Расчёт ОМД. Расчет технологических параметров обработки стали на агрегате ковшпечь
![]()
|
2,5 м2, на зеркале металла определяется следующим образом: |
Относительная атомная масса, г | 40,08 |
Атомный радиус, нм | 0,197 |
Радиус иона, нм | 0,107 |
Плотность, кг/м3 | 1540 |
Температура плавления, °С | 851 |
Температура кипения, °С | 1487 |
Теплота плавления, кДж/кг | 328,66 |
Теплота парообразования, кДж/моль | 150,0 |
Марка | Температурный интервал плавления, К | Плотность, т/м3 | Удельная теплоемкость, Дж/кг·К | Теплота плавления, кДж/кг | Теплопроводность, Вт/м·К | Коэффициент температуропроводности, 10-3м2/с |
СК15 | 1363-1523 | 3,47 | 614 | 1080 | 17,0 | 8,0 |
СК30 | 1323-1443 | 2,51 | 790 | 1160 | 7,6 | 3,8 |
![](574237_html_e38fd0ebf933b2e1.gif)
где Dк –диаметр ковша по верхней кромке, м.
Продолжительность выпуска обычно составляет 3 – 5 минут.
Потери тепла через футеровку во время выдержки ковша рассчитываются по формуле:
![](574237_html_d4f6e9d8d120b01e.gif)
где
![](574237_html_a042952b8028b10d.gif)
Т0 – температура разогрева футеровки ковша, К;
а – температуропроводность огнеупора, м2/ч;
τфут – время контакта огнеупора с жидкой сталью, с;
![](574237_html_5ffcd9bb81f52ccc.gif)
Площадь огнеупорной кладки ковша составляет:
![](574237_html_d97133179b4cd01a.gif)
где D
![](574237_html_da496aaee6a0adcf.gif)
H – высота ковша, м.
Температуропроводность огнеупора равна, м2/ч:
![](574237_html_3fab5dc8051e65ab.gif)
где с – удельная теплоемкость огнеупора.
Изменение температуры расплава при раскислении и легировании обусловлено нагревом и плавлением присадок, происходящими с затратой теплоты; разложением интерметаллических соединений, имеющихся в сплавах, с подводом теплоты; смешением расплавленной присадки с жидкой сталью, процесс может идти с выделением или поглощением теплоты, если образующийся раствор не является идеальным, в случае образования идеального раствора теплота смешения равна нулю; взаимодействием между присадкой и кислородом, растворенным в металле, с выделением теплоты реакции.
Изменение температуры металла при введении 1 кг материала на 1 т металла представлено в таблице 11.
Таблица 11 – Изменение температуры металла при введении 1 кг материала на 1 т металла [4]
Материал | Изменение температуры, °С (+ увеличение, - снижение) |
ферромарганец | – 2,74 |
ферросиликомарганец | – 1,70 |
ферросилиций 45% | – 1,03 |
ферросилиций 75% | + 0,49 |
науглероживатель | – 4,50 – 6,40 |
феррохром среднеуглеродистый | – 2,49 |
феррованадий | – 1,81 |
ферротитан | – 1,23 |
ферробор | +1 |
алюминий | +1,8 |
силикокальций кусковой | – 3,20 |
Расчет изменения температуры металла при обработке ТШС состоит из нескольких этапов.
На первом этапе определяют затраты тепла на нагрев ТШС до температуры разложения известняка:
![](574237_html_582176c65e19f8d6.gif)
где Мтшс – масса ТШС, кг/т стали;
стшс – удельная теплоемкость ТШС,
(принимаем равной 1,25 кДж/кг·К);
![](574237_html_1ffe39b4994667da.gif)
равная 1183К.
Затраты тепла на разложение известняка:
![](574237_html_1dbc7b84fef7e1b3.gif)
где 1776,5 – теплота разложения известняка, кДж/кг,
![](574237_html_f5448aa59abfb964.gif)
![](574237_html_7831279f8a2fab09.gif)
ППП – потери при прокаливании (принимаем равными 5 %);
![](574237_html_af976be8e37e31e8.gif)
%CaO – содержание СаО в ТШС, %;
44 – молекулярная масса СО2, г.
Затраты тепла на расплавление смеси:
![](574237_html_a1c3a28af829fcf0.gif)
где
![](574237_html_ef20a90270382ae9.gif)
![](574237_html_72bf61bada35ad9c.gif)
(принимаем равной 210 кДж/кг).
Затраты тепла на нагрев СО2 до температуры стали, кДж
![](574237_html_2c59bf3b7cf09fd5.gif)
Тогда изменение температуры металла при обработке ТШС составит, ºС:
![](574237_html_9e16b2e1311bb7bd.gif)
Результаты термодинамических расчетов затрат тепла на расплавление отдельных компонентов твердых шлакообразующих смесей приведены в таблице 12.
