Расчет и разработка конструкции дуговой сталеплавильной печи при использовании топливно-кислородных горелок и жидкого полупродукта

Кипение и перемешивание обеспечивает также ускорение выравнивания температуры  металла и его нагрев. За время окислительного периода необходимо окислить углерода не менее 0,2-0,3% при выплавке высокоуглеродистой стали (содержащей >6% С) и 0,3-0,4% при выплавке средне- и низкоуглеродистой стали.

Шлак в конце окислительного периода имеет примерно следующий  состав, %: 35-50 CaO; 10-20 SiO₂; 4-12 MnO; 6-15 MgO; 3-7 Al₂O₃; 6-30 FeO; 2-6 Fe₂O₃; 0,4-1,5 P₂O₅. содержание окислов железа в шлак зависит от содержания углерода в выплавляемой марке стали; верхний предел характерен для низкоуглеродистых сталей, нижний – для высокоуглеродистых.

Окислительный период заканчивается  тогда, когда углерод окисляется до нижнего предела его содержания в выплавляемой марке стали, а  содержание фосфора снижено до 0,010-0,015%. Период заканчивают сливом окислительного шлака. Полное скачивание окислительного шлака необходимо, чтобы содержащийся в нем фосфор не перешел обратно в металл во время восстановительного периода.

– Восстановительный период

Задачами восстановительного периода являются:

а) раскисление металла;

б) удаление серы;

в) доведение химического состава стали до заданного;

г) корректировка температуры.

Все эти задачи решаются параллельно  в течение всего восстановительного периода; раскисление металла производят одновременно осаждающим и диффузионным методами.

После удаления окислительного шлака в печь присаживают ферромарганец в количестве, необходимом для обеспечения содержания марганца в металле на его нижнем пределе для выплавляемой стали, а также ферросилиций из расчета введения в металл 0,10-0,15% кремния и алюминий в количестве 0,03-0,1%. Эти добавки вводят для обеспечения осаждающего раскисления металла.

Далее наводят шлак, вводя  в печь известь, плавиковый шпат и  шамотный бой. Через 10-15 мин. шлаковая смесь расплавляется, и после образования жидкоподвижного шлака приступают к диффузионному раскислению. Вначале, в течение 15-20 мин. раскисление ведут смесью, состоящей из извести, плавикового шпата и кокса в соотношении 8:2:1, иногда присаживают один кокс. Далее начинают раскисление молотым 45 или 75%-ным ферросилицием, который вводят в состав раскислительной смеси, содержащей известь, плавиковый шпат, кокс и ферросилиций в соотношении 4:1:1:1, содержание в этой смеси уменьшают. На некоторых марках стали в конце восстановительного периода в состав раскислительной смеси вводят более сильные раскислители – молотый силикокальций и порошкообразный алюминий, а при выплавке ряда низкоуглеродистых сталей диффузионное раскисление ведут без введения кокса в состав раскислительных смесей.

Суть диффузионного раскисления, протекающего в течение всего  периода, заключается в следующем. Так как раскисляющие вещества применяют в порошкообразном виде, плотность их невелика, и они очень медленно опускаются через слой шлака. В шлаке протекают следующие реакции раскисления:

(FeO) + C = Fe + CO;  2·(FeO) + Si = 2·Fe + (SiO₂) и т.д.,

в результате содержание FeO в шлаке уменьшается и в соответствии с законом распределения (FeO)/[FeO] = const кислород (в виде FeO) начинает путем диффузии переходить из металла в шлак (диффузионное раскисление). Преимущество диффузионного раскисления заключается в том, что поскольку реакции раскисления идут в шлаке, выплавляемая сталь не загрязняется продуктами раскисления – образующимися окислами. Это способствует получению стали с пониженным содержанием неметаллических включений.

По мере диффузионного  раскисления постепенно уменьшается  содержание FeO в шлаке и пробы застывшего шлака светлеют, а затем становятся почти белыми. Белый шлак конца восстановительного периода электроплавки имеет следующий состав, %: 53-60 CaO; 15-25 SiO₂; 7-15 MgO; 5-8 Al₂O₃; 5-10 CaF₂; 0,8-1,5 CaS; < 0,5 FeO; < 0,5 MnO.

Во время восстановительного периода успешно идет десульфурация, поскольку условия для её протекания более благоприятные, чем в других сталеплавильных агрегатах. Хорошая десульфурация объясняется высокой основностью шлака восстановительного периода (CaO/SiO₂ = 2,7-3,3) и низким (< 0,5 %) содержанием FeO в шлаке, обеспечивающим сдвиг равновесия реакции десульфурации  [FeS] + (CaO) = (CaS) + (FeO)  вправо (в сторону более полного перехода серы в шлак). Коэффициент распределения серы между шлаком и металлом (S)/[S] в восстановительный период электроплавки составляет 20-50 и может доходить до 60 в электропечи с основной футеровкой можно удалить серу до тысячных долей процента.

Для улучшения перемешивания шлака и металла и интенсификации медленно идущих процессов перехода в шлак серы, кислорода и неметаллических включений в восстановительный период рекомендуется применять электромагнитное перемешивание, особенно на большегрузных печах, где удельная поверхность контакта металл-шлак значительно меньше, чем в печах малой емкости.

Длительность восстановительного периода составляет 40-100 мин. За 10-20 мин. до выпуска проводят корректировку  содержания кремния в металле, вводя  в печь кусковой ферросилиций. Для конечного раскисления за 2-3 мин. до выпуска в металл присаживают 0,4-1,0 кг алюминия на 1 т стали. Выпуск стали из печи в ковш производят совместно со шлаком. Интенсивное перемешивание металла со шлаком в ковше обеспечивает дополнительное рафинирование – из металла в белый шлак переходит сера и неметаллические включения.

