--PAGE_BREAK--Таблица 4 – Технологические свойства
Вид поставки: сортовой прокат, в том числе фасонный: калиброванный пруток ГОСТ 4543-71, шлифованный пруток и серебрянка ГОСТ 4543-71, поковки и кованые заготовки ГОСТ 8479-70 [6].
2 Расчет материального и теплового балансов кислородно-конвертерной плавки с использованием скрапа
2.1 Материальный баланс до раскисления
Состав применяемого чугуна (ГОСТ 805-95) [7], скрапа (ГОСТ 2787-75) [8] и конечной стали (ГОСТ 4543-71) перед раскислением приведен в таблице 5.
Таблица 5 – Состав чугуна, скрапа и конечной стали
В процентах
Состав извести (ТУ У 26.5-0093714-042-2001 [10]; ИС-1, 2 сорт), бокситов
(ТУ 48- 5-240-00) [11] и футеровки (ГОСТ 28874-90)[9] (таблица 6).
Таблица 6 – Состав извести, бокситов и футеровки
В процентах
Известь
1
88
2
2
-
2
5
Боксит
20
4
-
52
18
6
-
Периклазо-
известковый
кирпич
5
10
80
2
3
-
-
Расход футеровки принимается равным 0,3 % от массы садки.
Технический кислород содержит 99,5 % и 0,5 % .
Определяем средний состав шихты при условии переработки 5 % скрапа и 95 % чугуна (таблица 7):
Таблица 7 – Средний состав шихты
В процентах
Удаляется примесей из ванны на 100 кг металла:
В килограммах
где 0,9 – выход стали.
Принимаем, что при продувке ванны кислородом 10 % серы выгорает до , то есть окисляется 0,002 кг серы.
Расход кислорода на окисление примесей составит при окислении 10 % углерода до и 90 % до :
Таблица 8 – Определение расхода кислорода и массы окислов
В килограммах
В шлак переходит 0,020 – 0,002 = 0,018 кг серы. При переходе серы в шлак освобождается кислорода 0,009 кг, поэтому расход кислорода составит:
6,019– 0,009 = 6,010 (кг). (1)
Расход извести определяем по балансу и в шлаке для получения основности 3,2.Для формирования шлака принимаем расход боксита 0,6 кг. Расход извести обозначим yкг.
Количество в конечном шлаке, поступающее из материалов:
В килограммах
0,054 + 0,880 ×у
Количество в конечном шлаке, поступающее из материалов:
В килограммах
Вместо и подставляем их значения и определяем расход извести:
(0,054 + 0,880 · у) / (1,058 + 0,010 · у) = 3,200 (2)
откуда у = 3,275 кг.
Таблица 9 – Составляющие шлака
В килограммах
Источники
Металлическая
шихта
1,028
–
–
–
0,020
1,026
0,377
–
–
–
Футеровка
0,015
0,030
0,240
0,006
–
–
–
0,009
–
–
Боксит
0,120
0,024
–
0,312
–
–
–
0,108
0,036
–
Известь
0,033
2,947
0,067
0,067
–
–
–
–
0,067
0,167
Итого
1,196
2,551
0,307
0,385
0,020
1,026
0,377
0,117
0,103
0,167
Допускаем в первом приближении, что содержание окислов железа в шлаке при продувке металла кислородом сверху будет таким же, как и в мартеновском шлаке: 13 % , 4 % . Тогда масса окислов шлака без и , будет составлять 83 %, а масса шлака без окислов железа равна 6,132 кг.
Масса шлака:
Lш.= 6,132: 0,83 = 7,387 (кг). (3)
продолжение
--PAGE_BREAK--Масса окислов железа составит:
7,387 – 6,136 = 1,251 (кг), (4)
в том числе 0,960 кг и 0,291 кг.
Состав шлака приведен в таблице 10.
