Порядок выполнения расчета

В качестве примера выполнен расчет шихты для выплавки стали марки 25Г2С в ДСП емкостью 25т по двухшлаковой технологии.

Химический состав готовой стали марки 25Г2С представлен в табл.1.

Таблица 1- Химический состав стали марки 25Г2С

В процентах

C	Si	Mn	S	P	Cr	Cu	Ni	Al
			Не более		Не более
0,20 - 0,29	0,6 - 0,9	1,2 – 1,6	0,010	0,020	0,3	0,3	0,3	0,02-0,04

Шихту составляют таким образом, чтобы содержание углерода в исходной шихте было на 0,3% выше нижнего предела ГОСТа на данную марку стали. Для повышения содержания углерода в шихту вводят чугун, а также электродный бой или кокс. Общее их количество должно быть таким, чтобы содержание углерода в шихте превышало нижний предел его содержания в готовой стали на 0,3 % при выплавке высокоуглеродистых сталей, на 0,3—0,4 % при выплавке среднеуглеродистых и на 0,5 % для низкоуглеродистых. Этот предел несколько снижается при росте емкости печи.

Принимаем, что шихта состоит из 90% отходов стали 5сп, твёрдого чугуна.

Таблица 2 - Химический состав составляющих шихты

Материал	Массовая доля, %										∑
	C	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Cu	Al	Fe
Сталь 5сп	0,37	0,20	0,6	0,025	0,030	0,30	0,30	0,30	0,01	98,185	100
Чугун тв	4,0	0,85	0,65	0,035	0,12	-	-	-	-	94,345	100

Различные составляющие шихты внесут углерода:

Отходы 5сп:

М_с = кг.

где G_o – масса садки, кг;

α – доля отходов стали в шихте, %;

С_ст – содержание углерода в стальном ломе, %

Для получения в ванне 0,2+0,3=0,5% углерода в завалке необходимо иметь углерода:

М_Св = кг.

Недостающее количество углерода в ванне ∆С =125 – 83,25 = 41,75 кг вводится твердым чугуном. Потребуется твёрдого чугуна:

кг

Состав исходной шихты, загружаемой в ДСП будет:

	кг 23956,25	% 95,83
Отходы стали 5сп
Твердый чугун	1043,75	4,17
Итого	25000	100,00

25000 – 1043,75 = 23956,25 кг

Дальнейшие расчёты ведём на 100 кг шихты

Таблица 3 - Составляющие шихты внесут

	Кол-во, кг	C	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Cu	Al	Fe
Сталь5сп	95,83	0,355	0,192	0,575	0,024	0,029	0,287	0,287	0,287	0,010	94,091
Тв.чугун	4,17	0,167	0,035	0,027	0,001	0,005	-	-	-	-	3,934
Всего	100	0,522	0,227	0,602	0,025	0,034	0,287	0,287	0,287	0,010	98,025

Период плавления

Расчет количества примесей, удаленных из ванны:

В этот период окисляется: %(кг):

• углерода 20% или С_ок = 0,522 × 0,2 = 0,104 кг;

• кремния 70 % или Si_ок = 0,227 × 0,7 = 0,159 кг;

• марганца 50% или Mn_ок = 0,602 × 0,5 = 0,301 кг;

• фосфора 60% или P_ок = 0,034 × 0,6 = 0,020 кг;

• алюминия 100% или Al_ок = 0,010 × 1,00 = 0,010 кг;

• железа 2% или Fe_ок = 98,025 × 0,02 = 1,961 кг;

Сера, хром, никель не окисляются.

В конце периода останется ,% (кг) :

• углерода: 0,522-0,104=0,418 кг;

• кремния: 0,227-0,159=0,068кг;

• марганца: 0,602-0,301=0,301 кг;

• фосфора: 0,034-0,020=0,014 кг;

• алюминия: 0 кг;

• железа: 98,025-1,961=96,064 кг;

• серы: 0,025 кг;

• хрома: 0,287 кг;

• никеля 0,287 кг;

• меди 0,287 кг;

• железа руды^* 0,630 кг.

