Практична робота № 2 « Розрахунок матеріального і теплового балансів конвертерної плавки марки 35ГСм».

Тема: Розрахунок шихти та матеріального балансу на задану марку сталі.

Мета практичного заняття:

1. Закріплення теоретичного матеріалу модулю «Періоди плавки в конвертері»

2. Підготовка студентів до самостійної роботи по курсовому та дипломному проектуванню.

Хід виконання практичної роботи.

1. Вивчити методику розрахунку шихти та матеріального балансу конвертерної плавки на задану марку сталі.

2. Виконати розрахунок шихти та матеріального балансу конвертерної плавки на задану марку сталі.

Методика виконання розрахунку.

Метою розрахунку шихти є визначення витрат металевих та неметалевих шихтових матеріалів, окислювачів та феросплавів.

Розрахунок ведеться на 100 кг металевої шихти.

Спочатку розрахунку повинно бути записано завдання на розрахунок шихти конвертерної плавки (садка п конвертера, хімсклад чавуну металевого брухту і готової сталі, відсоток чавуну і брухту у шихті.

Розрахунок виконується за зразковими розрахунками шихти.

Розрахунок шихти та матеріального балансу плавки.

Вихідні данні:

Склад вихідних матеріалів приймаємо з данних комбінату і межах ДОСТу і затверджених технічних умов комбінату.

Витрати чавуну приймаємо рівним – 75 %, металевого брухту – 25 %.

Таблиця 2.1. Хімічний склад металевої частини шихти, чавуну, сталі перед розкисленням та готової сталі марки 35ГСм, %

 

Матеріали	С	Мп	Sі	S	Р
Чавун	4,00	0,60	0,90	0,035	0,033
Металевий брухт	0,25	0,50	0,10	0,045	0,040
Сталь перед розкисленням	0,28	0,25		0,015	0,025
Готова сталь	0,30 – 0,37	0,80 – 1,20	0,05 – 0,17	0,045	0,045

 

Таблиця 2.2. Хімічний склад неметалевих матеріалів, %

 

Матеріали	SіО2	СаО	МgО	Аl 2О3	Fе 2О3	СО2	МпО	Р 2О5	Сr 2 О3	S	СаF2	Н2О
Вапно	2,00	92,0	3,00	-	1,34		1,50	0,10	-	0,06		-
Плавіковий шпат			---	-	1,8		-	-	-	0,1		0,1
Футеровка	2,90	34,0	57,0	1,50	2,30		1,60	-	0,70	-		-

 

Розрахунок шихти плавки.

Розрахунок ведемо на 100 кг металошихти (чавун + металевий брухт).

Таблиця 2.3. Визначаємо середній склад металевої шихти. %

Матеріали	С	Мп	Sі	S	Р
Чавун вносить	3,00	0,450	0,675	0,026	0,025
Металевий брухт вносить	0,063	0,125	0,025	0,010	0,010
Середній склад	3,063	0,575	0,700	0,036	0,035
Сталь перед розкисленням	0,28	0,25		0,015	0,025

 

Визначаємо скільки вилучається домішок з вани на 100 кг металу за весь період плавки, кг:

С 3,063 – 0,28 * 0,9 = 2,811 Мп 0,575 – 0,25 * 0,9 = 0,350

Sі 0,700

Р 0,035 – 0,025 * 0,9 = 0,013

S 0,036 – 0,015 * 0,9 = 0,022

Fе (в дим) 1,500

Σ 5,396

де 0,9 вихід придатної сталі.

 

Витрати заліза випарюванням при продувці вани технічно чистим киснем приймаємо рівним 1,1 %. При цьому 10 % сірки вигорає до SО2, тобто окисляється:

0,036: 10 = 0,0036 приблизно 0,004 кг сірки.

Витрати кисню на окислення домішок складає при окисленні 10 % вуглецю до СО2 і 90 % до СО.

