Дипломная работа: Реконструкция сталеплавильного производства ОХМК с целью производства трубных марок сталей повышенной прочности
Радикальным способом
удаления из стали мелких 3–10 мкм включений является фильтрация керамическими
фильтрами. Степень рафинирования при такой технологии составляет 40–50% /16/.
Затруднительным является
удаление включений размером < 2 мкм, хотя скопления именно таких включений
часто обнаруживаются в местах хрупкого разрушения образцов /14/.
В настоящее время штрипс,
производимый в странах СНГ, содержит суммарное количество вредных примесей
(серы, фосфора, азота, водорода) на уровне 0,03–0,04%, что в значительной
степени влияет на выход годного металла труб, снижение их служебных
характеристик и конкурентоспособности на мировом рынке. Для удовлетворения
современных требований необходимо разработать новые технологии внепечной
обработки стали, при которых количество вредных примесей в готовом металле не
будет превышать величины 0,0045–0,010% /17/.
Проведённый анализ
литературных данных позволяет заключить, что разрабатываемая в дипломе
комплексная технология рафинирования металла должна позволять получать в
готовом металле содержание вредных примесей на уровне ([0] 20 ppm.; [N] 50 ppm; [H.B] < 20 ppm; [P] 70 ppm; [S] 20 ppm). Это обеспечит
достижение необходимого уровня эксплуатационных и служебных характеристик, гарантирующих
высокое качество металла и его свойств.
2. Техника производства
2.1 Разработка
конструкции агрегата АКОС
2.1.1 Расчёт технических
характеристик агрегата «ковш-печь» с вакууматором
Для откачки газов из
агрегата «ковш – печь», а также для создания необходимого разряжения
применяется энжекторный насос.
1. Водород уменьшается с
5 см3/100 г. до 2 см.3/100 г. Следовательно
выделяется
VН2 = 3 м.3
водорода.
2. Содержание азота
сокращается на 15%. [N2]н = 0,08%
VN2 = 9,6 м.3
где М – масса плавки, т.;
МN2 – молярная масса азота,
г./моль;
[N]н – начальная
концентрация азота, %.
3. Содержание углерода
уменьшается на D[C] = 0,05%
VCO = 93,3 м.3
где МСО – молярная
масса угарного газа, г./моль;
МС – молярная
масса углерода, г./моль.
4. Продувку аргоном ведём
в течении 20 мин. с интенсивностью 0,05 м.3/(мин. т.)
VAr = =100 м.3
5. Объём отходящих газов
составляет
,
где åV – суммарный объём
отходящих газов, м.3;
åV = 3 + 9,6 + 93,3 + 100 =
205,9 м.3
Рабочий насос обеспечивает вакуумное давление ртехн
= 10 мм. рт. ст. (0,013 атм.)
1. Скорость откачки газов:
,
где Q – общее
количество газов в единицу времени, м.3/мин.;
S0 – скорость откачки объекта, м3/(атм.×мин.).
Преобразуя предыдущую формулу получим:
м.3/(атм.×мин.)
Начальное давление насоса ph = 1 атм.
Коэффициент примем
2,5
,
где Qmax – максимальная
массовая производительность насоса, м.3/мин.
м.3/мин.
2. Пропускная способность системы от входа в насос до
вакуумной камеры определяется по формуле:
,
где U – пропускная
способность системы.
3. Выбрав по паспорту насос и его характеристики следует
провести проверочный расчёт: проверить какое остаточное давление газов (рост)
обеспечивает этот насос и сравнить его с заданным значением ртехн.
Объём ковша, занимаемый
металлом:
,
где VK – объём ковша, занимаемый
металлом, м.3;
H – высота металла в ковше,
м.;
Dср – средний по высоте
диаметр металла, м.
По практическим
соображениям принимаем H/Dср = 0,9.
Для 100 т металла объём
ковша:
,
где m – масса металла, т;
d – плотность жидкого
металла, т/м.3.
м.
H=0,9×2,8=2,5 м.
В выбранной технологии
необходимо подогревать в АКОС металл с 1863 К до 1953 К. До той же
температуры будет нагреваться шлаковая смесь CaO (40%) – Al2O3 (40%) – TiO2 (20%) массой 1,5 т и
аргон, удельный расход которого составит 175 м3/т. Также
следует учесть тепловой эффект реакции с алюминием, расход которого составляет 120 кг на всю плавку.
Номинальная мощность
трансформатора находится:
,
где S – полная мощность
трансформатора, МВ×А;
P – мощность, поступающая
из сети, МВт;
l –
коэффициент мощности. По данным завода l = 0,8
Мощность поступающая из
сети находится:
,
где РДУГ – мощность
дуг, МВт;
hЭ – электрический к.п.д.