В этот период вводится 1% (от веса металлозавалки) железной руды (90%Fe₂O₃, 8,0% SiO₂). Она содержит 0,9 кг Fe₂O₃ или 0,9 × 48 / 160 = 0,27 кг кислорода и 0,90-0,27=0,63 кг железа.

Таблица 4 - Для окисления примесей шихты потребуется кислорода и образуется при этом окислов

Элемент	Окисляется, кг	Реакция	Потребуется кислорода, кг	Образуется окислов, кг
C	0,104	C + 0,5O2 = CO	0,104*16/12=0,139	0,104+0,139=0,243
Si	0,159	Si+O2 = SiO2	0,159*32/28=0,182	0,159+0,182=0,341
Mn	0,301	Mn+0,5O2 = MnO	0,301*16/55=0,088	0,301+0,088=0,389
P	0,02	2P+2,5O2 = P2O5	0,02*80/62=0,026	0,02+0,026=0,046
Al	0,010	Al+1,5O2 = Al2O3	0,010*48/54=0,009	0,010+0,009=0,019
Fe	1,961*0,88	2Fe+1,5O2 = Fe2O3	1,726*48/112=0,740	1,726+0,740=2,466
Fe	1,961*0,12	Fe+0,5O2 = FeO	0,235*16/56=0,067	0,235+0,067=0,302
всего	2,555		1,251	3,806

С учетом кислорода, внесенного железной рудой, в этот период потребуется ввести в ДСП газообразного кислорода 1,251 - 0,270 = 0,981 кг или м³, где 0,995 - доля кислорода в техническом дутье.

Для получения шлака основностью В = 2,0 необходимо ввести СаО.

M_CaO = M_SiO2*2 = 0,341 × 2 = 0,682 кг CaO.

Кремнезем поступает:

- с железной рудой 1,0 × 8,0 / 100 = 0,08 кг; (SiO₂)_руды= 8,0%

- с известью 0,682 × 2,5 / 100 = 0,017 кг; (SiO₂)_изв = 2,5%

- с шамотным боем 0,5 × 62 / 100 = 0,31 кг; (SiO₂)_щам=62,0%

-из свода 0,1 × 6,5 / 100 = 0,007 кг; (SiO₂)_св = 6,5%

- из подины и стен 0,6 × 3,45 / 100 = 0,021 кг. (SiO₂) = 3,45%

Итого 0,435 кг

Дополнительно нужно ввести СаО, кг: 0,435 × 2 = 0,87 кг.

Всего потребуется СаО : 0,682 + 0,87 = 1,552 кг СаО.

Флюсующая способность 1 кг извести:

СаО/кг извести.

Принимаем усвоение извести 80%. Тогда расход извести в завалку и в период плавления составит: кг.

Из этого количества 1,0 кг извести вводим при загрузке шихты в печь, а 1,230 кг в период плавления шихты. Расход плавикового шпата и шамотного боя определим из соотношения И^П : П^П : Ш^П = 4:1:1.

Тогда расход плавикового шпата составит 1,230 / 4 = 0,308 кг, расход шамотного боя -1,230 / 4 = 0,308 кг.

При плавлении шихты в печи образуется шлак, который удаляется из рабочего пространства ДСП. Процесс ведем таким образом, чтобы к концу периода плавления в печи осталось не более 10 % шлака. Этот шлак будет содержать, кг:

SiO₂ - (0,435+0,341) × 0,10 = 0,078;

MnO - 0,389 × 0,10 = 0,039;

Р₂О₅ - 0,046 × 0,10= 0,005;

А1₂О₃ - 0,019 × 0,10= 0,002;

СаО - 2,230 × 0,10 = 0,223;

FeO - 0,302 × 0,10= 0,030;

Fe₂O₃ - 2,466 × 0,10 = 0,247;

Итого 0,624

Окислительный период

В этот период снижаем содержание углерода в ванне на 0,06 % ниже, чем в готовой стали по нижнему пределу ГОСТа, т.е. до 0,20 - 0,06 ~ 0,14%. Следовательно, в этот период необходимо удалить 0,418 - 0,14 = 0,278 кг углерода. Окислительный процесс будем вести добавлением 1 % железной руды и продувкой газообразным кислородом.

