Определение основных параметров технологии плавки стали конверторе с верхней подачей дутья

 

Содержание

 

   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Выплавка стали в кислородных  конвертерах является наиболее распространенным и прогрессивным способом ее производства. Это связано с высокой производительностью агрегатов, относительной простотой их конструкции, высоким уровнем автоматизации процессов, гибкостью технологии плавки, позволяющей в сочетании с ковшевой обработкой и непрерывной разливкой получать качественную сталь различного сортамента.

По  своей сущности выплавка стали представляет из себя сложный комплекс физико–химических и тепловых процессов, протекающих в сталеплавильном агрегате в широком температурном интервале, Для профессионалов и специалистов, работающих в смежных областях, необходимо правильное понимание данных процессов и их взаимосвязей.

В производственной практике многообразие материалов, непостоянство их состава и температуры, недостаточная, а иногда и недостоверная, информация требуют систематической настройки параметров технологии плавки стали. При этом под технологией плавки понимают совокупность различных операций, приемов и методов, выполняемых в определенной последовательности и сочетании, для получения жидкого металла с заданными параметрами.

Конвертерные  процессы в наиболее простой форме  реализуют технологию выплавки стали, ее задачи и методы решения. При отсутствии практического опыта параметры технологии можно установить расчетным путем, используя различные математические модели процесса.

Объем и методы расчетов определяются уровнем  сложности поставленной задачи. На начальном этапе профессиональной подготовки специалистов простейшие примеры поэтапного ручного расчета параметров технологии выплавки стали с пояснениями целесообразности предпринимаемых действий могут служить исходной базой для понимания основ сталеплавильного производства.

Положительный опыт использования такой методики расчета параметров классической технологии выплавки стали в конвертере с верхней подачей дутья позволяет распространить ее на более современные варианты конвертерных процессов [1].

 

1 План вычислительного процесса

 

Расчет рекомендуется  проводить в следующей последовательности:

1. Определение параметров плавки в конце продувки
2. Определение расхода лома на плавку
3. Расчет окисления примесей металлической шихты
4. Расчет количества и состава шлака
5. Расчет расхода дутья
6. Расчет выхода жидкой стали перед раскислением и составление материального баланса плавки
7. Составление теплового баланса плавки и определение температуры металла
8. Расчет раскисления стали и ее химического состава
9. Расчет расхода материалов на всю плавку и выхода продуктов плавки
10. Определение удельной интенсивности продувки, продолжительности плавки и производительности агрегата.

 

2 Определение параметров плавки в конце продувки

 

В начале расчета  необходимо определить параметры, характеризующие состояние ванны жидкого металла в конце продувки: массу металла, его химический состав и температуру.

В соответствии с заданием вместимость конвертера составляет 130 т, а это значит, что в конце продувки в конвертере масса жидкого металла должна быть равна 130 т. Так как при продувке происходит окисление элементов металла и неизбежны потери железа, то исходная масса металлических материалов, из которых получают сталь (масса чугуна и лома), должна быть больше массы жидкой стали. Определение массы каждого из металлических материалов, загружаемых в конвертер, является одной из задач расчета плавки.

Химический  состав стали любой марки регламентируется стандартами или оговаривается  с заказчиком и должен соответствовать  установленным требованиям. В курсовой работе выплавляется сталь марки 08пс, состав которой представлен в таблице 1 и регламентируется ГОСТ 1050–74 [2].

 

Таблица 1 Химический состав выплавляемой марки стали

Марка стали	ГОСТ	Массовая доля элементов, %
		С	Si	Мn	Р	S
					не более
08пс	1050–74	0,05...0,11	0,05...0,17	0,35...0,65	0,035	0,04

Кроме того следует  учесть, что для осуществления  безаварийной разливки на машинах непрерывного литья заготовок содержание серы и фосфора в разливаемом металле не должно превышать 0,025 и 0,015% соответственно.

Известно, что  в классическом кислородно–конвертерном процессе количество лома, загружаемого на плавку, не превышает 30% от массы металлошихты (обычно 22...28%). Это обусловлено тепловым балансом плавки, когда расход лома как охладителя плавки определяется разностью приходной и расходной частей теплового баланса. При подаче холодного дутья снизу доля лома в шихте уменьшается (на 1...5% в зависимости от расхода и вида дутья).