Изменение температуры расплава при вводе порошковой проволоки составит:
![](574237_html_86d8bc942f83f7c1.gif)
где
![](574237_html_394c290c04742a97.gif)
![](574237_html_dbfdffb432b7fb9b.gif)
Таблица 12 – Затраты тепла на нагрев и плавление компонентов ТШС
-
Компонент
Затраты тепла, кДж/кг
CaO
1551
MgO
2015
SiO
2062
FeO
1053
CaF2
2410
AlO
1965
CO
2054
NaO
1567
HO
6303
При этом снижение температуры металла при вводе порошковой проволоки с кальцийсодержащим наполнителем
![](574237_html_21d6acaba207b9e5.gif)
– силикокальциевая 1,2 °С;
– алюмокальциевая 0,3 °С;
– железокальциевая 1,2 °С.
Суммарное снижение температуры металла за время обработки в ковше складывается из потерь тепла при раскислении металла
![](574237_html_2d6629966c2dcd53.gif)
![](574237_html_92fd8261317a58a1.gif)
![](574237_html_135b2eed1375d7b5.gif)
![](574237_html_c687b3205dfea23.gif)
![](574237_html_b97bec11c95101fb.gif)
![](574237_html_f3c2171a8a0123c5.gif)
Пример. Рассчитать снижение температуры в сталеразливочном ковше с периклазоуглеродистой футеровкой при обработке 148 т стали 15ХСНД.
Снижение температуры металла при раскислении.
Расход раскислителей: FeMn 0,47 %, FeSi 0,89 %, FeCr 1,17 %, Al 0,14 %, тогда изменение температуры 1т металла при вводе в него расчетного количества ферросплавов будет равно:
![](574237_html_20b2af380fe5346a.gif)
![](574237_html_dfa10e9a4a697f78.gif)
![](574237_html_ed1204a64b96e1d1.gif)
![](574237_html_5c49653b50089d29.gif)
Тогда общее изменение температуры от раскисления и легирования 148 т металла составит:
![](574237_html_f69a6ccd92576b0c.gif)
![](574237_html_c060c4520ac04f56.gif)
Снижение температуры металла во время выпуска.
Площадь излучающей поверхности жидкой стали принимается в струе 2,5 м2, на зеркале металла в ковше емкостью 160т:
![](574237_html_d59e68971783e2dd.gif)
Общая площадь излучения жидкой стали равна:
![](574237_html_588b31e6e826cd2b.gif)
Общая длительность выпуска – 4 минуты, тогда:
![](574237_html_7594584197bf2482.gif)
Снижение температуры металла за время выдержки сталеразливочного ковша в течение 25 минут.
Найдем площадь огнеупорной кладки ковша:
![](574237_html_e4d480f50430f5b7.gif)
![](574237_html_50f0eb56e0bde388.gif)
![](574237_html_29a867c6551b13d0.gif)
![](574237_html_24197ab29f50db6c.gif)
Изменение температуры расплава при обработке ТШС, расход смеси 10 кг/т.
Затраты тепла на нагрев ТШС до температуры разложения известняка
![](574237_html_f31bf7dd4ce10756.gif)
Затраты тепла на разложение известняка
Количество извести в ТШС:
![](574237_html_2bf7202640f2f7d4.gif)
Количество СО2, получаемое при разложении недопала:
![](574237_html_e3b7170965b4d12f.gif)
Количество разлагаемого известняка при этом составит:
![](574237_html_80f5c90721581484.gif)
![](574237_html_b083561b733b9f3f.gif)
Затраты тепла на расплавление смеси
![](574237_html_e7c3ca97ab5da33.gif)
![](574237_html_f0300bfcf6976f0.gif)
Затраты тепла на нагрев СО2 до температуры стали
![](574237_html_c1c4dffe70d82917.gif)
Тогда изменение температуры металла при обработке ТШС составит:
![](574237_html_99263750676f8c23.gif)
Изменение температуры металла при модифицировании порошковой проволокой (расход 224 м):
![](574237_html_b06d3ddd27173e17.gif)
Общие потери тепла составят:
![](574237_html_9f8fff0f27c72f49.gif)
3.5 Расчет параметров продувки стали нейтральным газом
Для ускорения физико-химических процессов, происходящих в ходе внепечной обработки, в промышленных условиях используется продувка жидкой ванны нейтральным газом (обычно аргоном).
При продувке металла нейтральным газом обеспечивается:
энергичное перемешивание жидкой ванны в ковше за счет формирования восходящего газометаллического циркуляционного потока в месте инжекции газа и нисходящих конвективных потоков стали по периферии;
усреднение металла в ковше по химическому составу и по температуре, а также некоторая корректировка температуры перед разливкой за счет охлаждающего действия инжектируемого газа;
повышение степени чистоты стали по неметаллическим включениям благодаря эффекту флотации во всплывающих пузырьках инжектируемого газа;
ускорение расплавления и усвоения вводимых в жидкую ванну твердых реагентов, раскислителей, модификаторов и лигатур;
дегазация стали за счет перемещения к поверхности порций металла, расположенных в нижней части ковша.
