Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Электросталеплавильному способу принадлежит ведущая роль в производстве качественной и высоколегированной стали. Благодаря ряду принципиальных особенностей этот способ приспособлен для получения разнообразного по составу высококачественного металла с низким содержанием серы, фосфора, кислорода и других вредных или нежелательных примесей и высоким содержанием легирующих элементов, придающих стали особые свойства - хрома, никеля, марганца, кремния, молибдена, вольфрама, ванадия, титана, циркония и других элементов.

Преимущества электроплавки по сравнению с другими способами сталеплавильного производства связаны с использованием для нагрева метала электрической энергии. Выделение тепла в электропечах происходит либо в нагреваемом металле, либо в непосредственной близи от его поверхности. Это позволяет в сравнительно небольшом объеме сконцентрировать значительную мощность и нагревать металл с большой скоростью до высоких температур, вводить в печь большие количества легирующих добавок; иметь в печи восстановительную атмосферу и без окислительные шлаки, что предполагает малый угар легирующих элементов; плавно и точно регулировать температуру металла; более полно, чем в других печах раскислять металл, получая его с низким содержанием неметаллических включений; получать сталь с низким содержанием серы. Расход тепла и изменение температуры металла при электроплавке относительно легко поддаются контролю и регулированию, что очень важно при автоматизации производства.

В виду энергетической неэффективности комплексной доводки жидкого расплава (полупродукта) по заданному химическому составу и температуре непосредственно в дуговой сталеплавильной печи (ДСП), эту операцию целесообразно проводить в агрегате ковш-печь (АКП).

Целью данного курсового проекта является разработка технологии выплавки и ковшевой обработки стали 08ПС, с учетом определенного варианта шихтовки и ковшевой обработки стали, а также массы металла на выпуске.

сталь выплавка металл химический



1. Литературный обзор

Изучение состояние черной металлургии в России и мире показало достаточно высокий уровень производства.

Вместе с тем металлургические предприятия в России продолжили в 2017 г. инвестировать в собственное техническое и технологическое развитие, и по оценке объем инвестиций составил около 156 млрд руб. [1]

Рисунок 1 - Производство стали крупнейшими российскими компаниями

Мировое производство стали достигло 1 миллиарда 691,2 миллиона тонн в 2017 году, что на 5,3 процента больше по сравнению с 2016 годом. Выплавка стали во всех регионах нашей планеты увеличилась в 2017 году, за исключением СНГ, производство стали в котором оставалось стабильным. [2]

Таблица 1 - Показатели сталеплавильного производства, млн т/%

Страна	2017 млн.т	2016 млн.т	% 2017/2016
1	2	3	4
Китай	831,7	786,9	5,7
Япония	104,4	104,8	- 0,1
Индия	101,4	95,5	6,2
Соединенные Штаты	81,6	78,5	4,0
Россия	71,3	70,5	1,3
Южная Корея	71,1	68,6	3,7
Германия	43,6	42,1	3,5
Турция	+ 37,5	33,2	13,1
Бразилия	34,4	31,3	9,9
Италия	24,0	23,4	2,9

Фирма Danieli продолжает строить заводы, она создала на заводе «Днепросталь» «под ключ» сталеплавильный комплекс, состоящий из 160-т дуговой сталеплавильной печи, двухпозиционного ковша-печи, двухкамерного вакууматора и двух МНРС. Этот комплекс предназначен для изготовления широкого спектра круглых заготовок и блюмов для производства труб и железнодорожных колес. Из трубных заготовок изготавливают трубы по ГОСТ 632--80 (они имеют внутренний диаметр 244,5 мм, толщину -- 8,9 мм). Качество труб высокое. Производство труб и колес из непрерывно-литых заготовок оказалось экономически эффективным.

Отделение Danieli Automation поставило все электрические системы, системы автоматизации для всего предприятия, в том числе системы планирования и управления производством, контроля качества, хранения данных и управления складом.

Продолжается изучение дуговых сталеплавильных печей, производятся различные эксперименты по увеличению производительности и снижению затрат. [3]

Современная крупнотоннажная ДСП емкостью более 100 т способна ежегодна выплавлять 1-2,5 млн т стали. Такая высокая производительность обусловлена необходимостью синхронизации работы ДСП и МНРС. Достигнутая продолжительность плавки 30-70 мин близка ко времени разливки одного ковша, что позволяет организовать серийную работу технологической линии ДСП-АКП- (в некоторых случаях агрегат вакуумирования) -МНРС. Это особенно важно для эффективной работы электросталеплавильных мини-заводов. Как например все функционирует на ЛПК. [4]

Одной из современной технологии сталеплавильного производства является применении альтернативных видов шихты. В последние годы фирмой ООО «НПП Инновационные технологии и материалы» изготовлено несколько опытно промышленных партий железоуглеродосодержащих брикетов для использования в электросталеплавильном производстве. На опытных плавках ДС-160 ОАО «ОМК-Сталь» при использовании брикетов были получен повышенный выход годной стали (до 1,5%), экономия электроэнергии (на 37кВтч/т), экономия передельного чугуна. [5]

Применение микролегирования стали нитридными фазами, обусловленными наличием атомарного азота в карамабиде, позволяет уменьшить на 40-50 % содержание марганца в конструкционных сталях массового назначения.

Фирма Danieli продолжает создавать новые инновационные системы для улучшения производства.

В сентябре 2014 на заводе ABS была успешно установлена инновационная система управления технологическими процессами Danieli Q-Melt. Система управления Q-Melt базируется на системе DanieliAutomationQ3-Intelligence и лазерной системе определения химического состава отходящих газов в потоке Lindarc™, поставляемых подразделением Danieli More, интегрированных в единое решение.

