Материальный и тепловой баланс кислородно-конвертерной плавки
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.
Роль отдельных составляющих чугуна в общем приходе тепла можно оценить по результатам расчета теплового баланса конвертерной плавки.
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, поскольку лом дешевле чугуна, 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. В связи с этим при работе с рудой во избежание резкого повышения окисленности шлака руду обычно вводят в конвертер несколькими сравнительно небольшими порциями по ходу продувки.
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.