Ирина Эланс

Автор который поможет с любыми образовательными и учебными заданиями

Сталеплавильное производство. 2

Введение

Сталеплавильное производство в направлении создании использовании ресурсо- и энергосберегающих экологически чистых технологических процессов. Также процессы обеспечивают высокую производительность, высокое качество и конкурентно способность готовой продукции.

Основными технологическими процессами производства стали являются кислородно-конвертерный и электросталеплавильный. Из общего количества стали более 1300 млн. тонн выплавляемой ежегодно в мире на кислородно-конвертерное производство приходится 65% и на электросталеплавильное производство около 33% готовой стали, это соотношение будет поддерживаться и в ближайшем будущем.

Кислородно-конвертерное и электросталеплавильное производство хорошо дополняют друг друга, как по производительности, так и по качеству готового металла, а также по использованию металлошихты.

Кислородно-конвертерный процесс при производительности более 250 т/ч перерабатывает до 80% жидкого чугуна и не более 20% металлолома в металлозавалке. Дуговые сталеплавильные печи при производительности 150т. перерабатывают до 100% металлолома и до 20% чугуна, а также эти печи могут перерабатывать металлолом и металлизованные окатыши в любом соотношении. Это позволяет оперативно поддерживать оптимальное соотношение между количеством жидкого чугуна металлизованных окатышей с одной стороны и количеством металлолома, образующегося в промышленности и народном хозяйстве в результате амортизации оборудования, здания, сооружений.

В электросталеплавильном производстве создаются и используются автоматические технологические модули в составе дуговой сталеплавильной печи, агрегат комплексной обработки стали и машина непрерывного литья заготовок. Дуговая сталеплавильная печь имеет удельную мощность трансформатора 700-1000 кВ·А/т и более, оборудуется газокислородными горелками мощностью 3-6 МВт, манипуляторами для вдувания в металл технического кислорода, порошков науглероживателя. При этом металлолом перед завалкой предварительно подогревается в шахтах шахтных дуговых сталеплавильных печей или в завалочных корзинах отходящими дымовыми газами.

Рафинирование и доводка металла выносится из печи на агрегат комплексной обработки стали. В результате этого функция дуговой сталеплавильной печи сводится к интенсивному плавлению шихты, окислению углерода и фосфора, удалению из металла водорода, азота и неметаллических включений.

Современная технология предусматривает использование 15-17 кг/т науглероживателя, это позволяет повысить расход кислорода до 20 м³/т и тем самым снизить расход электроэнергии на 30-40 кВт·ч/т. При этом углерод защищает железо от окисления во время продувки ванны техническим кислородом, что увеличивает выход годного металла.

Разливка стали на машине непрерывного литья заготовок позволяет увеличить сквозной выход годного проката на 10-15%. При этом значительно улучшаются условия труда, снижаются выбросы и сбросы вредных веществ дымовых газов и сточных вод.

1. Общая часть

1.1 Назначение кристаллизатора, подготовка его к разливке

Сущность непрерывной разливки стали на МНЛЗ заключается в непрерывной подаче жидкого металла в сквозную водоохлаждаемую изложницу - кристаллизатор и непрерывного вытягивания из нее затвердевающей, кристаллизующейся заготовки с последующим ее охлаждением в зоне вторичного охлаждения и порезкой ее на мерные длины.

Существуют следующие типы МНЛЗ:

-вертикальные МНЛЗ;

-радиальные МНЛЗ;

-вертикальные МНЛЗ с изгибом;

-криволинейные МНЛЗ;

-горизонтальные МНЛЗ.

а) Вертикальная МНЛЗ имеет кристаллизатор с вертикальными стенками, слиток из него вытягивается строго вертикально вниз, охлаждается водовоздушными струями из форсунок до пеолной кристаллизации заготовки по всему сечению с последующей резкой ее на мерные длины.

б) Радиальные МНЛЗ имеют кристаллизатор с криволинейними стенками, радиус кривизны которых равен радиусу кривизны ручья МНЛЗ. Слиток из кристаллизатора вытягивается тянуще - правильной машиной (ТПМ), в ней выпрямляется и выдается из машины в горизонтальном направлении на уровне пола цеха.

