Ок. Вариант (00000002). Элементы расчета материального и теплового балансов кислородноконвертерной плавки

• Название: Элементы расчета материального и теплового балансов кислородноконвертерной плавки
• Дата: 26.09.2022
• Размер: 88.45 Kb.
• Имя файла: Вариант (00000002).docx
• Тип: Методические указания; #698073

Министерство науки и высшего образования Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение

высшего образования

«Сибирский государственный индустриальный университет»

Кафедра металлургии черных металлов

Элементы расчета материального и теплового балансов

кислородно-конвертерной плавки
Методические указания
Выполнил:

Студент группы: ММ204

Еремкин А.В.

Проверил:

Сафонов С.О.

Новокузнецк

2022
Содержание

Введение 6

1 Расчет материального баланса конвертерной плавки 7

1.1 Исходные данные 7

2 Расчет материального баланса 7

2.1 Определение угара химических элементов шихты 8

2.3 Расчет расхода кислорода на окисление примесей 8

2.4 Расчет количества и состава конвертерного шлака 9

2.5 Расчет выхода жидкой стали 10

2.6 Общий расход кислорода на плавку 11

2.7 Расчет количества и состава газов 12

2.8 Материальный баланс плавки до раскисления 12

3 Раскисление и легирование стали 13

4 Тепловой баланс плавки 15

4.1 Приход тепла 15

4.2 Расход тепла 16

Заключение 19

Введение

Кислородно-конвертерный процесс занимает первое место в мировой практике производства стали благодаря высоким технико-экономическим показателям и представляет собой соче­тание технологий выплавки, внепечной обработки и непрерывной разливки.

Преимущества кислородно-конвертерного способа производ­ства стали: более высокая производительность одного работающего агрегата; экологическая чистота; простота управления; низкие удельные капиталовложения, мощность производства высококачественной стали широкого сортамента из чугуна раз­личного химического состава; переработка относительно большого количества металлолома. Все это обеспечило его быстрое распространение в мире.

В будущем намечается широко внедрять микролегирование стали для повышения служебных характеристик металла, в частности, прочностных свойств, пластичности и штампуемости.

В курсовой работе выполнен расчет параметров выплавки передельного чугуна, который является сырьем для производства качественной стали в кислородном конвертере, а также материальный и тепловой баланс конвертерной плавки.

1 Расчет материального баланса конвертерной плавки

1.1 Исходные данные

Марка стали – 85;

Расход чугуна 79 %;

Химический состав чугуна:

C = 4,4 %; Mn = 0,62 %; Si = 0,64 %; P = 0,32 %; S = 0,042 %.

Химический состав скрапа:

C = 0,29 %; Mn = 0,63 %; Si = 0,35 %; P = 0,030 %; S = 0,028 %.

Температура чугуна, заливаемого в конвертер: 1360 ^оС.

Температура стали перед выпуском плавки: 1623 ^оС.

Расход футеровки – 0,3 % от массы садки.

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

Расход плавикового шпата – 0,3 кг.

Потери металла:

• 
  с корольками – 0,5 кг;
  
• 
  с выбросами – 1,0 кг.
  

Таблица 1 – Состав шлакообразующих материалов

Материалы	Состав, %
	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	Fe2O3	Cr2O3	H2O	CO2	CaF2
Известь	2,0	86,0	2,0	2,0	−	−	2,0	6,0	−
Плавиковый шпат	3,0	3,5	−	1,0	−	−	−	6,0	86,5
Футеровка	5,0	2,0	70,0	3,0	8,0	12,0	−	−	−

Таблица 2 – Состав ферросплавов

Наименование ферросплава	Марка	Содержание, %
		C	Mn	Si	P	S
1. Ферромарганец: среднеуглеродистый	ФMn 1,0	1,0	85,0	2,0	0,3	0,03
2. Ферросилиций	ФС 65	−	0,4	65,0	0,05	0,03

2 Расчет материального баланса

Таблица 3 – Химический состав исходных материалов и продуктов

Наименование материала	С	Si	Mn	P	S
Чугун	4,4	0,64	0,62	0,32	0,042
Скрап	0,29	0,35	0,63	0,030	0,028
Готовая сталь 65Г	0,82 − 0,90	0,17 – 0,37	0,50 – 0,80	не более 0,035	не более 0,035

Количество в шихте, %: чугуна – 79; скрапа – 21.

