МІНІСТЕРСТВО  ОСВІТИ ТА НАУКИ УКРАЇНИ

ДОНЕЦЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

РОЗРАХУНКОВА  РОБОТА

"ТЕОРІЯ  РОЗЛИВАННЯ ТА КРИСТАЛІЗАЦІЇ  СТАЛІ" 
 
 
 
 
 
 
 

Виконала                                                                      студентка гр. МЧМ-08прис

    Кожухова Е.П. 
 
 
 
 

Перевірив                                              Штепан Е.В. 
 
 
 
 
 
 

Донецьк – 2010

ЗМІСТ

ЗАВДАННЯ

      Для умов обґрунтувати температуру металу перед випуском плавки із плавильного  агрегату в ківш. Передбачити відливання зливків зверху під захисним шаром  шлаку з швидкістю до 2,5 м/хв.

     Сталь марки 19Г виплавлена в мартені і випущена в 300 т ківш з розмірами порожнини Н=4046мм, D=3678 мм.  Тривалість випуску плавки τ_в=14 хв., а продувки аргоном τ_n=5 хв. Сталь розлита в 11 т. зливки а х в х h_з = 850 х 800 х 2950 мм з швидкістю 2 м/хв. Вміст єлементів 0,16 - 0,22 % С; 0,70 - 1,00 % Mn; 0,20 - 0,40 % Si; до 0,04 % S; до 0,04 % Р  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Визначення  температури ліквідус для заданої марки  сталі

      Температура ліквідус для заданого хімічного  складу сталі обчислюється за формулою:

t_лік = 1534 – Σⁿ₁Δt_е                                            (1)

де Σⁿ₁Δt_е – зниження температури ліквідус сталі окремими елементами, які входять до ії складу, ^оС .

Таблиця 1 – Зниження температури ліквідус сталі за  рахунок    вмісту в ній 1%

                    елементу 

      За  вихідними даними для середнього вмісту в ній елементів рахуємо  температуру ліквідус 

t_лік = 1534 – 0,19 ·70-0,85 · 4 - 0,30 · 12 – 0,04 · 30 – 0,03 · 30 =

= 1534 –  22 =1512  ^оС . 

Визначення  втрат температури  металу під час  випуску плавки 

      Під час випуску сталі метал охолоджується  через втрати тепла випромінюванням  Q_в, та конвекцією Q_к · Ці втрати тепла обчислюються за формулами:  

     Q_в = 20,5 F_в · e ·t_в · К_д [(T_м /100)⁴ – ( T_п /100 )⁴]                         (2) 

     Q_к = 9,2 F_к  · t_к  (T_м – T_п )^1,25                               (4)

де F_в=F_к – поверхня струменю та дзеркала метала в ковші, м²; e =0,6 ступінь чорноти металу; ·t_в = t_к=14/60=0,2333 – тривалість теплопередачі, години;  К_д=0,7 – коефіцієнт, що враховує діафрагмування, опромінювання та утворення шлаку в ковші; T_м ,  T_п  - температура металу та повітря, К. Поверхню струменю обчислюємо з урахуванням того, що його діаметр збільшується в два рази проти діаметру сталевипускного отвору.

      Для мартенівської печі діаметр сталевипускного отвору оцінюється за формулою, м:

d_от.м = 0,1 + 0,0003 (М – 100)                                    (5)

d_от.м = 0,1 + 0,0003 (300– 100) = 0,16

В жолобі мартенівської печі поверхня теплопередачі  опромінюванням та конвекцією оцінюється за формулою:

F_ж =  L_ж · b_ж                                                      (6)

      В залежності від місткості мартенівської  печі довжина жолоба  L_ж =1,8-2,5 м, а ширина b_ж =0,4-0,6 м.

F_ж = 2,15·0,5 = 1,075

      Довжина вільно падаючого струменю металу припускається  рівною:

L_с = 0,5 · Н + l                                                   (7)

де Н  – висота порожнини ковша, м; l – довжина вільно падаючого струменю від конвертора (жолоба мартенівської печі) до борту ковша, яка в залежності від місткості агрегату вибирається в межах 0,8-1,5 м.

