Кислородно-конвертерная плавка при переделе обыкновенных чугунов

Министерство образования и науки Украины

Приазовский государственный технический университет

Кафедра металлургии стали им. И.Г. Казанцева

КУРСОВАЯ РАБОТА

По предмету: «Теория и технология производства стали в конвертерах и мартеновских печах»

На тему: «Кислородно-конвертерная плавка при переделе обыкновенных чугунов»

Выполнил ст.гр. И-07-МС1

Луценко Р.В.

Проверил проф. Бакст В.Я.

Мариуполь 2009

СОДЕРЖАНИЕ

Исходные данные………………………………………………………...…...…..3

1. Определение температуры металла в конце продувки…………….…......….4

2. Расчет материального баланса плавки………………………………….….....5

3. Расчет теплового баланса плавки……………………………...…………….22

Перечень источников………………………………………………..…………..34

ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ

Вместимость конвертора 130т;

Химический состав чугуна и лома – таблица 1.1;

Температура жидкого чугуна 13400С;

Марка выплавляемой стали 10ХСНД;

Интенсивность продувки ванны 3,3 нм3/(т•мин);

Химический состав чугуна, лома и готовой стали сводим в таблицу.

Табл. 1.1 Состав чугуна, лома и стали

1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ МЕТАЛЛА В КОНЦЕ ПРОДУВКИ

Требуемую температуру металла в конце продувочной операции находим последовательным расчётом.

Температура плавления (ликвидуса) стали:

tликв = 1539 – 88%С – 8%Si – 5%Mn – 4%Ni – 5%Cu – 2%V – 1,5%Cr – 25%Ti – 30%P.

tликв = 1539 – 88•0.09 – 8•0.8 – 5•0.5 – 4•0.5 – 5•0.4 – 1,5•0.6 – 30•0.35 = 15070С

Температура стали в кристаллизаторе:

tкр = tликв + (10÷150C);

tкр = 1507 + 13 = 1520 0C

Определяем температуру металла в промковше:

tпр.к = tкр + (15÷200C);

tпр.к = 1520 + 17 = 1537 0C

Температура металла в стальковше:

tcт.к = tпр.к + (10÷200C);

tcт.к = 1537 + 20 = 1557 0C

Необходимая температура металла перед внепечной обработкой:

tвнеп = tcт.к + (10÷200C);

tвнеп = 1557 + 17 = 1574 0C

Определяем температуру металла в конверторе по окончании продувки:

tкм = tвнеп + (30÷400C);

tкм = 1574 + 40 = 1614 0C

2. РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ПЛАВКИ

Расчет ведется на 100 кг металлошихты (чугун + лом).

Предварительное определение расхода лома.

= [(3000 + 6430 + 1680 + 4720 + 21 + 4200) –

– (25,2+ + 2730)]/(30 + 64,3 + 16,8 + 47,2 + 0,21), кг (2.1)

где , , , – содержание соответствующих элементов в чугуне, %;

, – соответственно температура заливаемого в конвертер чугуна и температура металла в конце продувки, ;

– содержание углерода в металле в конце продувки, %. (принимаем равным нижнему пределу в готовой стали).

= [(3000•4 + 6430•0.8 + 1680•0.5 + 4720•0.04 + 21•1340 + 4200) –

- (25,2•1614 + 2730•0.09)]/(30•4 + 64,3•0.8 + 16,8•0.5 + 47,2•0.004 + 0,21•1340) = (50513 – 40919) / 463 = 20,72 кг

Расход чугуна, кг

= 100 - =100 -20,72 = 79,28 кг (2.2)

Расход миксерного шлака составляет 0,6 – 0,9% от массы чугуна, кг

Принимаем

= (0,006 ÷ 0,009)Мч (2.3)

= 0,008 • 79,28 = 0,63 кг

Для выполнения дальнейших расчетов принимаем:

Количество загрязнений, вносимых ломом, кг

= 0,0065 ∙ = 0,0065 • 20,72 = 0,13 кг (2.4)

Расход плавикового шпата в зависимости от параметров технологии находится в пределах 0,2 – 0,5 кг.

Принимаем

= 0,4 кг (2.5)

Расход футеровки составляет 0,2 – 0,3 кг.

