Расчеты в технологических процессах плавки литейных сталей


Б. М. Соболев







                РАСЧЕТЫ
                В ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССАХ ПЛАВКИ ЛИТЕЙНЫХ СТАЛЕЙ




Учебное пособие











Москва Вологда «Инфра-Инженерия» 2021

УДК 536.2:621
ББК 34.303-1я7
      С54





Рецензенты:
д-р техн. наук, проф., зав. кафедрой технологии металлов и литейного производства Хабаровского государственного технического университета Ри Хосен;
канд. техн. наук, доц., старший научный сотрудник Института машиноведения и металлургии ДВО РАН В. В. Черномас





      Соболев, Б. М.
С54 Расчеты в технологических процессах плавки литейных сталей : учебное пособие / Б. М. Соболев. - Москва ; Вологда : Инфра-Инженерия, 2021. - 140 с. : ил., табл.
           ISBN 978-5-9729-0695-6

           Приведены краткие сведения по составу шихтовых материалов, технологии плавки стали в электрических печах с кислой и основной футеровкой. Изложены принципы расчета шихты, приведены методики расчета шихты для плавки стали в электрических печах приближенным методом на ЭВМ. Приведены примеры расчета шихты для плавки стали в электродуговых и индукционных печах приближенным методом и стандартным симплекс-методом на ЭВМ.
           Для студентов металлургических и машиностроительных направлений подготовки.


                                                                      УДК 536.2:621
                                                                      ББК 34.303-1я7








ISBN 978-5-9729-0695-6

   © Соболев Б. М., 2021
   © Издательство «Инфра-Инженерия», 2021
                          © Оформление. Издательство «Инфра-Инженерия», 2021

        ОГЛАВЛЕНИЕ



ВВЕДЕНИЕ.....................................................5
1. ШИХТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПЛАВКИ СТАЛИ.......................6
2. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ ЛИТЕЙНЫХ СТАЛЕЙ
В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧАХ........................................8
  2.1. Технологические основы плавки углеродистых сталей в электродуговых печах переменного и постоянного тока......8
    2.1.1. Плавка углеродистой стали в электродуговых печах с основной футеровкой....................................8
    2.1.2. Плавка стали в электродуговых печах с кислой футеровкой.11
  2.2. Технологические основы плавки стали в индукционных тигельных печах............................12
3. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ ЛЕГИРОВАННЫХ СТАЛЕЙ ... 13
  3.1. Особенности плавки в электродуговых печах высокохромистых низкоуглеродистых сталей..................13
  3.2. Особенности плавки в электродуговых печах высокомарганцевых сталей..................................15
4. РАСЧЕТ ШИХТЫ ДЛЯ ПЛАВКИ ЛИТЕЙНЫХ СТАЛЕЙ..................19
  4.1. Составление уравнений для расчета шихты..............19
  4.2. Методы расчета шихты.................................21
  4.3. Особенности составления шихты для плавки стали.......26
5. ПРИМЕРЫ РАСЧЕТА ШИХТЫ ДЛЯ ПЛАВКИ СТАЛИ...................30
  5.1. Расчет шихты для плавки стали марки 110Г13 Л переплавом, приближенным способом.....................................30
  5.2. Расчет шихты для плавки стали марки 40ХНЛ на ЭВМ симплекс-методом...................................35
6. ЗАДАНИЕ НА РАЗРАБОТКУ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ СТАЛИ...................41
7. ПРИМЕРЫ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ИНСТРУКЦИЙ НА ВЫПЛАВКУ СТАЛЕЙ..........................................43
  7.1. Плавка углеродистых сталей в электродуговой печи ДС-5МТ с кислой футеровкой.......................................43
    7.1.1. Химический состав................................43
    7.1.2. Подготовка печи к плавке.........................43
    7.1.3. Подготовка шихты.................................44
    7.1.4. Завалка шихты....................................45
    7.1.5. Продолжительность плавки по операциям............46

