Сравнение двух технологий производства стали 20ГЛ в индукционной тигельной и дуговой сталеплавильной печах
Сравнение двух технологий получения стали 20ГЛ с низким содержанием серы и фосфора в индукционной тигельной и дуговой сталеплавильной печах. Расчет расхода шихты, ферросплавов и материального баланса для технологий. Рафинирование стали второй технологии.
| Рубрика | Производство и технологии |
| Вид | дипломная работа |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 07.01.2021 |
| Размер файла | 2,3 M |
Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Размещено на http://www.allbest.ru/
5
Размещено на http://www.allbest.ru/
1
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
ИНСТИТУТ Экотехнологий и инжиниринга
КАФЕДРА МЗМ
НАПРАВЛЕНИЕ 22.03.02 Металлургия
ВЫПУСКНАЯ КВАЛИФИКАЦИОННАЯ РАБОТА БАКАЛАВРА
на тему: Сравнение двух технологий производства стали 20ГЛ в индукционной тигельной и дуговой сталеплавильной печах
Студент А.А. Саидирахимов
Руководитель работы А.Е. Семин
Консультанты по разделам:
экономика и управление производством А.Е. Семин
безопасность жизнедеятельности А.Е. Семин
Нормоконтроль проведен М.С. Маслова
Проверка на антиплагиат произведена Е.А. Бут
Работа рассмотрена кафедрой и допущена к защите в ГЭК
Заведующий кафедрой А.В. Дуб
Директор института А.Я. Травянов
Москва 2018
МИНИСТЕРСТВО НАУКИ И ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИСиС»
УТВЕРЖДАЮ
Институт ЭкоТех
Кафедра МЗМ Зав. кафедрой Дуб А.В.
Направление 22.03.02 Металлургия «____»_______________2018 г.
ЗАДАНИЕ
НА ВЫПОЛНЕНИЕ ВЫПУСКНОЙ КВАЛИФИКАЦИОННОЙ РАБОТЫ БАКАЛАВРА
Студенту группы МЧ-14-2 Саидирахимову Азизжону Азим угли
1. Тема работы: Сравнение двух технологий производства стали 20ГЛ в индукционной тигельной и дуговой сталеплавильных печах.
2. Цель работы: Целью данной работы является сравнение двух технологий получения стали 20ГЛ с низким содержанием серы и фосфора в индукционной тигельной и дуговой сталеплавильной печах.
3. Исходные данные: Научные литературные публикации, материалы КНИР
4. Основная литература, в том числе:
4.1. Монография, учебники и т.п.:
4.1.1 Общая металлургия: учебник для вузов / Воскобойников В. Г., Кудрин В. А., Якушев А. М. - 6-изд., перераб и доп. - М.: ИКЦ “Академкнига”, 2005 - 768c.: 253 ил.
4.1.2 Электрометаллургия стали и ферросплавов / Поволоцкий Д. Я., Рощин В. Е., Рысс М. А., Строганов А. И., Ярцев М. А., Учебник для вузов. Изд. 2-е, переработ. И доп. М.: Металлургия. 1984.
4.1.3Семин А. Е., Турсунов Н. К., Косырев К. Л., Инновационное производство высоколегированной стали и сплавов. - Учебное пособие. МИСиС Москва - 2017 год.
4.1.4 Физико-химические расчеты электросталеплавильных процессов: Сб. задач с решениями/ В. А. Григорян, А. Я. Стомахин, Ю. И. Уточкин и др. - 2-е изд., перераб. И доп. - М.: МИСиС, 2007. -318.
4.2. Отчеты по НИР, диссертации, дипломные работы и т.п.:
Турсунов Н. К. Исследование процессов рафинирования и модифицирования металла с целью совершенствования технологии выплавки стали 20ГЛ в индукционной тигельной печи: Дис. … канд. техн. наук. - М., 2017. - 116 c.
4.3. Периодическая литература:
Ежемесячный научно-технический производственный журнал по актуальным проблемам металлургии и машиностроения “Черные металлы” // Издательский дом “Руда и металлы”
4.4 Справочники и методическая литература (в том числе литература по методам обработки экспериментальных данных):
4.4.1 Методические указания по оформлению дипломной работы.
4.4.2 Физико-химические расчеты электросталеплавильных процессов: Сб. задач с решениями/ В. А. Григорян, А. Я. Стомахин, Ю. И. Уточкин и др. - 2-е изд., перераб. И доп. - М.: МИСиС, 2007. -318.
4.4.3 Оценка и пути достижения экологической чистоты металлургического производства: метод. Указ. К выполнению курсовой работы / Л. М. Симонян, А. А. Хилько. - М. : Изд. Дом МИСиС, 2014. - 29 с.
5. Перечень основных этапов исследования и форма промежуточной отчетности по каждому этапу:
октябрь-ноябрь изучение литературы, литературный обзор.
декабрь-январь разработка технологий производства стали.
февраль-март изучение процессов рафинирования стали.
апрель-май технологические расчеты по выплавке стали.
6. Аппаратура и методики, которые должны быть использованы в работе: Методики изучения технологических процессов производства стали и расчета шихты, материального баланса, процессов по рафинированию стали.
7. Использование ЭВМ: Программы Microsoft Word 2010, Microsoft Excel 2010.
8. Перечень подлежащих разработке вопросов по экономике НИР: рассчитать себестоимости двух плавок и сравнить их разницу.
Согласовано: ____________________Консультант по экономике и управлению производством
9. Перечень подлежащих разработке вопросов по безопасности жизнедеятельности: влияния и меры предосторожности физических воздействий при выплавке стали в электропечах.
Согласовано: ___________________ Консультант по безопасности жизнедеятельности
10. Перечень (примерный) основных вопросов, которые должны быть рассмотрены и проанализированы в литературном обзоре: Основные характеристики, преимущества и недостатки индукционной тигельной и дуговой сталеплавильной печей.
11. Перечень (примерный) графического и иллюстрированного материала: Построить графики зависимости содержаний серы и фосфора в стали от влияний различных факторов.
12. Руководитель работы: _____________профессор, д.т.н. Семин А. Е.
Дата выдачи задания: октябрь 2017 г.
Задание принял к исполнению студент: _______Саидирахимов А. А.
сталь индукционная печь ферросплав фосфор
Аннотация
В работе рассмотрены две технологии получения стали 20ГЛ. Обе технологии дают возможность получения стали с низким содержанием фосфора и серы. Первая технология идет в ИТП без удаления серы и фосфора методом переплава чистого лома. Вторая технология требует рафинирование вредных примесей в ДСП с дальнейшей обработкой в АКП.
Работа включает расчеты расхода шихты, ферросплавов, материального баланса и себестоимости для двух технологий, а также расчеты по рафинированию стали для второй технологии.
Выпускная работа содержит 70 страниц, 29 таблиц и 19 рисунков.
Содержание
Введение
1Литературный обзор
1.1 Основной сортамент завода и требования к изделиям
1.2 Назначение и основные свойства стали 20ГЛ
1.3 Дуговая сталеплавильная печь
1.4 Индукционные печи
1.5 Внепечная обработка стали
2 Особенности технологий производства стали 20ГЛ
2.1 Технологические схемы производства стали 20ГЛ в ИТП и ДСП
2.2 Интенсификация плавки в ИТП
3 Технологические схемы производства стали 20ГЛ на ЛМЗ
3.1 Технологическая схема производства стали 20ГЛ в ИТП на литейно-механическом заводе г. Ташкента
3.2 Технологическая схема производства стали 20ГЛ в ДСП на литейно-механическом заводе г. Ташкента
4 Технологические расчеты по выплавке стали 20ГЛ в различных агрегатах на литейно-механическом заводе г. Ташкента
4.1 Технологические расчеты для ИТП
4.1.1 Расчет металлошихты и ферросплавов
4.1.2 Расчет количества и состава шлака, пыли и газов
4.1.3 Материальный баланс плавки
4.2 Технологические расчеты в ДСП с учетом внепечной обработки
4.2.1 Расчет металлошихты и ферросплавов
4.2.2 Расчет количества и состава шлака, пыли и газов
4.2.3 Материальный баланс плавки
5 Физико-химические расчеты по рафинированию стали
5.1 Дефосфорация стали
5.2 Раскисление стали
5.3 Десульфурация стали
6Экономическая часть
7Безопасность жизнедеятельности69
Выводы
Список использованных источников
Введение
Увеличение развития железнодорожного транспорта ставит актуальные задачи в металлургии. Повышение качества стали связано, надежностью и конкурентоспособностью железнодорожных деталей, является основной задачей предъявляемой к металлу. К таким деталям относятся боковая рама и надрессорная балка железнодорожных вагонов. Такие детали, как боковая рама, работающие при низких температурах и переменных нагрузках во время эксплуатации из-за их хрупких разрушений выходят из строя и требуют повышения служебных характеристик. Ряд исследователей считают, что эта проблема связана с повышенным содержанием вредных примесей таких как сера и фосфор, которые влияют на свойства стали 20ГЛ.