Таблица 10 – Состав шлака
Окисляется железа:
В килограммах
Поступит железа из металла в шлак:
0,960 · 56: 72 + 0,174 · 112: 160 = 0,747 + 0,123 = 0,870 (кг). (5)
Выход стали равен:
100 – 6,505 – 0,500 – 1,000 – 0,870 = 91,125 (кг), (6)
где 6,505 – угар примесей;
0,870 – угар железа на образование окислов железа в шлаке;
0,5 – запутывание металла в шлаке в виде корольков;
1,0 – потери с выбросами.
Потребуется кислорода на окисление железа
(0,960 – 0,747) + (0,174 – 0,123) = 0,213 + 0,051 = 0,264 (кг). (7)
Всего потребуется кислорода на окисление примесей:
6,019 + 0,264 = 6,283 (кг). (8)
Потребуется кислорода при 95 % – ном усвоении
(м³) на 100 кг металла. (9)
продолжение
--PAGE_BREAK--На одну тонну садки расход технического кислорода равен 48,320 м³/т. Количество азота:
4,832 · 0,005 = 0,024 (м³) или 0,030 (кг). (10)
Количество неусвоенного кислорода:(4,832 – 0,024) · 0,05 = 0,240 (м³) или 0,343 (кг). (11) Масса технического кислорода равна:
6,284 + 0,343 + 0,030 = 6,657 (кг) (12)
Таблица 11 – Количество и состав получающихся газов.
Таблица 12 – Материальный баланс плавки.
В килограммах
2.2 Расчёт раскисления стали.
Таблица 13 – Состав стали перед раскислением
В килограммах
Сталь
35Г
,320
0,200
0,030
0,030
продолжение
--PAGE_BREAK--
Раскисление стали проводим ферромарганцем, ферросилицием и алюминием.
Состав раскислителей и легирующих присадок приведен в таблице 14.
Таблица 14 – Состав раскислителей и легирующих присадок
В процентах
Материал
Ферромарганец
ФМн75 ГОСТ 4755-80
6,50
1,50
71,50
0,35
0,04
–
20,11
Ферросилиций ФС45
ГОСТ 1415-78
0,18
45,40
0,40
0,08
0,05
–
53,89
Алюминий
–
–
–
–
–
99,00
1,00
Общий угар марганца при раскислении примем 25 %, угар углерода ферромарганца 30 %, кремния 100 %.
Расход раскислителя на 100 кг металлической шихты, в килограммах:
P=, (13)
где a– требующееся для ввода в металл количество элемента, равное среднему содержанию его в стали данной марки минус остаточное содержание в ванне перед раскислением;
b– содержание элемента в 1 кг раскислителя, кг;
с – коэффициент усвоения элемента в металле. Получается путем вычитания из единицы доли угара.
Расход ферромарганца на 100 кг шихты:
a= 0,85 – 0,2 = 0,65 (14)
b= 0,715 (15)
с = 1 – 0,25 = 0,75 (16)
Р = 0,65 / (0,715 ×0,75) = 1,21(кг) (13)
Это количество ферромарганца содержит:
В килограммах
Выгорает:
В килограммах
…………………………………………………………
0,079·0,30=0,024
………………………………………………………
0,865·0,25=0,216
………………………………………………………..
0,018
Всего
0,258
Переходит в сталь:
В килограммах
Требуется кислорода на окисление примесей:
В килограммах
→ …………………………………………………..
0,024·16/12=0,032
→ ………………………………………………..
0,216·16/55=0,0628
→ ………………………………………………….
0,018·32/28=0,0205
Всего
0,1153
Получится окислов:
В килограммах
…………………………………………………….......
0,024+0,032=0,056
………………………………………………………...
0,216+0,0628=0,2788
……………………………………………………….
0,018+0,0205=0,0385
Всего
0,3733
При угаре кремния 20 % расход 45 %-ного ферросилиция составит:
a= 0,27 (14)
b= 0,454 (15)
с = 1 – 0,20 = 0,80 (16)
P= 0,27/ (0,454 · 0,8) = 0,743 (кг). (13)
Это количество ферросилиция содержит:
В килограммах
……………………………………………………….