Эта система хорошо зарекомендовавшая себя с помощью лазеров, установленных на подвижной юбке газохода, применяет метод проведения измерений при помощи настраиваемого диодного лазераабсорбционной спектроскопии (TDLAS) в режиме реального времени для определения состава отходящих газов печи, позволяет отслеживать CO, CO₂, Н₂О и определять температуру отходящего газа. [6]

Процесс проектирования и производственный процесс продолжают оптимизироваться и, как результат, формируется система контроля качества через активное освоение инноваций и современной практики металлургического производства. [7]

Для обеспечения содержания фосфора в стали на уровне 0,005% и ниже рекомендуется:

- ограничивать долю чугуна в металлошихте не более 50 %;

- обеспечить подачу вдуваемого кислорода на уровне не менее 7000 м3 на плавку;

- не допускать перегрева металла над температурой ликвидус в ДСП более 160 єС;

- использовать известь с расходом не менее 2000 кг/плавку. [8]

Современная ДСП представляет собой агрегат по выплавке полупродукта для дальнейшей доводки методами внепечной обработки. Значительная доля вводимой в печь мощности приходится на тепло экзотермических реакций, т. е. сжигание металла в кислороде.

Известно, что в настоящее время большая доля металла, получаемого в России, экспортируется. Энергетические затраты на производство стали в России пока выше, чем в развитых странах. Наша конкурентоспособность поддерживается за счет меньших затрат на энергию, заработную плату и защиту окружающей среды.

В ближайшее время стоимость энергоресурсов будет увеличиваться, что может снизить конкурентоспособность нашей стали.

В этих условиях необходимо искать резервы в повышении эффективности использования ДСП з асчет организационных мероприятий (подготовка шихты, исключение простоев, что особенно важно при использовании водоохлаждаемых стен и свода, производство водоохлаждаемых панелей стен изводов на отечественных предприятиях) и технических решений. [9]



2. Описание агрегатов

2.1 Дуговая сталеплавильная печь (ДСП - 160)

Дуговая сталеплавильная печь благодаря своим преимуществам предназначена, в основном, для производства легированных высококачественных сталей - коррозионно стойких, инструментальных, конструкционных, электротехнических, жаропрочных и др., а также различных сплавов.

Печь ДСП состоит из металлического корпуса в виде кожуха, как правило, цилиндрической формы со сферическим днищем. Изнутри кожух футерован высокоогнеупорными материалами. Плавильное пространство печи сверху перекрывается съемным сводом, огнеупорная кладка которого выполнена в специальном сводовом кольце. В стенах печи имеются одно или два рабочих окна и одно выпускное отверстие с желобом для выпуска металла и шлака. Рабочие окна служат для взятия проб металла и шлака.

Наклон печи осуществляется при помощи механизма наклона с электрическим или гидравлическим приводом.

Для загрузки шихты в печь свод отводят к полу порталу и вместе с электродами отворачивают в сторону. Шихта в плавильное пространство опускается с помощью бадей грейферного типа. В эти бадьи вся шихта укладывается в определенном порядке на участке подготовки лома.

После загрузки в ДСП металлошихты и сыпучих зажигается электрическая дуга и начинается процесс выплавки стали. По достижении заданной температуры и химического состава, выплавленная сталь через эркерное отверстие ДСП сливается в сталеразливочный ковш. Перед выпуском плавки производится предварительный разогрев сталь-ковша до температуры 1100-1200 ⁰С на установке разогрева. После выпуска стали сталеразливочный ковш транспортируется на ковшевую обработку. Длительность процесса выплавки стали, включая выпуск - 55 мин. Управление процессом выплавки стали и механизмами ДСП осуществляется из поста управления.

Технические характеристики ДСП-160 представлены в таблице 2. [10]

Таблица 2 - Технические характеристики ДСП-140

Номинальная емкость, т	160
Диаметр кожуха, мм	7650
Номинальная мощность трансформатора, МВА	60
Пределы вторичного напряжения, В	855-275
Максимальный ток печи, кА	78,2
Диаметр электродов, мм	610
Диаметр распада электродов, мм	1700
Ход электрода, мм	3800
Диаметр ванны над уровнем откосов, мм	6620
Глубина ванны от порога, мм	1290
Масса металлоконструкций, т	680
Удельный расход электроэнергии, кВтч/т	420

2.2 Агрегат ковш-печь (АКП - 160)

Производство стали с заданными узкими приделами по химическому составу в плавильном агрегате практически не возможны из-за нестабильности усвоения феррорасплавов и множества изменяющихся неконтролируемых факторов. Производство таких сталей на ковше-печи является обычной практикой.

Таким образом, исключая дегазацию металла, ковш-печь является наиболее универсальным агрегатом, позволяющим решать все задачи получения качественной стали.

Типичная конструкция установки показана на рисунке 2.



Рисунок 2 - Общая схема агрегата ковш-печь: 1 - Сталеразливочный ковш; 2 - Трайб-аппарат; 3 - Свод агрегата ковш-печь; 4 - Графитированные электроды; 5 - Воронка подачи сыпучих, 6 - Аварийная фурма.

Сталеразливочный ковш с металлом подаётся в рабочую позицию под крышку установки для проведения комплексной доводки металла. Время обработки ~55 мин. Управление процессом доводки осуществляется из поста управления. По достижении заданной температуры и химсостава ковш с металлом, не имеющим особых требований по чистоте, со сталевоза установки ковш-печь литейным краном передаётся на разливку на МНРС. [11]

Современный агрегат ковш-печь включает в себя следующие элементы:

- система нагрева металла электрическими дугами;

- система подачи ферросплавов и материалов для равинирования стали в ковш;

- устройства для перемешивания металла инертным газом;

- устройство для подачи порошковой проволоки;

- крышка, устанавливаемая на ковш перед обработкой и т.д.

Для сталеразливочного ковша вместимостью 160 тонн мощность трансформатора на агрегате ковш-печь варьируется от 20 до 32 МВА в зависимости от скорости нагрева металла в ковше. [12]

Для ускорения физико-химических процессов, происходящих в ходе ковшевой обработки, применяется продувка жидкий ванны аргоном.

