Все о металле, его обработке и переработке
Партнеры
  • .

4.1.6. Тепловая сторона бессемеровского процесса

По ходу продувки температура металла повышается на 300— 400 °С. Приходная часть баланса тепла бессемеровской плавки име­ет три источника: химическое — экзотермических реакций, физи­ческое — тепло чугуна и футеровки конвертера. Расходная часть баланса тепла включает его затраты на нагрев металла, шлака, фу­теровки и отходящих газов.

Чугун с ^чуг^Э= 1350 0C называют физически горячим, а с Цт^ ^1250°С — физически холодным; при [Si]4>-r^ 1,5 % и [Si]4yr=?S =SC 1 такой чугун является соответственно химически горячим и хи­мически холодным. По балансу тепла физически горячий, но хи­мически холодный чугун равноценен физически холодному, но хими­чески горячему. Однако в первом случае степень использования кислорода дутья, производительность и качество стали выше, а угар металла меньше. При очень низкой температуре чугуна про­цесс вообще неосуществим, примеси металлической ванны медлен­но окисляются, горит в основном железо, даже в случае, когда сум­ма физического и химического тепла достаточна.

Для расчета используемого ванной тепла химических реакций необходимы суммарные схемы взаимодействия кислорода воздуха с элементами металла. В приведенные ниже схемы включен и азот дутья. В химических реакциях он не участвует, но уносит из ванны конвертера огромное количество тепла. Коэффициент 3,762 л; ^ 79 : 21 означает отношение молярных (или объемных) концент­раций азота и кислорода в воздухе. При продувке чугуна воздухом протекают следующие суммарные реакции (справа указаны теп­ловые эффекты, МДж/кмоль O2, при 7 = 298 К):

Si + O2 + 3,762N2 = SiO2 + 3,762N2 + 864,6;

2Mn + O2 + 3,762N2 = 2Mn0 + 3,762N2 + 774,2; 2Fe + O2 + 3,762N2 = 2Fe0 + 3,762N2 + 539,9; 2C + O2 4- 3,762N2 = 2C0 — f 3,762N2 + 221 ; C + O2 + 3,762N2 = CO2 + 3,762N2 + 393,6.

Известное уравнение Кирхгофа, по которому определяется теп­ловой эффект реакции, применимо лишь при одинаковой темпера­туре ее исходных веществ и продуктов. Для условий реакции в бессемеровской ванне передаваемое ей количество тепла находит­ся по другому уравнению. В последнем учитывается равенство ре­зультативного теплового эффекта окисления элемента кислородом воздуха Qt алгебраической сумме теплового эффекта при комнат­ной температуре Q2g8, теплосодержания исходных веществ с учетом тепла, затраченного +QpacTE или выделенного —QpacTB в процессе растворения элемента в железе, тепла шлакообразования Qm и теп­лосодержания (со знаком минус) продуктов реакции при темпера­туре ванны T:

TOC \o "1-3" \h \z T 340

Qr = Q298 + J псе DT ± Qpacxfl + J (Co2 + 3,762сIVJdT +

298 298

T T

+ Qm — I псео dT — 3,762 J Cn2 dТ, (4.1)

298 298

Где Ce, Co2, Cn2 и сЕо — атомная теплоемкость окисляемого элемен­та, молярная теплоемкость О2, N2 и полученного окисла EO соот­ветственно; п — стехиометрический коэффициент в уравнении ре­акции.

Подъем температуры при окислении 1 % элемента можно рас­считать по уравнению

A T= qyJ{ IOOch — j — TTlxslCm — f — tfZa. фут ^a. фут • (4.2)

Здесь qyn — удельное количество тепла реакции, используемого на нагрев ванны, кДж/кг окисляемого элемента; mm и та. фут — масса шлака и активного слоя футеровки, кг/100 кг металла (в бессеме­ровском процессе тш = 6—8 %; та. фут = 8—10 %); см, Cm и Са-фут — средняя теплоемкость металла, шлака и футеровки при температуре ванны, кДж/(кг-К).

Из табл. 4.1 видно, что главным источником химического тепла в бессемеровском процессе является тепло окисления кремния. Роль тепла других реакций значительно меньше, но все же существенна. При окислении углерода с образованием CO2 и кремния получается почти одинаковое qyR. Однако по термодинамическим условиям при [С] ^0,05 % окисление углерода протекает преимущественно с об­разованием СО.

