Методичні вказівки. До виконання курсового проекту

до виконання курсового проекту

з дисципліни

«ОСНОВИ ТЕОРІЇ ПЛАВКИ»

для студентів денної та заочної форм навчання спеціальності

6.090403 «Ливарне виробництво чорних та кольорових металів»

Затверджено

на засіданні кафедри МЧМ ЛВ

Протокол № ____від __ ______ 2006р.

Кривий Ріг 2006 г.

Методичні вказівки до виконання курсового проекту з дисципліни «Основи теорії плавки» для студентів денної та заочної форм навчання спеціальності 6.090403 «Ливарне виробництво чорних та кольорових металів» / В.В.Ткач, Т.В.Орел. – Кривий Ріг: КТУ, 2006. – 72 с.

Укладачі: кандидат технічних наук, доцент В.В.Ткач,

кандидат технічних наук, доцент Т.В.Орел

Відповідальний за випуск: доцент кафедри МЧМ ЛВ, к.т.н. В.Ф.Авдєєв

Рецензент: старший викладач В.А.Овєчєгко

Затверджено на засіданні кафедри МЧМ ЛВ

(протокол №____від________2006 р.)

У методичних вказівках викладені рекомендації щодо виконання курсового проекту з дисципліни «Основи теорії плавки»: технології плавки ливарної сталі в основної дугової печі, розрахунку шихти заданого сплаву, розрахунків основних проектних параметрів дугової печі. Наведені вимоги до оформлення графічної частини проекту і розрахунково-пояснювальної записки.

Методичні вказівки призначені для студентів спеціальності «Ливарне виробництво чорних і кольорових металів»

ЗМІСТ

Стор.

ВСТУП 5

1. СКЛАД ПОЯСНЮВАЛЬНОЇ ЗАПИСКИ 6

2. Технологія плавки сталі в дугових печах 7

2.1. Коротка характеристика ливарної вуглецевої сталі 7

2.2. Плавка сталі в дугових печах 7

3. Основні положення технології плавки в дуговій печі

з основною футеровкою 8

4. Выбор шихтовых материалов 14

5. Розрахунок плавки сталі в дуговій печі 17

5.1.Визначення середнього складу шихти 17

5.2. Розрахунок складу шихти для розплавлювання 18

5.3. Період плавлення шихти 19

5.3.1. Окислювання домішок і визначення складу металу

по розплавлюванні 19

5.3.2. Визначення потреби в газоподібному кисні 20

5.3.3. Утворення й склад шлаків періоду розплавлювання 21

5.4. Окисний період плавки 24

5.4.1. Окислювання елементів шихти 24

5.4.2. Потреба в газоподібному кисні 24

5.4.3. Розрахунок кількості шлаків 25

5.4.4. Потреба в шамотному бої 26

5.4.5. Надходження в шлаки заліза 27

5.5. Кількість газів І періоду (плавлення й окислювання) 28

5.6. Матеріальний баланс 1-го періоду (плавлення й окислювання) 29

5.7. Відбудовний період плавки 30

5.7.1. Визначення кількості шлаків 30

5.7.2. Розкислення стали 30

5.8. Матеріальний баланс 2-го періоду 33

5.9. Матеріальний баланс плавки 34

6 Визначення геометричних параметрів, вибір футерівки,

розрахунок енергетичних параметрів дугової

сталеплавильної печі 35

6.1. Призначення та характеристика дугових сталеплавильних печей 35

6.2. Визначення основних геометричних параметрів робочого

простору дугової печі 35

6.2.1. Структура робочого простору 36

6.2.2. Форма, розміри і об'єм ванни 36

6.2.3. Форма і розміри плавильного простору 39

6.2.4. Діаметр розпаду електродів 42

6.3. Футерівка дугової печі та основні габаритні параметри печ 43

6.3.1. Футерівка подини та укосів 43

6.3.2. Футерівка стін 45

6.3.3. Склепіння 47

6.4. Порівняння конструктивно-розрахункових параметрів проектованої

печі з даними промислових агрегатів 50

6.5. Розрахунок енергетичних параметрів дугової сталеплавильної печі 52

6.5.1. Розрахунок теплових втрат 53

6.5.2. Розрахунок потужності пічного трансформатора 53

6.5.3. Визначення ступенів вторинної напруги, номінального струму і

діаметру електродів 57

6.5.4. Порівняння вибраних енергетичних параметрів з параметрами

діючих печей 60

7 Правила оформлення пояснювальної записки 62

Литература 65

ДОДАТКИ 66

ВСТУП

Курсовий проект з основ теорії плавки виконується студентами з метою закріплення теоретичного матеріалу по вивченню основних положень розробки технології плавки ливаргної ствлі, розрахунків шихтових матеріалів, основних геометричних розмірів дугових печей.

Об'єктом курсового проектування є: дугова сталеплавильна піч і технологія виплавки сталі заданої марки.

Завдання на курсовий проект наведені у додатку А. У завданні зазначаються марка сталі, продуктивність печі, тривалість плавки і завантаження шихти, відсоток вороття власного виробництва в шихті і, за необхідності, інші умови щодо виконання проекту, терміни його виконання і захисту, обсяг графічної частини.

Методичні вказівки побудовані таким чином, щоб надати студенту змогу відчути себе справжнім проектантом, який не повинен дослівно переписувати поданий у вказівках матеріал. Для цього студенту насамперед необхідно уважно прочитати певний розділ вказівок, а вже потім, користуючись поданим матеріалом, виконати належні розрахунки, запропонувати свої проектні рішення з відповідними поясненнями у тексті. В такому випадку при наявності всіх проектних частин об¢єм роботи практично не лімітується ні в сторону збільшення представленого матеріалу, ні в сторону його зменшення. Викладач в цьому разі має змогу оцінити не тільки здібності студента як виконувача простих арифметичних розрахунків, але і як творчої особистості.