Кремний окислится полностью, т.е. 0,068 кг.

Марганец окислится на 50% , т.е. 0,301 × 0,50 = 0,1505кг, останется в ванне 0,301 - 0,1505 = 0,1505 кг.

Фосфор окислится на 50%, т.е.0,014 × 0,50 = 0,007 кг, останется в ванне 0,014 - 0,007 = 0,007 кг.

Сера окислится на 10%, т.е. 0,025 × 0,10 = 0,003 кг, останется в ванне 0,025 - 0,003 = 0,022 кг.

Хром окислится на 20%, т.е. 0,287 × 0,2 = 0,057 кг, останется в ванне 0,287 - 0,057 = 0,230 кг.

Никель уменьшится на 2%, т.е.0,287 × 0,02 = 0,006, останется в ванне 0,287 - 0,006 = 0,281кг.

Железа уменьшится на 2%, т.е. (96,064+0,63) × 0,02 = 1,934 кг, останется в ванне 96,064 - 1,934 = 94,13 кг.

Медь не окисляется, оставаясь в ванне: 0,287 кг.

Таблица 5 - Потребность кислорода в окислительном периоде

элемент	Окисляется, кг	реакция	Потребуется кислорода, кг	Образуется окислов, кг
C	0,278	C + 0,5O2 = CO	0,278*16/12=0,371	0,278+0,371 = 0,649
Si	0,068	Si+O2 = SiO2	0,068*32/28=0,078	0,068+0,078 = 0,146
Mn	0,1505	Mn+0,5O2 = MnO	0,1505*16/55=0,044	0,1505+0,044 = 0,1945
P	0,007	2P+2,5O2 = P2O5	0,007*80/62=0,009	0,007+0,009 = 0,016
S	0,003	S+O2 = SO2	0,003*32/32=0,003	0,003+0,003 = 0,006
Cr	0,057	2Cr+1,5O2 = Cr2O3	0,057*48/104=0,026	0,057+0,026 = 0,083
Fe	1,934*0,88	2Fe+1,5O2 = Fe2O3	1,702*48/112=0,729	1,702+0,729 = 2,431
	1,934*0,12	Fe+0,5O2 = FeO	0,232*16/56=0,066	0,232+0,066 = 0,298
всего	2,498		1,326	3,824

Так как в этот период вводится 1% железной руды, то она внесет 0,9*48/160 = 0,270 кг кислорода, и 0,90 - 0,270 = 0,630 кг железа.

С учетом кислорода, внесенного железной рудой, расход технического кислорода составит 1,326 - 0,270=1,056 кг или м³

Кремнезем в шлак поступает:

- с железной рудой (SiO₂)_руды= 8,0% : 1,0*8,0/100 = 0,08 кг;

- с шамотным боем (SiO₂)_щам = 62,0%: 0,5*62/100 = 0,31 кг;

- из подины и стен (SiO₂) = 3,45%: 0,6*3,45/100 = 0,021 кг.

Всего в шлаке окислительного периода SiO₂ будет, кг

0,08 + 0,31 + 0,021 +0,146 = 0,557 кг.

Для получения шлака основностью 3,5, потребуется СаО, кг 0,557 × 3,5=1,950 кг.

С учетом флюсующей способности извести (0,87 кг СаО/кг извести) и усвоения 80% , рассчитываем количество извести, которое необходимо ввести в ДСП в окислительном периоде плавки: 1,95 / (0,87 × 0,8) = 2,802 кг.

Расход плавикового шпата и шамотного боя для наведения шлака в окислительном периоде определяем из соотношения:

И⁰: П⁰: Ш⁰ = 4:1:1,

где И⁰ - количество извести в окислительном периоде, кг, П° и Ш⁰- количество плавикового шпата и шамотного боя, введенных в шлак, кг.

