» » Выход жидкого металла
04.02.2015

Выход жидкого металла или стали из шихты зависит как от свойств самой шихты, так и от технологии выплавки. Методика расчета показателей выхода жидкого с целью разделения влияния указанных двух групп факторов может меняться.
Применительно к плавке на ломе обычно используется показатель выхода жидкой стали из всей шихты, включая ферросплавы ψж.с = Мж.с/(Мших + Мф.с) или выход жидкого металла ψж.с = (Мж.с - Мф.с)/Мших. При использовании в шихте металлизованных материалов, содержащих значительное количество неметаллической составляющей, помимо показателей, указанных выше, применяются выход жидкого металла из железа (общего) шихты ψFeобщ ж.м = Мэ.м/(МлХFeобщ л + МокЧFeобщ ок) и реже - выход жидкого железа из железа шихты ψFeобщ Fe = Мж.м ХFe ж.м/(МлХFeобщ л + МокХFe общ ок).
Поскольку содержание железа в ломе обычно неизвестно, принимают ХFe л = 100 %. При расчетах шихты бывает удобно пользоваться аналогичными показателями выхода жидкого отдельно для лома (ψж.м.л) и окатышей (ψж.м.ок).
Имеющиеся в литературе данные от изменении выхода жидкого в зависимости от относительного количества металлизованных материалов в шихте носят порой противоречивый характер, что обусловлено использованием различных показателей для шихты из лома и шихты, включающей губчатое железо.
На рис. 61 приведено изменение среднего выхода жидкого металла из железа шихты при выплавке стали одношлаковым процессом по данным работ. Лом, как это принято авторами, считали состоящим на 100 % из железа.
В электросталеплавильном цехе в Гамбурге выплавляли сталь с содержанием углерода менее 0,2 % на ломе невысокого качества и высококачественных металлизованных окатышах (93,2 % Feобщ; 1,2% С; 0,005% S; 3,6 % ПП; φ = 93,5 %). На заводе в Боусе (II) выплавляли среднеуглеродистую сталь на достаточно хорошем ломе и окатышах из бедных концентратов (90,9 % Feобщ; 0,22 % С; 0,020 % S; 7,0 % ПП; φ = 95,8 %). Для компенсации низкого содержания углерода в окатышах в шихту вводили чугун или кокс. Повышенное содержание серы требовало в этом случае работы на шлаках с основностью более 2,0. В обоих случаях выход по отдельным плавкам характеризовался значительными колебаниями (4-5 %), обусловленными изменениями основности и окисленности шлака.
Выход жидкого металла

Из рис. 61 следует, что выход жидкого из железа шихты возрастает пропорционально количеству окатышей. Для шихты из 100 % окатышей, применявшихся в Боусе, расчетная величина выхода составляет 94,6 %. Это значение соответствует примерно точке (см. рис. 61), лежащей на продолжении прямой, относящейся к рассматриваемым плавкам. Следовательно, для шихты, включающей металлизованные материалы, зависимость выхода жидкого от количества окатышей описывается уравнением прямой, соединяющей точки, соответствующие шихте, состоящей из 100% лома и 100 % окатышей.
Выход жидкого металла

Вывод о линейной зависимости выхода от количества окатышей в шихте можно получить чисто расчетным путем, если принять, что потери железа испарением, в виде корольков шлака, скрапа не зависят от количества окатышей; последнее, как будет показано ниже, в первом приближении соответствует действительности.
По сравнению с плавкой на ломе прирост выхода при использовании металлизованных окатышей в рассматриваемых случаях различный. Он выше для условий электросталеплавильного цеха в Гамбурге, чем для цеха в Боусе. Такое положение объясняется двумя причинами: более низким качеством лома в первом случае и более высокими потерями железа со шлаками во втором, где из-за повышенного содержания пустой породы и серы в окатышах количество шлака было большим. Увеличение выхода жидкого при замене в шихте лома металлизованными окатышами отмечено и в работах, где в качестве показателя рассматривается причем эффективность такой замены возрастаете случае применения лома очень низкого качества, характеризующегося выходом 83-86 %. В работе при проведении опытов в 10-т печи повышения выхода установлено не было.
Во всех рассмотренных случаях увеличение выхода жидкого металла из железа шихты при замене лома окатышами в значительной мере объясняется методикой расчета этого показателя — в окатышах учитывается реальное содержание железа, в ломе оно принимается условно 100 %.
Состав стального лома можно характеризовать, так же как и металлизованных материалов, степенью металлизации, содержанием общего железа и пустой породы. Под пустой породой подразумевается количество кремнезема, образующегося при окислении кремния лома (содержание алюминия в ломе обычно мало, а кальций и магний практически отсутствуют). Степень металлизации вычисляется здесь с учетом восстановления окислов железа лома кремнием.
Окисленность лома колеблется в широких пределах. Отходы прокатного производства могут содержать примерно 0,1-0,7 % Fe2O3, амортизационный лом - до 4 % окислов в виде гидрата окиси железа Fe2O3*mН2O. Привозной лом обычно загрязнен посторонними примесями органического и неорганического происхождения, количество которых согласно существующего ГОСТа, может достигать 2 %.
С учетом сказанного состав лома можно охарактеризовать примерно-следующими показателями:
Выход жидкого металла

