--PAGE_BREAK--
3. Расчёт параметров плавки
3.1 Расчёт материального баланса
Исходные данные для расчёта
Количество мусора в ломе, % m=2
Основность шлака (СаО/Si02) B=3,5
Содержание, %
CaO
SiO2
Al2O3
MgO
CO2
H2O
Известь
88
5
2
3
2
Расход футеровки, kg/1000kg M4=5
Интенсивность продувки Ar, м3/т j=0,2
Методика расчета
Материальный баланс кислородно-конвертерной плавки записывается в следующем виде:
М1+М2+М3+М4+М5+М6=М7+М8+М9+М10, где
М1 — расход жидкого чугуна;
М2 — расход металлического лома;
М3 — расход извести;
М4 — количество футеровки, пришедшей в шлак;
М5 — расход шлакообразующих материалов;
М6 — расход технического кислорода;
М7 — количество получаемой жидкой стали;
М8 — количество образующегося шлака;
М9 — количество выделяющихся газов;
М10 — потери металла.
Задачей составления баланса конвертерной плавки является определение расхода шихтовых материалов: чугуна, лома, извести и технического кислорода. Для решения поставленных задач необходимо решить некоторые частные балансы. К ним относятся:
· баланс кислорода
· баланс шлака
· баланс металла
· баланс газа
Определение расхода извести
Известь вводится в шихту с целью получения шлака необходимой основности
В=
CaO /
SiO2
Источниками оксида кальция являются:
ü материал футеровки конвертера
ü известь
Источниками оксида кремния являются:
ü окисляющийся кремний чугуна и лома
ü кремнезем загрязнений металлолома
ü кремнезем материала футеровки конвертера
ü кремнезем, содержащийся в извести
Принимаю, что мусор состоит из 75%SiO2 и 25%CaO
Футеровка – 65%CaO и35%MgO
Определение количества шлака
Очень важен, поскольку значение будет использоваться в дальнейших расчетах.
Источниками шлака в процессе продувки ванны кислородом являются:
ü окисление шлакообразующих компонентов шихты
ü известь, вводимая в конвертер
ü загрязнение металлического лома
ü материал футеровки конвертера
ü оксиды железа
(оксид)2 — содержание этого оксида в ломе
(оксид)3 — содержание этого оксида в извести
(оксид)4 — содержание этого оксида в футеровке
Содержание оксидов железа в шлаке:
(FeO)верх = 1.25 + 4В + 0.3/[C] + 0.000001*Т2
Т= 1539 — 80[C] + ∆T
T = 1539 — 80*0.1 + 80 = 1611°C
(FeO)верх = 1.25 + 4*3.5 + 0.3/0.1 + 0.000001*16112 = 20,845%
В процессах с комбинированной продувкой, благодаря меньшей вспененности и выбросам (лучшему перемешиванию), количество металла в шлаке меньше на 25%:
(FeO)шл =20,845*0,75=15,634%
(Fe2O3)шл = 5*0,75=3,75%
Определение расхода газообразного кислорода на окисление элементов шихты
Для кислородно-конвертерного процесса основным источником кислорода для рафинирования расплава является технически чистый кислород, вдуваемый через фурму в конвертерную ванну, часть кислорода поступает из окалины металлического лома. Кислород расходуется на окисление элементов шихты, окисление железа, переходящего в шлак, и небольшая доля кислорода теряется с плавильной пылью. Баланс кислорода записывается следующим образом:
О1+О2=О3+О4+О5, где
О1 — количество газообразного кислорода, поступающего на продувку
О2 — количество кислорода, поступающего из окалины и скрапа
О3 — количество кислорода, необходимое на окисление углерода, кремния, марганца, фосфора
О4 — количество кислорода, необходимое на образование оксидов железа, переходящего в шлак
О5 — количество кислорода, поступающего в виде плавильной пыли
Количество кислорода, теряемое в виде плавильной пыли равно 0
О2 = b М2/104 (16/72 (FeO)2 + 48/160 (Fe2O3)2 ) = b·M2/104 (0,222·(FeO)2 + 0,3·(Fe2O3)2), где
b — количество окалины в ломе,% = 1
(FeO)2,(Fe2O3)2 — содержание оксидов железа в окалине,%.
Содержание в окалине лома (Fe2O3)= 70%
О3 = (М1+М2)/100 (1-h) D[С] 16/12 + (М1+М2)/100 h D[С] 32/12 + (М1+М2)/100 D[Si] 32/28 + (М1+М2)/100 D[Mn] 16/55 + (М1+М2)/100 D[P] 80/62, где
D[Эл] — количество элемента, окислившегося за продувку, %
h — доля углерода, окислившегося до СО2
О4 = М8/100 · [0,222 · (FeO)8 + 0,3 (Fe2O3)8 ]
О1=О3+О4-О2
М6=100*О1/{О2}*К, где
К — коэффициент усвоения кислорода дутья ванной
{О2} — содержание кислорода в технически чистом кислороде.