Расход плавикового шпата 2,802 / 4 = 0,701 кг,

расход шамотного боя 2,802 / 4 = 0,701 кг.

Окислительный период плавки заканчивается удалением 90% шлака из ДСП. В печи остается 1,260 кг шлака, который в своем составе имеет, кг:

FeO 0,03 + 0,298 × 0,1 = 0,060 кг

Fe₂O₃ 0,247 + 2,431 × 0,1 = 0,490 кг

MnO 0,039 + 0,1945 × 0,1 = 0,058 кг

P₂O₅ 0,005 + 0,016 × 0,1 = 0,007 кг

Cr₂O₃ 0,083 × 0,1 = 0,008 кг

SiO₂ 0,078 + 0,557 × 0,1 = 0,134 кг

CaO 0,223 + 2,802 × 0,1 = 0,503 кг

Итого 1,260 кг.

В таблице 6 представлен состав металла в конце окислительного периода.

Таблица 6 - Состав металла в конце окислительного периода

Состав мет.		Содержание, %
	C	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Cu	Fe	всего
кг	0,14	0	0,1505	0,022	0,007	0,230	0,281	0,287	94,13	95,248
%	0,147	0	0,158	0,023	0,007	0,242	0,295	0,301	98,827	100

Восстановительный период

Определяем необходимое количество шлака в восстановительном периоде.

В конце окислительного периода металл содержал 0,023% серы. Подлежит удалению 0,023 - 0,010 = 0,019% (кг) серы.

Принимаем коэффициент распределения серы между шлаком и металлом:

Шлак должен содержать серы

(S) = L_s*[S]_r=40 × 0,010 = 0,40%.

Отсюда количество шлака восстановительного периода кг

Шлак восстановительного периода образуется:

- из остатка шлака окислительного периода, т.е. 1,260 кг;

- из свода ДСП поступает 0,100кг;

- из стен и подины поступает 0,300 кг.

Всего 1,660кг

Необходимо добавить шлаковой смеси, кг 4,75 – 1,660 = 2,861 кг.

На основании практических данных принимаем, что в шлаковой смеси содержится:

85% извести, т.е. 2,861 × 0,85 =2,432 кг;

15% плавикового шпата, т.е. 2,861 × 0,15 = 0,429 кг.

Металл раскисляют проводя глубинное раскисление кусковым 45% ферросилицием в количестве, необходимом для подведения содержания кремния в ванне 0,15%.

кг,

где Р_ж - вес жидкого металла, кг

45 - содержание кремния в ферросилиции, %;

0,8 - доля усвоения кремния, ед.

Содержание марганца подводят под его нижнее содержание по ГОСТу, т.е. 1,2%.

кг.

где (1,2 - 0,158) - количество марганца, которое нужно ввести в ванну, % ,(кг);

75 - содержание марганца в ферромарганце, %;

0,80 - доля усвоения марганца, из ФМп 75, ед.

Алюминий вводим в виде кусков в количестве 0,3 кг/т или 0,03 кг/100 кг металлошихты. После проведения глубинного раскисления на зеркало металла для наводки нового шлака задают шлаковую смесь из извести и плавикового шпата. Наведенный в ДСП шлак раскисляют порошковыми материалами (порошком ферросилиция марки ФС-75, коксиком и алюминиевой крупкой (АВ 97)).

Принимаем, что при раскислении шлака из него восстановится 65% окислов.

Таким образом, при содержании углерода в коксике 80% нам потребуется коксика, кг 0,135 / 0,8 = 0,169 кг.

В таблице 7 приводится количество восстановившихся окислов.

