Состояние и перспективы развития внепечной обработки стали в России

  Ёмкость конвертера 125 т.

  В графической части представлен порционный вакууматор.

 
Введение

  Качество  стали – это постоянно действующий  фактор, который на всех исторических этапах побуждал металлургов искать новые технологии и новые инженерные решения. Ограниченные возможности  регулирования физических и физико-химических условий протекания процессов плавки в традиционных сталеплавильных  агрегатах (конвертерах, дуговых, мартеновских и двухванных печах) привели к созданию новых сталеплавильных процессов, комплексных технологий, обеспечивающих получение особо чистых по содержанию нежелательных примесей марок стали.

  В тех случаях, когда технологические  операции, обеспечивающие получение  металла требуемого качества, непосредственно  в самом агрегате приводят к потере его производительности, их выполняют  во вспомогательной емкости (ковше  или др.), то есть переводят в разряд внепечной, или вторичной, металлургии. Основную цель вторичной металлургии  можно сформулировать как осуществление  ряда технологических операций в  специальных агрегатах быстрее  и эффективнее по сравнению с  решением аналогичных задач в  обычных сталеплавильных агрегатах  быстрее и эффективнее по сравнению  с решением аналогичных задач  в обычных сталеплавильных печах. В настоящее время методами внепечной  металлургии обрабатывают сотни  миллионов тонн стали массового  назначения. Установки для внепечной  обработки имеются практически  на всех заводах качественной металлургии. Обработке подвергают металл, выплавленный в мартеновских печах, дуговых печах  и конвертерах.

 
1. Обоснование параметров сталеразливочного  ковша

  Выход годной стали до раскисления – M_Ме^{п/д раск} = 91,55 т.

    т, следовательно, выбираем ковш ёмкостью 130т.  

  Рис. 1 - Основные размеры кожуха 130-т сталеразливочного  ковша

1.1 Выбор и обоснование  футеровки сталеразливочного  ковша

  С пуском агрегата ковш-печь ужесточились требования к футеровке ковшей по металло- и шлакоустойчивости, теплопотерям, температуре футеровки перед приёмом плавки.

  В данном курсовом проекте предлагаю  использовать конструкцию футеровки 130 – т ковша разработанную и усовершенствованную на Магнитогорском металлургическом комбинате.[8]

 

  

  Рис. 2

 

 

1.2 Выбор дутьевых  продувочных устройств

  Наиболее  преимущественным (простота устройства, отсутствие дополнительных огнеупорных  материалов) способом продувки является продувка металла через шиберный затвор.

  Газ вводят через металлическую трубку-фурму  диаметром 8-16 мм, вставленную в выпускные  отверстия деталей шиберного  затвора. По окончанию продувки подвижная  плита устанавливается в положение  «закрыто» и при этом она перерезает трубку фурму.

 
2. Расчет основных параметров обработки  стали  

2.1 Расчёт раскисления и легирования

  Для данного расчета при выплавке стали марки 12ГС принят следующий  угар элементов раскислителей: углерода – 15%; марганца – 15%; кремния – 20%; хрома - 10. Угар алюминия условно принимаем равным 100%, а расход его зависит от марки выплавляемой стали. В данном расчете расход алюминия принят равным 0,030%.

  В таблице 2 приведен принятый состав ферросплавов.

  Таблица 2 – Состав примененных ферросплавов 
 

  Среднезаданное содержание элементов в рассчитываемой стали 30Х принято равным: [Mn]=0,55% , [Si]=0,27%, [Cr]=0,9

  Необходимое количество каждого ферросплава  определяется по формуле:

  М_раск =   кг,

  где М_ст – выход жидкой стали в конце продувки, кг;

  [%Э]_гот.ст. – содержание соответствующего элемента в готовой стали, %;

  [%Э]_{пер.раск} – содержание соответствующего элемента перед раскислением, %;

  [%Э]_{ферроспл.} – содержание соответствующего элемента в ферросплаве, %.

  М_FeSi =   = 0,687 кг.

  М_FeМп =   = 0,523 кг

    

2.2 Расчёт процесса  десульфурации стали в ковше  

Расчет  процесса десульфурации cтaлu в ковше ТШС

  Химический  состав ТШС:

  СаО = 50%

  А1₂О₃ = 36%

  SiO₂ = 10%

  MgO = 3%

  MnO = 0%

  Расход  ТШС 10 кг/т стали. Необходимое количество ТШС:  т.

  Mп_гот.ст. =0,542% , угар 20%

  Si_гот.ст. =0,289% , угар 20%

  А1_гот.ст. =0,03% , угар 100%  

  Таблица 3 – Состав печного шлака

 

  Принимаем, что в ковш попадает 5 % печного  шлака

  Таблица 4 – Количество оксидов образующихся при раскислении стали

  Таблица 5 - Изменение состава рафинировочного  шлака

  Состав  конечно шлака:

  CaO= ×100=32,449%; SiO₂= ×100=14,465%;

  MnO= ×100=4,846%; Al₂O₃= ×100=21,28%;

  MgO= ×100=7,637 %;

 

  Выполним  расчет коэффициента распределения  серы Ls.

