Расчет параметров выплавки передельного чугуна и технологии производства качественной стали в кислородном конвертере

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

«Сибирский государственный индустриальный университет»

Кафедра металлургии черных металлов

КУРСОВАЯРАБОТА

по учебной дисциплине: Металлургия черных металлов

Тема: Расчет параметров выплавки передельного чугуна и технологии производства качественной стали в кислородном конвертере

Выполнил:

студент гр. МЦМ-16

Чирков А.В.

Руководитель:

к.т.н., доцент Ганзер Л.А.

Новокузнецк, 2018



Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Сибирский государственный индустриальный университет»

Кафедра металлургии черных металлов

УТВЕРЖДАЮ

Заведующий кафедрой

_______________ С.В.Фейлер

«____» _____________ 2018 г.

ЗАДАНИЕ

на курсовую работу

по дисциплине «Металлургия черных металлов»

обучающемуся Чиркову Александру

группы МЦМ-16

Тема курсовой работы: Расчет параметров выплавки передельного чугуна и технологии производства качественной стали в кислородном конвертере.

Срок сдачи законченной работы 21 мая 2018г.

Исходные условия и данные к работе:

Чугун: марка - П2, группа - II, класс - В, категория - III.

Расход материалов: кокс - 500 кг/т, железная руда - 40 %, агломерат - 35 %, окатыши - 25 %. Металлодобавки - 30 кг/т.

Влажность дутья - 50 г/м3.

Марка стали - 30X.

Доля чугуна - 79 %.

Химический состав металлического лома, %: C - 0,35; Mn - 0,65; Si - 0,55; P - 0,030 %; S - 0,035 %.

Руководитель работы _______________ Л.А. Ганзер

(подпись)

Задание к исполнению принял ______________ «____» ________ 20____ г.

(подпись)



Введение

Общая схема современной металлургии, которая включает в себя технологические этапы подготовки шихтовых материалов, производства чугуна, выплавки стали в кислородных конвертерах или в электродуговых печах, выпуска и доводки стали в ковше (коррекция химического состава и температуры стали), а также разливку на машинах непрерывного литья заготовок (МНЛЗ) или в слитки, в обобщенном виде представляет собой технологический цикл нагрева исходных шихтовых и дополнительных материалов и последующего охлаждения конечной заготовки.

Кислородно-конвертерный процесс занимает первое место в мировой практике производства стали благодаря высоким технико-экономическим показателям и представляет собой сочетание технологий выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки.

Преимущества кислородно-конвертерного способа производства стали: более высокая производительность одного работающего агрегата; экологическая чистота; простота управления; низкие удельные капиталовложения, мощность производства высококачественной стали широкого сортамента из чугуна различного химического состава; переработка относительно большого количества металлолома. Все это обеспечило его быстрое распространение в мире.

Сочетание конвертеров с установками непрерывной разливки стали позволяет снизить расход металла на прокат на 14-15%, повысить производительность труда на 5-15%, уменьшить затраты условного топлива на 60-70 кг/т заготовок. плавка доменный чугун шлак

В будущем намечается широко внедрять микролегирование стали для повышения служебных характеристик металла, в частности, прочностных свойств, пластичности и штампуемости.

В курсовой работе выполнен расчет параметров выплавки передельного чугуна, который является сырьем для производства качественной стали в кислородном конвертере, а также материальный и тепловой баланс конвертерной плавки.

1. Расчётшихтыдоменной плавки

1.1 Исходные данные

Выполнить элементы расчета шихты и материального баланса доменной плавки согласно индивидуальному заданию.

Расчет шихты проводится на 1 т чугуна. Для примерного расчета шихты принят передельный чугун марки П1, группы 1, класса А, категории II, состав чугуна представлен в таблице 1.

Таблица 1 - Химический состав чугуна

Марка чугуна	Si, %	Mn,%	Р, % (не более)	S,% (не более)
		Группа	Класс	Категория
		II	B	III
П2	До 0,5	0,5-1.0	0,3	0,03

Таблица 2 - Состав материалов доменной плавки

Материал	Содержание, %
	Fе	MnО	SO3	P2O5	SiO2	Al2O3	CаO	MgO
Железная руда	47,5	0,85	0,1	0,2	12,3	4,3	7,4	5,1
Агломерат	53,5	0,32	0,09	0,07	14,8	2,5	6,24	0,92
Окатыши	62,1	0,05	0,07	0,08	4,2	1,1	4,8	0,8
Металлодобавки	84	0,15	-	-	1,72	-	-	-
Известняк	0,4	-	-	0,08	1,7	0,2	54,3	0,4
Зола кокса	8,7	-	-	0,35	49,1	27	6,9	1,7

Расход влажного кокса --500 кг/т чугуна.

В железорудной смеси содержится: 40% железной руды, 35% - агломерата, 25% - окатышей.

Состав материалов доменной плавки представлен в таблице 2.

Состав кокса и летучих представлен в таблице 3.