3

    7.1.6. Плавление.............................................47
    7.1.7. Окислительный период..................................47
    7.1.8. Восстановительный период..............................49
    7.1.9. Выпуск плавки.........................................50
    7.1.10. Разливка.............................................51
    7.1.11. Техническая документация.............................52
  7.2. Инструкция на выплавку жароупорной стали в электродуговой печи с кислой футеровкой............................................53
    7.2.1. Химический состав стали...............................53
    7.2.2. Оборудование..........................................53
    7.2.3. Подготовка печи к плавке..............................53
    7.2.4. Шихтовые материалы....................................53
    7.2.5. Подготовка шихты......................................54
    7.2.6. Расчет шихты..........................................54
    7.2.7. Подготовка печи к плавке и заливке....................54
    7.2.8. Плавление.............................................55
    7.2.9. Окислительный период..................................55
    7.2.10. Раскисление и доводка металла по химическому составу.55
    7.2.11. Техника безопасности.................................55
  7.3. Инструкция на плавку стали марки 110Г13Л методом сплавления и переплава в основных электропечах............................56
    7.3.1. Химический состав стали марки 110Г13Л.................57
    7.3.2. Состав и подготовка шихты.............................57
    7.3.3. Подготовка печи к плавке и загрузка шихтой............57
    7.3.4. Расплавление шихты....................................59
    7.3.5. Доводка плавки по химическому составу.................61
    7.3.6. Выпуск плавки.........................................63
    7.3.7. Техническая документация..............................64
    7.3.8. Механические свойства.................................64
8. МАТЕРИАЛЬНЫЙ БАЛАНС ПЛАВКИ ЛИТЕЙНЫХ СТАЛЕЙ....................66
  8.1. Общие положения.........................................66
  8.2. Пример расчета материального баланса плавки стали в кислых электродуговой печах (кремневосстановительный процесс).......68
  8.3. Расчет плавки в электродуговой печи с кислой футеровкой (активный процесс)...........................................77
  8.4. Расчет плавки в основных электродуговых печах.............83
  8.5. Расчет раскисления стали................................97
9. СОВРЕМЕННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ СТАЛИ
НА МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИХ ЗАВОДАХ В ЭЛЕКТРОДУГОВЫХ ПЕЧАХ.............104
10. ЗАДАНИЕ НА РАСЧЕТ МАТЕРИАЛЬНОГО БАЛАНСА ПЛАВКИ СТАЛИ....................................................114
ЗАКЛЮЧЕНИЕ......................................................115
ПРИЛОЖЕНИЯ......................................................117
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК........................................137

4

        ВВЕДЕНИЕ



     Основной задачей сталеплавильного процесса является получение жидкой стали заданного химического состава с определенными физикохимическими и литейными свойствами, с минимальными затратами времени, материалов и энергоресурсов. В плавильном агрегате в строгой последовательности протекают сложные физико-химические процессы между металлом, шлаком и печной атмосферой. Эти процессы, обычно не достигающие равновесия, в значительной степени определяют основные направления реакций и технико-экономические показатели производства.
     В последние годы непрерывно растет удельный вес электростали в балансе стальных отливок и составляет 97 %. Высокий уровень качественных отливок показателей отечественного сталелитейного производства в значительной степени объясняется преимуществом электрометаллургических процессов.


5

        1. ШИХТОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ ПЛАВКИ СТАЛИ


     При выплавке стали в электропечах основной металлической частью шихты является стальной лом. В соответствии с ГОСТ 2787-75 лом подразделяется на две категории (А - углеродистый и Б - легированный), на два класса (стальной и чугунный) и на несколько видов. Вид определяется физическим состоянием и показателями качества лома (кусковой, прессованный, габаритный и так далее). Легированный лом разделяют на 67 групп по химическому составу.
     Для получения требуемого содержания углерода в шихту вводится передельный чугун марок П1 и П2 по ГОСТ 805-95, электродный бой, кокс и другие карбюризаторы. Введение чугуна в шихту увеличивает содержание фосфора, поэтому его следует применять в плавках с удалением фосфора. Предпочтительнее использовать чугуны с пониженным содержанием серы и фосфора.
     В состав шихты вводят стружку. Стружку сортируют по группам марок, обжигают для удаления масла и брикетируют. В состав шихты включают до 15 % таких брикетов.
     Легирование и раскисление стали производят присадками ферросплавов, реже используют другие сплавы и чистые металлы. Из выпускаемых промышленностью сплавов кремния при производстве стальных отливок применяют преимущественно ферросилиций марок ФС75, ФС65, ФС45 по ГОСТ 1415-93. Для диффузионного раскисления под белыми шлаками в основных электропечах более предпочтителен 65-и 75%-й ферросилиций, образующий при помоле более дисперсные порошки.
     Ферромарганец по ГОСТ 4755-91 подразделяют на низкоуглеродистый (0,5% С), среднеуглеродистый (1...2% С) и высокоуглеродистый. Низкоуглеродистый и среднеуглеродистый ферромарганец содержит 85 % марганца (кроме ФМн 2,0, в котором 75 % марганца). В низкоуглеродистом ферромарганце среднее содержание углерода показано в цифровом обозначении марки (ФМн 1,5 % углерода). В высокоуглеро

6

дистом ферромарганце в цифровом обозначении показано среднее содержание марганца (содержит 75 % марганца). В маркировке ферромарганца буква А означает пониженное содержание фосфора (менее 0,05 %), буква К - пониженное содержание кремния (до 1 %), С - повышенное содержание кремния (например, ФМн 75АС6 содержит 6% кремния).
     Для преобладающего числа марок сталей используют высокоуглеродистый ферромарганец. Низко- и среднеуглеродистый ферромарганец применяют при выплавке низкоуглеродистых сталей и для снижения количества углерода в высокомарганцевой стали.
     Широкое распространение в сталелитейном производстве получил силикокальций - раскислитель, модификатор и глобулизатор включений. Лучший эффект дают сплавы СК25, СК30 по ГОСТ 4762-71.
     Хром - легирующий компонент значительной части конструкционных сталей. Феррохром подразделяется: на низкоуглеродистый (ФХ010.ФХ050), содержащий 0,01.0,50% углерода; среднеуглеродистый (ФХ 100.ФХ400), содержащий 1.4% углерода; углеродистый (ФХ650 и ФХ800), содержащий 6,5.8,0% углерода. Во всех марках феррохрома содержание хрома находится в пределах 60.68 %. При выплавке легированных сталей применяют ферровольфрам, ферромолибден, феррованадий, ферротитан, ферросиликохром и другие. Никель и медь используют в виде чистых металлов.
     Для раскисления сталей применяют первичный алюминий с содержанием примесей менее 2 %. Сведения о составе шихтовых материалов приведены в [1-3].
     Все металлургические процессы проводят с участием шлаковой фазы. Количество шлака при выплавке стали в дуговых электропечах, обычно составляет 3.7 % массы металлической садки. Для шлакообразования в электропечах применяют свежеобожженную известь, плавиковый шпат, шамотный бой, кварцевый песок, известняк металлургический. Для восстановительных шлаков применяют порошки кокса, молотого ферросилиция и, в отдельных случаях, алюминия.
     Для окислительных процессов используют железную руду, окалину от термообработки, газообразный кислород.

