Расчеты материальных и энергетических балансов при выплавке стали в дуговых сталеплавильных печах

Министерство образования и науки Российской Федерации
Уральский федеральный университет
имени первого Президента России Б. Н. Ельцина

А. А. Журавлев, В. Ф. Мысик, А. В. Жданов

РАСЧЕТЫ 
МАТЕРИАЛЬНЫХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ БАЛАНСОВ 
ПРИ ВЫПЛАВКЕ СТАЛИ В ДУГОВЫХ 
СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ ПЕЧАХ

Учебно-методическое пособие

Рекомендовано методическим советом УрФУ 
для студентов, обучающихся по направлению 
22.03.02 «Металлургия» 
(профиль «Металлургия черных металлов»)

Екатеринбург
Издательство Уральского университета
2016

УДК 669.012.2/3(075.8)
ББК 34.303-01я073
          Ж91

Рецензенты: 
заведующий лабораторией пирометаллургии черных металлов Института 
металлургии УрО РАН д-р техн. наук О. Ю. Шешуков;
канд. техн. наук В. А. Ровнушкин (исполнительный директор НИЦ «Металлургия стали и ферросплавов» Уральского института металлов)
Научный редактор доц., канд. техн. наук В. А. Павлов

Изображения на обложке взяты из личного архива автора.

 
Журавлев, А. А.
Ж91    Расчеты материальных и энергетических балансов при выплавке стали в дуговых сталеплавильных печах : учебно-методическое пособие / А. А. Журавлев, В. Ф. Мысик, А. В. Жданов. — Екатеринбург : Изд-во 
Урал. ун-та, 2016. — 128 с.

ISBN 978-5-7996-1725-7

Рекомендовано для выполнения расчетных работ, курсовых работ и проектов, 
выпускных квалификационных работ (ВКР) по дисциплине «Конструкции и проектирование сталеплавильных агрегатов». В пособии отражены цели и вопросы организации курсового проектирования, требования к содержанию и оформлению 
всех разделов курсовой работы. Приведены методические указания и примеры 
по расчетам материальных и энергетических балансов при выплавке стали в дуговых сталеплавильных печах с различными шихтовыми материалами и возможностью подогрева лома в шахтных подогревателях. Многовариантные расчеты могут 
производиться с помощью специальной программы на персональных компьютерах.

Библиогр.: 18 назв. Табл. 28. Рис 18. Прил. 8.

УДК 669.012.2/3(075.8)
ББК 34.303-01я73

ISBN 978-5-7996-1725-7 
© Уральский федеральный
 
     университет, 2016

Введение

П

остоянное совершенствование металлургической технологии, сопровождаемое интенсификацией производства стали и усовершенствованием конструкции сталеплавильных 
агрегатов, немыслимо без высокой квалификации персонала.
В условиях короткого цикла плавки дугового сталеплавильного процесса необходимо широко применять системы автоматического управления, без которого невозможно обеспечить высокие технико-экономические показатели. В программу математического обеспечения 
систем автоматического управления должны закладываться совершенные методы расчета шихты тепловых и энергетических балансов. Известно, что без предварительного технического расчета невозможно 
правильно предвидеть течение процесса и экономно расходовать материалы и энергоресурсы на плавку. Значение расчетов заключается 
в том, что по их результатам становится возможным анализ влияния 
различных факторов на развитие процесса. Производимые расчеты помогут студентам, особенно занимающимся по заочной форме обучения, более глубоко усвоить сведения о течении технологического процесса и организации энергетического режима плавки стали в дуговой 
печи. При проведении расчетов возможна также оценка конструкции 
печей и ее размеров. Оформление расчетных и курсовых работ производится в соответствии с прил. 1–8.