0,743 · 0,0018 = 0,0013
……………………………………………………..
0,743 · 0,4540 = 0,3373
………………………………………………………
0,743 · 0,0040 = 0,0029
……………………………………………………….
0,743 · 0,0008 = 0,0006
……………………………………………………….
0,743 · 0,0005 = 0,0004
…………………………………................................
0,743 · 0,5389 = 0,4004
Всего
0,7430
Выгорает:
0,3373 · 0,20 = 0,0675(кг). (17)
Потребуется кислорода:
→ ………………………………… 0,0675 · 32: 28 = 0,0771(кг). (18)
Образуется :
0,0675 + 0,0771 = 0,1446(кг). (19)
Для раскисления примем алюминий в количестве 0,040 кг на 100 кг металлической шихты, т. е. 0,40 кг / т.
Принимаем, что весь алюминий выгорит. Для этого потребуется кислорода:
0,04 · 48: 54 = 0,036 (кг). (20)
Образуется :
0,04 + 0,036 = 0,076 (кг). (21)
продолжение
--PAGE_BREAK--Всего потребуется кислорода:
0,1153 + 0,0771 + 0,0360 = 0,2284 (кг). (22)
Содержалось кислорода до раскисления
(23)
или
0,018 · 0,91125 = 0,0164 (кг). (24)
Поступит кислорода из атмосферы:
0,232 – 0,0164 = 0,2156(кг). (25)
Количество раскислителей и легирующих присадок составит:
1,21 + 0,743 + 0,040 = 1,993(кг). (26)
Количество выгоревших примесей:
0,258+ 0,0675 + 0,0400 = 0,3655(кг). (27)
Переходит в сталь:
1,993– 0,3655 = 1,6275(кг). (28)
Образуется окислов:
0,3733+ 0,1446 + 0,0760 = 0,5939(кг). (30)
Выход стали после раскисления:
91,125 + 1,6275 – 0,0160 = 92,7365(кг). (31)
2.3 Материальный баланс плавки после раскисления.
Данные представлены в таблице 15.
Таблица 15 –Материальный баланс плавки после раскисления.
В килограммах
продолжение
--PAGE_BREAK--
Количество стали перед раскислением с учетом растворенного кислорода:
91,125 – 0,016 = 91,109(кг). (32)
Таблица 16 – Определение массы и состава стали.
Источники
Сталь перед раскислением 0,3200 — 0,2000 0,0300 0,0300 91,1090 91,6890 Ферромарганец 0,0550 — 0,6490 0,000484 0,004325 0,2011
0,9060
Ферросилиций 45 % – ный 0,0013 0,2700 0,0029 0,0004 0,0006 0,5389
0,8590
Алюминий — — — — — 1,0000
1,0000
Всего:
в килограммах
в процентах
0,3763
0,2700
0,8519
0,0308
0,0304
92,8490
94,4540
0,3983
0,2858
0,9019
0,0326
0,0321
0,9830
100
Сталь полученного состава соответствует требованиям ГОСТ 4543 – 71.
2.4 Тепловой баланс плавки
2.4.1 Приход тепла.
Физическое тепло чугуна:
= [0,178 · 1200 + 52 + 0,2 · (1300 – 1200)] · 85 = 24276 ккал (101,571МДж). (33)
Тепло экзотермических реакций:
В килокалориях
Тепло от шлакообразования:
554 · 0,480 · 60: 28 = 569 (34)
1132 · 0,165 · 142: 62 = 487 (35)
= 1056 ккал. (4,4250 МДж.) (36)
В данном расчёте энтальпия холодных материалов не учитывается.
Приход тепла равен:
= + +
= 24276+ 18170 + 1056 = 43502 ккал. (182,273 МДж.) (37)
2.4.2 Расход тепла.
