РАСЧЕТ ШИХТЫ ДЛЯ ВЫПЛАВКИ СТАЛИ МАРКИ 30ХН3М2ФА

 

3.1 Исходные данные

 

Расчет материального баланса производится на 100 кг шихты (углеродистый лом + кокс + никель + ферромолибден). Никель, молибден обладают меньшим сродством к кислороду, чем железо, поэтому их обычно задают в печь в составе металлической завалки.

Химический состав углеродистого лома, кокса, никеля, ферромолибдена и готовой стали, приведен в таблице 1.

 

Таблица 1 - Состав исходных материалов и готовой стали.

Наименование материала	Элементы, %
	С	Mn	Si	P	S	Cu	Ni	Mo	Cr	Fe
Лом углеродистый ВСт3Сп ГОСТ 380-71	0,14 0,22	0,40 0,65	0,12 0,30	0,040	0,050	0,25	0,30	-	-	ост.
Никель	-	-	-	-	-	-	100,0	-	-	-
Ферромолибден ФМо 58 ГОСТ 4759-79	-	-	0,80	0,040	0,080	0,5	-	60,0	-	ост.
Готовая сталь марки 30ХН3М2ФА ГОСТ ТУ 108.1028-81	0,26 0,32	0,20 0,50	0,37	Не более	0,30	3,0 3,5	0,4 0,65	1,2 1,7	ост.
				0,025	0,022
Кокс	82,0	-	-	-	0,080	11,0 Зола	-		-	-
							Летучие

 

Таблица 2 - Химический состав шлакообразующих, окислителей и заправочных материалов.

Материалы	Состав, %
	CaO	MgO	Mn	SiO2	Al2O3	Fe2O3	CaF2	P2O5	Влага	∑
Известь	92,0	3,3	-	2,5	1,0	0,60	-	0,10	-	100,0
Кварцит	-	-	-	98,0	-	-	-	-	-	100,0
Шамот	0,7	0,3	-	63,0		1,0	-	-	-	100,0
Плавиковый шпат	-	-	-	4,0	-	1,0	95,0	-	-	100,0
Железная руда	6,2	-	-	2,8	1,0	90,0	-	-	-	100,0
Магнезит	1,0	92,0	1,0	3,0	1,0	2,0	-	-	-	100,0

 

Таблица 3 - Химический состав применяемых при плавке раскислителей и легирующих элементов.

Наименование материала	Элемент, %
	Si	Mn	Cr	C	P	S
				Не более
Ферросилиций ФС 75 ГОСТ 1415-78	74-80	≤0,4	≤0,4	-	0,05	0,02
Силикомарганец СМн 20 ГОСТ 4756-77	20-25	≥65,0	-	1,0	0,10	0,03
Феррохром ФХ 800 ГОСТ 4757-79	≤2,0	-	≤65,0	8,0	0,05	0,05

 

Таблица 4 - Коэффициенты усвоения элементов.

Наименование материала	Элемент	Коэффициент усвоения (η), %
Ферросилиций	Si	50,0
Силикомарганец	Si Mn	70,0 97,0
Феррохром	Cr	98,0
Ферромолибден	Mo	100,0
Ферротитан	Ti	50,0
Никель	Ni	100,0
Алюминий	Al	50,0
Кокс	C	60,0

3.2 Расчет составляющих завалки

сталь плавка печь примесь

Задаемся химическим составом готовой стали, который приведен в таблице 5.

 

Таблица 5 - Химический состав готовой стали.

Элемент	C	Si	Mn	Cr	Ni	Mo	P	S	Cu
							не более
Содержание	0,29	0,35	0,35	1,45	3,25	0,52	0,035	0,035	0,30

 

Соотношение между составляющими шихты определяются следующим образом:

. Шихта по никелю

Исходя из состава выплавляемой стали, для получения [Ni]гм = 3,25% необходимо в шихту внести металлического никеля

 

(1)

 

где [Ni]Г.М. - содержание никеля в готовом металле, %;

NiNi - содержание никеля в металлическом никеле, %;

ηNi - коэффициент усвоения никеля из металлического никеля, %;

GШ - количество шихты, кг.

. Шихта по молибдену

Для получения в готовом металле Мо = 0,52% необходимо внести в шихту ферромолибдена

 

кг, (2)

 

где [Мо]Г.М - содержание молибдена в готовом металле, %;

МоФМо - содержание Мо в ферромолибдене, %;

ηМо - коэффициент усвоения Мо из ферромолибдена, %;

GФмо - количество ферромолибдена, кг.

