ТЕХНОЛОГИЯ И РАСЧЕТ ПЛАВКИ СТАЛИ В КИСЛОРОДНЫХ

Стр 1 из 6Следующая ⇒

ТЕХНОЛОГИЯ И РАСЧЕТ ПЛАВКИ СТАЛИ В КИСЛОРОДНЫХ

КОНВЕРТЕРАХ

Проверил: Шаповалов А.Н.

Новотроицк - 2010

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.. 4

1 Основные положения технологии выплавки стали в кислородных конвертерах. 5

1.1. Технология выплавки стали в конвертерах с верхней продувкой. 5

1.2. Технология выплавки стали в конвертерах с донным дутьем.. 7

1.3. Технология плавки стали в конвертерах с комбинированным дутьем.. 8

1.4. Особенности проведения расчета кислородно-конвертерной плавки. 9

2. Задание на выполнение расчета плавки стали в конвертере с верхней подачей дутья. 9

3. Определение параметров плавки в конце продувки. 11

4. Определение расхода лома на плавку. 13

5 Расчет окисления примесей металлической шихты.. 14

6 Расчет количества и состава шлака. 18

7 Расчет расхода дутья. 21

8 Расчет выхода жидкой стали перед раскислением и составление материального баланса плавки 23

9 Составление теплового баланса плавки и определение температуры металла. 25

9.1. Приходные статьи теплового баланса. 25

9.2. Расходные статьи теплового баланса. 26

10 Расчет раскисления и ее химического состава. 28

11 Расчет расхода материалов на всю плавку и выхода продуктов плавки. 32

12 Определение удельной интенсивности продувки, продолжительности плавки и производительности агрегата. 33

13 Оформление пояснительной записки. 34

Вопросы для самопроверки. 35

Рекомендуемая литература. 35

Приложение 1. Варианты заданий для выполнения контрольнй работы.. 36

Приложение 2. Химический состав сталей. 37

ВВЕДЕНИЕ

В настоящее время выплавка стали в кислородных конвертерах является наиболее распространенным и прогрессивным способом ее производства. Это связано с высокой производительностью агрегатов, относительной простотой их конструкции, высоким уровнем автоматизации процессов, гибкостью технологии плавки, позволяющей в сочетании с внеагрегатной обработкой и непрерывной разливкой получать сталь высокого качества и широкого сортамента.

Технология плавки стали в конвертере является важным звеном производственного процесса и определяет его основные технико-экономические показатели. Она состоит из совокупности различных операций, приемов и методов, выполняемых в определенной последовательности и сочетании для получения жидкого металла высокого качества.

Классический кислородно-конвертерный процесс представляет собой выплавку стали из жидкого чугуна с добавкой лома в конвертере с основной футеровкой и продувкой кислородом сверху через водоохлаждаемую фурму.

По своей сущности выплавка стали представляет из себя сложный комплекс физико-химических и тепловых процессов. Многообразие материалов, постоянное изменение их состава и температуры, недостаточная текущая информация о параметрах плавки, требуют систематической коррекции технологии плавки стали. Это приводит к необходимости проведения как прогнозных (до начала плавки), так и оперативных расчетов по ходу процесса.

На начальном этапе профессиональной подготовки специалистов расчеты плавки стали целесообразнее выполнять вручную. В этом случае методика расчета направлена на изучение содержательной части конвертерного процесса в условиях современного металлургического производства.

При проведении расчетов сущность сталеплавильных процессов проявляется наиболее полно: прослеживаются роль и значение материалов, взаимосвязь между параметрами плавки и ее результатами.

В данной работе приведена методика упрощенного расчета основных параметров технологии простейшего варианта конвертерной плавки. Расчет плавки стали в конвертере с верхней подачей дутья направлен на изучение принципиальных положений сталеплавильного производства.

Основные положения технологии выплавки стали в кислородных конвертерах

Расчеты плавки стали базируются на теоретических представлениях о характере сталеплавильный процессов и практических данных работы современных металлургических агрегатов.