Физическое тепло стали:
= [0,167 · 1500 + 65 + 0,2 · (1630 – 1500)] · (91,125 + 0,5 + 1) = 31674 ккал. (132,714 МДж.)(38)
Физическое тепло шлака:
= (0,298 · 1630 + 50) · 7,3870 = 3957,511 ккал. (16,582 МДж.). (39)
Потери тепла принимаем 5 % от прихода:
= 0,05 · 43502 = 2175,100 ккал. (9,113 МДж.). (40)
Частицы выносят тепла:
= (0,294 · 1450 + 50 ) · 2,1420 = 1020,2350 ккал. (4,274 МДж.). (41)
Газы уносят тепла при средней температуре 1450º С:
В килокалориях
………………………………….
814 · 0,332= 270,248
……………………………………
506 · 5,940=3005,640
………………………………….
632 · 0,128= 80,896
…………………………………….
528 · 0,24 = 126
…………………………………...
499 · 0,024 = 12
…………………………………..
814 · 0,001 = 1
= 3496,16 ккал. (14,648 МДж.).
Расход тепла равен:
= + ++ +
= 31674 + 3957,5110 + 2175,100 + 1020,2350 + 3496,1600 =
= 42323 ккал. (177,333 МДж.). (42)
продолжение
--PAGE_BREAK--Избыток тепла равен:
= 43502 – 42323 = 1179 ккал. (4,94 МДж.). (43)
Таблица 17 – Тепловой баланс.
Приход тепла Расход тепла
Ккал
МДж
%
Ккал
МДж
%
Физическое тепло чугуна
24276
101,571
55,804
Физическое
тепло стали
31674
132,714
74,839
Тепло экзотермических реакций
18170
76,13
41,768
Физическое
тепло шлака
3957,511
16,582
9,351
Тепло шлакообразования
1056
4,425
2,427
Газы уносят
тепла
2175,1
9,113
5,139
Потери
тепла
1020,235
4,274
2,411
Частицы
уносят
3496,16
14,648
8,261
Избыток тепла
1179
4,94
2,786
Итого
43502
100
Итого
43502
177,333
100
3 Расчёт основных геометрических размеров кислородного конвертера.
Принимаем: внутренний диаметр конвертера = 4,1 м; отношение высоты конвертера к его внутреннему диаметру / = 1,3; угол наклона горловины 60º.
Определяем высоту рабочего пространства:
= 1,55 · = 1,3 · 4,1 = 5,330 (м). (44)
Определяем диаметр горловины:
= 0,52 · = 0,52 · 4,1 = 2,132 (м). (45)
Высота горловины при угле её наклона α = 60º:
= 0,5 · ( – ) · tg60º= 0,5 · tg60 · (4,000 – 2,132) = 1,617 (м). (46)
Определяем объём жидкого металла:
= 12,055 (м³). (47)
Металл в спокойном состоянии помещается в шаровом сегменте и в цилиндрической части конвертера:
(48)
Объём шарового сегмента определяем по формуле:
1,888 (м³). (49)
где = 0,27 – принимаемая глубина шарового сегмента, м.
Объём цилиндрической части конвертера, занятой металлом:
= 3,14 · (2,1)² · = 13,874 · (50)
Определяем высоту металла, расположенного в цилиндрической части конвертера:
12,055 = 1,888 + 13,874 · (51)
откуда = 0,733 (м).
Общая глубина металлической ванны равна:
= 0,733 + 0,27 = 1,003(м). (52)
Если принять количество шлака 10 % и его плотность 3000 кг/м³, то слой шлака будет:
(м). (53)
Общая глубина ванны в спокойном состоянии составит:
= 1,003 + 0,241 = 1,244 (м). (54)
Высота цилиндрической части конвертера равна:
= 5,330 – 1,617 – 0,270 = 3,443 (м). (55)
Полный объём рабочего пространства равен:
. (56)
Объём горловины представляет собой фигуру усеченного конуса, определяемого по формуле:
=
= 1/3 · 3,141 · 1,617· ((2,100)² + 2,100 · 1,066 + (1,066)²) = 13,182 (м³). (57)
Объём цилиндрической части конвертера равен:
= 3,141 · (2,100)² · 3,443 = 47,676 (м³). (58)
Объём шарового сегмента определен выше и равен 1,888 (м³).