 

Витрати кисню,кг:

 

С - СО2 0,281 * 32: 12 = 0,749

С - СО 2,530 * 16: 12 = 3,373

Sі - SіО2 0,700 * 32: 28 = 0,800

Мп - МпО 0,3500 * 16: 55 = 0,102

Р - Р2О5 0,013 * 80: 62 = 0,017

S - SO2 0,004 * 32: 32 = 0,004

Fе - Fе2О3 1,500 * 48: 112 = 0,643 (в дим)

∑ 5,688

 

Утворюється асса окислів, кг:

 

СО2 0,281 + 0,749 = 1,030

СО 2,530 + 3,373 = 5,903

SіО2 0,700 + 0,800 = 1,500

МпО 0,351 + 0,102 = 0,452

Р2О5 0,013 + 0,017 = 0,030

SO2 0,004 + 0,004 = 0,008

Fе2О3 1,500 + 0,643 = 2,143

 

Перехід сірки в шлак, кг:

0,022 – 0,004 = 0,018 При цьому звільняється кисню, кг:

0,018: 2 = 0,009

Витрати кисню складають, кг

5,688 – 0,009 = 5,679

 

Визначення витрат вапна.

Витрати вапна визначаємо по балансу СаО /SіО2 у шлаку для отримання основності 3,5 (середня основність шлаку на плавку складає 3,0 – 3,6).

Для формування шлаку приймаємо витрати плавікового шпату 0,5 кг.

Витрати (винос футеровки в практичних умовах складає 0,2 – 0,4 % або 2 – 4 кг /т сталі. Приймаємо витрати смолодоломітової цегли 0,3 кг на 100 кг металошихти.

Витрати вапна позначаємо через у кг. Кількість СаО у шлаку, що надходить з матеріалів складе, кг:

 

Футеровки 0,3 * 0,34 = 0,102

Плавікового шпату 0,5 * 0,06 = 0,03

 

Вапна 0,92 у

0,132+ 0,92 у

 

Кількість SіО2 в кінцевому шлаку яке надходить з матеріалів, складе, кг

Металевої шихти 1,500

Футеровки 0,3 * 0,029 = 0,009

Плавікового шпату 0,5 * 0,04 = 0,024

Вапна 0,02 у

1,533+ 0,02 у

 

Замість СаО і SіО2 підставимо значення та визначаємо витрати вапна:

 

 

СаО 0,132 + 0,92 у

_______________________ = 3,5

SіО2 1,533 + 0,02 у

 

 

(1,533 + 0,02у) * 3,5 = 0,132 + 0,92 у

 

5,234 = 0,85 у

 

Звідкіля у = 6,158

 

Таблиця 2,4, Металева шихта, вапно, марганцевий агломерат, футеровка вносять у шлак, кг:

матеріали	SіО2	СаО	МgО	Аl 2О3	Fе 2О3	МпО	Р 2О5	Сr 2O3	S	СаF2	Q
Металева шихта	1,500	-	-	-	-	0,452	0,030	-	0,018	--	2,00
Плавіковий шпат	0,02	0,03	0,006	-	0,009	---	-	-	0,0005	0,425	0,4905
вапно	0,123	5,665	0,185	-	0,083	0,092	0,006	-	0,004	--	6,158
Футеровка	0,009	0,102	0,171	0,005	0,007	0,005	-	0,002	-	--	0,301
Усього	1,652	5,797	0,362	0,005	0,099	0,549	0,036	0,002	0,0225	0,425	8,9495

 

Допускаємо, що у першому наближенні, вміст окислів заліза у шлаці при продувці ассау зверху киснем буде таким,як в мартенівському шлаку: 13 % FеО і 4 % Fe2O3. Тоді асса окислів шлаку без FeO і Fe2O3 складає 83 %, а асса шлаку без окислів заліза буде рівна, кг:

8,9495 – 0,099 = 8,8505

Маса шлаку,кг:

8,8505: 0,83 = 10,663

Маса окислів заліза у шлаку, кг:

10,663 – 8,8505 = 1,813

У тому числі 0,426 кг Fe ₂O₃ і 1,386 кг FeO. Таким чином склад шлаку буде:

 

Таблиця 2.5. Склад шлаку.

	SіО2	СаО	МgО	Аl 2 О3	Cr 2 О3	МпО	Р 2О5	S	СаF2	Fe 2O3	FеО	усього
кг	1,652	5,797	0,362	0,005	0,002	0,549	0,036	0,0225	0,425	0,426	1,386	10,663
%	15,51	54,35	3,39	0,05	0,02	5,15	0,34	0,20	3,99	4,00	13,00

 

Фактична основність шлаку:

 

 

% СаО 54,35

________ = ________ = 3,5

% SіО2 15,51

 

 

Тобто відповідає заданій (допустимі відхилення на _+ 0,05)

Окислиться заліза,кг:

до Fe ₂O₃ 0,426 – 0,099 = 0,327

FeO 1,386

 

 

Поступить заліза з ассау в шлак,кг:

1,387 * 56: 72 + 0,327 * 112: 160 = 1,079+ 0,23 = 1,31

 

Вихід готової сталі дорівнює,кг:

100 – 5,396 – 0,5 – 1 – 1,31 = 91,794

 

5,396 – угар домішок,кг

0,5 – кількість заліза допустамого у шлак у вигляді корольків,кг.

1 – витрати заліза з викидами,кг.

1,31 – угар заліза на утворення окислів заліза у шлаку,кг.

 

Необхідно кисню на окислення заліза, кг.

 

(1,386 – 1,079) + (0,327 – 0,23) = 0,404

Усього необхідно кисню на окислення домішок, кг.

 

5,679 + 0,404 = 6,083

де 5,679 – витрати кисню.

Необхідно технічного кисню при 95 % - ному засвоєнні.

 

6,083 * 22,44

________________ = 4,512

32 * 0,995 * 0,95

 

де 99,5 технічний кисень вміщує кисню.

На 1 т садки витрати технічного кисню складають – 45,12 м³ / т.

 

Кількість азоту:

4,512 * 0,005 = 0,023 м³ або 0,029 кг

 

Кількість незасвоеного кисню:

(4,512 – 0,023) * 0,05 = 0,224 м³ або 0,320 кг.

 

Маса технічного кисню рівна,кг

6,083 + 0,029 + 0,320 = 6,432

 

Кількість та склад отриманих газів приведені у таблиці:

 

Таблиця 2.6. Склад та кількість газів.

 

Складаючі	ВМІСТ
	кг	м³	%
СО2	1,030	0,524	9,53
СО	5,903	4,722	85,89
N2	0,029	0,023	0,40
О2	0,320	0,224	4,06
SO2	0,020	0,007	0,12
Усього	7,302	5,500

 

 

Матеріальний баланс плавки до розкислення:

Надійшло,кг Отримано.кг

Чавуну 75 Сталі 91,794

Металевий брухт 25 Шлаку 10,663

Вапна 6,158 Корольків 0,5

Плавікового

шпату 0,5 Викидів 1

Футеровки 0,300 газів 7,302

Технічного кисню 6,432 Fe ₂O₃ 2,143 _________________________________ _________________________

113,390 113,400

 

ассау: 113,390 – 113,400

__________________ * 100 = - 0,009 %

113,400

 

(допустимо до +_ 0,02 %)

 

РОЗРАХУНОК РОЗКИСЛЕННЯ СТАЛІ.

 

У сталі перед розкисленням міститься,кг.

вуглецю - 0,26 сірки - 0,014

марганцю - 0,23 фосфору - 0,023

 

Концентрація розчиненого у металі кисню до кінця плавки перед розкисленням залежить від багатьох факторів: від вмісту вуглецю в металі, окислів заліза у шлаку, температури ассау.

Звичайно концентрація кисню, розчиненого в металі до кінця плавки, яка знаходиться під шлаком з вмістом 16 – 20 % (FeO і Fe2O3) з основністю 3,5, при температурі ванни 1600 – 1650 ° С знаходимо по формулі Г.І. Ойкса:

(% С) * (% О2) = (0,035 + 0,006 % С). Звідки:

 

 

% О2 = 0,0035 + 0,006 * % С = 0,0035 + 0,006 * 0,28

__________________ __________________

% С 0,28 = 0,0185 кг або

 

0,0185 * 0,91794 = 0,017 кг

Розкислення сталі марки 35ГСм проводиться сілікомарганцем з розрахунку отримання в готовій сталі середьозаданого вмісту марганцю. Присадка феросплавів в ковш проводиться рівномірно після наповнення 1/5 ковша ассау та закінчується при наповнені ассау на 2/3 його висоти.