  

  где (СаО), (Аl₂О₃), (SiO₂), (MgO) - химический состав рафинировочного шлака в конце обработки. %;

  f_s - коэффициент активности серы, растворенной в металле, принимается f_s =1, по этому lgf_s =0

  Т - температура металла, 1903 К.

    - активность кислорода

  2[Al]+ 3[O] = Al₂O₃

  Константа этой реакции будет равна   = 10^-12, следовательно активность кислорода определим по формуле:

    

   , а  = -2,985

  Тогда коэффициент распределения серы будет равен:

   ,

  тогда

   =23,362  

  

 

  где   - коэффициент кратности шлака  .

  

  Определим конечное содержание серы в металле  после обработки ТШС

     

2.3 Определение снижения  температуры металла

  Снижение  температуры складывается из: потерь тепла при раскислении металла  Т_{раскисл}; потерь при обработке металла ТШС; потерь тепла при выпуске металла из агрегата Т_вып; потерь тепла при выдержке металла в ковше  Т_выдерж; потерь тепла через футеровку ковша  Т_фут; потерь при продувке металла аргоном. Таким образом, определится температура. на которую будет необходимо нагреть металл в печь-ковше.

   Т_нагр = Т_{раскисл} + Т_ТШС + Т_вып+ Т_выдерж + Т_фут + Т_прод  

Изменение температуры металла  при раскислении

  

  

Изменение температуры металла  при обработке  ТШС

  - Затраты тепла  на нагрев ТШС  до температуры  разложения известняка:

   , кДж

 

  где   - теплоёмкость смеси,1,246 кДж/кг⁰С;

  Т_разл – температура разложения, 910⁰С;

    - количество ТШС, 10 кг.

  

  - Затраты тепла  на разложение  извести:

  Количество  извести в ТШС М_Сао=5 кг.

  Количество  СО₂, получаемое при разложение недопала, принимаем ППП=5,00%. М _СО2=5  5/100=0,25 кг

  - Количество разлагаемого  известняка при  этом составит:

  М _СаСОз=0,25 100/44= 0,568 кг

  q₂= М _СаСОз  1776,5=0,568 1776,5 = 1009,05 кДж

  - Затраты тепла  на расплавление  смеси:

  q₃=M_смеси(C _смеси  (Т_ст-T_разл)+q_{ск. теплота пл}),

  где M _смеси = M _ТШС - М_СО2

  M _смеси = 10-0,25 = 9,75 кг

  Т_ст= 1630 ⁰С

  q_{ск. теплота пл} – скрытая теплота плавления, 210 кДж

  q₃ =9,75 (1,246 (1630-910)+210)=10794,42 кДж

  - Затраты тепла  на нагрев СО₂ до температуры стали:

  q₄=2,4 M_СО2(22,4/44)  (Т_ст-T_разл)

  q₄=2,4 0,25(22,4/44)  (1630-910)=219,927 кДж

  Изменение температуры металла при обработке  ТШС определяется по формуле:

   Т_ТШС=( q₁+ q₂+ q₃+ q₄)/0,835,

  и составляет  Т_ТШС=27,979 ⁰С.

 

Изменение температуры металла  при выпуске металла  из сталеплавильного агрегата

  Зависимость потерь температуры стали за счет излучения от времени выпуска  определяется по формуле:

  

  где   - степень черноты жидкой стали,   = 0,4;

    - константа излучения абсолютно  черного тела,  =5,775 10^-8 Вт/(м²К⁴);

  Т-температура  стали на выпуске, 1903 К;

  F - площадь излучающей поверхности  жидкой стали в струе и на  зеркале ковша, м²;

  М - масса металла в ковше, кг;

  с - удельная теплоемкость стали, равная 850 Дж/(кг · К);

    - время выпуска металла, 4 мин.

  Площадь излучающей поверхности жидкой стали  принимается в струе ~ 2,5 м². на зеркале ковша.

  Общая площадь излучения жидкой стали  в струе и на зеркале ковша  равна

  F  м²

  Тогда 

Потери  тепла через футеровку  во время выдержки ковша

  Теплота, отданная сталью на нагрев футеровки:

  

 

  где   - снижение температуры стали;

  с – удельная теплоёмкость стали, 0,850 кДж/(кг К);

  М – масса стали в ковше, кг

  Потери  тепла через кладку ковша:

  

  где   - потери тепла с 1м³ футеровки во время пребывания стали в ковше;

    – площадь огнеупорной кладки ковша (днище + стены), м².