Сущность классического кислородно-конвертерного процесса получения стали заключается в следующем: в агрегате (конвертере) проводят окислительное рафинирование металла, используя в качестве основного реагента газообразные окислители, и нагрев металла без подвода тепла из внешних источников за счет физического тепла жидкого чугуна и тепла экзотермических реакций; раскисление и легирование металла осуществляется в ковше.

Известны три основных способа продувки металла кислородом в современных конвертерах: продувка сверху, снизу и комбинированная.

Технология выплавки стали в конвертерах с донным дутьем

В конвертерах донной продувки кислородом во вставном днище размешают 8-20 фурм типа «труба в трубе». По центральной трубе фурмы с внутренним диаметром 28-50 мм подают кислород, а по кольцевой щели толщиной 0, 5-2 мм – защитную среду: природный газ, пропан, или жидкое топливо. Расход кислорода на продувку составляет 45-55 м³/т (удельная интенсивность продувки 3-7 м³/т∙ мин), расход природного газа 6-10 % от расхода кислорода (4-5 м³/т), пропана 3, 5 % (около 1, 5 м³/т), жидкого топлива - 2-3 л/т. В межпродувочные периоды для охлаждения фурм и поддержания их в работоспособном положении через оба канала фурмы продувают азот с расходом 15-20 м³/т. После окончания продувки металла кислородом обязателен кратковременный (20-60 с) период продувки металла инертным газом (аргоном или азотом) для удаления водорода.

При донной продувке находят применение две разновидности технологии: с подачей кусковой или порошкообразной извести. В первом случае основные технологические операции остаются такие же, как и при верхней продувке. Однако следует иметь ввиду, что активное формирование основного шлака происходит в конце продувки, когда наблюдаются низкая концентрация углерода в металле (< 0, 1 %) и возрастание в шлаке оксидов железа. Дня получения стали с требуемыми низкими содержаниями фосфора и серы необходима продувка металла до весьма низких концентраций углерода (< 0, 05 %). В этом случае теряется одно из основных преимуществ донной продувки (снижается выход годного) и часто требуется науглероживание металла в ковше.

Выход жидкой стали по сравнению с верхней продувкой увеличивается на 1, 5-2 % вследствие уменьшения испарения железа, содержания оксидов железа в конечном шлаке и выносов, исключения выбросов.

Плавка с применением порошкообразной извести начинается как обычно с подготовка конвертера, загрузки лома и заливки чугуна. В течение первых 1/2-2/3 длительности продувки вдувают порошкообразную известь, иногда с добавкой концентрата плавикового шпата. Размер частиц извести должен быть менее 0, 15 мм, а расход составляет 40-70 кг/т, возрастая при увеличении содержания кремния в чугуне; расход плавикового шпата достигает 4 кг/т.

Содержание FeO в шлаке, как и при использовании кусковой извести, по ходу продувки не превышает 5-6 %, но шлак с высоким содержанием оксида кальция формируется уже в начале продувки. Это позволяет выплавлять средне- и высокоуглеродистые стали с достаточно низкими концентрациями вредных примесей.

Из-за низкого содержания FeO в шлаке реакция окисления марганца [Мn] + (FeO) = (MnO) + Fe получает ограниченное развитие и количество окисляющегося за время продувки марганца (30— 40 %) меньше, чем при верхней продувке (~70 %).

Кроме того, при донной продувке повышается и стабилизируется степень усвоения кислорода ванной, что снижает расход кислорода на 5-10 % и облегчает прекращение продувки при заданных содержании углерода и температуре.

Тепловой баланс плавки при донной подаче дутья, несмотря на введение некоторого количества топлива, ухудшается. Вследствие этого доля лома в шихте при донной подаче дутья снижается на 2-5 % по сравнению с верхней подачей.

Задание на выполнение расчета плавки стали в конвертере с верхней подачей дутья

Для выполнения расчета плавки стали в любом сталеплавильном агрегате необходимо располагать определенным минимумом исходных данных, которые студент получает из приложений 1 и 2 в соответствии с номером своего варианта. Вариант задания и марку выплавляемой стали указывает преподаватель.

В приложении 1 приведены данные по вариантам о вместимости конвертера, химическом составе и температуре чугуна, интенсивности продувки, а также сведения о материалах плавки и способе разливки металла. В приложении 2 представлены данные о химическом составе выплавляемых сталей.