в) Вертикальная МНЛЗ с изгибом имеет кристаллизатор с вертикальными стенками, заготовка из него вытягивается вертикально вниз, охлаждается водой, затем с помощью изгибающего механизма переводится в горизонтальное положение и после этого тянуще -правильная машина выпрямляет криволинейную заготовку.

г) Криволинейная МНЛЗ имеет кристаллизатор с криволинейными стенками, заготовка из него вытягивается по окружности ручья, радиус кривизны стенок кристаллизатора равен радиусу кривизны ручья, примыкающего к кристаллизатору, в дальнейшем протяжении радиус кривизны ручья увеличивается и с помощью тянуще- правильных роликов выпрямляется и выдается из машины на уровень пола цеха.

д) Горизонтальная МНЛЗ имеет кристаллизатор с горизонтальными стенками, заготовка из кристаллизатора вытягивается горизонтально тянуще -правильной машиной, охлаждается водой с последующей резкой НЛЗ на мерные длины.

Горизонтальные МНЛЗ состоят из металлоприемника, футерованного огнеупорами, с которым герметично соединен медный водоохлаждаемый кристаллизатор. Отсутствует механизм возвратно-поступательного движения кристаллизатора. Вытягивание слитка осуществляется периодически тянущей клетью.

Экономическая эффективность производства непрерывно-литых заготовок на УНРС достигается за счет: сравнительно простой конструкции зоны вторичного охлаждения и системы поддержания заготовки; отсутствие механизма возвратно- поступательного движения в кристаллизаторе; более легкого тянущего устройства; наименьшей высоты горизонтальной МНЛЗ, позволяющей устанавливать также машины в здании существующих сталеплавильных цехов; снижения капитальных затрат на МНЛЗ на 36-44%; снижение удельных капиталовложений в отделение непрерывной разливки на 12-20%.

Подготовка кристаллизатора

С защитного экрана кристаллизатора убирают остатки шлака, металла, ШОС, оставшиеся после разливки предыдущей плавки.

Стенки рабочей полости кристаллизатора очищают от брызг шлака, металла и продувают сжатым воздухом. Мелкие заусенцы, задиры, царапины на стенках защищают шлиф - машинкой. В кристаллизатор подают воду с целью проверки на отсутствие течи воды в рабочую полость, а также на соответствие заданного расхода воды и ее давление (расход воды должен быть в пределах 150-200м³/ч при давлении 400-1000 кПа).

При обнаружении течи воды в рабочую полость, коробления плит, трещин, задиров и раковин на стенках глубиной 1мм и более; зазоров в стыке стенок более 0,2мм; снижения расхода воды меньше 120 м³/ч при рабочем давлении; конусность стенок меньше 1,5 мм на сторону; ромбовидности НЛЗ больше 10 мм предыдущей плавки кристаллизатора подлежит замене.

После проверки работоспособности системы водоохлаждения кристаллизатора, воду на кристаллизатор закрывают.

1.2 Классификация дуговых сталеплавильных печей

Электрические печи для плавки металлов разделяются по способу преобразования в них электрической энергии в тепловую на следующие группы:

- дуговые печи с превращением электроэнергии в тепловую в электрических дугах- печи сопротивления с превращением электроэнергии в тепловую при прохождении электрического тока через шихту или проводники (примером печи сопротивления являются печи электрошлакового переплава металлических электродов, в которых электрическим сопротивлением является ванна расплавленного шлака);

- комбинированные печи, с превращением электроэнергии в тепловую в дугах и шихте, при прохождении через нее электрического тока;

-индукционные печи с нагревом металлошихты возникающими токами электромагнитной индукции;

- электронно-лучевые печи с нагревом и плавлением металла пучком электронов высокой мощности;

- плазменные печи с нагревом и плавлением металла плазменным пучком.

Основной отличительной способностью дуговых печей является использование электрических дуг, позволяющих нагреть загруженные материалы до температур, превышающих температуру их плавления. По способу нагрева дуговые печи подразделяются на следующие группы.

1. Печи прямого нагрева загруженных материалов энергией дуг, горящих между каждым электродом и металлом. В печах такого типа выплавляются стали и сплавы.

