Методические указания к практическим работам № 4-6 по технологии проведения конвертерной плавки по дисциплинам «Теория и технология производства стали
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ
«ЛИПЕЦКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»
Кафедра металлургии
Методические указания
к практическим работам № 4-6 по технологии проведения конвертерной плавки
по дисциплинам
«Теория и технология производства стали - I» и «Теория и технология производства стали - II»
Составители: А.Н. Роготовский, А.А. Шипельников, Т.В. Кравченко
Липецк Липецкий государственный технический университет
2014
1
УДК 669.18 (07)
Р598
Рецензент – В.Г. Михайлов, канд. техн. наук, доц.
Роготовский А.Н.
Р598 Методические указания к практическим работам № 4-6 по технологии проведения конвертерной плавки по дисциплинам «Теория и технология производства стали - I» и «Теория и технология производства стали - II» / сост.: А.Н. Роготовский, А.А. Шипельников, Т.В. Кравченко. – Липецк: Изд-
во Липецкого государственного технического университета, 2014. – 35 с.
Рассмотрены практические аспекты проведения конвертерной плавки и приведены указания по расчету интенсивности продувки, особенности раскисления и легирования различных марок стали. Главное внимание уделено методикам по расчету дутьевого и шлакового режимов конвертерной плавки при различных параметрах.
Предназначены для студентов 2-го и 3-го курсов направления 150400 «Металлургия», профиля подготовки «Металлургия черных металлов»,
изучающих дисциплины: «Теория и технология производства стали - I» и
«Теория и технология производства стали - II»
Табл. 12. Рис. 3. Библиогр.: 8 назв.
© ФГБОУ ВПО «Липецкий государственный технический университет», 2014
2
СОДЕРЖАНИЕ |
|
Практическая работа №4. Расчёт параметров дутьевого режима |
|
конвертерной плавки……………………………….………………. |
4 |
1.1. Расчёт количества кислорода для продувки………………….. |
4 |
1.2. Расчёт высоты фурмы над ванной…………………………….. |
6 |
1.3. Расчёт длительности продувки……………………………….. |
9 |
Практическая работа №5. Расчёт параметров шлакового |
|
режима конвертерной плавки…………………………………….. |
16 |
1.1. Расчёт количества шлака………………………………………. |
16 |
1.2. Расчёт содержания окислов железа в шлаке………………….. |
16 |
Практическая работа №6. Расчёт расхода раскислителей и |
|
легирующих добавок………………………………………………. |
26 |
Библиографический список……………………………………….. |
36 |
3
Практическая работа № 4
Расчёт параметров дутьевого режима конвертерной плавки
1.1. Расчёт количества кислорода для продувки
Расход кислородного дутья можно рассчитать по одной из формул:
|
= |
100 |
|
[([] + [] |
+ [∑ ]) − ([изв] + [др])], кг/100 кг металла; |
|||||||||||
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
∙ |
|
|
2 |
2 |
2 |
|
2 |
2 |
|
||
|
|
|
2 |
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
= 7 |
|
= |
|
700 |
[([] |
+ [] + [∑ ]) − ([изв] + [др])], м3/т металла, |
|||||||||
|
|
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
∙ |
2 |
2 |
2 |
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
2 |
2 |
|
|
|
|
|
|
где: |
– коэффициент усвоения кислорода ванной, (0,9...1,0); |
|||||||||||||||
|
|
|
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
– содержание кислорода в дутье, % (99,5%); |
|
|||||||||||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[ ] |
– количество кислорода на окисление углерода, кг (%); |
|||||||||||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[ ] |
– количество кислорода на окисление других примесей, кг (%); |
|||||||||||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[∑ ] |
|
|
– |
|
количество |
кислорода |
для |
образования оксидов железа |
||||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
шлака, кг (%); |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
[изв] |
– |
|
кислород СО2 извести, кг (%); |
|
|
|||||||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
[др2 ] – кислород из других источников (руда, ржавчина и др.), кг (%).
Расчёт количества кислорода на окисление углерода:
[ 2] = ∆[ ],
где: – удельный расход кислорода на окисление углерода, кг/кг,
= 1,33 + 1,34 ∙ 10-2(СО2), приСО2 = 5...15%; = 1,40...1,53 кг/кг;
∆[ ] – количество окислившегося углерода, кг (%).