Определяется средний состав шихты, кг:

С Si Mn P S

Чугун вносит 3,476 0,506 0,490 0,253 0,033

Скрап вносит 0,061 0,073 0,132 0,006 0,006

Средний состав 3,537 0,579 0,612 0,259 0,039

Металл перед

раскислением 0,82 0,155 0,020 0,020

2.1 Определение угара химических элементов шихты

Поступило Осталось Окислилось

с шихтой в металле

С 3,537 – 0,82 ∙ 0,9 = 2,799

Si 0,579 – 0 = 0,579

Mn 0,612 – 0,155 ∙ 0,9 = 0,472

Р 0,259 – 0,020 ∙ 0,9 = 0,241

S 0,039 – 0,020 ∙ 0,9 = 0,021

Fe (дым) = 1,5

где 0,9 – выход жидкой стали.

Общее количество окислившихся примесей составит 5,612 кг.

2.3 Расчет расхода кислорода на окисление примесей

Принимается, что 10 % углерода окислится до СО₂ и 90 % углерода окислится до СО:

Расход кислорода, кг Масса оксида, кг

С → СО₂ 0,280 ∙ 32: 12 = 0,747 СО₂ 1,027

С → СО 2,519 ∙ 16: 12 = 3,359 СО 5,878

Si → SiO₂ 0,579 ∙ 32: 28 = 0,662 SiO₂ 1,241

Mn → MnO 0,472 ∙ 16: 55 = 0,137 MnO 0,609

Р → Р₂О₅ 0,241 ∙ 80: 62 = 0,311 Р₂О₅ 0,552

Fe → Fe₂O₃ 1,500 ∙ 48: 112 = 0,643 Fe₂O₃ (в дым) 2,143

Общий расход кислорода на окисление примесей, и масса образовавшихся оксидов равны соответственно, кг: 5,859 и 11,450.

2.4 Расчет количества и состава конвертерного шлака

Основной составляющей сталеплавильного шлака является СаО, который поступает из извести. Поэтому, сначала рассчитывается расход извести на плавку, зависящий от содержания кремния в шихте.

Расход извести, обозначенный через «Y», определяется по балансу СаО и SiO₂ в шлаке для обеспечения заданной основности

В шлак поступило СаО (кг) из:

• 
  футеровки 0,3 ∙ 0,02 = 0,006
  
• 
  плавикового шпата 0,3 ∙ 0,035 = 0,011
  
• 
  извести 0,86 Y
  

_______________________________

0,017 + 0,86 Y

В шлак поступило SiO₂ (кг) из:

• 
  металлической шихты 1,241
  
• 
  футеровки 0,3 ∙ 0,05 = 0,015
  
• 
  плавикового шпата 0,3 ∙ 0,03 = 0,009
  
• 
  извести 0,02 Y
  

_________________________________

1,265 + 0,02 Y

Составляем и решаем уравнение:



Откуда расход извести Y = 5,583 кг.

Данные расчетов состава шлака (кг) сводятся в таблицу 4.

Принимается содержание оксидов железа в шлаке, равным 13 % FeO и 4 % Fe₂O₃. Тогда масса оксидов шлака без FeO и Fe₂O₃ составит 83 %, а масса шлака без оксидов железа – 6,864 кг (таблица 4).

Далее рассчитывается масса шлака, равная 8,119 : 0,83 = 9,782 кг, в том числе 1,272 кг FeO и 0,313 кг Fe₂O_3.

На основе известного количества шлака можно рассчитать содержание отдельных составляющих (кг, %) (таблица 5).

2.5 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:

Fe₂O₃ 0,391 – 0,024 = 0,367

FeO 1,272,

и поступит железа из металла в шлак, кг:

1,272 ∙ 56: 72 + 0,367 ∙ 112: 160 = 0,989 + 0,257 = 1,259.