Курсова робота включає три частини:

-розрахунок матеріального балансу вуглецевої ливарної сталі відповідно до варіанта індивідуального завдання;

-розрахунок основних геометричних і енергетичних параметрів дугової печі;

-опис технології плавки стали в дуговій електропечі.

1 СКЛАД ПОЯСНЮВАЛЬНОЇ ЗАПИСКИ

У пояснювальну записку повинні входити такі розділи:

1) завдання;

2) реферат;

3) зміст;

4) вступ;

5) розрахунок шихти для отримання заданої марки сталі, розрахунок головних проектних параметрів дугової печі (робочого простору, футерівки, потужності трансформатору);

6) висновки;

7) перелік посилань.

Завдання видається керівником курсового проекту і розміщується в записці після титульного аркуша. Номер завдання – згідно зі списком студентів або видається керівником.

Реферат відбиває основний зміст курсового проекту. Реферат будується відповідно до СТУ 1-02 за такою схемою: наводяться відомості про обсяг курсового проекту, кількість ілюстрацій, таблиць, джерел; стисло розкривається зміст курсового проекту; наводяться ключові слова (великими літерами).

У змісті наводяться розділи пояснювальної записки і номера сторінок. Він повинен включати всі заголовки, позначені в тексті рубрикаційними індексами і міститися на початку записки, за рефератом.

Висновки пишуться у вигляді окремих пунктів. Наводяться відомості про результати розрахунків, виконаних у пояснювальній записці.

Вихідні данні для виконання курсового проекту наведеня у додатках Г і Д

2 Технологія плавка сталі в дугових печах

2.1.Коротка характеристика ливарної вуглецевої сталі

Сталлю називають сплав на основі заліза зі змістом вуглецю до 2,14%. Найважливішою класифікаційною ознакою сталей є їхній хімічний склад. По хімічному складі сталі підрозділяють на вуглецеві (низьковуглецеві з 0,09-0,20 % С, середньовуглецеві з 0,20-0,45% С, високо вуглецеві - більше 0,5% С) і леговані (сума легуючих елементів у низьколеговаих сталей до 2,5 %; у середньолегованих 2,5-10,0 %; у високолегорованих більше 10,0 %). При визначенні ступеня легування зміст вуглецю в увагу не приймають, марганець і кремній уважаються легуючими елементами при їхньому змісті більше 1% й 0,8% відповідно. При позначенні марок сталі використають наступні позначення хімічних елементів:

Г—Мn М—Мо Д—Си Р—В

С—Si В—W Ю—А1 П—Р

Н—Ni Ф—V Б— Nb А—N

X—Сг Т—Ti К—Со Ц—Zr

Перші цифри в марці стали вказують зміст вуглецю в сотих частках відсотка. Цифра після букви вказує середнє, округлене до 1% зміст легуючого елемента, при цьому одиниця опускається. В окремих випадках може бути зазначене більш точно зміст легуючого елемента. Наприклад, сталь 32Х06Л — містить у середньому 0,32% С и 0,6% Сг. Остання буква Л указує, що сталь ливарна.

Структура сталі менш стійка класифікаційна ознака, тому що залежить від товщини стінки виливка, ступеня легування, режиму термообробки й інших факторів, що змінюються, але структура готового виробу дозволяє об'єктивно оцінювати його якість. Хімічний склад, механічні властивості вуглецевої сталі для виливків (табл.1, 2), а також методи її випробувань регламентуються ДСТ 977-75.

2.2. Плавка сталі в дугових печах

Основну масу сталі в ливарному виробництві виплавляють у дугових печах. У сталеливарних цехах найчастіше застосовують печі ДС-5МТ, ДСП-6, рідше ДСП-3 і ДСП-12; для великих виливків використають печі ДСП-25, ДСП-50. Всі дугові печі є агрегатами періодичної дії. У ливарних цехах крупносерійного конвеєрного виробництва встановлюють велика кількість печей з відносно невеликою масою садки. При цьому три-чотири печі забезпечують металом один конвеєр.

По способі завантаження дугові печі бувають двох типів: - з викатною ванною й з поворотним зводом. Ванну печі звільняють від зводу й зверху за допомогою спеціальної бадді в неї завантажують шихту. Шихта містить 55-65% сталевого лома, 37-40 % повернення, 2-3 % передільного чавуну.

Таблиця 1

Зміст основних елементів і механічні властивості

вуглецевих сталей (ДСТ 977-75)

Марка сталі	Масова частка элемента, %	Границя текучості, σ0,2	Тимчасовий опір σв	Відносне подовження δ	Відносне е звуження ψ	Ударна в'язкість, кДж/м2
C	Mn	МПа	%
15Л	0,12-0,20	0.30-0,90
20Л	0,17-0,25	0,35-0,90
25Л	0,22-0,30	0,35-0,90
30Л	0,27-0,35	0,40-0,90
35Л	0,32-0,40	0,40-0,90
40Л	0,37-0,45	0,40-0,90
45Л	0,42-0,50	0,40-0,90
50Л	0,47-0,50	0,40-0,90
55Л	0,52-0,60	0,40-0,90

Примітки: 1. Масова частка Si 0,2—0,52%. 2. Механічні властивості зазначені після нормалізації або після нормалізації з відпусткою.