Технические характеристики АКП представлены в таблице 3.

Таблица 3 - Технические характеристики АКП-160

Наименование параметра	Единица измерения	Величина	Примечание
Масса обрабатываемой плавки	т	160
Свободный борт ковша	мм	300-1100	В зависимости от технологической схемы обработки стали
Система продувки инертным газом	через пористые донные пробки ковша
Мощность печного трансформатора	МВА	24
Первичное напряжение	кВ	35
Количество ступеней напряжения	шт	5
Частота тока	Гц	50
Наименование параметра	Единица измерения	Величина	Примечание
Диаметр графитированых электродов	мм	410
Диаметр распада электродов	мм	750
Ход электрода	мм	3600
Скорость нагрева	?С / мин	4,5
Длительность обработки, max	мин	70	В зависимости от требуемого химического состава конкретной марки стали

2.3 Вакууматор (УВС- 160)

Вакуумирование стали в ковше (VD/VOD), является наиболее простым и надежным способом вакуумной обработки жидкого металла. Оборудование камерного вакууматора не контактирует с жидкой сталью, не требует специальных огнеупоров для футеровки камеры, нет необходимости в предварительном подогреве узлов установки, на них не влияет периодичность пользования, что особенно важно при отсутствии поточного производства.

Основная идея технологии вакуумной обработки стали исходит из термодинамической возможности смещения равновесия химических реакций в сторону выделения газообразных продуктов в результате снижения атмосферного давления. Прежде всего, это относится к растворенному в стали водороду, азоту, а также кислороду. При этом в результате химической реакции с углеродом кислород выделяется из расплава в виде оксидов углерода, обеспечивая наряду с раскислением обезуглероживание стали. Данное обстоятельство представляет особый интерес при производстве стали с особо низкой концентрацией углерода, а также высокохромистых низкоуглеродистых сплавов. В последнем случае вакуумирование позволяет избежать чрезмерно высокого перегрева расплава, необходимого для достижения низких концентраций углерода и снижения окисления хрома при атмосферном давлении. При производстве стали с особо низкой концентрацией углерода растворенного в расплаве кислорода недостаточно для проведения глубокого обезуглероживания. Поэтому его вводят в металл под вакуумом через специальную кислородную фурму.

Для обеспечения достаточной площади поверхности раздела взаимодействующих фаз вакуумную обработку раскисленной стали совмещают с продувкой расплава инертным газом. При этом следует отметить, что под вакуумом достижим принципиально новый количественный результат пневматического перемешивания металла инертным газом, так как величина мощности перемешивания при снижении давления до практически достижимых в вакуумной камере значений увеличивается в четыре-пять раз. Следует отметить, что при атмосферном давлении такая величина мощности перемешивания практически недостижима. Поэтому на установке ковшевого вакуумирования необходимо иметь свободный борт сталеразливочного ковша высотой до 600 мм, а в отдельных случаях - до 1000 мм вследствие возможного подъема уровня расплава в ходе вакуумирования.

На рисунке 3 изображена общая схема камерного вакууматора VD/VOD

Рисунок 3 - Общая схема камерного вакууматора VD/VOD: 1 - сталеразливочный ковш; 2 - вакуумная камера; 3- крышка вакуумной камеры; 4 - кислородная фурма; 5 - устройство для подачи сыпучих под вакуум

Процесс вакуумирования проводим при Т=1823 К под давлением p = 0.02 ат.

В таблице 26 представлены технические параметры камерного выкууматора.



Таблица 4 - Технические параметры УВС-160

Наименование параметра	Единицы измерения	Величина	Примечание
Масса обрабатываемой плавки в сталеразливочных ковшах емкостью	т	160
Длительность обработки, max	мин	70	В зависимости от требуемого химического состава конкретной марки стали
Наименование параметра	Единицы измерения	Величина	Примечание
Предельный вакуум	мбар	0,5
Конечное содержание водорода	млн-1	<1,0
Тип вакуумного насоса	Механический, сухой
Количество ступеней создания вакуума	шт	3
Количество насосов в ступени	шт	7
Установочная мощность приводов вакуумных насосов	кВт	800
Интенсивность натекания (при 0,5 мбар)	кг/ч	20

2.4 МНРС

Ковш с металлом, поступающий на разливку, краном устанавливается на подъемно-поворотный стенд. Ковш накрывается крышкой и поворотом стенда переводится в рабочую позицию. Промежуточный ковш также занимает рабочее положение. Начинается процесс непрерывной разливки стали. [13] Металл из стальковша через промежуточный ковш поступает в кристаллизатор МНРС. После разливки одного ковша, другой ковш с металлом, находящийся в резервной позиции на свободном коромысле поворотного стенда, переводится в рабочую позиции разливки. Продолжительность проведения операций разливки, включая порезку непрерывнолитых слябов на мерные длины и передачу слябов в прокат составляет 55 мин. Управление процессом и механизмами МНРС осуществляется с поста управления.

Назначение промковша - прием металла из сталеразливочного ковша, его усреднение и перелив в кристаллизатор.

Геометрическая форма промежуточного ковша выбирается по возможности наиболее простой. Для удобства эксплуатации также выполняются технологические уклоны стенок. Емкость промежуточного ковша определяется сечением отливаемых заготовок, числом ручьев, расстоянием между ручьями, скоростью разливки, режим разливки.

Для организации рационального движения потоков в промежуточном ковше дополнительно устанавливаются пороги и перегородки определенной конструкции. Конструкция промежуточного ковша показана на рисунке 4. [13]

Рисунок 4 - Схематическое расположение дополнительных элементов, управляющих движением циркуляционных потоков в промковше: 1 - сталеразливочный ковш; 2 - защитная труба с подачей аргона (3); 4 - металлоприемник; 5 и 6 - перегородки; 7 - продувочный блок; 8 - фильтрационная перегородка; 9 - шлак; 10 - жидкая сталь; 11 - стопор; 12 - шиберный затвор

Кристаллизатор предназначен для приема жидкого металла, попадающего в него из промковша, а также перевода жидкой стали в твердое состояние посредством интенсивного отвода тепла. Сталь из промковша попадает в кристаллизатор либо октрытой струей, либо посредством подвода под уровень металла с помощью погружного стакана.