Таблица 7 - Восстановится окислов шлака

Окисел	Вес, кг	Реакция	Расход восстановителя, кг	Переходит в металл, кг
FeO	0,06	FeO+C = Fe+CO	0,06 × 12/72 = 0,01	0,039 × 56/72=0,03
Fe2O3	0,490	Fe2O3+3C = 2Fe+3CO	0,490 × 36/160 = 0,11	0,319 × 112/160=0,223
MnO	0,058	MnO+C = Mn+CO	0,058 × 12/71 = 0,01	0,038 × 55/71=0,029
P2O5	0,007	2P2O5+5Si = 4P+5SiO2	0,007 × 140/284 = 0,003	0,0046×124/284=0,002
Cr2O3	0,008	2Cr2O3+3Si = 4Cr+3SiO2	0,008 × 84/304 = 0,002	0,005×208/304=0,003
итого				0,287

С учетом того, что часть углерода коксика будет идти на образование карбидов кальция, часть запутается в шлаке. Принимаем расход коксика на 20% больше расчетного, т.е.0,203 × 0,169 = 0,0343 кг/100 кг металлошихты.

Расход порошка ФС75 на раскисление шлака по литературным источникам, составляет 0,3-0,5 кг/т, принимаем 0,3 кг/т или 0,030 кг/100 кг металлической шихты,

Для окончательного раскисления шлака используем алюминиевую крупку в количестве 0,3 кг/т или 0,03 кг/100 кг металлической шихты.

Восстановленные из шлака окислы поступают в металлическую ванну, увеличивая ее вес: 95,248 +0,287=95,535.

После выдержки металла под белым шлаком приступаем к доводке химического состава металла.

Таблица 8 - Состав металлической ванны перед доводкой

Содержание, %										∑
C	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Zr	Cu	Fe
0,174+0,05	0,15	1,2	0,010	0,009	0,245	0,295	-	0,30	95,524	97,957

*0,05 - науглероживание ванны в восстановительном периоде плавки электродами, %. Для получения заданного содержания элементов в готовой стали в ванну присаживают кусковые ФС 65, ФХ65, ФМn 75, а также кусковый алюминий.

Доводка

В таблице 9 приводится состав материалов, используемых для раскисления и легирования стали.

Таблица 9 - Состав материалов, используемых для доводки металла

Мате- риал	Химический состав, %							Доля усвоения основного элемента,ед
	C	Si	Mn	S	P	Al	Cu
ФХ65	2,0	1,5-2,0		0,02-0,04	0,03-0,05	-	68-74	0,8-0,85
ФС65	0,05	65,0	0,35	0,02	0,05	-	-	0,9
ФМn75	0,50	0,5	75,0	0,03	0,37	-	-	0,9
АВ97	-	0,5	-	-	-	97,0	-	0,3

Расход материалов определяем по формуле:

где — вес металла перед доводкой, %;

А - содержание элемента в готовой стали, %;

Б - содержание элемента перед доводкой, %;

Ф - содержание основного элемента в ферросплаве, %;

У - доля усвоения основного элемента, ед.

Расход ферромарганца ФМn75, кг:

кг;

Расход ферросилиция ФС65, кг:

кг.

Расход алюминия АВ 97 для окончательного раскисления ванны принимаем 0,3 кг/т или 0,03 кг/100 кг металлической шихты.

Ввиду малой присадки ферросплавов при доводке металлической ванны, повышение содержания других элементов в металле от примесей, находящихся в вводимых материалах, не учитываются.

Корректировки металлической ванны по другим элементам хрому, никелю не требуется.

Таблица 10 - Химический состав полученной стали

С	Si	Mn	S	P	Cr	Ni	Cu
0,224	0,75	1,40	0,010	0,009	0,245	0,295	0,30

Таким образом, химический состав металла соответствует заданной марке стали.

В таблице 11 представлен расход материалов на плавку стали марки 25Г2С выплавленной в ДСП-25.

