Оптимальная технология плавки, раскисления и разливки стали марки 40Л в дуговой сталеплавильной печи с кислой футеровкой

Размещено на http://allbest.ru/

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное агентство по образованию

ГОУ ВПО КнАГТУ

Факультет ИКП МТО

Кафедра МиТЛП

Расчетно-графическое задание №2

по курсу плавка литейных сплавов

«Оптимальная технология плавки, раскисления и разливки стали марки 40Л в дуговой сталеплавильной печи с кислой футеровкой»

Выполнил студент: Миникеева О.

Проверил преподаватель: Соболев Б.М.

- 2006 -

Исходные данные

Марка стали	Емкость печи, т	Масса металла, заливаемого в форму, кг	Толщина стенки отливки, мм
40Л	6	500	35…50

Химический состав стали 40Л

Марка сплава	C	Si	Mn	S	P
40Л	0,37 - 0,39	0,2 - 0,42	0,4 - 0,9	0,05	0,05

Выбор плавильного агрегата

Плавку стали будем производить в электродуговой печи с кислой футеровкой. Т.к. в печи с кислой футеровкой угар серы и фосфора не происходит, то необходимо строго регламентировать количество серы и фосфора в шихте. Состояние футеровки печи должно обеспечивать нормальный ход плавки. Включение неисправной печи не допускается. После выпуска каждой плавки стены и подина тщательно очищаются от остатков металла, трещины завальцовываются. Длина электродов должна быть достаточной для проведения всего процесса плавки. Применение электродов со сколами и трещинами не допускается. Подина должна обеспечивать слив всего металла во время выпуска плавки и отсутствие срывов наварки по ходу плавки.

Уход за выпускным отверстием и желобом производится согласно инструкции.

Подготовка шихтовых материалов

Шихта должна быть разделана, максимальная масса куска не должна превышать 120 кг. Шихту прокалить, подогреть до температуры 700 - 800 ?С. Не допускается использовать в шихте проволоку. Все шихтовые материалы для плавки должны быть сухими. Необходимо следить, чтобы в шихте не было взрывоопасных предметов. Применение материалов, не отвечающих выше указанным требованиям, воспрещается и может быть допущено только при наличии оформленной карты отклонений в установленном порядке.

Загрузка шихты

Шихта загружается при помощи бадьи с открывающимся днищем. Укладка шихты в бадье должна соответствовать расположению шихты в печи.

Порядок загрузки:

1. На дно укладывается небольшое количество мелкого лома.

2. Наиболее крупные куски вперемешку со средними укладываются в центр, причем так, чтобы электроды были ближе к большим кускам.

3. Сверху кладется мелочь, для того, чтобы в начале плавки электрод быстрее погрузился в шихту.

4. Если для науглераживания будут использоваться кокс или бой электродов, тони загружаются на дно, для того, чтобы лучше происходил процесс растворения углерода.

Выбор шихтовых материалов

В связи с невозможностью удалять из металла серу и фосфор при кислом процессе плавки в шихте часто используется специально выплавленная шихтовая заготовка с низким содержанием примесей.

Химический состав шихтовых материалов

Материал	С	Si	Mn	Р	S
Чугун ПВК3 2А 2 ГОСТ 805-95	4,00	0,5	0,7	0,02	0,02
Стальной лом ГОСТ 2787-75	0,8	0,4	0,6	0,005	0,005
Возврат собственного производства	0,38	0,31	0,65	0,05	0,05

Состав неметаллической части шихты и кладки

Материал	SiО2	Al2O3	СаO	MgO	MnO	MnO2	Fe2O3	H2O
Железная руда	7,80	5,4	0,5	0,50	2,5	-	81,9	1,40
Марганцевая руда	10,00	1,4	3,0	1,40	-	79,0	2,6	2,60
Известь	4,50	1,5	92,2	1,20	-	-	0,6	-
Кладка печи	97,00	1,5	1,5	-	-	-	-

Угар химических элементов из добавок, вводимых в расплав при плавке в электрических печах

Плавильный агрегат	Футеровка	Угар элементов, %
		углерод	кремний	марганец	сера
Дуговая электропечь	Кислая	20 - 25	5 - 10	20 - 25	25 - 50

1-й период плавки.

Первый период активного кислого процесса почти не отличается oт 1-го периода кремневосстановительного процесса. Все данные для первого периода кислого процесса берутся из расчета 1-го периода кремневосстановительного процесса.

