ШХ15СГ плавка на окатышах аргонокислородное рафинирование 100 т на печь

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ

Государственное образовательное  учреждение высшего                  профессионального образования

НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ  ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«МОСКОВСКИЙ ИНСТИТУТ СТАЛИ  И СПЛАВОВ»

ИНСТИТУТ ЭКОНОМИКИ И УПРАВЛЕНИЯ ПРОМЫШЛЕННЫМИ ПРЕДПРИЯТИЯМИ

                       Курсовая работа

          по курсу металлургия стали

                                    На тему:

ШХ15СГ плавка на окатышах аргонокислородное           рафинирование 100 т на печь

                                                                                Выполнила:

Маймескул Виктория

                                                                                                     Гр. МЭ-10-1

Проверила:

Лысенкова Е.В.

Москва 2013г.

                                                Содержание:

Введение…………………………………………………………..………………………..….…2

Глава 1. Описание шарикоподшипниковой стали.

Назначение марки стали 12Х8ВФ …………………………………………………..……...3

Состав стали и ее свойства……………………………………………………………...……....6

Глава 2. Оборудование для  выплавки стали………………………………………….....…7

ДСП……………………………………………………………….……………………..…….....7

Агрегат внепечной обработки……………………………..………………….……………......9

Разливка стали………………………………………………………………………….………10

Глава 3. Технология выплавки ………………………………………………………….….12

Блок-схема процесса производства стали 12Х8ВФ ……………………...……………....12

Расчет металлошихты……………………………………………………………….………….13

Расчет расхода ферросплавов и технологических газов……………………………..……....14

Глава 4. Экономический расчет себестоимости стали………………………..…..……...16

Заключение…………………………………………………………………….…………..…..17

Использованная литература…………………………………………………….………..…18

Введение

         Дуговая сталеплавильная печь — электрическая плавильная печь, в которой используется тепловой эффект электрической дуги для плавки металлов и других материалов.

Аргонокислородная продувка стали  в металлургии - влияние продувки металла инертным газом на уменьшение парциального давления монооксида углерода, образующегося при окислении углерода, использовано при разработке такого процесса, как аргонокислородное обезуглероживание или аргонокислородное рафинирование (АКР) с целью получать более высококачественную сталь и изготавливать из нее качественный металлопрокат.

         Для осуществления процесса аргонокислородного рафинирования создан агрегат, обычно именуемый AOD-конвертер . Конструкция фурм для подачи смеси аргона и кислорода позволяет в широких пределах регулировать соотношение O2:Ar; при этом соответственно меняется окислительный потенциал вдуваемой газовой смеси, вплоть до продувки одним аргоном (обычно в заключительной стадии плавки). Если при этом продувку вести под высокоосновным шлаком, обеспечивается также эффективная десульфурация расплава, что также способствует повышению качества металлопроката и металлопродукции.

          Данная курсовая работа предназначена  для освещения технологии производства  стали ШХ15СГ  плавки на окатышах  аргонокислородным рафинированием 100 т на печь.

В 1 главе настоящей курсовой работы приведены теоретические  параметры данной марки стали, а  также конструкции и технологии применяемых для ее выплавки агрегатов.

Во 2 главе приведен технологический  расчет, включающий расчет шихтовых материалов, а также калькуляцию себестоимости  стали ШХ15СГ.

Глава I. Описание шарикоподшипниковой стали.

Шарикоподшипниковые стали применяют главным образом для изготовления шариков, роликов и колец подшипников. Но номенклатура марок стали данного вида достаточно широка. Это объясняется разнообразием требований к эксплуатационным свойствам подшипников со стороны традиционных, а также новых отраслей промышленности и сельского хозяйства.

Наиболее распространённые подшипниковые высокоуглеродистые стали можно классифицировать следующим  образом:

• стали для подшипников, работающих в обычных условиях (хромистая, хромистая с добавкой молибдена, хромомарганцевокремнистая, хромомарганцевая с добавкой молибдена);
• стали для подшипников, работающих в агрессивных средах и при повышенной температуре (коррозионно-стойкая, теплостойкая) [1].

К первым относятся стали  марок ШХ15, ШХ15СГ, ШХ20СГ, ШХ4, ШХ6, ШХ9 и т.д.[3] В результате проведенной  в 60 г. унификации две последние марки  были заменены сталью ШХ15. Названия аналогичных  марок в других странах - 52100, 100C6, SKF-24, SUJ2 и т.д.