1. 
Теоретические основы  
сталеплавильных процессов

С

таль получают из чугуна, лома или металлизованного сырья 
в сталеплавильных печах. Существует три основных способа выплавки жидкой стали: мартеновский, кислородноконвертерный и электросталеплавильный. Мартеновский способ выплавки устарел и является экономически и экологически невыгодным. 
Способы выплавки стали в кислородном конвертере и в современной сверхмощной дуговой сталеплавильной печи являются альтернативными способами. Сегодня в них при одинаковой емкости продолжительность плавления примерно одинакова и составляет до 50 мин. 
Получают и в конвертерах, и в современных сверхмощных дуговых сталеплавильных печах не готовую сталь, а полупродукт, соответствующий стали по содержанию углерода и фосфора. Затем этот полупродукт 
доводится до готовности (заданного химического состава) в агрегатах 
комплексной обработки стали (АКОС). Далее готовую сталь разливают на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) и получают 
стальные слитки [1].
Для производства стали в сталеплавильные печи загружают шихтовые материалы, состоящие из двух основных частей:
— металлосодержащая часть (лом, чугун, ферросплавы, металлизованное сырье);
— неметаллическая часть (флюсы — известь, известняк, плавиковый шпат, боксит; окислители — железная руда, кислород; карбюризаторы — электродный бой, отсев кокса).

Металлосодержащая часть шихты
Передельный чугун является одной из главных частей металлической 
шихты, он составляет в конвертерном производстве 75–80 %, в электросталеплавильном — до 10 % (на современных печах до 30 %); его 
примерный химический состав: С — до 4,9 %; Si — 0,5…1,2 %; Mn — 
0,2…1,0 %; S < 0,05 %; P < 0,2 %.

1. Теоретические основы сталеплавильных процессов 

Стальной лом, загружаемый в сталеплавильные печи, включает: отходы металлургических заводов (отходы, обрезь прокатная и т. д.) — 
50 %, отходы машиностроительных заводов (стружка, отходы штамповки) — 20 %, отслужившие срок металлоизделия (металлоконструкции, 
рельсы) — 30 %. Лом подготавливают на заводах, базах вторчермета, 
производят его разбивку, резку, пакетирование, сортировку по маркам (легированные отходы), отделение цветных металлов и т. д.
Металлизованные материалы (окатыши и ГБЖ) получают восстановлением железа из богатых концентратов (степень металлизации 
более 90 %).
Ферросплавы — сплавы различных элементов с железом и другими 
элементами — предназначены для легирования, раскисления, модифицирования и рафинирования. Часть раскисляющих и легирующих 
материалов представляют собой металл в чистом виде без содержания 
железа и других элементов (Al, Ni, Cr), остальные — в сплаве с железом (Fe-Si, Fe-Mn и т. п.) и с другими элементами (Si-Ca). Получают 
ферросплавы в доменных и электрических (руднотермических, рафинировочных и индукционных) печах, плавильных горнах.

Неметаллическая часть шихты
Флюсующие добавки:
— известняк (СаСО3 > 93 %; S < 0,01 %); известь, получаемую путем 
обжига известняка, применяют сразу после обжига, так как при 
взаимодействии CaO с водой образуется Ca (OH)2 (гашеная известь);
— боксит (состав: Al2O3 – 20…60 %; Fe2O3 – 15…45 %; SiO2 < 2 %) применяется для снижения температуры плавления основных оксидов шлака;
— плавиковый шпат состоит из CaF2 > 90 % (флюорит), снижает 
вязкость шлака.
Окислители — агломерат железорудный, железорудные окатыши, 
окалина — предназначены для окисления примесей чугуна (С, Mn, Si, 
P); должны содержать по возможности большее количество оксидов 
железа и меньшее количество серы, фосфора, кремния. Газообразные 
окислители — воздух, технический кислород, водяной пар.
Карбюризаторы — это электродный бой, отсев кокса, углеродистые 
аноды, катоды и т. д., предназначенные для науглероживания металла 
при недостаточном количестве чугуна.

