Зміст
Введення
1. Загальні положення
2. Визначення параметрів плавки в кінці продувки
3. Визначення витрати брухту на плавку
4. Розрахунок окислення домішок металевої шихти
5. Розрахунок кількості і складу шлаку
6. Розрахунок витрати дуття
7. Розрахунок виходу рідкої сталі перед розкисленням та складання матеріального балансу плавки
8. Складання теплового балансу плавки та визначення температури металу
9. Розрахунок розкислення сталі і її хімічного складу
10. Розрахунок витрат матеріалів на всю плавку і виходу продуктів плавки
11. Визначення питомої інтенсивності продувки, тривалості плавки і продуктивності агрегату
12. Позапічна обробка сталі
Висновок
Список використаних джерел
Введення
Виплавка сталі в кисневих конвертерах є найбільш поширеним і прогресивним способом її виробництва. Це пов'язано з високою продуктивністю агрегатів, відносною простотою їх конструкції, високим рівнем автоматизації процесів, гнучкістю технології плавки, що дозволяє в поєднанні з ковшевой обробкою і безперервного розливанням отримувати якісну сталь різного сортаменту.
За своєю сутністю виплавка сталі вдає із себе складний комплекс фізико-хімічних і теплових процесів, що протікають у сталеплавильному агрегаті у широкому температурному інтервалі. Для професіоналів та фахівців, що працюють в суміжних областях, необхідне правильне розуміння даних процесів та їх взаємозв'язків.
У виробничій практиці різноманіття матеріалів, мінливість їх складу та температури, недостатня, а іноді і недостовірна інформація, вимагають систематичної налаштування параметрів технології плавки сталі. При цьому під технологією плавки розуміють сукупність різних операцій, прийомів і методів, що виконуються в певній послідовності і сполученні, для отримання рідкого металу з заданими параметрами.
Конвертерні процеси в найбільш простій формі реалізують технологію виплавки сталі, її завдання і методи рішення. При відсутності практичного досвіду параметри технології можна встановити розрахунковим шляхом, використовуючи різні математичні моделі процесу.
Обсяг і методи розрахунків визначаються рівнем складності поставленого завдання. На початковому етапі професійної підготовки фахівців найпростіші приклади поетапного ручного розрахунку параметрів технології виплавки сталі з поясненнями доцільності зроблених дій можуть слугувати вихідною базою для розуміння основ сталеплавильного виробництва.
Позитивний досвід використання такої методики розрахунку параметрів класичної технології виплавки сталі в конвертері з верхньою подачею дуття дозволяє поширити її на більш сучасні варіанти конвертерних процесів.
Сталь типу IF - особливо низьковуглецевий сталь підвищеної міцності і штампованих, використовується для виробництва оцинкованого та холоднокатаного автомобільного листа. Процес виробництва IF-сталі для оцинкованого автолиста в киснево-конвертерному цеху повинен включати в себе плавку металу в конвертері з попередніми розкисленням його ферромарганцем в ковші, глибоке обезуглероживание металу на установці циркуляційного вакуумування, остаточне розкислення його на агрегаті усереднювальної продувки і мікролегування титаном і ніобієм на установці «піч-ківш».
У даній роботі наведена методика спрощеного розрахунку основних параметрів технології плавки IF-сталі в конвертері з верхньою подачею дуття.
1. Загальні положення
У виробничій діяльності завдання технологічного персоналу полягає у реалізації такого рівня технології, при якому необхідні кінцеві результати досягаються з мінімальними витратами матеріалів, часу та праці. Параметри технології безперервно коригуються відповідно до мінливих умов виробництва.
При розробці технології виплавки сталі і при прогнозуванні результатів застосування нових технологічних прийомів виконують розрахунки різної складності. Розрахунки плавки сталі базуються на теоретичних уявленнях про характер сталеплавильних процесів і практичних даних роботи сучасних металургійних агрегатів.
На початковому етапі навчання такі розрахунки доцільніше виконувати вручну. У цьому випадку методика розрахунку може бути спрямована не на суворе рішення задачі моделювання конкретного процесу, а на його змістовну частину в умовах сучасного металургійного виробництва. Обчислювальний процес при цьому має допоміжний характер, він необхідний у тій мірі, в якій сприяє з'ясуванню сутності досліджуваної технології.
Відомі три основних способи продування металу киснем в сучасних конвертерах: продування зверху, знизу і комбінована. У даній роботі розглянуто варіант технології з верхньою подачею дуття.