Ко вторым относят стали  марок 95Х18-Ш (где буква "Ш" указывает  на то, что сталь выплавлена методом  электрошлакового переплава, а вакуумно-дуговой  переплав стали электрошлакового переплава  обозначается "ШД"), 11Х18М-ШД, ЭИ760, ЭИ347 (8Х4В9Ф2), 8Х4М4ВФ1-Ш, 8DCV40, M50, Z80WDCV6, 80MoCrV4216 и др.

В своей работе, я рассматриваю марку стали  ШХ15СГ.

ШХ15СГ расшифровка : Ш - подшипниковая, Х – легированная хромом, 15 – массовая доля хрома 1,5 % ,СГ – легированная кремнием и марганцем.

Шарикоподшипниковые стали обладают высокой прочностью, твердостью, износостойкостью, выносливостью. 

Высокая твердость и прочность обеспечивается применением высокоуглеродистой стали ( содержащей приблизительно 1 % С) и  термической обработки, состоящей  из закалки и низкого отпуска. Для повышения прокаливаемости  и возможности закалки в масле  шарикоподшипниковая сталь легируется небольшим количеством хрома. На контактную выносливость отрицательно влияют неметаллические включения, пористость, карбидная неоднородность, так как эти дефекты попадая  на контактные поверхности, вызывают преждевременное  усталостное разрушение.

Шарикоподшипниковая сталь в горячем состоянии обладает хорошей ковкостью, легко поддается деформации прокаткой и высадкой. Допускаемые степени обжатия сталей IIIX15 и ШХ15СГ не отличаются оттаковых для других машиноподелочных инструментальных сталей. 

Легированная сталь — сталь, которая кроме обычных примесей содержит элементы, специально вводимые в определённых количествах для обеспечения требуемых физических или механических свойств. Эти элементы называются легирующими.

Легирующие добавки повышают прочность, коррозийную стойкость стали, снижают  опасность хрупкого разрушения. В  качестве легирующих добавок применяют хром, никель, медь, азот (в химически связанном состоянии), ванадий и др.

Легированные стали делятся  на низколегированные (содерж Lэ < 5 %), среднелегированные(содерж 5 < Lэ < 10 %) и высоколегированные (Lэ > 10 %).

Химический состав в % материала сталь ШХ15СГ

 
По составу и свойствам  шарикоподшипниковую сталь можно  отнести к группе инструментальных сталей, но по применению она является конструкционной специального назначения.

В некоторых странах с целью  экономии импортируемого хрома разработано  несколько модификаций подшипниковой  стали, в которых его снижение компенсируется небольшими добавками  молибдена с повышенным содержанием марганца .

Высокое содержание углерода в шарикоподшипниковых  сталях обуславливает их высокую  прочность после термической  обработки и стойкость против истирания поверхностная твёрдость  определяется концентрацией углерода в мартенсите, поэтому она одинакова  для всех шарикоподшипниковых сталей.

Твёрдость внутренних слоёв  металла зависит от глубины прокаливаемости, которая в свою очередь зависит  от содержания хрома. Хром замедляет  превращение аустенита(высокотемпературная гранецентрированная модификация железа и его сплавов) в перлит(одна из структурных составляющих железоуглеродистых сплавов — сталей и чугунов: представляет собой э смесь двух фаз — феррита и  карбидов) и тем самым увеличивает прокаливаемость стали, поэтому, чем крупнее детали подшипников, тем с большим содержанием хрома (0,4...1,65 %) применяют сталь для их изготовления.

Марганец, как и хром, увеличивает  твёрдость и сопротивляемость стали  истиранию. Но одновременно он способствует росту зерна при нагреве, в  результате чего при термической  обработке может образовываться крупнозернистая структура перегретой стали. Отрицательное влияние на вязкость шарикоподшипниковой стали  оказывает кремний. Но марганец и кремний являются раскислителями, и чем выше их содержание, тем полнее раскислена сталь, поэтому присутствие этих элементов в шарикоподшипниковой стали всех марок желательно не более 0,35 %Si и 0,4 %Mn. Исключение составляют стали для изготовления деталей крупных подшипников типа ШХ15СГ. Повышенное содержание марганца и кремния в этой стали объясняется тем, что эти элементы уменьшают критическую скорость закалки, снижая тем самым склонность стали к короблению и тещинообразованию при закалке.

Среди вредных для шарикоподшипниковой  стали элементов можно выделить фосфор, медь, никель, кислород, водород, азот, олово, свиней, мышьяк.

