Основы расчета материального баланса плавки

Введение

Кислородные конвертеры получили широкое распространение благодаря ряду технико-экономических преимуществ, главными из которых являются высокая производительность по сравнению с мартеновскими печами, способность переплавлять скрап и давать сталь лучшего качества по сравнению с воздушными конвертерами. В достаточно широкой эксплуатации находятся кислородные конвертеры с верхней, наклонной и донной продувкой ванны кислородом. Наибольшее распространение получили конвертеры с верхней продувкой. Они обычно называются конвертерами ЛД по имени австрийских городов Линй и Донавиц, где они были впервые построены.

В этих конвертерах, работающих на мартеновских чугунах, получают сталь достаточно хорошего качества, они способны переплавлять около 25% стального скрапа в металлическую завалку. Увеличение доли скрапа сверх 25% в этих конвертерах невозможно, так как оксид углерода, образующийся при окислении углерода, дожигается вне пределов рабочего пространства конвертера. Это является существенным недостатком это конвертера, так как требует специальных устройств для дожигания СО; увеличения выделившегося при этом тепла.

1. Общая часть. Расчет материального баланса Исходные данные.

Химические составы применяемых шлакообразующих материалов и ферросплавов приведены в таблица 1, 2.

Таблица 1 — Состав шлакообразующих материалов

Таблица 2 — Состав ферросплавов

В расчете рекомендуется принять:

1. Химический состав металла после продувки перед раскислением:

— содержание углерода — нижнее значение заданной марки стали, так как углерод дополнительно поступит с некоторыми ферросплавами;

— содержание марганца — 25% от исходного содержания в чугуне;

— содержание фосфора и серы — 0,020−0,025% каждого.

2. Расход футеровки — 0,3% от массы садки.

3. Технический кислород содержит 99,5% О₂ и 0,5% N₂.

4. Расход плавикового шпата — 0,3 кг.

5. Потери металла:

— с корольками — 0,5 кг;

— с выбросами — 1,0 кг.

1.1 Определение среднего состава шихты Исходные данные для расчета приводятся ниже:

Химические составы чугуна, скрапа, готового металла, приведенные в таблице 3.

Таблица 3 — Химический состав исходных материалов и продуктов,%

Определяется средний состав шихты, кг:

Средний состав элемента рассчитывается по формуле:

%Э* + %Э*,

где Э — химический элемент.

С) 4,0* + 0,25* = 3+0,0625 = 3,0625 кг.

Si) 0,81* + 0,10* = 0,6075+0,025 = 0,63 кг

Mn) 0,74* + 0,50* = 0,555+0,125 = 0,68 кг Р) 0,28* + 0,04* = 0,21+0,01 = 0,22 кг

S) 0,033* + 0,04* = 0,0248+0,01 = 0,0348 кг

1.2 Определение угара химических элементов шихты, кг Угар примесей определим как разность между средним содержанием элемента в шихте и в стали перед раскислением:

где 0,9 — выход жидкой стали.

1.3 Расчет расхода кислорода на окисление примесей Принимаем, что 10% С окисляется до СО_2, а 90% до СО, найдем расход кислорода на окисление примесей и массу образовавшихся оксидов:

1.4 Расчет количества и состава конвертерного шлака Основной составляющей сталеплавильного шлака является CaO, который поступает из извести. Поэтому, сначала рассчитывается расход извести на плавку, зависящий от содержания кремния в шихте.

Расход извести, обозначенный через «Y», определяем по балансу CaO и SiO₂ в шлаке для обеспечения заданной основности находим:

количество CaO в конечном шлаке, кг, поступающее из:

футеровки 0,3*0,2 = 0,006

плавикового шпата 0,3*0,035 = 0,011

извести 0,86*Y

Итого 0,017+0,86*Y

количество SiO₂ в конечном шлаке, кг, поступающее из:

металлической шихты 1,35

футеровки 0,3*0,05 = 0,015

плавикового шпата 0,3*0,03 = 0,009

извести 0,02*Y

Итого 1,374+0,02*Y

Задаваясь основностью шлака CaO/SiO₂ = 3,5, определим расход извести

откуда Y = 5,998 кг.

Данные расчетов состава шлака сводятся в таблицу 4.

Таблица 4 — Источники и состав шлака, кг

Принимаем содержание оксидов железа в шлаке равным 13% FeO и 4% Fe₂O₃. Тогда, масса оксидов шлака без FeO и Fe₂O₃ 83%, а масса шлака без оксидов железа — 8,573 кг (таблица 4).

Рассчитываем массу шлака, которая равна 8,573/0,83 = 10,329 кг, в том числе 1,343 кг FeO и 0,413 кг Fe₂O₃.