Остальные, необходимые для расчета, данные выбираются самостоятельно, руководствуясь справочной литературой или практикой работы современных кислородно-конвертерных цехов.

В результате расчета должны быть определены расходы материалов, необходимые для выплавки стали заданного количества и химического состава, температура металла, продолжительность плавки и производительность агрегата.

Расчет рекомендуется проводить в следующей последовательности:

- определение параметров плавки в конце продувки;

- определение расхода лома на плавку;

- расчет окисления примесей металлической шихты;

- расчет количества и состава шлака;

- расчет расхода дутья;

- расчет выхода жидкой стали перед раскислением и составление материального баланса плавки;

- составление теплового баланса плавки и определение температуры металла;

- расчет раскисления стали и ее химического состава;

- расчет расхода материалов на всю плавку и выхода продуктов плавки;

- определение удельной интенсивности продувки, продолжительности плавки и производительности агрегата.

В ходе проведения расчетов студентам необходимо самостоятельно выбирать и принимать данные, не оговоренные в задании, в указанных в пособии пределах (но отличающихся от данных примера) или в соответствии с данными справочной литературы. В последнем случае необходимо дать ссылку на источник

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 чисти 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. По этим данным определяют потребность в кислороде на образование оксидов железа:

(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)

Оформление пояснительной записки

Пояснительная записка оформляется на листах формата А4 с отступами сверху, слева и снизу – 20 мм, справа – 10 мм. Оформление заголовков, библиографического списка и таблиц показано в тексте данного методического пособия. Пояснительная записка должна состоять из следующих частей:

1. Титульный лист;

2. Задание;

3. Содержание;

4. Введение;

5. Расчет плавки стали в конвертере с верхней подачей дутья;

6. Заключение;

7. Список использованных источников.

В разделе «Введение» формулируются основные задачи, решаемые при выполнении работы. Здесь следует указать основные технологические параметры, которые необходимо определить, а также их влияние на показатели кислородно-конвертерной плавки.

Раздел «Расчет плавки стали в конвертере с верхней подачей дутья метров» выполняется в соответствии с пунктами 3-12 данных методических указаний.

В разделе «Заключение» приводятся наиболее важные технологические параметры, характеризующие процесс плавки стали в кислородом конвертере.

Вопросы для самопроверки

1. Что понимают под названием: " Классический кислородно-конверторный процесс?

2. Какие требования предъявляют к жидкому чугуну?

3. Каким требованиям должен отвечать металлический лом?

4. С какой целью используют металлический лом на плавку?

5. От каких факторов зависит расход лома на плавку?

6. Какие мероприятия позволяют повысить долю лома на плавку?

7. Назначение твердых окислителей при выплавке конвертерной стали?

8. С какой целью используется известь на плавку?

9. В каких случаях применяют известняк?

10. Какова роль плавикового шпата?

11. Как ведут продувку металла в конвертере (ражим подачи дутья и ввода неметаллических материалов)?

12. Зачем применяют додувки металла?

13. Каким образом осуществляют раскисление и легирование стали?

14. Какие технологические операции составляют цикл плавки?

15. Какие газы использует в конвертерах донной продувки кислородом?

16. Почему в конвертерах донного дутья с применением кусковой извести необходима продувка металла до низких концентраций углерода?

17. Какие преимущества имеет использование порошкообразной извести?

18. Какое соотношение расходов кислорода при комбинированной продувке металла через верхнюю к донные фурмы?

19. Какие особенности имеет технология выплавки стали в конвертерах комбинированной продувки металла кислородом сверху и нейтральными газами снизу?

20. На чем основан расчет плавки стали?

21. В какой мере зависит поведение составляющих чугуна от вида продувки и чем это объясняется?

22. От каких факторов зависит выход годного жидкой стали?

Рекомендуемая литература

1. Марочник сталей и сплавов / Под ред. В.Г. Сорокина. М.: Машиностроение, 1989. – 638с.

2. Бигеев А.М. Математическое описание и расчеты сталеплавильных процессов. – М.: Металлургия, 1982. – 156с.

