Министерствообразования и науки Украины
Приазовскийгосударственный технический университет
Кафедраметаллургии стали им. И.Г. Казанцева
КУРСОВАЯ РАБОТА
По предмету:«Теория и технология производства стали в конвертерах и мартеновских печах»
На тему: «Кислородно-конвертернаяплавка при переделе обыкновенных чугунов»
Выполнил ст.гр. И-07-МС1
Луценко Р.В.
Проверил проф. Бакст В.Я.
Мариуполь 2009
СОДЕРЖАНИЕ
Исходныеданные…………………………………………………………………..3
1. Определениетемпературы металла в конце продувки…………….………….4
2. Расчетматериального баланса плавки………………………………….……..5
3. Расчеттеплового баланса плавки…………………………………………….22
Переченьисточников………………………………………………..…………..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 втаблицу.
Табл. 1.1 Состав чугуна, лома и сталиМатериалы 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 продувочнойоперации 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 окончаниипродувки:
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 соответствующихэлементов в чугуне, %;
/>, /> – соответственно температуразаливаемого в конвертер чугуна и температура металла в конце продувки, />;
/> – содержание углерода в металле вконце 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 = 20,72кг
Расход чугуна, кг
/> = 100 — /> =100 -20,72 = 79,28 кг (2.2)
Расход миксерного шлака составляет 0,6 – 0,9% от массычугуна, 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 = 0,13кг (2.4)
Расход плавикового шпата в зависимости от параметровтехнологии 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 = 0,25кг (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 илома, 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 составачугуна и марки выплавляемой стали (требуемых показателей дефосфорации идесульфурации) находится в пределах 3,0 – 3,6
Принимаем для расчета основность конечного шлака /> = 3,4
/>= />
/> , кг (2.13)
/> – содержание кремния вметаллошихте;
/>, /> и т.д. – содержание кремнезёма виспользуемых материалах;
/>, /> – содержание оксида кальция виспользуемых материалах (Табл.2.1)
/>, /> и т.д. – расход материалов.
Таблица 2.1 Химический состав неметаллической части шихты идругих 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 концепродувки, />.
/> = 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 на1/3 – 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, сошлаком (в виде корольков) превышают количество железа, восстановленного изоксидов, 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 вматериалах.
/> = 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 соответствоватьнижнему пределу его в готовой стали.
Содержание марганца определяем из балансового уравненияраспределения марганца между шлаком и металлом:
/> = />/>)]/
//>,% (2.17)
/> – константа равновесия реакцииокисления 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 ишлаком, определяемый из табл.2.2
Табл. 2.2 Значения коэффициента распределения фосфораОсновность 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 серыметаллом и шлаком, принимаемый по табл. 2.3.
Табл. 2.3 Значения коэффициента распределения серыОсновность 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 принимаемравным 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 = 0,096кг
Фосфора – /> = />∙/>/100 (2.22)
/> = 0,005∙92,23/100 = 0,0046кг
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 железаи 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 железашихты;
/> = 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 образованиеоксидов 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 свыбросами;
/> = /> – потери железа в шлаке в видекорольков, кг
/> = 0,08∙14,379 = 1,15 кг
/> = /> – количество оксидов железа вдыме, 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 = 0,7Мдутья .
/> = 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 газовГаз 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%
3. РАСЧЕТ ТЕПЛОВОГО БАЛАНСА ПЛАВКИ
Расчет ведется на 100 кг металлошихты.
ПРИХОД ТЕПЛА:
/> = />, кДж, (3.1)
где /> – физическое тепло жидкогочугуна;
/> – химическое тепло реакцийокисления примесей металлошихты;
/> – химическое тепло реакцийшлакообразования;
/> – химическое тепло реакцийобразования оксидов железа шлака;
/> – химическое тепло испаренияжелеза до оксида железа;
/> – физическое тепло миксерногошлака.
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 вконвертер чугуна, />;
/> – температура плавления(ликвидуса) чугуна (1150 – 1200 />);
/> – скрытая теплота плавлениячугуна (218 кДж/кг).
/> = 79,22[0,755∙1150 + 218 +(1340 – 1150) ∙ 0,92] = 99900,4 кДж
Химическое тепло окисления примесей металлошихты, кДж