3. Описание стали 08ПС

Сталь марки 08ПС - сталь конструкционная углеродистая качественная. применяется для изготовления прокладок, шайб, вилок, труб, а также деталей, подвергаемых химико-термической обработке -- втулок, проушин, тяг. Химический состав стали 08ПС представлен в таблице 5. [14]

Таблица 5 - Химический состав стали 08ПС

Содержание элементов, мас.%
C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu	As	Fe
0,05 - 0,11	0,05 - 0,17	0,35 - 0,65	? 0,25	? 0,04	? 0,035	? 0,1	? 0,25	? 0,08	98

Удельный вес стали 08ПС составляет 7,84 м³. Сталь обладает неограниченной свариваемостью следующими способами сварки:

- ручная дуговая сварка,

- аргонодуговая сварка под флюсом и газовой защитой,

- электрошлаковая сварка.

Сталь не чувствительна к флокенам, не склонна к отпускной хрупкости. Механические свойства стали 08ПС представлены в таблице 6.

Таблица 6 - Механические свойства стали 10Г2ФБЮ

Механические свойства стали 08пс
ГОСТ	Состояние поставки	ув(МПа)	д5 (д4)(%)	ш %	НВ
			не менее
4041-71 (Образцы поперечные) 9045-80 (Образцы поперечные) 10234-77 503-81 10702-78	Листы термообработанные: 3-й категории холоднокатаные Лента отоженная плющенная Лента холоднокатаная: особомягкая мягкая полунагартованая нагартованая Сталь калиброваная и калиброванная со специальной отделкой: после отжига или отпуска после сферодизирующего отжига нагартованная	Не более 365 255-365 Не более 450 245-390 315-440 370-510 440-590 310-410 290-390 370	36 (28) 20 (23) (17) (7) (4) 8	60 60 60	131 131 179

Углерод находится в стали обычно в цементитаFe₃C и оказывает сильное влияние на свойства стали. С увеличением его содержания повышается твердость и прочность стали, снижаются пластичность и вязкость. По ГОСТ 19281-89[15] содержания углерода в стали 10Г2ФБЮ не должно превышать 0,17 масс.%

Кремний не оказывает особого влияния на свойство стали, если содержится в ней в небольшом количестве. Кремний вводят в сталь в качестве раскислителя.

Марганец аналогичен кремнию. Он уменьшает вредное влияния кислорода и серы.

Никель повышает коррозионную стойкость стали, увеличивает прочность, пластичность и прокаливаемость, оказывает влияние на коэффициент теплового расширения.

Фосфор также является вредной примесью. Снижает вязкость при пониженных температурах, то есть вызывает хладноломкость.

Хром повышает твердость и прочность, незначительно уменьшает пластичность, увеличивает коррозионную стойкость. В больших количествах содержание хрома делает сталь нержавеющей.

Кислород растворяется в стали в небольшом количестве и загрязняет сталь неметаллическими включениями Кислород вызывает повышение хрупкости и порога хладноломкости.

Водород является вредной примесью и способствует образованию флокенов.

Медь и мышьякявляется случайнымипримесями и попадают в сталь из шихты.



4. Описание технологии выплавки и внепечной обработки стали

4.1 Расчет шихты

Электродуговые печи загружаются стальным скрапом или другими железосодержащими материалами (восстановленные железные окатыши, брикетированное железо, чугун и т.д.). При производстве высоколегированной или нержавеющей стали, металлическая шихта также может содержать некоторое количество ферросплавов.

Не допускается наличие в металлошихте токонепроводящих предметов (бетонные плиты, шлак и т.д.), мусора, в большой концентрации примесей цветных металлов (меди, никеля, хрома, свинца, олова), а также взрывоопасных веществ, в т.ч. влаги в виде льда и снега. Наличие в шихте вышеуказанных примесей определяется визуально.

Расчетный химический состав стали 08ПСпредставлен в таблице 7.

Таблица 7 - Расчетный состав стали, масс.%

C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	N	Cu	As	Fe
0,08	0,12	0,5	0,25	0,03	0,03	0,08	0,008	0,25	0,06	96,60

Температура ликвидус рассчитывается по формуле:

(1)

где ki - коэффициент, учитывающий влияние элемента на снижение температуры ликвидус;

[i] - марочное содержание элемента в стали, масс.%.

Коэффициенты, учитывающие снижение температуры ликвидус в зависимости от содержания элементов представлены в таблице 8. [16]



Таблица 8 - Коэффициенты, влияющие на степень снижения температуры ликвидус для низкоуглеродистой низколегированной стали

Элемент	C	Si	Mn	Ni	S	P	Cr	Cu	V	Al
ki	73	12	3	3,5	30	28	1	7	2	3

Т_л = 1526+273=1799 К

Завалку шихты подбираем на основе практики ЛПК. Примерный состав завалки представлен в таблице 9.

Таблица 9 - Состав завалки на основе данных ЛПК, масс.%

Материал	[C]	[Si]	[Mn]	[P]	[S]	[Cr]	[Ni]	[Cu]
Лом стальной	0,13	0,2	0,5	0,04	0,05	0,3	0,3	0,15
Чугун	3,6	0,7	0,4	0,1	0,015	0	0	0
Лом ж/д	0,16	0,2	0,5	0,04	0,05	0,03	0,03	0,1
Лом оборотный	0,1	0,3	1,5	0,007	0,001	0,015	0,25	0,2
Лом 6А	0,4	0,2	0,16	0,06	0,2	0,04	0,03	0,05
Лом 2АШ	0,14	0,2	0,6	0,03	0,05	0,2	0,2	0,2

Концентрация веществ в шихте приведена в таблице 10.