При выплавке стали 20ГЛ, ЛМЗ сталкиваются с этой проблемой. Из анализа технологического процесса следует, что сера и фосфор поступают в сталь из металлолома. Удаление этих примесей из стали весьма сложно из-за холодных шлаков в ИТП. Но, многие исследователи считают, что можно проводить процессы удаления серы и фосфора изменяя количество, температуру и состав шлака.
При традиционных схемах плавки металла в ИТП в основном опираются на тщательный подбор металлошихты по фосфору и сере. В дуговых электропечах процессы рафинирования можно провести весьма эффективно.
Процесс удаления этих примесей хорошо получается в дуговых печах за счет обезуглероживания ванны. В ИТП это невозможно.
Несмотря на это, ИТП имеет ряд особенностей, так как меньше угара легирующих элементов, меньше загрязнения азотом и водородом и отсутствие науглероживания от электродов.
В связи с тем, что технологическая оценка сравнения производства стали в ИТП и ДСП по двум технологиям является основной задачей.
На большинство литейных заводах в том числе и на Ташкентском ЛМЗ в состав основного технологического оборудования входит дуговые и индукционные печи. Это позволяет использовать различный, в том числе по составу вредных примесей, металлический лом. В связи с чем в задачу данной работы входило рассмотрение двух технологических схем производства стали 20ГЛ, и именно в ДСП и ИТП. Применительно к двум процессам выполнены необходимые технологические и физико-химические расчеты подтверждающие принимаемы решения по ведению плавки.
1. Литературный обзор
1.1 Основной сортамент завода и требования к изделиям
На литейно-механическом заводе выпускают разные виды стальных отливок. Самыми главными продуктами литейного цеха является надрессорная балка, представленная на рисунке 1.1 и боковая рама, представленная на рисунке 1.2 [1]. Надрессорная балка обеспечивает перераспределение нагрузок на рессорные комплекты.
Боковая рама обеспечивает передачи нагрузки на оси тележек, так как, принимает наибольшую нагрузку во время эксплуатации и наблюдается хрупкий излом. К основным факторам относятся, способствующим изломам пониженные физико-технические свойства, недостатки опытов при выплавке и литейной технологии. Механические свойства стали и ее качества определяет степень загрязненности вредными примесями такие как сера, фосфор, кислород, водород, азот и другие. Наиболее вредные влияния оказывают сера и фосфор в виде неметаллических включений. Исследователи показывают, что повышенные содержания серы и фосфора в зоне излома приводят к хрупкости металла. Поэтому, удаление таких вредных примесей, как сера и фосфор является актуальной задачей [1].
Рисунок 1.1 - Общий вид надрессорной балки тележки
Рисунок 1.2 - Общий вид боковой рамы тележки
1.2 Назначение и основные свойства стали 20ГЛ
Сталь 20ГЛ относится к низкоуглеродистым и низколегированным сталям, которые содержат значительное количество марганца.
Химический состав стали 20ГЛ показан в таблице 1.1.
Таблица 1.1 - Химический состав стали 20ГЛ, % масс. (ГОСТ 32400-2013)
|
C |
Si |
Mn |
P |
S |
Cr |
Ni |
Cu |
Al |
|
|
не более |
|||||||||
|
0,17-0,25 |
0,30-0,50 |
1,10-1,40 |
0,02 |
0,02 |
0,30 |
0,30 |
0,60 |
0,04 |
Назначение стали 20ГЛ: для изготовления различных деталей вагонов, рам, балок, звездочек, дисков и других деталей отрасли машиностроения; для изготовления деталей трубопроводной арматуры, работающей при температурах от - 60 до + 350 °С; деталей для тележек пассажирских и грузовых вагонов.
Сталь 20ГЛ не чувствительна к флокенам, ограниченно свариваемая, не склонна к отпускной хрупкости.
Механические свойства стали представлены в таблице 1.2
Таблица 1.2 - Механические свойства стали [2]
|
Предел текучести ?т,МПа |
Временное сопротивление ?в, МПа |
Относительное удлинение д,% |
Относительное сужение ш% |
Ударная вязкость KCV-60, кДж/см2 |
|
|
275 |
540 |
18 |
30 |
20 |
1.3 Дуговая сталеплавильная печь
Во многих цехах для получения стали применяют дуговые печи переменного тока, индукционные печи и дуговые печи постоянного тока. В ДСП переменного действия тока выплавляли основную часть высококачественных и высоколегированных сталей. Основные плюсы дуговых электросталеплавильных печей заключаются в том, что: быстрое нагревание металла, иметь в электропечи восстановительную среду и низкое содержание оксида железа в шлаке, что обеспечивает низкий угар легирующих элементов; можно раскислять сталь, получая с низким содержанием оксидных неметаллических включений; а также получение стали с низким содержанием серы, удаляя в шлак; точно регулировать температурный режим металла [3].
Принцип действия дуговых сталеплавильных печей основан на преобразование электрической энергии в тепловую за счет экзотермических и электрофизических реакций. Происходит нагрев, плавление шихты, необходимые физико-химические процессы в шихтовых материалах, действующие на извлечение, рафинирование и обработку металла [3].
Преимущества ДСП:
-использование электрической энергии;
-расплавление любой вид шихты;
-возможность регулировать температуры и химического состава расплава;
-большая скорость нагрева;
-возможность проведения более высокотемпературных процессов.
К недостаткам ДСП относятся:
-высокий перегрев за счет электродов печи;
-трудное перемешивание металла;
-большое количество выхода газов и пыли во время рабочего процесса печи.
В таблице 1.3 представлены технические характеристики дуговой сталеплавильной печи вместимостью 6 т.
На рисунке 1.3 изображена конструкция дуговой сталеплавильной печи.
Рисунок 1.3 - Конструкция дуговой сталеплавильной печи (ДСП)
Таблица 1.3 - Технические характеристики ДСП-6
|
Параметры |
Значения |
|
|
Вместимость печи, т |
6 |
|
|
Мощность трансформатора, МВ•А |
4 |
|
|
Вторичное напряжение, В |
281-118 |
|
|
Максимальный ток, кА |
9,9 |
|
|
Диаметр электродов, мм |
300 |
|
|
Масса металлоконструкции, т |
70 |
|
|
Удельный расход электроэнергии, кВт•ч/т |
500 |
|
|
Стойкость футеровки (основная или нейтральная) плавок |
До 30 |
|
|
Расход охлаждающей воды, м3/ч |
20 |
1.4 Индукционные печи
Индукционные печи в настоящее время в черной металлургии применяются при производстве сталей и сплавов сложного химического состава.
Это обусловлена тем, что в индукционных печах при отсутствии электродов и электрических дуг создаются наиболее удобные условия для получения сталей с низкой концентрацией углерода и растворенных газов при более низкой потери легирующих добавок и точного регулирования температуры [4].
Магнитное поле в ИТП создается за счет индуктора, имеющего многовитковую катушку. Через этот индуктор проходит ток и возникает электромагнитный поток.
Принцип нагрева в индукционной плавке основан на преобразование электромагнитной энергии в тепловую [4].
Индукционные печи применяются в литейных цехах для плавления стали, чугуна и различных сплавов.
Преимущества ИТП по сравнению с ДСП:
- отсутствие высокотемпературной дуги, что уменьшает поглощение азота и водорода, и угар металла.
- более низкий угар элементов, присутствующих в шихте и ферросплавах при переплаве;
- передача энергии происходит при помощи электромагнитного поля, что не загрязняется металл электродами. Это дает возможность выплавлять стали с низкой концентрацией углерода;
- перемешивание расплава в ванне под действием электромагнитного поля способствует однородности химического состава металла, выравниванию температуры;
- легче регулировать температуру;
- небольшие габариты печи, позволяющие поместить её в закрытые камеры и провести плавку металла в вакууме или под воздействием инертного газа;
- невысокий уровень шума в работе печи, создающий наиболее удобные условия работы [4].
