Старооскольский технологический институт им. А.А. Угарова

Старооскольский технологический институт им. А.А. Угарова

(филиал) Федерального государственного автономного образовательного

учреждения высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

 

Кафедра металлургии и металловедения им. С.П. Угаровой

 

Малахова О.И., Харламов Д.А.

Металлургия

Методическое пособие к практическим занятиям по дисциплине

«Металлургия» для студентов специальности 080200­­­­­­–

«Менеджмент»

 

 

одобрено редакционно-издательским советом института

 

Старый Оскол

2014 г.

 

 

Содержание

 

Введение
1. Расчёт основных размеров дуговой сталеплавильной печи
2. Расчёт фурмы кислородного конвертера
3. Расчет равновесного содержания углерода в металле
4. Расчет дефосфорации стали
5. Расчет десульфурации стали
6. Определение расхода инертного газа для удаления водорода и азота
7. Расчет удаления неметаллических включений под действием гравитационных сил
8. Продолжительность полного затвердевания стального слитка
Литература
Приложения

 

Введение

 

Цель курса «Металлургия» - сформировать у студентов понимание теоретических и технологических основ современных способов производства чугуна и стали.

В курсе рассматривается история развития металлургии, конструкции наиболее распространённых агрегатов, технология получения чугуна и стали, внепечная обработка и разливка стали, способы повышения технико-экономических показателей работы печей, теоретическое описание наиболее важных физико-химических процессов, проблемы и перспективы развития металлургии, её роль в экономике страны.

Основная задача курса – развить техническое мышление студентов, показать роль знания основ технологии в повышении эффективности управления металлургическим производством и улучшении его экономических показателей.

В результате изучения теоретического курса и выполнения домашних заданий студенты должны:

1. Знать устройство доменной печи, установки металлизации, конвертера, мартеновской печи, дуговой сталеплавильной печи.

2. Знать технологию производства чугуна, металлизованных окатышей и стали.

3. Понимать сущность и особенности протекающих в этих агрегатах процессов.

4. Знать основные направления совершенствования технико-экономических показателей работы печей.

5. Уметь рассчитывать шихту, тепловой и материальный балансы печей.

6. Понимать роль технологических знаний в чёрной металлургии для специальности «Экономика и управление на предприятии».

 

Исходные данные

1. Состав металла: С = 0, 2%; Si = 0, 25%; Ni = 0, 3%; Cr = 0, 04%;

P = 0, 04%.

2. Состав шлака: 45 % CaO, 20 % SiO₂, 7 % MnO, 6 % MgO,

5 % Аl₂О₃, 16 % FeO, 0, 05 % P₂O₅.

 

Решение

По формуле (7.4) вычислим равновесный коэффици­ент распределения фосфора Lк. Для этого предварительно вычислим величины .

Вычислим значение при 1873К:

Выразим состав шлака в мольных ( ) или в ионных ( ) до­лях. Для этого предварительно вычислим число молей оксидов и число катионов в 100 г шлака. Результаты расчетов приведе­ны ниже: 45% CaO, 20% SiO₂, 7% MnO, 6% MgO, 5% Аl₂О₃, 16% FeO, 0, 05 % P₂O₅

 

 

 

 

 

 

Состав, %	45% CaO	20% SiO2	16% FeO	7% MnO	6% MgO	5% Аl2О3	0, 05 % PO2, 5
	47/56=0, 84	0, 333	0, 222	0, 113	0, 2	0, 049	0, 197
	0, 43	0, 17	0, 114	0, 058	0, 102	0, 025	0, 101
	33, 57/40=0, 84	0, 333	0, 222	0, 113	0, 2	0, 098	0, 197
	0, 42	0, 166	0, 111	0, 056	0, 1	0, 048	0, 098

 

 

Зная ионные доли компонентов шлака, по формулам определим значения и при 1873 К:

Значение определим по параметрам взаимодействия:

Состав металла: С = 0, 3%; Cr = 0, 95%; Mn = 0, 95%; Si = 1%;

Ni = 0, 3%; Cu = 0, 3%; 0, 035 % Р.

