Розрахунок плавки сталі в основній мартенівській печі
Мета роботи: вивчити технологічні варіанти мартенівського процесу, шихтові матеріали, основні періоди плавки; виконати розрахунки основних технологічних параметрів плавки.
1. ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ
1.1. Основні показники мартенівської печі:
- продуктивність: річна (для великих мартенівських печей перевищує 0,5 млн. т сталі в рік); годинна і об'єм сталі з 1 м2 площі поду на добу (зазвичай, становить 12¸13 т/м2);)
- витрата палива.
1.2. Шихтові матеріали мартенівського переділу
Шихта мартенівської печі поділяється на 2 частині:
металеву:
- чавун застосовується в рідкому вигляді, або у вигляді чушок (в твердому стані), практично вміст хімічних елементів у переробних чавунах, % мас.: 3,9¸4,3 С; 0,5¸1,0 Si; 0,4¸1,7 Mn; 0,03¸0,06 S; 0,05¸0,15 Р (ГОСТ 807-70) і залежить від змісту Mn (підвищує вміст вуглецю), Si і Р (знижує вміст вуглецю);
- сталевий лом (внутрішній оборотний скрап і привозний, вуглецевий і легований, ГОСТ 2787-65);
- розкислювачі і легуючі добавки, використовують феросплави і деякі чисті метали (наприклад, алюміній, FeMn, SiMn, FeSi; нікель, FeCr, FeTi й ін.);
неметалічну (складається з двох частин: тверді окислювачі й флюси):
- тверді окислювачі:
- залізна (Fe2O3 ³ 84 %) і марганцева руди (MnO2 й ін. оксиди і хімічні сполуки, розмір кусків 40¸150 мм);
- окалина (Fe3O4);
- агломерат, спік дрібної (часто пилоподібної) руди, розмірами 5¸10 мм; офлюсований агломерат; конвертерний шлак;
- флюси (вапняк, вапно, боксит, плавиковий шпат, бій шамотної цегли (містить 60 % SiO2 і 30¸35 % Al2O3)):
- вапняк (осадочна гірська порода, що складається переважно з кальциту CaCO3, найбільш частими домішками є: доломіт (MgO), кварц, оксиди і гідрооксиди залізу й марганцю, пірит, гіпс й ін.), застосовується для видалення сірки й фосфору з металу в шлак;
- вапно (продукти випалення вапняку CaO – оксид кальцію), застосовується для наведення шлаку після розплавлення шихти;
- боксит, розріджувач, (гірська порода, що складається в основному з гідратів глинозему, оксидів залізу з домішкою ін. мінеральних компонентів, основний компонент Al2O3, постійна складова частина – оксид заліза Fe2O3, тому є не тільки флюсом, але й окислювачем), зустрічаються наступні домішки: SiO2, TiO2, CaO, MgO, MnO, P2O5 і ін., застосовується для розрідження шлаку;
- плавиковий шпат (мінерал, CaF2, фтористий кальцій; те ж, що і флюорит, (ГОСТ 7618–83), застосовується для розрідження дуже густих шлаків, що містять дуже високі концентрації CaO.
Чавун служить основним джерелом вуглецю, що забезпечує нормальне протікання мартенівського процесу. Кількість чавуну і стального лому в шихті може коливатися в будь-яких співвідношеннях у залежності від різновиду процесу, економічних умов, марок сталей, що виплавляються.
Залізняк і конвертерний шлак застосовуються як окислювачі, сприяють прискореному окисленню домішок. У ролі окислювача може також використовуватися окалина.
Вапняк, вапно, боксит, плавиковий шпат в мартенівському процесі служать для формування шлаку необхідного складу й в'язкості, що забезпечує протікання окислювальних реакцій, видалення шкідливих домішок і нагрів металу.
1.3. Періоди плавки
У мартенівській плавці розрізнюються наступні періоди:
- заправка печі (гарячий ремонт робочого простору);
- завалка і прогрівання шихти (складається з декількох періодів у залежності від місткості печі, і розділяються на завалку сипучих (завалка руди, потім частини вапняку, знову руди, потім руда, що залишилася ) і завалки стального лому);
- заливання рідкого чавуну (в скрап-рудному процесі);
- плавлення;
- доведення, що складається з рудного й чистого кипіння;
- випуск;
- розкислення (у печі або в ковші);
- легування (у печі або в ковші).