3. Бигеев A.M., Колесников Ю.А. Основы математического описания и расчеты кислородно-конвертерных процессов. М.: Металлургия, 1970. – 229 с.

4. Определение основных параметров технологии плавки стали в конвертере с верхней подачей дутья: Метод. указ. для выполнения курсовой работы. – Магнитогорск: МГМА, 1994. – 38с.

5. Теплофизические свойства топлив и шихтовых материалов черной металлургии. Справочник / В.М. Бабошин, Е.А. Кричевцов, В.М. Абзалов, Я.М. Щелоков. – М.: Металлургия, 1982. – 152с.

6. Емелин Б.И., Гасик М.И. Справочник по электрометаллургическим процессам. – М.: Металлургия, 1978. 287с.

Приложение 1

Варианты заданий для выполнения контрольной работы

	Способ разливки – табл. 2
Расход плав. шпата, %	0, 1	0, 2	0, 3	0, 4	0, 1	0, 2	0, 3	0, 4	0, 1	0, 2	0, 3	0, 4	0, 1	0, 2	0, 3	0, 4	0, 1	0, 2	0, 3	0, 4	0, 1	0, 2
Твердый окислитель – окатыши	FeO, %	0, 1	0, 2	1, 5	0, 3	1, 4	0, 4	1, 3	0, 5	1, 2	0, 6	1, 1	0, 7		0, 8	0, 9	0, 1	0, 3	0, 6	0, 8		1, 2	1, 4
Fe, %
расход, %		1, 2	1, 4	1, 6	1, 8		2, 2	2, 5	0, 5	0, 7	0, 9	1, 1	1, 3	1, 5	1, 7	1, 9	2, 1	2, 3	2, 5		1, 5
i, м³/мин
Состав чугуна, %	S	0, 02	0, 04	0, 017	0, 039	0, 016	0, 036	0, 015	0, 035	0, 022	0, 033	0, 024	0, 031	0, 026	0, 029	0, 027	0, 015	0, 02	0, 026	0, 018	0, 032	0, 022	0, 025
P	0, 05	0, 15	0, 06	0, 14	0, 07	0, 13	0, 08	0, 12	0, 09	0, 11	0, 1	0, 09	0, 08	0, 07	0, 04	0, 02	0, 03	0, 05	0, 07	0, 09	0, 12	0, 15
Mn	0, 2	1, 5	0, 3	1, 6	0, 4	1, 4	0, 5	1, 3	0, 6	1, 2	0, 7	1, 1	0, 8		0, 9	0, 2	0, 3	0, 4	0, 6	0, 7	0, 5	0, 3
Si	0, 5	0, 55	0, 6	0, 65	0, 7	0, 8	0, 9		1, 1	1, 2	1, 3	1, 1	0, 75	0, 7	0, 6	0, 8	0, 9	0, 7	1, 1	0, 5	1, 3	0, 8
C	4, 6	4, 5	4, 5	4, 4	4, 4	4, 3	4, 3	4, 2	4, 1		3, 9		4, 4	4, 4	4, 5	4, 6	4, 5	4, 4	4, 3	4, 4	4, 5	4, 4
t_чугуна, ⁰C
Садка конвертера, т
Номер варианта

