Расчеты материальных и энергетических балансов в сталеплавильных и внепечных агрегатах

А. В. Рябов, И. В. Чуманов







РАСЧЕТЫ МАТЕРИАЛЬНЫХ И ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ БАЛАНСОВ В СТАЛЕПЛАВИЛЬНЫХ И ВНЕПЕЧНЫХ АГРЕГАТАХ











Допущено Федеральным учебно-методическим объединением
   по укрупненной группе специальностей и направлений 22.00.00 «Технологии материалов» в качестве учебного пособия при подготовке бакалавров, обучающихся
по направлению 22.03.02 «Металлургия»
















Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2024

УДК 669.017.3
ББК 34.3
     Р98





Рецензенты:
д. т. н., проф. кафедры металлургии и металловедения им. С. П. Угаровой, Университет науки и технологий МИСИС Александр Евгеньевич Семин;
д. т. н., проф. кафедры металлургии и химических технологий
    ФГБОУ ВО «МГТУ им. Г. И. Носова» Вахит Абдрашитович Бигеев










     Рябов, А. В.
Р98 Расчеты материальных и энергетических балансов в сталеплавильных и внепечных агрегатах : учебное пособие / А. В. Рябов, И. В. Чуманов. -Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2024. -160 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-2086-0

           Включает расчеты материальных и энергетических балансов выплавки стали в дуговой электросталеплавильной печи, шахтной дуговой печи, индукционной печи, агрегате AOD, LF и VD, которые применяют для решения научно-технических и учебных задач при выполнении лабораторных, практических, курсовых и дипломных работ.
           Для студентов (бакалавров и магистров) направлений подготовки 22.03.01 «Материаловедение и технология материалов», 22.04.02, 22.03.02 «Металлургия» очной и заочной форм обучения. Можно использовать в курсах «Электрометаллургия стали», «Внепечная обработка металлов», «Производство стали и сплавов».

                                                                 УДК669.017.3
                                                                 ББК 34.3






ISBN 978-5-9729-2086-0

     © Рябов А. В., Чуманов И. В., 2024
     © Издательство «Инфра-Инженерия», 2024
                            © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2024

ОГЛАВЛЕНИЕ


ВВЕДЕНИЕ.........................................................6
1. ТЕХНОЛОГИЯ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ МАРКИ 40ХН..........................7
1.1. Назначение и химический состав стали........................7
1.2. Технология выплавки стали 40ХН..............................7
2. РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ВЫПЛАВКИ СТАЛИ 40ХН
В ДСП............................................................8
2.1. Расчет шихты................................................8
2.2. Выплавка стали в дуговой сталеплавильной печи. Период плавления.... 10
2.2.1. Окислениеэлементов.......................................10
2.2.2. Шлакообразование.........................................15
2.2.3. Окислительная дефосфорация при выплавке стали............21
2.2.4. Определение количества и состава газов в период плавления.26
2.3. Окислительный период.......................................28
2.3.1. Окисление элементов и шлакообразование...................28
2.3.2. Определение количества и состава газов в окислительный период 32
2.4. Содержание газов в металле под слоем шлака в условиях открытой плавки в ДСП....................................................35
2.5. Обработка стали в печи-ковше...............................37
2.5.1. Раскисление шлака и металла. Предварительное легирование.37
2.5.2. Шлакообразование.........................................45
2.5.3. Десульфурация стали шлаком...............................47
2.5.4. Доведение стали до заданного химического состава.........50
3. ТЕХНОЛОГИЯ ВЫПЛАВКИ СПЛАВА МАРКИ ХН70ВМТЮФ
В ИНДУКЦИОННОЙ ТИГЕЛЬНОЙ ПЕЧИ....................................53
3.1. Назначение и химический состав сплава......................53
3.2. Технология выплавки сплава ХН70ВМТЮФ........................53
4. РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА СПЛАВА ХН70ВМТЮФ
В ИНДУКЦИОННОЙ ТИГЕЛЬНОЙ ПЕЧИ...................................59
4.1. Расчет шихты...............................................59
4.2. Период плавления...........................................60
5. РАСЧЕТ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО БАЛАНСА ВЫПЛАВКИ СПЛАВА
ХН70ВМТЮФ В ИНДУКЦИОННОЙ ТИГЕЛЬНОЙ ПЕЧИ.........................64
5.1. Геометрический расчет......................................64
5.2. Тепловой расчет............................................66
5.3. Расчет электрических параметров............................70
5.4. Энергетический баланс......................................72
6. ТЕХНОЛОГИЯ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ МАРКИ 08Х18Н10 ДУПЛЕКС ПРОЦЕССОМ ДСП-АКР...............................................74
6.1. Назначение и химический состав стали.......................74
6.2. Подготовка печи к завалке..................................74
6.3. Подготовка шихтовых материалов и завалка шихты.............76
6.3.1. Ферросплавы..............................................76
6.3.2. Окислители...............................................77