Доля углерода, окисляющаяся до CO2, h
0,1
Содержание О2 в дутье, {О2}, %
99,5
Коэффициент усвоения кислорода, k
0,98
Из баланса кислорода следует:
Определение выхода годной стали
Принимаю, что — количество корольков в шлаке
М10 = 10кг/т
-потери металла с выносами и выбросами. Они составляют 0,5%
Определение количества газов
М9 = Г1+Г3+Г6
Г1 – окисление углерода шихты;
Г3 – разложение СО2 извести;
Г6 – азот и не усвоенный кислород технического кислорода.
=2
=0
=99,5
=0,5
Г1=2,33*D[C]*1000/100*(1-)+3.67*D[C]*1000\100*= кг/т
Г3 =
Г6 = 48.17/100*(1-0,98)*99,5+48, 17/100*0,5 = 1,199кг/т
М9 = 84.836+1,215+1,199 =87,25кг/т
Итоговая таблица
Материальный баланс
Приход
Расход
кг/т
шихты
% от
прихода
кг/т
шихты
% от
расхода
Чугун (М1)
780,00
64,8
Сталь (М7)
931.12
79,3
Лом (М2)
220,00
21,6
Шлак (М8)
85.526
12,3
Известь (М3)
60.75
7,2
Газы (М9)
87.25
7,6
Футеровка в шлак (М4)
5
0,4
Потери (М10)
10,00
0,9
Кислород (М6)
48.17
5,9
Итого:
1113.92
100%
Итого:
1113.89
100%
Невязка
0,003%
Анализ
Неувязка составила 0.03г/т (0,003%) – это в пределах нормы. Выход годной стали составляет 93,1%, что является достаточно высоким показателем. Также при комбинированной продувке меньше содержание оксидов железа в шлаке (вследствие лучшего перемешивания расплава). Кроме того, при комбинированной продувке меньше выносы и выбросы с пылью. А чтобы поддержать нужную основность шлака, потребуется подать больше извести, что также уменьшает выход годного. Естественно, что больший выход стали улучшает экономические показатели, также как и увеличение удельного веса металлолома.
3.2 Тепловой баланс плавки.
Теоретическое введение. Повышение доли лома в шихте
С целью экономии чугуна и снижения стоимости металлошихы в кислородных конвертерах стремятся перерабатывать максимально возможное количество лома. В настоящее время при переделе в конвертерах обычного чугуна расход лома составляет около 25%.
Максимально возможная доля лома в шихте конвертера зависит, главным образом, от состава чугуна (химическое тепло) и температуры чугуна (физическое тепло).
Нагрев стали до заданной температуры является основной задачей сталеплавильного процесса наряду с обеспечением требуемого химического состава стали.
В конвертерном процессе регулирование температуры ванны осуществляется изменением расхода охладителей: лома и твердых окислителей (железная руда, агломерат, окатыши). Основным параметром, определяющим температурный уровень плавки, является расход лома. Расход лома рассчитывают на основе уравнения теплового баланса.
При планировании конвертерных плавок желательно зарезервировать некоторый избыток тепла по сравнению с требуемым, что позволит корректировать температуру металла по ходу плавки присадками твердых охладителей.
Использование топлива как дополнительного источника тепла
В качестве топлива в кислородном конвертере можно использовать жидкие и газообразные углеводороды (мазут, природный газ) и твердое топливо (уголь, кокс, графит). С теплотехнической стороны (величина коэффициента использования потенциального тепла топлива) наиболее перспективными теплоносителями является твердые углеродсодержащие материалы: угли, антрациты, кокс, электродный бой и др.
Более высокий термический коэффициент полезного действия твердого топлива объясняется тем, что углерод топлива предварительно растворяется в жидком металле и тепло, выделяющееся при его последующем окислении, передается непосредственно жидкому металлу.
Применение кускового угля. Кусковой каменный уголь (антрацит) или кокс загружают в конвертер на стальной лом или после заливки чугуна и начала продувки. Продувку ванны кислородом ведут сверху или через донные фурмы, иногда в сочетании с дополнительной подачей кислорода для дожигания СО до СО2.
В отечественной практике освоен способ, который предусматривает загрузку антрацита кусками размером 6—20 мм до или после заливки в конвертер чугуна и последующую продувку ванны кислородом сверху. Выявлено, что без подачи кислорода на дожигание СО, оптимальный расход угля составляет около 1 % от массы шихты; при этом уменьшается расход чугуна на 2,5—3,5 % (от массы шихты) и в то же время возрастает длительность продувки, что снижает производительность конвертера примерно на 6 %.
