Шлак образуется в результате окисления примесей металлической шихты и растворения неметаллических материалов. Данные о количестве и составе неметаллических материалов, обычно наблюдаемые в производственной практике, приведены в таблице 6 [4].

Таблица 6 – Количество и состав неметаллических материалов, используемых в классической технологии конвертерной плавки

Для определения количества и состава образующегося шлака, необходимо по данным таблицы 6 выбрать конкретные значения с использованием заданных величин так, чтобы содержание компонентов в материале в сумме составляло 100 %. При определении состава твердых окислителей (окатышей) необходимо кроме данных таблицы 6 использовать исходные данные (Приложение А) о содержании в окатышах Fe и FeO, по которым можно определить Fe₂O₃ в твердых окислителях (окатышах):

                        (15)

Данные о расходе плавикового шпата и твердого окислителя приведены в задании (Приложение А). Расход миксерного шлака к массе чугуна G_М.Ш, % был принят в п.5. Для его пересчета в кг следует использовать выражение - G_Ч ∙ G_М.Ш, % / 100%, кг.

В шлакообразовании принимает участие футеровка кислородного конвертера. Рабочий слой футеровки обычно выполняют из смолодоломита (MgO = 35-50 %; CaO = 45-65 %), смоломагнезитодоломита (MgO = 50-75 %; CaO = 15-45 %), периклазографита (MgO не менее 72 % и углерода 6-20 % или MgO не менее 84 % и углерода 6-14 %).

Для продолжения расчета следует выбрать один из вариантов футеровки и принять значение ее износа. В зависимости от качества огнеупорных материалов износ рабочего слоя футеровки за плавку составляет 0,3-0,7 кг/100кг металлошихты.

Расход извести следует определять расчетом по балансу оксидов CaO и SiO₂.

Количество и состав неметаллических материалов, необходимых для проведения дальнейших расчетов, необходимо свести в таблицу 7.

Таблица 7 – Количество и состав неметаллических материалов, используемых в расчете конвертерной плавки*

Для расчета расхода извести, количества и состава шлака, удобно составить таблицу 8. Сначала заполняются все первые колонки таблицы 8, включая колонку «Итого»:

- колонка «вносится металлической шихтой» заполняется по данным таблицы 5;

- колонки «вносится окатышами, футеровкой, миксерным шлаком и плавиковым шпатом» заполняются по данным таблицы 7 исходя из расхода шлакообразующего материала (кг/100 кг металлошихты) и содержания в нем соответствующей примеси (%).

После заполнения колонки «Итого» определяют расход извести по формуле

                                 (16)

где   G_из – расход извести, кг/100кг металлошихты;

     В – основность шлака по отношению CaO/SiO₂;

(SiO₂)_об  – поступление в шлак SiO₂ из всех источников, кроме извести (колонка «Итого», кг;

(СаО)_об – то же для СаО металлошихты, кг;

 (СаО)_из – содержание СаО в извести (по данным таблицы 7), %;

 (SiO₂)_из – то же SiO₂, %.

Основность шлака (В) в конвертерной плавке обычно изменяется в пределах 2,5-4,0 (чаще всего 3,0-3,5). Для более глубокого удаления серы и фосфора стремятся иметь максимальную основность, но не приводящую к ухудшению жидкоподвижности шлака.

Приняв значение основности шлака, определяют расход извести на плавку (кг/100 кг металлошихты) и, используя данные о составе извести из таблицы 7, заполняют колонку «Вносится известью» в таблице 8.

Для заполнения оставшихся двух колонок таблицы 8 необходимо определить уровень концентрации оксидов железа в шлаке в конце продувки. Содержание оксидов железа в шлаке не имеет прямой связи с их количеством в шихтовых материалах, а зависит, в первом приближении, от содержания углерода в металле (таблица 9).

Таблица 9 – Содержание оксидов железа в шлаке при верхней продувке*

В процессе продувки оксиды железа поступают в шлак при окислении железа металлического расплава кислородом дутья и при растворении неметаллических материалов. Часть оксидов железа участвует в процессах окислительного рафинирования. Содержание оксидов железа в шлаке в конце продувки зависит от соотношения процессов их образования и расходования. В свою очередь эти процессы зависят от конкретных параметров плавки.

Для упрощения расчетов можно считать, что все оксиды железа, поступающие в конвертерную ванну с неметаллическими материалами, полностью разлагаются на железо, переходящее в жидкий металл, и кислород, участвующий в окислении примесей. В тоже время оксиды железа шлака образуются за счет окисления железа металлического расплава кислородом дутья.

Тогда для продолжения расчета следует исходя из данных таблицы 9 и содержания углерода в конце продувки (см. п.3), принять содержания (FeO) и (Fe₂O₃) в конечном шлаке. Эти данные заносятся в последнюю колонку таблицы 8, а также частично заполняется колонка «Всего», для определения количества оксидов, образующихся в процессе плавки и внесенных известью (кроме оксидов железа) - G_ЕО.

Зная процентное содержание оксидов железа в шлаке и количество образующихся в процессе плавки оксидов (кроме оксидов железа) из колонки «Всего», можно определить общее количество шлака (G_ШЛ, кг)

                                   (17)

и заполнить все оставшиеся колонки и строки таблицы 8.

Расчет расхода дутья

В качестве дутья в кислородно-конвертерной плавке используют технически чистый кислород с содержанием 99,5 % кислорода. Расход дутья следует определять по балансу кислорода. Кроме дутья, кислород поступает в ванну при разложении оксидов железа неметаллических материалов, а расходуется не только на окисление примесей металла, но и на дожигание части СО до СО₂, окисление железа, а также частично растворяется в металле и теряется в газовую фазу в начале продувки.

Расходные статьи баланса кислорода:

1. Потребность в кислороде для окисления примесей металла ( ) определяется по данным таблицы 5.

2. Расход кислорода на окисление железа определяют по количеству образующихся в конце продувки оксидов железа FeO ( ) и Fe₂O₃ ( ) – колонка «Всего» таблицы 8. Потребность в кислороде на образование оксидов железа составляет:

                                       (18)

                                                             (19)

3. Расход кислорода на дожигание СО. В зависимости от положения фурмы относительно поверхности металла 5-15% образующийся СО окисляется до СО₂. По реакции

{CO} + ½{O₂} = {CO₂}

на каждые 28 кг СО требуется 16 кг или 11,2 м³ О₂. .

Зная количество образующегося при окислении углерода СО (g_СО) из таблицы 5 и приняв степень дожигания СО в полости конвертера (η_СО, %), определяют расход кислорода на дожигание СО из выражения:

                                                      (20)

                                                            (21)

Приходными статьями баланса кислорода, кроме собственно кислородного дутья, является поступление кислорода от разложения оксидов железа неметаллических материалов FeO ( ) и Fe₂O₃ ( ). Количество оксидов железа, поступающих с неметаллическими материалами было рассчитано в таблице 8 – колонка «Итого». При их полном усвоении образуется кислорода:

                                      (22)

                                                           (23)

В итоге можно определить общую потребность в кислороде дутья для окислительного рафинирования (V_К):

V_К = +  +  – , кг.                                (24)

Обычно 5-10 % от этого количества приходится на потери кислорода в газовую фазу и растворение его в металле (П_O2, %). С учетом содержания кислорода в дутье (99,5 %) определяется общий расход дутья (V_Д)

                                (25)

                                                     (26)

 Избыток дутья при этом находится из уравнения

                                                    (27)