Кр по Выплавки. Курсовая работа по Выплавке стали. "Определение основных параметров выплавки стали в конвертере с верхней подачей дутья"
 Скачать 72.76 Kb.
|
|
Министерство науки и высшего образования Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова» Кафедра металлургии и химических технологий КУРСОВАЯ РАБОТА на тему: "Определение основных параметров выплавки стали в конвертере с верхней подачей дутья" Выполнил: студент гр. ММб-19-1, Иванов Д. О. Руководитель: к.т.н., доцент, Потапова М. В. Работа допущена к защите « »________________20__г. ____________ Работа защищена « »_________________20__г. с оценкой ________ _______ Магнитогорск 2021 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 расче-та параметров классической технологии выплавки стали в конвертере с верхней подачей дутья позволяет распространить ее на более современные варианты конвертерных процессов. В данной работе приведена методика упрощенного расчета основных параметров технологии плавки стали в конвертере с комбинированной подачей дутья, получившей в настоящее время наибольшее распространение. 1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ В производственной деятельности задача технологического персонала заключается в реализации такого уровня технологии, при котором необходимые конечные результаты достигаются с минимальными затратами материалов, времени и труда. Параметры технологии непрерывно корректируются в соответствии с изменяющимися условиями производства. При разработке технологии выплавки стали и при прогнозировании результатов применения новых технологических приемов выполняют расчеты различной сложности. Расчеты плавки стали базируются на теоретических представлениях о характере сталеплавильных процессов и практических данных работы современных металлургических агрегатов. На начальном этапе обучения такие расчеты целесообразнее выполнять вручную. В этом случае методика расчета может быть направлена не на строгое решение задачи моделирования конкретного процесса, а на его содержательную часть в условиях современного металлургического производства. Вычислительный процесс при этом имеет вспомогательный характер, он необходим в той мере, в какой способствует выяснению сущности изучаемой технологии. Известны три основных способа продувки металла кислородом в современных конвертерах: продувка сверху, снизу и комбинированная. В данной работе рассмотрен наиболее распространенный вариант технологии с комбинированной подачей дутья: кислородом сверху и нейтральными газами снизу, базирующийся на классической технологии с подачей дутья сверху. Этот вариант технологии имеет следующие особенности: - использование жидкого чугуна как основного материала для получения стали в количестве более 70%; - подача в конвертер сверху в качестве дутья технически чистого кислорода (содержание кислорода в дутье не менее 99,5%); - применение водоохлаждаемой фурмы для подачи кислорода в конвертер сверху через горловину по направлению вертикальной оси агрегата; - переменное положение кислородной фурмы над поверхностью конвертерной ванны; - подача в конвертерную ванну снизу нейтральных газов (аргона, азота или их смеси); - использование для футеровки конвертера огнеупорных материалов, состоящих преимущественно из MgO и CaO и обладающих основными свойствами; - применение кусковой извести и разжижающих добавок для формирования шлака; - продувка кислородом до заданных уровней параметров плавки без промежуточного удаления шлака; - использование только внутренних источников тепла (физического тепла чугуна и химического тепла процессов окислительного рафинирования); - расход лома на плавку по условиям теплового баланса в зависимости от заданной температуры металла (использование лома в качестве основного охладителя); - применение материалов, содержащих оксиды железа (твердых окислителей): железной руды, агломерата, окатышей или окалины в качестве дополнительной охлаждающей добавки при необходимости снижения температуры металла по ходу продувки; - раскисление и легирование металла в сталеразливочном ковше во время выпуска металла из конвертера. После выплавки металл подвергается ковшевой обработке для улучшения его качества (как правило, применяют продувку металла инертным газом, но может быть и вакуумирование, и обработка порошками, шлаками или шлаковыми смесями). Разливка стали в современных конвертерных цехах производится на машинах непрерывного литья заготовок. Особенности выбранного варианта производства стали определяют и схему расчета плавки стали в конвертере. Целью расчета плавки является определение минимально необходимого количества материалов для получения заданных массы жидкой стали, ее химического состава и температуры. Для составления расчетных уравнений удобно использовать балансовые соотношения между компонентами материалов, применяемых для выплавки стали. В принципе расчет плавки можно осуществить путем составления и одновременного решения системы таких уравнений. Получение химического состава, температуры и массы стали с заданной точностью служит критерием оценки качества расчета. Однако это связано с высокой степенью формализации процесса и может быть использовано для других целей на конечных этапах профессиональной подготовки. В данной работе используется метод последовательного приближения, часто применяемый в инженерных расчетах. При этом в начале расчета задается соотношение между расходами основных шихтовых материалов: чугуна и лома. После этого определяются расходы всех необходимых материалов и рассчитываются массы металла, шлака и газов. Затем на основе теплового баланса плавки вычисляется температура металла и сравнивается с необходимой ее величиной для данных условий. При отклонении расчетной температуры от заданной на величину, превышающую принятую погрешность, расчет повторяется при новом соотношении исходных шихтовых материалов. Многолетний опыт проведения расчетов показывает, что их проще всего вести относительно суммы расходов