Объём рабочего пространства равен:
= 47,676 + 13,182 + 1,888 = 62,746 (м³). (59)
Удельный объём рабочего пространства конвертера получится:
=62,746: 95 = 0,660 (м³/т), (60)
что совпадает с удельным объёмом существующих конвертеров данной садки.
Расстояние от уровня спокойной ванны до среза горловины:
H= 5,330 – 1,244 = 4,086 (м). (61)
4 График изменения химического состава стали и шлака по ходу продувки.
Рассчитаем продолжительность периода продувки.
Общий расход кислорода на плавку 95 тонн составит:
(м3). (62)
где 48,32 – удельный расход кислорода на 1 тонну садки, м3/т;
Примем интенсивность продувки , минутный расход технического кислорода:
(). (62)
Определим продолжительность периода продувки:
(мин). (63)
График изменения химического состава металла и его температуры по ходу продувки изображен на рисунке 1, а график изменения химического состава шлака по ходу плавки в кислородном конвертере изображен на рисунке 2 [1].
Рисунок 1 – Изменение химического состава металла и его температуры по ходу продувки
Рисунок 2 – Изменение химического состава шлака по ходу продувки в кислородном конвертере
5 Технология кислородно-конвертерной плавки стали марки 35Г
5.1 Общие положения
5.1.1 Футеровка конвертера после выпуска предыдущей плавки должна быть осмотрена мастером по плавкам и контрольным мастером ОТК и определена пригодность конвертера для плавки.
5.1.2 В случае неисправности футеровки конвертера произвести ремонт.
5.1.3 Перед началом плавки проверить действие всех механизмов конвертера.
5.2 Требования к шихте
5.2.1 Боксит, известь и добавочные материалы должны быть измельчены до фракции 10 … 30 мм.
5.2.2 Чугун, заливаемый в конвертер должен содержать не более 0,50% кремния и до 1,00% марганца, фосфора не более 0,020%, серы не более 0,05%. Температура чугуна, заливаемого в конвертер должна быть не ниже 1320ºС.
5.2.3 Скрап, загружаемый в конвертер, должен содержать: серы не более 0,04%, фосфора не более 0,04%. Размеры кусков лома во избежание повреждения футеровки конвертера должны быть не более 300 × 300 × 1000 мм.
5.3 Загрузка шихтовых материалов
5.3.1 Температура футеровки конвертера перед загрузкой должна быть не ниже 1000º С.
5.3.2 Для загрузки металлического лома конвертер наклоняют на определенный угол в сторону загрузочного пролёта.
5.3.3 В первую очередь в конвертер загружают мелкий легковесный лом, а
затем тяжёлый во избежание повреждения футеровки.
5.3.4 Для равномерного распределения лома в рабочем пространстве конвертер поднимают и наклоняют на некоторый угол в противоположную сторону.
5.3.5 Для заливки чугуна конвертер снова наклоняют в сторону загрузочного пролёта.
5.3.6 Заливка чугуна производится с максимально возможной скоростью одним ковшом.
5.3.7 После подъема конвертера в вертикальное положение фурму опускают, включают кислород и начинают продувку.
5.4 Продувка
5.4.1 Продувку осуществлять сверху через четырехсопловую водоохлаждаемую фурму с центральным подводом воды для охлаждения.
5.4.2 Давление кислорода перед соплами должно быть равным 1,0…1,3 МПа для чего в цеховом кислородопроводе давление кислорода должно быть не менее 1,5...1,8 МПа.
5.4.3 Интенсивность продувки должна быть 5 м³/т · мин.
5.4.4 Положение фурмы по ходу продувки относительно уровня спокойного металла должно обеспечивать нормальный ход шлакообразования, окисления примесей, нагрева ванны и исключать выносы и выбросы металла и шлака. В начальный период продувки расстояние среза фурмы от зеркала спокойного металла должно быть более высоким. Затем фурму опускают в рабочее положение. Высота рабочего положения фурмы над уровнем спокойного металла составляет 0,8...1,5м.