При зливу ассау в ківш проходить вторинне окислення ассау. Загальний угар «Мп» - 20 %. Витрати SіМп на 100 кг металошихти визначаємо по формулі:

 

Р = Q * (а – b) * 1000 * 100

--------------------------------

С * (100 – а) кг,

де Q – садка агрегату,

а – середньо вказаний вміст елементу в готовій сталі,%

в – надмірковий вміст елементу у сталі,%
С – вміст елементу в розкислювачі,%

а – угар елемента – розкислювача у ковші, %

 

 

Р = 0,1 * (1,00 – 0,25) * 1000 * 100

-----------------------------------------------

65 * (100 – 20) = 1,442 кг

 

Ця кількість SіМп вносить,кг

С 1,442 * 0,015 = 0,022

Sі 1,442 * 0,050 = 0,072

Мп 1,442 * 0,650 = 0,937

Р 1,442 * 0,004 = 0,006

S 1,442 * 0,001 = 0,001

Fe 1,442 * 0,280 = 0,404

Σ 1,442

 

Приймаємо,що кремній окислюється повністю, вуглець на 50 %.

На окислення домішок необхідно кисню,кг:

 

 

С – СО 0,011 * 16: 12 = 0,0147

Sі –SіО₂ 0,072 * 32: 28 = 0,0823

Мп – МпО 0,187 * 16: 55 = 0,0545

Σ 0,1515

 

Утворюється асса окислів, кг

СО 0,011 + 0,0147 = 0,0257

SіО₂ 0,072 + 0,082 = 0,154

МпО 0,187 + 0,0545 = 0,2415

 

Переходить з розкислювачів в сталь, кг

1,442 – 0,011 – 0,072 – 0,187 = 1,172

 

Надійде кисню з атмосфери, кг

0,1515 – 0,017 = 0,1345

 

Вихід сталі після розкислення (без урахування витрат заліза із шлаками, що спускають), кг

91,794 + 1,172 – 0,017 = 92,95

 

Вихід шлаку, кг

10,663 + 0,154 + 0,2415 = 11,058

 

Матеріальний баланс після розкислення сталі:

Надійшло, кг Отримано, кг

Сталь до розкислення – 91,794 Сталі після розкислення - 92,95

Шлак до розкислення - 10,663 Шлак після розкислення - 11,058

SіМп - 1,442 СО - 0,026

Кисень з атмосфери - 0,135

104,034 104,034

 

Сталі після розкислення, кг

 

 

Таблиця 2.7. Сталі після розкислення.

 

Джерело	С	Sі	Мп	S	Р	Fe	Q
Сталь до розкислення	0,26		0,23	0,014	0,023	91,267	91,794
SіМп	0,022	0,072	0,937	0,001	0,006	0,404	1,442
Усього	0,282	0,072	1,167	0,015	0,029	91,671	93,236
%	0,32	0,07	1,20	0,015	0,031	98,364

 

 

Розрахунок теплового балансу плавки.

 

Прихід тепла.

 

1. Фізичне тепло рідкого чавуну, тобто, що надходить у конвертер при температурі 1320° С, ккал:

Q ₁ = (0,178 * 1200 + 52 + 0,2 (1320 – 1200) * 75 = 21720

де 0,178 – середня теплоємкість тверлого чавуну від 0°С до температури плавлення ккал / кг * град,

1200 – температура плавлення чавуна,°С

52 - скрита теплота плавлення тверлого чавуну, ккал / кг,

0,20 - середня теплоємкість рідкого чавуну, ккал / кг * град,

75 - кількість чавуну в металошихті,кг,

 

 

2.Тепло екзотермічних реакцій, ккал:

С –СО₂ 8137 * 0,281 = 2286

С – СО 2498 * 2,530 = 6320

Мп – МпО 1758 * 0,350 = 615

Sі – SіО₂ 7423 *0,700 = 5196

Р – Р ₂О₃ 5968 * 0,013 = 76

S – SO₂ 2216 * 0,004 = 9

Fe – Fe ₂O₃ 1758 * 0,241 = 424

Fe – FeO 1150 * 1,151 = 1323

Fe – Fe ₂O₃ (в дим) 1758 * 1,500 = 2637

Q₂ = 18886

де ассау – теплові ефекти, які відносяться ассауого елементу, ккал /кг.