Цей варіант технології має такі особливості:
- Використання рідкого чавуну як основного матеріалу для одержання сталі в кількості більше 70%;
- Подача в конвертер зверху в якості дуття технічно чистого кисню (вміст кисню в дуття не менше 99,5%);
застосування водоохлаждаемой фурми для подачі кисню в конвертер зверху через горловину у напрямку вертикальної осі агрегату;
- Змінне положення кисневої фурми над поверхнею конвертерної ванни;
- Використання для футеровки конвертера вогнетривких матеріалів, що складаються переважно з М g О і З a О і володіють основними властивостями;
- Застосування кускового вапна, і розріджують добавок для формування шлаку;
- Продування киснем до заданих рівнів параметрів плавки без проміжного видалення шлаку;
- Використання тільки внутрішніх джерел тепла (фізичного тепла чавуну та хімічного тепла процесів окисного рафінування);
- Витрата лому на плавку за умовами теплового балансу в залежності від заданої температури металу (використання брухту в якості основного охолоджувача);
- Застосування матеріалів, які містять оксиди заліза (твердих окислювачів); залізної руди, агломерату, обкотишів або окалини в якості додаткової охолоджуючої добавки при необхідності зниження температури металу у процесі продувки;
- Розкислення і легування металу в сталеразливочном ковші під час випуску металу з конвертера.
Після виплавки метал піддається ковшевой обробці для поліпшення його якості (як правило, застосовують продувку металу інертним газом, але може бути і вакуумування, і обробка порошками, шлаками або шлаковими сумішами). Розливання сталі в сучасних конвертерних цехах виробляється на машинах безперервного лиття заготовок.
Особливості обраного варіанта виробництва сталі визначають і схему розрахунку плавки сталі в конвертері. Метою розрахунку плавки є визначення мінімально необхідної кількості матеріалів для отримання заданих маси рідкої сталі, її хімічного складу і температури.
Для складання розрахункових рівнянь зручно використовувати балансові співвідношення між компонентами матеріалів, застосовуваних для виплавки сталі. У принципі розрахунок плавки можна здійснити шляхом складання та одночасного вирішення системи таких рівнянь. Отримання хімічного складу, температури і маси сталі з заданою точністю служить критерієм оцінки якості розрахунку. Однак це пов'язано з високим ступенем формалізації процесу і може бути використане для інших цілей на кінцевих етапах професійної підготовки.
У даній роботі використовується метод послідовного наближення, часто вживаний в інженерних розрахунках. При цьому на початку розрахунку задається співвідношення між витратами основних шихтових матеріалів: чавуну і брухту. Після цього визначаються витрати всіх необхідних матеріалів і розраховуються маси металу, шлаку і газів. Потім на основі теплового балансу плавки обчислюється температура металу і порівнюється з необхідною її величиною для даних умов. При відхиленні розрахункової температури від заданої на величину, що перевищує прийняту похибка, розрахунок повторюється при новому співвідношенні вихідних шихтових матеріалів.
Багаторічний досвід проведення розрахунків показує, що їх простіше всього вести щодо суми витрат чавуну і брухту на плавку у відносних одиницях. Це дозволяє, незалежно від місткості та конструкції агрегату, вважати, що сума витрат чавуну і брухту на плавку (маса металошихти) становить 100% або 100 кг. Витрати інших матеріалів та вихід продуктів плавки визначаються у відсотках від цієї суми, що рівнозначно масі матеріалів в кілограмах щодо 100 кг металошихти.
Крім того, тепловий баланс плавки зручно складати відносно температури, близької до 0 ° С (0 ± 25 ° С), Це дозволяє знехтувати величинами фізичного тепла матеріалів, що надходять в конвертер з температурою навколишнього середовища, а для хімічних реакцій враховувати стандартні теплові ефекти. При цьому простіше класифікувати будь-яку статтю теплового балансу, тобто відносити її до прибуткову чи видаткову його частини.
Якщо матеріал надходить в конвертер з температурою, що істотно перевищує 0 з С, то він вносить тепло, і фізичне тепло цього матеріалу є прибутковою статтею теплового балансу (наприклад, рідкий чавун). І навпаки, якщо продукт плавки нагрітий до високих температур сталеплавильного процесу, то його фізичне тепло - pa подібна стаття теплового балансу (наприклад, рідка сталь) при розрахунках кількості фізичного тепла до температури матеріалу, так як відраховується від 0 ° С.
