Расчет шихты и шлака для выплавки чугуна марки КЧ 65-3 в дуговой электропечи
Министерство образования и науки Российской Федерации
Федеральное агентство по образованию
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
Магнитогорский государственный технический университет
им. Г. И. Носова
Кафедра электрометаллургии и литейного производства
Курсовая работа по дисциплине
“Производство отливок из чугуна”
Выполнил студент:
Группы МЛ-04-2 Пахомов Е.С.
Проверил:
Профессор, д.т.н. Вдовин К.Н.
Магнитогорск
2007
Задание
Выполнить расчет шихты и шлака для выплавки чугуна марки КЧ 65-3 в дуговой электропечи.
Реферат
Ключевые слова: ковкий чугун, лом, передельный чугун, шихта, возврат, шлак, выход годного и т.д.
Курсовая работа состоит из 23 страниц, 1 рисунка, 4 таблиц и 2 использованных источников. Рассчитали шихту и шлак для выплавки ковкого чугуна марки КЧ 65-3 в дуговой электропечи.
СОДЕРЖАНИЕ
Введение…………………………………………………………
1 Оборудование дуговой печи……………
2 Конструктивная схема дуговой печи, основы плавки………………………...12
3 Расчет шихты ……………………………………………………………………17
4 Расчет шлака …………………………………………………………………….22
5 Расчет выхода годного металла ………………………………………………..24
Список использованных источников……………………………………………..
Введение
В процессе электроплавки можно точно регулировать температуру металла и его состав, выплавлять сплавы почти любого состава.
Электрические печи обладают существенными преимуществами по сравнению с другими сталеплавильными агрегатами, поэтому высоколегированные инструментальные сплавы, нержавеющие шарикоподшипниковые, жаростойкие и жаропрочные, а также многие конструкционные стали выплавляют только в этих печах.
Мощные электропечи успешно применяют для получения низколегированных и высокоуглеродистых сталей мартеновского сортамента. Кроме того, в электропечах получают различные ферросплавы, представляющие собой сплавы железа с элементами, которые необходимо выводить в сталь для легирования и раскисления.
Устройство дуговых электропечей.
Первая дуговая электропечь в России была установлена в 1910 г. на Обуховском заводе. За годы пятилеток были построены сотни различных печей. Вместимость наиболее крупной печи в СССР 200 т. Печь состоит из железного кожуха цилиндрической формы со сферическим днищем. Внутри кожух имеет огнеупорную футеровку. Плавильное пространство печи закрывается съемным сводом.
Печь имеет рабочее окно и выпускное отверстие со сливным желобом. Питание печи осуществляется трехфазным переменным током. Нагрев и плавление металла осуществляются электрическими мощными дугами, горящими между концами трех электродов и металлом, находящимся в печи. Печь опирается на два опорных сектора, перекатывающихся по станине. Наклон печи в сторону выпуска и рабочего окна осуществляется при помощи реечного механизма. Перед загрузкой печи свод, подвешенный на цепях, поднимают к порталу, затем портал со сводом и электродами отворачивается в сторону сливного желоба и печь загружают бадьей.
Подготовка материалов к плавке.
Все присадки в дуговые печи необходимо прокаливать для удаления следов масла и влаги. Это предотвращает насыщение стали водородом. Ферросплавы подогревают для ускорения их проплавления. Присадка легирующих, раскислителей и шлакообразующих в современной печи во многом механизирована. На бункерной эстакаде при помощи конвейеров происходит взвешивание и раздача материалов по мульдам, которые загружаются в печь мульдовыми машинами. Сыпучие для наводки шлака вводят в электропечи бросательными машинами.
Технология плавки.
Плавка в дуговой печи начинается с заправки печи. Жидкоподвижные нагретые шлаки сильно разъедают футеровку, которая может быть повреждена и при загрузке. Если подина печи во время не будет закрыта слоем жидкого металла и шлака, то она может быть повреждена дугами. Поэтому перед началом плавки производят ремонт – заправку подины. Перед заправкой с поверхности подины удаляют остатки шлака и металла. На поврежденные места подины и откосов – места перехода подины в стены печи – забрасывают сухой магнезитовый порошок, а в случае больших повреждений – порошок с добавкой пека или смолы.
Заправку производят заправочной машиной, выбрасывающей через. насадку при помощи сжатого воздуха заправочные материалы, или, разбрасывающей материалы по окружности с быстро вращающегося диска, который опускается в открытую печь сверху.
1 Оборудование дуговой печи.
Механическое оборудование дуговой печи.