Заправка печі переслідує мету підтримки в робочому стані всіх елементів кладки плавильного простору. Для цього в момент випуску на подину і стінки, по мірі їх звільнення від шлаку, заправною машиною закидають вогнетривкі матеріали (дроблений обпалений доломіт, магнезитовий порошок й ін.) Після випуску з печі металу й шлаку подину ретельно оглядають і, якщо треба, виправляють помічені нерівності (бугри, ями). Можливий мінімум тривалості заправки складає 10¸15 хв., який досягається шляхом поєднання з іншими періодами плавки.
Завалка шихти здійснюється завалочною машиною. Всі тверді шихтові матеріали подаються до печі в спеціальних коробах – мульдах (місткістю до 3,3 м3). Мульди подаються в складі 712 возиків по 4 на кожній. Тривалість завалки в залежності від місткості печі коливається від 1 до 3 годин. Вона визначається числом мульд, що залежить від насипної щільності матеріалів, які приведені в таблиці 3.1.
Таблиця 3.1
Насипна щільність шихтових матеріалів, т/м3
| Найменування шихтового матеріалу | Насипна щільність, т/м3 | Найменування шихтового матеріалу | Насипна щільність, т/м3 | |
| Залізняк | 2,0¸2,8 | Стальний лом: | легкий | 0,3¸1,0 |
| Вапняк | 1,4¸1,7 | середній | 1,1¸2,0 | |
| Вапно | 0,6¸0,7 | важкий | 2,5¸3,0 | |
| Боксит | 1,2¸1,4 | Окалина | 1,9¸2,0 |
Заливання чавуну триває 20¸60 хв. Чавун зливають із ковша по жолобу через завалочні вікна в передній стінці. В період залиття чавуну в ньому розчиняється 30¸50 % лому від загальної його кількості. Час заливання чавуну прагнуть скоротити до мінімуму.
Період плавлення починається одразу після закінчення заливання чавуну і продовжується 1¸5 год. У піч у цей період подається максимальна кількість палива, ванна продувається киснем. У процесі заливання чавуну у перший момент плавлення відбувається інтенсивне утворення шлаку, оскільки весь кремній і частина марганцю, що міститься в чавуні, окислюються (у шлак частково переходять і оксиди заліза). Товстий шар шлаку, що утворився ускладнює передачу тепла від факела до металу. У зв'язку з цим в першій половині плавлення видаляють із печі (шляхом спуску в шлакові чаші через завалочні вікна) деяку кількість шлаку. У період плавлення забезпечується видалення з металу основної маси фосфору. Хімічний склад металевої ванни в момент повного розплавлення повинен містити на 0,4¸0,8 % вуглецю більше, ніж у заданій марці сталі. Окислення кремнію, більшої частини марганцю й фосфору закінчується в період плавлення, тоді як окислення вуглецю відбувається у всі періоди плавки. Тому окислення вуглецю є основною реакцією мартенівського процесу.
Доведення. Головне призначення цього періоду плавки полягає в тому, щоб забезпечити доведення його до заданого хімічного складу і необхідної температури. На початку цього періоду метал містить деякий надлишок вуглецю, фосфору й сірки, а його температура на 60¸100 °С нижче, ніж перед розкисленням. Складається з двох періодів: періодів рудного й чистого кипіння.
Рудне кипіння (поліровка) – основною задачею періоду поліровки є формування високоосновного шлаку (основність 2,0¸3,0), здатного поглинати сірку і втримувати фосфор до кінця плавки. Головною реакцією цього періоду є реакція окислення розчиненого в рідкому металі надмірного вуглецю. Утворюючись внаслідок цієї реакції пухирці окислу вуглецю вириваються на поверхню металу, пробивають шар шлаку і, виходячи на його поверхню, створюють враження «кипіння» ванни. Швидкість окислення вуглецю в цей період можна регулювати добавками залізняку або окалини, або продуванням ванни киснем. Склад шлаку, що забезпечує видалення з металу небажаних домішок (зокрема сірки), регулюється добавками вапна й ін. флюсуючих матеріалів. Пухирці окислу вуглецю, що виділяються, відіграють важливу роль у мартенівському процесі. Перемішуючи нижні шари металу (менш нагріті) із верхніми (більш нагрітими), вони прискорюють процес нагріву всього об'єму металу. Крім того, вони захоплюють на шляху вгору деяку кількість ін. газів і неметалічних часток, присутність яких у готовій сталі погіршує її якість.
