Теория и технология производства стали

37

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный индустриальный университет»

Кафедра металлургии черных металлов

Курсовая работа

Теория и технология производства стали

Комаров А.А.

Новокузнецк

2019

Содержание

Введение

1. Расчет материального баланса

1.1 Исходные данные

1.2 Определение среднего состава металлошихты и количества примесей, окисляющихся по ходу продувки

1.3 Определение расхода извести

1.4 Определение содержания окислов железа в шлаке

1.5 Предварительное определение количества и состава шлака

в конце продувки

1.6 Определение состава металла в конце продувки

1.7 Определение содержания фосфора в металле

1.8 Определение содержания серы в металле

1.9 Определение угара примесей чугуна и количества образовавшихся окислов

1.10 Уточнение количества и состава конечного шлака

1.11 Баланс окислов железа в шлаке

1.12 Расчет расхода кислорода

1.13 Расчет количества и состава газов, выходящих из горловины конвертера

1.14 Определение состава жидкого металла в конце продувки

2. Расчет теплового баланса

2.1 Исходные данные

2.2 Приход тепла

2.3 Расход тепла

3. Расчет раскисления и легирования

3.1 Расчет расхода ферросплавов

3.2 Проверка химического состава готовой стали

Список использованной литературы

Введение

В современной структуре потребления конструкционных материалов 94% составляют железоуглеродистые сплавы, главным образом стали различного назначения. По данным ассоциации World Steel Association мировое производство стали в 2018 г. составило 1,60 млрд. т. В среднесрочной перспективе прогнозируется сохранение достигнутых темпов роста ее производства и потребления. Однако в ближайший период мировая металлургия будет развиваться в условиях ужесточения национальных экологических законодательств, истощения разведанных железорудных и углеродсодержащих ресурсов, повышения стоимости электроэнергии и природных энергоносителей, тарифов на грузоперевозки. В связи с этим все более актуальной становится задача повышения эффективности металлургического производства за счет разработки и освоения ресурсо- и энергосберегающих технологий, расширения сырьевой базы.

1. Расчет материального баланса конвертерной плавки

1.1 Исходные данные

Расчет материального баланса производится на 100 кг металлической завалки (чугун + скрап) при выплавке стали 10ГТ. Доля чугуна 77%.

Химический состав чугуна, скрапа, металла перед раскислением и готовой стали, приведен в таблице 1.

Таблица 1. Химический состав металлошихты и металла

Наименование материала	Содержание элементов, %
	С	Mn	Si	P	S
Жидкий чугун	4,1	0,5	0,47	8	0,022
Стальной скрап	0,28	0,70	0,20	0,028	0,033
Металл перед раскислением*	0,10	0,15	следы	0,020	0,020
Готовая сталь 10ГТ по ГОСТ 5781-82	До 0,13	0,8-1,1	До 0,15	не более 0,030	не более 0,040
*Содержание марганца, фосфора и серы в металле перед раскислением будет уточнено расчетом

Температура чугуна при заливке в конвертер принята равной tчуг=1417°С. Температура металла в конце продувки принимается равной tкм=1630°С.

На основе практических данных принимаются расход материалов и потери металла в процентах от веса металлической завалки, (таблица 2).

Химический состав неметаллической части шихты, футеровки конвертера и других материалов, используемых в расчете, приведен в таблице 3.

Таблица 2. Расход материалов и потери металла

Наименование	Условные обозначения	Расход на 100 кг металлозавалки, кг (%)
		принято	обычно
1. Известь	Мизв	расчет	6 ? 8
2. Футеровка	Мф	0,2	0,1 ? 0,3
3. Потери железа в виде пыли	Мпыли	0,6	0,6 ? 1,30
4. Потери железа в виде корольков	Мкор	0,3	0,2 ? 0,6
5. Потери железа с выбросами и выдувкой	Мвыбр	1,0	1,0 ? 2,0
6. Расход миксерного шлака	Мм.шл	0,5	0,45 ? 1,10
7. Загрязнения, вносимые металлическим ломом	Мзагр	0,4	0,3 ? 2,0
8. Потери металла в ковше при разливке	Мразл	1,5	1,0 ? 3,0

Таблица 3. Состав исходных материалов

Наименование материала	Содержание компонентов, %	?, %
	CaO	SiO2	MgO	FeO	Fe2O3	Al2O3	CaF2	MnO	P2O5	S	CO2	H2O
Известь	89	1,23	1,52		0,82	0,45				0,04	6,29	0,69	100
Футеровка (периклазо-углеродистый огнеупор)	5,8	3	88,7	-	1,25	1,25	-	-	-	-	-	-	100
Миксерный шлак	7,50	54,50	3,30	18,70	-	10,6	-	5,0	0,20	0,20	-	-	100
Загрязнение стального скрапа	3,00	68,0	2,00	-	3,0	24,0	-	-	-	-	-	-	100

1.2 Определение среднего состава металлошихты и количества примесей, окисляющихся по ходу продувки

Количество примесей, внесенных металлической шихтой, приведено в таблице 4.

