Расчет и разработка конструкции дуговой сталеплавильной печи

1.Последовательность  технологии плавки

Плавка состоит из следующих периодов: 1) заправка печи; 2) загрузка шихты; 3) плавление; 4) окислительный  период; 5) восстановительный период; 6) выпуск стали.

Заправка печи. Заправка — это исправление изношенных и поврежденных участков футеровки пода. После выпуска очередной плавки с подины удаляют остатки металла и шлака. На поврежденные места подины и откосов забрасывают магнезитовый порошок или же магнезитовый порошок, смешанный с каменноугольным пеком (связующим). Длительность заправки 10-15 мин.

Загрузка шихты. Загрузку шихты ведут бадьями или корзинами, а в некоторых старых печах  небольшой емкости - завалочными  машинами.

Плавление. После окончания  завалки электроды опускают почти  до касания с шихтой и включают ток. Под действием высокой температуры дуг шихты под электродами плавится, жидкий металл стекает вниз, накапливаясь в центральной части подины. Электроды постепенно опускаются, проплавляя в шихте «колодцы» (рис.8) и достигают крайнего нижнего положения. В дальнейшем по мере увеличения количества жидкого металла электроды поднимаются, так как автоматические регуляторы поддерживают длину дуги постоянной.

В начале периода расплавления дуги горят большую часть времени  в холодной шихте, при этом свод и  стены печи защищены от прямого излучения дуг. Поэтому в этот период используется полная номинальная (максимальная) мощность печного трансформатора. Режим горения дуг в этот период крайне нестабильный, окруженные холодной шихтой дуги горят неустойчиво, длина их очень мала (10... 25 мм), они легко перебрасываются с одного куска на другой, в результате чего возникают резкие колебания мощности. В конце периода плавления длина дуг увеличивается. Расплавленная поверхность ванны отражает значительную энергию на свод и стены, поэтому для защиты кладки от сильного излучения мощность печного трансформатора снижают на 20...30%.

Для ускорения плавления  куски нерасплавившейся шихты с  откосов следует сталкивать в  зону электрических дуг. На печах  емкостью 25 — 50 т и более для  ускорения плавления осуществляется вращение ванны. Когда электроды проплавят в шихте три «колодца», свод и электроды приподнимают, печь поворачивают сначала в одну сторону на 40°, проплавляют колодцы в новых местах, а затем поворачивают печь в другую сторону на 80°. Таким образом проплавляют девять колодцев.

В период плавления необходимо обеспечить раннее образование шлака, предохраняющего металл от насыщения  газами и науглероживания электродами. С этой целью, если в завалку не давали известь, в проплавляемые  электродами колодцы несколькими порциями присаживают известь (1 — 3% от массы металла).

Во время плавления  происходит окисление составляющих шихты, формируется шлак, происходит частичное удаление в шлак фосфора  и серы. Окисление примесей осуществляется за счет кислорода воздуха, окалины и ржавчины, внесенных металлической шихтой.

За время плавления  полностью окисляется кремний, 40 - 60% марганца, частично окисляется углерод  и железо. В формировании шлака  наряду с продуктами окисления (8102, МпО, РеО) принимает участие окись кальция, содержащаяся в извести. Шлак к концу периода плавления имеет примерно следующий состав, %: 35 - 50 СаО; 15-25 ^Юз; 8-15 М§0; 5 -20 РеО; 5-10 МпО; 3-7 А1з0з; 0,5 - 1,2 ?205. Низкая температура и наличие основного железистого шлака благоприятствует дефосфорации. В зоне электрических дуг за время плавления испаряется от 2 до 5 % металла, преимущественно железа.

Для ускорения плавления  иногда применяют газо-кислородные  горелки, вводимые в рабочее пространство через свод или стенки печи. За счет теплоты, выделяющегося от сжигания газа, сокращается длительность плавления и расход электроэнергии (на 10 - 15%).

Для уменьшения продолжительности  плавления часто применяют продувку кислородом, вводимым в жидкий металл после расплавления % шихты с помощью фурм или стальных футерованных трубок. Окисление железа, а также марганца, кремния и других примесей металла газообразным кислородом протекает с выделением значительного количества теплоты, которое ускоряет расплавление остатков металлического лома. При расходе кислорода 4-6 м³ длительность плавления сокращается на 10-20 мин.