Чисте кипіння, в цей період окислення розчиненого в металі вуглецю продовжується без будь-яких добавок, за рахунок розчиненого в шлаці й металі кисню. У період чистого кипіння відбувається остаточне доведення металу до необхідних температури і хімічного складу. Тривалість чистого кипіння суворо регламентується в залежності від марки сталі, що виплавляється, і складає 25¸40 хв.
Починаючи з моменту повного розплавлення ванни і до кінця періоду кипіння здійснюється контроль температури металу і хімічний аналіз шлаку і сталі. Загальна тривалість періоду кипіння 1¸2,5 год.
Випуск металу з печі здійснюють з боку задньої стінки через сталевипускний отвір, який відкривають шляхом механічного витягання утрамбованого магнезитового порошку (або прожигають струменем газоподібного кисню). Заздалегідь встановлюють підготовлені жолоб і сталерозливний ківш. Метал по жолобу стікає в сталерозливний ківш (на великій печі плавку випускають в 2 або 3 ковші). Загальна тривалість випуску до 20 хв. Після випуску плавки і необхідного огляду отвір знову закладають вогнетривкими матеріалами. З ковша метал розливають у виливниці або на установках безперервної розливки сталі. Для підвищення якості мартенівської сталі застосовуються різні методи позапічної обробки сталі в ковші.
Розкислення і легування – завершальний період плавки, основне призначення якого складається в зниженні вмісту кисню в металі і доведенні хімічного складу металу до заданого за вмістом усіх елементів, включаючи ті, що легують. Розкислюючі і легуючі добавки в залежності від марки сталі, що виплавляється, вводять або в піч, або в сталеплавильний ківш під час випуску металу.
1.4. Варіанти мартенівської плавки
У залежності від складу шихти (від співвідношення чавуна й лома в шихти) мартенівський процес поділяють на декілька технологічних варіантів:
1. Карбюраторний (скрап-вугільний) процес. Металева частина шихти складається практично тільки зі стального лому (скрапу), а кількість вуглецю (навуглецювачів), що вимагається, вводиться в шихту матеріалами, що містять вуглець (карбюраторами): антрацит, кокс, графіт, порошкоподібне кам'яне вугілля, бій графітових електродів тощо з урахуванням відсотка засвоєння вуглецю. Цей процес не набув великого поширення.
2. Скрап-процес характеризується тим, що шихта складається в основному зі скрапу. Витрата твердого чавуну при цьому залежить від необхідного для проведення періоду кипіння вмісту вуглецю в розплавленому металі і коливається від 25 до 45 %. Кількість необхідного для окислення домішок кисню приблизно дорівнює його кількості, що надходить з атмосфери печі, тому плавку проводять без добавок залізняку в завалку і з невеликими добавками в період доведення. Кислі мартенівські печі працюють тільки скрап-процесом. Скрап-процес зазвичай застосовується на заводах, що не мають доменних печей, а також у мартенівських печах машинобудівних заводів.
3. Скрап - рудний процес. Тверда частина шихти складається зі скрапу, руди і вапняку (як носіїв кисню і шлакоутворюючих), набув найбільшого поширення; для процесу характерна підвищена кількість чавуну (55¸80 % від маси металевої частини шихти), що заливається в піч у рідкому вигляді. Кількості кисню, що передається з атмосфери печі, недостатньо для окислення домішок (вуглецю, марганцю, кремнію, фосфору), тому необхідно давати в завалку додаткову кількість залізняку або використовувати кисень для продування рідкої ванни. Скрап-рудний процес застосовується в мартенівських цехах заводів, що мають доменні печі.
4. Рудний процес. Шихта складається в основному тільки з рідкого чавуну з використанням стального лому і з продуванням ванни газоподібним киснем (широкого застосування не отримав).
Понад 95 % мартенівської сталі виплавляється основним процесом (скрап-рудним і скрап-процесом). Кислий мартенівський процес значно менш поширений, ніж основний, в зв'язку з тим, що в ньому ускладнюється видалення сірки й фосфору і тому потрібні більш чисті (а, отже, більш дорогі) шихтові матеріали; плавка при кислому процесі триває довше, ніж при основному. Однак кислий процес дозволяє отримати сталь високої якості, чисту від шкідливих домішок, що характеризується дуже малою анізотропністю властивостей вздовж і впоперек напряму подальшої обробки тиском. Широко використовувалася для виробництва роторів турбін, великих колінчастих валів, стовбурів артилерійських знарядь і ін. виробів, які повинні мати високу механічну міцність вздовж і впоперек волокна.