Эффективность обработки металла зависит от продолжительности продувки и от ее интенсивности:
продувка с расходом газа до 0,5 м3/т стали достаточна для усреднения химического состава и температуры металла;
продувка с интенсивностью до 1,0 м3/т влияет на удаление неметаллических включений;
для эффективной дегазации необходим расход аргона 2 – 3 м3/т металла.
Влияние продолжительности продувки аргоном на химическую однородность углеродистой стали в 350-т ковше показано в таблице 13.
Таблица 13 – Изменение химической неоднородности углеродистой стали при различной продолжительности продувки металла аргоном.
Элемент | Разность содержания, %, при длительности продувки, мин | ||||
0 | 2-4 | 5-8 | 9-10 | 11-14 | |
С | 0,015 | 0,010 | 0,011 | 0,008 | 0,005 |
Si | 0,018 | 0,021 | 0,011 | 0,009 | 0,008 |
Мn | 0,030 | |0,027 | 0,018 | 0,013 | 0,013 |
Al | 0,006 | 0,006 | 0,004 | 0,004 | 0,002 |
Время перемешивания, необходимое для достижения 95 %-ной гомогенизации металла в ковше, можно определить по выражению, с:
![](574237_html_51119307f53c2178.gif)
где ε – удельная мощность перемешивания, кВт/т.
При продувке металла в сталеразливочном ковше через донные фурмы удельную мощность перемешивания можно определить по уравнению:
![](574237_html_35081234f3e17bf4.gif)
где V –расход газа, м3/мин;
![](574237_html_11f19ecd78506a38.gif)
g – гравитационное ускорение, м/с2;
Р– давление поступающего газа, Па.
Н–глубина газовыделения, м.
М–масса металла в ковше, т;
Т–температура металла, К.
для
![](574237_html_11f19ecd78506a38.gif)
![](574237_html_715a081412515388.gif)
Максимально возможный расход газа при этом составит, м3/мин:
![](574237_html_a6c463e5c01be4bd.gif)
При продувке через погружную фурму расчеты выполняют следующим образом:
τ = 800 · ε-0,40
![](574237_html_24ca39900c50cbb7.gif)
где Q – расход газа, л/с;
Токр – температура окружающей среды, К;
Нф – глубина погружения фурмы, м;
Ра – атмосферное давление, Па.
При этом за глубину газовыделения принимается глубина погружения фурмы, и она должна быть на 0,5 м меньше высоты ковша, максимальный расход газа не должен превышать 1 м3/мин.
Расход инертного газа, достаточный для дегазации расплава, определяется по уравнению Геллера, м3/т:
![](574237_html_e12800f7321a64ce.gif)
где m –молекулярная масса удаляемого газа;
К –константа равновесия реакции растворения;
Р –давление над расплавом, МПа;
[С]н, [С]к– начальное и конечное содержание газа, %.
Учитывая весьма малые значения содержаний водорода и азота в стали, уравнение можно упростить:
![](574237_html_63df2c3b150749d5.gif)
Из данного уравнения, зная начальное содержание водорода, азота в стали и расход нейтрального газа, можно определить конечное содержание газов в стали, %:
![](574237_html_d50605b69fa01a9f.gif)
![](574237_html_6a8fa3f626ce0c03.gif)
При этом константы равновесия водорода и азота рассчитываются по формулам:
![](574237_html_f657cbfaf7af200b.gif)
![](574237_html_4818aba1311641ed.gif)
Пример. Рассчитать характеристики продувки металла аргоном в 160-т сталеразливочном ковше через донные фурмы и верхнюю погружную фурму.
Исходные данные: масса металла в ковше М = 148 т; температура металла Т = 1883 К; высота металла в ковше Н = 4 м; давление и расход поступающего из донных фурм аргона Р = 5 атм (5·105 Па) и V = 0,5 м3/мин.
Удельная мощность перемешивания составит:
![](574237_html_d47f1176a57521b9.gif)
Необходимое время перемешивания:
τ = 500 · 0,051-0,40 = 1644 с = 27,4 мин.
Для данных условий максимальный расход аргона составит:
![](574237_html_9b05655703b61b74.gif)
Для расчета процесса дегазации стали во время продувки аргоном необходимо определить константы равновесия газов:
![](574237_html_a781d5d1f95e508.gif)
![](574237_html_a663558dc82a76.gif)
При начальных концентрациях в металле водорода и азота, равных 0,0008 % и 0,008 %, соответственно, находим содержание в металле водорода и азота после продувки:
![](574237_html_90ea87b0d1a0ebe7.gif)
![](574237_html_c71750b0b0a9e333.gif)
Дополнительные данные для расчета продувки через погружную фурму: температура окружающей среды Токр = 293К; атмосферное давление Ра = 105 Па; глубина погружения фурмы Нф = = 3,5 м, раход Q = 40 м3/час = 11,11 л/с.
Удельная мощность перемешивания составит:
![](574237_html_69fe838382d2166f.gif)
Время перемешивания при этом:
τ = 800 · 89,8-0,40 = 2,2 мин