Таблица 3 - Состав кокса и летучих

Содержание, %
Состав кокса
Зола (А)	Сера (S)	Летучие	Углерод (С)	Влага (W)
11,5	0,51	1,99	86	2,7
Состав летучих кокса
СО2	СО	СН4	N2
30	34	2	34

1.2 Средневзвешенный состав рудной смеси

Средневзвешенное содержание в рудной смеси определяется по уравнению:

где Эi - содержание элементов и оксидов в компонентах смеси;

аэ- доля компонентов смеси.

В рудной смеси содержится:

Fe = 47,50•0,40 + 53,50•0,35 + 62,10•0,25 = 53,25 %;

MnO = 0,85•0,40 + 0,32•0,35 + 0,05•0,40 = 0,47 %;

Mn=

SO3 = 0,10•0,40 + 0,09•0,35 + 0,07•0,25 = 0,09%;

S=

P2O5 = 0,20•0,40 + 0,07•0,35 + 0,08•0,25 = 0,125%;

P=

SiO2= 12,30•0,40 + 14,80•0,35 + 4,20•0,25 = 11,15%;

Al2O3 = 4,30•0,40 + 2,50•0,35 + 1,10•0,25 = 2,87%;

CaO = 7,40•0,40 + 6,24•0,35 + 4,80•0,25 = 6,34%;

MgO = 5,10•0,40 + 0,92•0,35 + 0,80•0,25 = 2.56%,

Принимаемориентировочносодержаниежелезавчугуне 94%, чтосоставляет 940 кг/тчугуна. Тогда рудная часть должна внести железа:

940 - (30•84,0 + 55,95•8,7) /100 = 909,93 кг,

где 84,0 и 8,7 - содержание железа соответственно в металлодобавках и золе кокса, %:

30- расход металлодобавок, кг/т;

Количество золы, вносимой коксом:

55,95=К•(1-0,01W)•Aс/100=500(1-0,01•2,7)•11,5/100 кг/т.

Ориентировочный расход рудной смеси:

909,93•100/53,25=1708,79кг.

Количество марганца и фосфора, вносимых железорудной смесью, металлодобавками и золой кокса, определяется по известным расходам этих материалов и содержанию элементов в них.

Вносится марганца

= 6,26 кг,

фосфора

= 1,018кг.

Коэффициенты перехода марганца и фосфора в чугун принимаются равными 0,6 и 1,0 соответственно, тогда ориентировочно в чугуне будет содержаться:

марганца 4,43•0,6•100/1000=0,266%;

фосфора 0,845•1,0•100/1000=0,085%,

Основность, т.е.отношение CaO/SiO2 в железорудной смеси, равна:

Успешное ведение доменной плавки по получению кондиционного по сере чугуна возможно приВ=0,9….1,35.

Следовательно, плавка должна вестись при использовании флюса - известняка, вносящего дополнительное количество извести.

1.3 Предварительный расчет состава чугуна и основности шлака

В соответствии с проведенной оценкой материалов принимаем выплавку передельного чугуна марки П2следующего химического состава, согласно таблице 4.

Таблица 4 - Состав чугуна

	Содержание,%
	Si	Mn	P	S	C	Fe
По ГОСТ 805-80	<0,5	0,5-1.0	<0,2	<0,03	-	-
Принято для расчета	0,4	1.0	0,2	0,02	4,4	93,98

Содержание железа определяется по разности:

100 - (0,4+1,0+0,2+0,02+4,40) = 93,98%.

Основность шлака, выраженная отношением CaO/SiO2, находится обычно в пределах 1,2…1,35.

В настоящем примере при S=0,51% (см. таблица 3 - состав кокса) принята основность шлакаВзад = CaO/SiO2=1,1.

1.4 Определение расхода материалов

Для расчета используются характеристики, предлагаемые проф. А.Н. Раммом.

Общий вид уравнений материального баланса для определения расхода материалов:

по выходу чугуна



Pc•?pс+M•?м+И•?и+A•?а=1000.

по основности шлака

Рс•ROрс+М•RОм+И•RОи+А•ROа=0.

где Рс, М, И, А - соответственно расход рудной смеси, металлодобавок, известняка и золы кокса, кг/т чугуна;

?- выход чугуна на 1 кг соответствующем материала, кг/кг;

RO - избыток или извести в соответствующем материале при заданной основности шлака, %.

По составу материалов и принятым для расчета данным вычисляем характеристики (? и RO) для соответствующих материалов путем последовательного заполнения строк таблицы 5.