Нижче наведено приклад спрощеного розрахунку конвертерної плавки з усіма необхідними поясненнями.
2. Визначення параметрів плавки в кінці продувки
На початку розрахунку необхідно визначити параметри, що характеризують стан ванни рідкого металу в кінці продувки: масу металу, його хімічний склад і температуру.
Приймаємо, що місткість конвертера становить 240 тонн, а це значить, що наприкінці продувки в конвертері маса рідкого металу повинна бути дорівнює 240 тонн. Так як при продувці відбувається окислення елементів металу і неминучі втрати заліза, то вихідна маса металічних матеріалів, з яких отримують сталь (маса чавуну і брухту), повинна бути більша за масу рідкої сталі. Визначення маси кожного з металевих матеріалів, що завантажуються в конвертер, є одним із завдань розрахунку плавки.
Хімічний склад сталі будь-якої марки регламентується стандартами або обмовляється із замовником і повинен відповідати встановленим вимогам. У завданні виплавляється IF-сталь, склад якої наведено в таблиці 1.
Таблиця 1 - Хімічний склад виплавленої марки стали
Марка стали | Масова частка елементів,% | |||||
C | Si | Mn | P | S | ||
не більше | не більше | не більше | не більше | |||
IF | 0,004 | 0,02 | 0,25 | 0,010 | 0,010 | |
Крім того, слід врахувати, що для здійснення безаварійної розливання на машинах безперервного лиття заготовок вміст сірки та фосфору в разливаемом металі не повинно перевищувати 0,025 і 0,015% відповідно.
Відомо, що в класичному киснево-конвертерному процесі кількість брухту, що завантажується на плавку, не перевищує 30% від маси металошихти (зазвичай 22 ... 28%). Це обумовлено тепловим балансом плавки, коли витрата лому як охолоджувача плавки визначається різницею прибуткової і видаткової частин теплового балансу. При подачі холодного дуття знизу частка брухту в шихті зменшується (на 1 ... 5% в залежності від витрати і виду дуття).
У цих умовах вихідна концентрація елементів в металошихти істотно перевищує їх вміст у марочному складі виплавленої сталі. Тому видалення надлишку елементів (в основному вуглецю) є головним завданням окисного рафінування в процесі продувки металу киснем.
Продування бажано припинити тоді, коли досягнуто необхідний вміст вуглецю в металі [С] м. Для IF-сталі це значення не повинно перевищувати 0,004% (за таблицею 1). Але при виплавці сталі в кисневому конвертері такий низький зміст вуглецю отримати неможливо (воно досягається при подальшій ковшевой обробці сталі), тому приймемо середній вміст вуглецю в металі на виході з конвертера дорівнює 0,03%.
При продуванні неможливо уникнути практично повного окислення кремнію і більшої частини марганцю (окислюється на 75 ... 85%). Це означає, що залишкові змісту кремнію і марганцю опиняться в більшості випадків менше необхідних і буде потрібно вводити їх у метал у вигляді спеціальних матеріалів (як правило, феросплавів). При цьому треба враховувати надходження в метал супутніх елементів (у тому числі й вуглецю).
У виробничих умовах, якщо після продувки реальна концентрація вуглецю не відповідає розрахунковим значенням, проводиться корекція; при високій концентрації вуглецю метал додувают, за низької - в метал на випуску вводять містить вуглець, (кокс, графіт та ін.) Однак будь-яка корекція є небажаною, тому що пов'язана з додатковими витратами матеріалів, енергії, часу та праці.
Температура металу в кінці продувки залежить від змісту вуглецю в металі, способу ковшевой обробки та типу розливання, так як це визначає необхідний запас тепла металу для збереження його в рідкому стані аж до розливання останніх порцій металу. Дана температура (t м) дорівнює сумі температури початку затвердіння металу - температури плавлення (t пл) і величини перегріву металу, що враховує втрати тепла від моменту випуску металу до закінчення розливання (t пер):
t м = t пл + t пер.
У цьому випадку температуру плавлення металу можна визначити за формулою:
t пл = 1539 - 80 · [C] м,
де 1539 - температура плавлення чистого заліза, ° С;
[C] м - вміст вуглецю в металі в кінці продувки,%.
Величину перегріву металу можна вибирати в межах, зазначених у таблиці 2.
