Металлургия стали : внепечная обработка стали
Покупка
Тематика:
Металлургия. Литейное производство
Издательство:
Издательский Дом НИТУ «МИСиС»
Год издания: 2003
Кол-во страниц: 47
Дополнительно
Доступ онлайн
В корзину
В пособии изложены современные представления о некоторых аспектах процесса внепечной обработки, а также расчет производительности вакуумных насосов, десульфурации металла шлаковыми смесями, количества оксидных неметаллических включений при раскислении стали. Пособие предназначено для специальности 110100 (специализации 1101.01, 1101.02, 1101.03, 1101.04, 1101.05).
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 22.03.01: Материаловедение и технологии материалов
- 22.03.02: Металлургия
- ВО - Магистратура
- 22.04.01: Материаловедение и технологии материалов
- 22.04.02: Металлургия
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
УДК 669.18.046.5 Л83 Р е ц е н з е н т проф. М.Г. Крашенинников Лузгин В.П., Казаков СВ. Л83 Металлургия стали: Внепечная обработка стали: Учеб. пособие. - М.: МИСиС, 2003. - 47 с. В пособии изложены современные представления о некоторых аспектах процесса внепечной обработки, а также расчет производительности вакуумных насосов, десульфурации металла шлаковыми смесями, количества оксидных неметаллических включений при раскислении стали. Пособие предназначено для специальности 110100 (специализации 1101.01, 1101.02, 1101.03, 1101.04, 1101.05). © Московский государственный институт стали и сплавов (Технологический университет) (МИСиС), 2003
ОГЛАВЛЕНИЕ Введение 4 1. Расчет нагрева металла в процессе внепечной обработки стали 5 1.1. Нагрев металла в печи-ковше (ПК) 6 1.2. Химический подогрев 10 2. Расчет производительности насосов вакуумной системы 12 3. Десульфурация стали 20 4. Расчет количества и состава неметаллических включений на основе термовременной теории их образования 30 Библиографический список 38 Приложение 1. Технические характеристики вакуумных пароэжекторных насосов ОАО «Северсталь» [6] 39 Приложение 2. Примеры типовых задач 44 3
ВВЕДЕНИЕ в последние годы в сталеплавильном производстве широкое развитие получили процессы внепечной обработки стали, позволяющие обеспечивать надежную и высокопроизводительную работу современного сталеплавильного комплекса - кислородного конвертера или сверхмощной ДСП и установок непрерывной разливки стали (УНРС). Создание особых физико-химических условий при внепечной обработке дает возможность получать высококачественные стали и стали с новыми потребительскими свойствами. В настоящее время работа сталеплавильного комплекса невозможна без агрегатов внепечной обработки. Методами вторичной металлургии сейчас в мире обрабатываются сотни миллионов тонн высококачественной стали. Основные направления внепечной обработки стали: - обработка металла инертными газами; - нагрев и охлаждение металла вне печи; - вакуумная обработка металла процессами DH, RH, VD, VD - ОВ; - глубокая десульфурация металла обработкой шлаковыми смесями; - микролегирование и модифицирование стали. Внепечная металлургия, особенно в нашей стране, является относительно новым направлением, которое только сейчас получает развитие. В отечественной технической литературе недостаточно пособий, посвященных решению расчетных задач по внепечной обработке стали. Настоящее пособие является попыткой в определенной степени восполнить этот недостаток для изучающих курс «Теория и технология производства стали», раздел «Внепечная обработка стали». Пособие может быть полезным при изучении по выбору курса «Внепечная обработка стали» студентами специализации 1101.04, выполнении курсовых научно-исследовательских, курсовых и дипломных работ и проектов. 4
1. РАСЧЕТ НАГРЕВА МЕТАЛЛА В ПРОЦЕССЕ ВНЕПЕЧНОЙ ОБРАБОТКИ СТАЛИ Широкое внедрение в современных сталеплавильных цехах непрерывной разливки и создание комплексов сталеплавильный агрегат (кислородный конвертер или сверхмощные ДСП) - установка непрерывной разливки стали потребовали организации системы комплексной внепечной обработки стали (ВОС). Основными целями ВОС являются: - нагрев металла в печи-ковше (ПК) или химический подогрев; - продувка металла инертным газом с целью усреднения его по химическому составу и температуре; - дегазация металла - удаление водорода и частично азота за счет вакуумирования; - глубокое обезуглероживание стали за счет одновременного воздействия вакуумом и продувки металла кислородом (КП - ОВ или VD - ОВ процессы); - десульфурация стали при обработке синтетическими шлаками или твердошлаковыми смесями (ТШС); - микролегирование и модифицирование стали с применением технологии cored wire; - коррекция температуры в сторону ее уменьшения (сляб, сечка). Одной из основных задач в сталеплавильном производстве является согласование температурного режима процессов выплавки и непрерывной разливки стали. Отклонение температуры металла при разливке на УПРС не должно превышать, как правило, 10...15 °С от оптимальных для заданной марки стали значений, что может быть обеспечено только при наличии эффективных и быстродействующих способов контроля температуры, а также методов нагрева и охлаждения расплава в технологической линии сталеплавильного передела в режиме online. 5