L_с = 0,5 · 4,046 + 1,2 = 3,223 м

      Поверхня  теплопередачі від струменя обчислюється за формулою:

F_в.с.=  F_к.с. = 2 L_с ·p · d_от                                        (8)

                                         F_в.с.=  F_к.с. =  2 · 3,223· 3,14 · 0,16 + 1,075 = 4,314м²

      Під час випуску металу з мартенівської  печі тепло втрачається ще і на прогрівання футеровки жолоба. При  цьому площа футерівки жолоба на границі з металом обчислюється з урахуванням заповнення його металом  на висоту в межах h=0,1-0,2 м в залежності від місткості печі:

                                                  F_{ф. ж.} = L_ж (b_ж+2h_ж)                                         (9)

      F_{ф. ж.} = 2,15·(0,5+2·0,15) = 1,6

      Поверхня  теплопередачі від дзеркала металу в ковші обраховується за формулою, м²:

F_в.дз.=  F_к.дз. = pD²/4                                             (10) 

де D – діаметр порожнини ковша, м

F_в.дз.=  F_к.дз. = 3,14 · 3,678²/4 = 10,619 м²

      Температуру поверхні струменю металу, враховуючи незначний термін випуску металу, припускаємо рівній температурі  випуску металу. Спочатку її вибираємо  в залежності від вмісту вуглецю  в сталі і способу розливання. Для сталі з вмістом вуглецю 0,19% при розливанні зверху вона складає 1590^оС, або 1863 К.

 Q_{в. с.}= 20,5 · 4,314 · 0,6   · 0,2333 · 0,7 [(1863/100)⁴ –(303/100⁴ ] = 1043147 кДж  

 Q_{к. с.}= 9,2 · 4,314 · 0,2333 (1863 –303)^1,25 = 90779,6кДж    
 

      Зниження  температури струменю металупід час випуску плавки складає:

          Dt_{с. в.} = (Q_{в. с}  + Q_{к. с}) /(С_м · М)                                  (11)

Dt_{с. в.} = (1043147+ 90779,6)/(0,836 · 300000) » 5,9^оС

      Втрати  тепла випромінюванням та конвекцією з дзеркала металу в ковші складають (допускаємо Т_м = 1863 – 5 = 1858 К):

Q_в.дз.= 20,5 · 10,619 · 0,6   · 0,2333 · 0,7 [(1858/100)⁴ –(303/100⁴ ] = 2540254 кДж  

 Q_к.дз.= 9,2 · 10,619 · 0,2333 (1858 –303)^1,25 = 222561,1 кДж  

      Для оцінки втрат тепла на прогрівання  футерівки ковша під час випуску  плавки припускаємо початкову її температуру рівною  t_о = 600 ^оС, тоді ці втрати обчислюються за формулою:

      Поверхня  футерівки днища ковша, як і дзеркала метала за формулою (10)                                                                                                                                                                                                                                          = 10,619 м, а поверхня футерівки стін ковша:

      F_ф.с. = p · D · H = 3,14 · 3,678 · 4,046 = 46,727 м²   

      t_кп – температура поверхні футерівки після контакту з металом обраховується за формулою, ^оС:

                                      (13)

де (з  урахуванням температурного інтервалу) l_ф=4,6 кДж (м · год. К) – теплопровідність шамотної цегли; g_ф = 2600 кг/м³ – щільність шамотної цегли; С_ф= 1,3 кДж/(кг.К) – теплоємність шамотної цегли; l_м=84 кДж/(м. год. К) – теплопровідність рідкої сталі; g_м =7000 кг/м³ – щільність рідкої сталі;

 С_м=  0,836 кДж/(кг.К) – теплоємність рідкої сталі; t - термін контакту металу з футерівкою, години.