На основе известного количества шлака можно рассчитать процентное содержание отдельных составляющих, приведенное в таблице 5.

Таблица 5 — Количество составляющих шлака, кг/%

1.5 Расчет выхода жидкой стали В кислородно-конвертерном процессе возможны потери металла с угаром химических элементов, выбросами, выносами и корольками в шлаке.

При этом в шлак переходит оксидов железа, кг:

до Fe₂O₃ 0,413 — 0,024 = 0,893.

до FeO 1,343.

где 0,024 кг — количество Fe₂O₃, поступающее из различных источников (см. выше).

Поступит железа из металла в шлак

1,343*56/72 + 0,389*112/160 = 1,044+0,272 = 1,316 кг.

Выход жидкой стали составит

100−5,846 -0,5−1,0−1,1,316 = 91,338 кг,

где 100 — масса металлической части шихты, кг; 5,846— угар примесей шихты, кг; 1,316 — угар железа на образование оксидов железа в шлаке, кг; 0,5 — количество железа, запутавшегося в шлаке в виде корольков, кг; 1,0 — потери железа с выбросами, кг;

1.6 Общий расход кислорода на плавку Как уже было подсчитано ранее, расход кислорода на окисление примесей металлошихты составил 6,155 кг. Однако, существует дополнительный расход кислорода, в том числе на окисление железа (определяется как разность между массами оксида и исходного элемента), равный

(1,343−1,044)+(0,389−0,272) = 0,416 кг.

Всего потребуется кислорода на окисление химических элементов:

6,155+0,416 = 6,571 кг.

В техническом кислороде содержится 99,5% кислорода и 0,5% азота.

Количество азота составит:

6,571*0,005 = 0,033 кг.

Принято, что ванной усваивается 95% поступающего кислорода.

Количество неусвоенного кислорода составит:

(6,571−0,033)*0,05 = 0,327 кг.

Масса технического кислорода, поступающего в конвертер, составит (на 100 кг металлозавалки):

6,571+0,033+0,327= 6,931

или

6,931*22,4/32 = 4,85 м² (48,51 м³/т)

1.7 Расчет количества и состава газов Из ранее проведенных расчетов составляем таблицу 6.

Таблица 6 — Состав и количество выделяющихся газов

* Сумма СО_2, поступившего из извести, плавикового шпата, от горения углерода.

1.8 Материальный баланс плавки до раскисления На основании произведенных расчетов, составляем материальный баланс плавки, представленный в таблице 7.

Таблица 7 — Материальный баланс плавки

Невязка:

Допускается невязка не более 0,5%.

1.9 Раскисление и легирование Раскисление — это процесс удаления излишнего кислорода из металла различными способами.

Легирование — это операция присадки в сталь легирующих элементов для придания ей каких-либо особых физико-химических или механических свойств (твердость, жаропрочность и т. д.)

Как было принято ранее в металле перед раскислением содержится с учетом выхода жидкого металла (90%), кг:

С = 0,07*0,9 = 0,063; Mn = 0,185*0,9 = 0,166; Si = 0;

S = 0,025*0,9 = 0,022; Р = 0,020*0,9 = 0,018.

Необходимое количество каждого ферросплава определяется по формуле:

где [%]г.с. — среднее содержание элемента в готовой стали, %;

[%]п.р. — содержание элемента в металле перед раскислением, %;

[%]ф — содержание элемента в ферросплаве, %;

У — угар элемента, %.

В дальнейших расчетах принят следующий угар элементов, %:

С — 15; Si — 25; Mn — 20; Cr — 15; V — 15; Ti — 90; Ni — 0.

Расходы ферромарганца и ферросилиция согласно таблице 1 будут равны:

Химический состав ферросплавов приведен в таблице 2.

Количество элементов, вносимых ферросплавами, приведено в таблице 8.

Таблица 8 — Количество элементов, внесенных в металл, кг

Тогда выход жидкой стали, после раскисления, составит:

91,338+0,071 = 91,409

Угар раскислителей 0,054+0,031−0,071 = 0,014

Проверка химического состава готовой стали, приведена в таблице 9.

Таблица 9 — Состав готовой стали

Полученный химический состав готовой стали, соответствует пределам, предусмотренным ГОСТ 19 281–89. Окончательный материальный баланс представлен в таблице 10.

Невязка не превышает допустимого значения 0,5%.

Таблица 10 — Материальный баланс плавки

Невязка:

Допускается невязка не более 0,5%.