К недостаткам индукционных тигельных печей относятся:
-невысокая стойкость футеровки при работе на высоких температурах;
- из-за невысокой температуры шлаки малоактивные;
- весьма трудно удалить вредные примеси как фосфор и сера [4].
В таблице 1.4 представлены технические характеристики индукционной тигельной печи вместимостью 6 т.
На рисунке 1.4 изображено устройство индукционной тигельной печи.
Рисунок 1.4 - Устройство индукционной тигельной печи (ИТП)
Таблица 1.4 - Технические характеристики ИТП-6
|
Параметры |
Значения |
|
|
Вместимость печи, т |
6 |
|
|
Номинальная мощность трансформатора, кВ•А |
6000 |
|
|
Активная мощность, кВт |
4800 |
|
|
Частота тока, Гц |
500 |
|
|
Внутренный диаметр тигля, мм |
920 |
|
|
Внутренняя глубина тигля, мм |
1775 |
|
|
Номинальная толщина стенки, мм |
125 |
|
|
Производительность плавки до 1600 °С, т/ч |
9,5 |
|
|
Удельный расход электроэнергии, кВт•ч/т |
505 |
|
|
Стойкость футеровки (основная) плавок |
До 50 |
1.5 Внепечная обработка стали
Внепечная обработка стали производится для улучшения качества стали. Существуют разные способы обработки стали: 1) продувка инертным газом; 2) обработка стали вакуумом; 3) обработка стали синтетическим шлаком; 4) продувка стали порошкообразными материалами. Продувка жидкого металла в ковше является самым простым способом обработки стали. Ее можно применять также более сложными методами. Например: продувка аргоном, ввод раскислителей и легирующих добавок. При продувке пузырьки газа оказывают на металл рафинирующее действие. Удаляются неметаллические включения из стали, выравниваются температура и химический состав металла в ковше [5].
После получения в печи стали с требуемыми температурой и содержанием углерода и фосфора, металл выпускают в ковш, который транспортируется на АКП, где проводится восстановительный период. Задачами восстановительного периода является: раскисление, десульфурация стали, корректирование химического состава, регулирование температуры ванны.
Агрегат ковш-печь предназначен для получения высококачественной стали. В нем протекают физико-химические реакции более эффективно чем в других печах [5].
В состав ковш-печи входят средства для перемешивания металла нейтральным газом, система для добавления легирующих и рафинирующих материалов в ковш.
АКП выполняет следующие технологические операции:
?рафинирование стали от неметаллических включений;
? нагрев металла до требуемой температуры;
? доведение до расчетного химического состава;
? обработка стали;
? проводить десульфурацию стали;
? легирование ферросплавами в ковше;
? гомогенизация расплава за счет перемешивания нейтральными газами.
Продувка аргоном в ковше обеспечивает перемешивание ванны, которое приводит к усреднению по химическому составу и температуре металла по всему объему.
Главная задача обработки стали в ковше является осуществление технологических операций более быстро и эффективно по сравнению с обычными сталеплавильными печами [5].
В таблице 1.5 представлены технические характеристики АКП.
На рисунке 1.5 изображено устройство агрегата ковш-печь.
Рисунок 1.5 - Устройство агрегата ковш-печь (АКП)
Таблица 1.5 - Технические характеристики АКП
|
Параметры |
Значения |
|
|
Вместимость, т |
6 |
|
|
Мощность трансформатора, кВ•А |
1600 |
|
|
Частота тока, Гц |
50 |
|
|
Внутренный диаметр, мм |
1080 |
|
|
Глубина ковша, мм |
1470 |
|
|
Диаметр электродов, мм |
150 |
|
|
Футеровка |
основная |
|
|
Расход воды, м3/ч |
30 |
2 Особенности технологий производства стали 20ГЛ
2.1 Технологические схемы производства стали 20ГЛ в ИТП и ДСП
Вариант 1. ИТП-АКП
Эта технология включает в себя окислительный и восстановительный периоды. Окислительный период производится в ИТП с применением кислорода и плазматрона для подогрева шлака, восстановителный период производится в АКП. Проводятся процессы дефосфорации и десульфурации стали. Вводится кислород в расплав через футерованную трубу.
На рисунке 2.1 показана технологическая схема производства стали 20ГЛ в ИТП-АКП. Технологическая схема стали 20ГЛ в ИТП
Рисунок 2.1 - Технологическая схема производства стали 20ГЛ в ИТП-АКП
Вариант 2. Переплав в ИТП
Эта технология проводится без окислительного и восстановительного периодов. Требуются лом с содержанием серы и фосфора ниже требуюмого уровня в готовой стали. Для разбавления используются чистый лом с низким содержанием серы фосфора. Применение чистого лома снижает содержание серы и фосфора в завалке. Процесс проводится методом переплава в ИТП.
На рисунке 2.2 показана технологическая схема производства стали 20ГЛ в ИТП методом переплава.
Технологическая схема стали 20ГЛ в ИТП
Рисунок 2.2 - Технологическая схема производства стали 20ГЛ в ИТП методом переплава
Вариант 3. ДСП-АКП
В ДСП можно расплавить практическилюбой вид шихты. Данная технология является двухшлаковой. По этой технологии можно получить металл с низким содержанием вредных примесей таких как сера и фосфор. Фосфор удаляется в ДСП, сера удаляется в АКП.
На рисунке 2.3 показана технологическая схема производства стали 20ГЛ в ДСП-АКП.
Технологическая схема стали 20ГЛ в ДСП-АКП
Рисунок 2.3 - Технологическая схема производства стали 20ГЛ в ДСП-АКП
Вариант 4. Переплав в ДСП
Плавку идет без окислительного периода. При этом углерод и фосфор не удаляются, их содержания в шихте не должны быть выше уровня, требуюмого в готовой стали. Раскисление, десульфурация и легирование стали производят обычным способом.
На рисунке 2.4 показана технологическая схема производства стали 20ГЛ в ДСП методом переплава.
Технологическая схема стали 20ГЛ в ДСП
Рисунок 2.4 - Технологическая схема производства стали 20ГЛ в ДСП методом переплава
2.2 Интенсификация плавки в ИТП
Шлаки в ИТП не выполняют ряд функций таких как дефосфорация и десульфурация. В процессе выплавки стали в ИТП, шлаки малоактивные и они как правило не участвуют в рафинировании металла от фосфора и серы.
Однако, исследователи считают, что шлак может выполнять рафинирующие функции в ИТП, но только в определенных условиях. Изменяя количество, состав и температуру шлака можно влиять на процессы удаления вредных примесей таких как сера и фосфор. Удаление таких примесей основано на переводе их в шлак. Шлак может участвовать в реакциях удаления вредных примесей с использованием твердых шлакообразующих смесей (ТШС) [6].
Реакции удаления фосфора и серы протекает на границе раздела фаз “металл-шлак”. С применением ТШС (железная руда, плавиковый шпат, известь) можно оказывать влияние на конечное содержание серы и фосфора. При этом изменяется основность шлака, окисленность металла и шлака [7].
Процесс удаления примесей может быть ещё эффективнее, если закрыть тигель или прогревать шлак, чтобы предотвратить охлаждение шлака. В ИТП может применяться плазматроны что позволяют нагревать шлак. Это увеличивает реакционные и рафинирующие способности шлака [8].
Для рафинирования от фосфора стали можно продувать кислород. Более интенсивное удаление примесей может достигнуто в ИТП путем вдувания воздуха [9].
3 Технологические схемы производства стали 20ГЛ на ЛМЗ
3.1 Технологическая схема производства стали 20ГЛ в ИТП на литейно-механическом заводе г. Ташкента
Подготовка шихты. Шихта не должна быть окислена, потому что, между кусками шихты получается плохой электрический контакт. Чем ниже частота тока, тем ниже удельная мощность. Мелкие куски шихты создают невысокую удельную мощность. Поэтому, размеры кусков шихты увеличиваются с уменьшением частоты тока [10]. Шихтовыми материалами являются стальной лом, отходы стали 20ГЛ, чистый лом с низким содержанием серы и фосфора. Состав шихты должен быть близко к составу выплавляемой марки стали, так как процесс идет методом переплава. Шихта проходит очищение, сортировку, огневую резку и сушку.