Таблица 5 Характеристики материалов

Характеристики	Обозначения и расчетная формула	Материал
		Железорудная смесь (Рс)	Металлодобавки (М)	Известняк (И)	Зола кокса (А)
Выход чугуна, кг/кг	?i= Fe?зFe /[Fe]	0,566	0,893	0,004	0,092
Расходуется SiO2 на восстановление Si, %	SiO2`=?i•[Si]*60/28	0,73	1,15	0,005	0,118
Содержится SiO2 в материале, %	SiO	11,15	1,72	1,70	49,10
Переходит SiO2 в шлак,%	SiO2= SiO2- SiO2	10,42	0,57	1,695	48,98
Требуется CaO, %	CaOтр= SiO2•bзад	11,46	0,63	1,86	53,88
Содержится CaO в материале, %	CaO	6,34	-	54,30	6,90
Избыток (недостаток) CaO в материале, %	CaO= CaO-CaOтр	-5,12	-0,63	52,44	-46,98



[Fe], [Si] - содержание Fe и Si в чугуне, %;

зFe = 0,999 - коэффициент перехода железа в чугун.

По рассчитанным характеристикам и известным расходам материалов (металлодобавки и зола кокса) составляются уравнения материального баланса:

0,57•Рс +0,893•20+0,004•И +0,092•55,95 =1000;

-5,12•Рс - 0,63•30 + 52,44•И - 46,98•55,95 =0.

Решение системы уравнений дает Рс=1696.83 кг, И=216,15 кг.

Тогда в рудной смеси содержится:

железной руды 1696,83•0,40=678,7кг,

агломерата 1696,83•0,35=593,9 кг,

окатышей 1696,83•0,25=424,2 кг.

1.5 Определение состава чугуна и шлака

Для расчета состава чугуна и шлака и проверки выполнения принятых условий составляется поверочная таблица расчета шихты (табл.6).

В таблице коксу обычно отводятся две строки: собственно коксу и его золе (при этом составляющие кокса учитываются только один раз: сера - в коксе, минеральные составляющие - в золе кокса).

По расходу и составу материалов определяется количество составляющих, вносимых отдельными материалами, а суммированием по графам вычисляется общее количество составляющих (строка «Всего вносится»).Общие количества отдельных элементов и составляющих, поступающих с шихтой, распределяются между чугуном и шлаком.

Железо. Вносится 947,49кг,

переходит в чугун 947,49•0,999=946,54 кг;

в шлак 947-946,54=0,95 кг в виде 0,95•72/56=1,22 кг FeO.

Марганец. Вносится 6,16 кг, при коэффициенте перехода в чугун, равном 0,6 , перейдет в чугун 6,16•0,6=3,7 кг,

в шлак 6,16- 3,7=2,46 кг в виде 2,46•71/55=3,18кг MnO.

Фосфор. Полностью (0,91 кг) переходит в чугун.

Сера. Вносится 2,99 кг. Переход в чугун принимается по принятому составу чугуна (см. табл.4): 0,02•1000/100=0,2 кг.

При выплавке передельных чугунов переходит в газ до 10% вносимой серы.

Переходит в шлак 2,99-(0,2+2,99•10/100)=2,49 кг.

Углерод. Переход в чугун принимается согласно принятому (4,4% - см. табл.4) - 44кг,

Кремний. Переходит в чугун 4,0 кг (принято 0,4% - см. табл.4).

Кремнезем. Вносится 220,85 кг SiO2. На восстановление 4,0 кг кремния расходуется 4,0•60/28=8.57 кг, переходит в шлак 220,85-8,57=212,28 кг.

Известь, глинозем и магнезия полностью, соответственно 228,81; 64,24 и 45,22 кг переходят в шлак.

Количество составляющих чугуна:

947,49+3,70+0,20+0,94+44,0+4,0=1000,0 кг.

Таблица 6 Поверочная таблица расчета шихты

Материал	Расход	Содержание, %
		Fe	Mn	S	P	C	Si	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	MnO	FeO
Кокс сухой	485,5	-	-	2,38	-	-	-	-	-	-	-	-	-
Рудная смесь	1696,8	903,56	6.11	0,61	1,018	-	-	189,19	48,70	107,58	43,4	-	-
Металлодобавки	30	25,2	0,05	-	-	-	-	0,52	-	-	-	-	-
Известняк	216,15	0,865	-	-	0,063	-	-	3,67	0,43	117,37	0,87	-	-
Зола кокса	55,95	4,868	-	-	0,082	-	-	27,47	15,107	3,86	0,95	-	-
Всего вносится	-	947,49	6,16	2,99	0,91	-	-	220,85	64,24	228,81	45,22	-	-
Переходит в газ	-	-	-	0,29	-	-	-	-	-	-	-	-	-
Переходит в чугун	1000	933,56	3,70	0,20	0,91	44	4	-	-	-	-	-	-
Переходит в шлак	556,2	-	-	2,49	-	-	-	212,28	64,24	228,81	45,22	3,18	1,22

Уточненный химический состав чугуна представлен в таблице 7.