Выход жидкой стали составит, кг:

100 – 5,612 – 0,5 – 1,0 – 1,259 = 91,629, (6)

где 5,612 – угар примесей шихты, кг;

0,5 – количество железа, запутавшегося в шлаке в виде корольков, кг;

1,0 – потеря железа с выбросами, кг;

1,259 – угар железа на образование оксидов железа в шлаке, кг.
Таблица 4 – Источники и состав шлака

Источники шлака		Содержание
		SiO2		CaO		МgO		Al2O3		Cr2O3		S		MnO		P2O5		Fe2O3		CaF2
1	Металлошихта		1,241		−		−		−		−		0,021		0,609		0,552		−		−
2	Футеровка		0,015		0,006		0,210		0,009		0,036		−		−		−		0,024		−
3	Плавиковый шпат		0,009		0,011		−		0,003		−		−		−		−		−		0,26
4	Известь		0,112		4,801		0,112		0,112		−		−		−		−		−		−
Итого		1,377		4,818		0,322		0,124		0,036		0,021		0,609		0,552		0,024		0,26

Таблица 5 – Состав конечного шлака

Компоненты конечного шлака	SiO2	CaO	MgO	Al2O3	S	MnO	P2O5	Fe2O3	FeO	Cr2O3	CaF2	Сумма
кг	1,377	4,818	0,322	0,124	0,021	0,609	0,552	0,391	1,272	0,036	0,26	9,782
%	13,34	46,68	3,77	1,24	0,27	8,15	5,78	4,00	13,00	0,46	3,32	100

2.6 Общий расход кислорода на плавку

Как уже было подсчитано ранее, расход кислорода на окисление примесей металлошихты составил 5,859 кг. Однако существует дополнительный расход кислорода, в том числе на окисление железа, равный

(1,272 – 0,989) + (0,367 – 0,257) = 0,393.

Всего потребуется кислорода на окисление химических элементов:

5,859 + 0,393 = 6,252 кг

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

6,252 ∙ 0,005 = 0,031 кг.

Принято, что ванной усваивается 95 % поступающего кислорода. Количество неусвоенного кислорода составит:

(6,252 – 0,031) ∙ 0,05 = 0,311 кг.

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

6,252 + 0,031 + 0,311 = 6,594 кг,

или

6,594 ∙ 22,4 : 32 = 4,616 м³ (46,16 м³/т).

2.7 Расчет количества и состава газов

Из ранее проведенных расчетов составляется таблица 6 количества и состава газов.

Таблица 6 – Количество и состав газов

Составляющие	Содержание
	Кг	м3	%
CO2	0,336+ 0,018 + 1,027 = 1,381*	0,703	17,90
CO	5,878	4,702	76,21
H2O	0,112	0,139	1,45
O2	0,311	0,218	4,03
N2	0,031	0,025	0,40
Итого	7,713	5,787	100,00

* Общее количество CO₂, поступившее из извести и плавикового шпата; и полученное от окисления углерода.

2.8 Материальный баланс плавки до раскисления

На основании произведенных расчетов, составляется материальный баланс плавки, представленный в таблице 7.

Таблица 7 – Материальный баланс плавки

Поступило	кг	Получено	кг
Жидкий чугун	79	Жидкая сталь	91,629
Скрап	21	Шлак	9,782
Плавиковый шпат	0,3	Корольки в шлаке	0,5
Известь	5,583	Выбросы	1,0
Размыв футеровки	0,30	Газы	7,713
Технический кислород	6.594	Fe2O3 (дым)	2,143
Итого	112,777	Итого	112,767
Невязка: 0,009 %. Невязка не превышает 0,5%.

3 Раскисление и легирование стали

В металле перед раскислением содержится с учетом выхода жидкого металла (90 %), кг:

C = 0,82 ∙ 0,9 = 0,738; Mn = 0,155 ∙ 0,9 = 0,139; Si = 0;

S = 0,020 ∙ 0,9 = 0,018; P= 0,020 ∙ 0,9 = 0,018.

Необходимое количество каждого ферросплава определяется по формуле:

, кг (7)

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

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

[%Э]ф. − содержание элемента в ферросплаве, %;

У – угар элемента, %.

В дальнейших расчетах принят следующий угар элементов, %: С – 15; Si – 20; Mn – 15

Расходы ферромарганца и ферросилиция с учетом их химического состава, приведенного в таблице 11, и угара будут равны:

кг,

кг.

Количество элементов, вносимых ферросплавами (кг), приведено в таблице 8.

Тогда выход жидкой стали, после раскисления, составит:

91,629 + 1,063 = 92,692 кг.

Угар раскислителей 0,707 + 0,519 – 1,063 = 0,163 кг.

Проверка химического состава готовой стали, приведена в таблице 9.