Фосфор увеличивает склонность стали к образованию крупнозернистой структуры при нагреве, повышает хрупкость и уменьшает прочность на изгиб, что в свою очередь увеличивает чувствительность стали к динамическим нагрузкам и склонность изделий к появлению закалочных трещин. В связи с этим содержание фосфора в металле ограничивают.

Медь, хотя и увеличивает твёрдость, предел прочности и прокаливаемость стали, является нежелательной примесью, так как с повышением содержания меди при горячей механической обработке увеличивается образование поверхностных трещин и надрывов.

Содержание никеля ограничивают в связи с тем, что его присутствие снижает твёрдость стали.

Олово, свинец и мышьяк, а также азот уменьшают сопротивляемость стали выкрашиванию.

Водород отрицательно влияет на качество стали ввиду того, что снижение растворимости его при снижении температуры металла вызывает повышенные локальные давления в металле, приводящие к образованию флокенов.

Сера влияет на свойства шарикоподшипниковой стали не однозначно. Отрицательное влияние сказывается в снижении устойчивости против истирания и усталостном разрушении при выходе на рабочую поверхность сульфидов. Однако образование сульфидной оболочки вокруг сульфидных включений при достаточном содержании серы уменьшает влияние этих включений на концентрацию напряжений и вследствие этого повышает сопротивление усталости. С увеличением отношения концентраций S/O до 3...5 стойкость подшипников возрастает. Этому способствуют и улучшение качества поверхности вследствие того, что сера улучшает обрабатываемость стали . Некоторыми авторами доказано благоприятное влияние повышенного содержания серы (до 0,15 %) на долговечность и обрабатываемость подшипниковых сталей, хотя стали с таким содержанием серы пока не применяются.

Отдельно  следует отметить влияние кислорода на свойства шарикоподшипниковой стали. Вообще его влияние на свойства подшипниковой стали, как и на свойства любой другой спокойной стали, проявляется через неметаллические включения, им формируемые. Неметаллические включения в подшипниковых сталях являются концентраторами напряжений и могут в некоторых случаях являться причиной появления микротрещин, образующихся от повышенной концентрации мозаичных напряжений, резкого охлаждения при закалке и др. Попадая на поверхность или в подповерхностный слой неметаллические включения при приложении нагрузок разрушаются, выкрашиваются и тем самым формируют очаг зарождения трещины. Вероятность же попадания включений в поверхностный слой металла зависит от их количества, размера и формы, поэтому общее количество неметаллических частиц и их размер должны быть минимальны .

 
Температура критических  точек материала сталь ШХ15СГ

 
 
Механические  свойства при Т=20^oС материала сталь ШХ15СГ

 
 
Физические свойства материала сталь ШХ15СГ

 
 
Технологические свойства материала сталь ШХ15СГ

Обозначения:

Глава II. Оборудование для выплавки стали.

В данной курсовой работе  подлежит рассмотрению плавка выбранного вида стали в дуговой сталеплавильной печи  емкостью 100 тонн.

Дуговая сталеплавильная  печь (ДСП) состоит из рабочей ванны (плавильного пространства), регулятора мощности дуги и вспомогательных технологических механизмов, позволяющих открыть (закрыть) свод печи, скачать шлак и слить металл. 

Регулятор мощности дуги представляет собой механизм перемещения электродов с приводом, управляемый программно-адаптивным регулятором электрического режима.

Ранее существовали регуляторы дуги с электромеханическими приводами, которые в силу своей большой  инерционности не получают дальнейшего  распространения и практически  полностью вытеснены регуляторами электрогидравлическими.

Как правило, ДСП имеет индивидуальное электроснабжение через печной трансформатор, подключенный к высоковольтной линии.

 Мощность трансформатора на  больших печах достигает 180 МВт,  первичное напряжение 6-35 кВ, на высокомощных  печах до 110 кВ, вторичное 50-300В,  а в современных печах до 1200 В. Вторичное напряжение регулируется  при помощи переключателя ступеней  напряжения (ПСН), который может быть  как переключаемым при отключенной  печи (ПБВ), так и под напряжением  (РПН).