Приложение 2

Химический состав сталей

Содержание, %	Ni	не более	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 3	0, 3	0, 3
Cu	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 3	0, 3	0, 3
P	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035
S	0, 04	0, 04	0, 04	0, 04	0, 04	0, 04	0, 04	0, 04	0, 04	0, 04	0, 04	0, 04	0, 04	0, 04	0, 04	0, 04	0, 04	0, 035	0, 035	0, 035
Cr	0, 1	0, 1	0, 1	0, 1	0, 15	0, 15	0, 15	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 25	0, 70-1, 0	0, 80-1, 1	0, 80-1, 1
Si	до 0, 03	0, 17-0, 37	до 0, 03	0, 05-0, 17	0, 17-0, 37	до 0, 07	0, 05-0, 17	0, 17-0, 37	0, 17-0, 37	до 0, 07	0, 05-0, 17	0, 17-0, 37	0, 17-0, 37	0, 17-0, 37	0, 17-0, 37	0, 17-0, 37	0, 17-0, 37	0, 17-0, 37	0, 17-0, 37	0, 17-0, 37
Mn	до 0, 4	0, 35-0, 65	0, 25-0, 50	0, 35-0, 65	0, 35-0, 65	0, 25-0, 50	0, 35-0, 65	0, 35-0, 65	0, 35-0, 65	0, 25-0, 50	0, 35-0, 65	0, 50-0, 80	0, 50-0, 80	0, 50-0, 80	0, 50-0, 80	0, 50-0, 80	0, 50-0, 80	0, 50-0, 80	0, 50-0, 80	0, 50-0, 80
C	до 0, 06	0, 05-0, 12	0, 05-0, 11	0, 05-0, 11	0, 07-0, 14	0, 07-0, 14	0, 07-0, 14	0, 12-0, 19	0, 17-0, 24	0, 17-0, 24	0, 17-0, 24	0, 22-0, 30	0, 27-0, 35	0, 32-0, 40	0, 37-0, 45	0, 42-0, 50	0, 47-0, 55	0, 17-0, 23	0, 24-0, 32	0, 36-0, 44
Марка стали	Сталь 05	Сталь 08	Сталь 08 кп	Сталь 08 пс	Сталь 10	Сталь 10 кп	Сталь 10 пс	Сталь 15	Сталь 20	Сталь 20 кп	Сталь 20 пс	Сталь 25	Сталь 30	Сталь 35	Сталь 40	Сталь 45	Сталь 50	Сталь 20Х	Сталь 30Х	Сталь 40Х

Приложение 2 - продолжение

Содержание, %	Ni	не более	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3
Cu	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3
P	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 04	0, 04	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 025	0, 025	0, 025	0, 025
S	0, 04	0, 04	0, 04	0, 04	0, 04	0, 04	0, 04	0, 04	0, 045	0, 045	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 035	0, 025	0, 025	0, 025	0, 025
Cr	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	0, 3	1, 30-1, 60	1, 30-1, 60	0, 80-1, 10	0, 80-1, 10	0, 80-1, 10	1, 10-1, 40
Si	0, 17-0, 37	0, 17-0, 37	0, 5-0, 8	0, 9-1, 2	0, 4-0, 6	0, 4-0, 6	0, 5-0, 8	0, 8-1, 1	0, 60-0, 90	0, 60-0, 90	0, 17-0, 37	0, 17-0, 37	0, 17-0, 37	0, 17-0, 37	1, 00-1, 40	1, 20-1, 60	0, 90-1, 20	0, 90-1, 20	0, 90-1, 20	1, 10-1, 40
Mn	1, 4-1, 8	1, 2-1, 6	0, 8-1, 2	0, 44-0, 7	1, 0-1, 4	1, 15-1, 6	1, 3-1, 7	1, 3-1, 65	0, 80-1, 20	1, 20-1, 60	0, 70-1, 0	0, 70-1, 00	0, 70-1, 00	0, 70-1, 00	0, 30-0, 60	0, 30-0, 60	0, 80-1, 10	0, 80-1, 10	0, 80-1, 10	0, 80-1, 10
C	До 0, 12	0, 12-0, 18	0, 09-0, 15	0, 12-0, 18	0, 14-0, 20	0, 15-0, 20	до 0, 12	До 0, 12	0, 30-0, 37	0, 20-0, 29	0, 12-0, 19	0, 17-0, 24	0, 27-0, 35	0, 37-0, 45	0, 29-0, 37	0, 37-0, 45	0, 17-0, 23	0, 22-0, 28	0, 28-0, 34	0, 32-0, 39
Марка стали	Сталь 09Г2	Сталь 14Г2	Сталь 12ГС	Сталь 16ГС	Сталь 17ГС	Сталь 17Г1С	Сталь 09Г2С	Сталь 10Г2С1	Сталь 35ГС	Сталь 25Г2С	Сталь 15Г	Сталь 20Г	Сталь 30Г	Сталь 40Г	Сталь 33ХС	Сталь 40ХС	Сталь 20ХГСА	Сталь 25ХГСА	Сталь 30ХГСА	Сталь 35ХГСА

ШАПОВАЛОВ А.Н.