2. Печи косвенного нагрева загруженных материалов за счет излучения дуг, горящих между электродами над металлом и шлаком. Такие печи применяют для выплавки металлов с относительно низкой температурой плавления ( цветные металлы и сплавы, ковкий чугун и др.) кожух этих печей снабжен устройством для вращения вокруг горизонтальной оси на определенный угол. В торцевые стенки кожуха вставлены графитизированные электроды с электрододержателями.

3. Печи комбинированного нагрева с закрытой дугой. Загруженная шихта нагревается за счет энергии дуг, горящих между электродами и метериалами под слоем шихты, и тепла, выделяющегося в шихте при прохождении через нее тока от электрода к электроду. Комбинированный нагрев в печах с закрытой дугой применяют для рудно-термических процессов, в часности, при производстве ферросплавов, требующих высоких температур для восстановления металлов из окислов; их оборудуют непроводящими подинами.

Современные рудовосстановительные электрические печи для производства ферросплавов, чугуна, карбида кальция и других материалов являются комбинированными агрегатами, работающими как дуговые печи и печи сопротивления.

2 Специальная часть

2.1 Расчёт шихты и материальный баланс плавки стали марки 40ХМФА

2.1.0 Марка стали по ГОСТ4543-71:

0,37-0,44%С; 0,40-0,70%Мn; 0,17-0,37% Si; 0,80-1,10% Cr; 0,20-0,30% Mo; 0,006-0,060% Al; 0,10-0,18% V; Cu н.б. 0,30%, S и P н.б. 0,025% каждого.

Для расчёта принимаем рекомендуемые значения химических элементов:

0,4% С; 0,60 %Мn; 0,3% Si; 1,00% Cr; 0,2% Mo; 0,06 % Al; 0,10% V; 0,15% Ni; 0,15% Cu; 0,01%S; 0,015%Р.

2.1.1 Исходные данные

2.1.1.1 Химический состав компонентов металлической части шихты.

а) Металлолом: 0,3%С; 0,3%Si; 0,6%Mn; 0,040%S; 0,04%P; остальное железо 98,72%Fe.

б) Металлизованные окатыши: 1,8%C; 0,01%S; 0,015%P; 86,425%Fe_мет; 4,3%SiO₂; 2,1%CaO; 0,2%Al₂O₃; 5,15%FeO.

в) Ферросилиций ФС-65: 65%Si; 35%Fe.

г) Ферромарганец ФМп-88: 88%Mn; 0,35%P; 7%C; 14,65%Fe.

д) Феррохром ФХ-100А: 65% Cr; 34% Fe; 4% С.

е) Ферромолибден ФМо 50: 50% Мо; 50% Fe.

ж) Феррованадий ФВд 60: 60% V; 40% Fe.

з) Алюминий [Al]_Ач=100%Al

2.1.1.2. Химический состав шлакообразующих и окислителей

а) Известь: 88%CaO; 3%MпO; 4%SiO₂; 5%CO₂.

б) Плавиковый шпат: 90%CaF₂; 10%SiO₂.

в) Окисленные окатыши: 2%CaO; 4%SiO₂; 93,8%Fe₂O₃; 0,2%Al₂O₃.

г) Технический кислород: 99,5%{O₂}; 0,5%N₂.

д) Периклазовый порошок: 4%CaO; 91%MgO; 5%SiO₂.

е) Периклазоуглерод футеровки: 90%MgO; 10%C.

2.1.1.3. Химический состав электродов и науглероживателей.

а) Электроды: 99%С; 1%SiO₂.

б) Коксик: 90%С; 10%SiO₂.

2.1.1.4 Расход материалов на 100кг металлозавалки.

а) Масса металлозавалки М_мз=100кг.

б) Процент металлолома в металлозавалке П_мл=40%

в) Процент металлзованных окатышей в завалке П_мок=60%.

г) Электроды: _эл=0,4кг.

д) Периклазовый порошок: _пп=1,4кг.

е) Периклазоуглеродистые огнеупоры: _пу=0,2кг.

ж) Окисленные окатыши: _око=1,3кг.

з) Плавиковый шпат: _плш=0,2кг.

и) С воздухом поступит кислорода {O₂}_вз=20-30% от потребного, {О₂}=25%.

к) Усвоение кислорода сталеплавильной ванной =90%.

л) Основность шлака B=2,5.

м) Содержание FeO в шлаке (FeO)_шл=21-25%.

н) Процент O₂ в техническом кислороде {O₂}_то=99,5%.