Принимаем

= 0,3 кг (2.6)

Количество окалины, внесенной ломом, кг

= 0,012 ∙ = 0,012 • 20,72 = 0,25 кг (2.7)

Количество примесей, внесенных металлошихтой, кг

= 0,01(∙+ ∙) (2.8)

= 0,01(∙ + ∙) (2.9)

= 0,01(∙ + ∙) (2.10)

= 0,01(∙ + ∙) (2.11)

= 0,01(∙ + ∙) (2.12)

где , – соответственно масса чугуна и лома, кг;

, , , , , , , , , – содержание углерода, кремния, марганца, фосфора, серы соответственно в чугуне и ломе, %.

= 0,01(79,28 ∙ 4 + 20,72 ∙ 0,35) = 3,24 кг

= 0,01(79,28 ∙ 0,8 + 20,72 ∙ 0,4) = 0,72 кг

= 0,01(79,28 ∙ 0,5 + 20,72 ∙ 0,25) = 0,45 кг

= 0,01(79,28 ∙ 0,04 + 20,72 ∙ 0,04) = 0,04 кг

= 0,01(79,28 ∙ 0,04 + 20,72 ∙ 0,05) = 0,42 кг

Расход извести на плавку (), кг

Основность конечного шлака в зависимости от состава чугуна и марки выплавляемой стали (требуемых показателей дефосфорации и десульфурации) находится в пределах 3,0 – 3,6

Принимаем для расчета основность конечного шлака = 3,4

=

,кг (2.13)

– содержание кремния в металлошихте;

, и т.д. – содержание кремнезёма в используемых материалах;

, – содержание оксида кальция в используемых материалах (Табл.2.1)

, и т.д. – расход материалов.

Таблица 2.1 Химический состав неметаллической части шихты и других материалов, кроме оксидов железа и летучих

= {3,4[2,14•0,72 + 0,01(0,4•4,5 + 0,3•3,4 + 0,63•54,5 + 0,13•68,0)] – 0,01(0,4•7,6 +0,3•40,3 + 0,63•7,5 + 0,13•3,0)} / 0,01(90,0 – 1,5•3,4) =

= {3,4[1,54 + 0,01•50,2] – 0,01•20,25} / 0,849 = {6,94 - 0,2025} / 0,849 = 7,94 кг

Содержание оксидов железа в конечном шлаке:

= . (2.14)

где – температура металла в конце продувки, .

= 1,25 + 4∙3,4 + 0,3 / 0,09 + ∙1614 = 20.78 %

= ; = ,

= 0.667∙20.78 = 13.86 %

= 20.78 – 13.86 = 6.92 %

(предполагаем, что на 2/3 состоит из (%FeO)к и на 1/3 – из

Ориентировочный выход жидкого металла в конце продувки ()

Принимаем, что за время продувки окисляется весь кремний, 80 % марганца, 90 % фосфора. Потери железа с отходящими газами, выбросами, со шлаком (в виде корольков) превышают количество железа, восстановленного из оксидов, окалины, загрязнений скрапа и других материалов на 3,5 – 4,5 %.

В расчете принимаем эти потери = 3,5 %. Тогда

= , кг (2.15)

где , и т.д. – количество примесей, вносимых металлошихтой, кг;

= 100 – [(3,24 – 0,09) + 0,72 + 0,8∙0,45 + 0,9∙0,04 + 3,5] = 92,23 кг

Ориентировочное количество шлака:

= =,

где , и т.д. – расход материалов;

, и т.д. – содержание оксидов в материалах.

= 100∙[(2,14∙0,72 + 1,032∙0,45 + 2,061∙0,04) + 0,01∙(0,4∙94 + 0,63∙83,7 + +7,94∙95,5 + 0,13∙97,0)] / [100 – 20,78] =

= 100∙[2,09 + 0,01∙861,2] / 79,22 = 13,51 кг

Уточнение количества примесей в металле в конце продувки:

Содержание углерода в металле должно соответствовать нижнему пределу его в готовой стали.