Таблица 7 Химический состав чугуна

По ГОСТ 805-80	Содержание,%
	Si	Mn	P	S	C	Fe
	0,4	1.0	0,2	0,02	4,4	93,98

Количество составляющих (выход) шлака:

Ш = (FеО)+(MnО)+0,5•(S)+(SiO2)+(Al2O3)+(CaO)+(MgO) =

=1,22+3,18+0,5•2,49+212,28+64,24+228,81+45,22=556,2кг/т

Основность шлака:

Взад=CaO/SiO2 =1,1,

расчётная Врасч=228,81/212,28=1,1



2. Расчет материального баланса доменной плавки

2.1 Исходные данные

Материальный баланс доменной плавки составляют для проверки правильности расчета шихты, определения количества дутья и т. д. Расчет материального баланса основан на законе сохранения массы веществ. Зная химический состав шихтовых материалов, их массу, массу и состав чугуна, состав шлака и газа, можно составить приходные и расходные статьи баланса.

Для примерного расчета материального баланса условно примем следующие данные (таблица 8):

Таблица 8 Исходные данные для расчета материального баланса

Наименование	Значение
Относительный расход шихтовых материалов, кг/т чугуна (принят по расчету шихты):
кокс (сухой)	486,5
Рудная смесь	1696,83
Металлодобавки	30
Известняк	216,15
Влажность дутья, г/м3	50,0
Количество шлака, кг/т (принимается согласно расчету шихты)	556,2
Вынос колошниковой пыли, кг/т	60
Состав колошникового газа: 13,0% СО2; 28,0% СО; 0,40% СН4; 2,0% Н2; 56,6% N2.

2.2 Определение количества газа на 1 кг чугуна

1. В 1 м3 колошникового газа сумма СО2 + СО + СН4 составляет (см. табл. 8)

(13,0 + 28,0 + 0,4) : 100 = 0,414 м3,

что в пересчете на углерод равно:

где 22,4 объем одной килограмм-молекулы газа, м3;

атомная масса углерода.

2. Всего на 1 т чугуна вносится коксом нелетучего углерода:

0,487 · 0,860 = 0,419 кг.

3. Переходит в чугун и колошниковую пыль углерода, кг:

= 0,049кг

где 0,075 - доля углерода в колошниковой пыли.

4. Всего в колошниковый газ переходит углерода:

0,418 - 0,049 = 0,369 кг.

5. Образуется сухого газа, м3/кг чугуна:

или

6. Из кокса переходит влаги в колошниковый газ

Тогда влажного газа будет:

2,202+0,014=2,216 кг

2.3 Определение количества дутья

1. В сухом газе азота:

2. Коксом азота вносития:

или

3. Азота вносится дутьем:

0,94-0,132 = 0,808 м3.

4. В 1 м3 дутья содержится влаги:

или

Тогда азота будет:

и кислорода

5. Количество влажного дутья будет равно:

Таким образом, состав дутья будет следующим:

влага

азот

кислород

Всего 1,371 кг.

Данные материального баланса приведены в таблице 9.

Таблица 9 Данные материального баланса

Поступило в печь	кг	Получено из печи	кг
Рудная смесь	1696,83	Чугуна	1000
Металлодобавки	30,00	Шлака	556,2
Известняк	216,15
Кокса влажного	500	Газа влажного	2216,96
Дутья влажного	1373,45	Колошниковой пыли	60
Всего	3816,43	Всего	3833,16
Невязка составляет 0,44%



3. Элементы расчета материального баланса конвертерной плавки

3.1 Исходные данные

Выполнить элементы расчета материального и теплового балансов кислородно-конвертерной плавки с применением скрапа при выплавке заданной марки стали согласно индивидуальному заданию.

В индивидуальном задании указаны:

марка стали;

расходы чугуна и скрапа;

химический состав скрапа.

Остальные данные для расчета принимаются из методических указаний. Расчет ведется на 100 кг металлической завалки (чугун + скрап). Химические составы применяемых шлакообразующих материалов и ферросплавов приведены в таблицах 10, 11.

В расчете приняты:

1. Температура чугуна, заливаемого в конвертер: 1300 оС.

2. Температура стали перед выпуском плавки: 1630 оС.

3. Расход футеровки - 0,3 % от массы садки.

4. Технический кислород содержит 99,5 % О2 и 0,5 % N2.

5. Расход плавикового шпата - 0,3 кг.

6. Потери металла:

с корольками - 0,5 кг;

с выбросами - 1,0 кг.

Таблица 10 - Состав шлакообразующих материалов

Материалы	Состав, %
	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	Fe2O3	Cr2O3	H2О	СО2	CaF2
Известь	2,0	86,0	2,0	2,0	?	?	2,0	6,0	?
Плавиковый шпат	3,0	3,5	?	1,0	?	?	?	6,0	86,5
Футеровка	5,0	2,0	70,0	3,0	8,0	12,0	?	?	?

Таблица 11 - Состав ферросплавов

Наименование ферросплава	Марка	Содержание, %
		C	Mn	Si	P	S	Cr
1. Ферромарганец: среднеуглеродистый	ФMn 1,0	1,0	85,0	2,0	0,3	0,03	?
2. Ферросилиций	ФС 65	?	0,4	65,0	0,05	0,03	?
3. Феррохром -высокоуглеродистый	ФХ 650	6,5	?	2,0	0,03	0,06	65,0

3.2 Определение среднего состава шихты

Исходные данные для расчета приводятся ниже:

Химические составы чугуна, скрапа, готового металла (%), приведенные в таблице 12.