. Шихтовка по углероду

Согласно данным таблицы 1 углерод в шихту вносится углеродистым ломом и коксом, углеродом ферромолибдена можно пренебречь, т.е.

 

СШ = СУГЛ.ЛОМ + СК (3)

 

После расплавления шихты в металле должно быть углерода СРАСПЛ

 

СРАСПЛ = СШ - ΔСР, %, (4)

 

где ΔСР - количество окисленного углерода в период расплавления, %.

В зависимости от количества окисления, легковесности металлического лома и других факторов ΔСР = 0,1-0,2 % по абсолютной величине. Принимаем ΔСР = 0,1 %. В то же время содержание углерода в металле по расплавлению можно выразить соотношением

 

СРАСПЛ = СКОП + ΔСОП, (5)

 

где СКОП - содержание углерода в металле в конце окислительного периода, %;

ΔСОП - количество окисленного углерода в окислительный период, %.

По практическим данным в целях хорошей дегазации в окислительный период окисляется от 0,2 до 0,5 % углерода. Принимаем ΔСОП = 0,3 %. СКОП можно выразить соотношением

 

СКОП = СГСТ - ΔСВП, (6)

где СГСТ - содержание углерода в готовой стали, % (согласно таблице 5, СГСТ = 0,29 %);

ΔСВП - количество углерода, вносимого в металл в восстановительный период, %.

Подставляя в уравнение (5) выражение (6), получим

 

СРАСПЛ = СГСТ - ΔСВП + ΔСОП. (7)

 

Из равенства (4) и (7) получаем СШ - ΔСР = СГСТ - ΔСВП + ΔСВП, следовательно

 

СШ = СГСТ + ΔСР + ΔСОП - ΔСВП. (8)

 

3.3 Определение количества углерода, внесенного в металл в восстановительный период (ΔСВП)

 

В восстановительный период углерод вносится в металл за счет присадок ферросплавов и науглероживания через шлак при раскислении его коксом. При плавке стали под белым шлаком науглероживание металла (ΔСНАУГЛ) колеблется в пределах 0,01 - 0,03 %. Принимаем ΔСНАУГЛ = 0,01 %, тогда

 

ΔСВП = ΔСНАУГЛ + СФЕР, (9)

 

где СФЕР - количество углерода, внесенного в металл ферросплавами, %.

Количество углерода, внесенное в металл ферросплавами

 

, (10)

где [X]Г.СТ. - содержание легирующего элемента в готовой стали (таблица 5), %;

[C]ФЕР. - содержание углерода в данном ферросплаве (таблица 3), %;

[X]ФЕР - содержание легирующего элемента в данном ферросплаве (таблица 3), %;

ηХ - коэффициент извлечения легирующего элемента из ферросплава, (таблица 4), %.

Из таблицы 3 следует, что самое высокое содержание углерода в феррохроме марки ФХ800 Б, содержанием углерода в других применяемых ферросплавах можно пренебречь.

Принимаем СФХ800 Б = 7,0 %, CrФХ800 Б = 70,0 %, [Cr]Г.СТ. = 0,85 %, ηCr = 98 %.

Имеем

Следовательно: ΔСВП = 0,01 + 0,15 = 0,16 %.

Определим из уравнения (6) содержание углерода в шихте

СШ = 0,29 + 0,1 + 0,3 - 0,16 = 0,53 %.

Количество углерода в шихте равно

 

(11)

 

В соотношении (3)

 

. (12)

 

Из таблицы 1 и таблицы 4 принимаем СК = 82 %, ηС = 60 %.

Имеем

 

Определение количества углеродистого лома (GУГЛ.ЛОМА)

 

Вес углеродистого лома в завалке составит

УГЛ.ЛОМА = GШ - GNi - GФмо - GК = 100,0 - 2,95 - 0,87 - GК = 96,18 - GК, кг. (13)

 

Это количество углеродистого лома внесет углерода

 

(14)

 

где СУГЛ.ЛОМА - содержание углерода в углеродистом ломе (табл.1), %

 

 

Полученные значения СШ, GСугл.лома и GК подставляем в выражение (1), получаем

 

(15)

 

Решая уравнение (15), определяем GК = 0,63 кг, тогда GУГЛ.ЛОМА = 95,55 кг.