Задача охлаждения металла в цепочке сталеплавильный агрегат - УНРС оперативно решается путем присадки сечки или ввода сляба в расплав, находящийся в сталеразливочном ковше. Более сложной и актуальной в сталеплавильном производстве является проблема нагрева металла при внепечной обработке. В настоящее время получили развитие два основных направления: электродуговой и химический подогрев металла. В первом случае применяются специальные агрегаты типа печь-ковш (LF - ladle-fumaces), работающие на переменном или постоянном токе. Во втором случае используется тепло экзотермической реакции окисления алюминия (вводимого в виде проволоки трайб-аппаратом в расплав) за счет продувки металла кислородом. Каждый из вариантов имеет определенные преимущества и недостатки. 1.1. Нагрев металла в печи-ковше (ПК) Энергетический баланс работы ПК как электротермического агрегата можно записать следующим образом [1]: где Гз, - расход электроэнергии, поступающей из сети; Г„„„ - полезная энергия, расходуемая на изменение энтальпии стали; - сумма тепловых потерь процесса; ^ Гз.„ - сумма электрических потерь. Величина Х ^ т п включает потери теплоотдающих поверхностей ПК, тепло охлаждающей воды, тепло отходящих газов, энтальпию шлака. Величина ^ Г з „ - сумма электрических потерь в результате диссипации электрической энергии при преобразовании в печном трансформаторе и при передаче ее по вторичному токопроводу ПК. 6
Ниже приведен энергетический баланс ПК Оскольского электрометаллургического комбината по данным [2], МДж/т (%): теплоусвоение металла 39(50,9) теплоусвоение шлака 4,6(6,0) тепло отходящих газов 10,0(13,0) потери тепла теплопроводностью через футеровку 4,3 (5,6) потери тепла с охлаждающей водой 7,3 (9,5) потери в омическом сопротивлении 12,0 (15,7) Эффективность работы ПК определяется произведением двух коэффициентов полезного действия: где Лэл - электрический К.П.д.; Лтегш - т е п л о в о й К.П.Д. П К . По данным [1] электрический к.п.д. составляет г]^^ = 0,85...0,95, тепловой К.П.Д. по результатам приведенного энергетического баланса Л,епл = 0.45...0,55. Величина TI^ существенно зависит от температуры, с которой начинают нагрев металла. При нагреве перегретого металла TI^ уменьшается с 0,45 до 0,35; с увеличением толщины слоя шлака до 200...250 мм величинатепловых потерь уменьшается и л,епл возрастает. Одной из основных задач при установке ПК в сталеплавильных цехах является выбор мощности трансформатора. Расчет мощности трансформатора производится исходя из массы стали в сталеразливочном ковше Мст, (т) и задаваемой скорости нагрева металла Vt, (°С/мин). Алгоритм расчета затрат электроэнергии на нагрев стали Задано: Мет= 250 т. Определяем количество тепла, необходимое для нагрева 1 т стали на 1°С. q^, = С^АГт„ = 0,85 МДж/(т • °С) • 1°С • 1т = 0,85 МДж/(т • °С). Тогда количество тепла, необходимое для нагрева М,, на 1°С составит бм, =С^АГМ„ =0,850-1°С-М„ =0,850М„ МДж/°С. 7
с учетом электрического г\^^ и теплового tj^g^^ к.п.д., т.е. суммарных потерь rij,, количество тепла на нагрев 1 т стали на 1 °С составит ^Ф7 = ^ ^ = ^ = 1,89МДж/(°С-т). ЛЕ 0,45 На нагрев Мст= 250 т на 1°С потребуется количество тепла: Qj^^^ = 1,89-250 = 472,2 МДж/°С. При переводе тепловой энергии (МДж) в электрическую (кВт-ч) принимаем соотношение: 1 кВт-ч = 3,6 МДж; тогда при нагреве 250 т стали на 1°С потребуется электроэнергии: 472 2 ^ з л - ^ ^ - 1 3 1 , 2 к В т . ч / ° С . 3,6 Удельный расход электроэнергии на 1 т стали на 1 °С составит ^ Щ Д ^ Q 32 кВт • ч / (т • °С). '/эл 250 В результате количество электроэнергии, необходимой для нагрева 1 т стали на заданную величину AT - Т^^^ -Т^^ '• АГ = 10°С, ^зл = С-10°^ = 0,52-10 = 5,2 кВт-ч/т; АГ = 30°С, ^зл^^Гл-ЗО^С = 0,52-30 = 15,7 кВт-ч/т; АГ = 50°С, ^зл=^э''л-50°С = 0,52-50 = 26,0кВт-ч/т. Расчет мощности трансформатора печи-ковша 1. Расчет мощности трансформатора производится исходя из массы металла в ковше Мст(т) и заданной скорости нагрева Vt, (°С/мин). При нагреве металла в ПК принимают, что скорость нагрева металла изменяется в пределах 3.. .5 °С/мин. Задаем у^ = 4°С/мин; в этом случае при нагреве Мст=250т потребуется подведение мощности, равной fr = 0,52 - 250 - 4 = 520 кВт - ч / мин. Соответственно необходима установка трансформатора мощностью Г = 520-60 = 31,2 MB-А.