– Порядок легирования

При выплавке легированных сталей в дуговых печах порядок  легирования зависит от сродства легирующих элементов к кислороду. Элементы, обладающие меньшим сродством к кислороду, чем железо (никель, молибден) во время плавки не окисляются и их вводят в начальные периоды плавки – никель в завалку, а молибден в конце плавления или в начале окислительного периода.

Хром и марганец обладают большим сродством к кислороду, чем железо. Поэтому металл легируют хромом и марганцем после слива окислительного шлака в начале восстановительного периода.

Вольфрам обладает большим  сродством к кислороду, чем железо и он может окисляться и его  обычного вводят в начале восстановительного периода. Особенность легирования вольфрамом заключается в том, что из-за высокой температуры плавления он растворяется медленно и для корректировки состава ферровольфрам можно присаживать в ванну не позднее, чем за 30 до выпуска.

Кремний, ванадий и особенно титан, и алюминий обладают большим сродством к кислороду и легко окисляются. Легирование стали феррованадием производят за 15-35 мин. до выпуска, ферросилиций – за 10-20 мин. до выпуска. Ферротитан вводят в печь за 5-15 мин. до выпуска, либо в ковш. Алюминий вводят за 2-3 мин. до выпуска в ковш.

 

2 РАСЧЁТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА

 

Плавка в дуговой  сталеплавильной печи состоит из следующих основных периодов (цифры  в скобках характеризуют примерную  продолжительность каждого периода): 1) период расплавления (с подвалкой) (60%); 2) окислительный период (9,4%); 3) период рафинирования (18,2%); 4) период межплавочных простоев, включающий выпуск, заправку, очистку и завалку (12,4%).

В первый период происходит нагрев и расплавление загрузки и  печь потребляет большую часть электроэнергии. Поэтому при проектировании дуговой сталеплавильной печи расчет проводят только для периода расплавления.

Расчет материального баланса  осуществляют на 100 т (100 кг) шихты либо на общую массу металлозавалки.

Для выплавки сплава марки Сталь 70 использована шихта, содержащая  25,18% лом; 18,0% железо горячебрикетированное; 10,74% чугун чушковый передельный. Остальной состав приведен ниже (см. таблицу 1).

 

Таблица 1 – Состав металлозавалки

 

Материал	Масса, кг	%
Чугун передельный	2990	10,74
Оборот кордовый	3000	10,78
Лом ж/д	4020	14,44
Железо горячебрикетированное	5010	18,0
Кокс кусковой	600	2,15
Известь	1200	4,31
Жидкий чугун	4000	14,37
Лом	7010	25,18
ИТОГО	27830	100

 

Химический состав компонентов  шихты и стали в конце периода окисления приведены ниже (см. таблицу 2).

Таблица 2 – Химический состав шихтовых материалов, % по массе

 

Материал	С	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	Fe	SiO2	MgO	CaO	FeO
Лом	0,27	0,36	0,66	0,03	0,04	0,22	0,24	0,3	97,86
Чугун	4,3	0,36	0,27	0,06	0,04	0,022	0,03	0,04	94,82
Оборот	0,75	0,21	0,52	0,005	0,009	0,05	0,05	0,05	98,36
Лом ж/д	0,6	0,3	1,22	0,04	0,04				97,8
Железо г/б	1,08			0,01	0,011	0,004	0,003	0,005	81	4,3		1,3	12,2
Кокс	89				0,8
Известь		0,05								0,6	1,0	93,0	0,5
Масса, кг	954,2	69,3	129,7	8,5	12,8	17,3	20,6	25,6	24428
%	3,429	0,249	0,466	0,030	0,046	0,062	0,074	0,091	87,77

 

Определяем угар примесей (U) в период расплавления как разность между средним содержанием элемента в шихте и в конце периода расплавления:

, кг;

где - масса металлической части шихты, кг;

 - содержание примеси в шихте, % по массе;

 - содержание элемента в стали в конце периода расплавления, % по массе;

i - выгорающие элементы (C, Si, S, Fe).

Определяем угар примесей:

C = (3,429-0,7)×27830/100 = 759 кг.

Si = (0,249)×27830/100 = 69,3 кг.

S = (0,046-0,035)×27830/100 = 3 кг.

Fe (в дым) = 695,75 кг. (принимаем 2,5 % от массы шихты)

Всего          1527,05 кг.

Принимаем, что 30% С окисляется до СО₂, а 70% до СО. исходя из этого, находим расход кислорода на окисление примесей и массу образовавшихся оксидов.

 Расход кислорода в период  расплавления:

, кг;

где – молекулярная масса элемента;

      – молекулярная масса кислорода.

С®СО₂          кг.

С®СО           кг.

Si®SiО₂        кг.

S®SО₂                кг.

Fe_{(в дым)}® Fe₂О_{3(в дым)}   кг.

 

Расчеты представим в  виде таблицы 3, принимая С = 759 кг, Si = 69,3 кг, S= 3 кг (см. угар примесей, рассчитанный выше).

 

  Таблица 3 – Расход кислорода в период плавления

 

	Расход кислорода, кг		Масса оксида, кг
C®CO2	0,3×C×32/12	607,2	0,3×C+СО2	834,9
C®CO	0,7×C×16/12	708,4	0,7×C+CO	1239,7
Si®SiO2	Si×32/28	79,2	Si+SiO2	148,5
S®SO	S×32/32	3	S+SO	6
Fe®Fe2O3 (в дым)	Fe(в дым) ×48/112	298,1	Fe+Fe2O3	993,8
	Всего	1695	Всего	3222

 

Состав шлака в конце  периода расплавления приведен в  таблице 4.