Міністерство освіти і науки , молоді та спорту України
Державний вищий навчальний заклад
“Донецький національний технічний університет”
Кафедра “Металургія сталі”
Методичні вказівки
щодо виконання індивідуальних завдань студентів з навчальної дисципліни “Підготовка шихти для сталеплавильного виробництва” (для студентів спеціальності 8.050401 “Металургія чорних металів”)
Розглянуто на засіданні
кафедри “ Металургія сталі ”
Протокол № ___від___2011р.
Завідувач кафедри, проф., д.т.н.
О.М.Смірнов
Затверджено на засіданні
навчально-видавничої ради ДонНТУ
Протокол №__________
від__________________
Донецьк 2011
УДК 669.18
Методичні вказівки щодо виконання індивідуальних завдань студентів з навчальної дисципліни “Підготовка шихти для сталеплавильного виробництва” (для студентів спеціальності 8.050401 “Металургія чорних металів”).
Укладачі: Жук В.Л.,Ухін В.Є. — Донецьк, Дон НТУ, 2011. - 21 с.
Методичні вказівки містять приклади задач по підготовці шихтових матеріалів для використання їх в процесах виплавки, позапічної обробки і розливання сталі. Приведені варіанти вихідних даних для проведення розрахунків. Вказівки спрямовані на поглиблене розуміння студентами якісних і кількісних закономірностей, що відбуваються при підготовці, шихтових матеріалів, для використання їх у процесах виробництва сталі.
Укладачі В.Л. Жук, доцент
В.Є.Ухін,асистент
Відповідальний за випуск О.М. Смірнов, завідувач кафедри, професор
Вступ
Стабільно зростаючі темпи світового виробництва сталі, які з 2001 року становлять більше 1 мільярда тон сталі на рік, збільшують споживання сировинних матеріалів, необхідних для її виплавки. При плавці сталі в якості металомісткої сировини використовують переробний чавун ( розплавлений або у чушках),сталевий металобрухт і в менших обсягах залізо прямого відновлення, а також інші металодобавки. Крім цього, при виробництві сталі застосовують також додаткові матеріали або флюси (вапно, вапняк , боксит, плавиковий шпат та інш.), окислювачі (повітря, кисень, залізна руда,окалина та інш.), паливо(природний, коксовий або доменний гази, мазут та інш.), додаткове паливо(кокс, очищене вугілля, антрацит на інш.),вогнетривкі матеріли, електроенергію, воду, інертні гази. Всі ці матеріали беруть участь в тепло- і масообмінних процесах, що протікають в сталеплавильній ванні.
Аналіз роботи великих сталеплавильних цехів показує, що більш ніж на 80 % собівартість сталі визначається якістю і вартістю початкової сировини, перш за все витратою металошихти. Основні вимоги до початкових шихтових матеріалів відображені у відповідних стандартах, які враховують сучасні зміни структури сталеплавильного виробництва промислово розвинених країн.
Фахівцям, які займаються підготовкою шихтових матеріалів для виробництва сталі і самим сталеплавильникам, окрім вміння користуватися відповідними нормативними документами по підготовці шихти до переробки її на сталь в сталеплавильних агрегатах, також треба вміти виконувати розрахунки по забезпеченню вимог до якості початкової сировини.
Методичні вказівки наводять приклади розрахунків по забезпеченню необхідного вмісту кремнію, сірки та фосфору в переробному чавуні перед заливкою його в сталеплавильний агрегат, визначенню об’єму бункерів для зберігання шихтових матеріалів з метою забезпечення необхідних норм їх запасу, який гарантує безперервну роботу сталеплавильних цехів.
Містять табличні дані, необхідні для виконання розрахунків, а також варіанти завдань.
Приклади виконання розрахунків.
Знекремнювання переробного чавуну.
Згідно з ДСТУ EN 10001 – 2002 переробні чавуни по вмісту в них кремнію поділяють на 2 марки: 0,5-0,9 та < 0,5% відповідно. В кисневих конвертерах переробляють чавуни в широких межах по вмісту кремнію – від мінімального до максимального. Проте, досвід показує, що для отримання високих техніко-економічних показників процесу склад чавуну доцільно обмежувати вмістом кремнію в оптимальних межах.
