Первый период плавки

Расчет технологии производства на примере стали 37Г2С

Свойства стали 37Г2С

Вид поставки – сортовой прокат.

Назначение - изготовление нарезных труб нефтяного сортамента.

Механические свойства стали 37Г2С представлены в таблице 7.

Таблица 7 - Механические свойства стали 37Г2С, (не менее)

Марка стали	Предел текучести dT, Н/мм2 (кгс/мм2)	Временное сопротивление dB, Н/мм2 (кгс/мм2)	Относительное удлинение g5,%, не менее
37Г2С	490 (50)	686 (70)

Химический состав стали 37Г2С представлены в таблице 8.

Таблица 8 - Химический состав стали 37Г2С

Массовая доля элементов, %
C	Si	Mn	S	P	Cr	Ni
0,32-0,38	0,4-0,65	1,20-1,55	< 0,30	< 0,30	< 0,30	< 0,30

Материальный баланс плавки

Для расчета материального баланса воспользуемся показателями действующего материального баланса плавки в ДСПА № 9 ОАО «Уральская сталь», приведенном в таблице 9.

Таблица 9 - Действующий материальный баланс плавки в ДСПА № 9

Поступило, кг	Получено, кг
Металлической шихты	100,000	Стали	86,096
Известняка	3,582	Шлака	12,186
Доломита	1,700	Потери металла	0,874
Магнезитохромита	0,200	СО	5,913
Кислорода из атмосферы	0,350	СО2	1,528
Технического кислорода	5,432	SO2	0,014
		Азота	0,237
		Неусвоенного кислорода	0,604
		Н2О	0,220
		Fe2O3 (в дым)	3,592
Итого	111,264		111,264

Благодаря тому, что применяется донная продувка инертным газом позволяющаяснизить переокисленность металла и шлака, а также использование пульсирующих струй, обеспечивающих интенсивное перемешивание реакционной зоны - позволяют снизить угар железа на 40% и повысить коэффициент усвоения кислорода до 90− 95%.

Расчет шихты на 100 кг металлической садки

Так как опытные плавки не показали существенных изменений при использовании 20 т металлоскрапа отвальных сталеплавильных шлаков в шихтовке плавки двухванного сталеплавильного агрегата, то разделением по категориям можно пренебречь.

Составы чугуна, скрапа, металла по расплавлении и перед раскислением приведены в таблице 10.

Таблица 10 - Состав чугуна, скрапа, металла, %

Материал	С	Si	Mn	P	S
Чугун (65%)	4,0	0,75	0,20	0,16	0,04
Скрап (35%)	0,1	-	0,40	0,04	0,04
Металл: по расплавлению перед раскислением	1,5 0,1	-	0,05 0,05	0,015 0,012	0,025 0,022

Средний состав шихты рассчитывается по формуле:

С₁^СР = С₁^чуг · (1 – α) + С₁^лом · α, (6)

где С₁^СР, С₁^чуг, С₁^лом – среднее содержание 1-го компонента в шихте, в чугуне

и в ломе, масс. доли, %

α – доля лома в металлической части шихты.

Первый период плавки

Средний состав шихты приведен в таблице 11.

Таблица 11 - Определение среднего состава шихты, кг

Источники	С	Si	Mn	P	S
Чугун	2,600	0,487	0,130	0,104	0,026
Скрап	0,035	-	0,140	0,014	0,014
Среднее содержание	2,635	0,487	0,270	0,118	0,040

Угар примесей, кг:

С 2,635 – 1,500 = 1,135;

Si 0,487;

Mn 0,270 – 0,50 = 0,220;

Р 0,118 – 0,015 = 0,103;

S 0,040 – 0,025 – 0,004 = 0,011;

Fe в дым 0,500;

Угар примесей 2,460.

При продувке ванны техническим кислородом 10% S окисляется до SO2. Здесь угар железа в дым принят равным 1,1% (в 1 периоде – 0,5 кг, во II периоде – 0,6 кг). Расход кислорода и количество получающихся окислов рассчитаны в таблице 12.