Продолжительность периода  плавления определяется в первую очередь мощностью трансформатора и составляет от 1,1 до 3,0 ч. Расход электроэнергии за время плавления составляет 400 - 480 кВт-ч/т. В конце периода плавления длина дуг увеличивается. Расплавленная поверхность ванны отражает значительную энергию на свод и стены, поэтому для защиты кладки от сильного излучения мощность печного трансформатора снижают на 20...30%.

Окислительный период. Задача окислительного периода плавки: а) уменьшить содержание в металле фосфора до 0,01 - 0,015 %; б) уменьшить содержание в металле водорода и азота; в) нагреть металл до температуры близкой к температуре выпуска (на 120 - 130°С выше температуры ликвидуса). Наряду с этим за время периода окисляется углерод до нижнего предела его требуемого содержания в выплавляемой стали. За счет кипения (выделения пузырьков СО при окислении углерода) происходит дегазация металла и его перемешивание, что ускоряет процессы дефосфорации и нагрева.

Окислительный период начинается с того, что из печи сливают 65 - 75 % шлака, образовавшегося в период плавления. Шлак сливают не выключая ток, наклонив печь в сторону рабочего окна на 10 - 12°. Слив шлака производят для того, чтобы удалить из печи перешедший в шлак фосфор. Удалив шлак, в печь присаживают шлакообразующие: 1-1,5 % извести и при необходимости 0,15 - 0,25 % плавикового шпата, шамотного боя или боксита.

После сформирования  жидкоподвижного шлака в ванну  в течение всего окислительного периода вводят порциями железную руду с известью либо ведут продувку кислородом; печь для слива шлака в течение периода наклонена в сторону рабочего окна.

При кипении вместе с  пузырьками СО из металла удаляются  водород и азот. Этот процесс имеет большое значение для повышения качества электростали, поскольку в электропечи в зоне электрических дуг идет интенсивное насыщение металла азотом и водородом. Это насыщение ускоряется в результате диссоциации молекул азота и водорода в зоне дуг, имеющих температуру свыше 3000°С. В связи с этим электросталь обычно содержит азота больше, чем мартеновская и кислородно-конвертерная сталь.

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 >0,6 % С) и 0,3 - 0,4 % при выплавке средне- и низкоуглеродистой стали (нижний предел указанных значений относится к большегрузным печам)

Окислительный период заканчивается  тогда, когда углерод окислен  до нижнего предела его содержания в выплавляемой марке стали, а  содержание фосфора снижено до 0,010 - 0,015 %. Период заканчивают сливом окислительного шлака, который производят путем наклона печи в сторону рабочего окна, а также вручную с помощью деревянных гребков, насаженных  на длинные железные  прутки.  Полное  скачивание окислительного шлака необходимо, чтобы содержащийся в нем фосфор не перешел обратно в металл во время восстановительного периода. Окислительный период длится от 30 до 90 мин.

Восстановительный период. Задачами 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.

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 величина удельной поверхности контакта металл - шлак значительно меньше, чем в печах малой емкости.

Длительность восстановительного периода составляет 40 ~ 100 мин.

В восстановительный  период условия работы футеровки  печи наиболее тяжелые, мощность снижается и доходит до З0...40% номинального значения. Электрический режим сравнительно спокойный, металл покрыт слоем шлака, поэтому часть теплоты выделяется непосредственно в шлаке.

В дуговых печах велики тепловые потери - до 40... 45% общего количества теплоты, выделяемого в печи. Потери теплоты зависят от емкости, технологии плавки и состояния печи. При заправке печи часть энергии, аккумулированной в ее футеровке, расходуется на нагрев заправочных материалов и на компенсацию тепловых потерь. При загрузке шихты часть энергии теряется в результате излучения внутренней поверхности футеровки. В период плавления при горении дуг под слоем шихты часть энергии, аккумулированной в футеровке, передается шихте (порядка 10% всей энергии, необходимой для плавки стали). В период доводки футеровка накапливает теплоту и отбирает из рабочего пространства до 15.. .20% всей теплоты, вводимой в печь. При продувке ванны кислородом образуется много газов (350...400 м^т-ч), которые покидают рабочее пространство печи при температуре 1450...1500°С. Потери теплоты с уходящими газами составляют около 10% всей затраченной энергии. Чем больше емкость печи, тем меньше относительные потери

 

 

 

 

 

 

2.Расчет 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 завалки. 