Подготовка печи. Перед выплавкой проверяют тигель, все механизмы, сигнализации и систему водоохлаждения.
Загрузка печи. Шихту составляет из разных кусков (крупные и мелкие). Крупные куски загружают у стенок печи, где максимальная плотность тока, чтобы создать хорошие условия для расплавления шихты. Мелкие куски шихты загружают на нижнюю часть печи, более крупные в верхнюю часть. Шихту необходимо укладывать более плотно, чтобы магнитные силовые линии пересекали максимальную площадь [10].
Плавление. После загрузки шихты в печь, сразу начинается расплавление шихты. При расплавлении шихты некоторые элементы как углерод, кремний, марганец выгорают. После расплавления, в печь вводят шлакообразующие как известь и плавиковый шпат, чтобы уменьшить поступления газов из атмосферы в металл и окисление элементов. После того, как расплавилась шихта, отбирают пробу для анализа [10].
Легирование. После анализа необходимо легировать металл ферросплавами. Для легирования марганцем применяют ферромарганец марки ФМн78, кремнием применяют ферросилиций марки ФС65, для легирования углеродом используют электродный бой, алюминием используют чистый алюминий в виде чушек.
Выпуск стали. Сталь подогревают до температуры 1680 °C, сливают шлак. Затем начинается выпуск металла в ковш. Во время слива металла в ковш, подают чушки алюминия для раскисления. Далее на разливочный участок с помощью мостового крана перемещают ковш [10].
На рисунке 3.1 показана технологическая схема производства стали 20ГЛ в ИТП на литейно-механическом заводе г. Ташкента.
Технологическая схема стали 20ГЛ в ИТП
Рисунок 3.1 - Технологическая схема производства стали 20ГЛ в ИТП на литейно-механическом заводе г. Ташкента
3.2 Технологическая схема производства стали 20ГЛ в ДСП на литейно-механическом заводе г. Ташкента
Подготовка шихты. Основным материалом шихты считается стальной лом. Ломы не должны содержать примеси цветных металлов, такие как, меди и никеля. В ломе должен быть минимальное количество фосфора, чтобы увеличить производительность печи. Лом не должен быть ржавым. В противном случае, в лом может попасть водород. Чугун должен иметь минимальное количество фосфора. К шлакообразующим материалом относятся известь, известняк, плавиковый шпат, шамотный бой, кварцевый песок. В основных печах применяют известь, известняк, шамотный бой и плавиковый шпат. Известь должна быть свежеобоженной, должна содержать не менее 95% , серы 0,01-0,02%. В плавиковом шпате содержание должно быть более 85%.Окислителями являются железная руда, окатыши, агломерат, кислород [11].
Подготовка печи. После каждого выхода плавки печь обязательно очистить от отходов шлака и металла. Остатки шлака на подине приводит к уменьшению объема, ухудшают заправку печи магнезитовым порошком. Ремонтируются поврежденные участки футеровки, заправляют подину и откосы магнезитовым порошком [11].
Загрузка шихты. Шихту загружают сверху с помощью корзины. Первом делом, загружают в печь мелкие куски лома, чтобы избежать повреждение подины. Крупную шихту догружают в среднюю и верхнюю части печи. Крупные куски желательно были в наиболее горячих зонах под электродами. Сверху засыпают мелочь, чтобы обеспечить быстрое горение дуги и быстрое проплавление колодцев. Количество углерода в завалке необходимо быть выше 0,3-0,6% нижнего предела в стали заданной марке. Загружают чугун с мелким стальным ломом [11].
Плавление. После завалки опускают электроды и шихта плавится за счет высокой температуры дуг. Во время плавления окисляются составляющие шихты за счет кислорода воздуха. Образуется окислительный шлак, позволяет удалить до 30-40% фосфора.
Окислительный период. Окислительный период начинается с подачи кислорода для окисления примесей и присаживают известь примерно в количестве 1,5-2% от массы металлошихты. При этом часть шлака удаляют из печи. Окисление примесей идет с помощью кислорода. Кислород вводят в сталь через трубки. Окисляются элементы такие как углерод, кремний, марганец, фосфор и частично сера и железо. Окисление углерода очень важно. Углерод с кислородом образует пузырьки . При этом удаляются вредные газы, такие как, азот и водород. Эти пузырьки вызывают перемешивание ванны, нагрев металла. Введение в печь извести и руды создает хорошее условие для процесса дефосфорации из-за повышенного содержания в шлаке. Окислительный период заканчивается тогда, когда углерод окислился до нижнего предела в марке стали и фосфора 0,01-0,015%. Затем скачивают окислительный шлак [11].
Восстановительный период в АКП. После получения полупродукта в печи, его выпускают в ковш. На выпуске раскисляют алюминием, марганцем и кремнием. Далее транспортируют на АКП, чтобы проводить восстановительный период. Для наведения нового шлака присаживают ТШС (известь, плавиковый шпат). Продувают аргоном. При этом пузырьки аргона оказывает на металл рафинирующее действие. Продувка аргоном вызывает перемешивание ванны. Интенсивное перемешивание облегчает процесс удаления неметаллических включений из ванны. Задачами восстановительного периода являются десульфурация, раскисление, регулирование температуры и доведение металла до требуемого состава по легирующим элементам [11].
Для легирования марганцем применяют ферромарганец марки ФМн78, кремнием применяют ферросилиций марки ФС65, алюминием используют чистый алюминий. Перед выпуском сталь подогревают до 1680 °C. Потом ковш транспортируют на разливку.
На рисунке 3.2 показана технологическая схема производства стали 20ГЛ в ИТП на литейно-механическом заводе г. Ташкента. Технологическая схема стали 20ГЛ в ДСП с учетом внепечной обработки
|
Удаления шлака |
Рисунок 3.2- Технологическая схема производства стали 20ГЛ в ДСП на литейно-механическом заводе г. Ташкента
4 Технологические расчеты по выплавке стали 20ГЛ в различных агрегатах на литейно-механическом заводе г. Ташкента
4.1 Технологические расчеты для ИТП
4.1.1 Расчет металлошихты и ферросплавов
Данная технология предусматривает использования в качестве шихты отходы стали 20ГЛ и чистый лом с низким содержанием серы и фосфора. С целью разбавления металла по сере и фосфору дают чистый лом.
Химический и расчетный состав марки стали 20ГЛ представлен в таблице 4.1.
Таблица 4.1 - Химический состав марки стали 20ГЛ, % масс. (ГОСТ32400-2013)
|
C |
Si |
Mn |
S |
P |
Cr |
Ni |
Cu |
Al |
Fe |
|
|
Не более |
||||||||||
|
0,17-0,25 |
0,3-0,5 |
1,1-1,4 |
0,02 |
0,02 |
0,3 |
0,3 |
0,6 |
0,04 |
||
|
(0,22) |
(0,35) |
(1,2) |
(96,95) |
Примечание. В скобках - расчетный химический состав металлошихты.
Шихтовые материалы для выплавления стали 20ГЛ показаны в таблице 4.2.
Таблица 4.2 - Шихтовые материалы для выплавления стали 20ГЛ
|
Расчетный химический состав шихты % масс. |
|||||||||||
|
Материал |
C |
Si |
Mn |
S |
P |
Cr |
Ni |
Cu |
Al |
Fe |
|
|
Отходы 20ГЛ |
0,25 |
0,4 |
1,3 |
0,02 |
0,02 |
0,25 |
0,25 |
0,2 |
0,06 |
97,25 |
|
|
Чистый лом |
0,15 |
0,25 |
0,5 |
0,01 |
0,01 |
0,04 |
0,13 |
0,1 |
0 |
98,81 |
|
|
ФМн78 |
5 |
4 |
78 |
0,01 |
0,03 |
0 |
0 |
0 |
0 |
12,96 |
|
|
ФС65 |
0,1 |
65 |
0,4 |
0,02 |
0,05 |
0 |
0 |
0 |
0 |
34,43 |
|
|
Алюминий |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
0 |
100 |
0 |
Расчетный состав шлакообразующего материала представлен в таблице 4.3.
Таблица 4.3 - Расчетный состав шлакообразующего материала
|
Материал |
Содержание компонентов, % |
|||||||
|
CaO |
MgO |
SiO2 |
Al2O3 |
Fe2O3 |
P2O5 |
прочие |
||
|
Известь |
93 |
3 |
2,2 |
1 |
0,5 |
0,1 |
0,2 |
Необходимое количество металлозавалки рассчитывается по формуле (4.1.1).
(4.1.1)
где кг;
%;
%.
где %;
%;
%;
70%;
30%.
Выбираем 70% отходов выплавляемой марки стали 20ГЛ и 30% отходов чистого лома.
Содержание элементов в завалке (%) считается по формуле (4.1.2).
(4.1.2)
где %;
%;
%.
Содержание элементов в завалке (кг) считается по формуле (4.1.3).
(4.1.3)
где кг;
кг;
%.
Угар элементов (кг) считается по формуле (4.1.4).
(4.1.4)
где %;
кг.
Масса каждого элемента в жидком металле рассчитывается по формуле (4.1.5).
(4.1.5)
где кг.
Содержание элементов в жидком металле (%) считается по формуле (4.1.6).
(4.1.6)
где .
Химический состав стали в период расплавления приведен в таблице 4.4.
Таблица 4.4 - Расчет состава металла на конец плавки
|
Состав |
C |
Si |
Mn |
S |
P |
Cr |
Ni |
Cu |
Al |
Fe |
Всего |
|
|
Завалка, % |
0,22 |
0,355 |
1,06 |
0,017 |
0,017 |
0,187 |
0,214 |
0,17 |
0,042 |
97,718 |
100 |
|
|
Завалка, кг |
13,3 |
21,462 |
64,084 |
1,028 |
1,028 |
11,305 |
12,938 |
10,278 |
2,539 |
5907,685 |
6045,646 |
|
|
Угар, % |
10 |
80 |
25 |
0 |
0 |
10 |
0 |
0 |
100 |
1,5 |
||
|
Угар, кг |
1,33 |
17,17 |
16,021 |
0 |
0 |
1,131 |
0 |
0 |
2,539 |
88,615 |
126,806 |
|
|
Жидкий металл, % |
0,202 |
0,073 |
0,812 |
0,017 |
0,017 |
0,172 |
0,219 |
0,174 |
0 |
98,314 |
100 |
|
|
Жидкий металл, кг |
11,97 |
4,292 |
48,063 |
1,028 |
1,028 |
10,175 |
12,938 |
10,278 |
0 |
5819,069 |
5918,841 |
Выход годного в ИТП рассчитывается по формуле (4.1.7).
(4.1.7)
Масса ферросплавов рассчитывается по формуле (4.1.8).
(4.1.8)
где Э - содержание легирующего компонента в готовой стали, %;
Э` - содержание легирующего компонента перед подачей ферросплава, %;
A - содержание легирующего компонента в ферросплаве, %;
B - коэффициента усвоения легирующего компонента, %.
Количество элемента (кг), внесенного ферросплавом рассчитывается по формуле (4.1.9).
(4.1.9)
где количество ферросплава, кг;
содержание компонента в ферросплаве, %;
коэффициент усвоения элемента, %.
В таблице 4.5 приведены коэффициенты усвоения элементов из ферросплавов в ИТП.
Таблица 4.5 - Коэффициенты усвоения элементов из ферросплавов в ИТП
|
Легирующие элементы |
Коэффициент усвоения |
|
|
Марганец |
0,95 |
|
|
Кремний |
0,95 |
Определим общий расход ферромарганца ФМн78. Коэффициент усвоения марганца-95%.
В таблице 4.6 приведен химический состав стали 20ГЛ после легирования ферромарганцем.
Таблица 4.6 - Химический состав стали 20ГЛ после легирования ферромарганцем
|
C |
Si |
Mn |
S |
P |
Cr |
Ni |
Cu |
Fe |
Всего |
||
|
Жидкий металл, кг |
11,97 |
4,292 |
48,063 |
1,028 |
1,028 |
10,175 |
12,938 |
10,278 |
5819,069 |
5918,841 |
|
|
ФМн78, кг |
1,571 |
1,194 |
23,278 |
0,003 |
0,009 |
0 |
0 |
0 |
4,071 |
30,126 |
|
|
Итого, кг |
13,541 |
5,486 |
71,341 |
1,031 |
1,037 |
10,175 |
12,938 |
10,278 |
5823,141 |
5948,967 |
|
|
Жидкий металл, % |
0,228 |
0,092 |
1,199 |
0,017 |
0,017 |
0,171 |
0,217 |
0,173 |
97,885 |
100 |
Определим общий расход ферросилиция ФС65. Коэффициент усвоения кремния - 95%. Рассчитываем содержание кремния, внесенного ферромарганцем. Ферромарганец внесет кремния 1,26 кг, с учетом коэффициента усвоения (95%) в металл перейдет 1,194 кг, или составляет- 0,02% [12].
В таблице 4.7 приведен химический состав стали 20ГЛ после легирования ферросилицием.
Таблица 4.7 - Химический состав стали 20ГЛ после легирования ферросилицием
|
C |
Si |
Mn |
S |
P |
Cr |
Ni |
Cu |
Fe |
Всего |
||
|
Жидкий металл, кг |
13,566 |
5,486 |
71,341 |
1,031 |
1,037 |
10,175 |
12,938 |
10,278 |
5823,141 |
5948,967 |
|
|
ФC65, кг |
0,025 |
15,467 |
0,095 |
0,005 |
0,013 |
0 |
0 |
0 |
8,624 |
24,228 |
|
|
Итого, кг |
13,566 |
20,953 |
71,436 |
1,036 |
1,05 |
10,175 |
12,938 |
10,278 |
5831,765 |
5973,196 |
|
|
Жидкий металл, % |
0,227 |
0,351 |
1,196 |
0,017 |
0,018 |
0,170 |
0,217 |
0,172 |
97,632 |
100 |
Количество шихты:
Отходы 20ГЛ: .
Чистый лом: .
ФМн78: .
ФС65: .
Общая масса металлошихты:
Количество элементов, вносимых отходами 20ГЛ рассчитывается по формуле (4.1.10).
(4.1.10)
где %;
кг.
Количество элементов, вносимых чистым ломом рассчитывается по формуле (4.1.11).
(4.1.11)
где %;
кг.
Количество элементов, вносимых ферромарганцем рассчитывается по формуле (4.1.12).
(4.1.12)
где %;
кг.
Количество элементов, вносимых ферросилицием рассчитывается по формуле (4.1.13).
(4.1.13)
где %;
кг.
Расход металлошихты на плавку приведен в таблице 4.8.
Таблица 4.8 - Расход шихты на плавку
|
Материал |
Кол-во, кг |
Количество элемента, вносимое каждой составляющей металлошихты, кг |
||||||||||
|
C |
Si |
Mn |
S |
P |
Cr |
Ni |
Cu |
Al |
Fe |
|||
|
Отходы 20ГЛ, кг |
4231,952 |
10,58 |
16,928 |
55,015 |
0,846 |
0,846 |
10,58 |
10,58 |
8,464 |
2,54 |
4115,57 |
|
|
Чистый лом, кг |
1813,69 |
2,721 |
4,534 |
9,068 |
0,181 |
0,181 |
0,725 |
2,358 |
1,814 |
0 |
1792,11 |
|
|
ФМн78, кг |
31,51 |
1,575 |
1,26 |
24,578 |
0,003 |
0,009 |
0 |
0 |
0 |
0 |
4,084 |
|
|
ФС65, кг |
11,05 |
0,011 |
7,185 |
0,044 |
0,002 |
0,006 |
0 |
0 |
0 |
0 |
3,806 |
|
|
Итого, кг |
6088,21 |
14,887 |
29,907 |
88,706 |
1,033 |
1,043 |
11,305 |
12,94 |
10,28 |
2,54 |
5915,57 |
4.1.2 Расчет количества и состава шлака, пыли и газов
Во время плавления окисляются элементы в количестве: C-1,33 кг; Si - 8,585 кг; Mn - 16,021 кг; Al - 2,539кг;Fe - 88,615 кг.
Углерод окисляется в виде СО. Остальные элементы переходят в шлак (85%) и пыли (15%). Железо окисляется в воздухе до FeO. В таблице 4.9 представлено количество элементов, переходящих в шлак, пыль и газ [13].
