Металлургия чугуна

 

РЕФЕРАТ

 

Пояснительная записка содержит 21страницу, 8 таблиц, 3 литературных источника отечественных авторов.

В   курсовой   работе   выполнен   расчет   потребности   в   агломерате, окатышах, известняке и коске для выплавки чугуна заданной марки, определен состав шлака и его вязкость, а также содержание серы в чугуне. Расчетами установлено, что полученный состав шлака, как по вязкости, так и по обессеривающей способности, удовлетворяет требованиям нормального доменного процесса, а полученный состав чугуна соответствует передельному чугуну П1 по ГОСТ 805 – 80.

 

 

 

ВВЕДЕНИЕ

Цель доменного производства состоит  в получении чугуна из железных руд  путем их переработки в доменных печах. Сырыми материалами доменной плавки являются топливо, железные и  марганцевые руды и флюс.

Топливом для доменной плавки служит кокс, получаемый из каменного угля. Его роль состоит в обеспечении  процесса теплом и восстановительной  энергией. Кроме того, кокс разрыхляет столб шихтовых материалов и облегчает  прохождение газового потока в шихте  доменной печи.

Железные руды вносят в доменную печь химически связанное с другими  элементами железо. Восстанавливаясь и науглероживаясь в печи, железо переходит в чугун. С марганцевой  рудой в доменную печь вносится марганец для получения чугуна требуемого состава.

Флюсом называются добавки, загружаемые  в доменную печь для понижения  температуры плавления пустой породы руды, офлюсования золы кокса и  придания шлаку требуемых технологией  выплавки чугуна физико-химических свойств. Для руд с кремнеземистой (кислой) пустой породой в качестве флюса  используют материалы, содержащие оксиды кальция и магния: известняк и  доломитизированный известняк.

Расчет доменной шихты заключается  в определении удельных расходов ее компонентов (агломерата, окатышей, железных руд, флюсов, добавок топлива) для получения заданного состава  чугуна и шлака.

В результате расчетов определяется удельный расход дутья, выход и состав колошникового газа и шлака, возможно определение его свойств.

Целью настоящей курсовой работы является формирование навыков самостоятельного выполнения и анализа результатов технологических расчетов, которые потребуются для определения объемов поставки шихтовых материалов, выбора основного и вспомогательного оборудования всего комплекса доменной печи и прогнозирования стоимости получаемого материала.

 

Для достижения  поставленной  цели  необходимо решить  следующие задачи:

    • рассчитать  потребность  в  агломерате,  окатышах,   известняке  и коксе для выплавки чугуна заданной марки;
  • определить количество, состав шлака и его вязкость;
  • определить содержание серы в чугуне.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Выбор исходных данных 1.1.Состав чугуна

В настоящее время в доменной печи выплавляются следующие виды чугунов: передельные (чугуны, подлежащие переделу их в сталь), литейные (служат для производства отливок) и специальные. К специальным чугунам относятся так называемые доменные ферросплавы: ферросилиций, ферромарганец, феррофосфор и т.д. Производство литейных и, особенно, специальных чугунов сопряжено с высоким удельным расходом дефицитного и дорогого кокса и поэтому неэкономично. Требуемый состав чугуна представлен в таблице 1.

Состав чугуна, мас. %          Таблица 1.

Марка чугуна

Si

Мn

Р

S

П1

0,9

<1,5

<0,1

<0,05


 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.2. Химический состав  шихтовых материалов

Требуемый химический состав шихтовых материалов представлен в таблице 2.

Химические составы  шихтовых материалов, мас.%     Таблица 2.

Доля материала

Материал

Fe

Мп

S

Р

Fe2О3

FeO

CaO

SiO2

Al2O3

MgO

MnO

SO3

ПМПП

XO

P2О5

50%

Агломерат

58,3

0

0,01

0,01

66,29

15,3

8,2

6,57

1,1

2,5

0

0,08

-

-

0,02

50%

Окатыши

59,05

0,05

0,01

0,01

82,97

1,25

4,85

10,29

0,15

0,39

0,06

0,02

-

-

0,02

X

ЖРМ

58,67

0,025

0,01

0,01

74,63

8,27

6,525

8,43

0,625

1,44

0,03

0,05

-

-

0,02

У

Известняк

0,52

    

0,01

0,74

  

54,77

0,54

0,44

0,3

  

0,02

42,63

-

0,03

А

Зола кокса

5,25

    

0,85

7,5

  

5,1

55,7

26,1

      

-

3,65

  

 

 

1.3. Технический состав  кокса

Для   осуществления   доменного   передела   необходимо   использовать твердое топливо - кокс. Технический  состав кокса представлен в таблице 3.