Для выплавки стали марки 40 ХН использована шихта, содержащая 0,093% окатыши металлизированные; 93,88% лом; 1,45%кокс кусковой; 4,577% известь. Химический состав компонентов шихты и стали в конце периода окисления приведены в таблице 1.

Таблица 1 Химический состав шихтовых материалов

 

Материал	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu	Fe
Лом	0,27	0,36	0,66	0,03	0,04	0,22	0,24	0,3	97,86
Ферромарганец	6,0	2,0	80,0	0,03	0,3				11,67
Кокс  кусковой	89				0,8
Феррохром
Известь		0,05
Средний состав	0,71	0,33	0,81	0,027	0,04	0,506	0,215	0,269	87,99
Сталь в конце периода расплавления	0,36-0,44	0,17-0,37	0,50-0,80	0,035	0,035	0,45-0,75	1,00-1,40	0,30	97,84-98,4

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

где т_ш — масса металлической части шихты, кг;

 Сi - содержание примеси в шихте, % по массе;

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

i- выгорающие элементы .

  Определяем угар примесей:

С.…..(0,712 -0,4)128473/100 = 400,836 кг

Si…….(0,329-0.250)128473/100 = 101,494 кг

Мп….(0,810-0,650) 128473/100 = 205,557

Cr…..(0,506-0,450 128473/100=71,945

S………(0.040-0.035) 128473/100=6,424 кг

            Fe (в дым)....... 3211,825кг (принимаем 2,5% от массы шихты)

Всего ... 3998,081 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:

 

где M_i - молекулярная масса элемента;

Mq₂ - молекулярная масса кислорода.

, кг;

, кг;

, кг;

, кг;

, кг.

Расход кислорода, кг

, ,

,

 

,

                                         Всего………2247,07

 

Масса оксида, кг

0,3C+CO2=0.3*400,836+320,669=440,920

0.7C+CO=0.7*400,836+374,114=654,699

Si+SiO2=101,494+115,993=217,487

Mn+MnO=205,557+59,798=265,355

Fe+Fe2O3=3211,825+1376,496=4588,321

                 Всего………6166,782

Содержание  оксидов железа в шлаке зависит от содержания углерода в металле и определяется с помощью таблицы 2.

 

 

 

Таблица 2. Зависимость  содержания оксидов железа в шлаке  от содержания углерода в металле

[С],%	0,08-0,18	0,20-0,32	0,28-0,42	0,67-1,09
(Feo6ui),%	14,4	12,8	11,04	9,41

По практическим данным отношение Fe в FeO/ Fe в Fe2O3 принимаем равным 2...4.

В соответствии с этим принимаем, что при содержании углерода в стали в конце периода расплавления равном 0,36 %, содержание оксидов железа в шлаке составит 11,04 %, причем FeO будет 8,28 % (доля - 0,75) a Fe₂ О₃ - 2,76% (доля - 0,25).

 Масса  шлака без оксидов железа, равная  согласно таблице 3 – 3009,05 кг, составляет (100 –11,04) = 88,96%, а общая масса шлака:

где - масса шлака без оксидов железа (по составу шлака к концу выплавки), кг; (Fe_o6m) - содержание оксидов железа в шлаке, %. Подставляем данные

 

Масса оксидов железа в  шлаке

,кг

Общая масса  шлака Lшл

MgO+CaO=6,8+59,5=66,3

66,3-1995

100- Х

Масса шлака  без оксидов железа из таблицы 3

=3009,05 кг.

 

Таблица 3 Состав шлака

	SiO2	Al2O3	Fe2O3	MnO	MgO	CaO	P2O5	S	Cr2O3
кг	574, 7	391,177	3, 31	21, 36	204, 6	1790	6, 018	10	7, 222