Таким образом, для выплавки стали марки 18NiCrMo3 принимается следующий состав шихтовых материалов:

углеродистый лом - 95,55 кг

ферромолибден - 0,87 кг

никель металлический - 2,95 кг

кокс - 0,63 кг

Итого: 100 кг

Количество элементов, внесенных в металл шихтовыми материалами, приведено в таблице 6.

 

 

Таблица 6 - Количество элементов, внесенных в металл шихтовыми материалами

Наименование материала	Вес, кг	Содержание элементов, внесенных в металл, кг
		C	Mn	Si	S	P	Cu	Ni	Mo	Fe	∑
углеродистый лом Ферромолибден Никель Кокс*	95,55 0,87 2,95 0,63	0,172 0,305	0,50	0,20 0,069	0,048 0,0007	0,038 0,00034	0,29 0,0043	0,39 2,95	- 0,522	93,912 0,27
Итого, кг		0,477	0,50	0,269	0,0487	0,038	0,2943	3,34	0,522	94,182	99,671
Итого, %		0,479	0,5	0,270	0,049	0,038	0,295	3,35	0,524	94,493

*сера и летучие кокса переходят в статью улета, зола кокса переходит в шлак, этими составляющими можно пренебречь, так как их величина слишком мала.

 

3.5 Период расплавления и окислительный период

 

Плавку ведем с применением железной руды и технического кислорода. Условно принимаем, что технический кислород расходуется лишь на реакцию окисления углерода и железа, а остальные окислительные реакции идут за счет закиси железа железной руды.

В период расплавления и окислительный период окисляются следующие элементы:

) углерод окисляется на ΔС = ΔСР + ΔСОП = 0,1 + 0,3 = 0,4 % или

;

) кремний окисляется полностью - 0,269 кг;

) марганец окисляется на 55 - 70%. Принимаем - 65%, или

кг

) сера, никель, молибден полностью переходят в металл;

) фосфора в готовом металле должно быть 0,007%. Следовательно, нужно окислить ΔР = 0,038 - 0,007. = 0,031 %, или

 

(16)

 

) железо окисляется на 2 - 4 %. Принимаем - 3%, или

По практическим данным около 90% железа окисляется до Fe2O3 и испаряется в зоне электрических дуг, около 10% окисляется до FeO и Fe2O3 и переходит в шлак, причем задаемся соотношением FeO/Fe2O3 - 2 - 4. Принимаем FeO/Fe2O3 - 3, т.е. из 10% окислившегося железа в шлак 7,5 % железа окисляется до FeO, а 2,5% железа - до Fe2O3.

Таким образом, в шлак переходит

кг Fe

Из этого количества окисляется

до FeO кг;

до Fe2O3 кг.

В зоне электрических дуг испаряется

кг Fe и Fe2O3.

В таблице 7 приводится необходимое количество закиси железа для окисления указанных элементов и количество образовавшихся оксидов.

В таблице 8 приводится необходимое количество кислорода для окисления углерода и железа шихты и количество образовавшихся оксидов.

 

Таблица 7 - Количество закиси железа (FeO) и образовавшихся окислов

Реакция окисления	Количество окислившегося элемента	Потребное количество FeO, кг	Количество образовавшегося оксида, кг	Количество восстановленного в металл железа. кг
[Mn] + (FeO) = (MnO) + [Fe]	0,325
[Si] + 2(FeO) = (SiO2) + 2[Fe]	0,269
2[P] + 5FeO = (P2O5) + 5[Fe]	0,031
Итого:	∑ FeO = 1,988		∑ Fe = 1,547

Таблица 8 - Количество кислорода и образовавшихся оксидов

Реакция окисления	Количество окислившегося кислорода, кг	Необходимое количество кислорода, кг	Количество образовавшегося оксида, кг
[C] + (FeO) = {CO} + [Fe]	0,399
Fe + 1/2O2 = FeO	0,22
2Fe + 3/2O2 = Fe2O3	0,07
	2,61	1,12	3,73
	Итого:	∑ О2 = 1,742

 

3.6 Определение количества шлака окислительного периода и периода расплавления

 

Одной из задач окислительного периода является удаление фосфора из металла. По существующей технологии около 80% Р удаляется из металла в период расплавления, а остальное количество - в начале окислительного периода.