40ХФА (С = 0, 4 %; Si = 0, 25 %; Mn = 0, 65 %; V = 0, 14 %;

Cu = 0, 3 %; Ni = 0, 3 %; Cr = 1, 0 %; P = 0, 025 %; S = 0, 025 %).

.

Вычислим :

.

По известному значению определим конечную концентрацию фосфора в металле при λ =5 %:

.

где (31/71) - величина в выражении (% Р) = (31/71)(% P₂O₅)

Степень дефосфорации равна:

.

В реальных условиях степень дефосфорации на 20 % ниже, т.к. условия реального процесса отличаются от равновесных.

 

 

Исходные данные для самостоятельного решения

Построить графики зависимости степени дефосфорации от кратности шлака и содержания в нем (FeO).

 

№ Вар	Марка стали	% CaO	% SiO2	% FeO	% PO2, 5	% Аl2О3	Кратность шлака λ	[P]н, %	Т, °С
1.	ШХ15	45, 6	23, 61	10, 14	0, 04	15, 65		0, 04
2.		50, 83	24, 49	8, 95	0, 05	10, 73	3, 7	0, 05
		45, 64	24, 42	14, 23	0, 06	10, 71	3, 8	0, 044
	08Ю	43, 71	22, 64	11, 75	0, 07	16, 9	3, 9	0, 052
	40ХМ			6, 24	0, 08	13, 76	3, 5	0, 048
	ШХ15СГ	48, 43	27, 75	5, 55	0, 09	13, 27	5, 2	0, 039
	15Г2С	45, 58	23, 26	7, 7	0, 1	18, 46		0, 037
8.		44, 27	22, 39	10, 19	0, 03	18, 15	4, 1	0, 035
9.		44, 64		11, 13	0, 025	12, 23	4, 2	0, 034
10.	20Г	46, 88	30, 52	13, 72	0, 04	3, 88	4, 3	0, 047

Решение

По формуле (8.1) вычислим . Для этого предварительно найдем и значение . Расчет величины зависит от содержания элементов – раскислителей (Mn, Si, Al) в стали. Для нераскисленной стали величина определяется содержанием углерода, согласно экспериментальной зависимости:

= 0, 00252 + 0, 0032/[C].

Исходные данные для самостоятельного решения

Для построения зависимостей h =f( [S]_н), принимать значения [S]_н = 0, 04; 0, 03; 0, 02; 0, 015; 0, 01 при Т= 1600°С (для всех вариантов), а для зависимости h = f(Т) – значения Т = 1650, 1625, 1595, 1580, 1570 °С при [S]_н =0, 025 (для всех вариантов). Раскислитель – кремний.

 

№ Вар	Марка стали	% CaO	% SiO2	% MgO	% Аl2О3	Кратность шлака λ
1.	ШХ15	45, 6	23, 61	10, 14	15, 65
2.		50, 83	24, 49	8, 95	10, 73	3, 7
		45, 64	24, 42	14, 23	10, 71	3, 8
	08Ю	43, 71	22, 64	11, 75	16, 9	3, 9
	40ХМ			6, 24	13, 76	3, 5
	ШХ15СГ	48, 43	27, 75	5, 55	13, 27	5, 2

Сделать выводы по расчетам: как влияет начальное содержание серы (чистота шихты), температура металла и окисленность стали (а₀) на степень десульфурации?

 

Исходные данные

1. Плотность глинозема р_в = 3, 97 · 10³ кг/м³, жидкой при 1873 К силикатной частицы р` = 2, 5 ·10³ кг/м³, стали р_м = 7, 15 · 10³ кг/м³; температура плавления глинозема 2288 К.

2. Вяз­кость стали при 1873 К η _м= 6 · 10³ Па-с, силикатной системы η _в=5 · 10^-1 Па-с.