Расчет количества чугуна в шихте

Содержание углерода в конечной стали 0,38 %. Принимаем для 1-й пробы содержание углерода 1 %. За период завалки и плавления угар углерода составляет 25 %, отсюда среднее содержание углерода в шихте должно быть примерно равным 1,5 %.

Составляем балансовое уравнение по углероду. Обозначим: х расход чугуна, расход возврата собственного производства примем 40 %, тогда расход заготовки будет: 100 - 40 - х = 60 - х.

Балансовое уравнение по углероду

4х + (60 - х) * 0,8 + 40*0,38 = 1,5 *100, откуда х = 27,12 %.

Шихта состоит (табл. 8.4): чугун 27,12 %, стальной лом 32,88 %.

Средний состав шихты

Составляющие шихты	Содержание, %	Количество вносимых примесей, кг
		С	Si	Mn	P	S
Чугун	27,12	4,0	0,325	0,542	0,004	0,004
Стальной лом	32,88	0,263	0,131	0,197	0,0164	0,0164
Возврат	40	0,152	0,124	0,26	0,02	0,02
Средний состав шихты	100	1,495	0,58	0,999	0,0404	0,0404

Расчет остаточной концентрации кремния

При взаимодействии жидкого железа с кремнеземом шлака или твердым кремнеземом футеровки кремний может восстанавливаться по следующей реакции:

2[Fe] + (SiO₂) = 2(FeO) + [Si].

lgK_Si = lg(FeO)² [Si] = -19057/T+11,101,

где (FeO)- концентрация закиси железа в шлаке в момент расплавления, принимаемая по данным практики и равная 23 %.Температуру плавления принимаем 1600 ?С. Тогда [Si] = 0,003 %

Рис. 1 Зависимость содержания кремния от содержания FeO.

Расчет остаточной концентрации магния

При плавке в печи с кислой футеровкой шлак обычно насыщен кремнеземом. Кроме кремнезема, главными составляющими кислого шлака являются закись железа и закись марганца. Между металлом и шлаком может протекать следующая реакция:

[Fe] + (МnО) = (FeO) + [Мn]

Протекание этой реакции справа налево выражает процесс окисления марганца, а слева направо--процесс восстановления марганца. Константу равновесия этой реакции можно выразить следующим уравнением:

K_Mn= (FeO)*[Mn]/(МnО)

lgK_Mn = -7940/T + 3,172.

Зависимость K_Mn от температуры приведена на рисунке.

Рис. 2 Зависимость KMn от температуры

(FeO) = 23 %

(MnO) = 30 % (по данным практики)

[Mn] = K_Mn (FeO)/(MnO) == 0,078*23/30 = 0.066 %

Таким образом, металл по расплавлении имеет состав:

С = 1,0 %

Si = 0,003 %

Mn = 0,066 %

P = 0,0404 %

S = 0,0404 %

За период завалки и плавления выгорает примесей:

С = 1,495 - 1,0 = 0,495 %

Si = 0,58 - 0,003 = 0,577 %

Mn = 0,999 - 0,066 = 0,933 %

Расход кислорода и полученных окислов (с учетом, что расчет ведется на 100 кг шихты):

Примесь	Окисляется примесей	Образуется окисел	Расход кислорода, кг	Масса окисла, кг
С	0,495	СО	0,495*16/12=0,66	1,155
Si	0,577	SiO2	0,577*32/28=0,659	1,236
Mn	0,933	MnO	0,933*16/55=0,271	1,204
Fe	1,135	FeO	1,135*16/56=0,325	1,46
У	3,14	-	1,915	5,055

Угар железа определим из условия, что шлак при расплавлении содержит 45 % SiO_2. Количество SiO₂ в шлаке, кг:

Из шихты - 1,236

Из кладки - 1,0*0,97 = 0,97

ВСЕГО: 1,236 + 0,97 = 2,206

Определим количество шлака:

L = 2,206 * 100 / 45 = 4,9 кг

Вес закиси железа с учетом содержания окислов:

FeO = 4,9 - 1,0 - 1,236 - 1,204 = 1,46 кг

Угар железа: Fe = 1,46 * 56 / 72 = 1,135 кг

Количество и состав шлака по расплавлении, кг

Источник	SiO2	Al2O3	CaO	FeO	MnO	Всего
Шихта	1,236	-	-	1,46	1,204	3,9
Кладка	0,97	0,015	0,015	-	-	1,0
Всего, кг	2,206	0,015	0,015	1,46	1,204	4,9
Всего, %	45	0,3	0,3	29,8	24,6	100

Выход металла при расплавлении: 100 - 3,14 = 96,86 кг, где 3,14 - угар примесей.

