Технология выплавки стали 15ГХ3А

1 ХАРАКТЕРИСТИКА  СТАЛИ 15ХГН2ТА

Сталь 15ХГН2ТА относится к конструкционным  легированным сталям. Содержание

С	Mn	Cr	Ni	Si	Ti	S	P
0,13-0,18	0,7-1	0,7-1	1,4-1,8	0,17-0,37	0,03-0,09	до 0,025	до 0,025

 

Эта сталь обладает следующими механическими  свойствами:

 

Sв	Sт	d5	y	НВ 10-1	KCU
МПа	МПа	%	%	МПа	кДж/м2
930	735	11	55	269	980

 

Где: S_в – предел кратковременной прочности, [МПа];

S_т – Предел текучести для остаточной деформации, [МПа];

d₅ – относительное удлинение при разрыве, [%];

у – относительное сужение, [%];

KCU – ударная вязкость, [кДж/м²];

НВ 10^-1 – твердость по Бринеллю, [МПа];

 

Из данной марки стали  выполняют следующие детали: зубчатые венцы, шатуны, зубчатые колёса, валы, ролики, и другие особо ответственные детали к которым предъявляются требование высокой прочности, вязкости и износостойкости, а также для деталей, подвергающихся высоким вибрационным и динамическим нагрузкам.

 

 

2 ШИХТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ

 

На основании баланса легированных отходов по заводу принимаем, что  в плавке будут использованы следующие материалы: Отходы марки 15ХГН2ТА –– 40% от общего количества металлической части шихты, отходы марки 20ХГНР –– 20%, отходы марки 12Х18Н10Т –– 20% и отходы марки стали 06Х19Н9Т –– 20%. Расход всех остальных элементов шихтовки плавки определим расчетами.

Состав металлической части  шихты приведен в таблице 1.

 

Таблица 1 Состав металлической части  шихты.

Материал	Содержание, %
	С	Mn	Si	Cr	Ni	Ti	Mo	P	S
Отходы 15ХГН2ТА	0.15	1,0	0,2	1,0	1.5	0.05	–	до 0,02	до 0,02
Отходы 20ХГНР	0,15	0,8	0,25	1,0	1,0	–	–	до 0,03	до 0,03
Отходы 40ХНМА	0,35	0,6	0,3	1	1,3	–	0,15	0,02	0,02
Отходы 15ХА	0,19	0,6	0,25	1	–	–	–	0,02	0,02
ФМн78А	7,0	78,0	2,0	–	–	–	–	0,05	0,03
ФС45	–	0,6	45	0,5	–	–	–	0,05	0,03
ФС75	–	0,54	75	0,4	–	–	–	0,02	0,02
Чугун передельный	4,35	0,45	0,46	–	–	–	–	0,08	0,035

 

Принимаем что легированные отходы содержат 1% мусора, состоящего из 75,0% SiO₂ и 25.0% Al₂O₃.

Состав неметаллической части шихты приведен в таблице 2.

 

 

Таблица 2. Состав неметаллической  части шихты.

Материал	Содержание,  %
	CaO	SiO2	Al2O3	Fe2O3	MgO	CaF2	S	CO2
Известь	91.5	1.5	1.0	1.5	1.5	–	0.1	2.9
Плавиковый шпат	1.9	4.0	–	–	–	94.0	0.10	–
Магнезитовый порошок	2.0	2.0	0.5	–	95.0	–	–	0.5
Зола коксика	4.0	52.0	32.0	10.0	2.0	–	–	–

 

Состав коксика принимаем следующий: 89,6.% С, 0,4% S и 10% золы. Расход магнезитового порошка – 0,1кг в период плавления и 0,1кг в восстановительной период.