Таблица 10 - Концентрация веществ в шихте, масс.%

Элемент	[C]	[Si]	[Mn]	[P]	[S]	[Cr]	[Ni]	[Cu]	[Fe]
%	0,49	0,26	0,60	0,04	0,05	0,20	0,21	0,14	97,94

Масса завалки с учетом угара железа составит находится по формуле:

(2)

где М₀ - вместимость ДСП, кг

д - угар железа.

М₀=160000 кг

д=1,1

кг

4.2 Выплавка полупродукта в ДСП

4.2.1 Расчет химического состава полупродукта

Для предварительного расчета состава полупродукта принимает коэффициенты усвоения элементовпредставленные в таблице 11.

Таблица 11 - Коэффициент усвоения элементов

	[C]	[Si]	[Mn]	[P]	[S]	[Cr]	[Ni]	[Cu]	[Fe]
Коэффециент усвоение, %	15	0	85	0	30	90	97	100	90

Итоговый расчет представлен в таблице 12.

Таблица 12 - Масса компонентов шихты, масса полупродукта, химический состав полупродукта

4.2.2 Дефосфорация

Удаление из стали фосфора производят путём его окисления и перевода в шлак. Для понижения активности продуктов реакции в шлак добавляют известь. Процесс дефосфорации описывается уравнением:



(3)

(4)

(5)

(6)

Активность кислорода будет определяться содержанием FeO в шлаке:

(7)

(8)

Реакцию окисления фосфора удобно записать в виде суммарной:

(9)

(10)

(11)

(12)

Коэффициент распределения фосфора:

(13)



Состав шлака в мольных () или в ионных () долях представлен в таблице 13.

Таблица 13 - Число молей оксидов и число катионов

%	PO2,5	FeO	MnO	Cr2O3	SiO2	CaO	Сумма
	0,838	32,969	9,074	3,315	18,904	34,900
MRO	71,000	72,000	71,000	152,000	60,000	56,000
nRO	0,012	0,458	0,128	0,022	0,315	0,623	1,558
xRO	0,008	0,294	0,082	0,014	0,202	0,400	1,000
nR+	0,012	0,458	0,128	0,044	0,315	0,623	1,579
xR+	0,007	0,290	0,081	0,028	0,199	0,395	1,000

(14)

(15)

где ионные доли соответствующих катионов в шлаке.

(16)



Концентрация фосфора в полупродукте определяется по формуле:

(17)

где? кратность шлака, %,

%

Определение f_P по параметрам взаимодействия при Т=1800 К. Параметры взаимодействия 1 и 2 порядка представлены в таблице 14.

Таблица 14 - Параметры взаимодействия для фосфора

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni
ep i	0,13	0,12		0,062	0,028	-0,03	0,0002
rp i		-0,001		-0,001		0,0008

(18)

Концентрация фосфора в шлаке:

(19)

(20)

При кратности шлака равной 11, конечное значение фосфора в стали равно:

Зависимость содержания фосфора в полупродукте после дефосфорации от кратности шлака представлена на рисунке 5.

Рисунок 5 - Зависимость содержания фосфора от кратности шлака

Зависимость содержания фосфора в полупродукте после дефосфорации от содержанияFeOв шлаке, в зависимости от температуры представлена на рисунке 6.

Рисунок 6 - Зависимость содержания фосфора от FeOв шлаке и температуры



Степень дефосфорации:

%

3.2.3 Расчет равновесия С-O

(21)

(22)

(23)

Дж/моль (24)

С_гр=[C] (25)

Дж/моль (26)

(27)

Дж/моль (28)

[С]+[О]=CO_г(29)

(30)

K_p = 466,094

Константа равновесия:

(31)



Определение f_C по параметрам взаимодействия при Т=1900 К. Параметры взаимодействия 1 и 2 порядка представлены в таблице 15.

Таблица 15 - Параметры взаимодействия первого и второго порядка для углерода

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu
ep i	0,14	0,08	-0,012	0,051	0,046	-0,024	0,012
rp i	0,0074	0,0007		0,0041

Определение f_O по параметрам взаимодействия при Т=1900 К. Параметры взаимодействия 1 и 2порядка представлены в таблице 16.

Таблица 16 - Параметры взаимодействия первого и второго порядка для кислорода

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu
ep i	-0,45	-0,131	-0,021	0,07	-0,133	-0,04	0,006
rp i

[O]_п/п = 0,029 масс.% = 290 ppm

По реальным данным количество кислорода перед выпуском плавки из ДСП составляет 600-1200 ppm.

Зависимость содержания кислорода в полупродукте от углерода и температуры представлена на рисунке 7.



Рисунок 7 - Зависимость содержания кислорода в полупродукте от углеродаи температуры

4.2.4 Расчет равновесия С-FeO

Распределение кислорода между шлаком и металлом описывают реакцией:

(32)

Константа равновесия этой реакции будет иметь вид:

(33)

(34)

На диаграммах активности концентрации оксидов обычно выражаются в мольных долях (или мольных процентах). Состав шлака в мольных () или в ионных () долях представлен в таблице № 13.

Суммируя мольные концентрации основных и кислых оксидов согласно размерности координат на рисунке 8, получаем:

Рисунок 8-активность FeO в шлаке.

Согласно диаграмме =0,31.

(35)

В равновесии химический потенциал элемента одинаков во всех фазах.

(36)



(37)

Для построения графика принимаем, что .

Зависимость содержания кислорода от концетрации FeOв шлаке, при различных температурах представлена на рисунке 9.

Рисунок 9 - Зависимость содержания кислорода от концетрации FeOв шлаке, при различных температурах.

Из графика видно, что обеспечить необходимую концетрацию углерода можно при температуре от 1870 до 1930 К, и концетрации FeOв шлаке от 11 до 15 %.