Таблиця 2

Залежність змісту сірки й фосфору в вуглецевих

сталях від групи якості виливків

Група якості	Масова частка елементів,%
S	P
I (загального призначення)	0,05/0,06	0,05/0,06
II (відповідального призначення)	0,045/0,06	0,04/0,06
III (особливо відповідального призначення)	0,045/0,05	0,04/0,05

Примітка. У чисельнику наведені дані, отримані при основному процесі плавки, у знаменнику - при кислому.

Рекомендації із застосування вуглецевих сталей наведені в табл.3

Розрізняють основний і кислий процеси. Основний процес дозволяє видаляти з металу сірку й фосфор і робити дифузійне розкислення під так називаними білими шлаками, тобто добре розкисленими шлаками, що не містить окислів заліза.

У дугових печах з основний футеровкой одержують близько 35 % всієї сталі, виплавлюваної в електропечах для фасонного лиття, з них: 20 % доводиться на частку високо марганецвмісних сталей; 5 % - на частку високохромистих і хромонікелевих сталей; інші 10 % - на відповідальні марки вуглецевих і низьколегованих сталей.

Плавку сталі при основному процесі ведуть або з окислюванням домішок, або методом переплаву, тобто без окислювання.

Плавка стали з окислюванням домішок. Шихту становлять таким чином, що б після розплавлювання зміст вуглецю було на 0,2-0,3 % вище верхньої межі для даної марки стали. У завалку дають 3 % вапна й 2 % залізної руди, які відразу ж після розплавлювання утворять дефосфорирующий шлаки, тому що реакції (11.17)-(11.19) вимагають наявностіFeO у шлаку й протікають при порівняно низьких температурах. Зміст фосфору в шлаку значно збільшується: уже після розплавлювання воно становить у перерахуванні на Р₂О₆ 1,5 %. Ці шлаки видаляють й у піч знову дають вапно й руду. Починається окислювання по реакціях (2.1)—(2.3).

, (2.1)

, (2.2)

, (2.3)

Пухирці спінюють шлаки, що бажано безупинно видаляти через поріг робочого вікна. У початковий період окислювання триває дефосфорація, тому шлаки окисного періоду знову скачують. Скачуваваємі шлаки окисного періоду звичайно містить 40-50% СаО, 10-25% SiO₂, 12-15% FeO, 4-10% MgO, 5-10% MnO, 2-4% A1₂O₃, 0,5-2% P₂O₅. Для інтенсифікації окислювання іноді роблять продувку рідкого металу киснем під тиском біля 1МПа. Кисень уводять через трубу діаметром 15-25 мм, що зовні захищена шамотними трубками, надягнутими на сталеві. Швидкість вигоряння вуглецю збільшується від 0,3-0,6 %/година при рудному процесі до 1,5 %/година при продувці киснем.

Відбудовний період включає десульфурацию, доведення температури й складу сталі до заданих значень і розкислення. Для десульфурациї в піч знову вводять вапно, і протікають реакції (2.4), (2.5)

, (2.4)

, (2.5)

Шлакоутворююча суміш, крім вапна, містить плавиковий шпат і пісок (або бій шамоту). Загальна кількість суміші 3-5% від маси металу.

Таблиця 3

Характеристика й область застосування вуглицевих сталей

15Л	Корозійна стійкість низька, рідкоплинність задовільна, не схильна до утворення тріщин, добре зварюється, але після зварювання потрібно отжиг	Для нескладних виливків і зварювально-литих конструкцій
20Л	Те ж	Для нескладних масивних виливків (кришки, патрубки, фланці), що працюють при температурі -40÷+450 0С під тиском
25Л	Те ж	Для станин прокатних станів, шківів, деталей турбін, корпусів підшипників
30Л	Те ж	Для станин прокатних станів, корпусів й обойм турбомашин, баланстров, важелів, корпусів черв'ячних редукторів, муфт
35Л	Корозійна стійкість низька, рідкоплинність задовільна, не схильна до утворення холодних і гарячих тріщин, хорощо зварюється	Для шестірень, шайб, коліс й інших деталей, що працюють при вібраційному й ударному навантаженнях
40Л	Те ж	Для відповідальних деталей, до яких висувають підвищені вимоги по міцності й зносостійкості (зубчасті вінці й колеса, гальмові диски, катки)
50Л	Корозійна стійкість низька, рідкоплинність задовільна	Те ж
	Те ж	Для муфт прокатних станів, барабанів, зубчастих вінців

Після розплавлювання шлаків його раскисляют меленим феросіліцієм у суміші з коксом. Кількість смеси 10 кг/т у пропорції 1:1. Після розкислення шлаки стає білим, називаним так тому, що після остигання на повітрі він розсипається в білий порошок.

У складі шлаків (табл.4) значно знижується зміст окислів заліза, тому що вони відновлюються вуглецем і кремнієм:

, (2.6)

, (2.7)

Рівновага реакції порушується, закис заліза переходить із металу в шлаки, розкислення якого періодично повторюється.

Відновлюються також й окисли марганцю

, (2.8)

, (2.9)

Таблиця 4

Хімічний склад білого й карбідного шлаків,%

Шлак	CaO	SiO2	FeO	MnO	MgO	Al2O3	CaF2	CaS	CaC2
Білий	60-65	14-16	До 1,5	До 0,6	10-12	2,5-4,0	5-10	До 1,5	-
Карбідний	65-66	7-8	До 0,5	До 0,1	13-14	2,0-3,0	8-12	2-3	2-5

Під час відбудовного періоду сталь доводять до заданого хімічного складу. Тривалість відбудовного періоду 30-60 хв. По його закінченні сталь випускають із печі й раскисляют алюмінієм. Випуск металу можна здійснювати разом зі шлаками. При цьому за рахунок перемішування металу й шлаків протікає додаткова десульфурация. За даними роботи, у такий спосіб можна знизити зміст сірки на 50 %.