Таблиця 2 - Величина необхідного перегріву металу в конвертері в Залежно від умов ковшевой обробки і розливання
Умови ковшевой обробки і розливання | Величина перегріву металу |
Розливання у виливниці зверху Розливання у виливниці сифоном Безперервне розливання з попередньою продувкою металу в ковші інертним газом Безперервне розливання з попередніми вакуумуванням металу в ковші Безперервне розливання з комбінованими способами ковшевой обробки металу | 75 ... 85 90 ... 110 100 ... 120 110 ... 130 120 ... 150 |
Для умов прикладу розрахунку [C] M = 0,03%.
Тоді t пл = 1539 - 80.0, 03 = 1536,6 º С.
Приймаються середнє значення перегріву металу, рівним 120 ° С (за таблицею 2). У результаті необхідна температура металу в конвертері в кінці продувки повинна бути:
t м = 1536,6 + 120 = 1656,6 ° C.
Таким чином, в кінці продувки в конвертері необхідно отримати 240 тонн рідкого металу, що містить 0,03% вуглецю і має температуру 1656,6 ° С.
3. Визначення витрати брухту на плавку
Металевий брухт є найважливішим, після рідкого чавуну, вихідним залізовмісних матеріалом конвертерної плавки. Він виконує роль основного охолоджувача процесу окисного рафінування, завдяки якому забезпечується необхідна температура металу. Маса брухту повинна визначатися з умов балансу тепла конвертерної плавки. Надлишок тепла процесу витрачається на переробку еквівалентної маси брухту.
Однак брухт вносить хімічні елементи, які беруть участь в окислювальному рафінуванні, як і елементи чавуну. Тому величина маси брухту використовується на початку розрахунку в рівняннях балансу елементів, а правильність вибору її може бути встановлена тільки в кінці розрахунку при складанні теплового балансу плавки. Критерієм оцінки може служити розраховане значення температури металу.
Для початку розрахунку можна було б вибрати витрата брухту довільно із зазвичай спостерігається на практиці інтервалу значень (20 ... 25%), провести всі розрахунки до визначення температури металу, порівняти її з необхідною і повернутися до початку розрахунку, скоригувати величину витрати брухту та розрахунок повторити. Успіх розрахунку (кратність повторення) залежить від вдалого початкового вибору.
Для швидкого наближення використовують емпіричні співвідношення між масою брухту і різними відомими параметрами плавки. Їх ефективність буде залежати від того, на скільки умови конкретної плавки відповідають умовам, при яких отримані розрахункові залежності. Можна використовувати таку спрощену формулу, отриману за усередненими параметрами для умов Магнітогорського конвертерного цеху, коли брухт є єдиним охолоджувачем:
G л = 17,85 + 4,2 · ([C] ч - 4,0) + 7,6 · ([Si] ч - 0,5) + 0,034 · (t год - 1330) + 17,0 · (0,12 - [С] м) + 0,049 · (1650 - t м),
де G л - Витрата лому на плавку,% (кг/100 кг металошихти);
[С] ч, [Si] ч - відповідно вміст вуглецю і кремнію в чавуні,%;
t ч, t м - відповідно температура чавуну і металу, ° С.
Всі величини, що входять в цю формулу, відомі. Тому:
G л = 17,85 + 4,2 · (4,0-4,0) + 7,6 · (0,6-0,5) + 0,034 · (1400-1330) + 17,0 · (0, 12-0,03) + 0,049 · (1650-1656,6) = 23%.
В якості твердого окислювача, що грає роль додаткового охолоджувача, використовуються окатиші. Оцінимо охолоджуючу здатність цього матеріалу:
σ то = 0,062 · Fe - 0,014 · (FeO) то - 0,633,
де σ то - коефіцієнт еквівалентності твердого окислювача як охолоджувача
по відношенню до лому, кг / кг;
F е - вміст заліза у твердому окислювачі,%;
(FeO) то - зміст FeO в твердому окислювачі,%.
Приймаємо: Fe = 63,0%; (FeO) то = 1,0%.
Тоді σ то = 0,062 · 63,0 - 0,014 · 1,0 - 0,633 = 3,26 кг / кг.
Отже, 1 кг окатишів за охолоджувального ефекту еквівалентний 3,26 кг брухту.
На плавку витрачається 0,6% окатишів (або 0,6 кг на 100 кг металошихти). Значить, витрата брухту повинен бути зменшений відповідно до коефіцієнта еквівалентності на 0,6 · 3,26 = 1,96 кг.