3. Размеры включений 10, 20 и 50 мкм.

Решение

 

В случае всплывания твердых (при 1873 К) включений глинозема (Аl₂О₃) можно воспользоваться формулой (14.1). Частицы глинозема в металле, как правило, не имеют округлой формы, откло­нение формы включений от сферической может заметно влиять на ско­рость их подъема. В случае одинакового объема наименьшее сопротив­ление испытывают округлые частицы. Для включений неправильной формы в знаменатель уравнения (14.1) вводят поправочный коэффици­ент к (к=6 для частиц Аl₂О₃).

Далее будет показано, в каком интервале скоростей движения вклю­чения размером 5·10^-5 м (50 мкм) в спокойном металле выполняет­ся формула (14.1), т.е. , где d - характеристичес­кий размер, равный диаметру частицы:

 

м/с (14.3)

 

Скорость подъема частицы глинозема размером 10 мкм равна:

 

м/с

В соответствии с неравенством (14.3) полученное значение скорости удовлетворяет условию Re < 1 и для частиц такого размера можно при­менять уравнение Стокса. Аналогичным образом подсчитываем скоро­сти всплывания частиц размером 20 и 50 мкм, равные соответственно 0, 2·10^-4 и 1, 3 ·10^-4 м/с.

Рассчитаем теперь скорость всплывания жидкого (при 1873 К) сили­катного включения размером 10 мкм по формуле (14.2)

м/с.

Для частиц ·размерами 20 и 50 мкм по уравнению (14.2) получим соответственно скорости всплывания, равные 1, 6·10^-4 и 1·10^-3 м/с. В случае силикатного включения и η _в≥ η _м поправочный множитель в уравнении Рыбчинского — Адамара равен 1/3, поэтому формула (14.2) переходит в формулу (14.1). Проведенный расчет пока­зывает, что жидкие силикатные включения в спокойном металле всплывают несколько быстрее твердых частиц глинозема, что связано с их меньшей плотностью и сферической формой.

Примечание. В металлургических агрегатах в условиях интенсивно­го перемешивания металла доставка неметаллических включений к по­верхности ванны осуществляется преимущественно конвективными по­токами. Гравитационные силы в основном играют роль при переходе частиц через тонкий слой металла, непосредственно прилегающий к границе раздела металл — шлак, где вертикальная составная скорости конвективных потоков практически равна нулю.

 

Исходные данные

1. Отношение высоты тела слитка к среднему диаметру H/D_ср = 3, 0.

2. Изложница расширена кверху с конусно­стью 6 %. Донная часть слитка имеет форму полусферы.

3. Плот­ность жидкой стали r = 7650 кг/м³.

4. Скрытая удельная теплота кристаллизации 245 кДж/кг.

5. Удельная массовая теплоемкость 565 Дж/(кг · К).

6. Температурный интервал кристаллизации 160 К. Перегрев над температурой ликвидуса DТ_л = 100 К.

7. Коэффициент теп­лопроводности 30 Вт/(м · К),

8. Средний перепад температуры меж­ду поверхностью слитка и стенкой изложницы DТ_с-и = 275 К.

9. Критерий Био равен 0, 74.

 

Решение

Объем тела слитка V_т = (100-16)/7650 = 1, 1 · 10^-2 м³. Коэффициент n = (α ·K)/100 = (3 · 6)/100 =0, 18.

Средний радиус слитка

м.

Продолжительность полного затвердевания составит:

1490 с=19 мин.

 

Исходные данные для самостоятельного решения

№Вар	Мсл, кг	Мг, кг	H/Dср	DТл, К	DТс-и, К
1.			2, 8
2.			2, 9
3.			3, 0
4.			3, 1
5.			3, 2
6.			3, 3
7.			3, 5

 

Литература

 

1. Общая металлургия. Воскобойников В. Г., Кудрин В. А., Якушев А. М. - 6-изд., перераб. и доп. -М: ИКЦ Академкнига, 2005. - 768 с.