Таблица 4. Количество внесенных примесей

Наименова-ние материала	Содержание элементов в металлошихте, %(кг)
	C	Mn	Si	P	S
Чугун	4,1•77/100= =3,157	0,5•77/100= =0,385	0,47•77/100= =0,362	0,18•77/100= =0,139	0,022•77/100= =0,017
Скрап	0,28•23/100= =0,064	0,7•23/100= =0,161	0,2•23/100= =0,046	0,028•23/100= =0,006	0,033•23/100= =0,008
Содержание примесей в шихте	3,221	0,546	0,408	0,145	0,025
Остается в металле	0,10•92/100= =0,092	0,15•92/100= =0,138	следы	0,020•92/100= =0,018	0,020•92/100= =0,018
Удаляется за время продувки	3,129	0,408	0,408	0,127	0,006
* Коксовый остаток складывается из 50% углерода и серы угля

1.3 Определение расхода извести

Для определения расхода извести необходимо задаться основностью шлака в конце продувки, которая в зависимости от состава чугуна обычно колеблется в пределах 3,0-4,5. Принимаем 3,2.

Расчет количества, вносимого SiO₂ и CaO всеми шихтовыми материалами (кроме извести) и футеровкой конвертера приведен в таблице 5.

На основе данных таблицы 8, для получения принятой основности конечного шлака (В_к=З, 2) необходимо иметь в последнем СаО

M_CaO = ? SiO₂•B_k=1,425•3,2 = 4,559 кг

Шихтовыми материалами вносится СаО ? 0,061 кг, следовательно, присадкой извести необходимо внести окиси кальция:

M_CaO = 4,559?0,061=4,498 кг

Флюсующая способность извести (Ф_Изв) определяется по формуле:

Ф_Изв = ((%CaO) - B_k(%SiO₂))/100=(89?3,2•1,23)/100 = 0,851 кг

Тогда расход извести для обеспечения заданной основности шлака:

M_Изв = M_CaO/Ф_Изв=4,498/0,851=5,287 кг.

В расчете принято, что потери извести с отходящими газами составляют 5%.

Тогда расход извести на плавку: 5,287/0,95 = 5,566 кг, из них выносится 5,566?5,287=0,278 кг.

Таблица 5. Количество вносимых SiO₂ и CaO

Источники	Расход материала на 100 кг шихты, кг	Вносится, кг
		SiO2	CaO
Окисление металлошихты	0,408	0,874	-
Футеровка	0,2	0,006	0,012
Миксерный шлак	0,5	0,273	0,038
Загрязнение стального скрапа	0,4	0,272	0,012
Итого		? SiO2=1,425	? СаО=0,061

1.4 Определение содержания окислов железа в шлаке

При относительно постоянных условиях продувки содержание окислов железа в конечном шлаке можно определить исходя из содержания углерода в металле и основности шлака, используя следующее эмпирическое уравнение:

(?%FeO)=4•B_k+0,3/[%C]_раск+3,9=4•3,2+0,3/0,10+3,9=19,7%,

где (%FeO) ? суммарное содержание окислов железа в конечном шлаке;

B_k ? основность шлака;

[%C]_раск ? концентрация углерода в металле пред раскислением, %.

В расчете отношение (%FeO) и (%Fe₂O₃) принято равным 2,5, т.е.:

(%FeO) = 2,5 (%Fe₂O₃).

Исходя из баланса уравнения

(%FeO)+144/160•(Fe₂O₃)=(%FeO),

получаем 2,5 (%FeO)+0,9 (Fe₂O₃)=19,7%,

отсюда (%Fe₂O₃)=19,7/(2,5+0,9) =5,8%.

(%FeO)= 2,5 (%Fe₂O₃)=2,5•5,8=14,5%.

1.5 Предварительное определение количества и состава шлака в конце продувки

Количество шлакообразующих окислов, получающихся при окислении примесей металлошихты (не учитывая окисление железа) и вносимых шихтовыми материалами, миксерным шлаком и футеровкой конвертера, приведено в таблице 6.

Таблица 6. Расчет количества шлака

Источники	Количество, кг	Поступило в шлак, кг	п.п.п.	?Мокс*
		CaO	SiO2	MnO	P2O5	FeO	Fe2O3	MgO	Al2O3	S
От окисления примесей чугуна			0,874	0,525	0,290					0,006		1,695
Известь	5,287	4,706	0,065				0,043	0,080	0,024	0,002	0,367	4,290
Футеровка	0,2	0,012	0,006					0,177	0,003			0,2
Миксерный шлак	0,5	0,038	0,273	0,025	0,001	0,094		0,017	0,053	0,001		0,5
Загрязнение стального скрапа	0,4	0,012	0,272				0,012		0,096			0,4
Итого:		4,767	1,490	0,550	0,291	0,094	0,055	0,274	0,175	0,009	0,367	7,705
*сумма окислов подсчитана без потери при прокаливании.

Из таблицы 9 следует, что суммарный вес шлакообразующих (без окислов железа) равен:

7,705 ? 0,094?0,055 = 7,556 кг.