1. Теоретические основы сталеплавильных процессов

1.1. Основные задачи выплавки стали

Сталь получают путем осуществления ряда технологических операций, множества сложных физико-химических и физических процессов, проводимых в определенной последовательности или определенном сочетании, направленных на достижение конечной цели плавки.
Конечная цель плавки в любом сталеплавильном агрегате сводится к получению жидкой стали заданных химического состава (марки) 
и температуры при минимальных затратах трудовых, материально- 
сырьевых и топливно-энергетических ресурсов.
Наиболее трудной задачей является получение заданного химического состава готовой стали, так как необходимо осуществлять большое 
число сложных физико-химических и физических процессов. Большинство из них трудно управляемы, а некоторые вообще не поддаются точному регулированию.
По характеру современную плавку на металлургических заводах 
принято подразделять на две основные части, проводимые последовательно и часто в разных рабочих объемах:
— рафинирование металла (основная задача сводится к удалению 
избыточных углерода и фосфора, проводится в сталеплавильной 
печи);
— раскисление-легирование металла (удаление избыточных кислорода, серы и растворенных газов (водорода и азота) из стали, легирование и модифицирование, доведение химического состава 
стали до заданных маркой значений. Этот этап чаще всего проводится вне сталеплавильной печи в агрегате комплексной обработки стали (АКОС) и вакууматоре).
Такое деление связано с тем, что процессы рафинирования и раскисления несовместимы. Рафинирование в основном проводят путем 
окисления примесей (в металл вводится кислород). Раскисление — это 
удаление из металла избыточного растворенного кислорода.
Нагрев металла до заданной температуры является второй по трудности задачей при выплавке стали. Важно обеспечить синхронное проведение нагрева металла и окислительного рафинирования, поскольку на конечной стадии рафинирования из металла удаляется только 
углерод. В этот период плавки главная задача сводится к синхронизации процессов обезуглероживания и нагрева металла.

1.2. Сталеплавильные шлаки

1.2. Сталеплавильные шлаки

Все сталеплавильные процессы осуществляются при тесном взаимодействии металла и шлака. При этом шлаки являются неизбежным 
побочным продуктом любого современного способа производства стали в открытых агрегатах. Формирование шлака определенного состава, физических и химических свойств является необходимым условием получения качественной стали, так как:
— шлак является средой, которая воспринимает и прочно удерживает вредные примеси (фосфор и серу);
— шлак является средой, которая определяет темп доставки кислорода газовой фазы к металлу и тем самым определяет скорость 
удаления примесей и производительность процесса;
— шлак изолирует металл от проникновения в него вредных газов 
(N2 и H2);
— шлак является средой, которая регулирует темп нагрева металла.
Таким образом, химический состав шлака, его химические и физические свойства определяют качество готового металла и производительность процесса.

Источники формирования шлака:
— продукты окисления железа и его примесей (FeO, Fe2O3, SiO, 
P2O3, MnO);
— продукты разрушения огнеупорной кладки футеровки (SiO2, CaO, 
MgO);
— шлакообразующие присадки (известь, известняк, кварцевый песок, боксит, шамотный бой (CaO, SiO2, Al2O3, Fe2O3));
— твердые окислители (железная руда, агломерат, железорудные 
окатыши).
Таким образом, главные молекулярные компоненты сталеплавильных шлаков подразделяют на следующие группы: FeO, MnO, MgO, 
CaO — основные; Al2O3, Fe2O3 — аморфные; SiO2 — кислотные.
Шлаки, преимущественно состоящие из основных оксидов, называются основными. Они формируются в агрегатах с основной футеровкой. Шлаки, состоящие из кислотных оксидов, называются 
кислыми.

1. Теоретические основы сталеплавильных процессов

Свойства шлаков
К основным технологическим свойствам шлака относят окислительную способность и основность.
Окислительная способность определяет возможность шлака передавать кислород из газовой фазы к металлу. Процесс передачи кислорода металлу сложный, многостадийный, включает следующие стадии: 
растворение кислорода газовой фазы в шлаке (образование оксидов), 
перенос кислорода в шлаке к границе раздела шлак-металл и растворение кислорода в металле. Перенос кислорода в шлаке осуществляется (FeO), поэтому окислительная способность шлака определяется:
— содержанием активных или свободных оксидов (FeO) в шлаке;
— условиями массопереноса закиси железа в шлаке, то есть вязкостью шлака, и интенсивностью перемешивания.
Основность — технологическая характеристика, которая позволяет предвидеть способность шлака поглощать вредные примеси (S и Р) 
и зависит от соотношения основных и кислых оксидов шлака.
Универсальной формой выражения основности шлака (R) является отношение концентрации основных оксидов к концентрации кислотных и амфотерных оксидов:

 
R =
(
)

+
(
)

CaO

SiO
P O
2
2
5

.

При переделе малофосфористых чугунов содержание (Р2 О5) в шлаке бывает пренебрежимо мало по сравнению с концентрацией (SiO2), 
поэтому за показатель основности шлака принимают еще более простое отношение

 
R = (
)
(
)

CaO

SiO2
.