Таблица 12 – Расход кислорода и количество окислов

Окисление	Расход кислорода, кг	Масса окисла, кг
С → СО	1,135 · 16: 12 = 1,513	1,135 + 1,513 = 2,648
Si → SiO2	0,487 · 32: 28 = 0,556	0,487 + 0,556 = 1,043
Р → Р2О5	0,103 · 80: 112 = 0,074	0,103 + 0,133 = 0,236
Fe в дым → Fe2O3	0,500 · 48: 112 = 0,214	0,500 + 0,214 = 0,714
S → SO2	0,004 · 32: 32 = 0,004	0,004 + 0,004 = 0,008
Mn → MnO	0,220 · 16: 55 = 0,064	0,220 + 0,064 = 0,284
Итого	2,484	4,933

С учетом выделившегося кислорода при переходе 0,011 кг серы в шлак расход кислорода составит:

2,484 – 0,005 = 2,479 кг.

Износ футеровки определяется по таблице 13.

Таблица 13 − Износ футеровки за плавку, кг

Материал	I период	II период	За плавку
Доломит обожженный	1,3	0,4	1,7
Магнезитохромит	0,1	0,1	0,2

Вскоре после заливки чугуна скачивается примерно 5,0 – 6,5% шлака. Для данного расчета принято 5 кг.

Состав первичного шлака принят следующим, %:

SiO₂ 5,000 · 0,210 = 1,050;

Al₂O₃ 5,000 · 0,035 = 0,175;

MnO 5,000 · 0,040 = 0,200;

MgO 5,000 · 0,080 = 0,400;

СаО 5,000 · 0,250 = 1,250;

Р₂О₅ 5,000 · 0,040 = 0,200;

S 5,000 · 0,003 = 0,015;

Cr₂O₃ 5,000 · 0,001 = 0,005;

FeO 5,000 · 0,276 = 1,380;

Fe₂O₃ 5,000 · 0,065 = 0,325;

Итого 5,000.

Примем загрязненность скрапа 2% (загрязнения типа глины):

50% SiO₂; 28% Al₂O₃; 22% Н₂О.

Загрязнениями вносится, кг:

SiO₂ 35 · 0,02 · 0,50 = 0,350;

Al₂O₃ 35 · 0,02 · 0,28 = 0,196;

Н₂О 35 · 0,02 · 0,22 = 0,154.

Принято, что окисленность скрапа (в виде Fe₂O₃) составляет 1% его массы, т.е. 0,35 кг. Вместе с чугуном из миксера попадает небольшое количество шлака, для данного расчета оно принято равным 0,4 кг, при этом состав шлака: 45% СаО; 37% SiO₂; 9% Al₂O₃; 7% MgO; 2% S.

Теряется известняка со сбегающим шлаком:

1,25: 0,53 = 4,716 = 2,358 кг,

где 0,53 – содержание СаО в 1 кг. известняка.

Составим формулу количества шлака суммированием всех его компонентов. Состав неметаллических материалов приведен в таблице 14.

Таблица 14 - Состав неметаллических материалов, %

Материал	SiO2	Al2O3	FeO	Fe2O3	MgO	CaO	P2O3	S	H2O	CO2	Cr2O3
Известняк	2,00	0,30	-	0,20	2,00	53,00	0,07	0,10	0,83	41,5	-
Известь	3,50	0,50	-	0,35	3,50	85,0	0,10	0,13	-	6,92	-
Доломит обожжен.	2,00	2,00	-	0,30	36,00	55,0	-	-	2,20	2,50	-
Магнезито хромит	6,00	4,00	-	10,00	66,00	2,00	-	-	-	-	12,0

Расход известняка примем за х, тогда общий расход известняка с учетом потерь со сбегающим шлаком равен (2,358 + х) кг.

Поступит SiO₂ из материалов, кг:

1) Металлической шихты 1,043;

2) Доломита 1,3 · 0,02 = 0,026;

3) Магнезитохромита 0,1 · 0,06 = 0,006;

4) Загрязнений скрапа 0,350;

5) Миксерного шлака 0,4 · 0,37 = 0,148;

6) Известняка (2,358 + х) · 0,02 = 0,047 + 0,02х;

Итого 1,620 + 0,002х.

Поступит Al₂O₃ из материалов, кг:

1) Доломита 1,30 · 0,02 = 0,026;

2) Магнезитохромита 0,10 · 0,04 = 0,004;

3) Загрязнений скрапа 0,196;

4) Миксерного шлака 0,4 · 0,09 = 0,036;

5) Известняка (2,358 + х) · 0,003 = 0,007 + 0,003х;

Итого 0,269 + 0,003х.