Однієї з різновидів білих шлаків є карбідний (табл.4), що утвориться при деякому надлишку коксу. Для створення цих шлаків після скачивания окисних шлаків наводять вапняні шлаки (80 % СаО и 20% CaF₂) у кількості 3—4 % від маси металу, потім дають на шлаки мелений кокс у кількості 0,6—0,8 % від маси металу. Його рівномірно розсипають по всій поверхні, пекти герметизируют і включають дугові розряди, у зоні дії яких при високій температурі протікає реакція утворення карбіду кальцію

, (2.10)

Розкислення йде вже двома шляхами, тобто під білими шлаками по реакціях (2.6), (2.9) і за рахунок карбіду кальцію:

, (2.11)

, (2.12)

Видалення сірки досягається в результаті протікання реакцій:

, (2.13)

, (2.14)

Плавка під карбідними шлаками виробляється рідко й, в основному, для одержання высокоуглеродистой і легованої інструментальної сталі.

3 Основні положення технології плавки в дуговій печі з основний футеровкой

Технологія плавки в електродуговій печі визначається складом виплавлюваної сталі, пред'явленими до неї вимогами і якістю шихти. Залежно від цих факторів технологія плавки навіть в одній печі може бути різної, що й ураховується при виплавці конкретної марки сталі. Однак існує ряд загальних положень, які повинні дотримуватися при одержанні будь-якої марки стали.

1. Для раннього утворення шлаків, що охороняє метав від окислювання, і для десульфурації металу в процесі плавлення застосовується свіжеобпалене вапно (2-3 % від ваги металу), а для дефосфорації - залізна руда (1-1,5 % від ваги металу). Для підвищення рідкоплинністі шлаків застосовують присадки шамотного бою (до 1% від ваги металу). З метою інтенсифікації процесу плавлення виробляється короткочасна продувка ванни киснем.

2. Вміст вуглецю в металі по розплавлюванні повинне бути на 0,3-0,6% вище нижньої його межі в заданій марці стали.

3. Під час окисного періоду плавки відбувається максимальне зниження змісту фосфору в металі, окислювання вуглецю, марганцю й інших домішок, видалення газів, що втримуються в металі. Значна частина фосфору окисляється вже в період плавлення й переходить у шлаки. Для подальшого видалення фосфору з металу необхідно видалити з печі частина шлаків (60-80 %) і ввести додаткову кількість шлакообразующих, що понизить вміст Р₂О₅ у шлаку й буде сприяти видаленню фосфору з металу. Загальна кількість шлакоутворюючих, що вводять у ванну, становить 1,5-2 % від кількості металу.

4. Завданнями відбудовного періоду є видалення кисню й сірки, що втримуються в металі, і остаточне коректування хімічного складу й температури металу. Починається відбудовний період з видалення 70-90 % окисних шлаків. Після видалення шлаків сідає шлакова суміш, що складається з вапна, плавикового шпату й шамотного бою. Потім вводять розкислювателі й легуючі елементи для одержання стали заданого хімічного складу. Кінцеве розкислення металу виробляється в ковші алюмінієм.

5. У процесі плавки відбувається взаємодія рідкого металу й шлаків з футеровкой печі. Загальна витрата вогнетривів на 100 кг шихти становить 1,5-1,9 кг і розподіляється по періодах плавки наступної, образом:

- у період плавлення - 0,6-0,8 кг, у тому числі

зі зводу - 0,1-0,2 кг;

з подини й стін - 0,5-0,7 кг;

- в окисний період - 0,5-0,6 кг,, у тому числі
зі зводу - 0,06-0,08 кг;

з подини й стін - 0,40-0.52 кг;

- у відбудовний період - 0,4-0,5 кг,, у тому числі
зі зводу - 0,02-0,04 кг;

з подини й стін - 0,40-0,45 кг.

4 ВИБІР ШИХТОВИХ МАТЕРІАЛІВ

Основними матеріалами, застосовуваними як шихта при электроплавке сталі, є сталевий лом, відходи металургійного й машинобудівного виробництва, феросплави, що легують елементами.

Крім перерахованих, у процесі электроплавки використаються окислювачі, добавки, що збільшують вміст вуглецю й шлакоутворюючі матеріали.

Основу шихти для электроплавки сталі становить металевий лом: на одну тонну виплавлюваної в електропечах сталі в середньому витрачається близько 950 кг лома. Вміст фосфору бажано мати в ломі не вище 0,05 %.

Для утворення основних шлаків використають шлакоутворюючі: вапно, вапняк, боксит, плавиковий шпат, шамотний бій і пісок. Найбільш важливої складової шлакових сумішей є вапно. Плавиковий шпат, пісок і шамотний бій застосовують для розрідження високоосновних шлаків. Боксит містить до 20 % окислів заліза, до1 0% кремнезему й до 15 % вологи, тому його застосовують тільки після ретельного прожарювання.

Для інтенсифікації окисних процесів у метал уводять кисень. Джерелами кисню служать залізна руда, окалина й агломерат. Широке поширення одержала продувка металу газоподібним киснем.