Таблица 12 - Химический состав исходных материалов и продуктов

Наименование материала	С	Si	Mn	P	S	Cr
Чугун	4,4	0,4	0,373	0,111	0,002	-
Скрап	0,35	0,55	0,65	0,03	0,035	-
Готовая сталь 30X (ГОСТ 4543-71)	0,24 ? 0,32	0,17 ? 0,37	0,50 ? 0,80	0,035	0,035	0,80 - 1,10

Количество в шихте, %: чугуна - 79; скрапа - 21.

Определяется средний состав шихты, кг:

С Si Mn P S

Чугун вносит 3,476 0,316 0,295 0,088 0,016

Скрап вносит 0,074 0,116 0,137 0,006 0,007

Средний состав 3,55 0,432 0,432 0,094 0,023

Металл перед

раскислением 0,100 - 0,15 0,015 0,015

Далее приводится методика расчета среднего содержания элемента в шихте на примере углерода:

чугун скрап среднее

вносит вносит содержание

кг

Аналогично производится расчет среднего содержания каждого элемента металлической части шихты.

3.3 Определение угара химических элементов шихты

Поступило Осталось Окислилось

с шихтой в металле

С 3,55 - 0,1 • 0,9 = 3,460

Si 0,432 - 0 = 0,432

Mn 0,432 - 0,15 • 0,9 = 0,297

Р 0,094 - 0,015 • 0,9 = 0,081

S 0,023 - 0,015 • 0,9 = 0,01

Fe (дым) = 1,5

где 0,9 - выход жидкой стали.

Общее количество окислившихся примесей составит 5,780 кг.

3.4 Расчет расхода кислорода на окисление примесей

Атомные и молекулярные веса элементов и оксидов, необходимые для проведения расчетов, приведены в Приложении А.

Принимается, что 10 % углерода окислится до СО2 и 90 % углерода окислится до СО:

Расход кислорода, кг Масса оксида, кг

С > СО2 0,346 • 32 : 12 = 0,923 СО2 1,269

С > СО 3,114 • 16 : 12 = 4,152 СО 7,266

Si > SiO2 0,432 • 32 : 28 = 0,494 SiO2 0,926

Mn > MnO 0,297 • 16 : 55 = 0,086 MnO 0,383

Р > Р2О5 0,081 • 80 :62 = 0,105 Р2О5 0,186

Fe > Fe2O3 1,5 • 48 : 112 = 0,643 Fe2O3 (в дым) 2,143

Общий расход кислорода на окисление примесей и масса образовавшихся оксидов равны соответственно, кг: 6,403 и 12,173.

3.5 Расчет количества и состава конвертерного шлака

Основной составляющей сталеплавильного шлака является СаО, который поступает из извести. Поэтому, сначала рассчитывается расход извести на плавку, зависящий от содержания кремния в шихте.

Расход извести, обозначенный через «Y», определяется по балансу СаО и SiO2 в шлаке для обеспечения заданной основности

В шлак поступило СаО (кг) из:

футеровки 0,3 • 0,02 = 0,006

плавикового шпата 0,3 • 0,035 = 0,011

извести 0,86 Y

_______________________________

0,017 + 0,86 Y

В шлак поступило SiO2 (кг) из:

металлической шихты 0,926

футеровки 0,3 • 0,05 = 0,015

плавикового шпата 0,3 • 0,03 = 0,009

извести 0,02 Y

______________________________

0,950 + 0,02 Y

Составляем и решаем уравнение:

Откуда расход извести Y = 4,187 кг.

Данные расчетов состава шлака (кг) сводятся в таблицу 13.

Принимается содержание оксидов железа в шлаке, равным 13 % FeO и 4 % Fe2O3. Тогда масса оксидов шлака без FeO и Fe2O3 составит 83 %, а масса шлака без оксидов железа - 5,917 кг (таблица 13).

Далее рассчитывается масса шлака, равная 5,917 : 0,83 = 7,129 кг, в том числе 0,927 кг FeO и 0,285 кг Fe2O3 .

На основе известного количества шлака можно рассчитать содержание отдельных составляющих (кг, %) (таблица 14).