Поступит MnO из металлической шихты 0,284 кг.

Поступит MgO из материалов, кг:

1) Доломита 1,3 · 0,36 = 0,468;

2) Магнезитохромита 0,1 · 0,66 = 0,066;

3) Миксерного шлака 0,4 · 0,07 = 0,028;

4) Известняка (2,358 + х) · 0,02 = 0,047 + 0,02х;

Итого 0,609 + 0,02х.

Поступит СаО из материалов, кг:

1) Доломита 1,3 · 0,550 = 0,715;

2) Магнезитохромита 0,1 · 0,020 = 0,002;

3) Миксерного шлака 0,4 · 0,45 = 0,180;

4) Известняка (2,358 + х) · 0,53 = 1,250 + 0,53х;

Итого 2,147 + 0,53х.

Поступит Р₂О₅ из материалов, кг:

1) Металлической шихты 0,236;

2) Известняка (2,358 + х) · 0,0007 = 0,002 + 0,0007х;

Итого 0,238 + 0,0007х.

Поступит серы из материалов, кг:

1) Металлической шихты 0,011;

2) Миксерного шлака 0,4 · 0,02 = 0,008;

3) Известняка (2,358+х) · 0,001 = 0,002 + 0,001х;

Итого 0,021 + 0,001х.

Поступит Cr₂O₃ из магнезитохромита:

0,1 · 0,12 = 0,012 кг.

Содержание FeO и Fe₂O₃, по экспериментальным данным на действующих печах ДСПА № 1 и № 9, составляет соответственно 26 и 10 %. Так как применяется новая технология ведения плавки позволяющая снизить окисленность металла и шлака на 40 %, поэтому содержание FeO и Fe₂O₃ задается равным соответственно 16 и 6 %, что составляет 0,16L_ш и 0,06L_ш.

С учетом скачивания шлака формула количества шлака по расплавлении получится, кг:

SiO₂ 1,620 + 0,020х – 1,050 = 0,570 + 0,020х;

Al₂O₃ 0,269 + 0,003x – 0,175 = 0,094 + 0,003x;

MnO 0,284 – 0,200 = 0,084;

MgO 0,609 + 0,020х – 0,400 = 0,209 + 0,020х;

CaO 2,147 + 0,530х – 1,250 = 0,897 + 0,530х;

Р₂О₅ 0,238 + 0,0007х – 0,200 = 0,038 + 0,0007х;

S 0,021 + 0,001х – 0,015 = 0,006 + 0,001х;

Cr₂O₃ 0,012 – 0,005 = 0,007;

FeO 0,16L_ш;

Fe₂O₃ 0,06L_ш ;

Итого L_ш = 0,22 L_ш + 1,905 + 0,5747х.

L_ш = (1,905 + 0,5747х): 0,78.

Второе уравнение составляем по желаемой основности, которую примем для короткого периода равной 2,6:

В = .

0,897 + 0,530х = 1,482 + 0,052 х

0,478х = 0,585

х = 1,224х

Количество шлака:

L_ш = (1,905 + 0,5747 · 1,224): 0,78 = 3,343 кг.

В таблице 15 рассчитан состав и количество шлака I периода.

Таблица 15 - Состав и количество шлака I периода

Составляющие	Изменения	Масса, кг.	Содержание, %
SiO2	0,570 + 0,020 · 1,224	0,594	17,75
Al2O3	0,094 + 0,003 · 1,224	0,098	2,93
MnO	0,084	0,084	2,50
MgO	0,209 + 0,020 · 1,224	0,233	6,97
СаО	0,897 + 0,530 · 1,224	2,547	46,27
Р2О5	0,038 + 0,0007 · 1,224	0,039	1,16

Продолжение таблицы 15

S	0,006 + 0,001 · 1,224	0,007	0,21
Cr2O3	0,007	0,007	0,21
FeO	0,16 · 3,343	0,534	16,00
Fe2O3	0,06 · 3,343	0,200	6,00
Lш		4,343	100,00

Общее количество известняка:

2,358 + 1,224 = 3,582 кг.

Общее количество шлака:

4,343 + 5 = 9,343 кг.