Таким чином, орієнтовний витрата лому на плавку складе:
23 - 1,96 = 21 кг.
4. Розрахунок окислення домішок металевої шихти
Для вирішення цієї задачі спочатку необхідно визначити середній хімічний склад металевої шихти і залишкові вмісту домішок в металі в кінці продувки.
Середній хімічний склад металевої шихти визначаємо відповідно до витратами чавуну і брухту на плавку і їх хімічним складом. Оскільки витрата лому був визначений раніше, то витрата чавуну (G ч) складе:
G ч = 100 - 21 = 79 кг.
Хімічний склад чавуну зазначений у таблиці 3. Оцінимо склад металевого брухту. Очевидно, він залежить від того, відходи яких марок сталей складають брухт. Часто відомості про це носять приблизний характер. Можна вважати, що брухт має хімічний склад, близький до середнього складу сталей, виплавлюваних вітчизняної металургією в найбільшій кількості - низьковуглецевих звичайної якості. У цьому випадку брухт може містити 0,1 ... 0,2% С; 0,20 ... 0,25% Si, 0,4 ... 0,5% М n; менше 0,04% Р і S.
Приймаються (табліца3): [С] л = 0,1%; [Si] л = 0,2%; [Mn] л = 0,5%; [Р] л = 0,04%; [S] л - 0,04%.
Таблиця 3 - Хімічний склад металевих шихтових матеріалів
Матеріал | Масова частка елементів% | ||||
З | Si | Mn | P | S | |
Чавун рідкий Лом металевий | 4, 0 0, 1 | 0, 6 0, 2 | 0, 7 0, 5 | 0, 15 0, 4 | 0, 025 0, 04 |
Слід мати на увазі, що у виробничих умовах разом з рідким чавуном в конвертер потрапляє так званий міксерних шлак. Це та частина доменного шлаку на поверхні чавуну, і матеріал футеровки міксерів (пересувних або стаціонарних), і продукти окислення домішок чавуну, та ін міксерних шлак зазвичай містить багато кислотних оксидів і сірки, а тому є небажаним матеріалом при виробництві сталі.
Технологією виплавки стали передбачається видалення міксерного шлаку з поверхні чавуну перед заливкою його в конвертер. Тим не менше, частина шлаку залишається і бере участь у формуванні конвертерного шлаку. Необхідно враховувати кількість і склад міксерного шлаку при розрахунках плавки. Зазвичай буває відома сумарна маса чавуну і шлаку, так як їх зважують у заливальному ковші загальною масою. Тому кількість міксерного шлаку оцінюють у відсотках до маси чавуну. До видалення шлаку з заливального ковша ця кількість становить 0,5 ... 2,0%, а після його завантаження - 0,2 ... 1,0% до маси чавуну. Для розрахунку приймаємо G мш = 0,5%. Однак будемо враховувати наявність міксерного шлаку тільки при формуванні конвертерного шлаку, нехтуючи його впливом на середній склад металошихти.
Подібне зауваження відноситься і до якості металевого брухту. Лом завжди частково окислений з поверхні і надходить в конвертер з деякою кількістю сміття: піском (основний компонент - SiO 2) і глиною (А l 2 О 3). Окисненість і засміченість брухту оцінюють у відсотках до маси брухту, що складає в межах 0,5 ... 2,0% для кожного. Відносно невеликий витрата лому на плавку дозволяє знехтувати впливом окалини і сміття у брухті при спрощених розрахунках.
З урахуванням цих зауважень розрахунок середнього хімічного складу шихти представлений в таблиці 4.
Визначимо залишковий вміст домішок в металі в кінці продувки. Зміст вуглецю було встановлено раніше: [C] м = 0,03%.
Кремній при виплавці сталі в конвертері з основною футеровкой окислюється практично повністю, тому [Si] м = 0%.
Марганець, фосфор і сірка під час продувки частково видаляються з металу. Ступінь їх видалення залежить від умов ведення плавки (складу шлаку та металу, їх температури) і моменту закінчення продувки. Зазвичай спостерігаються значення ступеня видалення елементів наведені в таблиці 5.
Таблиця 5 - Ступінь видалення елементів (%) з металу за час продувки в кисневому конвертері
Хімічний елемент | Зміст вуглецю в металі в кінці продувки,% | ||