Содержание марганца определяем из балансового уравнения распределения марганца между шлаком и металлом:

= )]/

/,% (2.17)

– константа равновесия реакции окисления марганца, определяемая из уравнения:

lg = lg = ,

где

Т = + 273 = 1614 + 273 = 1887 К,

lg = - 3,06 = 0,2415, отсюда = 1,74

= [(79,28∙0,5 + 20,72∙0,25) + 0,775(0,63∙9,4)] / [92,23 + + 20,78∙1,74∙13,51∙0,775] = [44,82 + 4,59] / 470,8 = 0,104 %

Содержание фосфора:

= , (2.18)

где

=

коэффициент распределения фосфора между металлом и шлаком, определяемый из табл.2.2

Табл. 2.2 Значения коэффициента распределения фосфора

При (%FeO)к = 13,86 %, и основности 3,4 :

Lp = 105

= = = 0,005 %

Содержание серы:

= , % (2.19)

где – коэффициент распределения серы металлом и шлаком, принимаемый по табл. 2.3.

Табл. 2.3 Значения коэффициента распределения серы

При основности 3,4 = 8,3

= = = 0.025 %

Содержание кремния в металле в конце продувки принимаем равным нулю.

= 0.

Уточненный химический состав металла в конце продувки, %:

= = 0,09 % ;

= = 0,104 % ;

= 0 %;

= = 0,005 % ;

= = 0,025 % ;

Остается примесей в металле, кг:

Углерода – = ∙/100 (2.20)

= 0,09∙92,23/100 = 0,083 кг

Кремния = 0;

Марганца – = ∙/100 (2.21)

= 0,104∙92,23/100 = 0,096 кг

Фосфора – = ∙/100 (2.22)

= 0,005∙92,23/100 = 0,0046 кг

Серы – = ∙/100 (2.23)

= 0,025∙92,23/100 = 0,023 кг

Удаляется примесей, кг:

= . (2.24)

= . (2.25)

= (2.26)

= (2.27)

= (2.28)

= 3,24 – 0,083 = 3,157 кг

= 0,72 - 0 = 0,72 кг

= 0,45 – 0,096 = 0,354 кг

= 0,04 - 0,0046 = 0,0354 кг

= 0,42 – 0,023 = 0,397 кг

Всего окисляется примесей, кг:

= + + + + ; (2.29)

= 3,157 + 0,354 + 0,72 + 0,0354 + 0,397 = 4,66 кг

Образуется оксидов, кг:

Принимаем, что 90 % углерода окисляется до СО и 10 % до .

= 2,1∙ (2.30)

= 0,37∙ (2.31)

= 2,14∙ (2.32)

= 1,29∙ (2.33)

= 2,29∙ (2.34)

= 2,1∙ 3,157 = 6,63 кг

= 0,37∙ 3,157 = 1,17 кг

= 2,14∙0,72 = 1,54 кг

= 1,29∙0,354 = 0,46 кг

= 2,29∙0,0354 = 0,08 кг

Количество шлакообразующих оксидов (кроме оксидов железа и соединений, внесенных металлошихтой и другими материалами), кг:

= +

. (2.35)

=

. (2.36)

=+ (2.37)

=

. (2.38)

=

. (2.39)

= + . (2.40)

= . (2.41)

= + . (2.42)

= 1,54 + 0,01(7,94∙1,5 + 0,4∙4,5 + 0,63∙54,5 + 0,3∙3,4 + 0,13∙68,0) = 2,119 кг

= 0,01(7,94∙0,8 + 0,4∙0,9 + 0.63∙8,6 + 0,3∙1,4 + 0,13∙24,0) = 0,157 кг

= 0,46 + 0,01(0,63∙9,4) = 0,519 кг

= 0,01(7,94∙90,0 + 0,4∙7,6 + 0,63∙7,5 + 0,3∙40,3 + 0,13∙3,0) = 7,348 кг

= 0,01(7,94∙3,0 + 0,63∙3,3 + 0,3∙52,8 + 0,13∙2,0) = 0,429 кг

= 0,08 + 0,01(0,63∙0,2 + 7,94∙0,1) = 0,089 кг

= 0,01(0,4∙81,0) = 0,324 кг

= 0,397 + 0,01(7,94∙0,1 + 0,63∙0,2) = 0,406 кг

Общее количество шлакообразующих, оксидов и соединений (кроме оксидов железа), кг:

= + + + + + + + .(2.43)

= 2,119 + 0,157 + 0,519 + 7,348 + 0,429 + 0,089 + 0,324 + 0,406 = 11,391 кг

Уточненное количество конечного шлака, кг:

= (2.44)

= = 14,379 кг

Табл. 2.4 Химический состав конечного шлака, %

(%CaO) = и т. д.

(%SiО2) = = 14,74 %

(%CaO) = = 51,10 %

(%MgO) = = 2,98 %

(%MnO) = = 3,61 %

(%P2О5) = = 0,63 %

(%S) = = 2,82 %

(%Al2O3) = = 1,09 %

(%CaF2) = = 2,25 %

Фактическая основность шлака по данным табл. 2.4

= ; (2.45)

= 51,10 / 14,74 = 3,47

Уточненный выход жидкого металла в конце продувки, кг

= , (2.46)

где

= +

количество железа, восстановленного из оксидов железа шихты;

= 0,007(0,3∙2,1 + 0,0065∙20,72∙3,0 + 0,012∙20,72∙69,0) + 0,0078(0,63∙16,3 + + 0,012∙20,72∙31,0) = 0,367 кг

=

количество железа, израсходованного на образование оксидов железа шлака;

= 0,007∙14,379∙6,92 + 0,0078∙14,379∙ 13,86 = 2,251 кг

Принимаем:

= 1,2кг – угар железа в дым;

= 0,8кг – потери железа с выбросами;

= – потери железа в шлаке в виде корольков, кг

= 0,08∙14,379 = 1,15 кг

= – количество оксидов железа в дыме, кг

= 1,43∙1,2 = 1,716 кг

= (100 + 0,367) – (4,66 + 2,251 + 1,2 + 0,8 + 1,15) = 90,31 кг

Расход кислорода, кг

, (2.47)

где k – степень усвоения кислорода ванной (принимаем 97 %);

n – чистота кислорода (принимаем 99,5 %);

=, кг (2.48)

= 1,2∙3,157 + 0,27∙3,157 + 1,14∙ 0,72 + 0,29∙ 0,354 + 1,29∙0,0354 + +0,01∙14,379∙[0,429∙6,92 + 0,29∙13,86] + 0,429∙1,2 = 7,13 кг

= + =

, кг (2.49)

= 0,0043(0,3∙2,1 + 0,0065∙20,72∙3,0 + 0,012∙20,72∙69,0) + 0,0029(0,63∙16,3 + 0,012∙20,72∙31,0) + 0,0027∙7,94∙1,0 = 0,078 + 0,253 + 0,021 = 0,352 кг

Мдутья = (7,13 – 0,352) ∙ 10000 / (97∙99,5) = 7,023 кг

Расход кислорода , нм3

= Мдутья∙ 22,4/32 = 0,7 Мдутья .

= 0,7∙7,023 = 4,916 нм3

Определяем продолжительность продувки, мин

,

где - интенсивность продувки, нм3/(т∙мин) - (задана).

= = 14,9 мин.

Количество и состав конвертерных газов:

= + ; кг (2.50)

= ∙22,4/44; нм3

= 1.17 + 0.01(7,94∙3,5 + 0,4∙6,0) = 1,472 кг

= 1,472∙22,4/44 = 0,749 нм3

= , кг (2.51)

= ∙22,4/28; нм3

= 6,63 кг

= 6,63С22,4/28 = 5,304 нм3

= ; кг (2.52)

= ∙22,4/18; нм3

= 0,007(7,94∙1,0) = 0,056кг

= 0,056∙22,4/18 = 0,07 нм3

= ; кг (2.53)

= ∙22,4/2 ; нм3

= 0,003(7,94∙1,0) ∙ 2/18 = 0,003 кг

= 0,003∙22,4/2 = 0,034 нм3

= 0,005∙; кг (2.54)

= ∙22,4/28; нм3

= 0,005∙7,023 = 0,035 кг

= 0,035∙22,4/28 = 0,028 нм3

= 0,003∙; кг (2.55)

= ∙22,4/32; нм3

= 0,003∙7,023 = 0,021 кг

= 0,021∙22,4/32 = 0,015 нм3

= + + + ΣН2 + + ., кг (2.56)

= + + + + + . нм3

= 6,63 + 1,472 + 0,056 + 0,003 + 0,035 + 0,021 = 8,217 кг

= 5,304 + 0,749 + 0,07 + 0,034 + 0,028 + 0,015 = 6,2 нм3

Табл. 2.5 Количество и состав газов

Составляем сводную таблицу материального баланса.

Табл. 2.6 Материальный баланс плавки (до раскисления)

Невязка = = = 0,087%

Допустимая невязка 0,2%

3. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ПЛАВКИ

Расчет ведется на 100 кг металлошихты.

ПРИХОД ТЕПЛА:

= , кДж, (3.1)

где – физическое тепло жидкого чугуна;

– химическое тепло реакций окисления примесей металлошихты;

– химическое тепло реакций шлакообразования;

– химическое тепло реакций образования оксидов железа шлака;

– химическое тепло испарения железа до оксида железа;

– физическое тепло миксерного шлака.

Физическое тепло жидкого чугуна, кДж

= (3.2)

где – количество чугуна, кг;

– теплоемкость твердого чугуна (0,755 кДж/(кг · град);

– теплоемкость жидкого чугуна (0,92 кДж/(кг · град);

– температура заливаемого в конвертер чугуна, ;

– температура плавления (ликвидуса) чугуна (1150 – 1200 );

– скрытая теплота плавления чугуна (218 кДж/кг).

= 79,22[0,755∙1150 + 218 + (1340 – 1150) ∙ 0,92] = 99900,4 кДж

Химическое тепло окисления примесей металлошихты, кДж

Табл. 3.1 Химическое тепло окисления примесей

Химическое тепло реакций шлакообразования, кДж

Принимаем, что весь SiO2 и P2O5 в шлаке связываются в соединения с оксидом кальция по реакциям:

SiO2+ 2СаО = кДж/ кг

P2O5 + 4СаО = кДж/ кг

тогда

= ; (3.3)

= 2,119∙2300 + 0,089∙4860 = 5301,4 кДж

Химическое тепло реакций образования оксидов железа шлака, кДж

= ,

где – количество тепла железа, окислившегося до ;

– количество тепла железа, окислившегося до .

кДж/кг;

кДж/кг.

= ; (3.4)

= 0,007∙14,379∙6,92∙7320 + 0,0078∙14,379∙13,86∙4820 = 12591,1 кДж

Химическое тепло реакций окисления железа до оксида железа дыма, кДж

= , (3.5)

= 1,2∙7370 = 8844 кДж

Физическое тепло миксерного шлака, кДж

= , (3.6)

где – средняя температура миксерного шлака, ;

=

= 1340 – 16 = 1324

– средняя теплоемкость миксерного шлака, кДж/(кг∙град)

= ;

= 0,73 + 0,00025(1324 + 273) = 1,13 кДж/(кг∙град)

= 210 кДж/кг – скрытая теплота плавления миксерного шлака;

= 0,63(1,13∙1324 + 210) = 1074,9 кДж

= 99900,4 + 65065,6 + 5301,4 + 12591,1 + 8844 + 1074,9 = 192777,4

Расход тепла, кДж

= , (3.7)

где – физическое тепло жидкой стали;

– физическое тепло конечного шлака;

– тепло отходящих газов;

– тепло диссоциации влаги, вносимой шихтой;

– тепло диссоциации шихтовых материалов;

– тепло диссоциации оксидов железа, внесенных шихтой;

– тепло, уносимое оксидом железа дыма;

– тепло, уносимое железом выбросов;

– тепло, уносимое железом корольков;

– потери тепла на нагрев футеровки, излучением через горловину, на нагрев воды, охлаждающей фурму и другие неучтенные потери.

Физическое тепло жидкой стали, кДж

= , (3.8)

где = 0,70 кДж/(кг · град) – теплоемкость твердого металла;

= 0,84 кДж/(кг · град) – теплоемкость жидкого металла;

– температура металла в конце продувки;

– температура плавления (ликвидуса) металла, ;(см. раздел 1)

= 285 кДж/кг – скрытая теплота плавления металла.