В этих условиях исходная концентрация элементов в  металлошихте существенно превышает их содержание в марочном составе выплавляемой стали. Поэтому удаление избытка элементов (в основном углерода) является главной задачей окислительного рафинирования в процессе продувки металла кислородом.

Продувку желательно прекратить тогда, когда достигнуто требуемое содержание углерода в металле [С]_м. Для марки 08пс – это любое значение из марочного интервала 0,05...0,11%.

Однако целесообразно  ориентироваться на среднее значение из интервала; нижний предел – середина марочного интервала (0,05...0,08%). Это связано с возможностью поступления углерода в металл при раскислении ферросплавами.

При этом следует  иметь ввиду, что получение стали  с содержанием углерода ближе к верхнему пределу предпочтительнее с точки зрения расхода кислорода и раскислителей, массы жидкого металла, времени продувки и других технико–экономических показателей.

Таким образом, продувка металла в конвертере может  быть закончена, когда в металле  останется такая концентрация углерода, при которой последующий ввод материалов (раскислителей и легирующих) не приведет к выходу ее за указанные маркой стали пределы.

Учитывая все  вышеизложенное, выбираем [С]_м = 0,07%.

При продувке невозможно избежать практически полного окисления  кремния и большей части марганца (окисляется на 75...85%). Это значит, что остаточные содержания кремния и марганца окажутся в большинстве случаев меньше необходимых и потребуется вводить их в металл в виде специальных материалов (как правило, ферросплавов). При этом надо учитывать поступление в металл сопутствующих элементов (в том числе и углерода).

В производственных условиях, если после продувки реальная концентрация углерода не соответствует расчетным значениям, проводится коррекция: при высокой концентрации углерода металл додувают, при низкой – в металл на выпуске вводят углерод–содержащий материал (кокс, графит и др.). Однако любая коррекция является нежелательной, так как связана с дополнительными затратами материалов, энергии, времени и труда.

Температура металла  в конце продувки зависит от содержания углерода в металле, способа ковшевой обработки и типа разливки, так как это определяет необходимый запас тепла металла для сохранения его в жидком состоянии вплоть до разливки последних порций металла. Данная температура (t_м) равна сумме температуры начала затвердевания металла – температуры плавления (t_пл) и величины перегрева металла, учитывающего потери тепла от момента выпуска металла до окончания разливки (t_пер):

t_м = t_пл + t_пер

В этом случае температуру  плавления металла можно определить по формуле [3]

t_пл = 1539 – 80*[C]_м,

где  1539 – температура плавления чистого железа, °С;

[С]_м – содержание углерода в металле в конце продувки, %.

Величину перегрева  металла можно выбирать в пределах, указанных в табл. 2.

Для условий  примера расчета [С]_м = 0,07%.

Тогда t_пл = 1539 – 80*0,07 = 1533 или 1535°С (определять точнее, чем ± 5°С не имеет смысла, так как точность измерения температуры в производственных условиях находится в этих пределах).

Принимаем среднее  значение перегрева металла для непрерывной разливки с комбинированными способами ковшевой обработки металла, равным 120°С (см. таблица 2). В результате требуемая температура металла в конвертере в конце продувки должна быть

t_м = 1535+ 120= 1655°С (± 5°С).

 

Таблица 2 –  Величина необходимого перегрева металла в конвертере в зависимости от условий ковшевой обработки и разливки

Условия ковшевой обработки и разливки	Величина перегрева металла
1. Разливка в  изложницы сверху	75... 85
2. Разливка в  изложницы сифоном	90...110
3. Непрерывная разливка с предварительной продувкой металла в ковше инертным газом	100...120
4. Непрерывная  разливка с предварительным вакуумированием металла в ковше	110... 130
5. Непрерывная  разливка с комбинированными  способами ковшевой обработки  металла	120...150

 

Таким образом, в конце продувки в конвертере необходимо получить 130 т жидкого металла, содержащего 0,07% углерода и имеющего температуру 1655°С.

 

3 Определение расхода лома на плавку

 

Металлический лом является важнейшим, после жидкого чугуна, исходным железосодержащим материалом конвертерной плавки. Он выполняет роль основного охладителя процесса окислительного рафинирования, благодаря которому обеспечивается необходимая температура металла. Масса лома должна определяться из условий баланса тепла конвертерной плавки. Избыток тепла процесса расходуется на переработку эквивалентной массы лома.