4.2.5 Определение количества растворенных газов в полупродукте

а) Растворимость азота в полупродукте:



(38)

(39)

(40)

K_p = 0,044

Определение f_N по параметрам взаимодействия при Т=1903 К. Параметры взаимодействия 1 и 2 порядка представлены в таблице 17.

Таблица 17 - Параметры взаимодействия первого и второго для азота

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu
ep i	0,13	0,047	-0,02	0,045	0,007	-0,047	0,01
rp i						0,0004

масс.%

Концентрация азота в полупродукте от температуры представлена на рисунке 10.



Рисунок 10 - Концентрация азота в полупродукте от температуры

б) Растворимость водорода в металле:

(41)

(42)

(43)

K_p = 0,003

Определение f_H по параметрам взаимодействия при Т=1903 К. Параметры взаимодействия 1 порядка представлены в таблице 18.



Таблица 18 - Параметры взаимодействия первого для водорода

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu
ep i	0,06	0,027	-0,0014	0,011	0,008	-0,0022	0

масс.%

Концентрация водорода в полупродукте от температуры представлена на рисунке 11.

Рисунок 11- Концентрация водорода в полупродукте от температуры

Количество и состав полупродукта перед выпуском из ДСП представлен в таблице 19.



Таблица 19 - Состав полупродукта перед выпуском из ДСП

4.3 Доводка металла на АКП

4.3.1 Расчет количества ферросплавов

Количество ферросплавов, необходимое для получения заданного химического состава, рассчитывается по формуле: [17]

(44)

где - масса металла на выпуске, кг

- среднее содержание элемента в стали, масс.%

- содержание элемента в полупродукте перед раскислением, масс.%

- содержание элемента в ферросплаве, масс.%

- коэффицинт усвоения элемента из ферросплава.

Для легирования стали выбираем ферросплавы, химический состав которых представлен в таблице 20.

Таблица 20 - Химический состав используемых ферросплавов



кг

кг

кг

кг

кг

Состав стали после легирования представлен в таблице 21.

Таблица 21 - Состав стали 10Г2ФБЮ после легирования

4.3.2 Количество кислорода в раскисленной стали

Принимаем, что раскисление происходило кремнием, содержащимся в ферросилиции:

[Si]+2[O]=SiO₂(45)

(46)

K_p = 28799,2242

Определение f_Si по параметрам взаимодействия при Т=1890 К. Параметры взаимодействия 1 порядка представлены в таблице 22.



Таблица 22 - Параметры взаимодействия для кремния

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	V	Nb	Al
ep i	0,18	0,11	0,002	0,11	0,056	-0,0003	0,005	0,014	0,025		0,058
rp i		-0,0021

Определение f_O по параметрам взаимодействия при Т=1890 К. Параметры взаимодействия 1 порядка представлены в таблице 23.

Таблица 23 - Параметры взаимодействия для кислорода

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	V	Nb	Al
ep i	-0,45	-0,131	-0,021	0,07	-0,133	-0,04	0,006	-0,013	-0,3	-0,14	-3,9
rp i											1,7

[O]=0,0194 масс.% = 194ppm

По реальным данным количество кислорода после раскисления в АКП составляет 2-100 ppm.

Концентрация кислорода в стали после раскисления её кремниемв зависимости оттемпературы представлена на рисунке 12.



Рисунок 12 - Концентрация кислорода в стали оттемпературы

4.3.3 Десульфурация

Состав восстановительного шлака по данным паспорта плавки на ЛПК представлен в таблице 24.

Таблица 24 - Состав шлака на АКП, масс.%

FeO	CaO	MgO	SiO2	Al2O3
5	35	20	10	5

Находим значение a_[O]:

a_[O]=0,504·0,019=0,0098

Определение f_S по параметрам взаимодействия при Т=1903 К. Параметры взаимодействия 1 и 2 порядка представлены в таблице 25.

Таблица 25 - Параметры взаимодействия для серы

	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	V	Nb	Al
ep i	0,11	0,063	-0,026	0,29	-0,028	-0,011	0	-0,0084	-0,016	-0,013	0,035
rp i	0,0058	0,0017		0,0006	-0,0009					-0,0001	0,0009



Равновесный коэффициент распределения серы:

(47)

=372,815

= 3

(48)

Зависимость конечного содержания серы в металле от кратности шлака представлена на рисунке 13.

Рисунок 13 - Зависимость содержания серы от кратности шлака



Степень десульфурации:

(49)

%

4.3.4 Определение количества растворенных газов в металле после АКП

а) Растворимость азота в металле:

K_p = 0,044

масс.%

Концентрация азота в стали от температуры представлена на рисунке 14.

Рисунок 14 - Концентрация азота в стали от температуры



б) Растворимость водорода в металле:

K_p = 0,002

масс.%

Концентрация водорода в стали от температуры представлена на рисунке 15.

Рисунок 15 - Концентрация водорода в стали от температуры

Состав стали после АКП представлен в таблице 26.

Таблица 26 - Состав стали 10Г2ФБЮ после АКП



4.4 Удаление газов на вакууматоре

K_p = 0,043

масс.%

Концентрация азота в сталиот температуры и давления в вакууматоре представлена на рисунке 16.

Рисунок 16 - Концентрация азота в стали от температуры и давления в вакуум камере

б) Растворимость водорода в металле:

K_p = 0,002

масс.%

Концентрация водорода в сталиот температуры и давления в вакууматоре представлена на рисунке 17.

Рисунок 17 - Концентрация водорода в сталиот температуры и давления в вакуум камере



5. Разливка стали на МНРС

При разливке стали на МНРС нужно учесть, что происходит насыщение стали азотом и водородом из атмосферы.

K_p = 0,042

масс.%

Концентрация азота в стали при разливке на МНРС представлена на рисунке 18.

Рисунок 18 - Концентрация водорода в стали от температуры

б) Растворимость водорода в металле:

K_p = 0,002

масс.%

Концентрация водорода в стали при разливке на МНРС представлена на рисунке 19.

