Курсовая работа: Кислородно-конвертерная плавка при переделе обыкновенных чугунов
Название: Кислородно-конвертерная плавка при переделе обыкновенных чугунов Раздел: Промышленность, производство Тип: курсовая работа | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Министерство образования и науки Украины Приазовский государственный технический университет Кафедра металлургии стали им. И.Г. Казанцева КУРСОВАЯ РАБОТА По предмету: «Теория и технология производства стали в конвертерах и мартеновских печах» На тему: «Кислородно-конвертерная плавка при переделе обыкновенных чугунов» Выполнил ст.гр. И-07-МС1 Луценко Р.В. Проверил проф. Бакст В.Я. Мариуполь 2009 СОДЕРЖАНИЕ Исходные данные………………………………………………………...…...…..3 1. Определение температуры металла в конце продувки…………….…......….4 2. Расчет материального баланса плавки………………………………….….....5 3. Расчет теплового баланса плавки……………………………...…………….22 Перечень источников………………………………………………..…………..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 в таблицу. Табл. 1.1 Состав чугуна, лома и стали
1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ МЕТАЛЛА В КОНЦЕ ПРОДУВКИ Требуемую температуру металла в конце продувочной операции 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 окончании продувки: 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 соответствующих элементов в чугуне, %; , – соответственно температура заливаемого в конвертер чугуна и температура металла в конце продувки, ; – содержание углерода в металле в конце 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 = 20,72 кг Расход чугуна, кг = 100 - =100 -20,72 = 79,28 кг (2.2) Расход миксерного шлака составляет 0,6 – 0,9% от массы чугуна, 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 = 0,13 кг (2.4) Расход плавикового шпата в зависимости от параметров технологии 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 = 0,25 кг (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 и лома, 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 состава чугуна и марки выплавляемой стали (требуемых показателей дефосфорации и десульфурации) находится в пределах 3,0 – 3,6 Принимаем для расчета основность конечного шлака = 3,4 = ,кг (2.13) – содержание кремния в металлошихте; , и т.д. – содержание кремнезёма в используемых материалах; , – содержание оксида кальция в используемых материалах (Табл.2.1) , и т.д. – расход материалов. Таблица 2.1 Химический состав неметаллической части шихты и других материалов, кроме оксидов железа и летучих
= {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 конце продувки, . = 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 на 1/3 – 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, со шлаком (в виде корольков) превышают количество железа, восстановленного из оксидов, 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 в материалах. = 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 соответствовать нижнему пределу его в готовой стали. Содержание марганца определяем из балансового уравнения распределения марганца между шлаком и металлом: = )]/ /,% (2.17) – константа равновесия реакции окисления 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 и шлаком, определяемый из табл.2.2 Табл. 2.2 Значения коэффициента распределения фосфора
При (%FeO)к = 13,86 %, и основности 3,4 : Lp = 105 = = = 0,005 % Содержание серы: = , % (2.19) где – коэффициент распределения серы металлом и шлаком, принимаемый по табл. 2.3. Табл. 2.3 Значения коэффициента распределения серы
При основности 3,4 = 8,3 = = = 0.025 % Содержание кремния в металле в конце продувки принимаем равным 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 = 0,096 кг Фосфора – = ∙/100 (2.22) = 0,005∙92,23/100 = 0,0046 кг 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 железа и 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, %
(%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 железа шихты; = 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 образование оксидов 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 с выбросами; = – потери железа в шлаке в виде корольков, кг = 0,08∙14,379 = 1,15 кг = – количество оксидов железа в дыме, 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 = 0,7 Мдутья . = 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 газов
Составляем сводную таблицу материального баланса. Табл. 2.6 Материальный баланс плавки (до раскисления)
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 жидкого чугуна; – химическое тепло реакций окисления примесей металлошихты; – химическое тепло реакций шлакообразования; – химическое тепло реакций образования оксидов железа шлака; – химическое тепло испарения железа до оксида железа; – физическое тепло миксерного шлака. 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 в конвертер чугуна, ; – температура плавления (ликвидуса) чугуна (1150 – 1200 ); – скрытая теплота плавления чугуна (218 кДж/кг). = 79,22[0,755∙1150 + 218 + (1340 – 1150) ∙ 0,92] = 99900,4 кДж Химическое тепло окисления примесей металлошихты, кДж Табл. 3.1 Химическое тепло окисления примесей