Материальный баланс первого периода

Поступило, кг	Получено, кг
Чугун ПВК3 2А 2 ГОСТ 805-95	27,12	Металла	96,86
Стальной лом ГОСТ 2787-75	32,88	Шлака	4,9
Возврат собственного производства	40	СО	1,155
Кислород	1,915
Из кладки	1,0	ИТОГО	102,915
ИТОГО	102,915

2-й период плавки (от расплавления до выпуска)

Во 2-м периоде активного процесса не допускается восстановление кремния. Для этого в период доводки в ванну присаживают железную и марганцевую руды и известь. По этой причине период доводки и кипения протекает более энергично, чем в кремневосстановительном процессе и принимается равным 0,5...3,5 ч, исключая полностью период стабилизации, период мертвого стояния ванны.

В этом процессе мало восстанавливается кремния и марганца, поэтому кроме других ферросплавов применяют ферросилиций и ферромарганец.

Угар кремния принимаем 10 %, марганца - 25 %.

Температура металла при раскислении 1660 ?С. Содержание закиси железа в шлаке принимаем (FeO) = 15 %, тогда содержание кремния [Si] = 0,08 %

При (FeO + MnO) = 40%, количество (MnO) = 40 - 15 = 25 %, тогда [Mn] = 0,158 %.

Сталь перед выпуском будет иметь состав:

С = 0,38 %

Si = 0,08 %

Mn = 0,158 %

P = 0,0404 %

S = 0,0404 %

По данным практики:

Расход железной руды - 1 %

Расход марганцевой руды - 0,5 %.

Для активизации процесса вместо извести применяем известняк следующего состава:

SiO₂ = 2 %; Al₂O₃ = 0,6 %, CaO = 53,5 %, MgO = 0,7 %, Fe₂O₃ = 0,6 %, CO₂ = 42,6 %.

Износ кладки принимаем 1,2 %. Продолжительность кипения - 3ч.

За периоды кипения окисляются и восстанавливаются следующие элементы:

	С	Si	Mn	S	P
Сталь по расплавлению	1,0	0,003	0,066	0,0404	0,0404
Сталь перед раскислением	0,38	0,08	0,158	0,0404	0,0404
Окисляется	0,62	-	-	-	-
Восстанавливается	-	0,077	0,092	-	-

Количество окислов, внесенных 1 кг железной и 0,5 кг марганцевой руды:

Руды	MgO	SiO2	Al2О3	CaO	МnО	MnO2	Fe2O3	H2O	Сумма
Марганцевая	0,007	0,050	0,007	0,015	-	0,395	0,013	0,013	0,500
Железная	0,006	0,078	0,054	0,015	0,025	-	0,818	0,014	-
Всего	0,013	0,128	0,061	0,020	0,025	0,395	0,831	0,027	1,500

На окисление углерода потребуется кислорода: 0,62 * 16 / 12 = 0,83 кг

Образуется СО: 0,62 + 0,83 = 1,45 кг

Из атмосферы печи поступит:

1. За первый период (5,5 ч) для 100 т поступило 1,915 кг кислорода, за один час поступит 1,915 / 5,5 = 0,348 кг.

2. За час в период доводки поступает в 2 раза меньше, т.о. поступит за 3 ч - 0,348*3/2 = 0,522 кг

При восстановлении 0,077 кг Si и 0,092 кг Mn выделится кислорода, кг:

Из SiO₂ : 0,077*32/28 = 0,088 кг

Из MnO : 0,092*16/55 = 0,027 кг

ВСЕГО кислорода: 0,088 + 0,027 = 0,115 кг

При восстановлении Si и Mn из окислов израсходуется окислов:

SiO₂: 0,077*60/28 = 0,165 кг

MnO: 0,092*71/55 = 0,119 кг

Окислы железа и марганцевой руды должны внести:

0,83 - (0,522 + 0,119) = 0,193 кг

Выделится кислорода, кг:

Из MnO₂ при диссоциации с образованием MnO: 0,395*16/87 = 0,072 кг

Из Fe₂O₃ с образованием FeO : 0,831*16/160 = 0,083 кг

ВСЕГО 0,072 + 0,083 = 0,155 кг

Образовалось окислов:

MnO: 0,395 - 0,072 = 0,323 кг

FeO: 0,831 - 0,083 = 0,748 кг

В результате восстановления закиси железа выделится кислорода, кг:

0,193 - 0,155 = 0,038, восстановится закиси железа: 0,038*72/16 = 0,171 кг

В сталь перейдет железа:

0,171 - 0,038 = 0,133 кг

Т.о. закись железа восстановится.