Кожух печи должен выдерживать нагрузку от массы огнеупоров и металла. Его делают сварным из листового железа толщиной 16–50 мм в зависимости от размеров печи. Форма кожуха определяет профиль рабочего пространства дуговой электропечи. Наиболее распространенным в настоящее время является кожух конической формы. Нижняя часть кожуха имеет форму цилиндра, верхняя часть — конусообразная с расширением кверху. Такая форма кожуха облегчает заправку печи огнеупорным материалом, наклонные стены увеличивают стойкость кладки, так как она дальше расположена от электрических дуг. Используют также кожухи цилиндрической формы с водоохлаждаемыми панелями. Для сохранения правильной цилиндрической формы кожух усиливается ребрами и кольцами жесткости. Днище кожуха обычно выполняется сферическим, что обеспечивает наибольшую прочность кожуха и минимальную массу кладки. Днище выполняют из немагнитной стали для установки под печью электромагнитного перемешивающего устройства.
Сверху печь закрыта сводом. Свод набирают из огнеупорного кирпича в металлическом водоохлаждаемом сводовом кольце, которое выдерживает распирающие усилия арочного сферического свода В нижней части кольца имеется выступ – нож, который входит в песчаный затвор кожуха печи. В кирпичной кладке свода оставляют три отверстия для электродов. Диаметр отверстий больше диаметра электрода, поэтому во время плавки в зазор устремляются горячие газы, которые разрушают электрод и выносят тепло из печи. Для предотвращения этого на своде устанавливают холодильники или экономайзеры, служащие для уплотнения электродных отверстий и для охлаждения кладки свода. Газодинамические экономайзеры обеспечивают уплотнение с помощью воздушной завесы вокруг электрода. В своде имеется также отверстие для отсоса запыленных газов и отверстие для кислородной фурмы.
Для загрузки шихты в печи небольшой емкости и подгрузки легирующих и флюсов в крупные, печи скачивания шлака, осмотра, заправки и ремонта печи имеется загрузочное окно, обрамленное литой рамой. К раме крепятся направляющие, по которым скользит заслонка. Заслонку футеруют огнеупорным кирпичом. Для подъема заслонки используют пневматический, гидравлический или электромеханический привод.
С противоположной стороны кожух имеет окно для выпуска жидкого металла из печи. К окну приварен сливной желоб. Отверстие для выпуска стали может быть круглым диаметром 120—150 мм или квадратным 150 на 250 мм. Сливной желоб имеет корытообразное сечение и приварен к кожуху под углом 10—12° к горизонтали. Изнутри желоб футеруют шамотным кирпичом, длина его составляет 1—2 м.
Электрододержатели служат для подвода тока к электродам и для зажима электродов. Головки электрододержателей делают из бронзы или стали и охлаждают водой, так как они сильно нагреваются как теплом из печи, так и контактными токами. Электрододержатель должен плотно зажимать электрод и иметь небольшое контактное сопротивление. Наиболее распространенным в настоящее время является пружинно-пневматический электрододержатель. Зажим электрода осуществляется при помощи неподвижного кольца и зажимной плиты, которая прижимается к электроду пружиной. Отжатие плиты от электрода и сжатие пружины происходят при помощи сжатого воздуха. Электрододержатель крепится на металлическом рукаве – консоли, который скрепляется с Г-образной подвижной стойкой в одну жесткую конструкцию. Стойка может перемещаться вверх или вниз внутри неподвижной коробчатой стойки. Три неподвижные стойки жестко связаны в одну общую конструкцию, которая покоится на платформе опорной люльки печи. Перемещение подвижных телескопических стоек происходит или с помощью системы тросов и противовесов, приводимых в движение электродвигателями, или с помощью гидравлических устройств. Механизмы перемещения электродов должны обеспечить быстрый подъем электродов в случае обвала шихты в процессе плавления, а также плавное опускание электродов во избежание их погружения в металл или ударов о нерасплавившиеся куски шихты. Скорость подъема электродов составляет 2,5—6,0 м/мин, скорость опускания 1,0— 2,0 м/мин.
Механизм наклона печи должен плавно наклонять печь в сторону выпускного отверстия на угол 40—45° для выпуска стали и на угол 10—15 градусов в сторону рабочего окна для спуска шлака. Станина печи, или люлька, на которой установлен корпус, опирается на два – четыре опорных сектора, которые перекатываются по горизонтальным направляющим. В секторах имеются отверстия, а в направляющих – зубцы, при помощи которых предотвращается проскальзывание секторов при наклоне печи. Наклон печи осуществляется при помощи рейки и зубчатого механизма или гидравлическим приводом. Два цилиндра укреплены на неподвижных опорах фундамента, а штоки шарнирно связаны с опорными секторами люльки печи.
Система загрузки печи бывает двух видов: через завалочное окно мульдозавалочной машиной и через верх при помощи бадьи. Загрузку через окно применяют только на небольших печах.
При загрузке печи сверху в один-два приема в течение 5 мин меньше охлаждается футеровка, сокращается время плавки; уменьшается расход электроэнергии; эффективнее используется объем печи.
Электрооборудование.
Рабочее напряжение электродуговых печей составляет 100 – 800 В, а сила тока измеряется десятками тысяч ампер. Мощность отдельной установки может достигать 50 – 140 МВ*А. К подстанции электросталеплавильного цеха подают ток напряжением до 110 кВ. Высоким напряжением питаются первичные обмотки печных трансформаторов. В электрическое оборудование дуговой печи входят следующие приборы:
1. Воздушный разъединитель, предназначен
для отключения всей электропеч
2. Главный автоматический
3. Печной трансформатор
Участок электрической сети от трансформатора до электродов называется короткой сетью. Выходящие из стены трансформаторной подстанции фидеры при помощи гибких, водоохлаждаемых кабелей подают напряжение на электрододержатель. Длина гибкого участка должна позволять производить нужный наклон печи и отворачивать свод для загрузки. Гибкие кабели соединяются с медными водоохлаждаемыми шинами, установленными на рукавах электрододержателей. Трубошины непосредственно присоединены к головке электрододержателя, зажимающей электрод. Помимо указанных основных узлов электрической сети в нее входит различная измерительная аппаратура, подсоединяемая к линиям тока через трансформаторы тока или напряжения, а также приборы автоматического регулирования процесса плавки.
Автоматическое регулирование.
По ходу плавки в электродуговую печь требуется подавать различное количество энергии. Менять подачу мощности можно изменением напряжения или силы тока дуги. Регулирование напряжения производится переключением обмоток трансформатора. Регулирование силы тока осуществляется изменением расстояния между электродом и шихтой путем подъема или опускания электродов. При этом напряжение дуги не изменяется. Опускание или подъем электродов производятся автоматически при помощи автоматических регуляторов, установленных на каждой фазе печи. В современных печах заданная программа электрического режима может быть установлена на весь период плавки.
Устройство для электромагнитного перемешивания металла.
Для перемешивания металла в крупных дуговых печах, для ускорения и облегчения проведения технологических операций скачивания шлака под днищем печи в коробке устанавливается электрическая обмотка, которая охлаждается водой или сжатым воздухом. Обмотки статора питаются от двухфазного генератора током низкой частоты, что создает бегущее магнитное поле, которое захватывает ванну жидкого металла и вызывает движение нижних слоев металла вдоль подины печи в направлении движения поля. Верхние слои металла вместе с прилегающим к нему шлаком движутся в обратную сторону. Таким образом можно направить движение либо в сторону рабочего окна, что будет облегчать выход шлака из печи, либо в сторону сливного отверстия, что будет благоприятствовать равномерному распределению легирующих и раскислителей и усреднению состава металла и его температуры.
2 Конструктивная схема дуговой печи, основы плавки
Трехфазный ток подводится к электродам от понижающего трансформатора при помощи гибких кабелей и медных шин. Рабочее напряжение составляет в малых печах 100—200 В, в больших 400—600 В; сила тока до десятков тысяч ампер. Угольные или графитизированные электроды в процессе плавки постепенно сгорают; длина дуги регулируется автоматически. Обгоревшие электроды наращивают, свинчивая с новыми электродами. Быстрое опускание и подъем электродов осуществляют подъемными механизмами. Печи емкостью более 25 т имеют устройство, индуктирующее в металле токи для его перемешивания с целью выравнивания состава, температуры.
Плавка методом окисления имеет много общего с основным мартеновским скрап-процессом. Основную массу шихты (до 90% и более) составляет стальной скрап. Передельный чугун (до 10%) добавляют в таком количестве, чтобы после расплавления углерода было больше на 0,4—0,6%, чем в готовой стали, что необходимо для обеспечения нормального кипения. В качестве флюса применяют известь. При плавке используют также железную руду, ферросплавы и другие материалы. Все используемые материалы должны быть чистыми по сере и фосфору, так как удаление этих примесей увеличивает время плавки и расход электроэнергии.
В старые печи небольшой емкости шихту загружают через рабочее окно при помощи завалочных машин и других устройств. В современные более крупные печи (со съемным сводом) шихта загружается сверху из бадьи с откидным дном. Для этого свод поднимают и отводят в сторону; в некоторых печах выдвигают корпус печи.
После загрузки печи электроды опускают к поверхности шихты, подкладывают под них куски кокса (для более легкого зажигания дуг) и включают ток. При постепенном опускании электроды проплавляют в шихте “колодцы”, а на подине печи накапливаются жидкие металл и шлак. На некотором расстоянии от поверхности жидкой ванны электроды останавливают и затем по мере повышения уровня металла, начинают поднимать; постоянство длины электрических дуг поддерживается автоматически.
При плавлении кремний, марганец и другие элементы окисляются, и образуется шлак (как и при мартеновском процессе). В дальнейшем различают два периода плавки: окислительный и восстановительный.
Окислительный период характеризуется наличием окислительного шлака, содержащего до 15—20% FеО и до 50% СаО. Одна из основных задач периода — возможно более полное удаление фосфора путем перевода его в шлак в виде Р2О5 (СаО)4. Дефосфорацию начинают сразу же после расплавления шихты, сливая первичный шлак путем наклона печи в сторону рабочего окна. Затем наводят новый известковый шлак и периодическими добавками руды и извести при непрерывном сливе шлака обеспечивают очень хорошее удаление фосфора (до 0,01—0,015%).
Второй важнейший процесс окислительного периода — окисление углерода, вызывающее кипение ванны. Его скорость при достаточно прогретом металле регулируется добавками железной руды. Очень часто для интенсификации окислительного периода применяют продувку кислородом.
Применение кислорода позволяет значительно интенсифицировать процессы плавления, ускорить окисление углерода и других примесей, сократить продолжительность окислительного периода. При этом улучшается и качество стали, так как при окислении железной рудой в металл вносятся загрязнения, вредные примеси и газы. При использовании кислорода общая продолжительность плавки сокращается на 30—40%, расход электроэнергии — на 10—15%.
Как и в мартеновском процессе, кипение обеспечивает очистку металла от взвешенных неметаллических включений, удаление из него растворенных газов, выравнивание состава и температуры. При этом наиболее важное значение имеет чистое кипение после прекращения добавок руды. На кипение постепенно расходуется углерод. По достижении заданного содержания углерода окислительный период заканчивают, окислительный шлак полностью удаляют и переходят к восстановительному периоду.
Задачами восстановительного периода являются: раскисление металла, удаление серы, доведение состава металла до заданного.
Раскисление электростали в отличие от мартеновской и конверторной стали производят комбинированным — глубинным (осаждающим) и диффузионным способами. Для глубинного раскисления в печь загружают некоторое количество ферромарганца, ферросилиция, алюминия или других раскислителей и шлакообразующие: известь, плавиковый шпат, шамотный бой. Затем металл раскисляют диффузионным способом.
Его сущность состоит в том, что раскисляют непосредственно не металл, а шлак, восстанавливая в нем закись железа FеО. В соответствии с законом распределения уменьшение содержания FеО в шлаке вызывает ее интенсивный диффузионный переход из металла в шлак, чем и обеспечивается раскисление металла.
Этот метод обеспечивает практически полное раскисление стали. Реакции протекают в шлаке и на границе шлак — металл. При этом металл не загрязняется неметаллическими включениями. На шлак порциями загружают раскислительную смесь, состоящую из молотого кокса, ферросилиция, извести и др. Раскисление шлака идет по реакциям (FеО)+С=Fе+СО. Этот способ, называют раскислением под белым шлаком. Продолжительность раскисления 0,5—1 ч. За это время за счет углерода шлака может происходить незначительное науглероживание металла на 0,03—0,04% С.
Удаление серы в виде СаS обеспечивается значительно лучше, чем
в мартеновских печах – до 0,01% S в готовой
стали; это объясняется высокой основностью
шлака, его хорошей раскисленностью, нагревом
метала и шлака до высокой температуры.
Кроме ошлакования известью, при наличии
карбида кальция сера удаляется по реакции
3(FеS)+(СаС2)+2(CaO)=3(CaS)+
Легирование проводят аналогично легированию мартеновской стали. Никель, вольфрам и другие элементы, не окисляющиеся при плавке, вводят с шихтой или в процессе ее плавления; легкоокисляющийся хром и ванадий (в виде феррохрома и феррованадия) - после раскисления; титан (ферротитан) – перед самым выпуском плавки. Готовую сталь выпускают в сталеразливочный ковш.
Основная плавка без окисления примесей также находит довольно широкое применение. При производстве и последующей обработке высококачественных легированных сталей отходы производства обычно составляют 30—50% (бракованные слитки, обрезь при прокатке, стружка и т. п.). Плавку без окисления по существу проводят методом переплава отходов соответствующих или близких по составу сталей. Окислительный период отсутствует; иногда производят непродолжительную продувку кислородом для удаления излишков углерода, а также N2, H2 (при кипении).
При составлении шихты и после расплавления металл доводят присадкой ферросплавов до нужного состава. Во время плавки удаляются фосфор и сера, в конце плавки сталь раскисляют.
Этот способ дает возможность наиболее рационально использовать отходы легированных сталей, что значительно уменьшает расход ферросплавов.
Кислый процесс в электродуговых печах имеет те же особенности, что и кислый мартеновский процесс. Для выплавки используют чистые по сере и фосфору шихтовые материалы, нередко применяя метод переплава отходов собственного производства. В качестве флюса используют шлак предыдущих плавок, песок и другие материалы. Окислительный период сокращают присадками небольших порций чистой по сере и фосфору железной руды или продувкой кислородом. При этом выгорает лишь 0,1—0,3% С. Особенностью кислого процесса является возможность “самораскисления” стали кремнием.
Окончательное раскисление обеспечивается присадками на шлак порошкообразного ферросилиция, кокса или древесного угля и других материалов.
Кислая футеровка обладает значительно большей стойкостью и дешевле основной. Кислые печи применяют главным образом в литейных цехах. Нагрев металла в электропечи до высокой температуры повышает его жидкотекучесть, что имеет важное значение в литейном производстве.
Выплавка в дуговых электрических печах — главный способ производства высококачественных конструкционных, нержавеющих и других сталей и сплавов. Более высокое по сравнению с мартеновской и конверторной качество электростали объясняется ее более высокой чистотой по сере и фосфору и неметаллическим включениям, хорошей раскисляемостью. На рисунке 1 изображена дуговая электропечь.
Рисунок 1 – Дуговая электропечь
3 Расчет шихты
Прежде всего, при расчете шихты необходимо отметить марку чугуна, которую требуется получить, а также выбрать футеровку плавильного агрегата. В таблице 1 приведен химический состав чугуна марки КЧ 65-3 (ГОСТ 1215-79). Плавка будет производиться в дуговой печи с основной футеровкой. В таблице 2 приведен угар химических элементов при выплавке чугуна в основной дуговой печи.
Таблица 1 – Химический состав чугуна марки КЧ 65-3 (ГОСТ 1215-79)
Углерод С,% |
Кремний Si, % |
Марганец Mn, % |
Сера S, % |
Фосфор P, % |
2,4-2,7 |
1,2-1,4 |
0,3-1,0 |
0,1-0,18 |
0,06-0,2 |
Таблица 2 – Угар химических элементов при выплавке чугуна в дуговой печи с основной футеровкой
Угар элементов | ||||
Углерод С,% |
Кремний Si, % |
Марганец Mn, % |
Сера S, % |
Фосфор P, % |
25-30 |
5-10 |
10-15 |
20-50 |
До 20 |
Расчет шихты будем производить аналитическим методом, так как он является наиболее точным методом расчета. Результаты расчета будем заносить в соответствующие ячейки таблицы 4.
Аналитический метод расчета шихты
Чтобы рассчитать шихту необходимо составить систему уравнений, в которых неизвестным являются компоненты шихты. В качестве шихты для получения заданного чугуна будем использовать материалы, представленные в таблице 3.
Таблица 3 – Химический состав компонентов шихты
Название |
Углерод С,% |
Кремний Si, % |
Марганец Mn, % |
Сера S, % |
Фосфор P, % |
Чугун литейный Л3 |
3,6-4,1 |
2,41-2,8 |
0,3-1,5 |
0,02-0,05 |
0,08-0,12 |
Стальной лом 35Л |
0,32-0,4 |
0,2-0,52 |
0,4-0,9 |
0,05 |
0,05 |
Возврат |
2,4-2,7 |
1,2-1,4 |
0,3-1,0 |
0,06-0,2 |
0,1-0,18 |
Передельный чугун ПЛ1 |
4,0-4,5 |
0,8-1,2 |
0,3-1,5 |
0,08-0,3 |
0,01-0,05 |
С учетом угара определим химический состав шихты при помощи формулы
(1)
где [Е]ШИХ – содержание элемента в шихте, %;
[Е]ЧУГ – содержание элемента в жидком чугуне, %;
UE – относительная величина изменения содержания элемента в процессе плавки, %.
%;
%;
%.
Найдем количество каждого элемента, вносимого в шихту по формуле
, (2)
где gЕ – количество элемента, вносимого в шихту, кг;
[Е] – содержание элемента в компоненте шихты, %;
q – содержание компонента в шихте, %.
Рассчитаем при помощи формулы (2) количество элементов, вносимых в шихту при помощи возврата:
кг;
кг;
кг;
кг;