Если в приведенных выше примерах (см. рис. 61) принять, что плохой лом (I) содержит 95 % железа, то выход жидкого из него срставит не 89, а 93,7 %, и замена его металлизованными окатышами сопровождается некоторым снижением выхода жидкого. При замене окатышами лома хорошего качества (II) выход остается примерно постоянным. Следовательно, при одинаковой методике расчета выхода жидкого из железа лома и железа металлизованных материалов с ростом количества последних в шихте этот показатель или остается неизменным, или несколько снижается в зависимости от соотношения потерь железа при сравниваемых способах выплавки.
Рассмотрим отдельные статьи потерь железа при плавке металлизованных материалов. Выход жидкого металла из шихты зависит от потерь железа в виде окислов и корольков шлака, скрапа, образующегося при скачивании шлака и выпуске, и потерь железа испарением:
Выход жидкого металла

Потери железа со шлаками могут быть оценены расчетом, потери при испарении, с корольками и скрапом - только экспериментально. Публикаций данных о величине отдельных видов потерь для плавок с металлизованными материалами пока неизвестно.
При выплавке стали на ломе в электропечах двухшлаковым процессом потери составляют (от массы шихты): с корольками и скрапом 2,0-2,7 %, испарением 0,7-3,7 %. Высокое верхнее значение потерь испарением объясняется отчасти загрязненностью рядового лома примесями, улетучивающимися при плавке.
При выплавке стали в 40-т электропечи с использованием в шихте 40-50 % окатышей (89,5 % Feобщ; 83 % Feмет; 2 % С; 7 % ПП) и отходов проката углеродистых сталей укрупненный баланс железа в среднем по трем плавкам, где относительно точно были оценены количество шлака и его состав, характеризовался следующими данными, кг/%:
Выход жидкого металла

Плавки отличались малым (менее 3 м3/т) расходом кислорода, низкой основностью шлака (1,0-1,2) и малым содержанием в нем окислов железа (11%).
Из приведенных данных следует, что потери железа испарением, в виде корольков и скрапа, входящие в статью "прочие потери", при плавке на окатышах примерно соответствуют потерям при плавке на ломе хорошего качества и могут быть приняты в размере 1-2 % от железа шихты.
Снижению испарения железа при плавлении окатышей с непрерывной загрузкой способствуют следующие факторы: присутствие на зеркале ванны значительного количества шлака, концентрация железа в котором много ниже, чем в металлической ванне, отсутствие непосредственного нагрева окатышей высокотемпературным источником (дугой), интенсивное перемешивание ванны, снижающее локальный перегрев металла в зоне дуг.
Для шихты, включающей металлизованные материалы, потери железа со шлаком могут быть оценены, исходя из количества шлака и содержания в нем окислов железа:
Выход жидкого металла

Для тонны шихты, после подстановки соответствующего выражения для mш получим
Выход жидкого металла

где XFeобщ ших, ХПП ших, Вших - содержание общего железа, пустой породы и основность пустой породы шихты, вычисленные с учетом относительною количества металлизованных материалов и лома в шихте:
Выход жидкого металла