Химическое тепло реакций шлакообразования, кДж Принимаем, что весь SiO2 и P2O5 в шлаке связываются в соединения с оксидом кальция по реакциям: SiO2+ 2СаО = кДж/ кг P2O5 + 4СаО = кДж/ кг тогда = ; (3.3) = 2,119∙2300 + 0,089∙4860 = 5301,4 кДж Химическое тепло реакций образования оксидов железа шлака, кДж = , где – количество тепла железа, окислившегося до ; – количество тепла железа, окислившегося до . кДж/кг; кДж/кг. = ; (3.4) = 0,007∙14,379∙6,92∙7320 + 0,0078∙14,379∙13,86∙4820 = 12591,1 кДж Химическое тепло реакций окисления железа до оксида железа дыма, кДж = , (3.5) = 1,2∙7370 = 8844 кДж Физическое тепло миксерного шлака, кДж = , (3.6) где – средняя температура миксерного шлака, ; = = 1340 – 16 = 1324 – средняя теплоемкость миксерного шлака, кДж/(кг∙град) = ; = 0,73 + 0,00025(1324 + 273) = 1,13 кДж/(кг∙град) = 210 кДж/кг – скрытая теплота плавления миксерного шлака; = 0,63(1,13∙1324 + 210) = 1074,9 кДж = 99900,4 + 65065,6 + 5301,4 + 12591,1 + 8844 + 1074,9 = 192777,4 Расход тепла, кДж = , (3.7) где – физическое тепло жидкой стали; – физическое тепло конечного шлака; – тепло отходящих газов; – тепло диссоциации влаги, вносимой шихтой; – тепло диссоциации шихтовых материалов; – тепло диссоциации оксидов железа, внесенных шихтой; – тепло, уносимое оксидом железа дыма; – тепло, уносимое железом выбросов; – тепло, уносимое железом корольков; – потери тепла на нагрев футеровки, излучением через горловину, на нагрев воды, охлаждающей фурму и другие неучтенные потери. Физическое тепло жидкой стали, кДж = , (3.8) где = 0,70 кДж/(кг · град) – теплоемкость твердого металла; = 0,84 кДж/(кг · град) – теплоемкость жидкого металла; – температура металла в конце продувки; – температура плавления (ликвидуса) металла, ;(см. раздел 1) = 285 кДж/кг – скрытая теплота плавления металла. = 90,31[0,70∙1507 + 285 + (1614 – 1507) ∙ 0,84] = 129123,4кДж Физическое тепло жидкого шлака, кДж = , (3.9) где = 0,73 + 0,00025 – средняя теплоемкость конечного шлака, = 0,73 + 0,00025(1614 + 273) = 1,2 кДж/(кг · град) = 210 кДж/кг – скрытая теплота плавления шлака; = 14,379(1,2∙1614 + 210) = 30868,8 кДж Тепло, уносимое отходящими газами, кДж Среднюю температуру отходящих газов принимаем равной средней температуре металла во время продувки: = = = 1477 = Σ, (3.10) где – количество составляющей отходящих газов, и т.д., нм3 (см. табл. 2.5); - средняя теплоёмкость газов, кДж/(м3∙град) (из табл. 3.2 заносим в табл. 3.3) Табл. 3.2 Теплоёмкость газов
Табл. 3.3 Тепло отходящих газов
Тепло диссоциации влаги, вносимой шихтой, кДж При диссоциации влаги по реакции: = + 0,5 – 242000 кДж/(кг - моль) поглощается тепла = · 242000 кДж, (3.11) = = 367,3 кДж Тепло диссоциации шихтовых материалов, кДж При диссоциации шихтовых материалов по реакции: = + СО2 – 4025 кДж/кг СО2 поглощается тепла: = = ; (3.12) = 1,472∙4025 = 5924,8 кДж Тепло диссоциации оксидов железа, внесенных шихтой, кДж При диссоциации оксидов железа, внесенных шихтой и футеровкой, поглощается тепла: = , (3.13) где – количество тепла, теряемого ванной при диссоциации оксидов железа по реакции: = – 5160 кДж/кг ; – количество тепла, теряемого ванной при диссоциации закиси железа по реакции: = – 3750 кДж/кг ; = ; (3.14) = 0,01(0,3∙2,1 + 0,0065∙20,78∙3,0 + 0,012∙20,78∙69,0) = 0,182 кДж/кг = ; (3.15) = 0,01(0,63∙16,3 + 0,012∙20,78∙31,0) = 0,18 кДж/кг тогда = ; кДж = 0,182∙5160 = 939,1 кДж = ; кДж = 0,18∙3750 = 675 кДж = 939,1 + 675 = 1614,1 кДж Тепло, уносимое оксидом железа дыма, кДж = , (3.16) где = 0,88 кДж/кг; = 1,716∙0,88∙1477 = 2230,4 кДж Тепло, уносимое железом выбросов, кДж = , (3.17) где = = 0,84 кДж/(кг · град); = 0,8∙0,84∙1477 = 992,5 кДж Тепло, уносимое железом корольков, кДж = , (3.18) где = = 0.84 кДж/(кг · град); = = 1,15∙0,84∙1477 = 1426,8 кДж Потери тепла на нагрев футеровки конвертера, излучением через горловину, с охлаждающей водой и т.д. составляют обычно 1,5 – 3,0% от прихода тепла, кДж Принимаем эти потери f = 2,5 % = (3.19) = 192777,4∙2,5/100 = 4819,4 кДж = 129123,4 + 30868,8 + 14458,3 + 367,3 + 5924,8 + 1614,1 + 2230,4 + 992,5 + 1426,8 + 4819,4 = 191825,8 кДж Табл. 3.4Тепловой баланс плавки
Избыток тепла ∆Q = 192777,4 – 191825,8 = 951,6 кДж Невязка составляет = 0,49 % Определяем расход материалов на плавку Табл. 3.5 Расход материалов
ПЕРЕЧЕНЬ ИСТОЧНИКОВ 1. Бигеев А.М. Основы математического описания и расчеты кислородно – конвертерных процессов / А.М. Бигеев, Ю.А. Колесников.- М.: Металлургия, 1970.-232с. 2. Якушев А.М. Справочник конвертерщика / А.М. Якушев. – Челябинск : Металургия, 1990.- 448с. 3. Баптизманский В.И. Конвертерные процессы производства стали / В.И.Баптизманский, М.Я. Меджибожский, В.Б.Охотский.- К. – Д. : Высшая школа, 1984 – 343с. |