Рассчитывается количество кислорода по формуле (4.1.14).
(4.1.14)
где Укг - угар каждого элемента во время плавки, кг;
- молярная масса кислорода, г/моль;
- молярная масса каждого элемента, г/моль.
Рассчитывается количество шлака, пыли и газа по формуле (4.1.15).
(4.1.15)
где - молярная масса оксида, образовавшего шлак, пыль и газ.
Расчет образующихся шлака, пыли и газа приведен в таблице 4.9.
Таблица 4.9 - Расчет образующихся шлака, пыли и газа [13]
|
Реакция окисления |
Окислилось, кг |
Необходимый кислород, кг |
Образуется, кг |
|||
|
шлак |
пыль |
газ |
||||
|
С+1/2O2=CO |
1,33 |
1,77 |
- |
- |
3,103 |
|
|
Si+O2=SiO2 |
17,17 |
19,623 |
31,274 |
5,52 |
- |
|
|
Mn+1/2O2=MnO |
16,021 |
4,66 |
17,579 |
3,1 |
- |
|
|
Fe+1/2O2=FeO |
88,615 |
25,32 |
96,843 |
17,2 |
- |
|
|
2Al+3/2O2=Al2O3 |
2,54 |
2,257 |
4,076 |
0,72 |
- |
|
|
CaO |
- |
- |
118,5 |
2,42 |
- |
|
|
? |
125,675 |
53,63 |
268,272 |
28,85 |
3,103 |
В конце получилось 268,272 кг шлака, 28,85 кг пыли и 3,103 кг газа.
Расход извести составляет 2% от массы завалки.
Расход футеровки составляет 5 кг/т.
Футеровка с содержанием компонентов: 2,96% SiO2; 0,64% Al2O3; 1,98% Fe2O3; 3,02% CaO; 91,4% MgO [13].
В таблице 4.10 представлены количество и состав шлака.
Таблица 4.10 - Количество и состав шлака
|
Источник поступления |
СaO |
MgO |
SiO2 |
Al2O3 |
FeO |
Fe2O3 |
MnO |
Всего |
|
|
Металл, кг |
- |
- |
31,274 |
4,076 |
96,843 |
17,579 |
149,772 |
||
|
Известь, кг |
110,2 |
3,555 |
2,607 |
1,185 |
- |
0,593 |
- |
118,5 |
|
|
Футеровка, кг |
0,906 |
27,42 |
0,888 |
0,192 |
- |
0,594 |
- |
30 |
|
|
Итого, кг |
111,106 |
30,975 |
34,769 |
5,453 |
96,843 |
1,187 |
17,579 |
298,272 |
|
|
% |
37,25 |
10,38 |
11,66 |
1,83 |
32,47 |
0,4 |
5,89 |
100 |
4.1.3 Материальный баланс плавки
Материальный баланс показан в таблице 4.11.
Таблица 4.11 - Материальный баланс стали в ИТП
|
Израсходовано |
кг |
Получено |
кг |
|
|
Отходы 20ГЛ |
4231,952 |
Жидкий металл |
5975,596 |
|
|
Чистый лом |
1813,694 |
Шлак |
298,272 |
|
|
Известь |
120,91 |
Пыль |
28,85 |
|
|
Футеровка |
30 |
|||
|
ФМн78 |
31,41 |
Газ |
3,103 |
|
|
ФС65 |
25,06 |
В том числе: |
||
|
Кислород воздуха |
53,63 |
СО |
3,103 |
|
|
Итого |
6306,656 |
Итого |
6305,821 |
4.2 Технологические расчеты в ДСП с учетом внепечной обработки
4.2.1 Расчет металлошихты и ферросплавов
Данная технология предусматривает использования в качестве шихты углеродистый лом и чугун. Химический и расчетный состав марки стали 20ГЛ приведен в таблице 4.1.
Шихтовые материалы для выплавления стали показаны в таблице 4.12.
Таблица 4.12 - Шихтовые материалы для выплавки стали
|
Расчетный химический состав шихты % масс. |
||||||||||
|
Материал |
C |
Si |
Mn |
S |
P |
Cr |
Ni |
Cu |
Fe |
|
|
Углеродистый лом |
0,2 |
0,2 |
0,4 |
0,03 |
0,04 |
0,2 |
0,2 |
0,2 |
98,53 |
|
|
Чугун |
3 |
0,9 |
0,7 |
0,05 |
0,05 |
0 |
0 |
0 |
95,3 |
|
|
ФМн78 |
5 |
4 |
78 |
0,01 |
0,03 |
0 |
0 |
0 |
12,96 |
|
|
ФС65 |
0,1 |
65 |
0,4 |
0,02 |
0,05 |
0 |
0 |
0 |
34,43 |
Необходимое количество металлозавалки рассчитывается по формуле (4.2.1).
(4.2.1)
где %;
%;
%.
где %;
%;
%;
95%;
5%.
Выбираем 5% чугуна и 95% углеродистого лома.
Содержание элементов в завалке (%) считается по формуле (4.2.2).
(4.2.2)
где %;
%;
%.
Содержание элементов в завалке (кг) считается по формуле (4.2.3).
(4.2.3)
где кг;
кг;
%.
Угар элементов (кг) считается по формуле (4.2.4).
(4.2.4)
где %;
кг.
Масса каждого элемента в жидком металле рассчитывается по формуле (4.2.5).
(4.2.5)
где кг.
Содержание элементов в жидком металле (%) считается по формуле (4.2.6).
(4.2.6)
где %.
Химический состав стали в конце плавки приведен в таблице 4.13.
Таблица 4.13 - Расчет состава металла на конец плавки
|
Состав |
C |
Si |
Mn |
S |
P |
Cr |
Ni |
Cu |
Fe |
Всего |
|
|
Завалка, % |
0,34 |
0,235 |
0,415 |
0,031 |
0,041 |
0,19 |
0,19 |
0,19 |
98,369 |
100 |
|
|
Завалка, кг |
20,958 |
14,486 |
25,581 |
1,911 |
2,496 |
11,712 |
11,712 |
11,712 |
6063,56 |
6164,13 |
|
|
Угар в период расплавления, % |
65 |
100 |
70 |
10 |
80 |
15 |
3 |
3 |
4 |
||
|
Угар в период расплавления, кг |
13,623 |
14,486 |
17,907 |
0,191 |
2 |
1,757 |
0,351 |
0,351 |
242,543 |
293,206 |
|
|
Жидкий металл, % |
0,125 |
0 |
0,131 |
0,029 |
0,009 |
0,17 |
0,194 |
0,194 |
99,15 |
100 |
|
|
Жидкий металл, кг |
7,335 |
0 |
7,674 |
1,72 |
0,499 |
9,955 |
11,36 |
11,36 |
5821,023 |
5870,93 |
Выход годного в ДСП рассчитывается по формуле (4.2.7).
(4.2.7)
Коэффициенты усвоения элементов из ферросплавов в ДСП представлены в таблице 4.14.
Таблица 4.14 - Коэффициенты усвоения элементов из ферросплавов в ДСП
|
Легирующие элементы |
Присадка |
|
|
Марганец |
0,95 |
|
|
Кремний |
0,80 |
Масса ферросплавов рассчитывается по формуле (4.2.8).
(4.2.8)
где Э - содержание легирующего компонента в готовой стали, %;
Э` - содержание легирующего компонента перед подачей ферросплава, %;
A - содержание легирующего компонента в ферросплаве, %;
B - коэффициент усвоения легирующего компонента, %.
Количество элемента кг внесенного ферросплавом рассчитывается по формуле (4.2.9).
(4.2.9)
где количество ферросплава, кг;
содержание элемента в ферросплаве, %;
коэффициент усвоения элемента, %.
Определим общий расход ферромарганца ФМн78. Коэффициент усвоения марганца - 95%.
Химический состав стали 20ГЛ после легирования ферромарганцем представлен в таблице 4.15.