З підвищенням вмісту кремнію в чавуні зростає кількість тепла від його окислення в ванні конвертера і, відповідно, витрати стального брухту , що знижує собівартість сталі. Разом з тим при зростанні вмісту кремнію необхідно збільшувати витрати вапна на ошлакування діоксиду кремнію (SiO2), що утворюється. При цьому збільшується кількість шлаку і відповідно теплові втрати, а також втрати заліза з шлаком, що зливається. Крім того, збільшення кількості шлаку і вмісту в ньому SiO2 приводить до зниження стійкості футерівки. При дуже низькому вмісті кремнію в чавуні сповільнюється шлакоутворення в зв’язку з повільним розчиненням вапна (при низькому вмісті SiO2 в первинних шлаках). Враховуючи викладене, слід вважати оптимальним вміст кремнію в переробному чавуні 0,6-0,9%.
Умови проведення розрахунків .
Для проведення розрахунків по знекремнюванню чавуну газоподібним киснем в чавуновозному ковші приймаємо, що кремній знаходиться в металі у виді розчину в залізі [Si]Fe, а кисень присутній у виді газу O2 (газ) . Розрахунки проводимо при температурі чавуну 1400°С. В результаті взаємодії кремнію з киснем виділяється тепло. Виділення тепла виникає в результаті наступної реакції:
O2(газ)+[Si]Fe =(SiO2) (1)
Нехтуючи реакціями шлакоутворення, цей процес можна зобразити наступним чином:
O2(газ)+Si(тв)
=SiO2(тв);
(-
H)1673
=
205000кал(857335
Дж) (2)
Si(тв)= Si(р); (- H) = -11000кал(45960 Дж) (3)
Si(р)= [Si]Fe; (- H) = -29000кал(121225 Дж) (4)
Звичайне коректування, що враховує зміни в тепловмісті, дає значення, наведене в формулі (2). Значення формули (3) зображує приховану теплоту розплавлення кремнію, а формула (4) – теплоту розчинення кремнію в рідкому залізі.
Таким чином, реакція (1) іде з виділенням наступної кількості тепла:
(- H) = 857335-121225+45960=782070 Дж
При
окисленні 0,01% Si
на
1т металу виділяється (782070/28)*0,1=2793 кДж,
де 28 – атомна маса кремнію , 28*10
кг.
Кількість кисню, необхідного для окислення 0,01% Si, на 1т металу становитиме:
.
При перерахунку на об’єм це буде:
,
де
1,332кг/м
- об’ємна вага кисню при 20°С.
При середньому питомому тепловмісту кисню в інтервалі температур від 20°С до 1400°С, що становить 0,255 ккал/кг*°С (1,068кДж/кг*°С), кількість тепла, необхідного для його нагріву до температури металу (1400°С), становитиме:
1,068*1380*0,114=168 кДж.
З цього виходить, що вигорання 0,01% Si підвищує тепловміст 1т металу на 2793-168= 2625кДж.
При
питомому тепловмісту розплавленого
чавуну, що становить 0,2ккал/кг*°С(0,837
кДж/кг*°С), це еквівалентно підвищенню
його температури на
.
Таким чином за рахунок знекремнювання переробного чавуну в чавуновозному ковші газоподібним киснем, можна не тільки понизити вміст кремнію в чавуні до необхідних меж, але і підвищити температуру перед заливкою в сталеплавильний агрегат .
При виконанні індивідуального завдання студенти проводять розрахунки кількості кисню, необхідного для окислення кремнію до заданих меж, а також підвищеної температури чавуну . Варіанти завдань наведені в таблиці 1.
Таблиця 1. Варіанти індивідуальних завдань.
№ п/п |
Вміст кремнію в чавуні,% |
|
Після випуску із доменної пічі в ківш |
Після обробки в ковші киснем |
|
1 |
0,90 |
0,75 |
2 |
0,88 |
0,71 |
3 |
0,87 |
0,74 |
4 |
0,86 |
0,82 |
5 |
0,85 |
0,75 |
6 |
0,89 |
0,80 |
7 |
0,84 |
0,70 |
8 |
0,90 |
0,72 |
9 |
0,78 |
0,65 |
10 |
0,87 |
0,66 |
11 |
0,80 |
0,62 |
12 |
0,89 |
0,77 |
13 |
0,72 |
0,65 |
14 |
0,81 |
0,71 |
15 |
0,84 |
0,69 |
16 |
0,85 |
0,63 |
17 |
0,88 |
0,77 |
18 |
0,90 |
0,62 |
19 |
0,80 |
0,60 |
20 |
0,75 |
0,63 |