По каталогу подбирают тип трансформатора, ближайший по мощности [1]; для данного случая выбираем трансформатор ЭТУН52000/35 могцностью 35 MB • А. 2. Вариант второй - это случай, когда на ПК при обработке определенной массы металла уже установлен трансформатор заданной могцности. Определить необходимое время нагрева для достижения определенной температуры металла. Задано: М,,= 200 т, могцность установленного трансформатора Г,р = 20 MB • А (ЭТУПК - 32000/20). Заданное значение перегрева металла, которое необходимо достигнуть при работе ПК: ^T = 60 °С, т.е. ^T = Г _ - Г,,, = 60 °С. Количество тепла, потребное для нагрева М,,= 200 т металла на 60 °С, составит е _ = C^^TM^ = 0,85 • 60 • 200 = 10 200 МДж = 10,2 ГДж. Для подведения этого количества тепла к металлу, находящемуся в ПК, потребуется электроэнергии: q,,- 10 200 : 3,6 = 2833,3 кВт • ч, а с учетом лх-0,45 величина q^^^^ возрастет и составит ^Факт^28333:0,45= в2%Ъ кВт ч или ^*;" = W^x^^ , где W^ -мощность трансформатора, равная 20 MB-А; т,,, - время, необходимое на нагрев металла на 60 °С в ПК, ч; , ^ ^ . ^ ^ ^ . 0,315 ч-19 мин. W^ 20 000 3. Вариант третий - при заданной мощности трансформатора Г = 20 MB • А и массе металла в ковше М,, = 200 т определить возможную скорость нагрева металла Vt (°С/мин). Для нагрева 1 т стали на 1 °С требуется 0,85 МДж/(т • 1 °С). Трансформатор данной мощности способен подвести в единицу времени (1 ч) тепла в металл: ^ ^ ^ = 2 0 000-3,6-0,45 = 32 400 МДж. При этом М,, = 200 т за 1 ч нагреется на ^T (°С): д ^ . 1 1 ^ . ^ 2 4 0 ^ . 3 2 4 0 0 ^ ^ ^ ^ „ ^ / ^ q^ 0,85-200 170 9
или соответственно: V, = — ^ 3,2 °С/мин. ' 60 4. Основные преимущества и недостатки нагрева стали в ПК (электродуговой способ) приведены ниже: Преимущества: коррекция «холодных» плавок; демпфер между сталеплавильным агрегататом и УПРС, устранение аварийных ситуаций, плавное регулирование температуры; возможность проведения процесса десульфурации; большой диапазон подогрева металла (до 80 °С); нет большого пылегазовыделения. Недостатки: большие капитальные вложения (несколько млн долл. США); необходимость создания специальной электрической подстанции; зависимость себестоимости стали от роста цен на электроэнергию; науглероживание и насыщение газами металла при нагреве; относительно низкий тепловой к.п.д. 1.2. Химический подогрев Процесс химического подогрева стали базируется на использовании тепла экзотермической реакции окисления алюминия, вводимого в виде проволоки или гранул в сталь, и продувке металла кислородом [3] по реакции 2[A1] + ^ { 0 2 } = (AI2O3) + 31,2 МДж/кг алюминия. Суммарный тепловой эффект реакции t^E ~ ^^экз ~ \^:;А120З + UAUOJ )' где 2зкз ~ тепловой эффект реакции, МДж; 6AUO ~ количество тепла на нагрев АЬОз, МДж; 6А™О ~ количество тепла на плавление АЬОз, МДж. Затраты на нагрев 1,9 кг AI2O3 до 1600 °С составят Qllo, = С^, • АГ • М = 850 кДж = 0,85 МДж. Затраты на плавление 1,9 кг AI2O3: е ^ о , = 2000 • 1,9 = 3780 кДж = 3,78 МДж ; Q^=31,2-(0,85 + 3,78) = 26,57 МДж (приприсадке 1 кг А1 на 1 тстали). 10