Для розкислення стали і її легування найбільше поширення одержали алюміній, нікель, феросплави – феросиліцій, феромарганець, феротитан, а також комплексні сплави – силікомарганец, силікоалюміній, силікокальцій й ін. Останнім часом знайшли застосування лігатури рідкоземельних елементів.

До числа матеріалів, що збільшують вміст вуглецю в металі належать матеріали, що містять велику кількість вуглецю. До таких матеріалів відносяться: кокс й електродний бій, рідше - деревне вугілля, сажа.

Хімічний склад шихтових і шлакоутворюючих матеріалів проведений у таблицях 5 - 9. Підібрана шихта повинна забезпечувати виплавку сталі із заданими механічними властивостями й складом.

Таблиця 5

Склад шихтових матеріалів

Найменування матеріалу	Склад, %
C	Si	Mn	P	S	Fe
Великовагова шихта	0,30	0,30	0,40	0,030	0,030	ост.
Середньо- і легковага шихта	0,25	0,30	0,40	0,035	0,035	ост.
Чавун	4,00	1,20	2,00	0,025	0,015	ост.

Таблиця 6

Склад окислювачів

Найменування матеріалу	Хімічний склад, %
CaO	MgO	SiO2	Al2O3	Fe2O3	P2O5	H2O
Залізна руда	0,1	0,3	6,25	2,5	90,0	0,15	0,7
Окалина	0,8	0,6	5,9	3,15	87,6	0,06	-

Таблиця 7

Склад шлакоутворюючих матеріалів

№	Найменування матеріалу	Хімічний склад, %
CaO	MgO	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaF2	P2O5	CO2
	Вапно	92,0- 92,2	3,3 1,2	2,5- 4,1	1,0- 1,5	0,6- 0,6	- -	0,10 -	0,2 0,2
	Пісок	-	-	97,0	1,0	2,0	-	-	-
	Плавиковий шпат	0,4-0,5	- -	3,1- 5,0	0,2- 0,5	0,8- 0,9	95,0- 92,0	- 0,1	0,3 0,6
	Магнезито-хроміт	2,0	66,0	6,5	4,0	11,5	-	-	-
	Магнезит	3,5	90,25	3,45	0,8	2,0	-	-	-
	Шамот	0,8	0,2	61,0	36,0	2,0	-	-	-

Таблиця 9

Хімічний склад матеріалів, що збільшують вміст вуглецю в металі

Найменування матеріалу	Хімічний склад, %
C	H+О	N2	Зола	Влага
Електродний бій	99,0	-	-	1,0	-
Кокс	82-88	1-3	1,4	9-12,5

5 розрахунок плавки сталі в дуговій печі

Методика розрахунку шихти розглянута на прикладі одержання сталі марки 20Л (ДСТ 977-75) наступного складу, %:

Вуглець	- 0,17-0,25;	Сірка, не більше	- 0,050;
Кремній	- 0,20-0,42;	Фосфор, не більше	-0,050;
Марганець	- 0,30-0,75.

5.1. Визначення середнього складу шихти

Розрахунок ведемо на 100 кг шихти.

Для одержання сталі даної марки вибираємо необхідні шихтові матеріали й розкислювателі відповідно до варіанта завдання (додаток 1-12) і дані заносимо в табл. 10 й 11.

Таблиця 10

Хімічний склад шихтових матеріалів, раскислителей, %

Найменування матеріалів	C	Si	Mn	Al	P	S	Зола	Fe
Вуглецевий лом	0,20	0,30	0,45	-	0,040	0,040	-	99,042
Електродний бій	99,0	-	-	-	-	-	1,0	-
Феромарганец	6,0	2,0	72,0	-	0,020	0,030	-	19,95
Феросиліцій	1,0	46,0	1,0	-	0,08	-	-	51,92
Алюміній	-	-	-	98,0	-	-	-	2,0

Таблиця 11

Склад шлакоутворюючих матеріалів, %

5.2. Розрахунок складу шихти для розплавлювання

Шихта складається з лома вуглецевого й електродного бою (коксу). Розрахунок виробляється при умові, щоб зміст вуглецю в шихті склало на 0,3-0,6 % вище нижньої межі виплавлюваної сталі. Із цієї кількості вуглецю випалюється в окисному періоді плавки не менш 0,3 %. Засвоєння вуглецю з електродного бою або коксу становить 75 %. Таким чином, приймаємо зміст вуглецю по розплавлюванню 0,5 % і вигар вуглецю в період плавлення – 20 %. Тоді середній зміст вуглецю в шихті визначимо по формулі:

,

де: Э_ш – вміст елемента в шихті, %; Э_ш.м. – вміст елемента в рідкому металі по розплавлюванні, %; У – вигар елемента, %.

Визначаємо кількість електродного бою з урахуванням його засвоєння в процесі розплавлювання

де: - вміст вуглецю в електродному бої, ломі й шихті, %; - зміст електродного бою й металевого лома в металлошихте при розплавлюванні, %; - коефіцієнт засвоєння вуглецю з електродного бою.

,%

У такий спосіб металева шихта складається на 99,43 % з вуглецевого лому й 0,57 % електродного бою.

Середній склад шихти наведений у табл.12

Таблиця 12

Середній склад шихти*, %

Найменування шихти	Вес, кг	C	Si	Mn	P	S	Fe
Лом вуглецевий	99,43	0,199	0,298	0,447	0,040	0,040	98,406
Електродний бій	0,57х	0,42	-	-	-	-	-
Разом	100,0	0,619	0,298	0,447	0,040	0,040	98,406

* - засвоєння вуглецю 75%

5.3. Період плавлення шихти

5.3.1. Окислювання домішок і визначення складу металу по розплавлюванні

У період плавлення відбувається окислювання елементів шихти. Середній вигар елементів наведений у табл. 13.