Таблица 13 - Источники и состав шлака

Источники шлака	Содержание, кг
	SiO2	CaO	МgO	Al2O3	Cr2O3	S	MnO	P2O5	Fe2O3	CaF2
1	Металлошихта	0,926	?	?	?	?	0,01	0,383	0,186	?	?
2	Футеровка	0,015	0,006	0,210	0,009	0,036	?	?	?	0,024	?
3	Плавиковый шпат	0,009	0,011	?	0,003	?	?	?	?	?	0,26
4	Известь	0,084	3,601	0,084	0,084	?	?	?	?	?	?
Итого	1,034	3,618	0,294	0,096	0,036	0,01	0,383	0,186	0,024	0,26



Таблица 14 - Состав конечного шлака

Компоненты конечного шлака	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	S	MnO	P2O5	Fe2O3	FeO	Cr2O3	CaF2	Сумма
кг	1,034	3,618	0,294	0,096	0,01	0,383	0,186	0,285	0,927	0,036	0,26	7,129
%	14,50	50,75	4,12	1,35	0,14	5,37	2,61	4,00	13,00	0,51	3,65	100

3.6 Расчет выхода жидкой стали

В кислородно-конвертерном процессе возможны потери металла с угаром химических элементов, выбросами, выносами и корольками в шлаке.

При этом в шлак переходит оксидов железа, кг:

Fe2O3 0,285 - 0,024 = 0,261

FeO 0,927 ,

и поступит железа из металла в шлак, кг:

0,927 • 56 : 72 + 0,261 • 112 : 160 = 0,721+0,183 = 0,904.

Выход жидкой стали составит, кг:

100 - 5,78 - 0,5 - 1,0 - 0,904 = 91,816,

где 5,780 - угар примесей шихты, кг;

0,5 - количество железа, запутавшегося в шлаке в виде корольков, кг;

1,0 - потеря железа с выбросами, кг;

0,904 - угар железа на образование оксидов железа в шлаке, кг.

3.7 Общий расход кислорода на плавку

Как уже было подсчитано ранее, расход кислорода на окисление примесей металлошихты составил 6,403 кг. Однако существует дополнительный расход кислорода, в том числе на окисление железа, равный

(0,927 - 0,721) + (0,261 - 0,183) = 0,284.

Всего потребуется кислорода на окисление химических элементов:

6,403 + 0,284 = 6,687 кг

В техническом кислороде содержится 99,5% кислорода и 0,5% азота. Количество азота составит:

6,687 • 0,005 = 0,033 кг.

Принято, что ванной усваивается 95 % поступающего кислорода. Количество неусвоенного кислорода составит:

(6,687 - 0,033) • 0,05 = 0,333 кг.

Масса технического кислорода, поступающего в конвертер, составит (на 100 кг металлозавалки):

6,687 + 0,033 + 0,333 = 7,053 кг,

или

7,053 • 22,4 : 32 = 4,927 м3 (49,27 м3/т).

3.8 Расчет количества и состава газов

Из ранее проведенных расчетов составляется таблица 15 количества и состава газов.

Таблица 15 - Количество и состав газов

Составляющие	Содержание
	кг	м3	%
СО2	0,378 + 0,018 + 1,269 = 1,665*	0,848	12,07
СО	7,266	5,813	82,75
H2О	0,084	0,105	1,50
O2	0,333	0,233	3,32
N2	0,033	0,026	0,37
Итого	9,381	7,025	100,00

* Общее количество СО2, поступившее из извести и плавикового шпата; и полученное от окисления углерода.



3.9 Материальный баланс плавки до раскисления

На основании произведенных расчетов, составляется материальный баланс плавки, представленный в таблице 16.

Таблица 16 - Материальный баланс плавки

Поступило	кг	Получено	кг
Жидкий чугун	79	Жидкая сталь	91,816
Скрап	21	Шлак	7,129
Плавиковый шпат	0,3	Корольки в шлаке	0,5
Известь	4,187	Выбросы	1,0
Размыв футеровки	0,30	Газы	9,381
Технический кислород	7,053	Fe2O3 (дым)	2,143
Итого	111,84	Итого	111,969
Невязка составляет 0,115 %



4. Раскисление и легирование стали

Раскисление - это процесс удаления излишнего кислорода из металла различными способами.

Легирование - это операция присадки в сталь легирующих элементов для придания ей каких-либо особых физико-химических или механических свойств (твердость, жаропрочность и т.д.).

В качестве примера производится расчет раскисления стали марки 30Х, химический состав которой приведен в таблице 12.

Как было принято ранее, в металле перед раскислением содержится с учетом выхода жидкого металла (90 %), кг:

С = 0,20 • 0,9 = 0,18; Mn = 0,15 • 0,9 = 0,135; Si = 0;

S = 0,015 • 0,9 = 0,0135; Р= 0,015 • 0,9 = 0,0135.

Необходимое количество каждого ферросплава определяется по формуле

, кг

где [%Э]г.с. ? среднее содержание элемента в готовой стали, %;

[%Э]п.р. ? содержание элемента в металле перед раскислением, %;

[%Э]ф. ? содержание элемента в ферросплаве, %;

У - угар элемента, %.

В дальнейших расчетах принят следующий угар элементов, %:

С - 15; Si - 25; Mn - 20; Cr - 15; V - 15; Ti - 90; Ni - 0.

Расходы ферромарганца и ферросилиция с учетом их химического состава, приведенного в таблице 11, и угара будут равны:

1,05кг,

Количество элементов, вносимых ферросплавами (кг), приведено в таблице 17.