Рисунок 19 - Концентрация водорода в стали от температуры



6. Определение производительности ЭСПЦ

Максимальная скорость разливки слябов определяется по формуле [18]:

(50)

где k - коэффициент зависящий от марки разливаемой стали и назначения готовой продукции;

k = 0,2;

b - толщина сляба, м;

b= 0,1 м;

с - ширина сляба, м;

с = 1,1 м;

м/мин

Минимальная продолжительность разливки из ковша определяется по формуле:

(51)

где - масса металла в ковше, т;

S - площадь сечения заготовки, м²;

с - плотность жидкой стали, т/м³;

с = 7,0;

;

График зависимости продолжительности разливки от массы металла представлен на рисунке 20.

Рисунок 20 - График зависимости продолжительности разливки от массы металла в ковше

Максимально допустимая продолжительность разливки конструкционной легированной стали составляет 60 минут.

Следовательно, оптимальная скорость разливки при вместимости ковша 140 тонн составляет:

мин

Годовая производительность МНРС рассчитывается по формуле:

(52)

где - среднее количество плавок при непрерывной разливки серии, шт;

;

Т - фонд рабочего времени МНРС, сут;

Т = 330;

t - продолжительность подготовки машины к разливке очередной серии плавок без изменения сечения заготовки, мин;

t = 145;

т;

т/год

Годовой объем производства жидкой стали в ЭСПЦ определяется по формуле:

(53)

где - годовая производительность стали на МНРС, т/год;

- выход годного при разливке на МНРС;

;

т/год

Количество ручьев МНРС определяется по формуле:

(54)

ручей.



7. Оценка себестоимости жидкой стали

Себестоимость жидкой стали 10Г2ФБЮ представлена в таблице 27.

Таблица 27 - Себестоимость жидкой стали

	единица измерения	цена за единицу руб	кол-во	сумма,всего	сумма на тонну
Лом жд	т	17000	13,4	227800	1898,333
Лом стальной	т	15000	72	1080000	9000,000
Лом оборот	т	0	15,4	0	0,000
Чугун	т	15500	15,4	238700	1989,167
Лом 2АШ	т	15800	37,2	587760	4898,000
ФС65	т	95000	0,84621	80389,95	669,916
ФМн90(А)	т	78000	1,914	149292	1244,100
МНб60	т	314200	0,10657	33484,294	259,568
ВД1	т	1100000	0,33456	368016	3066,800
AL гранулированный	т	485000	0,05511	26728,35	222,736
Известь	т	8000	8	64000	533,333
Графит	т	150000	1,4	210000	1750,000
Магма к	т	6000	0,7	4200	35,000
Электроды дсп	т	1065900	0,2	213180	1776,500
Электроды акп	т	1065900	0,015	15988,5	133,238
Электроэнергия	кВтч	3,65	380	1387	11,558
Кислород	м3	3	26	78	0,650
Аргон	м3	6,5	0,65	4,225	0,035
Техническая вода	м3	1,5	45	67,5	0,563
Природный газ	м3	3,75	12	45	0,375
ФОТ	руб				139,100
ЕСН	руб				38,548
Сменноное оборудование	руб				68,035
Содержание О.Ф.	руб				190,304
Затраты на ремонт,в т.ч	руб				569,182
Огнеупоры	руб				491,586
Материалы	руб				23,029
Услуги сторонних	руб				68,692
Транспортные расходы	руб				20,065
Автотранспорт	руб				14,130
Услуги сторонних	руб				6,111
Итого:					29118,655

Полную себестоимость готового сляба рассчитываем из себестоимости жидкой стали. Затраты на передел принимает 13 % от полной себестоимости жидкой стали. Тогда, себестоимость сляба составит 32904,08 руб/т. Принимаем, что цена больше себестоимости на 10%, тогда цена готового сляба составит 36194,488 руб/т.

Постоянные затраты рассчитываются по формуле:

(55)

Переменные затраты рассчитываются, как:

(56)

График точки безубыточности представлен на рисунке 21.



Рисунок 21-График точки безубыточности.

Объем точки безубыточности определяется по формуле:

(57)



8. Влияние производства стали на экологические показатели

Предприятия черной металлургии являются одним из основных источников загрязнения атмосферы. Выбросы вредных веществ отдельными промышленными предприятиями зависят от объема производства, структуры предприятия, оснащенности газоочистным оборудованием, технологических особенностей и других обстоятельств. [19]

При работе объектов ЛПК г.Выкса будут образовываться следующие основные виды и объемы отходов, представленный в таблице 28 по данным 2015 года.

Таблица 28 - Основные виды отходов на ЛПК

Наименование	Место образования	Класс опасности	Удельное количество отходов, кг/т стали
1	2	3	4
1. Металлургические шлаки, съемы и пыль	ЭСПО, ОНРС	IV	129,6887
2. Бой огнеупоров	ЭСПО, ОНРС	V	6,0415
3. Металлические шламы	ОНРС	V	6,4844
4. Отходы, содержащие сталь в кусковой форме	ОНРС, прокатный цех	V	3,0726
5. Незагрязненный стальной скрап	ЭСПО, ОНРС	IV	27,8751
6. Окалина	Очистные сооружения	IV	0,6185
7. Шлам минеральных масел	Производственные подразделения	III	3,9904
8. Обтирочный материал, загрязненный нефтепродуктами	Производственные подразделения	IV	0,0008
9. Ртутные лампы, люминесцентные ртутьсодержащие отработанные трубки	Замена сгоревших ламп в производственных помещениях и территории предприятия	I	0,0016
10. Незагрязненные отработанные электроды	ЭСПО	V	0,0299
11. Другие отходы минерального происхождения	Производственные помещения	V	32,6417
12. Несортированный мусор от бытовых помещений	Производственные подразделения	IV	0,0296
13. Шлам газоочисток электросталеплавильных печей	ЭСПО, ОНРС, складское хозяйство	IV	32,8063
14. Пыль известняка и доломита	Известковых цех	V	16,0999
15. Лом и отходы, содержащие цветные металлы	Шредерная установка	V	1,5962
Итого:			260,9773

В настоящее время в России для отходов установлено 5 классов опасности, представленных в таблице 29.