 

 

3 ШИХТОВКА ПЛАВКИ

 

Шихтовка плавки сводится к определению  расхода чугуна. Исходным моментом при этом является то, что содержание углерода в металле перед раскислением (в конце плавки) должно быть равным нижнему пределу его в заданной марке стали, т.е. 0,15%. С учетом науглероживания металла в восстановительной период ( в среднем 0, 05%) содержание углерода в металле в начале восстановительного периода (по расплавлении) должно составлять:

[С] _РАСПЛ = 0,15 – 0,05 = 0,1 %;                                          (1)

 

Угар углерода в период плавления  зависит от содержания кремния в  шихте и обычно составляет от 0,1 до 0,3%. Мы же примем угар углерода равным 0,2%. Тогда содержание углерода в шихте должно быть:

 

[С]_ШИХ = 0,1 + 0,2 = 0,3 %;                                               (2)

 

Среднее содержание углерода в легированных отходах составляет:

 

;                     (3)

 

Так как  среднее содержание углерода в легированных отходах меньше необходимого содержания углерода в металлической шихте, то для повышения содержания углерода в шихте в состав шихты введем передельный чугун (так называемый «чушковый»).

Определим расход передельного чугуна q_ч: 

 

                                    (4)

где: q_с – 100% выход годной жидкой стали;

        [С]_ч – 4,35%–содержание углерода в передельном чугуне;

 

0,3∙100 = 0,2∙(100-q_ч) + 4,35∙ q_ч;

Получаем q_ч = 2,4%, следовательно для обеспечения должного процентного содержания углерода в состав шихты нужно внести 2,4% передельного чугуна, а доля легированного лома составит 97,6%.

Перещитаем процентное содержание в шихте каждую из марок  сталей:

15ХГН2ТА          

20ХГНР                

40ХНМА              

15ХА                    

Определим состав металлической  части шихты по элементам, %

 

[С]_ШИХ =        (5)

 

                  (6)

 

         (7)

 

                                       (8)

 

                                       (9)

 

                                             (10)

 

  (11)

 

  (12)

 

Расчет состава шихты приведем в таблице 3.

 

Таблица 3.  Расчетный состав шихты, %

С	Mn	Si	Cr	Ni	Тi	P	S
0.298	0.8	0.246	0,98	1.040	0,01	0.023	0,022

 

Определим количество и  процентное содержание мусора:

 Мусор  %, причем SiO₂ будет 0,732%, а Al₂O₃ 0,244%.

 

 

 

4 РАСЧЕТ РАСХОДА ИЗВЕСТИ

 

Расход извести определим по формуле:

                                       (13)

где: С_изв = 91,5% – содержание СаО в шлаке  из всех источников, кроме извести;

        В = 2,2 –  основность шлака по расплавлении;

        (SiO₂)_изв = 1,5% – содержание SiO₂ в извести;

        F = 1,235 количество (SiO₂+P₂O₅) в шлаке из всех источников, кроме извести (таблица 4);

       С = 0,002% – количество  СаО в шлаке  из всех источников, кроме извести (таблица 4);

 Поскольку в электроплавке не используется высокофосфористая шихта, в первом приближении F можно приблизительно принять равным приходу SiO₂ из всех шихтовых материалов, кроме извести.

Поступление SiO₂ из металлической части шихты рассчитаем по формуле:

;                                          (14)

а результаты занесем таблицу 4.

Для определения F и С заполняем  соответствующие графы таблицы 4, принимая при этом, что в период плавления кремний Si полностью окисляется. Тогда по формуле 13 рассчитаем количество расходуемой извести:

 

 