Тепло, необходимое на нагрев 1 т стали на 1 °С составит 0,85МДж/(°С-т). Следовательно, при вводе в сталь 1 кг А1 на 1 т стали нагрев ее теоретически составит АГ = 26,57:0,85 = 30 °С. Расчетное количество кислорода при этом на 1 т стали должно составлять ^Q^ = 0,63 м^/т стали. Основные показатели химического подогрева стали в ковше: Преимущества: коррекция «холодных» плавок; высокий тепловой к.п.д. (0,90); нет прямой зависимости от роста цен на электроэнергию; возможность проведения процесса десульфурации под специальным шлаком; нагрев стали возможен до 70 °С. Недостатки: большие капитальные вложения (несколько млн долл. США); большие объемы пыле- и газовыделений при продувке кислородом (нужна современная система отвода и очистки газов); эксплутационные расходы достаточно велики из-за высокой цены на алюминиевую катанку; низкая стойкость продувочных кислородных фурм (менее 2.. .4 плавок). Сравнительные показатели электродугового и химического способов нагрева приведены в табл. 1. Таблица 1 Сравнительные показатели электродугового и химического способов нагрева Показатели Скорость нагрева, °С/мин Повышение температуры АГ,°С Т е п л о в о й к.п.д. (Лтепл) Расход электроэнергии, кВт • ч/т Расход материалов, кг/т Капитальные вложения Чистота металла по неметаллическим включениям Увеличение себестоимости 1 т стали (1 кВт -4 = 1 руб) Электродуговой нагрев (ПК) 3 - 5 Пе ограничено (обычно 40 - 80) 0,40 - 0,50 Па 1 т стали 20-30 Электроды 0,2 - 0,5 Большие Хорошая 1 руб. • 25 кВт • ч = = 25 руб / т Химический подогрев 3-5,5 30-70 0,90 Па1кгА1«20 Алюминий 1 кг/т (0,1 %) Большие Возможно наличие корунда в металле 40 руб/т при цене 1 кг А1 катанки 40 руб. 11
2. РАСЧЕТ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ НАСОСОВ ВАКУУМНОЙ СИСТЕМЫ Одной из основных операций при внепечной обработке стали является обработка металла в вакууме, что обеспечивает прежде всего существенное удаление водорода (до 70...80%), азота (до 15...25 %) и при определенных условиях глубокое обезуглероживание металла (до 0,005 % С при производстве стали типа IF). Существуют различные способы обработки металла в вакууме, однако основными в настоящее время являются [4]: - порционная вакуумная обработка (DH-процесс); - циркуляционная обработка в вакууме (RH-процесс); - обработка металла вакуумом в ковше при одновременной продувке расплава аргоном (VD) или аргоном снизу и кислородом сверху (VD - ОВ-процесс). Процесс вакуумной обработки стали необходимо провести в достаточно короткий промежуток времени, что связано прежде всего с существенными потерями температуры металла в процессе вакуумирования, составляющими 1,8...2,5 °С/мин, в зависимости от вместимости ковша и температуры предварительного нагрева футеровки ковшей и вакуумных камер [4]. Операция по вакуумной обработке стали при любом из перечисленных способов состоит из двух этапов: - I этап - набор рабочего разряжения в вакуумной камере путем откачки воздуха из нее, т.е. создания рабочего вакуума. Величина рабочего вакуума должна составлять около 1,0 мбар (10"^ ат или 0,76 мм рт. ст.); - II этап - проведение непосредственно процесса вакуумирования расплава при достигнутом рабочем разрежении, т.е. удаление газов из металла. При этом расчетная производительность вакуумных насосов должна быть такой, чтобы обеспечить набор рабочего разрежения, как правило, в течение не более 5 мин, а в процессе вакуумирования - обеспечить удаление подаваемого для интенсификации процесса инертного газа (аргона), а также всех удаляемых в процессе вакуумирования газов - водорода, азота и оксида углерода (в случае проведения глубокого обезуглероживания расплава). Производительность вакуумной системы принято выражать в килограммах сухого воздуха в единицу времени (кг/ч). 12
Доступ онлайн
В корзину