Технический состав кокса, мас.%       Таблица 3.

 

Зола

Летучие

Сера

Снел

12

1

0,8

86,2


 

 

1.4. Выбор удельного расхода  кокса

Определение удельного  расхода кокса требует очень  сложных расчетов. Это связано с тем, что расход кокса определяется как свойствами железорудного сырья, так и самого топлива, составом. Количеством и другими параметрами газовой фазы, распределением материалов и газов в доменной печи, параметрами дутья (его составом, температурой и влажностью), наличием топливных добавок, состоянием печи (толщиной огнеупорной кладки, системой охлаждения и т.д.).

Ориентировочно удельный расход кокса можно определить по базовому варианту плавки в конкретных технологических условиях с последующей его корректировкой по отличию важнейших технологических факторов от базового варианта. Удельный расход кокса (в кг/т чугуна) для конкретных условий доменной плавки можно найти по уравнению:

К = 434 0,9(m-138) + 0,12(1109-tд) + 5,21(57,5-Feжрм) + 52,1([Si]-0,66) + +5,64(A-11,1) + l,3(Sk-0,48)  

где m - расход природного газа, м3/т чугуна;

tд – температура дутья, °С;

Feжрм – содержание железа в железорудном материале, мас.%;

[Si] – содержание кремния в чугуне, мас.%;

А – содержание золы в коксе, мас.%;

Sk – содержание серы в коксе, мас.%.

В соответствии с заданием на выполнение работы: m - 120 м3/т;

tд = 1000°С;

Feжрм =58,675%;

Si = 0,6%;

А =12%;

Sk =0,8%.

К = 434 - 0,9(120-138) + 0,12(1109-1000) + 5,21(57,5-58,675) + 52,1(0,6-0,66) + + 5,64(12-11,1)+ 1,3(0,8-0,48) = 459,524 кг/т чугуна.

 

1.5. Выбор основности шлака

Под основностью шлака понимается отношение содержания основных оксидов  в шлаке (CaO, MgO, MnO, FeO...) к кислым (SiO2 , а также Al2O3 ). Чаще всего для характеристики основности доменного шлака применяется значение (CaO/ SiO2), величина которого в реальных условиях меняется от 0,9 до 1,3

Основность шлака в соответствии с заданием составляет 1,15.

 

1.6. Улетучивание элементов,  их разделение между чугуном  и шлаком

Для расчета состава чугуна и  шлака необходимо иметь данные о  потерях элементов от улетучивания, а также о распределении их между чугуном и шлаком. Такие  данные приведены в таблице 4.

Потери элементов от улетучивания (λ),                                                     переход элементов в чугун (η) и шлак (μ), кг/кг              Таблица 4.

Элемент

Степень улетучивания (λ)

Из оставшегося переходит, кг/кг

 

 

В чугун (η)

В шлак (μ)

Железо

-

0,999

0,001

Марганец

-

0,75

0,25

Фосфор

-

1

0

Сера

0,2

-

-


 

 

1.7. Ориентировочный состав  чугуна

Для   выполнения   расчета  доменных   шихт   необходимо   определить ориентировочный состав чугуна, который будет уточнен  впоследствии.

Пренебрегая  количеством железа,  вносимым  в  печь золой кокса  и флюсом,  а также принимая степень перехода железа равной единице, расход железорудного сырья (Ржрм) определим из уравнения:

Ржрм=10[Fe]/0.01Feжрм,

где [Fe], Feжрм, - соответственно содержание железа в чугуне и в железорудном материале, мас.%.

Определим расход железорудного сырья:

Ржрм = 10*94 / 0,01*58,675 = 1602,05 кг/т.

Ориентировочное    содержание    марганца    и    фосфора    в    чугуне определяется из уравнений.

[Мn] = 0.001РжрмMnжрмηMn

[Р] = 0.001РжрмРжрмηP,

где Mnжрм, Ржрм - содержание соответствующих элементов в железорудном материале, мас.%;

ηMn, ηP степень перехода соответствующих элементов в чугун, кг/кг.

Определим ориентировочное содержание марганца и фосфора в чугуне:

[Мn] = 0,001*1602,05*0,025*0,75 = 0,03%

[Р] = 0,001*1602,05*0,01*1 = 0,016%

Что касается содержания углерода, то в передельном чугуне его нужно  принимать в пределах 4,5-4,9 мас.%, примем 4,5 мас.%.

Содержание серы в чугуне определяется ее массой, пришедшей в печь, свойствами шлака (его основностью и температурой) и удельным выходом шлака. На стадии предварительных расчетов содержание серы в чугуне задается, а впоследствии уточняется. При доменной плавке на малосернистых коксах (с содержанием серы в коксе не более 0,5 - 0,7%), подготовленном железорудном сырье, шлаках основностью (CaO/Si02) в пределах 1,00 - 1,17 содержание серы в чугуне можно принять равным 0.02 - 0.03 %, примем 0,02%.

Ориентировочный состав чугуна, маc.%        Таблица 5.

Si

S

C

Мn

Р

Fe*

0,8

0,02

4,5

0,03

0,016

94,64


*Содержание железа в чугуне определено вычитанием из 100% суммы всех других элементов.

После выбора исходных данных следует непосредственное выполнение расчетов.

 

2. Выполнение  расчетов

2.1. Определение удельного расхода  материалов

Для определения удельных расходов железорудного сырья, а также  известняка (или любого другого флюса) необходимо составить систему из двух уравнений - по балансу железа и по основности шлака.

Обозначим:

X - расход железорудного материала, кг/т чугуна;

У - расход флюса, кг/т чугуна.

Уравнение по балансу железа:

0,01(X*Feжрм +0,01*К*А* Feзк +Y* Feиз) = 10[Fe]/ηFe

Уравнение по основности шлака:

 

0,01*(X*CaO(жрм)+0,01*K*A*CaO(зк)+Y*CaO(из))


0,01*(X*SiO2(жрм)+0,01*K*A*SiO2(зк)+Y*SiO2(из))-21,4*[Si]




 

=В,

 
где Feжрм, Feзк, Feиз - содержание железа в железорудном материале, золе кокса и известняке, мас.%;


СаОжрм, СаОзк, СаОиз, SiО2жрм, SiО2зк, SiО2из – содержание оксидов в железорудном материале, золе кокса и известняке, мас.%;

К - удельный расход кокса;

[Fe], [Si] - содержание железа и кремния в чугуне, мас.%;

А - содержание золы в коксе, мас.%;

В - Основность шлака, кг/кг.

Итоги расчетов:

X = 1608,6 кг/т чугуна;

Y = 116,7 кг/т чугуна.

 

 

 

2.2. Определение состава чугуна

Количество таких элементов  в чугуне, как железо, марганец, фосфор, титан, медь, хром, никель, определяются по их содержанию в шихтовых материалах и степени их перехода в чугун.

Найдем  массу железа, переходящего в чугун:

[Fe]=0,01*(X*Feжрм + 0,01*K*A*Feзк+Y*Feu)* ηFe , кг/т чугуна

[Fe]=0,01(1608,6*58,675 + 0,01*459,5*12*5,25 + 116,7*0,52)*0,999 = 944,4 кг/т.

Массы марганца, переходящего в чугун:

[Mn]=0,01*Х *Mnжрм *ηMn , кг/т чугуна;

[Mn]=0,01(1608,6*0,025)*0,75 = 0,301 кг/т чугуна;

Массы фосфора, переходящих  в чугун:

 [P]=0,01(Х*Ржрм + 0,01*К*А*Рзк + Y*Рu)* ηР , кг/т чугуна.

 [P]=0,01(1608,6*0,01 + 0,01*459,5*12*0,85 + 116,7*0,01)*1 = 0,64 кг/т чугуна.

Расчетные данные сведены  в таблицу 6.

Расчетный состав чугуна          Таблица 6.

 

Содержание элементов

Si

Мn

Р

S

C

Fe

кг/т чугуна

8

0,30

0,64

0,2

44,45

946,4

мас.%

0,8

0,03

0,064

0,02

4,44

94,64


*Содержание углерода в чугуне скорректировано путем вычитания из 1000 кг суммы всех остальных элементов:

С = 1000 - (8 + 0,3 + 0,64 + 0,3 + 946,4) = 44,45 кг/т чугуна. 

 

2.3. Определение удельного  выхода шлака и его состава.

Шлак образуется в результате плавления  пустой породы железорудного сырья, флюса, к которым впоследствии (при  сгорании кокса в фурменном очаге) присоединяется зола кокса. Одни оксиды при доменной плавке полностью переходят  в шлак (CaO, MgO, А12О3), другие - в подавляющей массе (SiО2, ТiO2), и, наконец, легковосстановимые оксиды переходят в шлак в небольшом количестве (оксиды Fe, Мп, V,...). (1)

Массы оксидов кальция, магния и  алюминия, поступившие в печь и полностью переходящие в шлак, рассчитываются следующим образом:

РМеО = 0,01(Х*МеОжрм + 0,01 *К*А*МеОзк + Y*МеОиз), кг/т чугуна     

где МеО  – содержание соответствующего оксида, мас. %.

РСаО = 0,01(1608,6*6,525+0,01*459,5*12*5,1 +116,7*54,77) = 171,69 кг/т чугуна;

РМgО = 0,01(1608,6*1,445 + 116,7*0,3) = 23,6 кг/т чугуна;

PAl2O3=0,01(1608,6*0,625 + 0,01*459,5*12*26,1 + 116,7*0,44) = 24,96 кг/т чугуна;

Переход оксида кремния  в шлак:

РSiО2 = 0,01(Х*SiО2 + 0,01 *К*А* SiО2 + Y* SiО2)-10*[Si]*2,14, кг/т чугуна

PSiO2= 0,01(1608,6*8, 43+0,01*459,5*12*55,7+116,7*0,54)-10*0,6*2,14 =154,11кг/т;

Основность шлака:

PСаО/PSiO2= 171,69/154,11= 1,11

Масса оксидов  железа, марганца определяется их массой, внесенной в печь, и степенью их перехода в шлак:

РFeO = (946,4/ 0,999)*0,001 *(72/56) = 1,22 кг/т чугуна;

РMnO = (0,3/ 0,75)*0,25*(71/55) = 0,13 кг/т чугуна.

Из-за   неполной   информации   по   химическому   составу   шихтовых материалов принято недостающие  до 100 % оксида (обозначено через "Х0") считать полностью переходящими в шлак. Масса таких шлакообразующих  будет равна:

Рхо = 0,01(0,01*К*А*3,65) , кг/т чугуна

Рхо = 0,01(0,01*459,5*12*3,65) = 2,01 кг/т чугуна.

Для   того   чтобы   определить   массу   серы,   переходящей   в   шлак, необходимо рассчитать приход ее с шихтовыми материалами и  вычесть из него количество остающейся серы в чугуне и массу серы, улетучивающейся  с колошниковым газом:

Ps = (0,01(Х*Sжрм + K*Sk))*(l-λs) - 10*[S],

где X - расход железорудного материала, кг/т чугуна;

  Y - расход флюса, кг/т чугуна.

Sжрм - содержание серы в железорудном материале, мас.%;

Sk - содержание серы в коксе, мас.%;

λs - степень улетучивания серы, кг/кг;

[S] - содержание серы в чугуне, мас.%.

Ps = (0,01(1608,6*0,01 + 459,5*0,8))*(1-0,2) - 10*0,2 = 1,07 кг/т чугуна.

Расчетные данные сведены в таблицу 7.

Масса и содержание оксидов  в шлаке                                                               Таблица 7.

 

Показатель

СаО

SiO2

А12O3

MgO

FeO

MnO

S

XO

Всего

Уд. выход шлака, кг/т чугуна

171,7

154,11

24,96

23,6

1,22

0,13

1,07

2,01

378,78

Содерж.

шлака,

мас.%

45,3

40,7

6,59

6,23

0,32

0,03

0,3

0,53

100


Полученный расчетный  состав шлака необходимо проанализировать с целью пригодности его к реальной доменной плавке. Необходимо определить температуру плавления шлака, его вязкость при рабочих температурах горна печи, уточнить полученную основность шлака, а также скорректировать заданное ранее содержание серы в чугуне.

Температура плавления шлака и  его вязкость определяются по диаграммам состояния тройной системы CaO*SiО2*Al2О3 после пересчета состава шлака на три оксида: CaO, Si02, А12О3.

Аналитический расчет вязкости шлака при температуре 1500°С с определенными погрешностями может быть произведен по следующему уравнению:

η1500 = 0,01[1,63*(СаО)'+0,14*(SiO2)'+1,17*(А12О3)' –127*((СаО)'/(SiО2)') + +40,9*((СаО)'/(Si02)')2],

где η1500- вязкость шлака при температуре 1500°С, Па*с;

(CaO)', (Si02)' - содержание соответствующих оксидов в шлаке в трехкомпонентной системе CaO•SiО2•Al2О3, мас.%;

Сумма оксидов CaO, SiО2, А12О3 в шлаке равна:

45,32 + 40,68 + 6,6 = 92,6%

Содержание  соответствующих оксидов в трехкомпонентной системе CaO•SiО2•Al2О3составит:

(СаО)′= (45,32* 100)/92,6 = 48,95%;

(SiO2)' = (40,7* 100)/92,6 = 43,93%;

(А12O3)' = (6,6*100)/92,6 = 7,11%.

Определим вязкость шлака при температуре 1500°С:

η1500 = 0,01[1,63*48,95 + 0,14*43,95 + 1,17*7,11 - 127*(48,95/43,93) + 40,9*(48,95/43,94)2 ] = 0,35 Па•с.

Нормальному шлаковому режиму доменной плавки соответствует вязкость в  пределах 0,3 - 0,7 Па•с. Возрастание вязкости шлака свыше 0,7 - 0,9 Па•с сопровождается затруднением в выпуске его из печи, ухудшением газодинамического режима плавки, затруднениями в процессах десульфурации чугуна. При дальнейшем росте вязкости шлака доменная плавка становится невозможной.

Для корректировки содержания серы в чугуне необходимо произвести расчет показателя (коэффициента) распределения  серы между шлаком и чугуном (Ls). Строгий аналитический расчет этого показателя невозможен. Имеющиеся в специальной литературе графические зависимости Ls от основности шлака и его температуры позволяют описать такую зависимость эмпирическим уравнением:

Ls = 9,3*[Si] + 113*((СаО)/ (SiО2)) - 103,

где [Si] - содержание кремния в чугуне, мас.%;

СаО, SiО2 - содержание оксидов в шлаке, мас.%.

Ls = 9,3*0,8+ 113*1,11- 103 = 29,87.

По найденному значению Ls скорректированное содержание серы равно:

[S] = (0,01(X*S+K*SK )*(1- λS))/(10+0,01*LS*U), мас.%.

где U - удельный выход шлака, кг/т чугуна.

[S] = (0,01(1608,6*0,01 + 459,5*0,8)*(1-0,2))/(10+0,01* 29,87*378,78) = 0,024%,

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

  1. В результате расчёта шихты доменной плавки чугуна определены удельные расходы кокса, железорудных материалов и флюса.
  2. Полученный расчетный состав шлака как по вязкости (η1500 =0,35 Па•с), так и по обессеривающей способности, удовлетворяет требованиям нормального доменного процесса.

 Полученный  состав чугуна                                                            Таблица 8

Сод. эл-ов

Fe

Mn

Si

C

P

S

мас. %

94,64

0,03

0,8

4,44

0,06

0,02


 

соответствует передельному чугуну марки  П1 по ГОСТ 805 - 80.

  1. Использование 50% череповецкого агломерата и 50% михайловских окатышей с общим соотношением СаО / SiО2 = 1,11 позволило снизить удельный расход известняка для получения шлака заданной основности. Снижение использования известняка позволяет избежать дополнительных тепловых затрат на диссоциацию карбоната кальция.
  1. Использование малосернистого кокса и железорудного сырья, в сочетании с оптимальными физико-химическими свойствами шлака и температурой, процесса даёт возможность получения чугуна с содержанием серы 0,024 мас.%.

 

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

  1. Доменное производство: Справочное издание. В 2 томах. / Под ред.Е.Ф.Вегмана.-М.:Металлургия. 1989- 496с.
  2. Металлургия чугуна: Учебник для вузов. 3-е изд. Перераб. и доп./Под. Ред. Ю.С. Юсфина.- М.: ИКЦ «Академкнига», 2004 - 774с.
  3. Шумаков Н.С., Леонтьев ЛИ. Сырые материалы и топливо для доменной плавки. Учебное пособие. Екатеринбург: УГТУ-УПИ. 1994-84с.

 


Металлургия чугуна 📙 Курсовая → 🆔 125589

Металлургия чугуна 📙 Курсовая → 🆔 125589

Металлургия чугуна