Раскисление

Раскисление производим присадками ферросилиция и ферромарганца.

Расход 90-% ферросилиция FeSi90A/1 ГОСТ Р50422 - 92 .

В конечной стали должно быть 0,31 % Si, в ванне имеется 0,08 % Si, необходимо внести 0,31 - 0,08 = 0,23 %. С учетом угара (10 %) необходимо внести ферросилиция: 0,23/(0,9*0,87) = 0,29 кг

Ферросилиций вносит:

Углерода	0,0015*0,29 = 0,00051
Марганца	0,005*0,29 = 0,00145
Фосфора	0,0004*0,29 = 0,000116
Серы	0,0004*0,29 = 0,000116
Кремния	0,23
Железа	0,35

Угар кремния Si = 0,23*0,1 = 0,023 кг

Для этого потребуется кислорода 0,023*32/28 = 0,026 кг

Образуется кремнезема: 0,023 + 0,026 = 0,049 кг

Расход ферромарганца ФМн90 ГОСТ 4755 - 91:

В готовой стали должно быть 0,65% Mn. Перед раскислением в стали Mn = 0,158%. Необходимо добавить 0,65 - 0,158 = 0,492 %.

С учетом угара 25 % необходимо внести ферромарганца:

0,492/(0,75*0,9) = 0,73 кг

Угар марганца 0,492*0,25 = 0,123 кг

Для этого потребуется кислорода: 0,123*16/55 = 0,036 кг

Закиси марганца образуется: 0,123 - 0,036 = 0,087 кг

Ферромарганец вносит:

Углерода	0,0051*0,73 = 0,00365
Кремния	0,018*0,73 = 0,13
Фосфора	0,0005*0,73 = 0,000365
Серы	0,0002*0,73 = 0,000146
Марганца	0,73
Железа	0,56

Всего потребуется кислорода для окисления примесей: 0,026 + 0,036=0,062 кг

ВСЕГО поступит кислорода: 0,522 + 0,062 = 0,584 кг

Количество и состав шлака без присадок извести.

Источник	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	MnO	FeO	Сумма
Шлак 1-го периода	2,206	0,015	0,015	-	1,204	1,46	4,9
Железная и марганцевая руда	0,128	0,061	0,02	0,013	0,348	-	0,57
Кладка	1,164	0,018	0,018	-	-	-	1,2
Окисление примесей	0,026	-	-	-	0,036	-	0,062
Всего	3,524	0,094	0,053	0,013	1,588	1,46	6,732
Восстановлено	0,165	-	-	-	0,119	-	0,284
ИТОГО	3,359	0,094	0,053	0,013	1,469	1,46	6,448

Без учета CaO: 6,448 - 0,053 = 6,395 кг.

Это количество шлака соответствует 95 % всего шлака, но с учетом нелетучих составляющих известняка масса шлака больше на 5,36 %:

5 * (2 + 0,6 + 0,7 + 0,6 + 53,5)/53,5 = 5,36 %.

Масса конечного шлака: L = 6,395*100/(100-5,36) = 6,757 кг.

Количество CaO в шлаке должно быть:

6,757 - 6,395 - 0,0036 * 6,757 = 0,338 кг.

В шлаке имеется 0,053 кг СаО, надо ввести в ванну путем присадки известняка: 0,338 - 0,053 = 0,285 кг.

Расход известняка равен 0,285 / 0,535 = 0,533 кг, где 0,535 содержание СаО в 1 кг известняка.

Количество СО_2, внесенного известняком: 0,227 кг

Количество и состав конечного шлака

Источник	SiO2	Al2O3	CaO	MgO	MnO	FeO	Сумма
Шлак	3,359	0,094	0,053	0,013	1,469	1,46	6,448
Известь	0,01	0,0032	0,285	0,0037	-	0,0032	0,3051
Всего, кг	3,369	0,0972	0,338	0,0167	1,469	1,4632	6,7531
Всего, %	50	1,44	5	0,25	21,7	21,61	100

Количество и состав конечной стали

Источник	C	Si	Mn	S	P	Fe	У
Сталь 1-го периода	1	0,003	0,066	0,0404	0,0404	95,7102	96,86
Окислилось	0,62	-	-	-	-	-	0,62
Осталось	0,38	0,003	0,066	0,0404	0,0404	95,7102	96,24
Восстановилось	-	0,077	0,092	-	-	0,133	0,302
Ферросилиций	0,00051	0,23	0,00145	0,000116	0,000116	0,35	0,5868
Ферромарганец	0,00365	0,013	0,492	0,000146	0,000365	0,56	1,0691
Итого, кг	0,38416	0,323	0,651	0,0407	0,0409	96,7532	98,1979
%	0,39	0,336	0,67	0,042	0,042	98,52	100