Таблица 4  Количество и состав шлака  периода плавления

Оксиды	Источники поступления					ВСЕГО	Состав шлака
	Металлическая часть шихты	Мусор и окалина	Магнезитовый порошок	итого	известь		кг	%
СаО	–	–	0,0020	0,0020	2,75	2,875	2,875	45,12
SiO2	0,527	0,732	0,0020	1,261	0,04	1,308	1,308	20,26
MnO	0,58	–	–	0,58	–	0,58	0,58	9,1
MgО	–	–	0,095	0,095	0,04	0,142	0,142	2,23
Cr2O3	0,29	–	–	0,29	–	0,29	0,29	4,55
Al2O3	–	0,244	0,0005	0,2445	0,22	0,56	0,56	8,79
ТiO2	0,017	–	–	0,017	–	0,017	0,017	0,27
P2O5	0,03	–	–	0,03	–	0,03	0,03	0,47
S	0,0014	–	–	0,0014	0,003	0,0044	0,0044	0,07
ИТОГО	1,428	0,976	0,0995	2,5	3,076	5,7894	5,7894	90,86
FeO	–	–	–	–	–	–	0,4113	6,5
Fe2O3	–	–	–	–	0,04	0,04	0,17	2,64
ИТОГО	–	–	–	–	0,04	0,04	0,5813	9,14
Продолжение таблицы 4
СО2		–	0,0005	0,0005	0,009	0,009	–	–
СО	0,47	–	–	0,47	–	0,47	–	–
ИТОГО	0,47	–	0,0005	0,4705	0,009	0,479	–	–
ВСЕГО	1,898	0,976	0,1	2,974	3,14	5,8384	6,3712	100,00

 

5 ОПРЕДЕЛЕНИЕ СОСТАВА МЕТАЛЛА И ШЛАКА ПО РАСПЛАВЛЕНИИ

 

 

Для  определения остаточного  содержания примесей в металле по расплавлении необходимо знать количество шлака в печи. Количество шлака  в момент расплавления ориентировочно можно определить по формуле:

                                                        (15)

где  q_SiO2 – количество SiO₂  в шлаке по расплавлении, кг;

        SiO₂ – содержание SiO₂ в шлаке по расплавлении, %. Обычно оно находится в интервале 17–25%, мы же примем равным 20%

 

  ;

Для определение содержание марганца в металле по расплавлении используем данные о температуре металла и количестве шлака, и определим по формуле:

 

                                 (16)

 

где [Mn]_ших – содержание марганца в шихте, кг;

       К_Mn – константа равновесия реакции окисления марганца;

      –– содержание (FeO)  в шлаке по расплавлении, %;

      –– количество шлака по расплавлении, кг;

Константу равновесия определим из уравнения:

 

                                                              (17)

 

где а ;

Температуру плавления  металла ориентировочно можно определить по формуле:

t_пл=(1539-80)∙[С]_распл , содержание углерода в металле по расплавлении равно [С]_распл = 0,35%, тогда t_пл=1539-80∙0,35=1511°С

Перегрев металла  над температурой плавления в  момент расплавления составляет 40–80°С. Мы примем перегрев равный 40°С, тогда:

 

Зная температуру шлака  по расплавлении, определим:

K_Mn=3,15;

 

Содержание FeO в шлаке по расплавлением  может составлять 4–12%, а Fe₂O₃ – от 2 до 4% примем содержание FeO равным 8%, а Fe₂O₃ –– 3,0%.

 

 

Определим содержание фосфора  в металле по расплавлении по уравнению:

 

                                                     (18)

 

где L_р – коэффициент распределения фосфора, примем его равным 51 (обычно он составляет 45-56).

 

 

Содержание серы определяем по уравнению:

 

                                                         (19)

где ΣS – количество серы, вносимое металлической шихтой и известью, кг.

L_S – коэффициент распределения серы примем равным 3,3, тогда:

 

 

Содержание хрома в металле  определим по уравнению:

 

                                                     (20)

где L_Cr – коэффициент распределения хрома, примем его равным 4;

 

 

Такой элемент как никель окисляется незначительно, поэтому остаточное его содержание в металле по расплавлении принимаем равным содержанию в шихте, т.е. [Ni]_распл =[Ni]_ших = 0,5%

 

Таблица 5 Расчетный состав металла после периода расплавления

С	Mn	Si	Cr	Ti	Ni	P	S
0,1	0,35	0,0	0,78	0,003	1.040	0.01	0.0206

 

Угар элементов в период плавления, кг:

Δ[С]_распл = 0,198;

Δ[Si]_распл = 0,246;

Δ[Mn]_распл = 0,8–0,35 = 0,45;

Δ[P]_распл = 0,023–0,01 = 0,013;

Δ[S]_распл = 0,022–0,0206 = 0,0014;

Δ[Cr]_распл = 0,98–0,78 = 0,2;