Потери железа с удаляемым шлаком периода плавления, как следует из выражения (71), линейно увеличиваются с ростом содержания в окатышах пустой породы, увеличением основности и окисленности шлака, определяющейся содержанием углерода в металле в момент спуска шлака.
На рис. 62 приведена зависимость выхода жидкого металла из железа окатышей от содержания углерода по расплавлении при выплавке стали в 3-т печи на шихте из 80 % металлизованных окатышей и чугуна. Изменения содержания углерода были обусловлены колебаниями степени металлизации окатышей в пределах 80-95 % и низким содержанием в них углерода (0,08 %). Кривая на рисунке рассчитана, исходя из состава пустой породы и основности шлаков. Принято, что зависимость между углеродом в металле и закисью железа в шлаке выражается эмпирической формулой ХFeO ш = (1/ХС ж.м) + 10. Аналогичная приведенной на рис. 62 зависимость получена при плавке на 100% сулинского губчатого железа с разовой загрузкой в 5-т печи.
Выход жидкого при содержаниях углерода более 0,2 % изменяется сравнительно мало, резко уменьшаясь в области низких содержаний углерода из-за возрастания потерь железа со скачиваемыми шлаками. На отсутствие зависимости выхода жидкого от степени металлизации губчатого железа в случае повышенного содержания в ванне углерода указывается в работе.
Степень металлизации сказывается на выходе жидкого, если содержание углерода в шихте недостаточно, чтобы восстановить требуемое количество окислов железа окатышей и легировать ванну этим элементом более чем на 0,2-0,3 %. Формально это выражается в том, что эквивалентное содержание углерода в шихте, включая и углерод карбюризаторов, равно или меньше 0,2 %.
На рис. 63 приведено изменение выхода жидкого из шихты, состоящей на 100 % из металлизованных окатышей, содержащих менее 1 % С; 3,8 % ПП, при различной степени металлизации. Опыты проводились в 85-т печи, карбюризаторы в шихту не вводились. Кривая I соответствует изменению содержания железа металлического в шихте. Кривая II показывает фактический выход жидкого на опытных плавках. Часть окисленного железа металлизованных материалов довосстанавливается углеродом и выход по сравнению с содержанием металлического железа (кривая I) возрастает на 3-4 %. Кривая III соответствует расчетному выходу жидкого, получаемому при условии, что в шихту вводится углерод в количестве, необходимом для обеспечения содержания в шлаке 20 % FeO, а в металле 0,2 % С (кривая IV - расчетное содержание углерода в шихте). При этом за счет довосстановления выход возрос бы еще примерно на 3 %. Сопоставление кривых II и III показывает, что при высокой металлизации количества углерода в окатышах оказывалось достаточным для достижения оптимального с точки зрения выхода жидкого состояния ванны (20 % FeO, более 0,2 % С). При снижении степени металлизации количество недовосстановленных окислов железа в шлаке возрастает и выход жидкого снижается.
Выход жидкого металла

Из данных рис. 63 следует, что требуемое содержание углерода в окатышах при низкой металлизации может быть весьма большим. Плавление такой шихты потребует повышенного расхода электроэнергии и может сопровождаться чрезмерно бурным кипением ванны, ограничивающим скорость плавления.
Сходная зависимость изменения выхода жидкого из шихты, включающей 65 % окатышей, при плавке в условиях того же завода приведена в работе.
Принятая практика выплавки стали на металлизованных материалах предусматривает, как правило, работу на Шихте с содержанием углерода, достаточным для получения к моменту спуска шлака периода плавления содержания закиси железа в нем не более 15-20 %. Потери железа в этом случае определяются кратностью шлака периода плавления.
На рис. 64 приведена рассчитанная по уравнению (71) зависимость потерь железа в виде окислов шлака (на тонну жидкого металла) от содержания пустой породы в металлизованных окатышах. Область I характеризует потери при плавке с содержанием окатышей в шихте 65 %, основностью шлаков 1,4-2,0 и содержании в них закиси железа 15 % - случае, характерном для выплавки стали таким способом. Область II отражает потери в период плавления и окислительного рафинирования плавки на ломе при изменении общего количества окислительных шлаков в пределах 80-120 кг/т жидкого металла. Такая кратность шлака примерно соответствует выплавке стали одношлаковым процессом на шихте относительно невысокого качества.
Рассматриваемые потери железа в окисной форме обусловлены технологией плавки. При плавке лома это железо вводится в ванну с металлошихтой, твердыми окислителями или получается за счет окисления металла газообразным кислородом, при плавке на металлизованных материалах поступает на них. Отрицательный эффект от потерь железа (окисного) со шлаками проявляется в повышении расхода окатышей или добавочных материалов (руды, агломерата), увеличении расхода энергии на нагрев и плавление окислов железа.
Как следует из рис. 64, потери железа со шлаками возрастают с увеличением содержания пустой породы окатышей и превышают потери при плавке на ломе, если пустой породы более 3-4 %. Величина дополнительных потерь сравнительно невелика, например для окатышей, содержащих 5,5 % ПП, они в среднем составляют примерно 9 кг/т жидкого металла. С увеличением количества окатышей в шихте дополнительные потери возрастают, так как увеличивается кратность шлака.
Использование железа шихты при плавке на окатышах будет одинаковым с плавкой на ломе при условии, что повышенные потери со шлаком в первом случае сопоставимы с потерями испарением во втором. Это, по-видимому, справедливо при применении лома пониженного качества, когда возрастает улет железа при проплавлении многократно догружаемой легковесной шихты. При замене высококачественного лома окатышами использование железа снижается, если окатыши содержат повышенное количество пустой породы.
Показатель применяется в основном при анализе использования железа шихты. В случаях, когда речь идет о шихте в целом, например расходе металлошихты и отдельных ее составляющих (лома, окатышей), удобнее пользоваться показателем - выходом жидкого металла из шихты. Общие закономерности изменения этого показателя такие же, как и ψFe ж.м.
На рис. 65 приведено изменение выхода жидкого из металлизованных окатышей от содержания в них железа по данным и авторов. Экспериментальные значения взяты по плавкам на шихте из 100 % окатышей или получены линейной экстраполяцией на 100 % данные о зависимости выхода жидкого от количества окатышей в шихте, приведенных в указанных работах. Прямая на рисунке рассчитана по формулам (70) и (71), исходя из фактического содержания пустой породы в окатышах, основности шлака 1,7 и содержания в нем закиси железа 20 %. Потери испарением и с корольками приняты 2 %. Для сравнения приведены значения выхода жидкого из лома для тех же цехов, средний уровень которого составляет 92,9 %.
Выход жидкого металла