Втрати  тепла на прогрівання футерівки  стін ковша під час випуску  плавки складаються (з урахуванням  терміну контакту t=0,5 · t_в): 

      Втрати  тепла на прогрівання футерівки  днища ковша під час випуску  плавки складають: 

      Зниження  температури металу в ковші під  час випуску плавки складає: 

                 Dt_в.к.. = (Q_в.дз.  + Q_к.дз.+ Q_ф.с.в.+ Q_ф.д.в. ) /(С_м · М)                         (14)

Dt_в.к.. = (2540254 + 222561,1 + 1637696 + 526224,4)/(0,836 · 300000) = 19,6^оС

      Загальне  зниження температури металу під час випуску плавки складає:

Dt_вип. = Dt_с.в.. +Dt_вк.. = 5,9 + 19,6 = 25,6 ^оС 

Визначення  зміни температури  металу при розкисленні

  та легуванні сталі в ковші

      При розкисленні сталі та легуванні  в ковші температура сталі  може знижуватись, або підвищуватись  в залежності від теплових ефектів  взаємодії феросплавів з металом. Для розрахунків рекомендується використовувати дані, наведені в  табл.2.

      Таблиця 2 – Зміна температури рідкої сталі в ковші при введенні

                                в неї 1% феросплаву від маси  металу

      Відсоткові  витрати феросплавів обчислюються за формулою:

q = 100 · а/(b · с)                                                 (15)

де а – необхідне підвищення даного елементу в сталі за рахунок введення розкислювачів або легуючих в ківш, %; b – вміст легуючого елемента в феросплаві, %; с – ступінь засвоєння елемента феросплаву металом, яку для кремнію із FeSi припускаємо 0,6, а для марганцю із феромарганцю – 0,7. При обчисленні величини а слід враховувати, що в залежності від вмісту марганцю в чавуні при випуску сталі із мартенівської печі метал вміщує 0,08 – 0,15% Mn. Пов'язано це з тим, що в мартенівській плавці частина марганцю тратиться з шлаком під час його видалення в періоди плавлення та доводки. Звичайно рахують, що кремній в металі під час випуску плавки відсутній.

      Витрати алюмінію для спокійних марок  сталі становлять в межах 500-1500 г/т  сталі.

      Загальна  зміна температури металу за рахунок  розкислення та легування обчислюється за формулою:

Dt_роз. = S(q_i × Dt_м )                                                 (16)

      Потрібні  витрати феросплавів для сталі  марки 19Г складають:

q_FeSi = 100 × 0,27/(50 × 0,6) = 0,90 %

q_FeMn = 100(0,65-0,15)/(72 × 0,7) = 0,99 %

де 0,15% - "свій" марганець.

Dt_роз. = 0,90×9,1 – 0,99 × 12,1 + 0,05 × 68 = - 0,39^оС

      З урахуванням розкислення сталі  загальне зниження температури металу під час випуску плавки складає ×26 ^оС. 

Розрахунок  зміни температури  метала під час  продувки аргоном

      Під час продувки металу в ковші аргоном  протягом t_п зниження температури металу обчислюється за формулою:

Dt_п.о.. = (V_a × C_a × Dt_a) / C_м  +  Dt_п  ×   t_п                               (17)

де V_a » 0,0002 м³/кг – питомі витрати аргону; С_a = 0,932 кДж/(м³К) – теплоємність аргону; Dt_a = t_м – t_оa – підвищення температури аргону при взаємодії з металом, ^оС ;  Dt_п = 1,0-3,5 ^оС /хв. – додаткове зниження температури металу під час продувки аргоном за рахунок підвищення теплопередачі при перемішуванні металу.

Dt_п.о.. =  0,0002 × 0,932 × 1535/0,836 + 2 × 5 = 10,3 ^оС 

Розрахунок  зниження температури  метала в ковші

  під час витримки  і розливки

      Під час витримки металу в ковші і  розливання продовжується акумуляція тепла футерівкою, а також мають  місце витрати тепла через  захисний шар шлаку від дзеркала металу. Для обчислення втрат тепла  під час витримки металу в ковші  і розливання на подальше прогрівання  футерівки спочатку рахують загальні втрати тепла протягом випуску, витримки і розливання, а потім за різницею одержують необхідний результат. Використовується формула (12) з відповідним терміном контакту металу з футерівкою.