Δ[Ti]_распл = 0,01– 0,003 = 0,007

ИТОГО:                 1,1154;

Соответственно определим  поступление в шлак основных элементов  из металлической части шихты, а результаты занесем в таблицу 4:

Зная вес шлакообразующих  без оксидов железа (таблица 4) и  принятое при расчете остаточное содержание марганца процентное содержание оксидов железа в шлаке, можно  определить количество шлака по расплавлении:

 

 

Заполним таблицу 6, в которой  произведем проверку принятых величин:

Величина	Значение величины		Отклонение принятой величины от расчетной, %
	принятое	расчетное
	6,54	6,3 7	2,3
	20	20,5	2,5
Основность	2,2	2,875/1,308 = 2,2	0
Lp	51	47	8,5
LS	3,3	3,4	3
LCr	4	4	0
LTi	40	40,38	0,94

 

Из таблицы 6 видно, что отклонение принятых величин от расчетных не превышает 10%. Значит, расчет выполнен правильно.

 

6 МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПЕРИОДА ПЛАВЛЕНИЯ

 

6.1 Поступление кислорода из  атмосферы печи

 

Расход кислорода на окисление  примесей определим по разности массы  оксидов и массы окисляющихся элементов:

1,898 – 1,1154 = 0,7896 кг.

Тогда количество кислорода, растворенного  в металле составляет 0,01–0,02%, мы же примем эту величину равной 0,015%. На эту величину увеличится выход металла в коне периода.

Испарение железа в период плавления  составляет 0,4–0,6% от веса металлической  шихты. Принимаем что железо испаряется 0,5%. Окислившееся железо в виде пыли (Fe₃O₄) выносится из печи. На окисление железа требуется кислорода:

Образуется пыли

Расход кислорода на образование  оксидов железа шлака составляет:

 

 

С шихтовыми материалами поступает  следующее количество кислорода:

 

Из атмосферы поступает следующее количество кислорода:

 

0,7896+0,015+0,1905+0,142-0,012=1,125 кг;

 

6.2 Определим выход годного металла

 

Задано было 100 кг металлической  шихты. С пылью в виде дыма уходит 0,5кг металлической шихты. Мусор  металлической шихты составляет 0,976 кг. Окислились 1,1084 кг примесей, соответственно угар железа составит:

Получено металла в период плавления:

 

6.3 материальный баланс

 

 

 

 

В таблице 7 составим материальный баланс периода плавления.

Задано	Кг/100кг	Т/10т	Получено	Кг/100кг	Т/10т
Отходы 15ХГН2ТА	39,04	3,904	Металл	97,03	9,703
Отходы 20ХГНР	19,52	1,952	Шлак	6,3712	0,63712
Отходы 40ХНМА	19,52	1,952	Газы	0,479	0,0479
Отходы 15ХА	19,52	1,952	Пыль	0,6905	0,06905
Чугун передельный	2,4	0,24	Невязка	0	0
Известь	3,14	0,314
Магнезитовый порошок	0,1	0,01
Кислород атмосферы	1,125	0,1125
ИТОГО	104,5707	10,45707	ИТОГО	104,5707	10,45707

 

 

 

7 РАСЧЕТ ВОСТАНОВИТЕЛЬНОГО ПЕРИОДА

 

Для предварительного раскисления  используется 45-% ферросилиций в количестве 0,2-0,4 кг. Затем присаживается раскислительная  смесь. После этого в металл вводятся ферросплавы: ферромарганец, феррохром, ферротитан. В конце восстановительного периода в печь дают 0,01-0,03 кг алюминия.

Для повышения основности шлака  в печь присаживают известь.