Таблиця 13

Вигар елементів шихти*

Элемент	C	Si	Mn	P	Fe
Вигар, %	15÷50	60÷80	40÷60	50÷70	1,5÷7,0

* – величина вигару визначається технологічним процесом плавки

Під час плавлення в піч завантажують 2,5% (від ваги садки) вапна, 0,5 % шамотного бою й 1 % залізної руди. Під час плавлення окисляються наступні елементи:

Вуглець. Вигар вуглецю шихти складе 20% або кг. Залишиться вуглецю в металі кг.

Кремній. Вигар кремнію складе 70 %. Перейде кремнію в шлаки кг. Залишиться кремнію в металі кг.

Марганец. Вигар марганцю Остается в металле дорівнює 50 %. Перейде марганцю в шлаки кг. Залишається в металі кг.

Фосфор. Вигар фосфору складе 60%. Перейде фосфору в шлаки кг. Залишається в металі кг.

Сірка. Сірка, що є в металі під час плавлення, не вигорає, а сірка внесена коксом, вигорає.

Залізо. Вигар заліза складе 2,0 %. Перейде в шлаки й вигорає в зоні електричної дуги кг. Залишається у ванні кг:

-у кількості 12 % залізо у вигляді залишається в шлаку кг;

- 85 % заліза вигорає в зоні електричної дуги, т.е. - кг;

- 3 % окисляється до і переходить у шлаки кг.

5.3.2. Визначення потреби в газоподібному кисні

Знаючи середній склад шихти (табл. 12) і вигар елементів, по реакціях горіння знаходимо кількість кисню (табл. 14.), необхідного для окислювання елементів шихти.

Кількість кисню, необхідного для окислювання елементів шихти

Елемент	Зміст у шихті	Вигар, %	Окисляється, кг	Хімічне рівняння	Потрібно кисню, кг
С	0,619		0,124	C+1/2O2=CO
Si	0,298		0,209	Si+O2=SiO2
Mn	0,447		0,223	Mn+1/2O2=MnO
P	0,40		0,024	2P+2∙1/2O2=P2O5
Fe	98,406			Fe+1/2O2=FeO
Усього:	1,309

Кисень також витрачається на окислювання заліза до

За даними практики в металі по розплавлюванні зі змістом вуглецю 0,5-1,1 % зміст кисню становить 0,006-0,012 %. Приймаючи зміст кисню 0,012 % або у вигляді , на що потрібно 0,054-0,012=0,042 % . Загальна потреба в кисні складе 1,309+0,012=1,321кг.

Це кількість кисню може бути внесене у вигляді залізної руди або газоподібному виді. Тому що в період плавлення в піч уводимо 1 % залізної руди, то в уведеній залізній руді втримується 0,90 кг Fe₂O₃, що відповідає 0,27 кг О₂ и 0,63 кг заліза ().

Необходимо ввести в металл газообразного кислорода: кг.

Це кількість кисню вводиться в метал за допомогою залізних трубок D=¹/₂ – 1 дюйм через робоче вікно. Трубки при цьому занурюють на глибину. До моменту розплавлювання залишиться заліза: 98,406-1,968-0,042+0,63=97,026кг

Таким чином, склад металу по розплавлюванні з урахуванням вигару елементів й уведеної залізної руди буде:

Склад металу по розплавлюванні
	кг	%
Вуглець	0,495	0,508
Кремній	0,089	0,094
Марганець	0,224	0,229
Сірка	0,040(из табл.10)	0,041
Фосфор	0,016	0,017
Закис заліза	0,054	0,054
Залізо	97,026	99,006
Разом	97,944	100,0

5.3.3. Утворення й склад шлаків періоду розплавлювання

Джерелами утворення шлаків у період плавлення є:

- окисли елементів металу;

- вапно;

- залізна руда;

- шамотний бій;

- футеровка печі;

- зола електродного бою.

Шлаки, що утвориться за рахунок елементів металу, розраховується по рівняннях окислювання, виходячи з кількості елементів, що окислилися (табл. 14). Надходить у шлаки з металу,кг:

…..0.209∙60/28=0.448	…0.223∙71/55=0.289
…0.024∙142/62=0.055	… 1.968∙0.12∙72/56=0.302 …1,968·0,03·160/112=0,084

Кількість окислів, що надійшли в шлаки за рахунок окислювання елементів металу, розраховується по рівняннях окислювання, виходячи з кількості елементів, що окислилися.

Шлаки, що утвориться з вапна, залізної руди, шамотного бою й футеровки печі, визначається по кількості шлакообразующего відповідно до прийнятої технології й процентному вмісту в ньому того або іншого складового.

Надходить у шлаки, кг:

- з вапна (кількість вапна 2,5 кг),кг:

……….92.0∙2,5/100=2,300	…………1∙2,5/100=0,025
………….3,3∙0,025=0,083	……….0,6∙2,5/100=0,015
…………..2,5∙0.025=0.063	…………0,1∙2,5/100=0,003
- із залізної руди (кількість залізної руди 1 кг), кг:
- із шамотного бою (кількість шамотного бою 0,5 кг), кг:

У процесі плавлення в шлаки переходить зола електродного бою: 0,99∙1/100=0,0099 кг.