Эта сумма окислов должна составлять

100 ? (%FeO)? (%Fe₂O₃) = 100 - 14,5 - 5,8 = 79,7% от веса шлака.

Тогда в конце продувки металла шлака должно образоваться

7,556•100/79,7 = 9,478 кг.

На основе известного количества шлака и количества поступивших в него компонентов можно рассчитать процентное содержание отдельных окислов:

CaO =4,767/9,478·100=50,3%

MnO= 0,550/9,478·100=5,8%

MgO= 0,274/9,478·100=2,9%

S= 0,009/9,478·100=0,1%

FeO= 14,5%

SiO₂= 1,490/9,47/·100=15,7%

P₂O₅= 0,291/9,478·100=3,1%

Al₂O₃= 0,175/9,478·100=1,8%

Fe₂O₃ = 5,8%

Основность шлака: 50,3 / 15,7 = 3,2

1.6 Определение состава металла в конце продувки

Содержание углерода. Содержание углерода в металле в конце продувки плавки [%С] к было принято исходя из состава выплавляемой марки стали [%С]_к=0,10%.

Содержание кремния. При основном сталеплавильном процессе кремний окисляется до следов. Поэтому его содержание в металле перед раскислением принимаем за нуль [%Si]_к=О.

Содержание марганца. Распределение марганца в системе металл-шлак в конце плавки приближается к равновесному. Константа равновесия по Керберу и Ользену для температуры конца продувки 1630°С:

,

константа равновесия марганца составит1,78.

Тогда ,

Следовательно (%MnO)=25,75 [%Mn].

Балансовое уравнение распределения марганца между шлаком и металлом имеет следующий вид:

,

где ?Mn_ш ? количество марганца, внесенной всей шихтой, кг;

[%Mn] ? содержание марганца в конечном металле;

M_мет ? выход жидкого металла, принятой равной 92,0 кг;

M_шл ? количество шлака в конце продувки, равное 9,478 кг.

Вносится марганца (?Mn):

металлической шихтой 0,546, кг;

миксерным шлаком кг

Итого: ?Mn_ш = 0,565 кг

где 0,5 ? миксерного шлака;

5,0 ? содержание MnO в миксерном шлаке.

Подставляя известные величины в балансовое уравнение, получим:

0,565 = ([%Mn]_к • 92 + 25,75 • [%Mn]_к • 9,478• (55 / 71)) / 100 = 2,81 [%Mn]_к.

Отсюда содержание марганца металла в конце продувки [%Mn]_к=0,20%

1.7 Определение содержания фосфора в металле

Значение коэффициента распределения фосфора между шлаком и металлом в конце продувки при температуре, близкой 1630°С для различных содержаний CaO и FeO может быть определено, как:

7,5•(%FeO)+2•(%CaO) - 95=(%Р₂O₅)/ [%Р]

В нашем случае при CaO = 50,3% и (?FeO%)=19,7%:

7,5•19,7+2•50,3-95=153,34

Отсюда (%Р₂О₅)=153,34 [%Р]

Вносится фосфор ?Р_ш:

металлошихтой 0,145 кг;

миксерным шлаком =0,0004 кг,

Итого: ?P_ш = 0,145 кг

где 0,5 ? расход миксерного шлака, кг;

0,2 ? содержание Р₂O₅ миксерном шлаке, %.

Подставляя известные значения в балансовое уравнение, получим:

0,145 = ([%Р]_k•0,92+ 153,34•[%Р]_k•9,478•(62/142))/100 =7,27 [P]_к%_,

Отсюда содержание фосфора металла в конце продувки [%P]_к=0,020%

1.8 Определение содержания серы в металле

Приближенно считают, что вся сера шихты распределяется между шлаком и металлом, так как удаление серы в газовую фазу при ЛД ? процессе имеет сравнительно слабое развитие (2-4% от общего количества серы шихты).

Значение коэффициента распределения серы между шлаком и металлом можно определить по формуле А.Н. Морозова:

,

где n(CaO)'=nCaO-2nSiO₂-3nP₂O₅-n(Al₂O₃)

n(?FeO) = 19,7 / 72 = 0,274%; n(MnO) = 5,8 / 71 = 0,082%

n(Al₂O₃) = 1,8 / 102 = 0,018%; n(CaO) = 50,3 / 56 = 0,898

2n(SiO₂) = 2 • 15,7 / 60 = 0,524%; 3n(P₂O₅) = 3 • 3,1 / 142 = 0,065%;

n(CaO)'=0,898-0,524-0,065-0,018=0,291

Коэффициент распределения серы з_S между шлаком и металлом будет равен:

з_S = (0,5 + 2,25 • 0,274) • [1 + (4 • 0,291 + 2,25 • 0,082) / 0,274] = 6,8

Вносится сера ?S_ш:

металлошихтой 0,025 кг;

известью 5,287 • 0,04 /100 = 0,002 кг;

миксерным шлаком =0,001 кг;

итого: ?S_ш=0,028 кг.

где 5,287 и 0,5 - количество извести и миксерного шлака, кг;

0,04 и 0,2 содержание серы в извести и миксерном шлаке.