продолжение
--PAGE_BREAK--
Метод расчета
Тепловой баланс кислородно-конвертерной плавки должен учитывать все источники тепла.
Т1+Т2+Т3=Т4+Т5+Т6+Т7+Т8, где
Т1 — физическое тепло чугуна
Т2 — тепло экзотермических реакций
Т3 — тепло, выделяющееся при шлакообразовании
Т4 — энтальпия стали
Т5 — энтальпия шлака
Т6 — тепло, теряемое с выделяемыми газами
Т7 — продувка аргоном
Т8 —потери тепла
Физическое тепло чугуна Т1
Т1= (с1tпл + r + с2Dt) М1 0,001, где
с1, с2 – теплоемкости твердого и жидкого чугуна, КДж/кг
Dt – перегрев чугуна над температурой плавления
r — скрытая теплота плавления чугуна, КДж/кг
Тепло экзотермических реакций Т2
— тепло окисления любого элемента, где
— тепловой эффект реакции, КДж/кг
Окисление C:
Окисление Si:
Окисление Mn:
Окисление Р:
Окисление Fe, приходящего в виде оксидов в шлак:
Окисление Fe плавильной пыли:
Тепло химических реакций:
Тепло шлакообразования Т3
Т3 = ТSiO2 + TP2O5 = 26,857+2,2602 = 29,1172МДж
Энтальпия стали Т4
Т4 = ([C1tпл + r + С2Dtстал](M7 + (eM8)/100 + M11+М12))*10-3 = [[0.7*1500+272+ 0.838*80)](931,12+3*85,526/100+5)]*10-3 = 1303,87МДж, где
C1, С2 – теплоёмкость твердой и жидкой стали, КДж/кг*EС
tпл – температура плавления стали. Она равна 1500˙С
Dtстал –перегрев стали над температурой плавления (80˙С)
r — скрытая теплота плавления
Энтальпия шлака Т5
Т5 = (1,25·tшл+209,5)·М8/1000 = (1.25*1650+209.5)*85,526*10-3= 194,315МДж
tшл — температура плавления шлака. Равна 1650˙С
Тепло, теряемое с газами Т6
СО:
Т6СО = DНСО*3,33 D[C]*(M1 + M2)/100*(1-h)(22.4/28) =
= 2,12*3,33*3,3875*1000/100*(1-0.1)*(22.4/28) = 172,184МДж
СО2:
Н2О:
N2:
Не усвоившийся О2:
Потери тепла от продувки аргоном Т7
g = 0,2 м3/т стали – интенсивность продувки
to = 20oC => Dt = 1650–20 = 1630oC
Т7 = 0.932*0.001*0.2*910,562/1000*1630 = 0,277МДж
Потери тепла Т8
1) Тепло, потерянное с выделяющийся пылью и охлаждаемой водой
(Т4+Т5+Т6)*0.01 = (1277,624+320,134+199,344)*0.01 = 17,97МДж
2) Тепло на охлаждение фурмы и горловины
(Т4+Т5+Т6)*0.02 = (1277,624+320,134+199,344)*0.02 = 35,94МДж
3) Излучение
(Т4+Т5+Т6)*0.02 = (1277,624+320,134+199,344)*0.02 = 35,94МДж
Т8 = 17,97+35,94*2 = 89,85МДж
Итоговый тепловой баланс:
Приход
МДж/т
%
Расход
МДж/т
%
Тепло чугуна (Т1)
897,75
50,195
Энт-пия стали (Т4)
1277,624
67,7
Экз. реакции (Т2)
848,515
47,442
Энт-пия шлака (Т5)
320,134
16,96
Тепло шлак-ния (Т3)
42,269
2,363
Газы (Т6)
199,344
10,56
Аргон (Т7)
0,277
0,015
Потери тепла (Т8)
89,85
4,76
Итого
1788,534
100%
Итого
1887,229
100%
Анализ
Представленный тепловой баланс говорит о том, что здесь недостаточно высокая температура чугуна(1280ºС). Необходимо ввести дополнительное количество топлива, по причине превышения расходной части теплового баланса над приходной. Также происходят потери тепла с пылью, излучением и охлаждением. Недостаток тепла компенсируем добавкой антрацита. Это приведет к удорожанию стали. Следовательно, экономически выгодно будет уменьшение теплопотерь.
1 кгантрацита — 31 МДж тепла
D = 98,695 МДж
М антр. = 98,695/31 = 3,18 кг/т
Вывод:необходимо добавить 3,18 кг/т антрацита, для компенсации недостатка тепла.
3.3 Расчёт легирующих и раскисляющих компонентов
Емкость конвертера,
V, т
60
Химический состав.