Плавку стали ведут в рабочем пространстве, ограниченном сверху куполообразным сводом, снизу сферическим подом и с боков стенками. Огнеупорная кладка пода и стен снаружи заключена в металлический кожух. Съёмный свод может быть набран из огнеупорных кирпичей, опирающихся на опорное кольцо, а может быть из водоохлаждаемых панелей, как и стенки. Через три симметрично расположенных в своде отверстия в рабочее пространство введены токопроводящие электроды, которые с помощью специальных механизмов могут перемещаться вверх и вниз. Печь обычно питается трёхфазным током, но есть печи постоянного тока. Современная мощная дуговая печь используется преимущественно как агрегат для расплавления шихты и получения жидкого полупродукта, который затем доводят до нужных состава и степени чистоты внепечной обработкой в ковше.

Период загрузки и расплавления совмещают с окислительным, т. проводят его так, чтобы обеспечить непрерывное  окисление углерода (кипение ванны). Для обеспечения кипения степень  металлизации окатышей должна находиться в пределах 90-97%, что соответствует  остаточному содержанию кислорода  в окатышах от 1,2 до 0,6% (при более  низком содержании остаточного кислорода  не будет кипения ванны. При недостаточной  степени металлизации существенно  возрастает расход электроэнергии из-за протекания эндотермической реакции  восстановления окислов железа.

По ходу плавления в  печь загружают известь для ошлакования  кислой пустой породы (SiO2 иAl2O3) окатышей. В конце периода плавления  необходимо получить требуемое в  выплавляемой стали содержание углерода; при недостатке углерода прибегают  к вдуванию в ванну карбюризаторов, избыточный углерод окисляют путем  кратковременной продувки кислородом. Один их них – нагрев металла  до требуемой температуры и выпуск в ковш, где производят внепечную  доводку стали и рафинирование; другой – проведение в печи кратковременной  доводки, в течение которой проводят нагрев, раскисление и легирование.Основу окатышей (губки) составляет железо с  содержанием углерода от 0,2-0,5 до 2%, они  содержат также некоторое количество невосстановленных окислов железа и пустую породу (в основном SiO2 и Al2O3), количество которой должно быть не более 3-7% от массы окатышей. Это  облегчает и упрощает процесс  выплавки и получение стали высокого качества, высокой степени чистоты (суммарное содержание примесей в  стали получается в 3-10 раз меньше, чем при выплавке из стального  лома). Переработка шихты, основу которой  составляют металлизованные окатыши  требует применения специфической  технологии.

Степень металлизации окатышей должна находиться в определенных пределах, обеспечивающих кипение ванны в  процессе их загрузки и плавления.

Плавку начинают с загрузки стального лома, который в количестве 30-40% от массы металлической шихты  заваливают в печь одной порцией. Скорость подачи окатышей согласуют  с подводимой в печь электрической  мощностью так, чтобы температура  ванны был на 30-40 С выше температуры  плавления металла, поскольку при  более низкой величине перегрева  плавление затягивается.е. При этом благодаря перемешиванию ускоряется плавление окатышей, обеспечиваются дегазация ванны и получение  в конце периоде заданного  содержания углерод в металле.). 

Для обеспечения кипения  ванны металлизованное сырье  должно содержать определенное количество углерода, если содержание углерода недостаточно для обеспечения кипения, то в  ванну вдувают карбюризаторы. Основность шлака в связи с низким содержанием  в окатышах серы и фосфора может  быть меньшей, чем при плавке на шихте  из стального лома и составлять 1,5-2,0.

Преимущества ДСП:

Использование электрической энергии (электрического тока), возможность  расплавить шихту (металлолом) практически  любого состава, точное регулирование  температуры металла и его  химического состава подтолкнуло  промышленность к использованию  ДСП в ходе второй мировой войны для производства легированной стали, качественного литья и, как следствие, деталей оружия и боеприпасов. Сегодня дуговые сталеплавильные печи производят различные сорта сталей и чугунов, а также могут являться источником сырья (полупродукта) для АКП и МНЛЗ.

Недостатки ДСП:

Высокий местный перегрев под электродами; трудность перемешивания и усреднения химического состава чугуна; значительное количество продуктов горения и  шума во время работы.

Аргонокислородное рафинирование - влияние продувки металла инертным газом на уменьшение парциального давления монооксида углерода, образующегося при окислении углерода. При продувке металла кислородом равновесие реакции [С] + 1/2 О2(г) = С0г определяется парциальным давлением кислорода и образующегося монооксида углерода. При продувке металла смесью кислорода с аргоном происходит "разбавление" пузырей СО аргоном и соответствующий сдвиг вправо равновесия реакции. Окислительный потенциал газовой фазы при этом достаточен для проведения реакций окисления примесей ванны. В процессе продувки состав смеси изменяют, уменьшая расход кислорода и увеличивая расход аргона. Таким образом, обеспечивают получение сплавов с очень низким содержанием углерода и без заметных потерь хрома. 