Тогда выход жидкой стали, после раскисления, составит:

91,816 + 2,39 = 94,196 кг.

Угар раскислителей: 1,537+ 1,05 + 0,554 - 2,39= 0,751 кг.

Проверка химического состава готовой стали, приведена в таблице 18.

Полученный химический состав готовой стали, соответствует пределам, предусмотренным ГОСТ 4543-71. Окончательный материальный баланс представлен в таблице 19.

Таблица 17 - Количество элементов, внесенных в металл

Элемент	Вносится ферромарганцем	Вносится ферросилицием	Вносится феррохромом	Всего
С	0,005	?	0,085	0,09
Mn	0,364	0,002	-	0,366
Si	0,008	0,270	0,025	0,303
Р	0,002	следы	следы	0,002
Fе	0,073	0,191	0,406	0,67
Cr	-	-	0,95	0,95
Итого	0,452	0,463	1,466	2,38

Таблица 18 - Состав готовой стали

Наименование	C	Mn	Si	P	S	Сr	Fe	Всего
Металл перед раскислением, кг	0,18	0,135	0	0,0135	0,0135	0	91,474	91,816
Вносятся ферросплавами, кг	0,09	0,366	0,303	0,002	0	0,95	0,67	2.38
Всего: кг	0,27	0,501	0,303	0,0155	0,0135	0,95	92,144	94,196
%	0,29	0,531	0,321	0,016	0,014	1,008	97,82	100



Таблица 19 - Материальный баланс плавки

Поступило	кг	Получено	кг
Жидкий чугун	79	Жидкая сталь	94,196
Скрап	21	Шлак	7,129
Плавиковый шпат	0,3	Корольки в шлаке	0,5
Известь	4,187	Выбросы	1,0
Размыв футеровки	0,30	Газы	9,483
Технический кислород	7,053	Fe2O3(дым)	2,143
Раскислители	3,141	Угар раскислителей	0,751
Всего	114,981	Всего	115,202
Невязка составляет 0,02%



5. Тепловой баланс плавки

В кислородно-конвертерном процессе нагрев металла до заданной температуры осуществляется за счет внутренних источников тепла: физического и химического тепла чугуна и теплоты шлакообразования.

Согласно заданию даны расход чугуна, их химический состав, ранее произведены расчеты, необходимые для составления теплового баланса, который содержит приходную и расходную части.

5.1 Приход тепла

Физическое тепло жидкого чугуна.

Физическое тепло жидкого чугуна может быть определено по формуле:

Q = Gчуг•[C • t + gчуг+ (tчуг - t) • Cчуг] ,

где C ? средняя теплоемкость чугуна до температуры плавления, равная 0,75 кДж/кг • град;

- температура плавления чугуна, равная 1200 оС;

gчуг - скрытая теплота плавления чугуна, равная 217,9 кДж/кг;

tчуг - температура заливаемого в конвертер чугуна, равная 1300 оС;

Счуг - теплоемкость жидкого чугуна, равная 0,92 кДж/кг • град;

Gчуг - количество жидкого чугуна в металлошихте, равное 79 кг.

Q1 =79 • [0,75 • 1200 +217,9 + (1300 - 1200) • 0,92] = 95582 кДж.

Тепло экзотермических реакций.

На основании данных таблицы 15 и тепловых эффектов реакций окисления элементов производится расчет количества тепла, приведенный в таблице 20.



Таблица 20 ? Химическое тепло реакций окисления элементов

Элемент-оксид	Тепловой эффект реакции окисления на 1 кг элемента, кДж	Выгорело элементов, кг	Расчет	Вносится тепла, кДж
С > СО2	34094	0,346	34094 • 0,346	11796,524
С > СО	10458,2	3,114	10458,2• 3,114	32566,835
Si > SiO2	30913,8	0,432	30913,8• 0,432	13354,762
Mn > MnO	7018,3	0,297	7018,3 • 0,297	2084,435
P > P2O5	24327,1	0,081	24327,1•0,081	1970,495
Fe > Fe2O3	7374,4	0,183	7374,4 • 0,183	1349,515
Fe > FeO	4826,9	0,721	4826,9 • 0,721	3480,195
Fe > Fe2O3 (дым)	7374,4	1,500	7374,4 • 1,500	11061,6
Итого				77664,361

Тепло шлакообразования.

Считается, что все количество SiO2, P2O5 и Fe2O3 связано в соединения (CaO)2SiO2, (CaO)4P2O5 и Fe2O3 с выделением тепла в количестве 137432, 691350 и 211176 кДж/кг моль соответственно.

Qшл= 1,034 : 60 • 137432 + 0,186 : 142 • 691350 + 0,285 : 160 • 211176 = 3650,14 кДж.

Итого приход тепла составит:

Qприх = 95582+ 77664+ 3650 = 176897кДж.

5.2 Расход тепла

Физическое тепло стали.