де: 0,99 - загальна витрата електродного бою, що складається з витрати електродів на збільшення вуглецю в металі (0,57) і витрати електродів у період плавлення (0,42); 1 - вміст золи в електродному бої.

Надходить у шлаки матеріал з магнезитхромітового зводу. Витрата цегли на 1 т сталі можна прийняти рівним 1-2 кг, або 0,1-0,2 кг на 100 кг металошихти. Із цієї кількості в період плавлення переходить 50 %, в окисний період – 35 %, у відбудовний період – 15 %.

Приймаємо в зразковому розрахунку витрата цегли 0,2 кг і по періодах плавки:

-при плавленні - 0,1 кг;

-при окислюванні - 0,07 кг;

-при відновленні - 0,03кг.

Надходить у шлаки матеріал з подини й стін. Витрата вогнетриву з подини й стін становить 1,5-1,9 кг на 100 кг металлошихты. Із цієї кількості в період плавлення переходить 40 % або 0,5-0,7 кг, у період окислювання 30 % або 0,4-0,52 кг й у період відновлення 30 % або 0,4-0,52 кг.

Приймаємо в зразковому розрахунку витрата цегли 1,5 кг і по періодах плавки:

-при плавленні - 0,6 кг;

-при окислюванні - 0,45 кг;

-при відновленні - 0,45 кг.

Дані по складу й кількості шлаків наведені в табл. 15.

Таблиця 15

Склад і кількість шлаків

Джерела надходження	CaO	MgO	Si2O2	Al2O3	FeO	Fe2O3	MnO	P2O5	Cr2O3	Всего
Метал	-	-	0,448	-	0,302	0,084	0,298	0,055	-	1,187
Вапно	2,300	0,083	0,063	0,025	-	0,015	-	0,030	-	2,516
Шамот*	0,003	0,002	0,310	0,175	-	0,010	-	-	-	0,500
Залізна руда	0,001	0,003	0,063	0,025	-	-	-	0,002	-	0,094
Склепіння (магнезитохромит)	0,002	0,066	0,006	0,004	-	0,012	-	-	0,010	0,100
Подина (магнезит)	0,021	0,541	0,021	0,005	-	0,012	-	-	-	0,600
Зола эектродного бою	0,001	-	0,006	0,003	-	-	-	-	-	0,010
Зола електродів**	0,001	-	0,002	0,001	-	-	-	-	-	0,004
Разом,кг	2,329	0,695	0,919	0,238	0,302	0,133	0,298	0,087	0,010	5,011
Разом, %	46,47	13,87	18,34	4,75	6,03	2,65	5,95	1,74	0,20	100,0

*При магнезитхромітовому зводі для підвищення рідкоплинності шлаку рекомендується вводити шамот

**Витрата електродів приймається 0,7 кг на 100 кг.

По періодах плавки витрата електродів приблизно пропорційний витраті електроенергії: у період плавлення 60 % (0,42 кг) і по 20 % (0,14 кг) в окисний і відбудовний періоди. Золою внесеною електродами можна зневажити.

5.4. Окисний період плавки

5.4.1. Окислювання елементів шихти

Склад металу в окисний період плавки змінюється в такий спосіб.

Вуглець. Для гарної дегазації металу окисляють не менш 0,3 % вуглецю або до нижньої межі в заданій марці стали. Видалимо вуглець до 0,17 %, тобто9 7,944∙0,17/100=0,167 кг. Вигорить 0,495-0,165=0,33 кг.

Марганец. До кінця періоду за даними практики залишиться в металі приблизно 0,12-0,14 % або кг. Окисляється 0,224-0,118=0,106кг.

Кремній. При продувці киснем практично окислиться весь кремній, тобто окислиться 0,089 кг.

Фосфор. Уважається, що до кінця окисного періоду в металі залишиться 0,01 % фосфору або кг. Окислиться 0,016-0,01=0,006 кг.

Сірка. При основности вище 2,5 і безперервному відновленні шлаків можна розраховувати, що з металу буде вилучено 0,01 кг сірки. Залишиться в металі 0,04-0,01=0,03 кг сірки.

5.4.2. Потреба в газоподібному кисні

Для окислювання металу буде потрібно кисню (табл. 16). Рівноважне з вуглецем зміст кисню в металі визначається згідно графіка, представленого в додатку 13.

Таблиця 16

Кількість кисню, необхідного для окислювання домішок металу

Компоненти	Количествво в металі по розплавлюванні, кг	Кількість у металі до кінця окисного періоду, кг	Окисляється, кг	Хімічне рівняння	Потрібно кисню, кг	Утвориться окислів, кг
C	0,495	0,167	0,328	С+1/2O2=CO	0,33∙16/12=0,437	0,328+0,437=0,765
Mn	0,224	0,118	0,106	Mn+1/2O2=MnO	0,106∙16/55=0,031	0,106+0,031=0,137
Si	0,089	-	0,089	Si+O2=SiO2	0,089∙32/28=0,102	0,089+0,102=0,191
P	0,016	0,010	0,006	2P+5/2O2=P2O5	0,006∙80/61=0,009	0,006+0,009=0,015
Разом	0,824	0,295	0,529	-	0,579	1,108

При змісті вуглецю 0,17 % зміст кисню в металі - 0,030 %, що відповідає 0,03·72/16=0,13 5% , у металі ж по розплавлюванні =0,054 % (п.5.3.2). Отже, необхідно підвищити зміст на 0,135-0,054=0,081 % або на 0,081·0,054/0,054=0,081 кг.

На утворення 0,081 кг буде потрібно:

- кисню 0,081∙16/72=0,018 кг;

- заліза 0,081­0,018=0,063 кг.