Подставляя известные величины в балансовое уравнение, получим:

0,028=[%S]_k•0,92+6,8•[%S]_k•9,478/100=1,57 [%S]_к,

Отсюда содержание серы в металле в конце продувки [%S]_к=0,018%

1.9 Определение угара примесей чугуна и количества образовавшихся окислов

Состав металла перед раскислением: [С]_к=0,10%; [%Mn]_k= 0,20%; [Si]_k= следы; [%Р]_к=0,020%; [%S]_к=0,018%.

Количество примесей, оставшихся в металле:

- углерода 0,10•0,92=0,092 кг,

- марганца 0,14•0,92=0,185 кг,

- кремния [Si]_k= следы,

- фосфора 0,020•0,92=0,018 кг,

- серы 0,018•0,92=0,016 кг,

где 0,92 - принятый выход жидкого металла.

Следовательно, за операцию примесей удаляется:

углерода 3,221 -0,092=3,129 кг

В том числе окисление углерода металлозавалки:

- до СО 3,129•0,9=2,816 кг;

- до СО₂ 3,129•0,1=0,313 кг.

- марганца 0,546-0,185= 0,361 кг,

- кремния 0,408 кг,

- фосфора 0,145 -0,018= 0,127 кг,

- серы удалено из металла 0,025-0,016=0,008 кг.

С учетом извести и миксерного шлака серы поступило в шлак

0,008+0,002+0,001=0,011 кг.

В таблице 7 приводится необходимое количество кислорода для окисления указанных примесей и выход окислов.

Таблица 7. Количество кислорода и образовавшихся окислов

Элемент, окисел	Количество окислившегося элемента, кг	Потребное количество кислорода, кг	Количество образовавшегося окисла, кг
[C]>{CO}	2,816	2,816•16/12=3,755	2,816+3,755=6,572
[C]>{CO2}	0,313	0,313•32/12=0,835	0,313+0,835=1,147
[Mn]>{MnO}	0,361	0,361•16/55=0,105	0,361+0,105=0,466
[Si]>{SiO2}	0,408	0,408•32/28=0,466	0,408+0,466=0,874
[P]>{P2O5}	0,127	0,127•80/62=0,163	0,127+0,167=0,290
[Fe]>{Fe2O3}пыль	0,60	0,60•48/142=0,257	0,60+0,257=0,857
Итого	4,625+0,008* =4,633	5,772	-
*0,008 - количество серы удаленной из металла

1.10 Уточнение количества и состава конечного шлака

В таблице 7 приводится расчет уточненного количества образующихся окислов и расход кислорода на горение элементов. Как видно, в отличие от таблицы 6 изменились только величины поступивших в шлак из металла MnO, Р₂O₃ и S, поэтому новая сумма шлакообразующих без окислов железа составит:

M_ок = 7,556 - (0,525+0,290+0,006) + (0,466+0,290+0,011) =7,499 кг.

Отсюда уточненное количество шлака в конце продувки

M_шл=7,499/79,7•100=9,407 кг

На основе таблиц 11 и 13 уточненный состав конечного шлака:

CaO =4,767/9,407·100=50,7%

MnO= 0,491/9,407·100=5,2%

MgO= 0,274/9,407·100=2,9%

S= 0,011/9,407·100=0,12%

FeO= 14,5%

SiO₂= 1,490/9,407/·100=15,8%

P₂O₅= 0,291/9,407·100=3,1%

Al₂O₃= 0,175/9,407·100=1,9%

Fe₂O₃ = 5,8%

Итого: 100,00%

При этом основность шлака: 50,7 / 15,8 = 3,2

Коэффициенты распределения:

марганца (%MnO) / [Mn] = 5,2 / 0,185 = 28;

фосфора (%P₂O₅) / [P] = 3,1 / 0,018 = 168;

серы (%S) / [S] = 0,12 / 0,016 = 7.

1.11 Баланс окислов железа в шлаке

Исходными материалами вносится окиси железа (Fe₂O₃)_и.м.=0,055 кг. Следовательно, за счет горения железа должно образоваться

Fe₂O₃ = ((%Fe₂O₃)_шл • М_шл) / 100 - (%Fe₂O₃)_им = (5,8 • 9,407) /100 - 0,055 = 0,490 кг

Для этого должно окислиться железа 0,490 = 0,343 кг и потребуется кислорода 0,490=0,147 кг.

Исходными материалами вносится закиси железа (FeO)=0,094 кг. Тогда за счет горения железа должно быть получено закиси железа:

FeO = ((%FeO)_шл • М_шл) / 100 - (%FeO)_им = (14,5 • 9,407) /100 - 0,094 = 1,269 кг

Для этого должно окислиться железа 1,269=0,987 кг и потребуется кислорода 1,269 =0,282 кг.

Итого на образование окислов железа в шлаке должно сгореть железа

0,343+0,987 =1,330 кг,

для чего требуется кислорода

0,147 +0,282 =0,429 кг.