В расчёте примем hЭ=0,8 /20/.
Мощность дуг находится по
формуле:
,
где РПОЛ – полезная
мощность, МВт;
РТП – мощность
тепловых потерь, МВт.
По данным /20/ для 150 т
ковша РТП = 4,5 МВт. Произведя пересчёт для 100 т ковша, получим:
,
Полезная мощность
находится по формуле:
,
где WПОЛ – полезная энергия, МДж;
t – время обработки, с.
Время обработки
выбирается из расчёта времени нагрева 2 -3 К/мин.
Примем t = 35 мин.
Полезную энергию находим
из формулы:
,
где Мi – масса i – го компонента, т;
Сi – теплоёмкость i – го компонента, МДж/т×К;
DТi – температура, на которую
нагреваем, К;
DHi – тепловой эффект
раскисления металла алюминием, МДж/т.
Данные по Сi и DHi приняты по данным /21/.
WПОЛ = 100×0,65×90 + 1,5×(0,764×0,4 + 0,775×0,4 + 0,619×0,2)×1660 + 175×1,78×103×0,52×1660 –
– 11,37×103×0,12 = 6585 МДж
МВт
МВт
Из проведённого расчёта
видно, что существующий на агрегате «печь ковш»
АО «НОСТА» трансформатор
с SН = 16 МВ×А вполне удовлетворяет
выбранной технологии.
2.2 Разработка
конструкции промковша МНЛЗ
2.2.1 Рафинирование
металла в ковше
Требования к чистоте
стали, по неметаллическим включениям продолжают повышаться.
Традиционные методы
ковшевой металлургии не решают проблемы глубокого рафинирования стали от мелких
(< 10 – 20 мкм.) неметаллических включений. После раскисления и
внепечной обработки в жидкой стали остаётся много включений, которые в
следствии своей малости не имеют собственного вектора скорости, поэтому
находятся во взвешенном состоянии и длительное время участвуют в конвективном движении
в месте с металлом. При охлаждении металла уменьшается величена константы
реакции раскисления и в металле выделяется из раствора дополнительное
количество неметаллических включений, тоже в основном мелких. Таким образом,
перед кристаллизацией в стали накапливается значительное количество мелких
включений. Только за счёт их удаления, возможно повысить степень чистоты стали
по общему содержанию кислорода, так как включения, образующееся в процессе
кристаллизации, в большей степени своей остаются в слитке /16/.
Перед кристаллизацией
металла для дополнительного удаления включений можно применять только их
флотацию и фильтрование из расплава, что особенно важно при переносе
окончательного раскисления и легирования ближе к стадии затвердевания,
например, в промежуточный ковш и кристаллизатор при непрерывной разливке.
В технологической
литературе появился термин «условия для качества», под которым понимают
следующие основные критерии /22/:
1). Устранение внешних
источников загрязнения металла (взаимодействие с воздухом, разрушение футеровки
ковша, попадание в промежуточный ковш шлака из сталеразливочного ковша);
2) обеспечение условий
для выделения и удаления неметаллических включений, что вязано с увеличением
времени «отстоя» металла, рациональной организацией потока металла, сведение к
минимуму мёртвых зон, организацией фильтрации металла и т.п.;
3) разработка и введение
ряда вспомогательных технологических операций, таких как усовершенствование
системы подачи металла в ковш, использование подогревающих устройств, введение
в ковш добавок, продувка газами, контроль металла и шлака и др.
В отличии от
рафинирования в сталеразливочном ковше промежуточный ковш является агрегатом
проточного типа; время прохождения металла в нём лимитируется скоростью
разливки. Качество конечного продукта может ухудшаться, при прохождении потока
жидкой стали через промежуточный ковш из-за нежелательных характеристик потока.
А именно:
– недостаточное
время нахождения разливаемой стали в промежуточном ковше, не позволяющее
неметаллическим включениям всплыть на поверхность ванны;
– волнообразная
поверхность металлической ванны, увеличивающая площадь поверхности реагирования
стали с окружающей атмосферой. Это приводит к повышенным теплопотерям и,
повторному окислению жидкой стали;
– наличие зон
застоя, ухудшающих химическую гомогенность и теплообмен, приводящий, к
неустойчивости температуры стали, выходящей с промежуточного ковша. /23/
Так как реакция
раскисления не достигает равновесия, кроме оставшихся включений в металле много
растворённого кислорода – потенциального источника образования новых включений
при охлаждении и кристаллизации. Часть не очень мелких включений (50 мкм.)