Диаграмма, характеризующая зависимость lg от содержания закиси железа в шлаке и от основности шлака, выраженной отношением CaO/SiO2, приведена у А.Д.Краморова [1].

Коэффициент распределения фосфора между шлаком и металлом выражается следующим соотношением

 

(17)

 

где (Р2О5)/[P]2 - коэффициент распределения между металлом и шлаком;

РИСХ - содержание фосфора в шлаке, %;

[P] - содержание фосфора в готовом металле, %;

ШО.П. - количество шлака, % (от веса металла).

Принимаем СаО/SiO2 = 2,4; FeO = 1,4%; t = 1650 ºС.

Согласно данным [1] получаем Р2О3/[P]2 = 19953

Из выражения (17) определяем количество шлака. Принимаем РИСХ = 0,031 %; [P] = 0,007%, имеем

кг. (18)

 

3.7 Определение состава шлака окислительного периода

 

Для упрощения расчета принимаем, что шлак в основном состоит из оксидов примесей, для хорошей дефосфорации приняли, что (FeO) = 14 %, а основность шлака CaO/SiO2 = 2,4.

По практическим данным около 10% MgO из подины перейдет в шлак, т.е.

 

(19)

 

Количество (MnO), (P2O5), (Fe2O3) приведено в таблице 7 и 8. Количество (FeO), (MgO), содержащиеся в шлаке:

 

кг, (20)

кг. (21)

 

Так как основность шлака CaO/SiO2 = 2,4, содержание СаО в шлаке можно выразить СаО = 2,4 SiO2. Таким образом, получаем из уравнения (19)

;

кг, кг.

Данные о приближенном весовом количестве и химическом составе шлака окислительного периода приведены в таблице 9.

 

Таблица 9 - Приближенный состав шлака окислительного периода

Окисел	CaO	SiO2	MnO	FeO	Fe2O3	P2O5	MgO	Итого
Вес, кг %	3,38 46,05	1,41 19,31	0,42 5,82	1,174 15,99	0,14 1,91	0,071 0,97	0,73 9,95	7,34 100

 

3.8 Определение расхода извести и кварцита

 

В результате окисления кремния (таблица 7) в состав шлака входит 0,576кг. Следовательно, присадкой кварцита необходимо внести кремнезема 1,41 - 0,576 = 0,834кг. Тогда расход кварцита Gкв. (в кварците содержится 98% SiO2) (таблица 2) для обеспечения заданной основности шлака равен

 

кг. (22)

 

Расход извести Gизв. (в извести содержится 92% СаО) (смотри таблицу 2) для обеспечения заданной основности шлака равен

 

кг. (23)

 

3.9 Определение расхода железной руды

 

Для поддержания в шлаке FeO = 16% требуется 1,04 кг FeO, но в шлаке уже есть 0,28 кг FeO (смотри таблицу 8). Следовательно, потребность в FeO составляет: (FeO) = 1,04 - 0,28 = 0,76 кг. При окислении элементов Mn, Si, Р тратится 1,998 кг FeO (смотри таблицу 7). Таким образом, общая потребность в FeO равна: FeO = 0,76 + 1,998 = 2,758 кг. Необходимое количество FeO вносится железной рудой, химический состав которой приведен в таблице 3.

В пересчете на Fe2O3 по реакции

 

(Fe2O3)ж.р.+ [Fe] = 3(FeO) (24)

 

потребуется следующее количество Fe2O3:

кг.

Необходимо в печь присадить железной руды

 

кг. (25)

 

3.10 Определение состава металла конца окислительного периода

 

Для определения состава металла в конце окислительного периода используются данные таблиц 6 - 8.

Химический состав металла в конце окислительного периода приведен в таблице 10.

Таблица 10 - Химический состав металла в конце окислительного периода

Элемент	Внесено шихтовыми материалами, кг	Окислилось в период плавления и окислительный период, кг	Осталось в конце окислительного периода, кг	Состав, %
C Si Mn P S Cu Ni Mo Fe	0,477 0,269 0,5 0,038 0,0487 0,2943 3,34 0,522 94,182	0,399 0,269 0,325 0,031 - - - - 1,024	0,078 - 0,175 0,007 0,0487 0,2943 3,34 0,522 91,557+1,547 (∑Fe таблица 7) ∑97,569	0,08 - 0,18 0,007 0,05 0,30 3,42 0,54 95,423 ∑100,00