Окислювальні процеси в мартенівській печі протікають в контакті чотирьох фаз: металу, шлаку, пічної атмосфери й футерівки (див. рис. 3.1). Основним джерелом кисню для окислювальних процесів є газова фаза в робочому просторі над ванною печі. Для інтенсифікації окислювальних процесів застосовують окислювачі: залізняк, агломерати, окатиші, технічний кисень, стисле повітря, пару.
У мартенівському процесі (на відміну від конвертерних) тепла, що виділяється внаслідок хімічних реакцій окислення домішок металевої ванни, недостатньо для проведення плавки. Тому в піч додатково подається тепло, що отримується внаслідок спалення палива в робочому просторі. Паливом служать природний газ, мазут, коксовий і доменний гази. Для забезпечення повного згоряння палива повітря на горіння подається в кількості, трохи більшій теоретично необхідного. Це створює надлишок кисню в продуктах згоряння, в яких присутні також газоподібні оксиди СО2 і Н2О, що частково дисоціюють при високій температурі. У результаті відбувається окислення заліза й ін. елементів, що містяться в шихти (для інтенсифікації горіння палива частина повітря, що подається в піч може замінюватися киснем, але при цьому погіршується екологічність процесу; газоподібний кисень подається також у ванну для інтенсифікації окислювальних процесів).
Окислювальний потенціал атмосфери печі визначається кількістю надлишкового кисню, повітря, а також киснем СО2 і Н2О, що частково дисоціюють при температурі плавки. Зразковий хімічний склад газів, що відходять: ~1,0 % О2, 15¸18 % СО2, 10¸15 % Н2О (інше азот й ін. газоподібні продукти). Парціальний тиск О2 в робочому просторі печі 1¸2 кПа (0,01¸0,02 ат.).
Окислення шихти починається відразу після її завалки. Поверхня шматків лома сплавляється з утворенням окалини, яка стікаючи зі шматків металу, звільняє нові його поверхні для окислення. Кількість кисню, засвоєного шихтою, залежить від тривалості завалки, прогрівання й типу металолому. Чим довше завалка і більш легковаговий лом (велика його поверхня), тим довший процес накопичення кисню ванною.
Окислювальна здатність мартенівської печі вимірюється кількістю кисню, що переданий металу, на одиницю маси металу в одиницю часу або через 1 м2 площі поду в одиницю часу. При роботі мартенівських печей без продування ванни киснем в період, коли ванна покрита шлаком, окислювальна здатність коливається в межах 1,3¸6,5 кг О2/(т×ч). При використанні інтенсифікаторів (О2, повітря) величина окислювальної здатності печі значно зростає.
При роботі скрап-процесом (25¸45 % рідкого чавуну) кількість необхідного для окислення домішок кисню приблизно дорівнює кількості, що надходить з атмосфери печі. Тому плавки можна проводити без добавок окислювачів або з невеликими добавками залізняку в період доведення.
Рис. 3.1. – Схема переходу кисню з газової атмосфери печі через шлак у метал [2]:
1 – пічна атмосфера; 2 – шлак; 3 – рідкий метал; 4 – футеровка.
Перехід кисню з атмосфери печі в метал багатостадійний і включає турбулентну дифузію, адсорбцію на поверхні границь розділу і безпосередньо хімічні реакції:
2(FeO) + {O}адс = (Fe2O3)
(Fe2O3) + [Fe] = 3(FeO)
(FeO)ш-м = [Fe]м-ш + [O]м-ш
При переділі скрап-рудним процесом (55¸80 % рідкого чавуну) для прискорення процесу окислення домішок використовують кисень залізняку і технічний кисень для збагачення факела або проводять подачу кисню в метал. При використанні в якості інтенсифікатора процесу залізняку перехід кисню в метал спрощується й описується постадійно:
(Fe2O3) + [Fe] = 3(FeO)
(FeO) = [Fe] + [O]
При продуванні металу технічним киснем він реагує безпосередньо з металом
{O2} + 2[Fe] = 2(FeO)
(FeO) = [Fe] + [O]
Потрібно зазначити, що описаний механізм переходу кисню дещо спрощений, більш повно він розглядається в курсі «Теоретичні основи сталеплавильних процесів» [4].
З метою рафінування (очищення) розплаву у ванну присаджують шлакоутворюючі. У основному процесі для отримання необхідних властивостей шлаку у ванну присаджують вапняк, вапно й боксит.
2. ЗАВДАННЯ
2.1. Виконати розрахунок шихти мартенівської плавки
Вихідні данні прийняти згідно варіанту з таблиць 4.1 і 4.2 Хімічний склад лому (скрапу) прийняти, %: С=0,2-0,5; Si=0,2-0,4; Mn=0,1-0,5; S=0,030-0,045; P=0,030-0,050.
Таблиця 4.1
Склад готової сталі
| Варіант | Марка сталі | Хімічний склад, % | |||||||
| С | Si | Mn | Cr | Ni | S | P | Cu | ||
| 0,07-0,14 | 0,17-0,37 | 0,5-0,8 | 0,25 | 0,3 | 0,04 | 0,035 | 0,3 | ||
| 0,12-0,19 | 0,17-0,37 | 0,5-0,8 | 0,25 | 0,3 | 0,04 | 0,035 | 0,3 | ||
| 0,17-0,34 | 0,17-0,37 | 0,5-0,8 | 0,25 | 0,3 | 0,04 | 0,035 | 0,3 | ||
| 0,22-0,3 | 0,17-0,37 | 0,5-0,8 | 0,25 | 0,3 | 0,04 | 0,035 | 0,3 | ||
| 0,27-0,35 | 0,17-0,37 | 0,5-0,8 | 0,25 | 0,3 | 0,04 | 0,035 | 0,3 | ||
| 0,32-0,4 | 0,17-0,37 | 0,5-0,8 | 0,25 | 0,3 | 0,04 | 0,035 | 0,3 | ||
| 0,37-0,45 | 0,17-0,37 | 0,5-0,8 | 0,25 | 0,3 | 0,04 | 0,035 | 0,3 | ||
| 0,42-0,5 | 0,17-0,37 | 0,5-0,8 | 0,25 | 0,3 | 0,04 | 0,035 | 0,3 | ||
| 0,47-0,55 | 0,17-0,37 | 0,5-0,8 | 0,25 | 0,3 | 0,04 | 0,035 | 0,3 | ||
| 0,52-0,6 | 0,17-0,37 | 0,5-0,8 | 0,25 | 0,3 | 0,04 | 0,035 | 0,3 | ||
| 0,57-0,65 | 0,17-0,37 | 0,5-0,8 | 0,25 | 0,3 | 0,04 | 0,035 | 0,3 |
Таблиця 4.2
| № варіанта | Хімічний склад чавуну, % | ||||
| С | Si | Mn | S | P | |
| 3,9 | 0,6 | 1,56 | 0,12 | 0,06 | |
| 3,72 | 0,5 | 1,2 | 0,18 | 0,07 | |
| 4,0 | 0,47 | 1,6 | 0,14 | 0,05 | |
| 4,0 | 0,65 | 1,17 | 0,11 | 0,06 | |
| 3,7 | 0,8 | 1,5 | 0,2 | 0,05 | |
| 4,0 | 0,75 | 1,35 | 0,16 | 0,07 | |
| 3,9 | 0,71 | 1,42 | 0,2 | 0,07 | |
| 3,8 | 0,6 | 0,99 | 0,18 | 0,906 | |
| 4,2 | 0,62 | 1,23 | 0,12 | 0,05 | |
| 4,0 | 0,7 | 1,52 | 0,19 | 0,06 | |
| 4,1 | 0,68 | 1,1 | 0,13 | 0,07 | |
| 4,05 | 0,57 | 1,35 | 0,1 | 0,06 | |
| 3,95 | 0,55 | 1,65 | 0,12 | 0,07 | |
| 3,88 | 0,64 | 1,58 | 0,13 | 0,05 | |
| 3,9 | 0,49 | 1,15 | 0,16 | 0,06 | |
| 4,1 | 0,73 | 1,62 | 0,11 | 0,08 | |
| 3,92 | 0,66 | 1,55 | 0,19 | 0,07 | |
| 3,85 | 0,5 | 1,3 | 0,1 | 0,06 | |
| 4,12 | 0,77 | 1,47 | 0,13 | 0,07 | |
| 3,79 | 0,52 | 1,7 | 0,11 | 0,07 |
Таблиця 4.4
Склад металошихти, %
| Варіант | Чавун | Скрап |
Таблиця 4.5
Неметалева частина шихти, (Е, %)
| Матеріа- ли | Залізна руда | Вапняк | Доломіт | Магнезито- хроміт склепіння | Магнезит поду | Пісок скрапу |
| SiO2 | 0,9 | 2,8 | 2,75 | |||
| Al2O3 | 11,3 | 0,57 | 2,95 | 0,85 | ||
| CaO | 0,6 | 52,6 | 5,3 | 5,6 | ||
| MgO | 0,15 | 1,6 | 35,4 | 89,4 | ||
| P2O5 | 0,05 | 0,94 | ||||
| Fe2O3 | 82,5 | 0,39 | 12,4 | 1,4 | ||
| CO2 | 3,1 | 3,25 | 0,3 | |||
| H2O | 0,4 | 0,5 | ||||
| Cr2O3 |
3. ПРИКЛАД РОЗРАХУНКУ
Провести розрахунок шихти мартенівської плавки сталі 20кп складом
| ДСТУ | Марка сталі | C | Si | Mn | P | S |
| 1050-94 | 20КП | 0,17-0,24 | 0,07 | 0,25-0,5 | 0,035 | 0,04 |
Хімічний склад чавуну та лому згідно завдання вносимо до табл. 5.1.
Таблиця 5.1
Металева частина шихти, %
| Матеріали | C | Si | Mn | P | S | |
| Чавун | 4,1 | 0,75 | 0,56 | 0,2 | 0,025 | |
| Скрап | 0,205 | 0,035 | 0,375 | 0,05 | 0,05 |
Розрахунок шихти ведемо на 100 кг металошихти:
1. Чавун рідкий 
| % або | кг | |||
2. Скрап 
| % або | кг |
кг;
кг.
Визначаємо середній склад металевої шихти, %.
Масу хімічного елементу в металошихті визначаємо за формулою, кг
М[Е] = Мч × [%Е]ч × 10-2 + Мс × [%Е]с × 10-2,
де [%Е]ч, [%Е]с – вміст відповідного хімічного елементу в чавуні і стальному скрапі, %.
Таблиця 5.2
| Мате- ріали | C | Si | Mn | P | S | Fe | ||||||||
| Чавун | 4,1·59/100= =2,419 | 0,75·59/100= =0,4425 | 0,3304 | 0,118 | 0,01475 | 59-2,41-0,4425- -0,3304-0,118- -0,0147=55,6754 | ||||||||
| Скрап | 0,205·41/100= =0,08405 | 0,01435 | 0,15375 | 0,0205 | 0,0205 | 41-0,08405- -0,01435- -0,1537-0,0205- -0,0205=40,7069 | ||||||||
| Середній склад | 2,50305 | 0,45685 | 0,48415 | 0,1385 | 0,03525 | 96,3822 | ||||||||
Приймаємо склад металевої ванни, %
Таблиця 5.3
| Матеріали | C | Si | Mn | P | S |
| Металева ванна | 0,16 | 0,065 | 0,021 | 0,016 |
Визначаємо кількість елементів, що вигоряють із 100 кг металевої шихти за весь період плавки ( 
),%
Таблиця 5.4
| Матеріали | C | Si | Mn | P | Разом |
| Склад шихти | 2,50305 | 0,45685 | 0,48415 | 0,1385 | 3,58255 |
| Склад ванни перед розкисленням | 0,16 | 0,065 | 0,021 | 0,246 | |
| Кількість елементів, що вигоряють | 2,34305 | 0,45685 | 0,41915 | 0,1175 | 3,3366 |
Визначаємо витрати кисню ( 
)для окислення елементів шихти. При окисленні:
| C CO |  2,34305·16/12=3,124
|
| Si SiO2 |  0,45685·32/28 =0,522
|
| Mn MnO |  0,41915·16/55 =0,122
|
| P P2O5 |  0,1175·80/62 =0,152
|
| Разом |  3,920 кг О2
|
Визначення витрат залізної руди на окислення елементів із 100 кг металевої шихти
Кількість кисню, що виділяє 1 кг залізної руди при умовах відновлення оксидів заліза ( 
)
| Fe2O3 Fe (75%) |  82,5/100*0,75*48/160=0,1856
|
| Fe2O3 FeO(25%) |  82,5/100*0,25*16/160=0,0206
|
| Разом |  0,2063 кг О2
|
У зв'язку з тим, що дуття, яке подається у піч для спалювання палива, збагачується до 28 % технічним киснем, окислювальну здібність полум'я приймаємо до 45 %, тоді залізна руда повинна забезпечити 55 % потреби кисню для окислення елементів шихти.