С повышением температуры qyjl и АТ\% снижаются, что объяс­няется в основном увеличением потерь тепла на нагрев азота дутья и частично — ростом теплоемкости шлака и футеровки. В случае окисления 1 % Si, 1 % Mn, 3,5 % С и 2 % Fe обеспечивается А Г»

Таблица 4.1. Удельное количество тепла реакций, используемого на нагрев ме­талла, кДж/кг, и подъем температуры при окислении 1 % элемента

Реакция

Температура

Ванны, К

1473

1673

18′

’3

Д г

?уд

AT

1уж

AT

[SiJ-v(SiO2)

20500

190

19300

180

18100

170

Мп]->(МпО)

6000

56

5800

54

5600

52

Fe]-v(FeO)

4000

37

3450

32

29С0

27

С]-^{СО}

3400

37

2200

24

1050

11

С]-v(CO2)

19200

177

16200

154

13200

131

«400 К, т. е. без подачи топлива можно нагреть металл от 1500 до 1900 К.

Роль физического тепла чугуна и футеровки в тепловом балан — Qe плавки значительна. Расчеты свидетельствуют, что подъем тем­пературы чугуна на 100 К (за счет уменьшения потерь тепла в ков­шах и миксере) или футеровки на 600 К (за счет сокращения дли­тельности простоев между плавками) эквивалентно дополнитель­ному приходу тепла при возрастании содержания кремния в чугу­не на 0,5 %.

В случае избытка тепла в ванне, применяют три способа охлаж­дения металла: присадку стального лома, добавку железной руды или окалины, вдувание пара.

Снижение температуры после присадки лома можно рассчитать с помощью следующего уравнения, полученного на основе теплово­го баланса ванны:

ДT = Ti-T2 = тл(а + Ь. Т^ЩШ + тл)Ьх + Ь2(тш + та. Фут)],

(4.3)

Где Ti и T2 — температура во время присадки и усвоения ванной лома, К; тл, тш и та. фут — масса присаженного лома, шлака и активного слоя футеровки, % к массе металла; а и Ь\ — коэффици­енты в уравнении теплосодержания жидкого металла

1м. п-= a — YbiTi, (4.4)

А = —124 и —176 соответственно для чугуна и стали; ^1 = = 0,837 кДж/(кг-К) —теплоемкость жидкой стали; Ь2 — 1,82 кДж/ (кг-К)—средняя теплоемкость шлака и футеровки в интервале T= 1437—1873 К-

Результаты расчетов по уравнениям (4.3) и (4.4), согласующи­еся с опытными данными, свидетельствуют о том, что после усвое­ния ванной присаженного лома в количестве 1 % к массе металла температура снижается на 10—12,5 К (в интервале T1 = 1473— 1873 К). Расход лома не превышает 3—6 % (от массы чугуна).

Охлаждение рудой или окалиной часто называют химическим, так как в результате расхода тепла на диссоциацию окислов же­леза (около 5 МДж на 1 кг Fe2O3) резко падает тепловой эффект реакций окисления примесей металла по сравнению с эффектом при их окислении свободным кислородом. Охлаждающий эффект твер­дых окислителей примерно в четыре раза больше охлаждающего эффекта лома.

Охлаждение ванны водяным паром технологически удобно и лег­ко управляемо. Пар подают вместе с воздухом через воздушную коробку. На диссоциацию 1 кг пара расходуется около 13 МДж тепла. Охлаждающий эффект пара примерно в 2,5 раза больше, чем руды, и в 10 раз больше, чем лома (при одинаковой массе вве­денного в ванну вещества).

Наиболее выгодный способ охлаждения — присадка стального лома. Некоторые преимущества от восстановления железа из руды и окалины обесцениваются большим расходом тепла на диссоциа­цию его окислов и потерями за счет увеличения количества шлака и выбросов металла.

Существенными недостатками охлаждения паром являются бес­полезный расход избыточного тепла ванны и опасность повышения содержания водорода в жидкой стали.

При холодном ходе бессемеровской операции применяют следу­ющие методы дополнительного нагрева металла. Когда темпера­тура чугуна и футеровки нормальная, но чугун химически холод­ный, добавляют в ванну 45 %-ный ферросилиций. Если же чугун химически горячий, но физически холодный, ванну кратковременно продувают воздухом при наклонном (45° к вертикали) положении конвертера. На поверхности ванны железо дополнительно окисля­ется струями воздуха, поступающими в полость конвертера через сопла, находящиеся над металлом. Подъем температуры металла в период наклонной продувки составляет около 300C на 1 % окис­ленного железа.