можно удалить путём флотации мелкими пузырьками газа. При продувке аргоном
стали 08Ю через погружаемую фурму с пористой вставкой, по сравнению с продувкой
через цилиндрическое сопло, количество неметаллических включений уменьшилось на
42% в результате диспергирования газового потока. Продувка металла аргоном в
промежуточном ковше мелкими пузырьками через пористые блоки также снижает
количество более крупных включений на 50%; мелкие включения при этом не
удаляются /24/.
Радикальным способом
удаления из стали самых мелких включений может быть фильтрация керамическими
фильтрами. Метод фильтрации широко применяется при производстве алюминия,
никеля, в литейном производстве. При выплавке стали, эта технология в настоящее
время интенсивно развивается, однако остаётся ещё много нерешённых проблем.
Особенно сложными являются условия работы фильтра, при непрерывной разливке стали.
Фильтр должен выдержать без механических разрушений и коррозии всю серию
плавок, разливаемых последовательно, «плавка на плавку», т.е. сотни тонн
металла, и при этом сохранить пропускную и ассимилирующую способность. Поэтому
в этом случае применяются лишь фильтры с внутренней фильтрующей поверхностью,
где размеры каналов или открытых пор намного больше, чем самое крупное
включение. /16/.
Установка перегородок с
отверстиями, организующими восходящие и перекрёстные потоки металла под
оптимальными углами, а также размещение в перегородках фильтров увеличивает
степень рафинирования, число крупных включений (>100 мкм.) становится в
8 – 10 раз меньше. /23/
Для рафинирования
металлических расплавов применяются различные типы фильтров: сетчатые,
экструзированные, пенокерамические и зернистые. При этом рафинирующий эффект
фильтрования жидких металлов проявляется как в снижении содержания химически
связанной части примеси в виде неметаллических частиц, так и очистке расплавов
от сверхравновесно растворённой части примеси. /25/.
Имея развитую
поверхность, фильтры создают значительную площадь для задержания включений –
особенно мелких. Для жидкой стали, нашли применение канальные, пенные и
насыпные фильтры. Сечение фильтров определяется количеством подлежащей фильтрации
жидкой стали и заданной степенью её чистоты, толщина фильтра обусловлена
напором жидкого металла.
В промышленных условиях
(ККЦ – 2 НЛМК) проведено рафинирование стали 08Ю и 08ПС в 23-т. промежуточных
ковшах УНРС путём флотации включений из потоков металла, организованных
перегородками с различным видом перепускных отверстий. И путём фильтрования
через пенно-канальные и ячеисто-канальные фильтры, установленные в отверстиях
перегородок (фильтры производит НПО «Стройкерамика»). Степень рафинирования оценивали
по содержанию общего кислорода или неметаллических включений в пробах металла
до и после воздействия. Результаты исследования представлены в табл. 7.
Пено-канальные фильтры оказывают рафинирующее воздействие при фильтрации малых
порций металла, коэффициент фильтрации составляет 13 – 53%. /23/.
,
где h[O] – коэффициент фильтрации,
%.
[O]НАЧ –
содержание кислорода до воздействия, %;
[O]КОН –
содержание кислорода после воздействия, %.
Установка перегородок с
перепускными отверстиями даже простейшей формы приводит к получению более
чистого металла. Перегородки выполняли изогнутой формы против направления
потока металла, при этом стойкость их возрастала.
Таблица 7. Результаты
полупромышленных исследований
Вид воздействия; фильтр |
Габариты блока
(отверстия), мм. |
Диаметр – длина канала,
мм. |
Количество каналов |
h[O] (h[НВ]), %
|
Перегородка, отверстие |
(250х130) |
– 150 |
1 |
24 |
Перегородка, отверстие
под углом 45° |
80х80х80 |
40 – 200 |
7 |
34 |
Перегородка,
пено-канальный |
250х80х250 |
7 – 150 |
300 |
23 (45) |
Перегородка,
ячеисто-канальный |
400х200х40 |
20 – 40 |
8 |
(17) |
Перегордка, щели из
пластин ячеистого пенокорунда под углом 30° |
400х200х40
(200х15)
|
– 200 |
8 |
(42) |
Лучшие показатели получены в случае установки в качестве модификаторов
потока пластин из ячеистого пенокорунда. Они одновременно формируют потоки
металла в ковше к поверхности раздела со шлаком и создают каналы прямоугольной
формы со значительно развитой ячеистой фильтрующей поверхностью.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15
|