2.1.1.5. Химический состав металла перед раскислением и легированием.

а) Содержание углерода [C]_пок=[C]_нпм- [C]_р=0,37%-0,2%=0,17%

б) Содержание марганца [Mn]_пок=0,1%

в) Содержание фосфора [P]_пок=0,01%

г) Содержание серы [S]_пок= по расчету, 0,019%

д) Окисление углерода [C]_пок=[C]_Мз-[C]_пок по расчету (1)

е) Усвоение кокса =90%

2.1.2. Плавление и окисление металлолома и металлизованных окатышенй.

2.1.2.0. Определение масс компонентов металлозавалки и шихты.

а) Металлизованные окатыши:

(2)

б) Металлолом:

(3)

в) Окисленные окатыши: М_око=1,3кг.

г) Периклазовый порошок: М_пп=1,4кг.

д) Плавиковый шпат: М_плш=0,2кг

е) Графитированные электроды: М_эл=0,4кг.

ж) Периклазоуглеродистые огнеупоры: М_пу=0,2кг.

з) Алюминий М_Al=0,08кг

и) Расчет необходимой массы кокса в завалку

и1) С металлозавалкой поступит углерод:

; (4)

и2) За период плавления- окисления углерод окислится за счет FeO_мок металлизованных окатышей.

(5)

и3) Концентрация углерода в металлозавалке должна быть

[C]_мз=[C]_мпм+[С]_мз ; (6)

[С]_мз=0,37+0,3=0,67

и3.1) В металлозавалке должно быть углерода массой

; (7)

и4) Составляем баланс металлозавалки по углероду:

М_рз=М_мз-т^С_FeO + т^С_ккс (8)

и4.1) Масса углерода, которую должен внести кокс:

т^С_ккс=0,67-1,22+0,515=-0,035кг;

В металлозавалке углерода достаточно, кокс не нужен.

2.1.2.1 Определение количества шлака

а) Количество SiO₂. в шлаке составит:

(9)

б) Определение массы CaO в металлозавалке:

(10)

в) Определяем массу (CaO)_шл в шлаке при B=2,5

(11)

г) Определяем массу извести:

(12)

д) В шлак поступит всего:

(13)

(14)

(15)

4. (16)

5. (17)

6. (18)

7. Общее количество шлака без (FeO)_шл составит:

(19)

е) При окислении шлака (FeO)_шл=21%:, общая сумма шлака составит

(20)

ж) Масса (FeO)_шл составит

(21)

2.1.2.2 Определение количества металла

а) Оксиды железа шихты содержат следующую массу железа:

(22)

б) Из оксидов шихты в шлак перешло железо

(23)

в) Из оксидов шихты восстановлено и перешло в металлическую ванну железо

(24)

г) Определяем массу железа в металлической ванне, принимая улёт железа {Fe}=4%

(25)

д) Расчет массы металла после периода плавления – окисления

1. Определяем концентрацию серы в металле после расплавления ванны при L_s:=1,5

(26)

2. Масса металла составит

(27)

2.1.3 Баланс по углероду

2.1.3.1 В металлическую ванну поступит углерод

(28)

2.1.3.2 За период плавления окислится углерода

(29)

2.1.4 Баланс по кислороду

2.1.4.1 Потребуется кислород для окисления

а) Fe в шлаке: (30)

б) Al в металлоломе: (31)

в) Mn в шлаке: (32)

г) P в шлаке: (33)

д) Si в металлоломе: (34)

е) В металлозавалке: (35)

2.1.4.2 За период плавки электроды окисляются на 70% до {CO}_эл и на 30% до {CO₂}_эл

а) Определяем массу электродов окислившихся до {CO}_эл

(36)

б) Определяем массу электродов окислившихся до {CO₂}_эл

(37)

2.1.4.3 Потребуется кислород для окисления электродов

а) С до {CO}_эл (38)

б) С до {CO₂}_эл (39)

2.1.4.4 Расчет массы кислорода, растворенного в металле:

а) Рассчитываем константу равновесия K_c реакции [C]+[O]={CO} при t=1600⁰С

(40)

К_с=432,514

б) Рассчитываем концентрацию кислорода в металле при 1600⁰С

(41)

в) Масса кислорода в металле составит:

(42)

