Дипломная работа: Реконструкция сталеплавильного производства ОХМК с целью производства трубных марок сталей повышенной прочности

1. Размерами включений, их составом (и температурой плавления) и плотностью.

2. Способностью включений к укрупнению.

3. Величинами межфазного напряжения на границах металл-включение и шлак-включение.

4. Интенсивностью перемешивания ванны и характером движения металла.

5. Физическими характеристиками металла и шлака (состав, температура, вязкость).

6. Физическими характеристиками и составом контактирующей с перемешиваемым металлом твёрдой поверхности футеровки ковша, перегородок, фильтровальных отверстий и т.д.

Вывод:

1. Конструкция промежуточных ковшей претерпевает серьёзные изменения: увеличиваются ёмкость ковшей, глубина ванны металла, широкое распространение получает практика устройства перегородок, порогов, конструкций для флотации включений путём продувки инертными газами, а также для фильтрации включений и др.

2. Низкоуглеродистый металл, раскисленный алюминием, поступающий на разливку, имеет содержание кислорода значительно выше равновесного, что является источником образования включений при охлаждении и кристаллизации металла.

3. Дополнительное рафинирование расплава от неметаллических включений целесообразно проводить в промковше путём флотации и фильтрации.

4. Дальнейшее повышение чистоты стали достигается применением пено- или ячеисто-канальных фильтров в отверстиях перегородок. /23/

2.3 Определение окисленности металлических и шлаковых расплавов

Окислительно-восстановительный потенциал является одной из главных характеристик металлургических систем. Это определяет важность информации о значениях РО2 металлических и шлаковых расплавов для анализа и контроля процессов выплавки и внепечного рафинирования стали.

Наиболее перспективным способом определения окисленности расплавов на сегодняшний день несомненно является метод электродвижущих сил с использованием твёрдоэлектролитных кислородных концентрационных элементов. Он обладает рядом существенных преимуществ перед другими методами и отличается возможностью измерения РО2 в широких пределах во всех фазах пирометаллургических процессов.

В основе данного метода лежит измерение электродвижущей силы, возникающей в кислородном гальваническом элементе:

Ме / фаза1 (РО21) // твёрдый электролит // фаза2 (РО22) / Ме,

где РО21 и РО22 – парциальные давления кислорода в фазах, разделённых твёрдым электролитом (фаза 2 – электрод сравнения).

Согласно Вагнеру э.д.с. этого элемента определяется формулой:

,

где F – число Фарадея (96487 Дж/В·моль);

ti – доля ионной проводимости твёрдого электролита.

Для случая чистой ионной проводимости твёрдого электролита (ti = 1) имеет место формула Нернста:

При высоких температурах и низких парциальных давлениях кислорода, характерных для металлургических процессов, в твёрдом электролите наряду с ионной может появиться электронная проводимость (а при высоких РО2 – и дырочная проводимость). В этом случае доля ионной проводимости не равна единице и зависит от Т и РО2:

,

где Ре – параметр, характеризующий долю электронной проводимости твёрдого электролита и равный парциальному давлению кислорода, при котором

ti = 0,5

Уравнение Шмальцрида справедливо при условии РО22 > Ре > РО21 и является основной расчётной формулой для определения уровня окисленности расплава /26/:

Процессы растворения активных металлов в синтетических шлаковых расплавах изучали с применением метода э.д.с. с твёрдым электролитом. В качестве твёрдого электролита применяли колпачки из ZrO2, стабилизированного Y2O3, которые были разработаны кафедрой металлургии стали МИСиС совместно с предприятием «Эмитрон» и ЦНИИЧМ. Колпачки имели следующие размеры: внешний диаметр – 0,004 м., длина – 0,04 м., толщина стенки – 0,001 м. Электродами сравнения служили смеси Mo (50%) – MoO2 (50%) или

Cr (90%) – Cr2O3 (10%), приготовленные из химически чистых оксидов хрома и молибдена (Cr2O3 и MoO3), порошкообразного молибдена марки МЧ и электролитического хрома.

Подготовленные электроды сравнения помещают в твёрдоэлектролитные колпачки, свободный объём которых для предотвращения окисления металлов заполняли порошком стабилизированного диоксида циркония, а затем замазывали смесью этого порошка с жидким стеклом. Токосъёмник с электрода сравнения бал изготовлен из молибденовой проволоки диаметром 0,004 м. и защищён алундовой трубкой для предотвращения возможного влияния градиента концентрации кислорода на границе шлак-газ на величину измеряемой э.д.с.