5.4.5 По ходу продувки производится присадка шлакообразующих материалов. Первую порцию извести (30...60% от общего расхода на плавку) присаживают во время завалки или в начале продувки; остальную часть шлакообразующих отдельными порциями присаживают в первой половине продувки.
5.4.6 Для корректировки жидкоподвижности шлака по ходу продувки применяют плавиковый шпат, который присаживают в середине продувки в начале периода интенсивного обезуглероживания.
5.4.7 Продувку заканчивают по достижении необходимого содержания углерода в металле и его температуры, момент которой определяется обычно по количеству израсходованного кислорода.
5.4.8 По окончании продувки отбирают пробы металла и шлака и измеряют температуру.
5.4.9 При получении химического состава, отличающегося от заданных значений производят додувку. При небольшом перегреве металл выдерживают или присаживают известняк.
5.4.10 Если содержание углерода недостаточно, производить науглероживание металла присадками молотого кокса или графита на струю металла при его выпуске в ковш.
5.5 Выпуск металла
5.5.1 При получении заданного состава и температуры металла выпускают плавку.
5.5.2 Металл выпускают через сталевыпускное отверстие при соответствующем наклоне конвертера, обеспечивающем минимальное попадание шлака в сталеразливочный ковш.
5.6 Раскисление и легирование.
5.6.1 Раскисление, легирование и науглероживание металла производят в ковше во время слива металла.
5.6.2. Раскисление следует производить ферромарганцем, ферросилицием и алюминием.
5.6.3 Для достижения равномерного распределения ввод необходимых материалов должен быть закончен при наполнении ковша сталью на 3/4 его высоты [4].
6 Истечение кислорода из сопла фурмы
Немаловажное значение в современном конвертерном процессе имеет кислородное рафинирование. Сущность рафинирования путем продувки газами или обработкой летучими веществами заключается в том, что газовые пузыри, проходя через расплав, захватывают встречающиеся на своем пути инородные включения и выносят их на поверхность расплава. Продувка газами позволяет удалить как крупные, так и мелкие (до 1 мкм) частицы. При контакте расплава с кислородом прежде всего происходит окисление основного металла, и расплав насыщается кислородом. После этого растворенные примеси, соединяясь с кислородом, образуют нерастворимые оксиды, которые переходят в шлак [11].
Выходящие из сопл фурмы кислородные струи внедряются в ванну и вызывают в её нижней части направленную циркуляцию, а верхние слои металла и шлака вспениваются пузырями , выделяющимися при окислении углерода. Характер взаимодействия кислородных струй с ванной и возникающей при этом циркуляции металла показан на рисунке 3.Под соплами фурмы расположены направленные вниз высокоскоростные потоки с увлекаемыми вниз каплями металла; это первичные реакционные зоны или зоны продувки, где весь кислород расходуется на окисление железа. По границам первичной зоны вследствие высокой концентрации кислорода окисляется много углерода с образованием и формируется поток всплывающих пузырей , увлекающих за собой металл, поэтому циркуляционные потоки направлены вверх. Поскольку контур циркуляции должен быть замкнутым, у стенок конвертера металл движется вниз.
Рисунок 3 – Структура ванны при продувке кислородом сверху:
1 – зона продувки (прямого окисления);
2 – зона циркуляции металла;
3 – пузыри ;
4 – крупные газовые полости;
5 – металл;
6 – шлак.
Циркуляция, то есть перемешивание ванны, интенсифицирует тепло-, массообмен, ускоряя процессы окисления, рафинирования и нагрева металла и расплавления стального лома. В начале и конце продувки, когда скорость окисления углерода и пузырей СО невелика, циркуляционные потоки ослаблены и интенсивность перемешивания ванны недостаточна.
продолжение
--PAGE_BREAK--