2. Специальная часть. Описание конструкции механизма поворота конвертера материальный баланс плавка конвертер Механизм поворота обеспечивает вращение конвертера вокруг оси цапф на 360° со скоростью от 0,1 до 1 м/мин. Поворот конвертера необходим для выполнения технологических операций: заливки чугуна, завалки лома, слива стали и шлака и др. Механизм поворота может быть односторонним и двусторонним. У конвертеров вместимостью 130—150 т и менее делают односторонний механизм поворота, в котором одна из цапф соединена с приводом. Наклон большегрузных конвертеров требует приложения значительного крутящего момента, вызывающего большие напряжения в металлоконструкциях опорного кольца и привода. Поэтому для более равномерного их распределения механизм поворота большегрузных конвертеров делают двухсторонним. Этот механизм имеет два синхронно работающих привода, каждый из которых соединен с одной цапфой. Механизмы поворота бывают стационарными и навесными. В состав стационарного механизма (рис. 2) обычно входят установленные на жестком фундаменте электродвигатель с редуктором, вращающий момент от которых передается цапфе с помощью шпинделя или зубчатой муфты. Недостатком механизма является его быстрый износ вследствие того, что, будучи неподвижно закрепленным, он испытывает удары вращающихся цапф в случае их перекоса, а также ударные нагрузки в момент включения привода. В последние годы применяют более совершенные навесные (закрепленные на цапфе) многодвигательные механизмы поворота (см. рисунок 2). На цапфе жестко закреплено ведомое зубчатое колесо 4, закрытое корпусом 7; этот корпус опирается на цапфу через подшипники и от проворачивания его удерживает демпфер 9. Таким образом, при вращении зубчатого колеса 4 с цапфой корпус 7 остается неподвижным. Зубчатое колесо вращают несколько (от 4 до 6) электродвигателей с редукторами 6, выходные валы шестерни 5 которых находят в зацепление с колесом; эти валы-шестерни через подшипники крепятся в отверстиях стенки корпуса 7. Электродвигатели с редукторами держатся (навешены) на валах-шестернях 5; вращая валы, сами двигатели остаются неподвижными, так как удерживаются от проворачивания демпферами 8 (см. рисунок 2).

Рисунок 2 — Кислородный конвертер с двухсторонним навесным многодвигательным механизмом поворота: 1 — опорный подшипник; 2 — цапфа; 3 — защитный кожух; 4 — ведомое зубчатое колесо; 5 — вал-шестерня; 6 — навесной электродвигатель с редуктором; 7 — корпус ведомого колеса; 8, 9 — демпфер; 10 — опорная станина; 11 — опорное кольцо Навесной многодвигательный привод обладает следующими преимуществами: перекос цапф не влияет на его работоспособность, так как, будучи закрепленным на цапфе, привод перемещается вместе с ней; при выходе из строя одного двигателя привод остается работоспособным; демпферы частично компенсируют динамические нагрузки при включениях и торможениях, что снижает износ шестерен привода; в 2—3 раза уменьшается масса привода; существенно уменьшается площадь, необходимая для его установки, — так, например, максимальный размер вдоль оси колонн цеха у 300-т конвертера с двухсторонним стационарным приводом составляет около 28 м, а при двухстороннем навесном приводе — около 20 м.

Механизм поворота конвертера содержит тихоходный редуктор и быстроходные редукторы, корпусы которых закреплены на корпусе тихоходного редуктора. В корпусе тихоходного редуктора установлена приводная вал-шестерня. Хвостовик приводной вал-шестерни расположен в полости корпуса быстроходного редуктора. Выходное зубчатое колесо быстроходного редуктора закреплено на хвостовике приводной вал-шестерни. Крепление выходного зубчатого колеса непосредственно на хвостовике приводной вал-шестерни повышает надежность работы механизма поворота конвертера, снижает его себестоимость, уменьшает вес быстроходного редуктора и габариты его корпуса.

1 Воскобойников В. Г. и др. Общая металлургия: Учебник для вузов- 6-е изд. перераб. и доп. — М. Академкнига, 2002. — 768с.

2 Мастрюков Б. С. Теория, конструкции и расчеты металлургических печей: Учебник для техникумов. В 2-х томах. 2-е изд. перераб. и доп. Т. 2. — М.: Металлургия, 1986. — 376с.

3 Кудрин В. А. Теория и технология производства стали. — М.: Металлургия, 2003. — 528 с.

4 Чернышева Н. А. Расчет материального и теплового балансов кислородно-конвертерной плавки (упрощенный): метод. Указ. / Сиб. гос. индустр. ун-т; - Новокузнецк: Изд. Центр СибГИУ, 2012. — 15 с.