К важнейшим физическим свойствам шлаков следует отнести плавкость и вязкость.
Плавкость шлака — температура перехода их в жидкое состояние. 
Компонентами шлаков являются преимущественно тугоплавкие оксиды. Температура плавления каждого оксида типа (МеО) более 1700 °C, 
в то время как температура плавления шлаков должна быть меньше 
1500 °C.

1.3. Основные реакции сталеплавильных процессов

Плавкость шлаков может быть ниже температуры плавления чистых 
оксидов за счет образования между компонентами шлаков легкоплавких растворов или легкоплавких химических соединений.
Вязкость шлака является важнейшим из динамических свойств, которое определяет массообменные процессы. Повышенная вязкость 
шлака затрудняет тепло- и массоперенос в шлаке, вызывает замедление 
всех процессов нагрева и рафинирования металла, приводит к излишнему угару раскисляющих и легирующих присадок, уменьшает выход 
годной стали. Вязкость шлака зависит от его температуры и состава.
Компонентами шлака, резко повышающими его вязкость, прежде 
всего, являются МgО (более 10–12 %) и Сr2О3 (более 5–6 %). Вязкость 
основных шлаков существенно снижается при введении 2–5 % CaF2, 
5–7 % Al2O3, 5–7 % Na2O или К2О.

1.3. Основные реакции сталеплавильных процессов

Выплавка стали в сталеплавильных печах связана с окислительными процессами. В этих процессах при воздействии кислорода происходит окисление примесей жидкого металла: углерода, кремния, 
марганца, фосфора и, к сожалению, самой металлической основы — 
железа. Кислород, растворенный в железе [O], и оксид железа в шлаке (FeO) являются источниками кислорода для окисления остальных 
примесей железа.
Основные реакции окисления:
[Fe] + 1/2 {O2} = (FeO);
2[P] + 5/2 {O2} = (P2O5);
[C] + 1/2 {O2} = {CO};
[Mn] + 1/2 {O2} = (MnO);
[Si] + {O2} = (SiO2).

1.3.1. Окисление углерода

Содержание углерода в марках стали значительно меньше, чем в чугуне. Поэтому сталеплавильные процессы всегда сопровождаются реакцией окисления углерода, которую называют основной реакцией получения жидкой стали.

1. Теоретические основы сталеплавильных процессов

Углерод является главным потребителем кислорода, подводимого 
в ванну для окисления примесей.
Удаление углерода из металлического расплава может протекать 
в зависимости от источника кислорода по следующим реакциям:
— кислород газовой фазы [С] + 1/2{О2} = {СО};
— кислород расплава [С] + [О] = {СО};
— кислород оксидов железа шлака [С] + (FeО) = {СО} + [Fe].
Реакция окисления углерода является единственной, продукт которой — газообразный оксид. Особенностью является фронт протекания 
реакции. Пузырьки газа {СО} образуются на границе раздела металлфутеровка и при всплывании пронизывают весь объем металлической 
и шлаковой ванны, интенсивно их перемешивая. Объем выделяемого 
газа {CO} значительно превышает объем металла. В процессе окисления углерода металл кипит. Реакции окисления углерода экзотермические, поэтому протекают с выделением тепла. Таким образом, эти 
реакции являются интенсификатором тепло- и массообмена в сталеплавильной ванне, то есть средством интенсификации сталеплавильного процесса в целом.

1.3.2. Окисление кремния и марганца

Условия окисления кремния
Кремний — элемент легко окисляющийся. В зависимости от источника кислорода кремний окисляется кислородом газовой фазы, 
кислородом, растворенным в металле, и кислородом шлаковой фазы:

 
[Si] + 2(FeO) = (SiO2) + 2[Fe].

Во всех случаях при окислении кремния выделяется значительное 
количество тепла. Окисление кремния может протекать интенсивно 
во всем интервале температур сталеварения при наличии окислителя. 
Продукт реакции (SiO2) переходит в шлак. В основном шлаке (SiO2) 
взаимодействует с известью (СаО). Активность (SiO2) очень мала, поэтому кремний переходит из металла в шлак.

Условия окисления марганца
Марганец — элемент легко окисляющийся, особенно при сравнительно невысоких температурах; при этом могут образовываться сле