Тому що джерелом кисню, що надходить у метал і расходуемого на окислювання домішок, є , те для утворення 0,579 кг (табл. 16) кисню буде потрібно:

- закису заліза : 0,579∙72/16=2,606 кг;

- заліза 2,606-0,579=2,027 кг.

За експериментальним даними [2] металу зі змістом вуглецю 0,1 - 0,2 % повинен відповідати шлак зі змістом . При змісті вуглецю більше 0,2 % коливається в межах 5-8 %. Приймаємо Залізо розподілиться між и у відношенні 2 - 4. Приймаємо - 3. Тому що сума в и становить 11 %, таким чином у кількість складе 11·3/4=8,25 %, а в 11·1/4- =2,75 % або у вигляді:

……..8,25·72/56=10,607 %;

…….2,75·160/112=3,929 %.

5.4.3. Розрахунок кількості шлаків

Підлягає видаленню з металу 0,006 фосфору. Для видалення фосфору при наростаючій температурі необхідно підтримувати основность шлаків у межах 2,5-3,0 й обновляти його. З огляду на це, приймаємо середній зміст у шлаках, що наводить знову, рівним 0,5%. Тоді вага шлаків, необхідного для видалення фосфору буде дорівнює:

де: 0,006 кг – кількість фосфору, що підлягає видалення з металу (табл. 16).

З огляду на, що окисні шлаки віддаляється з печі не повністю, а на 70 %, вага шлаків до кінця окисного періоду буде дорівнює:

2,748+5,011∙0,3=4,251 кг,

де: 5,011 - вага шлаків у період плавлення (табл. 15).

Для наведення шлаків основностью =3 необхідно внести Х кг вапна. Визначимо Х.

Відомо, що [2], що у ваговій кількості становить:

, кг

Визначимо кількість кожного компонента.

Окис кальцію вноситься:

- шлаками періоду плавлення 2,329·0,3=0,699 кг (табл. 15);

- зводом 0,07·2/100=0,001 кг (табл. 11, п.5.3.3);

- подиною й стінками 0,45·3,5/100=0,015 кг (табл.11, п.5.3.3);

- вапном (92/100) Х (табл.11, п.5.3.3).

Усього вноситься окису кальцію 0,699+0,001+0,015+0,92 Х = 0,715+0,92 Х

Окис магнію вноситься:

- шлаками періоду плавлення 0,695·0,3=0,209 кг;

- зводом 0,07·66/100=0,046 кг;

- подиною й стінками 0,45·90,25/100=0,406 кг;

- вапном (3,3/100) Х.

Усього вноситься окису магнію 0,209+0,046+0,406+0,033 Х = 0,661+0,033 Х

Закис марганцю вноситься:

- шлаками періоду плавлення 0,298·0,3=0,089 кг;

- марганцем, що окисляється, з металу (табл. 16) 0,106·71/55=0,137 кг.

Усього вноситься закису марганцю 0,089+0,137= 0,226 кг.

З огляду на те, що сума , и повинна дорівнювати 3,257кг, становимо рівняння

0,715+0,92 Х+ 0,661+0,033 Х+ 0,226=3,257 кг

Звідки: 0,953 Х= 1,655 або буде потрібно вапна Х= 1,737 кг.

5.4.4. Потреба в шамотному бої

Шамотний бій вносить , який надає гарну рідкоплинність шлакам. Кремнезем вноситься:

- шлаками періоду плавлення (табл.15) 0,919·0,3=0,276 кг;

- кремнієм, що окисляється, з металу 0,089·60/28=0,191 кг (табл. 16);

- склепінням 0,07·6,5/100=0,004 кг;

- подиною й стінками 0,45·3,45/100=0,015 кг;

- вапном 1,737·2,5/100=0,043 кг.

Усього вноситися :

- окислюванням кремнію, зводом, подиною й вапном у кількості:

0,276+0,191+0,004+0,015+0,043=0,529 кг.

Потрібно SiO₂ для одержання основності 3:

; ; (0,715+0,92∙1,737):3=0,771 кг

Потрібно шамотного бою: (0,771-0,529):0,62=0,390 кг.

5.4.5. Надходження в шлаки заліза

Железо в шлаке находится в виде. и

Джерела надходження:
- зі шлаків періоду плавлення	=0,302∙0,3=0,091 кг =0.133∙0.3=0.040 кг
- зі склепіння	=0,07∙0,115=0,008 кг
- з подини	=0.45∙0,02=0.009 кг
- з вапна	=1,737∙0,006=0,010 кг
- із шамотного бою	=0,390∙0,02=0,008 кг
Разом:	=0,091 кг	=0.075 кг

У шлаку втримуються 10,607 % і 3,929 %

4,251∙10,607/100=0,451 кг ;

4,251∙3,929/100=0,167 кг .

Дані про вагову кількість шлаків і його хімічному складі представлені в табл. 17. Для підвищення окисленности шлаків потрібно:

- заліза:(0,451-0,091)·56/72+(0,167-0,075)·112/160=0,280+0,172=0,452 кг;

- кисню::(0,451-0,091)- (0,451-0,091)·56/72+(0,167-0,075)- (0,167-0,075)·112/160=0,08+0,074=0,154 кг, (

Залишиться заліза :

97,026-0,063-0,452=96,511 кг,

де: 97,026 кг– кількість до моменту розплавлювання, (п.5.3.2); 0,062 кг – необхідна кількість на утворення у металі (п.5.4.2); 0,452кг – кількість