Таблица 11 - Расход материалов на плавку стали марки 25Г2С выплавленной в ДСП-25

Материал		На 100 кг металлической шихты, кг	На плавку садкой 25000 кг
			кг	%
Завалка Отходы ст.5 сп Твердый чугун Известь Плавление Известь Плавиковый шпат Железная руда Шамотный бой Кислород Окислительный период Железная руда Кислород Известь Плавиковой шпат Шамотный бой Восстановительный период Известь Плавиковой шпат		95,83 4,17 1,00 2,230 0,308 1,00 0,308 0,981 1,00 1,056 2,802 0,701 0,701 2,432 0,429 0,397 1,654 0,03 0,03 0,03 0,169 1,005 0,290 0,03 118,583	23956,25 1043,75 250 557,5 77,0 250 77,0 245,25 250 264,0 700,5 175,25 175,25 608,0 107,25 99,25 413,5 7,5 7,5 7,5 43,75 251,25 72,5 7,5 29639,75	80,82 3,52 0,84 1,88 0,26 0,84 0,25 0,83 0,84 0,89 2,36 0,59 0,59 2,04 0,35 0,34 1,40 0,03 0,03 0,03 0,15 0,85 0,24 0,03 100
ФС ФMn75 АВ97	глубинное раскисление металла
Алюм. крупка ФС75 (порошок) Коксик (порошок)	диффузионное раскисление шлака
Раскисление и легирование ванны ФС65 ФMn75 AB97 Всего

Варианты индивидуальных заданий приводятся в приложении 1 и 2.

Практическая работа №2

Расчет теплового баланса электроплавки

Целью составления энергетического баланса является определение суммарного количества электрической энергии, которую необходимо выделить в ДСП в период расплавления.

На плавление и нагрев до 1600^оС одной тонны металла расход электроэнергии определяется по формуле:

Q_м=1000[t_пл*С_т.с.+λ_ст+С_ж.с.*( t_рас- t_пл)]* ;

где Q_м – расход электроэнергии на 1 т металла, кВт*ч;

t_пл – температура плавления стали, ^оС;

С_т.с. – теплоемкость твердой стали, кДж/(кг*^оС);

λ_ст – скрытая теплота плавления стали, кДж/(кг*^оС);

С_ж.с. – теплоемкость жидкой стали, кДж/(кг*^оС);

t_рас – температура металла по расплавлении, ^оС;

t_пл – температура плавления металла, ^оС;

- переводной коэффициент кДж в кВт*ч.

Q_м=1000[1500*0.7+272+0.84*(1600-1500)]* = 391 кВт*ч;

При количестве шлака по расплавлении 4% (40 кг/т) на его нагрев и расплавление расходуется:

Q_шл=(t_шл*С_шл+λ_шл)* ;

где Q_шл – расход электроэнергии на шлак, кВт*ч;

С_шл – теплоемкость шлака, кДж/(кг*^оС);

Λ_шл – скрытая теплота плавления шлака, кДж/(кг*^оС);

t_шл – температура шлака по расплавлении, ^оС;

- переводной коэффициент кДж в кВт*ч.

Q_шл=40(1650*1.11+210)* =23 кВт*ч;

Общий расход электроэнергии на расплавление составит:

Q_об= Q_м+ Q_шл

Q_об=391+23=414 кВт*ч

Это количество энергии составляет 65% от всего расхода на плавку. Остальные 35% включают в себя потери с охлаждающей водой, с уходящими газами, на излучение поверхностью печи, через открытые окна и на эндотермические реакции. Таким образом, удельный расход электроэнергии составит:

А=Q_об/0,65=414/0.65=636 кВт*ч/т

Распределение прихода тепла зависит от мощности печи, оснащения печей газокислородными горелками и т.д. в таблице 1 приводится структура энергетического баланса ДСП разной удельной мощности.

Таблица 1 Структура энергетического баланса ДСП

Статьи баланса		Высокомощная ДСП (1000 кВА/т)	ДСП низкой и средней мощности (до 500 кВА/т)
Приход	Электроэнергия	50-60	75-85
	Газокислородные горелки	5-10	0
	Химические реакции	30-40	15-25
Расход	Сталь	55-60	50-55
	Шлак	8-10	8-12
	Охлаждающая вода	8-10	5-6
	Отходящие газы	17-28	7-10
	Разное	1-3	17-30