[ 2] = 1,14 ∙ ∆[ ] + 0,29 ∙ ∆[ ] + 1,29 ∙ ∆[ ] + …,
где 1,14; 0,29; 1,29 - удельные расходы кислорода или стехиометрические коэффициенты, показывающие, сколько кг кислорода тратится на окисление 1 кг соответствующего элемента;
∆[ ], ∆[ ], ∆[ ] – количество окисляющихся примесей, кг (%).
[∑2 ] = 10-4 ш (∑ ) = 10-4 ш[30(Fe2O3) + 22(FeO)],
где ш – количество шлака, кг (%);
4
|
(∑ ) |
– |
среднее |
содержание |
кислорода |
в шлаке, кг |
(%); |
можно |
|||||||||||
применять (∑ ) ≈ 25%. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
|
|
|
|
|
[изв] = 36,4 ∙ 10-4 |
|
r(CO2)изв, |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
изв |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
где изв – расход извести, кг (%); |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||||||
|
(CO2)изв – содержание СО2 |
в извести, % (2...4%); |
|
|
|
|
|||||||||||||
|
r – доля СО2 извести, участвующая в окислении примесей, r ≈ 0,9. |
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
[др] |
= 10-2(30 [др] |
+ 22,2 [др]), |
|
|
|
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
2 |
|
|
|
2 3 |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
где [др] |
и |
|
[др] |
– |
количества Fe2O3 и |
FeO, поступающие |
из всех |
|||||||||||
|
2 3 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
источников, кг (%); |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
30 и 22,2 – содержание кислорода в Fe2O3 и FeO, %. |
|
|
|
|
||||||||||||||
|
Варианты для расчёта расхода кислорода приведены в таблице 1. |
|
|
||||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
||
|
|
|
|
|
|
Данные для расчёта количества кислорода |
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
Вариа |
Садка, |
|
|
|
Средний состав |
|
Состав металла после |
Количество, % |
|||||||||||
|
металлической завалки, % |
|
продувки, % |
||||||||||||||||
нт |
т |
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
С |
|
|
Si |
Мn |
|
Р |
С |
|
Мn |
|
Р |
Шлак |
Известь |
Руда* |
||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
1 |
100 |
|
3,60 |
|
0,45 |
0,10 |
|
0,050 |
0,10 |
|
0,05 |
|
0,007 |
10,0 |
7,2 |
|
0 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
2 |
100 |
|
3,65 |
|
0,50 |
0,15 |
|
0,052 |
0,10 |
|
0,06 |
|
0,007 |
10,2 |
7,2 |
|
0 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
3 |
100 |
|
3,70 |
|
0,55 |
0,20 |
|
0.054 |
0,10 |
|
0,07 |
|
0,007 |
10,4 |
7,2 |
|
0,2 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
4 |
200 |
|
3,75 |
|
0,60 |
0.30 |
|
0,056 |
0,10 |
|
0,08 |
|
0,008 |
10,6 |
7,0 |
|
0,3 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
5 |
200 |
|
3,80 |
|
0,55 |
0,40 |
|
0,058 |
0,10 |
|
0,10 |
|
0,008 |
10,8 |
7,0 |
|
0,4 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
6 |
200 |
|
3,75 |
|
0,50 |
0,45 |
|
0,060 |
0,10 |
|
0,12 |
|
0,008 |
11,0 |
7,0 |
|
0,5 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
7 |
350 |
|
3,70 |
|
0,45 |
0,50 |
|
0,062 |
0,10 |
|
0,12 |
|
0,010 |
11,2 |
7,0 |
|
0 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
8 |
350 |
|
3,65 |
|
050 |
0,55 |
|
0,064 |
0,10 |
|
0,14 |
|
0,010 |
11,4 |
7,1 |
|
0,5 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
9 |
350 |
|
3,60 |
|
0,55 |
0,60 |
|
0,066 |
0,10 |
|
0,14 |
|
0,010 |
11,6 |
7,2 |
|
0,5 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
10 |
350 |
|
3,55 |
|
0,45 |
0,65 |
|
0,068 |
0,10 |
|
0,15 |
|
0,010 |
11,8 |
7,3 |
|
0,4 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
11 |
350 |
|
3,50 |
|
0,40 |
0,50 |
|
0,070 |
0,10 |
|
0,15 |
|
0,010 |
12,0 |
7,4 |
|
0,3 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
12 |
160 |
|
3,50 |
|
0,50 |
0,20 |
|
0,045 |
0,05 |
|
0,06 |
|
0,008 |
13,0 |
7,0 |
|
0 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
13 |
160 |
|
3,60 |
|
0,70 |
0,10 |
|
0,050 |
0,05 |
|
0,16 |
|
0,008 |
12,2 |
7,1 |
|
0 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
14 |
160 |
|
3,65 |
|
0,45 |
0,30 |
|
0,060 |
0,05 |
|
0,05 |
|
0,009 |
11,5 |
7,2 |
|
0 |
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
* содержание в руде (FeO) – 6...8%, Fe2О3 – 75…80%.