  

  

  где   = 5,6 - теплопроводность огнеупора, Вт/(м К);

  а = 5,4   10^-3 – температуропроводность огнеупора, м²/ч;

  Т₁ и Т₀ – температура стали и огнеупоров ковша соответственно, принимаем температуру футеровки 800⁰С;

    - время контакта огнеупора с  жидкой сталью, 0,4 часа.

    Дж

  Найдем  площадь огнеупорной кладки ковша.

  

    м²

  Тогда потери тепла через футеровку  во время выдержки (24 минут) составят:

  

  Потери  тепла через зеркало металла  излучением во время выдержки металла  и течение 24 минут.

  

  Площадь поверхности металла равна:

  F  м²

  

Потери  тепла при продувке аргоном

  Во  время продувки теплопотери составляют: в течение первых 3-4 минут продувки 2- 4 °С / мин, в течении остального времени продувки ~ 1 °С / мин

  При времени продувки  _пр=4 мин и теплопотерях 3 °С / мин получим:

   Т_прод =3  3 = 9°С

  Общая потеря тепла составит:

   Т_нагр = Т_{раскисл} + Т_ТШС + Т_вып+ Т_выдерж + Т_фут + Т_прод

   Т_нагр =47,011 + 27,979 + 2,58 + 29,006 + 20,968 + 9 = 136,544

2.4 Расчет количества  и состава неметаллических  включений

  Определим количество неметаллических включений  и их состав, исходя из условия раскисления стали с 0,12% С, 0,023% S и 0,014% Р последовательно FeMn, FeSi, Al и получением стали состава: 0,542 % Мn, 0,289% Si и 0,03 % А1.

  Содержание  кислорода в стали на выпуске  из сталеплавильного агрегата определяем по уравнению:

  a₀ = 0,00252 + 0.0032 / [С%].

  Тогда при [С] = 0.12 % a₀ = 0.00252 + 0,0032 / 0,12= 0,029 % масс.

  Для заданного химического состава  стали

  

  

  

  

  А. Определяем количество докрмоталлизационных неметаллических включений.

  Раскисление марганцем.

  Определяем  количество кислорода, равновесное  с 0,542 %   при Т_ликв = 1790,3⁰К:

    :  = 0,0094

    % масс

  Таким образом, присадка в сталь 0,1 %   приведет к связыванию следующего количества кислорода в процессе раскисления и охлаждения расплава до Т_ликв:

    = 0,029-0,017 = 0,012 % масс.

  При этом образуется следующее количество неметаллических включений ( О):

    %масс.

  Раскисление кремнием.

  Определяем  содержание кислорода, равновесное  с 0,289 % Si при Т_ликв=1790,3⁰К:

 

   , 

    % масс

  Следовательно, при Т_ликв=1790,3⁰ К,  % масс, и   % масс, после внедрения в металл 0,289 % [Si] последовательно за 0,542 % [Мп] в неметаллические включения типа SiO₂ дополнительно будет связано кислорода:  % масс и образуется докриеталлизационные неметаллические включения типа SiO₂:

   % масс

  Раскисление алюминием.

  Определяем  содержание кислорода, равновесное  с 0,03 % Аl при Т_ликв = 1790,3⁰К:

   ,  ;

  при этом  %масс, то есть при вводе алюминия металл будет глубоко раскислен, содержание кислорода при этом изменится так:

   % масс, а количество докристаллизационных неметаллических включений типа Al₂O₃ составит:

   % масс.

  Рассчитаем  общее количество и состав образующихся докристаллизационных неметаллических включений при условии, что процессы взаимодействия растворенного кислорода и элементов-раскислителей проходят последовательно с достижением состояния равновесия между кислородом и введенным элементом-раскислителем до ввода последующего раскислителя. Расчёт проводится на 1 т стали:

    (  +  + ) 10= (0,053+0,027+0,009)  10=0,89 кг неметаллических включений на 1 т стали

  Состав  образовавшихся докристаллизационныч неметаллических включений следующий:

  

  

  

  Б Определяем количество посткрнсталлизацпонных неметаллических включении.

  Рассчитаем  количество и состав количество посткрнсталлизацпонных неметаллических включении. При температуре ликвидус минимальный уровень концентрации кислорода определяется равновесием с 0,03% Al и составляет   % масс. В двухфазной области между Т_ликв и Т_сол изменение концентрации кислорода будет определяться разницей:

    

  Рассчитаем  значение   по уравнению

   ,  ;

  при этом  %масс

  В двухфазной области между Т_ликв и Т_сол изменение концентрации кислорода составит:

    

  т.е. исключительно малую величину, находящуюся  на пределе чувствительности измерения  с помощью кислородных зондов и анализаторов на кислород типа "ЛЕКО". Количество посткристаллизационных неметаллических включений, состоящих только из Al₂O₃ ,составит: