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

Материалы	Элементы
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu
Чугун жидкий	4	0,8	0,5	0,04	0,04	-	-	-
Металлический лом	0,35	0,4	0,25	0,04	0,05	-	-	-
Состав стали 10ХСНД	Не более 0,12	0,8-1,1	0,5-0,8	Не более 0,35	Не более 0,04	0.6-0.9	0.5-0.8	0.4-0.6

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

Состав Материалы	SiO2	Al2O3	MnO	CaO	MgO	P2O5	S	CaF2	∑m*)	Fe2O3	FeO	CO2	H2O
Известь	1,5	0,8	-	90,0	3,0	0,1	0,1	-	95,5	-	-	3,5	1,0
Плавиковый шпат	4,5	0,9	-	7,6	-	-	-	81,0	94,0	-	-	6,0	-
Футеровка	3,4	1,4	-	40,3	52,8	-	-	-	97,9	2,1	-	-	-
Загрязнения лома	68,0	24,0	-	3,0	2,0	-	-	-	97,0	3,0	-	-	-
Окалина лома	-	-	-	-	-	-	-	-	-	69,0	31,0	-	-
Ковшевой шлак	54,5	8,6	9,4	7,5	3,3	0,2	0,2	-	83,7	-	16,3	-	-

= {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

Основность шлака	Lp при содержании (%FeO)к
	6	8	10	12	14	16 и более
3,0	57	64	73	82	91	100
3,2	64	71	80	89	98	107
3,4	71	78	87	96	105	114
3,6	77	85	94	103	112	120

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

Основность Вк	3,0	3,2	3,4	3,6
Коэффициент ηs	7,2	7,8	8,3	8,7

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, %

SiО2	CaO	MgO	MnО	P2О5	S	Fe2О3	FeO	Al2O3	CaF2	Итого
14,74	51,10	2,98	3,61	0,63	2,82	6.92	13.86	1,09	2,25	100,00

(%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

Газ	кг	нм3	%
CO2 CO H2O H2 N2 O2	1,472 6,63 0,056 0,003 0,035 0,021	0,749 5,304 0,07 0,034 0,028 0,015	12,1 85,5 1,1 0,6 0,5 0,2
Итого:	8,217	6,2	100

Составляем сводную таблицу материального баланса.

Табл. 2.6 Материальный баланс плавки (до раскисления)

Поступило, кг		Получено, кг
Чугун Лом Миксерный шлак Загрязнения лома Окалина лома Плавиковый шпат Известь Футеровка Дутье	79,28 20,72 0,63 0,13 0,25 0,4 7,94 0,3 7,023	Жидкий металл Шлак Газы Угар железа в дым Выбросы Железо корольков	90,31 14,379 8,217 1,716 0,8 1,15
Итого:	116,673	Итого:	116,572

Невязка =  =  = 0,087%

Допустимая невязка 0,2%