5
1.2. Расчёт высоты фурмы над ванной
Среднее значение рабочей высоты фурмы от уровня спокойной ванны
можно рассчитать по формуле [1]:
Нф = 0,21 ∙ V0,4 ∙ n ∙ cos β,
где V – расход кислорода через одно сопло, м3/мин; n – число сопел;
cos β – угол наклона от сопла к вертикали, град., зависящий от количества
сопел.
n, шт. |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
β, град. |
9 |
11 |
14 |
16 |
19 |
В зависимости от садки конвертера принимается оптимальное количество сопел и рассчитывается рабочее положение фурмы, которое может изменяться по ходу продувки в 1,2...2 раза. Варианты для расчёта приведены в таблице 2.
Таблица 2
Данные для расчёта положения фурмы
Вариант |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
11 |
12 |
13 |
14 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Садка, т |
100 |
100 |
100 |
200 |
200 |
200 |
300 |
300 |
300 |
350 |
350 |
350 |
350 |
350 |
Интенсивность |
450 |
450 |
450 |
600 |
700 |
800 |
900 |
950 |
970 |
900 |
950 |
1000 |
10501100 |
|
продувки, м3/мин |
|
|
|
|||||||||||
Краткая теория. Комплекс устройств для подачи кислорода сверху,
включающий фурму, а также резервную фурму и механизмы для подъема и перемещения, представляет собой сложное сооружение. Так, масса фурмы (с
охлаждающей водой и рукавами) современного большегрузного конвертера составляет ~ 1,5т. Оборудование для подъема и перемещения фурмы размещают на специальных площадках над конвертерами.
Кислородные фурмы должны обеспечить необходимую интенсивность подачи кислорода, рациональные форму и организацию струи и иметь достаточно высокую стойкость при простоте конструкции. Интенсивность
6
подачи кислорода обычно составляет 5-6 м3/(мин*т), то есть в 350-тонный конвертер за 1 мин подают до 2100 м3 кислорода под давлением 1-1,5 МПа.
Фурмы могут быть односопловыми (для конвертеров малой емкости) и
многосопловыми (4-6 сопел для конвертеров большой емкости). Оси сопел располагают под углом 15-20° к оси фурмы. Конусность сопла 8-10°.
Размер, число и форма сопел зависят от следующих моментов:
1.В отдельные периоды плавки необходимо обеспечить возможно большее заглубление кислородной струи в ванну металла (для организации процесса окисления углерода и улучшения перемешивания ванны).
2.В отдельные периоды плавки необходимо, наоборот, обеспечить воздействие струи не на глубинные зоны ванны, а на ее поверхность, с тем чтобы ускорить процесс растворения в шлаке извести и добиться образования жидкоподвижного шлака с необходимой основностью.
3.Для предохранения от быстрого разрушения футеровки воздействие струй кислорода на поверхность ванны не должно сопровождаться разбрызгиванием металла и шлака (т. е. необходимо обеспечить так называемую
«мягкую» продувку).
4. Конструкция фурмы должна быть по возможности простой в изготовлении и надежной в эксплуатации.
В.И. Баптизманский и В.Б. Охотский на основе многочисленных исследований предложили следующую схему строения конвертерной ванны при подаче кислорода сверху (см. рис. 1). При продувке сверху кислородные струи 2,
истекающие через сопла фурмы 1, внедряются в ванну 6, формируя первичную реакционную зону с границами нисходящего струйного участка 3. Скорость потоков в первичной реакционной зоне уменьшается от оси к периферии и от места встречи струи с ванной вниз по оси зоны. Ориентировочно скорость составляет 10—100 м/с, а вектор динамического напора направлен вниз по потоку (здесь и далее направление вектора показано стрелками). В пределах границ вторичной реакционной зоны 4 выделяются продукты реакции оксидов
7
железа с элементами, растворенными в металле, в частности газовые объемы
(пузыри) 5, состоящие из продуктов окисления углерода. Каждый пузырь,
всплывая на поверхность, выталкивает перед собой жидкий металл, а другие его порции занимают освобождающееся место, двигаясь в тылу газовых объемов.
Рис. 1. Схема состояния конвертерной ванны при подаче кислорода сверху
Это создает потоки металла в реакционной зоне, движущиеся со скоростью
10 м/с (здесь вектор скорости направлен вверх в соответствии с движением газовых объемов). Если размеры периферийной части ванны не слишком велики,
то в каждом вертикальном сечении, проходящем через ось фурмы 7, образуется один замкнутый цикл потоков. Если размеры периферийной части ванны
значительны, то могут образоваться два цикла потоков, один из которых будет
8
находиться ближе к реакционной зоне, второй - к стенке конвертера. Скорость движения потоков в периферийных участках конвертерной ванны оценивается только косвенными методами. Получаемые результаты отличаются даже на порядок величины (наиболее вероятное значение скорости 1 м/с).
Газовые объемы разрушаются на поверхности металлической ванны, где образуются всплески 8. Вспененный шлак 7 уменьшает высоту всплесков металла, и они могут не выходить за пределы шлакового слоя. Тогда вынос металла из конвертера потоком отходящих газов минимален. Разрушаясь в шлаковой фазе, всплески дробятся на капли 9, размер которых составляет 0,1-10
мм и более. Капли под действием собственной массы оседают в шлаке, причем чем меньше их масса, тем больше длительность оседания. В процессе оседания капли могут коагулировать между собой или сливаться с новыми всплесками. Их содержание в шлаке повышается с ростом скорости окисления углерода; оно максимально при основности шлака 1,5-1,7, так как вязкость шлака увеличивается вследствие появления в нем группировок 2СаО • SiO2
(двухкальциевого силиката).
1.3. Расчёт длительности продувки
Длительность продувки определяется количеством кислорода,
необходимым для окисления примесей металлической шихты, интенсивностью подачи кислорода и ограничивается выбросами металла из конвертера,
скоростью растворения извести и пропускной способностью газоотводящего тракта.
Длительность продувки
τпрод = , мин,
2
где – расход кислородного дутья на плавку, м3;
2 – интенсивность продувки, м3/мин.
Для определения длительности продувки использовать данные расчёта
(пункт 1.1) и таблицы 2.
9
Влияние высоты фурмы на реакционную зону и глубина
реакционной зоны
От высоты фурмы над зеркалом металла зависит режим продувки, а значит образуемая реакционная зона. Взаимодействие кислородной струи с железоуглеродистым расплавом может осуществляться в различных режимах:
1)Режим стабильного открытого кратера с кольцеобразными волнами вокруг него и отсутствием пульсаций по глубине и ширине кратера; ось кратера все время совпадает с осью струи.
2)Режим подвижного открытого кратера, ось которого смещена относительно оси струи, с более турбулизованной поверхностью; на краях кратера появляются отдельные крупные всплески металла, которые отбрасываются в сторону, разрушаясь на мелкие капли; пульсация реакционной зоны еще незначительна.
3)Режим «дожигания», характеризующийся интенсивным развитием пыле- и брызгообразования, эпизодическим попаданием брызг и крупных всплесков металла в зону кислородной струи, раздроблением их и сжиганием в потоке кислорода с последующим вовлечением продуктов реакции в ванну и выходом газов из открытой реакционной зоны сплошным потоком, меняющим свое положение на поверхности ванны относительно оси струи без определенной закономерности. Пульсация реакционной зоны по ширине и глубине достигает
10-15% их максимальных значений.
4) Режим глубокого проникновения кислородной струи в расплав,
характеризующийся интенсивным вовлечением объемов металла в кислородную струю, развитой пульсацией реакционной зоны до 20-25%, схлопыванием краев кратера и периодическим выделением из него объемов оксида углерода в разных местах.
5) Режим «жесткой» продувки, развивающийся при дальнейшем опускании фурмы, характеризуется сворачиванием шлака, оттеснением последнего выходящим из реакционной зоны потоком СО к футеровке
10