Таблица 4.15 - Химический состав стали 20ГЛ после легирования ферромарганцем
|
C |
Si |
Mn |
S |
P |
Cr |
Ni |
Cu |
Fe |
Всего |
||
|
Жидкий металл, кг |
7,34 |
0 |
7,67 |
1,72 |
0,5 |
9,96 |
11,36 |
11,36 |
5821,02 |
5870,93 |
|
|
ФМн78, кг |
4,33 |
2,77 |
64,16 |
0,01 |
0,03 |
0 |
0 |
0 |
11,22 |
82,51 |
|
|
Итого, кг |
11,66 |
2,77 |
71,83 |
1,73 |
0,53 |
9,96 |
11,36 |
11,36 |
5832,24 |
5953,44 |
|
|
Жидкий металл, % |
0,2 |
0,05 |
1,21 |
0,029 |
0,009 |
0,17 |
0,19 |
0,19 |
97,96 |
100 |
Определим общий расход ферросилиция ФС65. Коэффициент усвоения кремния - 80%.Расчет выполним с учетом кремния, внесенного ферромарганцем. Ферромарганец внесет кремния 3,46 кг, с учетом коэффициента усвоения (80%) в металл перейдет 2,77 кг, или составляет- 0,05%.
Химический состав стали 20ГЛ после легирования ферросилицием представлен в таблице 4.16.
Таблица 4.16 - Химический состав стали 20ГЛ после легирования ферросилицием
|
C |
Si |
Mn |
S |
P |
Cr |
Ni |
Cu |
Fe |
Всего |
||
|
Жидкий металл, кг |
11,66 |
2,77 |
71,83 |
1,73 |
0,53 |
9,96 |
11,36 |
11,36 |
5832,24 |
5953,44 |
|
|
ФC65, кг |
0,04 |
18,2 |
0,13 |
0,01 |
0,02 |
0 |
0 |
0 |
12,06 |
30,46 |
|
|
Итого, кг |
11,7 |
20,98 |
71,96 |
1,74 |
0,54 |
9,96 |
11,36 |
11,36 |
5844,3 |
5983,9 |
|
|
Жидкий металл, % |
0,2 |
0,35 |
1,2 |
0,029 |
0,009 |
0,17 |
0,19 |
0,19 |
97,67 |
100 |
Количество шихты:
Углеродистый лом: .
Чугун: .
ФМн78: .
ФС65: .
Общая масса металлошихты:
Количество элементов, вносимых углеродистым ломом рассчитывается по формуле (4.2.8).
(4.2.8)
где %;
кг.
Количество элементов, вносимых чугуном рассчитывается по формуле (4.2.9).
(4.2.9)
где %;
кг.
Количество элементов, вносимых ферромарганцем рассчитывается по формуле (4.2.10).
(4.2.10)
где %;
кг.
Количество элементов, вносимых ферросилицием рассчитывается по формуле (4.2.11).
(4.2.11)
где %;
кг.
Расход металлошихты на плавку приведен в таблице 4.17.
Таблица 4.17 - Расход шихты на плавку
|
Материал |
Кол-во, кг |
Количество элемента, вносимое каждой составляющей металлошихты, кг |
|||||||||
|
C |
Si |
Mn |
S |
P |
Cr |
Ni |
Cu |
Fe |
|||
|
Угл. Лом, кг |
5855,93 |
11,71 |
11,71 |
23,42 |
1,76 |
2,34 |
11,71 |
11,71 |
11,71 |
5769,84 |
|
|
Чугун, кг |
308,2 |
9,25 |
2,77 |
2,16 |
0,15 |
0,15 |
0 |
0 |
0 |
293,72 |
|
|
ФМн78, кг |
86,58 |
4,33 |
3,46 |
67,53 |
0,009 |
0,026 |
0 |
0 |
0 |
11,22 |
|
|
ФС65, кг |
35 |
0,035 |
22,76 |
0,14 |
0,007 |
0,018 |
0 |
0 |
0 |
12,06 |
|
|
Итого, кг |
6285,73 |
25,32 |
40,7 |
93,25 |
1,93 |
2,54 |
11,71 |
11,71 |
11,71 |
6086,84 |
4.2.2 Расчет количества и состава шлака, пыли и газов
Во время плавления элементы окисляются в количестве: C - 13,623 кг; Si - 14,486 кг; Mn - 17,9 кг; P - 2 кг;Fe - 242,54 кг.
Углерод окисляется в виде СО. Остальные элементы переходят в шлак (85%) и пыли (15%). Железо окисляется в воздухе до FeO. В таблице 4.18 представлено количество элементов, переходящих в шлак, пыль и газ [13].
Рассчитывается количество кислорода по формуле (4.2.12).
(4.2.12)
где Укг - угар каждого элемента во время плавки, кг;
- молярная масса кислорода, г/моль;
- молярная масса каждого элемента, г/моль.
Рассчитывается количество шлака, пыли и газа по формуле (4.2.13).
(4.2.13)
где - молярная масса оксида, образовавшего шлак, пыль и газ.
Расчет образующихся шлака, пыли и газа приведен в таблице 4.18.
Таблица 4.18 - Расчет образующихся шлака, пыли и газа [13].
|
Реакция окисления |
Окисл-сь, кг |
Необходимый кислород, кг |
Образуется, кг |
|||
|
шлак |
пыль |
газ |
||||
|
С+1/2O2=CO |
13,623 |
18,16 |
- |
- |
31,79 |
|
|
Si+O2=SiO2 |
14,486 |
16,55 |
26,38 |
4,65 |
- |
|
|
Mn+1/2O2=MnO |
17,9 |
5,2 |
19,64 |
3,47 |
- |
|
|
Fe+1/2O2=FeO |
242,54 |
69,3 |
265 |
46,77 |
- |
|
|
2P+5/2O2=P2O5 |
2 |
2,58 |
2,29 |
2,29 |
- |
|
|
CaO |
- |
- |
121 |
2,3 |
- |
|
Из электродов |
||||||
|
С+1/2O=CO |
21 |
28 |
- |
- |
49 |
|
|
? |
311,5 |
140 |
434,29 |
59,48 |
80,79 |
В конце получилось 434,29кг шлака, 59,48 кг пыли и 80,79 кг газа.
Расход электрода составляет 3,5 кг/т.
Расход извести составляет 2% от массы завалки.
Расход аргона составляет 0,5 м3/т = 0,5•1,78=0,89 кг/т.
Расход футеровки составляет 8,3 кг/т.
Футеровка с содержанием компонентов: 2,96% SiO2; 0,64% Al2O3; 1,98% Fe2O3; 3,02% CaO; 91,4% MgO [13].
Количество и состав шлака представлены в таблице 4.19.
Таблица 4.19 - Количество и состав шлака
|
Источник поступления |
СaO |
MgO |
SiO2 |
Al2O3 |
P2O5 |
FeO |
Fe2O3 |
MnO |
Всего |
|
|
Металл, кг |
- |
- |
26,38 |
- |
2,29 |
265 |
- |
19,64 |
313,29 |
|
|
Известь, кг |
114,67 |
3,7 |
2,71 |
1,23 |
0,12 |
- |
0,61 |
- |
123,3 |
|
|
Футеровка кг |
1,51 |
45,7 |
1,48 |
0,32 |
- |
- |
1 |
- |
50 |
|
|
Итого, кг |
116,18 |
49,4 |
30,57 |
1,55 |
2,41 |
265 |
1,61 |
19,64 |
486,6 |
|
|
% |
23,87 |
10,15 |
6,28 |
0,31 |
0,5 |
54,46 |
0,33 |
4,04 |
100 |
4.2.3 Материальный баланс плавки
Материальный баланс представлен в таблице 4.20.
Таблица 4.20 - Материальный баланс стали 20ГЛ в ДСП и АКП
|
Израсходовано |
кг |
Получено |
кг |
|
|
Углеродистый лом |
5855,93 |
Жидкий металл |
5983,9 |
|
|
Чугун |
308,2 |
Шлак |
486,6 |
|
|
Известь |
123,3 |
Пыль |
59,48 |
|
|
Футеровка |
50 |
|||
|
ФМн78 |
86,58 |
Газ |
80,79 |
|
|
ФС45 |
35 |
В том числе: |
||
|
Кислород |
140 |
СО |
80,79 |
|
|
Аргон |
5,34 |
Аргон |
5,34 |
|
|
Электроды |
21 |
|||
|
Итого |
6625,35 |
Итого |
6616,11 |
5 Физико-химические расчеты по рафинированию стали
5.1 Дефосфорация стали
Фосфор удаляется при окислительной плавке. Удаление фосфора производится при взаимодействии с окислительным шлаком, содержащим оксиды кальция и железа [14].
Реакция дефосфорации представлена уравнением (5.1.1).