Визначаємо потребу залізної руди:
(3,920·0,55)/0,2063=10,453 кг руди
Визначаємо кількість оксидів, що вносяться у шлак:
Із металевої шихти:
| SiO2 від окислення | Si=0,45685·60/28=0,979кг |
| MnO від окислення | Mn=0,41915·71/55=0,541кг |
| P2O5 від окислення | P=0,1175·142/62=0,269кг |
Крім оксидів із металевої шихти у шлак війдуть:
елементи руйнування подини 1,5-2,5 % доломіту, приймаємо 
2 %;
елементи руйнування склепіння 0,07 % магнезито-хроміту, приймаємо 0,07%;
пісок від забруднення скрапу – 1 % від ваги скрапу.
В шлак вносяться матеріалами, %
Таблиця 5.5
| Матеріа- ли | Металева шихта | Залізна руда | Доломіт | Магнезито- хроміт склепіння | Пісок скрапу | Разом |
| Витрата | 10,453 | 0,07 |  =
=0,41
| - | ||
| SiO2 | 0,979 | 10,453·5/100= =0,523 | 2·2,8/100= =0,056 | 0,07·5/100= =0,0035 | 0,41 | 1,979+ +0,523+ +0,056+ +0,0035+ +0,41= =1,971 |
| P2O5 | 0,269 | 0,00523 | - | - | - | 0,274 |
| Al2O3 | - | 1,1811 | 0,059 | 0,0007 | - | 1,241 |
| Fe2O3 | - | - | 0,06 | 0,0087 | - | 0,069 |
| CaO | - | 0,0627 | 1,052 | 0,0037 | - | 1,118 |
| MgO | - | 0,0157 | 0,708 | 0,0448 | - | 0,768 |
| FeO | - | 1,940 | - | - | - | 1,940 |
| MnO | 0,541 | - | - | - | - | 0,541 |
| Cr2O3 | - | - | - | 0,0084 | - | 0,0084 |
| Разом | 1,789 | 3,728 | 1,935 | 0,0698 | 0,41 | 7,932 |
Примітка: Кількість внесених оксидів визначається:
FeO визначається із розрахунку, що 25 % Fe2O3 руди відновлюється до FeO
Fe2O3 =10,453·82,5/100=8,623 кг
Fe2O3=>FeO=8,623·0,25=2,156 кг
FeO=2,156·144/160=1,940 кг
Визначення кількості вапняку
Потреба СаО на офлюсовування:
P2O5(CaO)4·P2O5=0,274·56/142·4=0,433
SiO2(CaO)2 ·SiO2=1,971·56/60·2=3,679
СаО =4,112 кг
Кількість СаО, що необхідно внести вапняком:
4,112-1,118=2,994 кг СаО
Флюсуюча здатність вапняка: 
= 92/100-0,09/100=0,92- 0,009·112/60=0,903 кг
Необхідна кількість вапняку без витрат на десульфурацію:
2,994/0,903=3,315 кг
Визначаємо кількість вапняка на десульфурацію. Кількість сірки переходить у шлак за плавку:
=0,03525-0,016=0,01925 кг
Потреба СаО на десульфурацію:
S CaS =0,01925·40/32=0,02406 кг СаО
Потреба вапняка на десульфурацію:
0,02406/0,903=0,027 кг
Загальна потреба вапняка:
3,315+0,027=3,341 кг
Таблиця 5.6
Кількість і склад шлаку
| Матеріали | Шихта, крім вап. | Вапняк | Склад шлаку | % складшлаку |
| SiO2 | 1,971 | 3,341·0,9/100=0,030 | 2,001 | 18,02 |
| P2O5 | 0,274 | 3,341·0,94/100=0,031 | 0,306 | 2,75 |
| Al2O3 | 1,241 | 3,341·0,57/100=0,019 | 1,260 | 11,34 |
| Fe2O3 | 0,069 | 3,341·0,39/100=0,004 | 0,073 | 0,65 |
| CaO | 1,118 | 3,341·92/100=3,074 | 4,192 | 37,75 |
| MgO | 0,768 | 3,341·0,9/100=0,016 | 0,784 | 7,06 |
| FeO | 1,940 | - | 1,940 | 17,47 |
| MnO | 0,541 | - | 0,541 | 4,87 |
| Cr2O3 | 0,0084 | - | 0,0084 | 0,08 |
| Разом | 7,932 | 3,174 | 11,106 |
Основність шлаку СаО/SiO2=37,75/18,02=2,09
Визначення виходу рідкого металу
Заліза відновленого із 10,453 кг залізної руди:
10,453·82,5/100·0,75·112/160=4,527 кг
Втрати металу, що залишається у шлаці у виді корольків, складають 5-6 % від ваги шлаку. Приймаємо – 5 %. Втрати дорівнюють:
11,106·5/100=0,555 кг
Вихід рідкого металу, з урахуванням пригару заліза, пригару елементів шихти та втрат заліза зі шлаком:
100+4,527-(3,3366+0,01925+0,555)=100,616 кг
Визначення витрати розкислювачів
Для розкислення сталі застосовують розкислювачі FeMn (78 % Mn).