Выход жидкого в среднем примерно соответствует расчетным значениям. Отдельные отклонения, не превышающие в основном 1,5 %, объясняются технологическими особенностями выплавки в различных цехах (основностью и окисленностью шлаков, технологией удаления шлака и продувки кислородом). С уменьшением содержания железа в окатышах, обусловленным ростом пустой породы, выход снижается как за счет уменьшения железа в шихте, так и за счет возрастания потерь его со шлаками.
В сравнении с выходом при плавке на ломе выход из металлизованных окатышей ниже. Исключение может быть лишь в случае применения очень плохого лома (стружки, окисленных пакетов, проволоки и т.п.), выход из которого, менее 88 %, и высококачественных окатышей.
Достаточно хорошее совпадение экспериментальных и расчетных значений выхода жидкого, полученных из выражений (70), (71), и установленная выше линейная зависимость выхода от количества металлизованных материалов в шихте могут служить основой методики расчета металлошихты при технико-экономических и инженерных расчетах.
Расчет сводится к определению расхода лома и металлизованных окатышей при заданном относительном количестве их в шихте (χ) и известном составе этих материалов. Состав лома удобно выражать по форме аналогично окатышам (ХFeобщ, φХПП, ХС, В). Состав шлака (ХFeo ш, Вш) принимается из соображении получения заданного содержания углерода по расплавлении или рассчитывается (методом последовательных приближений), если ограничений на углерод не накладывается. Потери испарением, с корольками и скрапом принимаются, исходя из опыта, в размере 2-3 % от железа шихты.
Расход металлошихты (на тонну жидкой стали) определяется из выражений
Выход жидкого металла

или из выражений, получающихся при совместном решении (68) и (74):
Выход жидкого металла

где ψж.м.л, ψж.м.ок, ψж.м — выход жидкого для плавок на шихте из 100 % лома, 100 % окатышей и смешанной шихты; mфс — удельный расход ферросплавов на тонну стали. В первом случае при расчете по выражениям (75), (76) вначале рассчитывают состав смешанной шихты для заданного χ по формулам (72), (73), затем по (70) и (71) находят выход жидкого ψж.м. Во втором при расчете по (77), (78) предварительно определяют по (70), (71) выход жидкого для 100 % лома и 100 % окатышей. Последний способ удобен в случае, если известен выход жидкого из лома.
Изложенная методика уступает по точности расчетам шихты по сводным балансам всех компонентов, включая шлакообразующие и карбюризаторы, однако, учитывая простоту расчетов, применение ее оказывается полезным для выяснения общих закономерностей и особенностей плавки с применением шихтовых материалов различного состава.