2.1.4.5 Всего потребуется кислорода: (43)

2.1.4.6. В сталеплавильную ванну поступит кислород

а) Определяем массу кислорода поступившего из шихты

(44)

б) Определяем массу кислорода, поступившего с воздухом

(45)

2.1.4.7 Потребуется дополнительно кислород

(46)

Масса технического кислорода составит

(47)

2.1.5 Определяем химический состав и уточняем массу металла и шлака перед раскислением и легированием

2.1.5.1 Химический состав металла

а) Содержание серы в металле после окислительного периода при L_s=1,5 составит

(48)

б) [C]_пок=0,17 %

в) [Mn]_пок=0,1%

г) [P]_пок=0,01%

д) [O]_пок=0,014%

2.1.5.2 Уточняем массу металла перед раскислением:

2.1.5.3 Уточняем массу шлака перед раскислением:

(49)

2.1.5.4 Определяем химический состав шлака:

а) (50)

б) (51)

в) (52)

г) (53)

д) (54)

е) (55)

ж) (56)

з) (57)

2.1.5.5 Определяем массы образующихся газов.

а) Вместе с кислородом воздуха поступит азот:

(59)

б) Всего поступит воздуха: (60)

в) При окислении углерода сталеплавильной ванны образуется {CO}

(61)

г) Определяем массу {CO} при окислении электродов

(62)

д) Определяем массу {CO₂} при окислении электродов

(63)

е) Из извести поступит {CO₂}

(64)

ж) С техническим кислородом поступит азот

(65)

2.1.5.6 Определяем общее число дымовых газов:

(66)

2.1.5.7. Улет железа с дымовыми газами составит

(67)

2.1.5.8 Материальный баланс периода плавления

Таблица 1 - Материальный баланс периода плавления.

Загружено

кг

Получено

кг

Металлолом

Металлизованные окатыши

Окисленные окатыши

Известь

Плавиковый шпат

Электроды

Периклазовый порошок

Периклазоуглеродистые огнеупоры

Воздух

Технический кислород

1,3

6,95

0,2

0,4

1,4

0,2

3,347

1,409

1. Жидкая сталь

2. Шлак

3. Дымовые газы

4. Улет железа

5. Кислород [O]_мв

Невязка

88,521

16,329

6,651

3,551

0,012

0,153

= 115,206 = 115,206 %Невязки= (68)

%Невязки=

2.1.6 Выпуск стали с раскислением и легированием в сталеразливочном ковше: 2.1.6.0 Процент усвоения химических элементов металлом

; ; ;

2.1.6.1 Расчет массы готового металла и расход ферросплавов.

а). Расчёт массы готового металла:

1 Масса ферромарганца:

(69)

2 Масса ферросилиция:

(70)

3 Масса феррохрома:

(71)

4 Масса ферромолибдена:

(72)

5 Масса феррованадия:

(73)

6 Масса алюминия:

(74)

б) Так как масса годного металла складывается из массы метала после

периода плавления, окислительного периода и загруженных в него ферросплавов и легирующих, то составляем уравнение с одним неизвестным и решаем его относительно .

(75)

(76)

(77)

в) Масса ферромарганца составит:

(78)

г) Масса ферросилиция составит:

(79)

д) Масса феррохрома составит:

(80)

е) Масса ферромолибдена составит:

(81)

ж) Масса феррованадия составит:

(82)

з) Ферромарганец внесет в металл:

1 Марганец:

(83)

2 Фосфор:

(84)

3 Углерод:

(85)

и) Ферросилиций внесёт в металл:

1 Кремний

(86)

к) Феррохром внесет в металл:

1 Хром

(87)

2 Углерод:

(88)

л) Ферромолибден внесет в металл:

1 Молибден

(89)

м) Феррованадий внесет в металл:

1 Ванадий

(89)

2.1.6.2 При раскислении и легировании металла образуются оксиды:

а). Оксид марганца:

(90)

б). Оксид хрома:

(91)

в) Оксид кремния:

(92)

г) Оксид молибдена:

(93)

д) Оксид ванадия:

(94)

е) Ферросплавы внесут общее количество углерода:

(95)

При окислении углерода образуется его оксид:

(96)

2.1.6.3 На окисление химических элементов ферросплавов расходуется кислород воздуха:

а). Марганца: (97)