1.12 Расчет технического расхода кислорода

Всего необходимо кислорода на окисление примесей чугуна и железа до (Fe₂O₃)_пыль - 5,581 кг, на окисление железа до FeO и Fe₂O₃ шлака 0,429 кг O₂.

Для рассчитываемой плавки при [%С] = 0,10% содержание кислорода может быть принято равным [%О]=0,055%.

Тогда всего необходимо кислорода

5,581+0,429+0,055=6,065 кг.

В расчете величина усвоения ванной вносимого дутьем кислорода принята равной 95%.

Тогда расход кислорода на плавку составит:

6,065 / 95 • 100 = 6,385 кг

или

6,385 / 32 • 22,4 = 4,469 м ³

При чистоте технического кислорода 99,6% (обычно 98,5-99,8%) его

требуется 4,469 / 99,6 • 100 = 4,487 м³.

Вместе с кислородом поступит азота

4,487?4,469= 0,018м³ или 0,018 =0,022 кг

Из этого количества азота растворяется в металле 0,004 кг (обычно 0,003 - 0,006%) и уносится из конвертера:

0,022?0,004=0,018 кг.

Всего технического кислорода требуется:

6,385+0,018 = 6,403 кг.

1.13 Расчет количества и состав газов выходящих из горловины конвертера

Принимаем, что выделяющиеся при нагреве извести СО₂ и Н₂О не участвуют в окислении примесей металлической шихты.

В процессе продувки образуется газов:

СО₂ от горения углерода металлозавалки - 1,147 кг;

СО₂ из извести - 6,25 • 5,287 / 100 = 0,330 кг;

Итого: СО₂ = 1,478 кг.

СО от горения углерода металлозавалки - 6,572 кг;

N₂ из дутья - 0,018 кг;

Н₂О из извести - 0,69 • 5,287 / 100 = 0,036 кг;

О₂ из дутья - 6,403?6,065=0,338 кг;

Полученные данные позволяют определить количество и состав газов (таблица 8).

Таблица 8. Количество и состав газов

Составляющие	Количество газов	Содержание, %
	кг	м3	весовых	объемных
СО2	1,478	0,752	17,51	11,9
СО	6,57	5,257	77,8	83,4
N2	0,018	0,015	0,22	0,2
Н2О	0,036	0,045	0,43	0,7
О2	0,338	0,236	4,00	3,7
Итого:	8,442	6,306	100,0	100,0

1.14 Определение состава жидкого металла в конце продувки

На основе полученных данных можно определить выход жидкого металла в конце продувки.

Угар и потери металла состоят из следующих статей.

1. Окислилось примесей чугуна 4,633?0,60=4,033 кг.

2. Унесено железа с пылью 0,60 кг.

3. Окислилось железа до FeO и Fe₂O₃ шлака 1,330 кг.

4. Потери железа с выбросами 1,0 кг.

5. Потери железа в виде корольков в шлаке 0,3 кг.

6. Количество загрязнений на стальном скрапе 0,4 кг.

Итого: угар элементов и потери 7,663 кг.

Растворилось в металле кислорода и азота

0,055•0,92+0,004=0,055 кг.

Тогда выход жидкой стали составит

100,000?7,663+0,055=92,392 кг.

На основании произведенного расчета можно составить материальный баланс плавки.

Таблица 9. Материальный баланс плавки (до раскисления)

Поступило	Вес, кг	Получено	Вес, кг
1. Жидкий чугун	77	1. Жидкий металл	92,392
2. Стальной скрап	23	2. Шлак	9,407
3. Известь	5,566	3. Газы	8,442
4. Технический кислород на плавление	6,065	4. Пыль в виде Fe2O3	0,86
5. Размыв футеровки	0,2	5. Пыль за счет выдуваемой извести	0,278
6. Миксерный шлак	0,5	6. Корольки в шлаке	0,3
7. Загрязнения стального скрапа	0,4	7. Выбросы и выдувка	1,0
Итого Невязка равна:	112,731 0,055 кг	Итого 0,05%	112,676

2. Расчет теплового баланса конвертерной плавки

2.1 Исходные данные для расчета теплового баланса

Расчет ведется на 100 кг металлической завалки, основываясь на данных расчета материального баланса плавки, которые приведены в таблице 10.

Таблица 10. Статьи материального баланса плавки, необходимые для расчета теплового баланса

Наименование статей	Единица измерения	Обозначение	Значения
Доля жидкого чугуна в шихте	кг	Gчуг	77
Доля скрапа в шихте	кг	Gскр	23
Температура чугуна	°С	tчуг	1417
Окислилось элементов в ходе продувки.	кг	[C] - {CO2}	0,313
		[C] - {CO}	2,816
		[Si] - (SiO2)	0,408
		[Mn] - (MnO)	0,361
		[P] - (P2O5)	0,127
		[Fe] - (FeO)	0,343
		[Fe] - (Fe2O3)	0,490
		[Fe] - (Fe2O3)пыль	0,60
Содержание окислов в шлаке	кг	SiO2	1,490
		P2O5	0,291
		Fe2O3	0,055
Количество миксерного шлака	кг	Мм.шл	0,5
Вес жидкой стали перед раскислением	кг	Мст	92,392
Температура стали перед выпуском	°С	tст	1630
Количество конечного шл.	кг	Мшл	9,407
Компоненты отходящих газов	м3	VCO	5,257
		VCO2	0,752
		VH2O	0,045
		VO2	0,236
		VN2	0,015
Количество выбросов	кг	Мвыб	1
Количество Fe2O3, образовавшегося в результате испарения Fe	кг	МиспFе2O3	0,857
Количество CO2, выделившегося из извести и плавикового шпата	кг	Мизвco2	0,330
Количество Fe2O3, внесенное шихтовыми материалами	кг	Mш.м.Fe2O3	0,055
Количество FeO, внесенное шихтовыми материалами	кг	МFeO	0,094
Вес корольков	кг	Mкор	0,3

2.2 Приход тепла

Физическое тепло жидкого чугуна

Физическое тепло жидкого чугуна может быть определено по формуле:

, кДж

где: G_чуг - количество жидкого чугуна в металлической шихте, G_чуг=77 кг;

С- теплоемкость твердого чугуна, равная 0,75 кДж/кг·град;

t_чуг - температура заливаемого в конвертер чугуна, t_чуг=1417^оС;

g_чуг - скрытая теплота плавления чугуна, равная 217,9 кДж/кг·град;

t - температура плавления чугуна, принимается в расчете равной 1175

°С;

C_чуг - теплоемкость жидкого чугуна, равная 0,92 кДж/кг·град.

Химическое тепло металлошихты

На основании результатов расчета материального баланса можно определить химическое тепло реакций окисления элементов металлошихты Q_хим. (таблица 11).

Таблица 11. Химическое тепло реакций окисления Q_хим

Элемент-окисел	Выгорело элементов, кг	Вносится тепла, кДж
Металлозавалка	[C]{CO2}	0,313	10669,38
	[C]{CO}	2,816	29455,10
[Si](SiO2)	0,408	12609,74
[Mn](MnO)	0,361	2533,21
[P](P2O5)	0,127	3080,26
[Fe](FeO)	0,343	1654,59
[Fe](Fe2O3)	0,490	3611,20
[Fe](Fe2O3)пыль	0,600	4424,64
Итого	5,457	68038,12

Химическое тепло реакций шлакообразования

Физическое тепло миксерного шлака

Средняя теплоемкость миксерного шлака может быть определена по формуле:

C_o = 0,73 + 0,0003 ,

где 0,73 - теплоемкость шлака при 0 К, кДж/кг·град;

0,0003 - приращение теплоемкости шлака на 1°, кДж/кг·град;

- средняя температура миксерного шлака, К.

Среднюю температуру миксерного шлака, попадающего в конвертер из чугуновозного ковша, ориентировочно можно принимать на 15-20 ниже температуры заливаемого в конвертер чугуна.

Тогда:

= (1417 - 20) + 273 = 1670 К,

C_o = 0,73 + 0,0003 1670 = 1,23 кДж/кг·град.

Количество вносимого тепла миксерным шлаком определится из выражения:

где - количество миксерного шлака на 100 кг металлошихты, кг;

- средняя температура миксерного шлака,°С;

- средняя теплоемкость миксерного шлака, кДж/кг·град;

- средняя теплота плавления шлака (209,5 кДж/кг).

Общий приход тепла на плавку

2.3 Расход тепла

Физическое тепло стали

Физическое тепло стали , может быть определено по уравнению:

,

где Mст - вес жидкой стали перед раскислением, кг;

- теплоемкость твердой стали, равная 0,7 кДж/кг·град;

tпл - температура плавления стали,°С;

qпл - скрытая теплота плавления стали, равная 284,92 кДж/кг·град;

tст - температура стали перед выпуском,°С;

- теплоемкость жидкой стали, равная 0,84 кДж/кг·град.

Температура плавления стали:

t_пл = 1539 - 65 · (%C) = 1539 - 65 · 0,10 = 1533 ^оС,

где 1539 - температура плавления чистого железа,°С;

65 - снижение температуры плавления стали на 1% углерода в металле,°С;

(%С) - содержание углерода в металле перед раскислением;

Тогда:

Физическое тепло шлака

Средняя теплоемкость конечного шлака (как и миксерного) определяется по формуле:

C_o = 0,73 + 0,0003 T_шл = 0,73 + (0,0003 1630)+10+273 = 1,3 кДж/кг·град,

где Т_шл - температура конечного шлака, К.

Потери тепла со шлаком:

Q₂ = (C_о t_шл+q_шл) М_шл = (1,3 (1630 + 10) + 284,92) 9,407 = 22746,9 кДж

где q_шл - скрытая теплота плавления шлака, равная 284,92 кДж/кг·град;

М_шл - количество конечного шлака, кг;

Тепло, уносимое отходящими газами

Средняя температура отходящих газов принимается равной средней температуре металла за время продувки:

.

Тепло, уносимое отходящими газами:

Q₃ = t_{от газ} · (C_CO V_CO + + + + ) =

= 1524(1,48 5,257+2,340,752+1,840,045+1,440,015+1,54·0,236)=14915,35 кДж,

где С - теплоемкости соответствующих составляющих газов, кДж/м³·град;

V - соответственно, количество СО, СО₂, H₂O, N₂, O₂ в отходящих газах, м³

Тепло, уносимое выбросами металла

Количество тепла, уносимого выбросами металла:

=1,0000,841524=1279,7 кДж,

где М_выб - потери металла с выбросами, кг;

- средняя теплоемкость металла выбросов, которую можно принять равной теплоемкости жидкой стали, т.е. 0,84 кДж/кг·град;

- средняя температура металла выбросов, которую принимают равной средней температуре металла за продувку, т.е. 1524°С.

Тепло, уносимое пылью отходящих газов

Потери тепла, уносимого пылью, складываются из потерь тепла, уносимого пылью в виде Fe₂O₃, извести:

;

,

где - количество Fe₂O₃, образовавшейся в результате испарения и последующего окисления железа, кг;

С_пыли - теплоемкость пыли, которую принимают равной теплоемкости шлака при t_пыли, кДж/кг·град;

t_пыли - температура пыли, равная температуре отходящих газов (1526 ^оС);

C_пыли = 0,73 + 0,0003 (1524 + 273) = 1,27 кДж/кг·град.

Тогда: кДж.

Потерями тепла, уносимого известью, можно пренебречь, так как они невелики из-за кратковременного нахождения указанного материала в полости конвертера. Кроме того, их нагрев происходит преимущественно за счет тепла отходящих газов, которое уже учтено выше:

1657,07 кДж

Тепло диссоциации извести

При диссоциации извести по реакции:

CaCO₃ СаО + СО₂ - 177237 кДж/кг·моль СО₂

поглощение тепла равно

кДж,

где 0,330 - количество СО₂, выделившегося из извести, кг;

44 - молекулярный вес СО₂, кг;

177237 - тепловой эффект диссоциации CaCO₃, кДж/кг·моль СО₂.

Тепло диссоциации окислов железа, внесенных шихтой и футеровкой

При диссоциации Fe₂O₃ по реакции:

Fe₂O₃ 4,19 • (2Fe + 1,5O₂ - 1230) кДж/кг,

где Fe₂O₃ - всего внесено Fe₂O₃ шихтовыми материалами, кг.

При диссоциации FeO по реакции:

FeO Fe + 4,19 • (0,5О₂ - 895) кДж/кг,

поглощение тепла:

кДж,

где FeO - всего внесено FeO шихтовыми материалами, кг.

Всего поглощается тепла при диссоциации окислов железа:

металлошихта ферросплав сталь шлак

= 285,28 + 350,63 = 635,91 кДж.

Тепло, уносимое корольками

Тепло, уносимое корольками металла, запутавшимися в шлаке:

Q₈=M_корC_корt_кор,

Температура корольков принимается равной температуре шлака, т.е. 1640°С. Теплоемкость корольков - теплоемкости жидкой стали, т.е. 0,84

Q₈=0,3000,84 1640=413,28 кДж.

Общий расход тепла

Общий расход тепла составит:

Q_расх=133004,09+22746,9+14915,35+1279,7+1657,07+1331,1+635,91+413,28=

=175983,465 кДж.

Тепловой баланс плавки приведен в таблице 12.

Таблица 12. Тепловой баланс плавки

Приход тепла	кДж	Расход тепла	кДж
Физ. тепло чугуна	101777,83	Физ. тепло жидкой стали	133004,09
Тепло окисл. С-CO	29455,102	Физ. тепло шлака	22746,9
Тепло окисл. С-CO2	10669,376	Физ. тепло отход. газов	14915,35
Тепло окисл. Si-SiO2	12609,739	Тепло, унос. выбросами	1279,7
Тепло окисл. Mn-MnO2	2533,207	Тепло, унос. пылью	1657,07
Тепло окисл. P-P2O5	3080,264	Тепло разлож. извести	1331,10
Тепло окисл. Fe-FeO	1654,592	Тепло диссоц. окислов Fe	635,91
Тепло окисл. Fe-Fe2O3	3611,198	Тепло, унос. корольками	413,28
Тепло окисл. Fe-Fe2O3(пыль)	4424,640
Теплота шлакообразования	4902,06
Тепло миксерного шлака	964,6035
Итого	175682,609	Итого	175983,465

3. Расчет раскисления и легирования стали

В конвертерном процессе раскисление и легирование всех марок стали производится в сталеразливочном ковше.

Расчет необходимого количества раскислителей проводится на среднезаданное, предусмотренное ГОСТ содержание соответствующих элементов в той или иной марке готовой стали.

Для данного расчета при выплавке стали марки 10ГТ принят следующий угар элементов раскислителей: углерода ? 15%; марганца ? 15%; кремния ? 20%, титана - 10%. В таблице 13 приведен принятый состав ферросплавов.

