При выплавке стали в кислородных конвертерах продувку жидкого металла ведут, как правило, до весьма низких концентраций углерода с последующей корректировкой состава по углероду (науглероживанием) во время выпуска. На этом основании примем содержание углерода в полупродукте на уровне 0,05–0,10 %. В условиях окислительного рафинирования кремний окисляется «до следов». Остаточное содержание марганца после продувки зависит от многих факторов, основными из которых являются исходное содержание Mn в металлошихте, шлаковый режим плавки и температура металла и содержание в нем углерода после продувки. При переработке шихты с низким содержанием марганца (<0,3 %) его концентрация в полупродукте составит 0,04–0,08 %, при использовании шихты с более высоким содержанием марганца имеет место повышение содержания марганца в металле после продувки в конвертере (0,10–0,12 %). Процесс удаления фосфора в условиях кислородного рафинирования протекает весьма эффективно, чему способствует наличие в конвертере высокоосновного шлака, а также высокая окисленность металла и шлака по ходу продувки. Содержание фосфора в полупродукте может быть выбрано из диапазона 0,01–0,03 % масс. Содержание серы в полупродукте не должно превышать значений, установленных ГОСТом. В условиях кислородно-конвертерной плавки сера из металла удаляется примерно на 15 – 30 % отн. В случае, если содержание серы в шихте существенно превышает содержание серы в полупродукте, следует предусмотреть внедоменную десульфурацию чугуна, например, магнием и сделать расчет расхода Mg, необходимого для снижения содержания серы в чугуне от исходных, полученных в ходе расчетов состава чугуна, до значений, обеспечивающих требуемый состав металлошихты. Расход магния  для десульфурации чугуна определяется по уравнению:

,               (5.2)

где  и  - содержание серы в чугуне, соответственно, исходное и требуемое, %;  - коэффициент использования магния, равный 0,30 – 0,40.

Количество удаленных примесей определяется как разность между средним содержанием примеси в металлошихте и полупродукте.

5.1. Расчет материального баланса

Конвертерной плавки

Материальный баланс плавки в кислородном конвертере состоит из двух частей: приходной и расходной. Приходная часть материального баланса включает в себя расходы всех материалов, поступивших в конвертер, в том числе: жидкого чугуна; металлолома; извести; перешедшей в шлак футеровки; технического кислорода. В расходной части материального баланса приведены продукты плавки: полупродукт; конвертерный шлак; отходящие газы, а также потери металла с пылью и корольками.

5.1.1. Определение расхода извести

Присадки извести в конвертер как при загрузке шихтовых материалов, так и в процессе продувки ванны кислородом, производятся с целью наведения высокоосновного шлака, обеспечивающего удаление из металла вредных примесей: S и P. Основность шлака B=CaO/SiO₂ характеризует его способность к рафинированию стали. Оптимальная величина основности в кислородно-конвертерном процессе составляет 3,0–3,5. Для определения расхода извести используем уравнение основности.

Пусть источниками CaO в конвертерном шлаке являются: известь и футеровка сталеплавильного агрегата. Массу CaO, поступающего в шлак, можно рассчитать следующим образом:

, (5.3)

где , - содержание оксида кальция в извести и футеровке, % ; , - расход извести и количество футеровки, перешедшей в шлак, кг/100 кг шихты.

Диоксид кремния поступает в шлак в результате окисления кремния, содержащегося в металлошихте, а также из извести, футеровки, загрязнений лома (другими источниками пренебрежем), то есть массу SiO₂в шлаке определим как:

  ,(5.4)

где  - количество окислившегося кремния, %; ,  ,  - содержание SiO₂ в извести, футеровке агрегата и загрязнениях металлолома, % масс.;  - масса загрязнений (1–2 % массы металлолома);  - масса металлошихты ( =100 кг).

После подстановки данных выражений в уравнение основности и проведения соответствующих преобразований его следует решить относительно расхода извести ( ).

Состав извести может быть установлен из предположения, что она получена путем обжига известняка заданного состава. При этом происходило разложение карбонатов с выделением CO₂. Определяя состав извести, следует предусмотреть некоторое количество недопала (2–10 % CO₂ остается в извести), высокую гигроскопичность свежеобожженной извести (содержание H₂O принять равным 0,5–1,5 %), а также что SO₃ при обжиге известняка удаляется на 50–70 %. Количество огнеупорной футеровки, перешедшей в шлак за время продувки, составляет 0,2–0,3 кг/100 кг металлошихты. Состав огнеупорной футеровки конвертера: CaO – 53 %; MgO – 43 %; SiO₂ – 2 %; Al₂O₃ – 2 %.

5.1.2. Определение состава и количества

Конвертерного шлака

Для определения общего количества образующегося шлака и его состава следует составить таблицу 10.

На первом этапе составления таблицы в нее записываются массы всех компонентов, переходящих в шлак из указанных источников, за исключением оксидов железа. Суммирование этих величин дает массу шлака без оксидов железа. Содержание FeO и Fe₂O₃ определим по количеству железа в шлаке ((Fe)_общ, %), которое характеризует окислительную способность конвертерного шлака и зависит от его основности (В), содержания углерода в полупродукте ([C]_п/п, %) и температуры металла и шлака (t_п/п, ^оС):

.(5.5)

Таблица 10.

Расчет состава и количества конвертерного шлака.

Примем, что 80 % железа, переходящего в шлак, окисляется до FeO и 20 % - до Fe₂O₃. Тогда содержание оксидов железа (%) составит:

,          (5.6)

.     (5.7)

Общее количество шлака рассчитывают исходя из того, что масса шлака без оксидов железа соответствует величине 100 – (FeO) – (Fe₂O₃), а общая масса шлака соответствует 100. Результаты расчетов позволяют определить состав конвертерного шлака, который следует представить в виде таблицы 10.

Расчет выхода полупродукта

В ходе продувки расплава в конвертере масса металлошихты уменьшается в результате:

- окисления примесей чугуна и металлолома ;

- окисления железа ;

- потерь железа с пылью ;

- потерь железа в виде корольков в шлаке ;

- загрязненности металлолома .

Отсюда массу полупродукта ( ) можно рассчитать следующим образом:

.(5.8)

Массу окислившихся примесей и железа, перешедшего в шлак, определим, соответственно, как

, (5.9)

где , , ,  - изменение содержания углерода, кремния, марганца и фосфора в процессе продувки металла в конвертере;

           (5.10)

Потери железа с пылью принимают равными 1,5–2,0 % массы металлической части шихты, в виде корольков – 6–10 % массы шлака. Потери массы металла вследствие загрязнения металлолома – 1–2 % его массы.

Выход жидкой стали (% отн.) является важной характеристикой эффективности работы сталеплавильного агрегата, его величина определяется отношением:

.                (5.11)