3

6.3.3. Шлакообразующие........................................77
6.3.4. Охладители.............................................78
6.4. Период плавления.........................................78
6.5. Выплавка стали в агрегате АКР............................79
6.5.1. Охладители.............................................79
6.5.2. Корректирующие добавки.................................80
6.5.3. Подготовка агрегата АКР к плавке.......................80
6.5.4. Заливка полупродукта...................................80
6.5.5. Рафинирование полупродукта в агрегате АКР..............81
6.5.6. Первая ступень обезуглероживания.......................81
6.5.7. Вторая ступень обезуглероживания.......................82
6.5.8. Третья ступень обезуглероживания.......................82
6.5.9. Четвертая ступень обезуглероживания....................83
6.5.10. Восстановительный период..............................83
6.5.11. Десульфурация.........................................83
6.5.12. Выпуск плавки.........................................83
6.6. Технология обработки стали аргоном в ковше...............84
6.7. Порядок введения раскислителей и легирующих..............84
6.8. Техника безопасности.....................................85
7. РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ВЫПЛАВКИ СТАЛИ08Х18Н10.................................................86
7.1. Расчет шихты.............................................86
7.2. Выплавка стали в дуговой сталеплавильной печи. Период плавления.... 87
7.3. Окислительный период.....................................94
7.4. Восстановительный период................................104
7.5. Десульфурация стали.....................................111
7.6. Доведение стали до заданного химического состава........113
8. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ВЫПЛАВКИ СТАЛИ МАРКИ 08
В ШАХТНОЙ ДУГОВОЙ ПЕЧИ.......................................116
8.1. Назначение и химический состав стали....................116
8.2. Технология выплавки стали 08............................116
8.2.1. Подготовка печи к плавке..............................116
8.2.2. Подготовка шихтовых материалов и завалка шихты........116
8.2.3. Период плавления......................................118
8.2.4. Выпуск плавки.........................................119
8.3. Расчет шихты............................................119
8.4. Период плавления........................................120
8.4.1. Окислениеэлементов....................................120
8.4.2. Шлакообразование......................................125
8.5. Окислительный период....................................127
8.5.1. Окислениеэлементов....................................127
8.5.2. Шлакообразование......................................131
8.5.3. Определение состава металла окислительного периода....135
8.6. Определение количества и состава газов в периоды плавления и окисления..................................................135

4

9. ЭНЕРГЕТИЧЕСКИЙ БАЛАНС ВЫПЛАВКИ СТАЛИ МАРКИ 08
В ШАХТНОЙ ДУГОВОЙ ПЕЧИ..............................139
9.1. Статьи прихода теплоты.........................139
9.2. Статьи расхода теплоты.........................143
9.3. Анализ полученных результатов..................154
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК............................155

5

ВВЕДЕНИЕ


    В условиях самоокупаемости производства стали в электропечах особо возрастает роль учета расхода материалов, топлива, электроэнергии, электродов на 1 т годной стали.
    Расчет шихты и материального баланса плавки стали в дуговой печи позволяет на основе известных данных смоделировать процесс плавки в конкретном плавильном агрегате, позволяет разработать и осуществить мероприятия по снижению расходных коэффициентов, повышению выхода годного металла, экономии сырья, ферросплавов, топлива, электроэнергии и электродов. Результаты расчетов материального баланса служат основой для уточнения плановых нормативов и расходных коэффициентов. Материальный баланс позволяет выявить возможность повышения технико-экономических показателей процесса выплавки стали и на основании полученных результатов наметить пути улучшения показателей выплавки конкретных марок сталей.
    Цель данного учебного пособия закрепить курс теории и технологии выплавки в открытой дуговой печи и на основании этого произвести физико-химический расчет и составить баланс электроплавки.
    С помощью пособия студенты изучат основы выбора отдельных легированных отходов, после этого смогут рассчитать шихтовку для выплавки определенной марки стали и теоретически провести плавку в дуговой сталеплавильной печи (ДСП).
    Ниже приводится пример расчета шихты, энергетического и материального балансов плавки стали 40ХН, 08, 08Х18Н10, сплава Х20Н80 в индукционной печи, шахтной дуговой печи, дуплекс-методом (ДСП + «Печь-ковш», АКР). Основные этапы проводимого расчета: выбор состава завалки для дуговой печи; определение количества и состава металла и шлака к концу периода плавления в дуговой печи; определение количества и состава металла и шлака после окончания окислительного периода; определение количества и состава металла и шлака в конце плавки (в печи-ковше); составление итоговых балансов (баланс металла, шлака и итоговый баланс).