Физическое тепло стали Q1 можно определить по уравнению

Q1 = Мст• [C • tпл + qпл + C• (tст - tпл)],



где C - средняя теплоемкость стали до температуры плавления, равная 0,7 кДж/кг • град;

tпл - температура плавления стали, оС;

qпл - скрытая теплота плавления стали, равная 272,4 кДж/кг;

C- теплоемкость жидкой стали, равная 0,84 кДж/кг • град;

tст - температура стали на выпуске из конвертера, оС;

Мст- выход жидкой стали до раскисления, равный 91,816 кг;

0,5 и 1,0 - потеря металла с корольками и выбросами соответственно, кг.

Q1 = (91,816 + 0,5 + 1,0) • [ 0,7 • 1535 +272,4 + 0,84 • (1630 - 1535)] = 133134кДж.

Физическое тепло шлака

Физическое тепло шлака Q2 определяется из выражения

Q2 = М шл•(Cшл•tшл+ qшл),

где Мшл - выход шлака, равный 7,129 кг;

Cшл- средняя теплоемкость шлака, равная 1,2 кДж/кг • град;

tшл - температура шлака, принятая равной выше температуры металла на выпуске на 10 оС, т.е. 1640 оС;

qшл - скрытая теплота плавления шлака, равная 209,5 кДж/кг;

Q2 = 7,129•(1,2•1640 + 209,5) = 15523 кДж .

Потеря тепла конвертером принимается равной 1,5 % от прихода тепла (обычно 1,5 - 4 %).

Q3 =176897• 0,015 = 2654 кДж.

Тепло, уносимое частицами Fe2O3 (дым)

,



где - количество частиц пыли, Fe2O3 (дым), кг;

- теплоемкость пыли, равная 1,23 кДж/кг • град;

- температура частиц пыли, оС;

Q4 =2,143• 1,23 • 1465 = 3862 кДж.

Тепло, уносимое дымовыми газами

Тепло, уносимое дымовыми газами (Q5) определяется как

Q5 = ? (Cгаз • Vгаз • tгаз),

где Cгаз - теплоемкость газа, кДж/ м3 •град;

Vгаз - объем газа, м3;

tгаз- температура отходящих газов, принятая равной 1465оС.

СО2 1,48 • 0,848•1465 = 1838

СО 2,34 • 5,813 •1465 = 19928

H2O 1,84 • 0,105•1465 = 283

О2 1,54 • 0,233 •1465 =526

N2 1,44 • 0,026•1465 = 55

Суммарное количество тепла, уносимое отходящими газами,

Q5 =22630 кДж.

Итого расход тепла составит:

Qрасх = 133134 + 15523 + 2654+ 3862 + 22631 = 177804кДж.

Избыток тепла:

Qизб = Qприх ? Qрасх = 176897 -177804 = -907 кДж.

Тепловой баланс плавки приведен в таблице 21.



Таблица 21 ? Тепловой баланс плавки

Приход	кДж	%	Расход	кДж	%
Физическое тепло чугуна	95582	54,03	Физическое тепло жидкойстали	133134	75,26
Тепло экзотермических реакций	77664	43,90	Физическое тепло шлака	15523	8,78
Тепло шлакообразования	3650	2,06	Потери тепла с газами	22630	12,79
			Потери тепла через футеровку и горловину	2654	1,50
			Потери тепла с частицами Fe2O3	3862	2,18
			Недостаток тепла	-907	-0,51
Итого	176896	100,00	Итого	176896	100,00



Список литературы

1. Металлургия чугуна / Е.Ф. Вегман [и др.]; под ред. Ю.С. Юсфина. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2004. - 774 с.

2. Воскобойников В.Г. Общая металлургия / В.Г. Воскобойников, В.А. Кудрин, А.М. Якушев. - М.: ИКЦ «Академкнига», 2002. - 768 с.

3. Кудрин В.А. Теория и технология производства стали: учебник для вузов / В.А. Кудрин. - М.: «Мир», ООО «Издательство АСТ», 2003. - 528 с.: ил.

4. Коминов С. В. Теория и технология металлургии стали: Производство стали [Электронный ресурс] : учебное пособие / С. В. Коминов, М. П. Клюев. - М. :МИСиС, 2010. - Режим доступа: http://www.studentlibrary.ru/book/ISBN9785876233622.html

5. Основы металлургическогои литейного производства [Электронный ресурс]: учебное пособие / С.В. Беляев, И.О. Леушин. -- Электрон.дан. - Ростов н/Д : Феникс, 2016 -- Режим доступа:http://www.studentlibrary.ru/book/ISBN9785222247402.html(дата обращения 01.03.2018).

6. Дюдкин Д.А. Производство стали. Том 1. Процессы выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки / Д.А. Дюдкин, В.В. Кисиленко. - М.: «Теплотехник», 2008. - 528 с.

7. Дюдкин Д.А. Производство стали. Том 2. Внепечная обработка жидкого чугуна / Д.А. Дюдкин, В.В. Кисиленко. - М.: «Теплотехник», 2008. - 400 с.

Размещено на Allbest.ru

...