чугуна и лома на плавку в относительных единицах. Это позволяет, независимо от вместимости и конструкции агрегата, считать, что сумма расходов чугуна и лома на плавку (масса металлошихты) составляет 100% или 100 кг. Расходы других материалов и выход продуктов плавки определяются в процентах от этой суммы, что равнозначно массе материалов в килограммах относительно 100 кг металлошихты. Кроме того, тепловой баланс плавки удобно составлять относительно температуры, близкой к 0С (0 25С). Это позволяет пренебречь величинами физического тепла материалов, поступающих в конвертер с температурой окружающей среды, а для химических реакций учитывать стандартные тепловые эффекты. При этом проще классифицировать любую статью теплового баланса, то есть относить ее к приходной или расходной его части. Если материал поступает в конвертер с температурой, существенно превышающей 0С, то он вносит тепло, и физическое тепло этого материала является приходной статьей теплового баланса (например, жидкий чугун). И наоборот, если продукт плавки нагрет до высоких температур сталеплавильного процесса, то его физическое тепло - расходная статья теплового баланса (например, жидкая сталь). При расчетах количества физического тепла материала разность температур может быть приравнена к температуре материала, так как отсчитывается от 0С. Ниже приведен пример упрощенного расчета конвертерной плавки со всеми необходимыми пояснениями. 2. ЗАДАНИЕ НА ВЫПОЛНЕНИЕ РАСЧЕТА Для выполнения расчета плавки стали в любом сталеплавильном агрегате необходимо располагать определенным минимумом исходных данных, которые обычно указываются студенту в задании на расчет. Заданные величины являются обязательными и не могут быть изменены в процессе расчета. Однако это только часть необходимых сведений. Недостающие данные выбираются самостоятельно, руководствуясь справочной литературой или практикой работы современных кислородно-конвертерных цехов. Как правило, в задании указываются вместимость конвертера, марка выплавляемой стали, химический состав и температура чугуна, интенсивность продувки сверху и снизу, некоторые сведения о материалах плавки и способ разливки металла. Например, необходимо произвести расчет плавки стали марки 08 в кислородном конвертере вместимостью 350 т при следующих условиях: чугун имеет температуру 1400С и содержит 3,9% С; 1,0% Si; 0,8% Mn; 0,19% P и 0,041% S; продувка производится кислородом сверху с интенсивностью 1100 м3/мин; в качестве твердого окислителя применяются окатыши с содержанием 60,0% Fe и 1% FeO; расход твердого окислителя - 0,5%; в качестве разжижителя шлака используется плавиковый шпат в количестве 0,5%. Разливка осуществляется непрерывным способом. В результате расчета должны быть определены расходы материалов, необходимые для выплавки стали заданного количества и химического состава, температура металла, продолжительность плавки и производительность агрегата. Расчет рекомендуется проводить в следующей последовательности: - определение параметров плавки в конце продувки; - определение расхода лома на плавку; - расчет окисления примесей металлической шихты; - расчет количества и состава шлака; - расчет расхода дутья; - расчет выхода жидкой стали перед раскислением и составление материального баланса плавки; - составление теплового баланса плавки и определение температуры металла; - расчет раскисления стали и ее химического состава; - расчет расхода материалов на всю плавку и выхода продуктов плавки; - определение удельной интенсивности продувки, продолжительности плавки и производительности агрегата. 3. 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 350 т, а это значит, что в конце продувки в конвертере масса жидкого металла должна быть равна 350 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 (табл.1) и должен соответствовать установленным требованиям. В примере расчета выплавляется сталь марки 10ХСНД, состав которой регламентируется ГОСТ 6713-91. Таблица 1 Химический состав выплавляемой марки стали
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 [C]м. Для марки 10ХСНД - это любое значение из марочного интервала до 0,12% (см. табл.1). Однако целесообразно ориентироваться на среднее значение из интервала: нижний предел - середина марочного интервала. Это связано с возможностью поступления углерода в металл при раскислении ферросплавами (особенно углеродистым ферромарганцем). 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 [C]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). Например, ферромарганец марки ФМн78 содержит 7,0% 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 углеродсодержащий 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 (tм) равна сумме температуры начала затвердевания металла - температуры плавления (tпл) и величины перегрева металла, учитывающего потери тепла от момента выпуска металла до окончания разливки (tпер): tм = tпл + tпер. В этом случае температуру плавления металла можно определить по формуле tпл = 1539 – 80*[C]м, где 1539 - температура плавления чистого железа, С; [C]м - содержание углерода в металле в конце продувки, %. Величину перегрева металла можно выбирать в пределах, указанных в табл. 2. Таблица 2 Величина необходимого перегрева металла в конвертере в зависимости от условий ковшевой обработки и разливки
Для условий примера расчета [C]м = 0,07%. Тогда tпл = 1539 – 80*0,07 = 1533C (определять точнее, чем 5C не имеет смысла, так как точность измерения температуры в производственных условиях находится в этих пределах). Принимаем среднее значение перегрева металла для непрерывной разливки с предварительной продувкой металла в ковше инертным газом, равным 110C (см. табл. 2). В результате требуемая температура металла в конвертере в конце продувки должна быть tм = 1533 + 110 = 1643C ( 5C). Таким образом, в конце продувки в конвертере необходимо получить 350 т жидкого металла, содержащего 0,07% углерода и имеющего температуру 1643C. | |||||||||||||||||||||||||