2. Дюдкин, Д. А. Современная технология производства стали [Text] / Д.А.Дюдкин, В.В.Кисиленко. - М: Теплотехник, 2007. - 528 с.

3. Дюдкин, Д. А. Производство стали [Текст] / Д.А. Дюдкин.
Т.2: Внепечная обработка жидкого чугуна / Д.А.Дюдкин, В.В.Кисиленко. - М.: Теплотехник, 2008. - 400 с.

4. Дюдкин, Д. А. Производство стали [Текст] / Д.А. Дюдкин.
Т.1: Процессы выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки стали / Д.А. Дюдкин, В.В. Кисиленко. -М: Теплотехник, 2008. - 528 с.

5. Дюдкин, Д. А. Производство стали [Текст] / Д.А. Дюдкин.
Т.4: Непрерывная разливка металла / Д.А. Дюдкин, В.В. Кисиленко, А.Н.Смирнов. - М.: Теплотехник, 2009. - 528 с.

6. Петелин А.Л., Михалина Е.С. Термодинамика и кинетика металлургических процессов - МИСиС, Москва, 2005, 92 с. http: //www.iqlib.ru/

7. Людаговский А.В.Современные методы металлургического производства РГОТУПС, Москва, 2005, 42 с. http: //www.iqlib.ru/

 

Приложения

Таблица 1. Параметры взаимодействия первого порядка е ·100 в железе при 1873 К

 

элемент i	элемент j
Al	B	C	Ca	Co	Cr	Cu	H	Mn	Mo	N	Nb
Al	4, 5	-	9, 1	-4, 7	-	-	-		-	-	-5, 8	-
B	-	3, 8		-	-	-	-		-	-	7, 4	-
C	4, 3			-9, 7	0, 76	-2, 4	1, 6		-1, 2	-0, 83		-6
Ca	-7, 2	-	-34	(-0, 2)	-	-	-	-	-	-	-	-
Co	-	-	2, 1	-	0, 22	-2, 2	-	-14	-	-	3, 2	-
Cr	-	-	-12	-	-1, 9	-0, 03	1, 6	-33	-	0, 18	-19	-
Cu	-	-	6, 6	-	-	1, 8	2, 3	-24	-	-	2, 6	-
H	1, 3			-	0, 18	-0, 22	0, 05		-0, 14	0, 22	-	-0, 23
Mn	-	-	-7	-	-	-	-	-31		-	-9, 1	-
Mo	-	-	-9, 7	-	-	0, 03	-	-20	-	-	-10	-
N	-2, 8	9, 4		-	1, 1	-4, 7	0, 9	-	-2	-1, 1		-6
Nb	-	-	-49	-	-	-	-	-61	-	-	-42	(0)
Ni	-	-	4, 2	-6, 7	-	-0, 03	-	-25	-	-	2, 8	-
O	-390	-260	-45	-	0, 8	-4	-1, 3	-310	-2, 1	0, 35	5, 7	-14
P	-	-		-	-	-3	2, 4			-	9, 4	-
Pb	2, 1	-	6, 6	-			-2, 8	-	-2, 3		-	-
S	3, 5			-	0, 26	-1, 1	-0, 84		-2, 6	0, 27		-1, 3
Si	5, 8			-6, 7	-	-0, 03	1, 4		0, 2	-		-
Sn	-	-		-	-	1, 5	-		-	-	2, 7	-
Ta	-	-	-37	-	-	-	-	-440	-	-	-47	-
Ti	-	-	-	-	-	5, 5	-	-110	-	-	-180	-
V	-	-	-34	-	-	-	-	-59	-	-	-35	-
W	-	-	-15	-	-	-	-	8, 8	-	-	-7, 2	-
Zr	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-	-410	-

 

Таблица 2. Параметры взаимодействия первого порядка е ·100 в железе при 1873 К

 