 

7.1 Расчет расхода раскислительной  смеси

 

7.1.1 Определение избыточного кислорода  в ванне по расплавлении

 

Произведем расчет расхода раскислительной смеси. Для начала определим количество избыточного кислорода в ванне по расплавлении. Для этого примем расход 45-% ферросилиция равным 0,25 кг, а расход алюминия –– 0,01 кг. Ферросилиций внесет кремния:

Принимаем что 50% кремния (0,0563) усваивается металлом, а 50% (0,0562) окисляется. На окисление расходуется следующее количество кислорода:

При окислении кремния образуется SiO₂ в количестве:

При окислении алюминия образуется Al₃O₃ в количестве:

 

На окисление алюминия потребуется  кислорода:

 

Ванна в момент расплавления содержит избыточный кислород в виде оксидов. Определим  количество этого избыточного  кислорода, приняв во внимание, что по ходу восстановительного периода количество шлака может увеличиться на 0,5–2,0 кг. При этом содержание оксидов в шлаке составляет: FeO = 0.6–1.0%; Fe₂O₃ = 0.15–0.3%; MnO = 1.0–3.0%; Cr₂O₃ = 1.8–3.0%; TiO₂ = 0,01–0,1%;

Принимаем, что количество шлака в восстановительный период увеличится до 7,5 кг, а содержание оксидов в золе шлака будет составлять: FeO = 0.6%; Fe₂O₃ = 0.16%; MnO = 1.0%; Cr₂O₃ = 2.4%; TiO₂ = 0,05%;

В конце восстановительного периода  в шлаке будет находиться, кг:

 

MnO   ;

 

FeO  

 

Fe₂O₃  

 

Cr₂O₃    

 

Р₂О₅    

 

TiO₂       

 

Избыток кислорода в  шлаке в начале восстановительного периода определили, используя вышеприведенные данные (таблица 4).

Содержание кислорода  в металле в конце восстановительного периода может составлять 0,004–0,008%. Примем эту величину равной 0,005%. Тогда  содержание кислорода по сравнению  с периодам плавления уменьшится  на

0,015 – 0,005 = 0,01кг.

Удельное поступление  кислорода из атмосферы печи в  ванну в восстановительный период плавки составляет 5,0–7,5 кг/(м²∙ч).

Поступление кислорода  на всю садку печи определим по формуле:

 

                                                           (22)

где μ – удельное поступление  кислорода из атмосферы печи, кг/(м²∙ч);

      R – радиус зеркала ванны на уровне порога рабочего окна, м;

      τ – продолжительность  восстановительного периода, ч; 

принимаем: μ=6,0 кг/(м²∙ч).; R=1,6м; τ =1,25ч;

Тогда:                                 А= 6,0 ∙ 3,14 ∙ 1,6² ∙ 1,25 = 60,3кг;

В пересчете на 100 кг шихты это  составит :

 

Таким образом, избыток кислорода  в ванне с учетом его содержания в шлаке в начале восстановительного периода, уменьшения кислорода в металле к концу восстановительного периода и поступления кислорода из атмосферы печи, а также потребности кислорода на окисление кремния ферросилиция и алюминия составит:

 

0,273+0,01+0,6–0,064–0,089=0,752 кг;

 

 

7.1.2 Определение восстановительной способности раскислительной смеси

 

 Расчет восстановительной способности  ведем на 1 кг раскислительной  смеси. В качестве раскислительной  смеси используется смесь следующего состава:

 

Известь –– 4 части;

Кокс –– 2части;

Ферросилиций ФС75 –– 1часть;

Плавиковый шпат –– 1часть;

ИТОГО –– 8 частей.

В 1 кг раскислительной смеси содержится кремния:

Из этого количества кремния 50% (0,0469кг) окисляется, а 50% (0,0469кг) переходит в металл.

С одного кг раскислительной смеси  поступает углерода:

Углерод смеси окисляется полностью. Один кг раскислительной смеси свяжет кислорода:

Расход окислительной смеси для связывания всего избыточного кислорода в ванне составит:

Для получения такого количества смеси  потребуется, кг:

 

Извести 

Кокса  

 

Ферросилиция ФС75   

 

Плавикового шпата 

 

7.2 Определим расход ферросплавов.

 

Принятые значении  содержания (%) оксидов марганца, хрома, железа, фосфора в конечном шлаке значительно  ниже их содержания в шлаке по расплавлению (таблица4). Эти оксиды восстанавливаются, а восстановленные элементы переходят в металл. Результатом этого является экономия дорогостоящих ферросплавов.