Элемент
по ГОСТу
Сред.
содерж.
Сталь на выпуске
от
до
С
0,32
0,4
0,36
0,1
Si
0,17
0,37
0,27
Mn
0,7
1
0,85
0,18
Cr
0,3
Cu
0,3
Ni
0,3
P
0,035
0,035
0,03
S
0,035
0,035
0,035
Чтобы получить необходимое содержание компонентов в стали, нужно провести ряд мероприятий: раскисление и легирование.
Вводим необходимые для этого ферросплавы.
Таблица 2. Ферросплавы используемые.
Ферросплав
осн.
эл-т
C
Si
P
S
Mn
Al
Коэф-т усвоения, %
Ферромарганец ФМн1,5
Mn
1,5
2,5
0,3
0,03
85
75
Ферросилиций ФС25
Si
0,6
25
0,06
0,03
0,9
1
75
Твердый углерод
С
100
50
Расход ферросплава Ф, кг/т:
R1 - заданное содержание элемента в стали, %;
R2 – содержание элемента в стали перед раскислением, %;
А = — коэф-т усвоения элемента ванной, %;
B – содержание элемента в ферросплаве, доли единиц.
Количество дополнительного элемента, вносимого ферросплавом, кг/т:
[Ri]=Ф*bi*А
bi-содержание элемента в ферросплаве, д.ед.
Ферромарганец:
Он внесет примеси:
[Mn]= 9,788*0,85*0,75=6,238504кг/т
[С] = 9,788*0,015*0,75=0,1101кг/т
[Si] = 9,788*0,025*0,75=0,183кг/т
[S] = 9,788*0,0003*0,75=0,002кг/т
[Р] = 9,788*0,0006*0,75=0,022кг/т
Ферросилиций:
Он внесет примеси:
[Mn]= 13,408*0,009*0,75=0,0905кг/т
[С] = 13,408*0,006*0,75=0,0603кг/т
[Si] = 13,408*0,25*0,75=2,514кг/т
[S] = 13,408*0,0003*0,75=0,003кг/т
[Р] = 13,408*0,0006*0,75=0,006кг/т
[Al]= 13,408*0,01*0,75=0,100кг/т
Твердый углерод:
Он внесет примеси:
[С] = 4,842*1*0,5=2,421кг/т
С ферросплавами внесено всего:
Собщ=3,522кг/т
Siобщ=2,697кг/т
Mnобщ=8,005кг/т
Pобщ=0,307кг/т
Sобщ=0,284кг/т
Выход годной стали после легирования и раскисления:
М7нов=931,12+9,788*0,75+13,408*0,75+4,842*0,5=950,936кг/т
Итоговая контрольная таблица
минимум
по ГОСТу
Сталь после легирования
максимум
по ГОСТу
Подходит
по ГОСТу
С
0,32
0,37
0,4
+
Si
0,17
0,28
0,37
+
Mn
0,7
0,84
1,0
+
Cr
0,3
+
Ni
0,3
+
Cu
0,3
+
P
0,032
0,035
+
S
0,034
0,035
+
Баланс раскисления стали марки 35Г на плавку
ПРИХОД
РАСХОД
Ферросплав
Масса, кг/т.
Элементы
Масса, кг/т
ФМн1,5
9,788
Элементы перешедшие в сталь, из них :
ФС25
13,408
C
3,522
Твердый углерод
4,842
Si
2,697
Mn
8,005
P
0,307
S
0,284
Fe
8,064
Потери углерода в виде СО и СО2
0,057
Эл-ты – в шлак
5,097
ИТОГО
28,036
ИТОГО
28,036
Анализ
Для раскисления и легирования стали 35Г использовались среднеуглеродистые ферросплавы — они более дешевы, а требования по химическому составу стали допускают высокое содержание углерода. Сталь легировалась ферромарганцем, ферросилицием. В нашем случае операция легирования совмещена с операцией раскисления.
Данные в таблице №1 по остаточному содержанию элементов внесены из баланса кислородно-конвертерной плавки. Так как медь, хром и никель ограничены только верхним пределом по химическому составу, их дополнительное внесение в ковш не требуется.
Расход ферросилиция самый большой (13,408 кг/т. на плавку), так как кремния в стали после продувки нет, а требуется достаточно много. Всего внесено 28,036кг ферросплавов. По окончании операции раскисления и легирования содержания основных элементов соответствуют ГОСТу. Ферросплавы увеличивают себестоимость стали больше, чем их удельная масса, но позволяют получить большую цену на рынке.
Изменения в материальном балансе следующие (кг /т шихты):
Выход годной стали = 950,936кг/т
Шлак = 90,623кг/т
продолжение
--PAGE_BREAK--