Множитель кількість окислених домішок чавуну, кг.

 

3.Тепло шлакоутворення, ккал

При формуванні шлаку в ньому утворюється 2СаО * SіО2₂, 4 СаО * Р ₂О₅,

554 * 0,700 * 60: 28 = 831

1132 * 0,013 * 142: 62 = 34

Q₃ = 865 У данному розрахунку ентальпія холодних матеріалів не враховується.

Прихід тепла рівний Q пр = Q₁ + Q₂ + Q₃ = 21720 + 18886 + 865 = 41471 ккал

Витрати тепла:

 

1. Фізичне тепло сталі нагрітої до 1590° С, виносить тепла, ккал:

Q₁ = (0,167 * 1500 + 65 + 0,2 (1590 – 1500) * (91,794 + 1 + 0,5) =31113

 

де 0,167 – середня теплоємкість твердої сталі, ккал /кг *град.

1500 – температура плавлення ассау,° С

65 – скрита температура плавлення твердої сталі, ккал/ кг,

0,20 – середня теплоємкість рідкої сталі, ккал /кг * град,

91,794 – асса рідкої сталі,кг.

1,5 – корольки та викиди ассау,кг.

 

2. Фізичне тепло шлаку, тобто шлак виносить тепла, ккал,

Q₂ = 10,663 * (0,298 * 1610 + 50) = 5649

 

де 10,663 – асса шлаку, кг,

0,298 – теплоємкість шлаку, ккал /кг * град,

50 – скрита теплота плавлення шлаку, ккал / кг

1610° С – температура шлаку.

 

3. Витрати тепла приймаємо рівним 5% приходу, ккал;

Q₃ = 41471 * 0,05 = 2074

 

 

4.Частинки Fe ₂О₃ виносять тепла, ккал,

 

Q₄ =(0,294 * 1450 + 50) * 2,143 = 1021

 

 

5.Гази виносять тепла при середній температурі 1450° С, ккал,

 

СО2 814 * 0,524 = 426

СО 506 * 4,722 = 2389

О2 528 * 0,224 = 118

N2 499 * 0,023 = 11

SO2 814 * 0,007 = 1

Q₅ = 2945

 

де перший стовбчик чисел – тепловий вміст 1м³ газів при температурі 1450° С, ккал/м.

 

Витрати тепла рівні:

 

Q _в = Q₁ + Q₂ + Q₃ + Q₄ + Q₅ = 31113 + 5649 + 2074 + 1021 + 2945 = 42802 ккал

 

Недолік тепла рівний:

 

Q_нед = Q_вит – Q_пр = 42802 – 41471 = 1331 ккал.

 

 

Таблиця 2.8. Тепловий баланс плавки.

	Статті балансу	ккал	МДж	%
1.	Фізичне тепло чавуну		91,01	50,75
2.	Тепло екзотермічних реакцій		79,13	44,12
3.	Тепло шлакоутворення		3,62	2,02
4.	Недолік тепла		5,58	3,11
	В с ь о г о		179,34
	Витрати тепла
1.	Фізичне тепло сталі		130,37	72,69
2.	Фізичне тепло шлаку		23,66	13,19
3.	Витрати тепла		8,69	4,85
4.	Витрати тепла з частинами Fe 2O3		4,28	2,39
5.	Витрати тепла з газами		12,34	6,88
	В с ь о г о		179,34

 

Завдання для практичної роботи № 2

Номер варіанту	Відсоток чавуну %	Відсоток металевого брухту %
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.