Теоретические основы

3.1.2 Теоретические основы

Существуют различные способы борьбы с серой, а вот с азотом возникают проблемы.

Так американские исследования фирмы «ФРУЭХЕН» показали, что даже в вакууме удалить больше (10 – 15)% азота не удаётся. И лишь если концентрация серы в металле < 0,003% можно удалить больше азота.

Разработки последних лет российских, японских и американских учёных показали, что обработка металла шлаковыми смесями, с высокой нитридной ёмкостью и низкой окисленностью, позволяет удалить до 40% азота из низколегированных марок стали.

Так в США используют шлаковые смеси с высоким содержанием TiO₂ и BaO (до 45% – 50% каждого). В следствии этого эти смеси имеют высокую стоимость, а также при высоком содержании TiO₂ титан восстанавливается и переходит в металл.

В проекте выбраны и рассчитаны шлаковые смеси с низким содержанием TiO₂ (от 10% до 30%)

Основными уравнениями данного расчёта являются уравнения коэффициентов распределения серы и азота:

lgL_S = lgC_S + lgP_O2^-1/2 + DG/(2,3×R×T) + lgf_S, (1)

где (С) – концентрация серы в шлаке, %;

[S] – концентрация серы в металле, %;

L_S – коэффициент распределения серы;

С_S – сульфидная ёмкость шлака;

P_O2 – парциальное давление кислорода, атм.;

f_S – коэффициент активности серы;

Т – температура металла, К.

DG = – 72000 – 9,92×T (2)

lgL_N = lgC_N –3/4×lgP_O2 +lgf_N + 850/T + 0,905, (3)

где С_N – нитридная ёмкость шлака;

L_N – – коэффициент распределения азота.

Сульфидная ёмкость шлака определяется через оптическую основность шлаковой смеси./27/:

LgC_S = , (4)

где l – оптическая основность смеси.

Нитридная ёмкость шлака определяется через оптическую основность смеси /28/:

LgC_N = 9,087 – 27,67l (5)

Величина оптической основности смеси определяется по следующей формуле:

, (6)

где l_i – оптическая основность компонента;

N_i – эквивалентные катионные доли компонентов.

Эквивалентные катионные доли находим по уравнению:

, (7)

где V_i – заряд аниона в компоненте;

n_i – число анионов в компоненте;

x_i – мольная доля компонента.

Мольная доля компонента находится:

, (8)

где (%)_i – содержание компонента в смеси, %;

М_i – молярная масса i-го компонента.

Основными реакциями для расчёта парциального давления кислорода является:

2 [Al] + 3 [O] = (Al₂O₃) lgK₁ =

1/2O_2(г) = [O] DG₂ = – 117000 – 2,89×T

, (9)

где К₁ – константа равновесия первой реакции;

[Al] – концентрация алюминия в металле, %;

a_(Al2O3) – активность Al₂O₃ в шлаке;

К₂ – константа равновесия второй реакции.

LgK₂ = – DG₂/(2,3×R×T) (10)

Коэффициенты активности серы и азота находят из выражения:

lgf_i, (11)

где е_i^j – параметр взаимодействия;

[j] – концентрация j-го элемента в металле, %.

Зная коэффициенты распределения серы и азота, мы можем найти степень рафинирования металла от этих примесей по выражению:

, (12)

где R_i – степень рафинирования от i-го элемента, %;

m_шл – масса шлаковой смеси, кг/т металла;

m_Ме – масса металла, кг.

3.1.3 Постановка задачи

Рассчитать степень рафинирования металла от серы и азота нетрадиционными шлаковыми смесями, в составе которых есть TiO₂

3.1.4 Описание алгоритма

1. Для расчёта необходимо ввести химический состав металла, который будем рафинировать; состав шлаковой смеси, температуру металла.

2. Определим мольные доли компонентов по формуле (8).

3. Рассчитаем эквивалентные катионные доли по уравнению (7).

4. Вычисляем оптическую основность смеси по формуле (6).

5. Рассчитываем сульфидную и нитридную ёмкости шлаковой смеси по формулам (4) и (5) соответственно.

6. Определяем по формулам (10) и (9) парциальное давление кислорода.

7. По выражению (11) находим коэффициенты активности серы и азота.

8. Подставляя найденные значения в уравнение (3) определяем коэффициент распределения азота.

9. Подставляя (2) в (1) и используя результаты предыдущих расчётов по уравнению (1) находим коэффициент распределения серы.

10. Задаваясь расходом шлаковой смеси на 1 т. металла, по выражению (12) находим степень рафинирования металла от серы и азота.

11. Зная цены отдельных компонентов (табл. 8), рассчитываем стоимость 1 т. заданной шлаковой смеси по формуле:

Ц = åЦ_i×С_i, (13)

где Ц – цена шлаковой смеси, $/т.;

Ц_i – цена отдельных компонентов смеси, $/т.;

С_i – доля компонента в смеси.

Таблица 8. Стоимость основных компонентов

12. Зная расход шлаковой смеси на 1 т. металла рассчитаем, сколько она внесёт в себестоимость 1 т. металла:

Ц_уд = m_шл×Ц, (14)

где Ц_уд – цена шлаковой смеси на 1 т. стали, $/т.;

m_шл – расход шлаковой смеси на 1 т. стали, т./т.

13. В одной системе координат строим графики зависимостей:

а). R_S = f (m_шл, (%)_TiO2);

б). R_N = f (m_шл, (%)_TiO2).

По данной математической модели была написана компьютерная программа «DIPL.PAS», позволяющая произвести расчёты оптимального состава нетрадиционной шлаковой смеси, для совместного рафинирования от серы и азота, а также выбрать оптимальный с технологической точки зрения расход этой шлаковой смеси. Результаты расчётов в ПРИЛОЖЕНИИ 1.

В табл. 9 и табл. 10, а также на рис. 1 представлены общие результаты проведённых расчётов по десульфурации и деазотации металла на агрегате «ковш-печь».

Таблица 9. Степень десульфурации

Таблица 10. Степень деазотации

Из рис. 1 видно, что оптимальным составом шлака является шлаковая смесь с содержанием TiO₂ 20% и расходом (12,5 – 15) кг/т

Полученные результаты позволяют сделать вывод о целесообразности разработки данной технологии обработки металла нетрадиционными шлаковыми смесями.

Рис. 1

Похожие работы

Влияние водорода на свойства стали

Скачать

125580

26

5

... содержанием в них углерода, от качества которого и зависит закаливаемость стали. Прокаливаемость определяется присутствием легирующих элементов. В условиях полной прокаливаемости механические свойства стали мало зависят от характера легированности. Исключение составляет никель и молибден, повышающие сопротивление хрупкому разрушению. В т же время никель увеличивает пластичность и вязкость стали, ...