Полученный химический состав готовой стали, соответствует пределам, предусмотренным ГОСТ 1050–88. Окончательный материальный баланс представлен в таблице 10.
Таблица 8 – Количество элементов, внесенных в металл

Элемент	Вносится ферромарганцем	Вносится ферросилицием	Всего
C		−	0,006
Mn			0.513
Si			0,281
P		следы	0,002
Fe			0.261
Итого	0,612	0,451	1,063

Таблица 9 – Состав готовой стали

Наименование	C	Mn	Si	P	S	Fe	Всего
Металл перед раскислением, кг	0,738	0,139	0	0,018	0,018	90,716	91,629
Вносятся ферросплавами, кг	0,006	0,513	0,281	0,002	−	0,261	1,063
Всего: кг	0,744	0,642	0,281	0,020	0,018	90,977	92,692
%	0,82	0,67	0,30	0,021	0,020	98,15	100

Таблица 10 – Материальный баланс плавки

Поступило	кг	Получено	кг
Жидкий чугун	79	Жидкая сталь	92,692
Скрап	21	Шлак	9,782
Плавиковый шпат	0,3	Корольки в шлаке	0,5
Известь	5,583	Выбросы	1,0
Размыв футеровки	0,30	Газы	7,713
Технический кислород	6,594	Fe2O3 (дым)	2,143
Раскислители	1,226	Угар раскислителей	0,163
Всего	114,003		113,993
Невязка составляет 0,009 % и не превышает допустимого значения 0,5%.

4 Тепловой баланс плавки

4.1 Приход тепла

1. Физическое тепло жидкого чугуна.

Физическое тепло жидкого чугуна может быть определено по формуле:

Q ₌ G_чуг∙ [C ∙ t + g_чуг + (t_чуг – t ) ∙ C_чуг] , (8)

где C − средняя теплоемкость чугуна до температуры плавления, равная 0,75 кДж/кг ∙ град;

– температура плавления чугуна, равная 1200 ^оС;

g_чуг – скрытая теплота плавления чугуна, равная 217,9 кДж/кг;

t_чуг – температура заливаемого в конвертер чугуна, равная 1360 ^оС;

С_чуг – теплоемкость жидкого чугуна, равная 0,92 кДж/кг ∙ град;

G_чуг – количество жидкого чугуна в металлошихте, равное 79 кг.

Q₁ =79 ∙ [0,75 ∙ 1200 +217,9 + (1360 – 1200) ∙ 0,92] = 99942,9 кДж.

2. Тепло экзотермических реакций.

На основании данных таблицы 6 и тепловых эффектов реакций окисления элементов производится расчет количества тепла, приведенный в таблице 11

Таблица 11 − Химическое тепло реакций окисления элементов

Элемент-оксид	Тепловой эффект реакции окисления на 1 кг элемента, кДж	Выгорело элементов, кг	Расчет	Вносится тепла, кДж
С → СО2	34094	0,280	34094 ∙ 0,280	9546,3
С → СО	10458,2	2,519	10458,2 ∙ 2,519	26344,2
Si → SiO2	30913,8	0,579	30913,8 ∙ 0,579	17899,1
Mn → MnO	7018,3	0,472	7018,3 ∙ 0,472	3312,6
P → P2O5	24327,1	0,241	24327,1 ∙ 0,241	5862,8
Fe → Fe2O3	7374,4	0,257	7374,4 ∙ 0,257	1895,2
Fe → FeO	4826,9	0.989	4826,9 ∙ 0.989	4773,8
Fe → Fe2O3 (дым)	7374,4	1,500	7374,4 ∙ 1,500	11061,6
Итого				80695,6

3. Тепло шлакообразования.

Считается, что все количество SiO₂, P₂O₅ и Fe₂O₃ связано в соединения (CaO)₂SiO₂, (CaO)₄P₂O₅ и Fe₂O₃ с выделением тепла в количестве 137432, 691350 и 211176 кДж/кг моль соответственно.

Q_шл = 1,377: 60 ∙ 137432 + 0,552 : 142 ∙ 691350 + 0,391 : 160 ∙ 211176 = 6357,6 кДж.

Итого приход тепла составит:

Q_прих = 99942,9 + 80695,6 + 6357,6 = 186996,1 кДж.

4.2 Расход тепла

1. Физическое тепло стали.