элемент i	элемент j
Ni	O	P	Pb	S	Si	Sn	Ta	Ti	V	W	Zr
Al	-	-660	-	0, 65		0, 56	-	-	-	-	-	-
B	-	-180	-	-	4, 8	7, 8	-	-	-	-	-	-
C	1, 2	-34	5, 1	0, 79	4, 6		4, 1	-2, 1	-	-7, 7	-0, 56	-
Ca	-4, 4	-	-	-	-	-9, 7	-	-	-	-	-	-
Co	-	1, 8	-	0, 3	0, 11	-	-	-	-	-	-	-
Cr	0, 02	-14	-5, 3	0, 83	-2	-0, 43	0, 9	-	5, 9	-	-	-
Cu	-	-6, 5	4, 4	-0, 56	-2, 1	2, 7	-	-	-	-	-	-
H		-19	1, 1	-	0, 8	2, 7	0, 53	-2	-1, 9	-0, 74	0, 48	-
Mn	-	-8, 3	-0, 35	-0, 29	-4, 8		-	-	-	-	-	-
Mo	-	-0, 07	-	0, 23	-0, 05	-	-	-	-	-	-	-
N			4, 5	-	0, 7	4, 7	0, 7	-3, 2	-53	-9, 3	-0, 15	-63
Nb	-	-83	-	-	-4, 7	-	-	-	-	-	-	-
Ni	0, 09		-0, 35	-0, 23	-0, 37	0, 57	-	-	-	-	-	-
O	0, 6	-20		-	-13, 3	-13, 1	-1, 11	-	-60	-30	0, 85	-300
P	0, 02		6, 2	1, 1	2, 8		1, 3	-	-	-	-	-
Pb	-1, 9	-	4, 8	-	-32	4, 8	5, 7	-	-	-		-
S		-27		-4, 6	-2, 8	6, 3	-0, 44	-0, 02	-7, 2	1, 6	0, 97	-5, 2
Si	0, 5	-23			5, 6		1, 7	-	-	2, 5	-	-
Sn	-	-11	3, 6	3, 5	-2, 8	5, 7	0, 16	-	-	-	-	-
Ta	-	-	-	-	-2, 1	-	-	-	-	-	-	-
Ti	-	-180	-	-	-11	-	-	-	1, 3	-	-	-
V	-	-97	-	-	-2, 8	4, 2	-	-	-	1, 5	-	-
W	-	5, 2	-	0, 05	3, 5	-	-	-	-	-	-	-
Zr	-	-	-	-	-16	-	-	-	-	-	-	-

 

 

Старооскольский технологический институт им. А.А. Угарова

(филиал) Федерального государственного автономного образовательного

учреждения высшего профессионального образования

«Национальный исследовательский технологический университет «МИСиС»

 

Кафедра металлургии и металловедения им. С.П. Угаровой

 

1234567Следующая ⇒

Поделиться:

Популярное:

1. I. Выберите правильную форму глагола, согласующуюся с подлежащим. Запишите составленные предложения, переведите их на русский язык.
2. I. Технологический регламент проведения аттестации сварщиков
3. STM32 с нуля. Таймеры. Генерация ШИМ.
4. А.А. Григорьев – литературный и театральный критик и публицист.
5. А.А. Чепик, главный специалист по направлению СМТ
6. А.К. ГАСТЕВ И ЦЕНТРАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ ТРУДА
7. А.П. КИСЕЛЕВ, А.А. КРАШЕНИННИКОВ, А.А. ФАТИНА
8. АДВОКАТУРА В СИСТЕМЕ ИНСТИТУТОВ ГРАЖДАНСКОГО ОБЩЕСТВА
9. АЗОВСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ - ФИЛИАЛ ДГТУ
10. АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ
11. АНО ВО «Международный банковский институт»
12. АНО ВО «НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИНСТИТУТ БИЗНЕСА