Материальный баланс 2-го периода плавки (окислительный период, раскисление и выпуск)

Поступило, кг	Получено, кг
Металла первого периода	96,86	Стали	98,1979
Шлака первого периода	4,9	Шлака	6,7531
Железной руды	1	СО2	0,227
Марганцевой руды	0,5
Извести	0,533	СО	1,45
Ферромарганца	0,73
Ферросилиция	0,29	Всего	106,628
Из кладки	1,2	Невязка	-0,031
Кислорода	0,584	ИТОГО	106,597
ВСЕГО	106,597

Материальный баланс всей плавки

Поступило, кг	Получено, кг
Чугун ПВК3 2А 2 ГОСТ 805-95	27,12	Стали	98,1979
Стальной лом ГОСТ 2787-75	32,88	Шлака	6,7531
Возврат собственного производства	40	СО	2,605
Железной руды	1	СО2	0,227
Марганцевой руды	0,5
Извести	0,533	Невязка	-0,031
Ферромарганца	0,73
Ферросилиция	0,29	ВСЕГО	107,752
Из кладки	2,2
Кислорода	2,499
ВСЕГО	107,752

Выпуск плавки

плавильный шихта чугун кремний

За 5 мин до выпуска к печи подается раздаточный чайниковый ковш. Выпуск плавки производится согласно инструкции.

Перед выпуском плавки проверяется температура, печь отключается и наклоняется с таким расчетом, чтобы в начале выпуска в ковш шел металл без шлака.

Проба металла на маркировочный анализ и образцы на механические испытания отбираются при разливке плавки согласно инструкции.

Температура металла перед выпуском должна соответствовать времени пленообразования в ложке 35…45 с, на желобе при выпуске 1590…1640 С, на стенде при переливе в малый ковш - 1480…1520 С (по оптическому пирометру без поправки).

Температура заливки форм устанавливается согласно требованиям технологического процесса изготовления каждой отливки.

Перед началом разливки плавки на конвейере металл проверяется на загазованность заливкой пробы в чистый подогретый металлический стаканчик.

Если проба при остывании не дает усадки, а наблюдается ее рослость (вспучивание), то плавка бракуется, то есть возвращается на доводку или разливается в изложницы.

Разливка

После установки и закрепления раздаточного ковша на стенде производится наполнение разливочного ковша полной струей без разбрызгивания.

Разливочный ковш должен иметь хорошо заправленный носок и исправную чайниковую перегородку.

Заливочные ковши должны подаваться под заливку в нагретом до- красна состоянии, наполнение ковша должно быть не более 7/8 высоты. Заливочное устройство должно быть в исправном состоянии и иметь защелку, предохраняющую опрокидывание ковша при транспортировке.

Заливка форм производится ровной струей, направленной в центр литниковой чаши. Скорость заливки формы должна быть такой, чтобы литниковая чаша не опорожнялась в процессе заливки более чем наполовину.

В случае бурления металла в ковше, что свидетельствует о недостаточной просушке его, металл необходимо немедленно слить в изложницу.

Высота носка ковша над формой при заливке не должна превышать 400 мм.

Запрещается производить заливку форм с перерывом струи металла, разбрызгивающейся струей, холодным металлом.

Шлак с поверхности металла перед заливкой очищается счищалкой.

Время заполнения форм, температура заливки определяются технологической картой детали.

Кроме алюминия, введенного в раздаточный ковш или печь, при заливке в каждый разливочный ковш дается 100…120 г алюминия.

По окончании заливки остаток металла сливается в изложницы, но ни в коем случае не на землю.

Контролю подлежат:

а) содержание углерода по расплавлению (инспекторский контроль);

б) характеристики шлака;

в) проба на раскисленность металла (инспекторский контроль);

г) отбор проб на химический анализ.

Список используемой литературы

1. Расчеты в технологических процессах плавки литейных сталей (углеродистых, легированных, высоколегированных): Учеб. пособие / Б.М. Соболев, М.Б. Соболев. - Комсомольск-на-Амуре: ГОУВПО «КнАГТУ», 2004. - 98 с

2. Крамаров А. Д. Производство стали в электропечах. Изд. 3-е, испр. и дополи. Изд-во “Металлургия”, 1969, с. 348.

Размещено на Allbest.ru