Физическое тепло стали Q₁ можно определить по уравнению

Q₁ = М_ст∙ [C ∙ t_пл + q_пл + C ∙ (t_ст – t_пл)], (9)

где C – средняя теплоемкость стали до температуры плавления, равная 0,7 кДж/кг ∙ град;

t_пл – температура плавления стали, 1604 ^оС;

q_пл – скрытая теплота плавления стали, равная 272,4 кДж/кг;

C – Теплоемкость жидкой стали, равная 0,84 кДж/кг ∙ град;

t_ст – температура стали на выпуске из конвертера, 1623^оС;

М_ст – выход жидкой стали до раскисления, равный 92,692кг;

0,5 и 1,0 – потеря металла с корольками и выбросами соответственно, кг.

Q₁ = (92,692 + 0,5 + 1,0) ∙ [ 0,7 ∙ 1535 +272,4 + 0,84 ∙ (1623 – 1535)] = 133829,9 кДж.

2. Физическое тепло шлака

Физическое тепло шлака Q₂ определяется из выражения

Q₂ = М _шл ∙(C_шл∙t_шл + q_шл), (10)

где М_шл – выход шлака, равный 9,782 кг;

C_шл– средняя теплоемкость шлака, равная 1,2 кДж/кг ∙ град;

t_шл – температура шлака, принятая равной выше температуры металла на выпуске на 10 ^оС, т.е. 1633 ^оС;

q_шл – скрытая теплота плавления шлака, равная 209,5 кДж/кг;

Q₂ = 9,782 ∙ (1,2 ∙ 1633 + 209,5) = 21218,1 кДж .

3. Потеря тепла конвертером принимается равной 4 % от прихода тепла (обычно 1,5 – 4 %).

Q₃ =186996,1 ∙ 0,04 = 7479,8 кДж.

4. Тепло, уносимое частицами Fe₂O₃ (дым)

, (11)

где – количество частиц пыли, Fe₂O₃ (дым), кг;

– теплоемкость пыли, равная 1,23 кДж/кг ∙ град;

– температура частиц пыли, ^оС;

Q₄ =2,143 ∙1,23 ∙ 1465 = 3862 кДж.

5. Тепло, уносимое дымовыми газами

Тепло, уносимое дымовыми газами (Q₅) определяется как

Q₅ = ∑ (C _газ ∙ V_газ ∙ t_газ), (12)

где C_газ – теплоемкость газа, кДж/ м³ ∙ град;

V_газ – объем газа, м³;

t_газ – температура отходящих газов, принятая равной 1465 ^оС.

СО₂ 1,48 ∙ 0,703 ∙1465 = 1524,2

СО 2,34 ∙ 4,702 ∙1465 = 16118,9

H₂O 1,84 ∙ 0,139 ∙1465 = 374,7

О₂ 1,54 ∙ 0,218 ∙1465 = 491,8

N₂ 1,44 ∙ 0,025 ∙1465 = 52,7

Суммарное количество тепла, уносимое отходящими газами,

Q₅ = 18562,3 кДж.

Итого расход тепла составит:

Q_расх = 133828,9 + 21218,1 + 7479,8 + 3862 + 18562,3 = 184951,1 кДж.

Избыток тепла:

Q_{недостаток} = Q_прих − Q_расх = 186996,1 – 184951,1 = 2045,1 кДж.

Тепловой баланс плавки приведен в таблице 12.

Таблица 12 − Тепловой баланс плавки

Приход	кДж	%	Расход	кДж	%
Физическое тепло чугуна	99942,9	53,45	Физическое тепло жидкой стали	133829,9	71,57
Тепло экзотермических реакций	80695,6	43,15	Физическое тепло шлака	21218,1	11,34
Тепло шлакообразования	6357,6	3,40	Потери тепла с газами	18562,3	9,93
			Потери тепла через футеровку и горловину	7374,8	4,0
			Потери тепла с частицами Fe2O3	3862	2,06
			Избыток тепла	2045,0	1,09
Итого	186996,1	100,00	Итого	186996,1	100,00

В данном случае избытка тепла достаточно на расплавление

2045 : 1440 = 1,42 кг скрапа дополнительно. Следовательно, в данных расчетах следовало бы принять в шихте 77,58 % (кг) чугуна и 22,42 % (кг) скрапа.

Заключение

При выполнении курсовой работы были осуществлены расчет материального баланса конвертерной плавки, раскисление и легирование стали, тепловой баланс плавки.