Баланс железа первого периода приведен в таблице 16.

Таблица 16 - Баланс железа первого периода плавки

Источники	Из Fe2O3, кг.	Из FeO, кг.
Доломит	1,300 · 0,003 · 0,7 = 0,003	-
Магнезитохромит	0,100 · 0,100 · 0,7 = 0,007	-
Известняк	3,582 · 0,002 · 0,7 = 0,005	-
Окалина скрапа	0,241 · 0,7 = 0,169	0.109 · 0,78 = 0,085
Итого	0,184	0,085
Потери со сбегающим шлаком	0,325 · 0,7 = 0,228	1,380 · 0,78 = 1,076
Содержится в шлаке	0,200 · 0,7 = 0,140	0,534 · 0,78 = 0,416
Итого	0,368	1,492
Переходит в сталь	0,184 – 0,368 = - 0,184	0,085 – 1,492 = - 1,407

Количество окислившегося железа:

0,184 + 1,407 = 1,591 кг.

На окисление железа до Fe₂O₃ расходуется кислорода:

0,184 · 48 / 112 = 0,079 кг.

На окисление железа до FeO расходуется кислорода:

1,407 · 16 / 56 = 0,402 кг.

Поступит кислорода из атмосферы печи при удельном поступлении его

5 кг/ (м² · ч), так как СО интенсивно выделяется из ванны:

5 · 50 · 2/2500 = 0,26 кг,

где 2 – продолжительность поступления кислорода в ванну за 1 период, ч;

50 – площадь пода одной камеры, м².

Технический кислород должен ввести кислорода в ванну на 100 кг металлической шихты (при составе технического кислорода 95% О₂ и 5% азота):

2,479 + 0,079 + 0,402 – 0,26 = 2,7 кг.

В первом периоде, когда ванна еще сравнительно мало и неравномерно прогрета, диффузионные процессы и транспортирование углерода в зону реакции замедлены, поэтому коэффициент усвоения подаваемого в ванну кислорода принят равным 0,9 (базовый вариант составляет 0,86).

Расход технического кислорода составит:

V_{кисл техн} = .

На 1 т металлической шихты потребуется технического кислорода 22,1 м³/т.

Расход чистого кислорода:

2,7 · 22,4 / 32 = 1,89 м³.

Расход чистого кислорода с учетом коэффициента усвоения:

1,89 / 0,9 = 2,1 м³.

Количество неусвоенного кислорода:

2,10 – 1,89 = 0,21 м³, или 0,30 кг.

Количество азота:

2,21 – 2,1 = 0,11 м³, или 0,137 кг.

Количество технического кислорода, поступающего в ванну:

2,7 + 0,3 + 0,137 = 3,137 кг.

Выход металла с учетом металла, запутавшегося в шлаке (10% количество сбегающего шлака):

100 – 2,46 – 1,591 – 0,7 – 0,35 – 0,4 – 0,5 = 92,999 кг,

где 2,46 – угар примесей;

1,591 – угар железа на получение окислов шлака, кг;

0,7 – загрязнения скрапа, кг;

0,35 – окалина скрапа, кг;

0,4 – миксерный шлак, кг;

0,5 – потери металла со сбегающим шлаком, кг.

Количество выделившихся газов из материалов найдем по таблице 17.

Таблица 17 − Количество выделившихся газов из материалов

Источник	СО2	Н2О
Загрязнений скрапа	-	0,154
Известняка	3,582 · 0,415 = 1,486	0,028
Доломита	1,3 · 0,025 = 0,032	0,029
Итого	1,518	0,211

Материальный баланс первого периода представлен в таблице 18.

Таблица 18 − Материальный баланс первого периода плавки

Поступило, кг	Получено, кг
Металлической шихты	100,00	Металла	92,999
Известняка	3,582	Корольков (потери металла в шлак)	0,500
Доломита	1,300	Шлака	9,343
Магнезитохромита	0,100	СО	2,648
Кислорода из атмосферы печи	0,260	СО2	1,518

Продолжение таблицы 18

Технического кислорода	3,137	Н2О	0,211
		Неусвоенного кислорода	0,300
		Азота	0,137
		SO2	0,008
		Fe2O3 и дым	0,714
		Невязка	- 0,001
Итого	108,379		108,379кг