Однако лом вносит химические элементы, участвующие в окислительном  рафинировании, как и элементы чугуна. Поэтому величина массы лома используется в начале расчета в уравнениях баланса элементов, а правильность выбора ее может быть установлена только в конце расчета при составлении теплового баланса плавки. Критерием оценки может служить рассчитанное значение температуры металла.

Для начала расчета можно  было бы выбрать расход лома произвольно из обычно наблюдаемого на практике интервала значений (20...25%), провести все расчеты до определения температуры металла, сравнить ее с требуемой и вернуться к началу расчета, скорректировать величину расхода лома и расчет повторить. Успех расчета (кратность повторения) зависит от удачного первоначального выбора.

Для быстрого приближения  используют эмпирические соотношения между массой лома и различными известными параметрами плавки [3]. Их эффективность будет зависеть от того, на сколько условия конкретной плавки соответствуют условиям, при которых получены расчетные зависимости. Можно рекомендовать следующую упрощенную формулу, полученную по усредненным параметрам для условий Магнитогорского конвертерного цеха, когда лом является единственным охладителем:

G_л = 17,85 + 4,2*([С]_ч – 4,0) + 7,6*([Si]_ч – 0,5) + 0,034*(t_ч – 1330) + +17,0*(0,12 – [С]_ч + 0,049*(1650 – t_м),

где  G_л – расход лома на плавку, % (кг/100 кг металлошихты);

[С]_ч, [Si]_ч – соответственно содержание углерода и кремния в чугуне, %;

t_ч, t_ч – соответственно температура чугуна и металла, °С.

Все величины, входящие в эту формулу, известны. Поэтому

G_л = 17,85 + 4,2*(4,0 – 4,0) + 7.6*(0,4 – 0,5) + 0,034*(1320 – 1330) + +17,0*(0,12 – 0,07) + 0,049*(1650 – 1655) = 17,36%.

По заданию (п.2) в качестве твердого окислителя, играющего  роль дополнительного охладителя, используются окатыши. Оценим охлаждающую способность этого материала. По формуле [3]

σ_то = 0,062*Fe – 0,014*(FeO)_то – 0,633,

где   σ_то – коэффициент эквивалентности твердого окислителя как охладителя по отношению к лому, кг/кг;

Fe – содержание железа в твердом окислителе, %;

(FeO)_то– содержание FeO в твердом окислителе, %.

Известно: Fe = 58,0%; (FeO)_то = 3,0% (см. задание).

Тогда σ_то = 0,062*58,0 – 0,014*3,0 – 0,633 = 2,9 кг/кг.

Следовательно, 1 кг окатышей по охлаждающему эффекту  эквивалентен 2,9 кг лома.

На плавку расходуется 1,0% окатышей (или 1 кг на 100 кг металлошихты). Значит расход лома должен быть уменьшен в соответствии с коэффициентом эквивалентности на 1,0 * 2,9 = 2,9 кг.

Таким образом, ориентировочный расход лома на плавку составит:

17,36 –2,9 = 14,43 кг.

 

4 Расчет окисления  примесей металлической шихты

 

Для решения  этой задачи сначала необходимо определить средний химический состав металлической шихты и остаточные содержания примесей в металле в конце продувки.

Средний химический состав металлической шихты определяем в соответствии с расходами чугуна и лома на плавку и их химическим составом. Так как расход лома был определен ранее, то расход чугуна (G_ч) составит:

G_ч = 100 – 14,43 = 85,57 кг.

Химический  состав чугуна указан в задании. Оценим состав металлического лома. Очевидно, он зависит от того, отходы каких марок сталей составляют лом. Часто сведения об этом носят приблизительный характер. Можно считать, что лом имеет химический состав, близкий к среднему составу сталей, выплавляемых отечественной металлургией в наибольшем количестве – низкоуглеродистых обыкновенного качества. В этом случае лом может содержать 0,1...0,2% С; 0,20... 0,25% Si; 0,4... 0,5% Мn; менее 0,04% Р и S. Принимаем (таблица 3): [С]_л = 0,1%; [Si]_л = 0,2%; [Мn]_л = 0,5%; [P]_л = 0,04%; [S]_л = 0,04%.