= 90,31[0,70∙1507 + 285 + (1614 – 1507) ∙ 0,84] = 129123,4кДж

Физическое тепло жидкого шлака, кДж

= , (3.9)

где

= 0,73 + 0,00025 – средняя теплоемкость конечного шлака,

= 0,73 + 0,00025(1614 + 273) = 1,2 кДж/(кг · град)

= 210 кДж/кг – скрытая теплота плавления шлака;

= 14,379(1,2∙1614 + 210) = 30868,8 кДж

Тепло, уносимое отходящими газами, кДж

Среднюю температуру отходящих газов принимаем равной средней температуре металла во время продувки:

= = = 1477

= Σ, (3.10)

где – количество составляющей отходящих газов, и т.д., нм3 (см. табл. 2.5);

- средняя теплоёмкость газов, кДж/(м3∙град) (из табл. 3.2 заносим в табл. 3.3)

Табл. 3.2 Теплоёмкость газов

Табл. 3.3 Тепло отходящих газов

Тепло диссоциации влаги, вносимой шихтой, кДж

При диссоциации влаги по реакции:

= + 0,5 – 242000 кДж/(кг - моль)

поглощается тепла

= · 242000 кДж, (3.11)

= = 367,3 кДж

Тепло диссоциации шихтовых материалов, кДж

При диссоциации шихтовых материалов по реакции:

= + СО2 – 4025 кДж/кг СО2 поглощается тепла:

= = ; (3.12)

= 1,472∙4025 = 5924,8 кДж

Тепло диссоциации оксидов железа, внесенных шихтой, кДж

При диссоциации оксидов железа, внесенных шихтой и футеровкой, поглощается тепла:

= , (3.13)

где – количество тепла, теряемого ванной при диссоциации оксидов железа по реакции:

= – 5160 кДж/кг ;

– количество тепла, теряемого ванной при диссоциации закиси железа по реакции:

= – 3750 кДж/кг ;

= ; (3.14)

= 0,01(0,3∙2,1 + 0,0065∙20,78∙3,0 + 0,012∙20,78∙69,0) = 0,182 кДж/кг

= ; (3.15)

= 0,01(0,63∙16,3 + 0,012∙20,78∙31,0) = 0,18 кДж/кг

тогда

= ; кДж

= 0,182∙5160 = 939,1 кДж

= ; кДж

= 0,18∙3750 = 675 кДж

= 939,1 + 675 = 1614,1 кДж

Тепло, уносимое оксидом железа дыма, кДж

= , (3.16)

где = 0,88 кДж/кг;

= 1,716∙0,88∙1477 = 2230,4 кДж

Тепло, уносимое железом выбросов, кДж

= , (3.17)

где = = 0,84 кДж/(кг · град);

= 0,8∙0,84∙1477 = 992,5 кДж

Тепло, уносимое железом корольков, кДж

= , (3.18)

где = = 0.84 кДж/(кг · град); =

= 1,15∙0,84∙1477 = 1426,8 кДж

Потери тепла на нагрев футеровки конвертера, излучением через горловину, с охлаждающей водой и т.д. составляют обычно 1,5 – 3,0% от прихода тепла, кДж

Принимаем эти потери f = 2,5 %

= (3.19)

= 192777,4∙2,5/100 = 4819,4 кДж

= 129123,4 + 30868,8 + 14458,3 + 367,3 + 5924,8 + 1614,1 + 2230,4 + 992,5 + 1426,8 + 4819,4 = 191825,8 кДж

Табл. 3.4Тепловой баланс плавки

Избыток тепла

∆Q = 192777,4 – 191825,8 = 951,6 кДж

Невязка составляет

= 0,49 %

Определяем расход материалов на плавку

Табл. 3.5 Расход материалов

ПЕРЕЧЕНЬ ИСТОЧНИКОВ

1. Бигеев А.М. Основы математического описания и расчеты кислородно – конвертерных процессов / А.М. Бигеев, Ю.А. Колесников.- М.: Металлургия, 1970.-232с.

2. Якушев А.М. Справочник конвертерщика / А.М. Якушев. – Челябинск : Металургия, 1990.- 448с.

3. Баптизманский В.И. Конвертерные процессы производства стали / В.И.Баптизманский, М.Я. Меджибожский, В.Б.Охотский.- К. – Д. : Высшая школа, 1984 – 343с.