6

1. ТЕХНОЛОГИЯ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ МАРКИ 40ХН


1.1. Назначение и химический состав стали


    Конструкционная сталь марки 40ХН, химический состав которой приведен в табл. 1, применяется для изготовления осей, валов, шатунов, зубчатых венцов, валов экскаваторов, муфт, вал-шестерен, шпинделей, болтов, рычагов, штоков, цилиндров и других ответственных нагруженных деталей, подвергающихся вибрационным и динамическим нагрузкам, к которым предъявляются требования повышенной прочности и вязкости, а также валков рельсобалочных и крупносортовых станов для горячей прокатки металла.


Таблица 1

Химический состав стали 40ХН (ГОСТ 4543-71), %

Предел                         Элемент                                     
        С     Si  Мп     Р     S    Сг    Ni  Ti   W    Мо   V    Си   Fe 
Нижний  0,36 0,17 0,50 н.б.  н.б.  0,45 1,00 н.б. н.б. н.б. н.б. н.б. осн.
Верхний 0,43 0,37 0,80 0,035 0,035 0,75 1,40 0,03 0,20 0,15 0,05 0,30     

1.2. Технология выплавки стали 40ХН

    Выплавка стали производится на углеродистых отходах с частичным окислением железной рудой (агломератом) и применением жидкого чугуна в современной трехфазной дуговой сталеплавильной 100-тонной печи переменного тока с водоохлаждаемыми панелями, с эркером. По окончании окислительного периода отбирается проба металла на химический анализ, измеряется температура и горячий расплав выпускается в сталеразливочный ковш, который передается на установку «Печь-ковш», где производятся все необходимые операции (окончательная доводка стали до заданного химического состава, подогрев, десульфурация и т. д.). После сталеразливочный ковш передается на машине непрерывного литья заготовок (МНЛЗ).


7

2. РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ВЫПЛАВКИ СТАЛИ 40ХН В ДСП

2.1. Расчет шихты

    Перед завалкой производится полный расчет шихты. Расчет ведем по реальной массе завалки, которую принимаем па3...5% больше садки печи.
    Задачу выбора рационального состава шихты для выплавки стали в «идеальных» условиях, когда есть в наличии все группы отходов и все легирующие, можно решать с помощью метода линейного программирования [1]. Группы отходов выбираются на основании. В реальных производственных условиях очень часто приходится выплавлять сталь из шихты, которая есть в наличии. Это связано с отсутствием легированных отходов. Углеродистых отходов больше. Особенно это стало актуальным в настоящее время, когда в ДСП выплавляют низколегированные стали и мало заказов на сложнолегированный сортамент. В условиях современного производства предпочтительнее выплавлять в ДСП углеродистый полупродукт с последующим легированием (рафинированием) во вне-печных агрегатах. Поэтому подавляющую часть шихты составляют углеродистые либо низколегированные отходы. Также в состав шихты входит родственная группа, а также близкие к ней по химическому составу легированные группы отходов и соответствующие ферросплавы и лигатуры. В завалку даются ферросплавы, которые имеют малый угар или не окисляются, на нижний предел. В качестве науглероживателей в завалку можно давать: чугун, кокс, электродный бой или высокоуглеродистые ферросплавы. Если предприятие с полным металлургическим циклом, то можно давать в завалку жидкий чугун до 25 %.
    Шихтовку составляют с учетом особенностей технологии выплавки стали.
    На основании вышеизложенного даем в завалку отходы групп А-2, А-3, Б-13, жидкий чугун, никель Н-3.
    Следовательно, шихта для выплавки заданной марки стали может быть составлена из материалов, химический состав и цена которых представлены в табл. 2. Состав шихты представлен в табл. 3.

8

Таблица 2

Химический состав отходов, которые предполагается использовать в завалку, %

Материал                    Содержание элементов                                 Цена, 
         С    Si   Мп   р    S     Ст   Ni    Ti   w    Mo   V    Си   Al     Fe руб./т
Чугун    3,00 1,00 1,00 0,04 0,04  -     -    -      -  -   0,02 0,20  -   94,70 2667  
  Б-13   0,25 0,30 0,80 0,02 0,01 1,20 1,20  0,02 0,02 0,02 0,02 0,20 0,02 95,92 2000  
А-2      0,20 0,20 0,30 0,03 0,03 0,20 0,15  0,03 0,08 0,05 0,02 0,20 0,04 98,47 1460  
А-3      0,30 0,30 0,50 0,03 0,03 0,20 0,15  0,03 0,08 0,05 0,02 0,20 0,05 98,06 1460  
  н-з     -    -    -    -    -    -   98,00  -      -  -    -    -    -    2,00 20 000

Таблица 3

Содержание компонентов в шихте, кг

Материал Масса                  Содержание элементов                           
                    с      Si        Мп     P         s      Cr         Ni    
 Чугун   26 250  787,500 262,500   262,500  10,500 10,500     0         0     
  Б-13   20 160  50,400  60,480    161,280  4,032   2,016  241,920   241,920  
  А-2    26 250  52,500  52,500    78,750   7,875   7,875  52,500     39,375  
  А-3    31 500  94,500  94,500    157,500  9,450   9,450  63,000     47,250  
  Н-З    840        0       0         0       0       0       0      823,200  
 Всего   105 000 984,900 469,980   660,030  31,857 29,841  357,420   1151,745 
Всего, % 100      0,938   0,448     0,629   0,030   0,028   0,340     1,097   
Материал Масса                  Содержание элементов                           
                   Ti     W         Mo          V    Cu        Al          Fe  
 Чугун   26 250     0        0    0       5,250    52,500       0 24 858,750   
  Б-13   20 160   4,032    4,032  4,032   4,032    40,320  4,032  19 337,472   
  А-2    26 250   7,875   21,000  13,125  5,250    52,500  10,500 25 848,375   
  А-3    31 500   9,450   25,200  15,750  6,300    63,000  15,750 30 888,900   
  Н-З    840        0        0    0             0     0         0 16,800       
 Всего   105 000 21,357   50,232  32,907  20,832   208,320 30,282 100 950,297  
Всего, % 100      0,020    0,048  0,031   0,020     0,198  0,029  96,143       

    Кроме основной металлической шихты, в дуговую печь загружают известь в количестве 24 кг/т и агломерат (табл. 4). В современной дуговой сталеплавильной печи со сверхмощными трансформаторами твердые окислители не используют, например ШДП-125 ОАО «Северсталь», или используют небольшое количество (1 кг/т) в завалку (ДСП-100, ОАО «Мечел»). В данном расчете делается допущение и используется агломерат для проведения окислительного периода, так как в настоящее время существуют ДСП небольшой вместимости старой конструкции.
    Химический состав шлакообразующих и огнеупорных материалов, легирующих и раскислителей, которые предполагается использовать в процессе выплавки, представлен в табл. 4 и табл. 5.


Таблица 4

Химический состав шлакообразующих и огнеупорных материалов, которые предполагается использовать в процессе выплавки, %

 Материал                     Содержание                              Потери при 
           CaO   SiO2  MgO   СГ2О3 А12О3 Fe2O3 CaF2    FeO  S   P2O5 прокаливании
 Известь   88,00 1,30  2,00    -   0,80  0,20  -            -    -       7,70    
 Магнезит  1,00  3,00  93,00   -   1,00  2,00  -            -    -   _           
Магнезито- 2,00  6,50  66,00 10,00 4,00  11,50   -          -    -       ---     
  хромит                                                                         
Плавиковый 0,50  3,60    -     -   0,20  1,50  94,00        -    -       0,20    
   шпат                                                                          
   Руда    0,10  5,25  0,30    _   4,10    -   -     90,00 0,10 0,15 [O] - 27,70 
 Электрод  0,118 0,565   -     -   0,317   -   -            -    -   [Cl - 99,00 

2.2. Выплавка стали в дуговой сталеплавильной печи. Период плавления

2.2.1. Окисление элементов


    Расчет поступивших в шлак продуктов окисления металлического расплава производим на основании данных по угару элементов и составляем таблицу угаров для данной марки в период плавления для всех элементов, входящих в табл. 3 (табл. 6).


10