Розкислення сталі 20КП ведемо FeMn у печі
Визначаємо потребу FeMn. Приймаємо вигорання Mn = 40 % у печі у залежності від вмісту вуглецю у металі ( 30-40 %).
| Вміст Mn перед розкисленням - | 0,065 | % |
| Вміст Mn у готової сталі - | (0,25+0,5)/2=0,375 | % |
| Необхідно внести Mn у сталь - | 0,375-0,065=0,31 | % |
Тоді витрати FeMn дорівнюють:
MFeMn=(0,31·100) /[(78/100·(100-40)]=0,662 кг
1. Заліза: MFeMn (100- 
0,662 (100-
-1,5-1-78-0,5-0,03)/100=0,1266 кг Fe.
2. Вуглецю, який 30% "C" FeMn вигоряє при розкисленні, і у метал перейде 70% вуглецю:
MFeMn 
·70/100=0,662·0,015·0,7=0,007.
3. Відновиться заліза при розкисленні марганцю:
MFeMn 
·40/100·56/55=0,662·0,78·0,4·56/55=0,210 кг Fe
Склад сталі після розкислення феромарганцем та феросіліцієм, кг
Таблиця 5.7
Вноситься в метал розкислювачами, %
| Джерела | C | Mn | Si | P | S | Fe | Разом |
| Сталь п/р | 0,16 | 0,065 | 0,021 | 0,016 | 100-0,16- -0,065- -0,021- -0,016= =99,738 | ||
| Внесено FeMn | 0,007 | 0,31 | - | - | - | 0,1266+0,210= =0,337 | 0,654 |
| Разом | 0,167 | 0,3750 | 0,021 | 0,016 | 100,075 | 100,654 |
Визначаємо вихід рідкої сталі після розкислення: Мст=100,616+0,654=101,270 кг
Складання загального матеріального балансу
Складовими частинами матеріального балансу є дані, отримані при розрахунку шихти та додатково визначаємо:
1. Кількість кисню пічної атмосфери на окислення елементів шихти:
3,920·0,45=1,764 кг
На окислення Mn із FeMn =MFeM · 
·40/100·16/55=
=0,662·0,78·0,4·16/55=0,060 кг;
На окислення С із FeMn MFeM · ·0.3·16/12=
0,662·0,015·0,3 16/12=0,004 кг;
На окислення Si ізFeMn MFeM · 
·32/28=
0,662·0,01·32/28=0,008 кг.
Усього кисню пічної атмосфери:
1,764+0,060+0,004+0,008=1,836 кг.
2. Кількість оксидів, що переходять у шлак із FeMn:
MnO = MFeM ·40/100·71/55=0,662·0,78·0,4·71/55 =0,267 кг;
SiO2 = MFeM ·60/28=0,662·0,01·60/28=0,014 кг.
3. Кількість газу СО:
від вуглецю шихти 
=2,34305·28/12=5,467 кг;
від вуглецю FeMn MFeM ·0.03·28/12=
=0,662·0,015·0,03·28/12=0,007 кг.
4. Кількість Н2О руди та вапняка:
=10,453·0,004+3,341·0,005=0,059 кг.
5. Кількість СО2 вапняка та доломіту:
3,341·0,031+2·0,0325=0,169 кг
Таблиця 5.8
Матеріальний баланс плавки
| ДАНО | кг | ОТРИМАНО | кг |
| 1. Чавун | 1. Рідка сталь | 101,270 | |
| 2. Скрап | 2. Шлак | 11,120 | |
| 3. Залізна руда | 10,453 | 3. Королькі у шлаці | 0,555 |
| 4. Вапняк | 3,341 | 4. СО від горіння вуглецю | 5,474 |
| 5. Доломіт | 5.СО2 вапняка та доломіту | 0,169 | |
| 6. Магнезито-хроміт склепіння | 0,07 | 6.Н2О руди та вапняка | 0,059 |
| 7. Пісок у скрапу | 0,41 | Разом | 118,647 |
| 8. Феромарганець | 0,662 | ||
| 9. Кисень пічної атмосфери | 1,836 | ||
| Разом | 118,772 |
Нев'язка = 100(118,772-118,647)/118,772=0,105 %
Практична робота № 4