2[P] + 5(FeO) + 4(CaO) = (4CaO•P2O5 ) + 5Feж (5.1.1)
Константа реакции дефосфорации рассчитывается по формуле (5.1.2).
(5.1.2)
Окисление фосфора сопровождается выделением тепла, поэтому протеканию реакции дефосфорации способствует пониженная температура. Величина б(CaO) представляет мольную долю свободной CaO не связанной с кислотными окислами. Активности оксидов и тетрафосфата кальция выражены в мольных долях [14].
Содержание фосфора в металле рассчитывается по формуле (5.1.3).
(5.1.3)
Из уравнения следует, что для окисления и удаления фосфора в шлаковую фазу способствуют:
1. Увеличение б(FeO) в шлаке (присадка окислителей, увеличение окисленности металла и шлака);
2. Увеличение б(CaO) -концентрации свободного, не связанного с кислотными окислами CaO, т.е., основности шлака В= (% CaO)/(%SiO2 +%P2O5);
3. Уменьшение б(4CaO•P2O5) за счет удаления шлака;
4. Снижение температуры, что влияет на Кр.
Коэффициент распределения фосфора рассчитывается по формуле (5.1.4).
(5.1.4)
Который при использовании шлака может изменяться от 50 до 500 в зависимости от основности В и температуры. Конечный результат зависит от активности (CaO) и (P2O5) в шлаке. Из уравнения реакции следует, что полноты реакции дефосфорации можно добиться обновляя шлак. Реакция дефосфорации протекает на границе раздела фаз “металл-шлак” и зависит от площади реакционного мениска. Технологические приемы способствующие протеканию дефосфорации:
- усиление перемешивания ванны;
- вдувание извести в виде порошка.
Для того, чтобы удалить фосфор в металл обычно вдувают кислород со смесью состоящей из извести, железной руды и плавикового шпата. Смесь CaO-FeO-CaF2 подают при переделе высокофосфористых чугунов и в электропечь для получения низкого содержания фосфора. Для предотвращения процесса дефосфорации необходимо удалить шлак.
Дефосфорация в восстановительных условиях.
Кальций, барий и РЗМ, которые обладают высоким сродством к кислороду и сере, также могут взаимодействовать с фосфором образуя фосфидов типа Ca3P2. Образование фосфидов представлено уравнением (5.1.5).
(5.1.5)
Методика расчета дефосфорации жидкой стали шлаком.
Фосфор удаляется из металла за счет перевода его в шлак в виде уравнения (5.1.6).
(5.1.6)
Константа равновесия реакции рассчитывается по формуле (5.1.7).
(5.1.7)
Обычно уравнение дефосфорации записывают с участием СаО. В рассматриваемом случае СаО влияет на коэффициент активности P2O5 (. Если FeO в шлаке определяет активность кислорода в стали, то реакция имеет уравнение в виде (5.1.8) и константа равновесия рассчитывается по формуле (5.1.9).
(5.1.8)
(5.1.9)
и получим суммарную реакцию удаления фосфора. Эта реакция представлена уравнением (5.1.10). Константа равновесия этой реакции показана в виде уравнения (5.1.11) и рассчитывается по упрощенной формуле (5.1.12).
(5.1.10)
(5.1.11)
(5.1.12)
Можно выразить через содержание фосфора в шлаке (%P) уравнением (5.1.13).
(5.1.13)
где 31 - молярная масса фосфора;
? n - сумма молей компонентов шлака.
Подставив формулу (5.1.13) в уравнение (5.1.11), получаем уравнение (5.1.14) для коэффициента распределения фосфора между металлом и шлаком.
(5.1.14)
Значения и вычислим по теории регулярных ионных растворов, используя формулы (5.1.15) и (5.1.16) [14].
(5.1.15)
(5.1.16)
где - ионные доли катионов (.
Зная L можно найти конечное содержание фосфора в металле [P]к и шлаке (Р)к. Для этого необходимо составить и решить систему уравнений (5.1.17) и (5.1.18) [14].
(5.1.17)
(5.1.18)
где Mм и Mш - масса металла и шлака, кг;
[P]н и (P)н - начальные содержания фосфора в стали и шлаке, %;
[P]к и (P)к - конечные содержания фосфора в стали и шлаке, %.
Если параметры Mм и Mш не изменяются, то, решив систему уравнений (5.1.17) и (5.1.18) можно получить формулу (5.1.19) для вычисления конечного содержания фосфора в металле.
(5.1.19)
где л - кратность шлака, %.
Степень дефосфорации рассчитывается по формуле (5.1.20).
(5.1.20)
Процесс дефосфорации лучше идет в условиях: 1) высокой активности FeO в шлаке; 2) высокой основности шлака; 3) незначительного содержания фосфора в шлаке; 4) невысокой температуры металла [14].
Зависимость содержания фосфора в стали от содержания оксида кальция в шлаке показана на рисунке 5.1.
Рисунок 5.1 - Зависимость содержания фосфора в стали от содержания оксида кальция в шлаке
Зависимость содержания фосфора в стали от содержания оксида железа в шлаке показана на рисунке 5.2.
Рисунок 5.2 - Зависимость содержания фосфора в стали от содержания оксида железа в шлаке
Зависимость содержания фосфора в стали от температуры показана на рисунке 5.3.
Рисунок 5.3 - Зависимость содержания фосфора в стали от температуры
Зависимость содержания фосфора в стали от кратности шлака показана на рисунке 5.4.
Подобные документы
Технологические требования при выплавке электротехнической стали в электрических печах. Механизмы дуговой сталеплавильной печи. Расчет короткой сети, индуктивного и активного сопротивления. Проверка теплового баланса и мощности печного трансформатора.
курсовая работа [1,6 M], добавлен 17.05.2014Общая характеристика стали 38Х2МЮА. Технологический процесс выплавки стали в дуговой сталеплавильной печи. Химический состав шихтовых материалов, Расчёт металлошихты на 1 т металла. Материальный баланс периодов плавления и окисления (на всю плавку).
курсовая работа [48,0 K], добавлен 16.03.2014Строение и свойства стали, исходные материалы. Производство стали в конвертерах, в мартеновских печах, в дуговых электропечах. Выплавка стали в индукционных печах. Внепечное рафинирование стали. Разливка стали. Специальные виды электрометаллургии стали.
реферат [121,3 K], добавлен 22.05.2008Конструкция и принцип действия дуговой сталеплавильной печи, сферы их практического применения и предъявляемые требования. Источники питания для ручной дуговой сварки на переменном токе. Регулирование электрического режима индукционной тигельной печи.
контрольная работа [200,3 K], добавлен 13.06.2014Физико-химические основы производства стали. Описание основных элементов конструкции дуговой сталеплавильной печи. Расчет экономических характеристик по проектируемому отделению, некоторых показателей по электроснабжению. Методы безопасной работы.
дипломная работа [6,5 M], добавлен 21.05.2015Конструкция, электрические и рабочие характеристики дуговой сталеплавильной печи. Технология производства стали в ДСП. Расчет параметров плавильного пространства. Энергетический баланс установки. Выбор проводников для участков вторичного токоподвода.
курсовая работа [794,1 K], добавлен 26.12.2013Назначение и особенности индукционной тигельной печи, индукционной канальной печи, вагранки с копильником. Основные узлы печи: индуктор, каркас, магнитопроводы, плавильный тигель, крышка и подина, механизм наклона. Расчет индукционной тигельной печи.
курсовая работа [2,8 M], добавлен 04.11.2011Описание электропечи и установки внепечной обработки. Определение производительности участка. Изучение технологии выплавки и разливки шарикоподшипниковой стали. Подготовка печи к плавке. Расчет металлошихты, расхода ферросплавов для легирования стали.
курсовая работа [760,3 K], добавлен 21.03.2013Классификация и маркировка стали, краткая характеристика способов производства. Виды и устройство дуговых печей, используемое сырье, заправка и плавление шихты. Окислительный и восстановительный периоды плавки, порядок легирования и составление баланса.
курсовая работа [421,8 K], добавлен 15.05.2014Технология плавки стали в дуговой печи. Химический состав углеродистого лома, кокса, никеля, ферромолибдена и готовой стали. Период расплавления и окислительный период. Расчет шихтовки по углероду. Определение расхода шихтовых материалов на 1 тонну стали.
курсовая работа [136,1 K], добавлен 06.04.2015