Электрическая цепь имеет вид:

Mo / Mo, MoO2 // ZrO2 (Y2O3) // шлак / Mo

При достижении температуры опыта (1873 ± 10) К и ее стабилизации в расплав одновременно опускают два электрохимических датчика и после установления постоянного значения э.д.с. в шлак вводят добавку раскислителя, энергично перемешивая при этом расплав молибденовым токосъёмником. Показания датчиков и термопары непрерывно записываются на диограмные ленты трёх автоматических потенциометров КСП-4 со специально разработанными высокоомными приставками, обеспечивающими повышение выходного сопротивления серийного прибора с 2,5·104 до 106 Ом (точность фиксирования сигнала

± 5 мВ). Кроме того периодически замерят значение э.д.с. при помощи цифрового вольтметра Щ-68003 с точностью ± 0,1 мВ.

По величине э.д.с. электрохимической цепи рассчитывают равновесное парциальное давление кислорода исследуемого шлакового расплава (РО2 в пузырьке газа, мысленно помещённого в объём расплава и приведённого с ним в равновесие) по формуле Шмальцрида.

Основной методической трудностью при использовании твёрдоэлектрических датчиков для измерения окисленности шлаковых расплавов является, как уже отмечалось, взаимодействие материала электролита с жидким шлаком и неконтролируемое вследствии этого изменение доли ионной проводимости твёрдого электролита, а также создание диффузионного потенциала на границе оксид-оксид. Для устранения этих эффектов колпачки из ZrO2 покрывали слоем металлического молибдена толщиной 20 – 30 мкм. путём высокотемпературного вжигания.

Результаты проведённых опытов показали, что датчики с таким покрытием и без него в изучаемых оксидных расплавах дают практически одинаковые показания в пределах ошибки эксперимента (< 10% отн.). Заметные расхождения в измеряемых значениях э.д.с. наблюдали только при достижении очень низкого уровня окисленности шлака

(РО2 < 10-12 Па) /26/.

Использование кислородных датчиков позволяет контролировать окисленность стали, управлять процессом раскисления, экономить раскислители, давать информацию о глубине рафинирования стали от неметаллических включений и при необходимости, например при выплавке высокочистой стали, применять дополнительные способы снижения количества неметаллических включений путём флотации и фильтрации.

3. Спецчасть

3.1 Физико-химический расчёт рафинирования металла нетрадиционными шлаковыми смесями от серы и азота

3.1.1 Цель работы

Рассчитать сульфидную и нитридную ёмкости нетрадиционных шлаковых смесей, в состав которых входит TiO2. Оптимальный состав и расход шлаковой смеси, необходимый для оптимального (с технологической и экономической точки зрения) рафинирования металла от серы и азота.

3.1.2 Теоретические основы

Существуют различные способы борьбы с серой, а вот с азотом возникают проблемы.

Так американские исследования фирмы «ФРУЭХЕН» показали, что даже в вакууме удалить больше (10 – 15)% азота не удаётся. И лишь если концентрация серы в металле < 0,003% можно удалить больше азота.

Разработки последних лет российских, японских и американских учёных показали, что обработка металла шлаковыми смесями, с высокой нитридной ёмкостью и низкой окисленностью, позволяет удалить до 40% азота из низколегированных марок стали.

Так в США используют шлаковые смеси с высоким содержанием TiO2 и BaO (до 45% – 50% каждого). В следствии этого эти смеси имеют высокую стоимость, а также при высоком содержании TiO2 титан восстанавливается и переходит в металл.

В проекте выбраны и рассчитаны шлаковые смеси с низким содержанием TiO2 (от 10% до 30%)

Основными уравнениями данного расчёта являются уравнения коэффициентов распределения серы и азота:

lgLS = lgCS + lgPO2-1/2 + DG/(2,3×R×T) + lgfS, (1)

где (С) – концентрация серы в шлаке, %;

[S] – концентрация серы в металле, %;

LS – коэффициент распределения серы;

СS – сульфидная ёмкость шлака;

PO2 – парциальное давление кислорода, атм.;

fS – коэффициент активности серы;

Т – температура металла, К.

DG = – 72000 – 9,92×T (2)

lgLN = lgCN –3/4×lgPO2 +lgfN + 850/T + 0,905, (3)

где СN – нитридная ёмкость шлака;

LN – – коэффициент распределения азота.

Сульфидная ёмкость шлака определяется через оптическую основность шлаковой смеси./27/:

LgCS = , (4)

где l – оптическая основность смеси.

Нитридная ёмкость шлака определяется через оптическую основность смеси /28/:

LgCN = 9,087 – 27,67l (5)

Величина оптической основности смеси определяется по следующей формуле:

, (6)

где li – оптическая основность компонента;

Ni – эквивалентные катионные доли компонентов.

Эквивалентные катионные доли находим по уравнению:

, (7)

где Vi – заряд аниона в компоненте;

ni – число анионов в компоненте;

xi – мольная доля компонента.

Мольная доля компонента находится:

, (8)

где (%)i – содержание компонента в смеси, %;

Мi – молярная масса i-го компонента.

Основными реакциями для расчёта парциального давления кислорода является:

2 [Al] + 3 [O] = (Al2O3) lgK1 =

1/2O2(г) = [O] DG2 = – 117000 – 2,89×T

, (9)

где К1 – константа равновесия первой реакции;

[Al] – концентрация алюминия в металле, %;

a(Al2O3) – активность Al2O3 в шлаке;

К2 – константа равновесия второй реакции.

LgK2 = – DG2/(2,3×R×T) (10)

Коэффициенты активности серы и азота находят из выражения:

lgfi, (11)

где еij – параметр взаимодействия;

[j] – концентрация j-го элемента в металле, %.

Зная коэффициенты распределения серы и азота, мы можем найти степень рафинирования металла от этих примесей по выражению:

, (12)

где Ri – степень рафинирования от i-го элемента, %;

mшл – масса шлаковой смеси, кг/т металла;

mМе – масса металла, кг.

3.1.3 Постановка задачи

Рассчитать степень рафинирования металла от серы и азота нетрадиционными шлаковыми смесями, в составе которых есть TiO2

3.1.4 Описание алгоритма

1. Для расчёта необходимо ввести химический состав металла, который будем рафинировать; состав шлаковой смеси, температуру металла.

2. Определим мольные доли компонентов по формуле (8).

3. Рассчитаем эквивалентные катионные доли по уравнению (7).

4. Вычисляем оптическую основность смеси по формуле (6).

5. Рассчитываем сульфидную и нитридную ёмкости шлаковой смеси по формулам (4) и (5) соответственно.

6. Определяем по формулам (10) и (9) парциальное давление кислорода.

7. По выражению (11) находим коэффициенты активности серы и азота.

8. Подставляя найденные значения в уравнение (3) определяем коэффициент распределения азота.

9. Подставляя (2) в (1) и используя результаты предыдущих расчётов по уравнению (1) находим коэффициент распределения серы.

10. Задаваясь расходом шлаковой смеси на 1 т. металла, по выражению (12) находим степень рафинирования металла от серы и азота.

11. Зная цены отдельных компонентов (табл. 8), рассчитываем стоимость 1 т. заданной шлаковой смеси по формуле:

Ц = åЦi×Сi, (13)

где Ц – цена шлаковой смеси, $/т.;

Цi – цена отдельных компонентов смеси, $/т.;

Сi – доля компонента в смеси.

Таблица 8. Стоимость основных компонентов

12. Зная расход шлаковой смеси на 1 т. металла рассчитаем, сколько она внесёт в себестоимость 1 т. металла:

Цуд = mшл×Ц, (14)

где Цуд – цена шлаковой смеси на 1 т. стали, $/т.;

mшл – расход шлаковой смеси на 1 т. стали, т./т.

13. В одной системе координат строим графики зависимостей:

а). RS = f (mшл, (%)TiO2);

б). RN = f (mшл, (%)TiO2).

По данной математической модели была написана компьютерная программа «DIPL.PAS», позволяющая произвести расчёты оптимального состава нетрадиционной шлаковой смеси, для совместного рафинирования от серы и азота, а также выбрать оптимальный с технологической точки зрения расход этой шлаковой смеси. Результаты расчётов в ПРИЛОЖЕНИИ 1.

В табл. 9 и табл. 10, а также на рис. 1 представлены общие результаты проведённых расчётов по десульфурации и деазотации металла на агрегате «ковш-печь».

Таблица 9. Степень десульфурации

Таблица 10. Степень деазотации

Из рис. 1 видно, что оптимальным составом шлака является шлаковая смесь с содержанием TiO2 20% и расходом (12,5 – 15) кг/т

Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11