Таблица 29 - Классы опасности отходов

Класс опасности отхода для окружающей природной среды	Степень вредного воздействия опасных отходов на окружающую природную среду	Критерии отнесения опасных отходов к классу опасности для окружающей природной среды
I класс (чрезвычайно опасные)	очень высокая	Экологическая система необратимо нарушена. Период восстановления отсутствует.
II класс (высокоопасные)	высокая	Экологическая система сильно нарушена. Период восстановления не менее 30 лет после полного устранения источника вредного воздействия.
III класс (умеренно опасные)	средняя	Экологическая система нарушена. Период восстановления не менее 10 лет после снижения вредного воздействия от существующего источника.
IV класс (малоопасные)	низкая	Экологическая система нарушена. Период самовосстановления не менее 3 лет.
V класс (практически неопасные)	очень низкая	Экологическая система практически не нарушена.

Образование отходов на ЛПК по классу опасности:

а) I класс - 0,0016 кг/т стали (2,043 т/год);

б) III класс - 3,9904 кг/т стали (5000 т/год);

в) IV класс - 191,019 кг/т стали (239346,5 т/год);

г) V класс - 65,9662 кг/т стали (82655,7 т/год);



Заключение

В данном курсовом проекте была разработана технология выплавки стали 10Г2ФБЮ на свежей шихте с ковшевой обработкой на агрегате ковш-печь и вакууматоре и разливкой на МНРС. Был описан химический состав заданной марки стали, а также влияние элементов на свойства стали.

Также была описана технология производства жидкой стали с последующим расчетом изменения химического состава металла, с расходом металлошихты по агрегатам.

Были произведены физико-химические расчеты, подтверждающие получение заданной марки стали: дефосфорация в ДСП, десульфурация, раскисление и легирование в ковше, вакуумирование стали, а также растворимость азота и водорода на каждом из агрегатов.

Также была произведена оценка себестоимости жидкой стали и себестоимость сляба. Найдена точка безубыточности.



Список использованных источников

1. Королев А.М. Инвестиционная активность промышленных предприятий России в 2017 году // Промышленность России, 2017.

2. Технологическая инструкция ТИ-С-06-2010 // Выплавка стали в 160-тонной дуговой печи

3. Шишимиров М.В., Сосонкин О.М. Ресурсосбережение и резервы повышения эффективности выплавки стали в ДСП // Вестник Южно-Уральского государственного университета, 2015.

4. Семин А.Е., Кочетов А.И., Косырев К.Л. Выплавка стали в открытых дуговых печах// Учебное пособие для выполнения курсовых и дипломных работ

5. Меркер Э.Э., Степанов В.А., Крахт Л.Н., Кем А.Ю. Разработка методов и алгоритмов системы оценки параметров режимов обезуглероживания и дожигания горючих газов в дуговой сталеплавильной печи // Вестник Донского государственного технического университета, 2017.

6. Исаев Г.А., Кудрин В.А. Разработка новых материалов и технологий раскисления и легирования стали с учетом образования в объеме металла локальных зон // Вестник ЮУрГУ, 2015.

7. Настюшкина А.В., Костин С.В., Шевченко Е.А., Шевченко А.А. Совершенствование технологии производства стали с целью обеспечения содержания фосфора менее 0,005 % // Теория и технология металлургического производства, 2017.

8. Чангджианг Динг, Сонглин Ду. Совершенствование технологического процесса и контроль качества на ДСП - 110 в условиях предприятия «МАСТИЛЛ» (Китай) // Теория и технология металлургического производства, 2015.

9. Кривченко Ю.С., Филяк А.В., Малик А.А., Довгач В.Ю., Куркула А.В., Черный А.Ф. Модернизация сталеплавильного производства ОАО «Энергомашспецсталь» // Металл и литье Украины, 2010.

10. Ушаков С.Н., Бигеев В.А., Столяров А.М. и др. Ковшевая обработка стали с вдуванием флюидизированной извести // Металлургия стали, 2016.

11. Технологическая инструкция ТИ С-07-2010 - Обработка стали на установке печь-ковш

12. ТИ-С-170-99637759-2009 Непрерывная разливка слябов на тонкослябовой одноручьевой веритикально-криволинейной МНЛЗ

13. http://splav-kharkov.com - Марочник стали и сплавов

14. ГОСТ 19281-89 - Прокат из стали повышенной прочности. Общие технические условия

15. А.Н. Шаповалов Расчёт параметров непрерывной разливки стали // Новотроицк, 2013.

16. В.А. Григорян, А.Я. Стомахин, Ю.И. Уточкин и др. Физико-химические расчеты электросталеплавильных процессов: Сб. задач с решениями - 2-е изд., перераб. и доп. // МИСиС, 2007. - 318 с.

17. Сафонов В.М. Методические указания по выполнению курсового проекта по курсу «Оборудование металлургических цехов» (в электронном виде).

18. Большина Е.П. Экология металлургического производства // Курс лекций. - Новотроицк: НФ НИТУ «МИСиС», 2012. - 155 с.

19. Buѕko Buѕko B., Kijac J., Domovec M. Optimalization slag composition in ladle furnace considering to effective steel desulfurization // Acta Metallurgica Slovaca, 2009.

20. Logar, V., Dovzan, D., Skrjanc, I. Mathematical modeling and experimental validation of an electric arc furnace // ISIJ Inter-national, 2013.

21. Brooks, G., et al. Optimizing chemical energy into Electric Arc Furnaces // SEAISI Quaterly, 2013.

22. Годовой отчёт ОМК-2017.

Размещено на Allbest.ru