Таблица 13. Состав примененных ферросплавов

Ферросплав	Марка	Содержание элементов, %
		C	Mn	Si	P	S	Ti	Fe
Ферросилиций	ФС65	0,1	0,9	65	0,06	0,02	-	33,92
Ферромарганец	ФMn75	1	75	6	0,05	0,02	-	17,93
Ферротитан	ФТи70С05	0,2	-	0,5	0,05	0,05	70	29,20

3.1 Расчет расхода ферросплавов

Среднезаданное содержание элементов в рассчитываемой стали 3Гпс принято равным: [Мn]=1,20%, [Si]=0,07%, [Ti]=0,025%.

M_FeMn = (92,392/100) • (1,20 - 0,20) / (0,75 • 0,85) = 1,448 кг,

M_FeSi = (92,392/100) • (0,55) / (0,80 • 0,65) = 0,977 кг,

M_FeTi = (92,392/100) • (0,025) / (0,90 • 0,70) = 0,037 кг,

Общий расход раскислителей и легирующих составит:

1,448+0,977+0,037=2,461 кг

Количество элементов, внесенных раскислителями в металл, приведено в таблице 14.

Таблица 14. Количество элементов, внесенных в металл

Элемент	Вносится ферромарганцем, кг	Вносится ферросилицием, кг	Вносится ферротитаном, кг	Всего, кг
C	1,448•1/100•(100- -15)/100=0,012	0,977•0,8/100•(100- -15)/100=0,001	0,037•0,2/100•(100- -15)/100=0,0001	0,013
Mn	1,448•75/100•(100- -15)/100=0,923	0,977•0,9/100•(100- -15)/100=0,007	-	0,930
P	1,448•0,05/100=0,001	0,977•0,06/100=0,0006	0,037•0,05/100=0,00002	0,001
Fe	1,448•17,93/100=0,260	0,977•33,92/100=0,331	0,037•29,20/100=0,011	0,602
Si	1,448•6/100•(100- -20)/100 =0,069	0,977•65/100•(100-20)/ /100 =0,508	0,037•0,5/100•(100-20)/ /100 =0,0001	0,578
Ti	-	-	0,037•70/100•(100-10)= =0,023	0,023
Итого	1,265	0,849	0,034	2,147

Тогда выход жидкой стали после раскисления составит:

Мст=92,392+2,147=94,539 кг.

Угар раскислителей будет равен 2,461-2,147=0,314 кг.

3.2 Проверка химического состава готовой стали

Содержание элементов в готовой стали определено по формуле:

где [%Э]_гот.ст - содержание данного элемента в готовой стали после раскисления в ковше, кг;

M^эл_к.прод - содержание элемента в металле в конце продувки, кг;

M^эл_раск - количество элемента, внесенного раскислителями, кг;

M_ст - выход жидкой стали после раскисления, кг.

По указанной формуле определен состав готовой стали:

[C]_ст.= (0,10 • 0,92392+0,013) / 94,539 • 100 = 0,11%;

[Mn]_ст.= (0,20 • 0,92392+0,694) / 94,539 • 100 = 1,18%;

[Si]_ст.= 0,578 / 95,539 • 100 = 0,61%;

[P]_ст.= (0,020 • 0,92329+0,001) / 94,539 • 100 = 0,021%;

[S]_ст=(0,018 • 0,92329) / 94,539 • 100 = 0,017%;

[Ti]_ст=0,023 / 94,539• 100 = 0,024%;

Таким образом, проверка показала, что полученный состав готовой стали соответствует пределам, предусмотренным ГОСТ 5781-82 по всем элементам.

Окончательный материальный баланс плавки приведен в таблице 15.

Таблица 15. Материальный баланс плавки

Поступило	Вес, кг	Получено	Вес, кг
1. Жидкий чугун	77	1. Жидкий металл	94,539
2. Стальной скрап	23	2. Шлак	9,407
3. Известь	5,566	3. Газы	8,442
4. Технический кислород на плавление	6,065	4. Пыль в виде Fe2O3	0,86
5. Размыв футеровки	0,2	5. Пыль за счет выдуваемой извести	0,278
6. Миксерный шлак	0,5	6. Корольки в шлаке	0,3
7. Загрязнения стального скрапа	0,4	7. Выбросы и выдувка	1,0
8. Раскислители и легирующие	2,461	8. Угар раскислителей	0,314
Итого:	115,192	Итого:	115,140
Невязка равна:	0,052 кг	0,05%

Список использованной литературы

1. Расчет материального и теплового балансов окислительного рафинирования металла, раскисления и легирования качественной стали [Электронный ресурс]: метод. указ. / Сиб. гос. индустр. ун-т; сост. Л.А. Ганзер, А.Н. Калиногорский. - Электр. дан. (1 файл). - Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2019. - Систем. требования: Adobe Acrobat 7.0. - Загл. с экрана.

2. Дюдкин, Д.А. Производство стали. Т.1: Процессы выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки стали / Д.А. Дюдкин, В.В. Кисиленко. - Москва: Теплотехник, 2008. - 528 с.: ил.

3. Кудрин, В.А. Теория и технология производства стали: учебник для вузов / В.А. Кудрин. - Москва: Мир, Изд-во АСТ, 2003. - 528 с.

Размещено на Allbest.ru