      Спочатку  оцінюємо тривалість витримки в ковші  та розливання сталі. Від кінця випуску  плавки до початку розливання в залежності від організації доводки плавки, в тому числі на УДС, метал перебуває  в ковші від 10 до 30 хв. Для відносно простої сталі марки 19Г t_вит = 20 хв. = 0,3333 годин.

      Тривалість  розливання плавки оцінюємо за формулою:

 t_роз  = t_з  ×  n + t_пер(  n –1)                                           (18)

де t_з   - тривалість наповнення виливниці; n  - кількість зливків від плавки;

     t_пер – тривалість переїзду ковша до наступної виливниці.

n = М/М_з = 300/11 » 28                                       (19)

t_з  = h_з /V_р = 2,95/2,0 = 1,48 хв. = 0,0247 годин                    (20)

t_роз  = (1,48 × 28 + 0,4 × 27)/60 = 0,871 години

      Футерівкою  стін ковша протягом всього часу (t_вит+0,5t_в+0,5t_роз) акумулюється тепла: 

     Футерівкою  днища ковша за час контакту з металлом (t_вит + t_в + t_роз) акумулюється тепла:  

      За  час витримки металу в ковші та розливання футеровкою ковша акумулюється тепла:

Q_в.р.= 406784,2+1306269–1637696–526224,4=-450867 кДж

      Втрати  тепла металом через шлак обчислюють за формулою:

Q_ш   =  l_ш × F_ш  ×  Dt_ш ×(t_вит. + t_роз. )/d_ш                           (21)

де l_ш = 4,2 кДж/(м.год.К) – теплопровідність шлаку; F_ш =F_дз. – поверхня шлаку в ковші, м²; Dt_ш =600 ^оС – середній перепад температур шлаку по товщині його шару;  d_ш = 0,10-0,25 – товщина шару теплоізолюючого шлаку, м.

      Q_ш = 4,2  × 10,619× 600 × 1,204/0,15 = 214792,6 кДж

      Зниження  температури металу в ковші під  час витримки і розливання складає:

Dt_вит.+ Dt_розл. = ( Q_в.р.  + Q_ш)/(С_м × М) =                          (22)

(-450867+214792,6)/ (0,836 × 300000) = 0,9 ^оС

Усереднене  загальне зниження температури металу під час випуску та перебування  його в ковші складає:

 SDt_в.р..= Dt_вип.+ Dt_розк..+ Dt_по. + Dt_вит.+ Dt_розл.                        (23)

SDt_в.р= 25,6 + 0,39 + 10,3 + 0,9 » 37,2^оС 

Розрахунок  зниження температури  метала в ковші 

під час відливання зливка

      Втрати  тепла металом впродовж розливання сталі здійснюються струменем, дзеркалом  металу у виливниці та теплопередачею до виливниці.

      Втрати  тепла струменем при наповненні виливниці обчислюються за формулами  типу (3 та 4). Поверхня струменю обчислюється за формулою:

      F_с.р. =2 × p ×d_к (0,5 × h_з + l_р)                                      (24)

де d_к – діаметр каналу сталерозливного стакану, м;  l_р = 0,10-0,15 довжина струменю до зливка, м.

      Діаметр каналу сталерозливного стакана  оцінюємо за формулою:

                                      (25)

0,1034 м

      Вибираємо ближчій до стандартного 105 мм

      F_с.р. = 2 × 3,14 × 0,105(0,5 × 2,95 + 0,12) = 0,1143 м²

      Середню температуру струменю оцінюємо:

Т_с.р. = Т_м - Dt_в.р – 2 = 1863 – 37,2 –2 = 1823,8 К                        (26)

      Втрати  тепла випромінюванням струменю:

Q_в.р.с. = 20,5 × 0,1143 × 0,6 × 0,0247 × 0,7 (18,238⁴ – 3,03⁴) = 2687,4 кДж

      Втрати  тепла конвекцією від струменю:

      Q_к.р.с. = 9,2 × 0,1143 × 0,0247  × 0,7 (1823,8 – 303)^1,25 = 172,7 кДж

      Зниження  температури струменю металу при  наповненні виливниці складає: