Материально-тепловой баланс стали 20

Национальный Исследовательский Технологический Университет

Московский Институт Стали и Сплавов

Кафедра:Металлургии стали и ферросплавов

Дисциплина: «Курсовой проект часть № 2»

Раздел: «Материально-тепловой баланс стали 20»

    Группа: ММЧ-11-2

                                                                 Выполнил: Домов Д.В.

Москва, 2012 г.

Характеристика заданной марки стали и выбор

сталеплавильного агрегата.

1.1.             Назначение и свойства стали 20.

Хим. состав стали, %

Назначение.

Сталь 20 применяется: для изготовления листового проката (лист стальной) 4-14 мм 1-2 категории, предназначенного для холодной штамповки; после нормализации или без термообработки крюков кранов, муфт, вкладышей подшипников и других деталей, работающих при температурах от -40 °С до +450 °С под давлением; после ХТО - для изготовления шестерней, червяков, червячных пар и других деталей, к которым предъявляются требования высокой поверхностной твердости при невысокой прочности сердцевины; холоднокатаных плавниковых труб наружным диаметром 32, 38 и 50 мм, предназначенных для паровых котлов со сверхкритическими параметрами пара; труб перегревателей, коллекторов и трубопроводов котлов высокого давления; цементуемых деталей для длительной и весьма длительной службы при температурах до +350 °С. Сталь 20 используется для изготовления заготовок деталей трубопроводной арматуры; деталей типа донышек, воротниковых фланцев, штуцеров, колец, патрубков, тройников и деталей прямоугольной формы для энергооборудования и трубопроводов с абсолютным давлением свыше 3,9 МПа тепловых электростанций; оборудования и трубопроводов атомных станций (АС); деталей и элементов трубопроводов пара и горячей воды атомных станций (АС), с расчётной температурой среды не выше +350°С при рабочем давлении менее 2,2 МПа (22 кгс/см2); труб для установок химических и нефтехимических производств с условным давлением Ру=19,6-98 МПа (200-1000 кгс/см2); спиральношовных труб с двухсторонним швом для трубопроводов атомных электростанций; труб бесшовных высокого давления (6-10 мм) для топливопроводов дизелей. Сталь 20 необходима для производства горячекатаного профиля, применяемого для  изготовления ободьев колес сельскохозяйственных машин; электросварных труб для изготовления деталей и конструкций в мотовелостроении; трубной заготовки, предназначенной для изготовления труб, паровых котлов, паропроводов и коллекторов с высокими и сверхкритическими параметрами пара; стальных гнутых замкнутых сварных квадратных и прямоугольных профилей, предназначенных для применения в сельскохозяйственном машиностроении, тракторостроении и других отраслях народного хозяйства.

Описание технологии выплавки и внепечной обработки стали.

Выплавка стали 20КТ проводится по одношлаковой технологии (без восстановительного периода) с последующей обработкой на АКП.

Плавка в ДСП состоит из следующих периодов:

1) Заправка печи;

2) Завалка;

3) Период плавления, окислительный период;

4) Выпуск в ковш.

2.1  Заправка печи

Печь работает на “жидком старте”, с оставлением в печи шлака и некоторого количества жидкого металла ( ≈15 т). Периодически, через 100 плавок металл и шлак выпускают полностью. После полного выпуска полупродукта футеровку подины заправляют и торкретируют. Первую плавку в новом цикле проводят на твёрдой завалке.

2.2  Загрузка шихты

Шихта состоит из лома (80%) и  передельного чугуна (20%). В завалку дают известь в количестве 2,5 %  от массы шихты.

В корзине лом укладывают в следующей последовательности: на дно кладут часть мелочи, чтобы защитить подину от ударов тяжёлых кусков лома, затем в центре укладывают крупный лом, а по периферии средний и сверху – оставшийся мелкий лом.

Дно ДСП заполняют передельным чугуном.

Лом загружается в корзину вместимостью 80 т. Шихта подается в печь в два этапа, завалка – 80 т.  и подвалка – 40 т.

2. 3  Плавление

После окончания завалки электроды опускают до касания с шихтой и включают напряжение. Под действием высокой температуры дуг шихта под электродами плавится, жидкий металл стекает вниз, накапливаясь в центральной части подины. Электрод постепенно опускают, проплавляя в шихте “колодец”. В дальнейшем по мере увеличения  количества жидкого металла электроды поднимают, так как автоматические регуляторы поддерживают длину дуг постоянной. Плавление ведут при максимальной мощности.

При зажигании дуг под шихтой включают ТКГ (топливно – кислородные горелки), обеспечивая подвод дополнительной тепловой энергии.

Во время плавления происходит окисление составляющих шихты, формирование шлака, происходит частичное удаление в шлак фосфора. Окисление идёт за счёт кислорода воздуха, кислорода, дополнительно вводимого в печь, окалины и ржавчины, внесенной металлической шихтой. За время плавления полностью окисляется кремний, 40 – 60 % марганца, частично окисляется углерод и железо. В формировании шлака наряду с продуктами окисления (SiO2, MnO, FeO) принимает участие оксид кальция извести. В зоне электрических дуг за время плавления испаряется от 3 до 6 % металла.

2.4 Окислительный период

Во время окислительного периода подают кислород для: а) уменьшения содержание в металле фосфора до 0,01; б) уменьшения содержание в металле водорода и азота; в) нагрева металл до температуры выпуска; г) окисления углерод до нижнего предела его требуемого содержания в выплавляемой стали. Особо важную роль в этом периоде играет процесс окисления углерода, поскольку с образующимися при этом пузырями монооксида углерода удаляют растворённые в металле водород и азот, перемешивают ванну и ускоряют нагрев металла и удаление в шлак фосфора.

После расплавления шихты из печи самотёком удаляют максимальное количество шлака (до 75 – 80 %), берут пробу и начинают продувку ванны кислородом, подаваемым через стеновую фурму. При повышенном содержании фосфора в металле в печь загружают известь и плавиковый шпат в количестве примерно 1 т и продувают кислородом до заданного содержания углерода в металле. После окончания продувки металла кислородом берут пробу, измеряют температуру металла с помощью термопары (Т = 1550 – 1580 оС). При выпуске в ковш предотвращают попадание окислительного шлака, содержащего оксиды железа и фосфора, которые в процессе внепечной обработки будут переходить из шлака в металл. Для создания в ковше шлакового покрова в него загружают известь (75 %) с плавиковым шпатом (25 %). Температура ковша 1000 – 1200 оС [10].

2.5  Выпуск металла

Перед выпуском отбирают пробу металла для проведения химического анализа на содержание основных элементов и требуемую температуру. Проверяют шлаковую чашу и ковш. Для слива металла печь наклоняют примерно на 10 град, затвор открывают, заполняя сталеразливочный ковш. При появлении первых порций шлака затвор закрывают, причем отсечка струи происходит менее, чем за 1 с. Ковш с металлом отводят от печи. Во время выпуска после наполнения 1/3 объема ковша под струю металла вводят ферромарганец ФМн-0,5 и ферросилиций ФС75. Таким образом раскисляют сталь. Далее ковш с металлом транспортируют на АКП. Длительность выпуска 4 мин.

2. 6  Внепечная обработка

Предлагаемый АКП является стендом дугового нагрева ковша, работающим в защитной среде инертного газа при атмосферном давлении с нагревом дугой.

Несущая система обеспечивает доступ к своду, а также безопасность работ в этой зоне, что необходимо по отношению к рабочим отверстиям для:

·аварийной фурмы;

·ввода легирующих;

контроля процесса.

На АКП металл рафинируют и легируют. При выпуске были добавлены ферромарганец, феррохром и ферросилицием. Затем производят десульфурацию силикокальцием СК15 в количестве 0,25 кг/т. Продувают ванну аргоном (qAr = 0,005 м3/т в мин). После вводят ферромарганец ФМн78 и ферросилиций ФС75. Перед окончанием обработки вводят кусковой алюминий в расчёте 0,1 кг на тонну для окончательного раскисления.

Перед транспортировкой ковша на вакууматор берут пробу. Время обработки на установке 20 мин. Температура металла, подаваемого на вакууматор, 1620 – 1650 оС.

Обработке на вакууматоре подлежат ответственные марки стали, имеющие повышенные требования к содержанию вредных примесей и газов.

Основной целью процесса вакуумирования стали является осуществление за один этап обработки в условиях глубокого вакуума практически всех процессов рафинирования металла, включая дегазацию, десульфурацию, обезуглероживание, удаление неметаллических включений, раскисление.

Для проведения вакуумной обработки ковш с металлом устанавливают в одну из двух вакуумных камер, подсоединяют к нему аргонопровод и начинают донную продувку ковша с минимальной интенсивностью. Затем, при помощи тележки, на вакуумную камеру накатывают крышку, после чего включают механические насосы [4].

Набор вакуума осуществляется с небольшой скоростью, во избежание перелива расплава через борт ковша в результате интенсивного вспенивания металла и шлака.  Продолжительность набора вакуума при остаточном давлении в камере 0,5 мм рт. ст. составляет, примерно, 5 мин. После чего производится выдержка стали в условиях глубокого вакуума в течение, примерно, 30 мин. При этом, минимальное остаточное давление в камере достигает 0,3 мм. рт. cт.

По мере набора в камере вакуума, расход аргона на донную продувку ковша увеличивают до 400 – 500 л/мин, с таким расчетом, чтобы в продувочном пятне наблюдалась достаточно интенсивная циркуляция металла, но без кипения.

В процессе вакуумирования в ковш добавляются шлакообразующие материалы. Ввод шлакообразующих производится при помощи механизированной системы подачи материалов, через вакуумный шлюзовый затвор, устновленный на крышке вакуум-камеры.

Интенсивное перемешивание стали и шлака, за счет продувки ковша аргоном, способствует протеканию процессов десульфурации и дегазации. В случае заметалливания донных пробок ковша, подача аргона производится под более высоким давлением.

В процессе выдержки ковша под вакуумом производят отбор проб и замер температуры металла. При необходимости проведения корректировки химического состава стали, в ковш подаются легирующие добавки.

          После достижения заданных параметров процесс вакуумирования заканчивают: прекращается подача аргона, для снятия  вакуума система заполняется азотом, проводится разгерметизация камеры.

Общая продолжительность процесса вакуумирования, в увязке с циклами выплавки и разливки стали, составляет около 35 мин. 

Путём ввода в ковш при помощи трайб-аппарата алюминиевой катанки или проволоки с силикокальцием, производится окончательное раскисление стали.  На поверхность металла засыпается теплоизолирующая смесь. После чего ковш передается на разливку на МНЛЗ [18].

Управление процессом вакуумирования, механизмами и системами вакууматора осуществляется из поста управления.  

После чего ковш передается на разливку на МНЛЗ.

На 5-ти ручьевой криволинейной МНЛЗ производится разливка всей выплавляемой стали. Диаметр непрерывнолитой заготовки 150 – 400 мм.

Расчет металлошихты.

Выплавка стали 20КТ проводится на свежей шихте. Шихту составляют из металлического лома А-3(отходы Ст45) и чугуна. Доля чугуна в шихте 20%. За время окислительного периода и периода плавления должно окислиться 0,6% углерода (для обеспечения дегазации расплава).

Угар железа в период расплавления и окисления составляет 4%.

Присадка легирующих  осуществляется в «ковш-печи».

Расчет легирующих проводим с учетом коэффициента усвоения конкретного элемента. Для определения количества ферросплавов используем выражение (1):

,   (1)

где:

G- масса жидкого металла перед выпуском из печи (готового металла), кг;

А - содержание легирующего элемента в готовом металле, %;

Б – содержание легирующего элемента в металле перед присадкой ферросплава, %;

В – содержание легирующего элемента в ферросплаве, %;

С - коэффициент усвоения легирующего элемента, %.

В завалку даем 2-3% извести. Для успешной дефосфорации рекомендуется иметь основность шлака на уровне 2-3. В окислительный период в ванну присаживают до 2-1,5% извести.

Принимаем следующие коэффициенты усвоения легирующих элементов: Cr – 95%, Mn – 90%, Si – 70%,Ni-99,5. Усвоение железа из чугуна составляет 96%. С учетом этого в готовый металл перейдет железа из чугуна 0,941*30000*0,96=27100 кг или 18,1%.

Таблица 5.

Расход металлошихты на плавку

Таблица 6.

Состав и количество металла после окислительного

периода и периода расплавления

Таблица 7.

Состав легирующих, %

Состав металла перед выпуском:

а)Углерод

[C]м = [C]мар.-(([Mn]мар.- [Mn]м)/0.1)*ΔCф/сFeMn

б)Кремний

[Si]м-следы

в)Марганец

[Mn]+(FeO)=(MnO)+Fe

lgKMn=lg(aMnO/aFeO)·1/[Mn]=6440/T-2.95=6440/1873-2.95=0.488=>КМn=3.07

Gших·[Mn]ших/100=Gм·[Mn]м/100+Gшл·55/71·(MnO)

Заменяя (MnO),получаем

Gших·[Mn]ших/100=Gм·[Mn]м/100+Gшл·55/71·КMn·[Mn]м/100·72/56·(Fe)общ* FeOMnO,

где Gших,Gм,Gшл- количество металлошихты, жидких металла и шлака перед выпуском  ,кг;

    [Mn]ших,[Mn]м - содержание марганца в металлошихте и металле перед выпуском, %;

    (Fe)общ - содержание железа в конечном шлаке;

    FeO,MnO-соответствующие коэффициенты активности в конечном шлаке;

    55,56,71,72-соответственно атомный и молекулярный вес Mn,Fe,MnO и FeO.

t=1670С°

Gм=90кг

Gшл=12кг

В = СаО% /SiО2%=3

Содержание железа в шлаке определяется через основность шлака, содержание углерода в металле и его температуру.              

При В=3:  Si=0.16

lg(FeO/MnO)=2180/Т·Si=2180/1670·0.16=0.21=>

FeO/MnO=1.62

100·0,375/100=90[Mn]м/100+12·55/71·2,51·[Mn]м/100·72/56·14,37·1,62=>

[Mn]м= 0,015%

[С]м=0,09-(1,4-0,0154)*10*0,001=0,076%

г)Фосфор

lgLp=lg(Р)шл/[Р]м=22350/Т-16+2.5lg(Fe)общ+0.08(СаО)=22350/(1670+273)-

-16+2.5lg14.37+0.08·46=2.08=>Lр=134,25; Принимаем  Lр= 90 

(СаО)шл=46%

Gших·[Р]ших/100=Gм·[Р]м/100+Gшл·[Р]шл/100=Gм·[Р]м/100+Gшл·[Р]м/100·Lр

[Р]м=[Р]ших/(Gм/100+Gшл/100·Lр)= 0.01

д)Сера

Gших·[S]ших/100+Gмикс.шл·(S)микс.шл/100=Gм·[S]м/100+Gшл·(S)шл/100

Ls=5                           

Gмикс.шл=0.42кг                 (S)микс.шл=0.3%

[S]м=([S]ших+Gмикс.шл·(S)микс.шл/100)/(Gм/100+Gшл/100·Ls)=(0.026+0.42·

0.3/100)/(90/100+12/100·5)=0.0182     

           Материальный баланс операции.

Приходная часть материального баланса включает расход металлолома, расход извести, расход технического кислорода, количество перешедшей в шлак футеровки, загрязнений металлолома.

2.2.1.        Определение расхода извести и состава конечного шлака.

Общее количество образующегося шлака составляет:

Gшл.=Gок.прим.+Gшл.ок.Fe+Gшл.изв.+Gшл.фут.+Gшл.микс.+Gшл.загр.

Количество окислившихся примесей на 100 кг шихты составляет:

Gшл.ок.прим.= .Si+.Mn+. P,

где-соответствующие стехиометрические коэффициенты пересчета окислившихся примесей в количество образующихся оксидов;

Si, Mn, P-количество окислившихся примесей (см. табл. 2.1).

Gшл.ок.прим=2,14*0,625+1,29*0,36+2,29*0,112=2,06кг.

Количество вводимой извести рассчитаем по формуле:

где  - основность шлака.

Одной из важнейших характеристик шлака является его основность, определяемая как отношение концентраций и :

Основность шлака характеризует его способность к рафинированию стали. Для достижения заданной основности добавляют известь.

       - количество , поступающего в шлак за счет окисления кремния 

шихты, ;

- количество , поступающего в шлак с загрязнениями металлолома, ;

- количество , содержащегося в извести,

- количество , содержащегося в извести, 

Рассчитаем количество , поступающего в шлак:

GSiO2=Gш. [Si] .2.14/100+ Gизв. .(%SiO2)изв./100+ Gм.шл. .(%SiO2)м.шл./100+ + Gзагр.л. .(%SiO2)загр.л./100 = 1,33 + 6,73*3,0/100 + 0,3*65,0/100 + 0,42*48,0/100 + 0,18*3/100 = 1,94 кг/кгшх

Рассчитаем количество , поступающего в шлак:

GCaO=Gизв. .(%CaO)изв./100+ Gм.шл. .(%CaO)м.шл./100+ Gфут. .(%CaO)фут./100 =

= 6,73*84,0/100 + 0,42*23,0/100 + 0,18*34/100 = 5,81 кг/кгшх

Принимаем, что 80% железа окисляется до FeO , 20% до Fe2O3.

(FeO)=(Fe)общ...0,8=15,06..0,8= 15,43%

(Fe2O3)=(Fe)общ...0,2=15,06..0,2= 4,31%

Для определения общего количества образующегося шлака и его состава необходимо составить таблицу.

Таблица 2.2.

Количество и состав шлака.