доводка плавки в мартеновских печах при использовании твердых окислителей делится на два самостоятельных периода: полировку (рудное кипение) и чистое кипение.

    В периоде рудного кипения ванну обрабатывают присадками железной руды, окисляя основное количество избыточного углерода. При повышенном содержании серы и фосфора в металле одновременно проводят обновление печного шлака.

    Задачей периода чистого кипения является нагрев металла до температуры выпуска. Обычно он начинается, когда содержание углерода в металле превышает марочное на 0,15 – 0,2%. В периоде чистого кипения присадки в ванну твердых окислителей не проводятся. Кипение ванны происходит только за счет поступления кислорода из газовой фазы печи. Это позволяет к моменту снижения концентрации углерода в металле до уровня, предусмотренного маркой выплавляемой стали, достичь необходимого перегрева металла над температурой плавления.

  9. Обезуглероживание металла за счет поступления горячего кислорода из газовой фазы сталеплавильного агрегата сопровождается выделением большого количества тепла и в идеальных условиях должно сопровождаться значительным нагревом ванны.
  10. Однако, в реальных процессах скорость обезуглероживания металла за счет поступления кислорода из газовой фазы печи мала, а количество выделившегося при обезуглероживании тепла обычно не позволяет компенсировать тепловые потери сталеплавильного агрегата. Поэтому использование этого способа обезуглероживания возможно только при наличии в рабочем пространстве агрегата факела, электрической дуги или других источников тепла.

  11.2 Влияние тепловых эффектов реакции окисления углерода на организацию плавки
РЕКЛАМА НА САЙТЕ

КНИГИ ПО МЕТАЛЛУРГИИ