Соотношение расходов кислорода и  аргона изменяют по ходу продувки, добиваясь  максимального окисления углерода и минимального окисления хрома. Обычно соотношение расходов кислорода  и аргона по ходу продувки изменяют от 3:1 до 1:3. Для снижения стоимости  передела в начальной стадии продувки вместо аргона можно вдувать азот. На заключительной стадии ванну продувают  чистым аргоном для возможно большего снижения концентрации кислорода и  серы (в результате перемешивания  металла под высокоосновным шлаком), а также лля возможно большего восстановления окисленного в процессе продувки кислородом хрома. Смысл аргонокислородного рафинирования заключается в том, что происходит процесс очищения стали от всех веществ, которые могут испортить товарный качества продукта, т.е от трещин и полостей.

              Из агрегатов внепечной обработки выберем агрегат ковш-печь.

Агрегат ковш-печь, также называется агрегатом комплексной обработки стали (АКОС) — это звено в единой технологической схеме с дуговыми печами, конвертерами и мартенами для доведения металла в ковше, после его выпуска из плавильного агрегата, до заданной температуры и химического состава.

Агрегат ковш-печь используется в  комплексе с плавильными агрегатами, в которых выплавляется полупродукт, в качестве таких агрегатов используются кислородные конвертеры, дуговые  и мартеновские печи, в которых  проводятся расплавление металлолома  и ферросплавов с малым угаром и проводится окислительный период. Затем металл сливают в стальковш, по возможности исключая попадание в него печного шлака. До и во время выпуска металла в ковш отдаются раскислители, шлакообразующие и легирующие материалы.

В случае попадания в ковш большого количества окисленного шлака, его  удаляют. После выпуска металла  ковш поступает на агрегат ковш-печи, где проводятся операции окончательного раскисления, десульфурации, легирования  и модифицирования. Ковш накрывается  водоохлаждаемым или футерованным сводом с отверстиями для введения графитированных электродов, подачи присадок и контроля процесса, наводят  свежий высокоосновный шлак, обладающий высокой десульфурирующей способностью и защищающий металл от вторичного окисления окружающей атмосферой.

Основные требования к АКП: контроль атмосферы над ванной, регулируемый нагрев металла, интенсивное перемешивание  ванны без загрязнения металла  атмосферой (вторичного окисления, азотирования), наведение высокоосновного восстановительного шлака.

Агрегат ковш-печь снабжен устройствами для введения сыпучих материалов (бункерная эстакада с весодозирующими устройствами) и трайб-аппаратами для введения материалов в виде проволоки. Нагрев металла на АКП осуществляется также, как дуговых печах (ДСП), но мощность трансформаторов установок ковш-печь значительно меньше, чем используется на дуговых печах и составляет 100—160 кВА/т. Это объясняется отсутствием такой энергозатратной стадии, как расплавление лома, тепло затрачивается только на расплавление вводимых материалов и поддержание температуры металла. Кроме этого, мощность подвода тепла ограничивается повышенным износом кладки ковша выше уровня металла ввиду малого (по сравнению с дуговой печью) диаметром ковша. Удельный расход электроэнергии на АКП составляет примерно 10 % от суммы всех энергозатрат на выплавку стали.

Во время обработки через  днище ковша осуществляется продувка металла инертным газом (аргон или  азот) для перемешивания металла  с целью усреднения его по химическому  составу и температуре, кроме  этого продувка металла способствует выведению неметаллических включений  из металла. Вдувание газа осуществляется через пористые пробки, от одной до трех штук на крупнотоннажном ковше. Также возможно электромагнитное перемешивание металла.

После достижения заданных значений по химическому составу и температуре, ковш с металлом передают на обработку  на другие агрегаты или на разливку.

Использование агрегатов ковш-печь позволило вынести из плавильных агрегатов восстановительный период и доводку металла, что резко  повысило производительность сталеплавильного производства. В электросталеплавильном производстве за счет исключения резкого перепада окисленности ванны удалось значительно сократить расход огнеупоров, использовать одношлаковую технологию и технологию работы с «болотом» (оставленным в дуговой печи шлаком предыдущей плавки), что привело к значительному снижению расхода электроэнергии.