7

        2. ОСНОВЫ ТЕХНОЛОГИИ ПЛАВКИ ЛИТЕЙНЫХ СТАЛЕЙ В ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЕЧАХ

        2.1. Технологические основы плавки углеродистых сталей в электродуговых печах переменного и постоянного тока

     В сталелитейных цехах чаще всего применяют печи переменного тока ДСП-3, ДС-5МТ, ДСП-6, ДСП-12, ДСП-25. В цехах крупносерийного производства устанавливают большое количество печей с относительно небольшой массой садки. Различают основной и кислый процессы плавки стали. Основной процесс позволяет удалить из металла серу и фосфор, а также произвести диффузионное раскисление под белым или карбидным шлаком. Кислый процесс требует минимального содержания серы и фосфора в шихтовых материалах, более производителен и широко применяется в литейном производстве. Печи постоянного тока пока не нашли широкого применения, но они имеют, несомненно, определенные достоинства как более экономичные и универсальные (можно плавить не только углеродистые стали и высоколегированные чугуны, но и цветные сплавы). В дальнейшем рассматривается технология плавки стали в электродуговых печах переменного тока.


            2.1.1. Плавка углеродистой стали в электродуговых печах с основной футеровкой


     В дуговых печах с основной футеровкой получают около 35 % всей стали, выплавляемой для фасонного литья; из них 20 % приходится на долю высокомарганцовистых сталей, 5 % - на долю высокохроми-стых и хромоникелевых, остальные 10 % - на ответственные марки углеродистых и низколегированных сталей [4].
     Плавку сталей при основном процессе ведут либо с окислением примесей, либо методом переплава.


8

     Плавка стали с окислением. Плавка стали основным процессом с окислением, получила большое распространение. Этим методом можно выплавлять стали с минимальным содержанием серы, фосфора, азота, водорода и стали с низким содержанием углерода (до 0,02.0,03 %). Такие возможности (исключая удаление серы) обусловлены наличием окислительного периода. При плавке стали с окислением используют нелегированную металлошихту, так как в окислительный период большинство дефицитных легирующих элементов окисляются частично или полностью и теряются со шлаком. Однако отходы, содержащие никель, медь и молибден, могут быть использованы в шихте в любых количествах, так как угар этих элементов незначителен.
     В дуговых печах успешно перерабатывается металлическая стружка. Количество мелкой шихты, включая стружку, должно составлять 20.30 %, крупной около 30 %, средних размеров 40.50 %.
     При выплавке стали с окислением имеет большое значение порядок введения в расплав легирующих присадок [5].
     Феррохром вводится в печь после предварительного раскисления (при плавке сталей с низким содержанием углерода) или в начале рафинирования (при выплавке высокохромистых сталей). При введении феррохрома в нераскисленную сталь возможно небольшое окисление хрома, но в восстановительный период он переходит из шлака в металл, и усвоение его достигает 95 %.
     Никель и медь почти не угорают в процессе плавки. С этой точки зрения, время присадки их в печь не имеет значения. Но, как правило, медь и никель содержат много водорода или влаги, поэтому целесообразно давать их в завалку. В этом случае водород, внесенный медью и никелем, успешно удаляется в окислительный период.
     Ферромарганец вводится в печь в начале доводки (до раскисления) или после раскисления, в зависимости от этого выплавляют или обычные марки стали, или высокомарганцевые.
     Молибден окисляется незначительно, и основное количество ферромолибдена вводится в печь в окислительный период плавки.
     Вольфрам и ванадий в процессе плавки окисляются интенсивно, поэтому ферросплавы вольфрама и ванадия вводят в восстановительный период плавки.

9

     Титан, используемый для легирования, дополнительного раскисления и изменения структуры, является одним из наиболее активно взаимодействующих с кислородом элементов. Поэтому легирование титаном производят в печи перед выпуском стали или же в ковше.
     Ферросилиций и алюминий применяют обычно в качестве эффективных раскислителей.
     При выплавке кремнистых сталей легирование кремнием осуществляют в печи за 25...30 мин. до выпуска. Алюминием легируют в печи перед выпуском или в ковше.

     Плавка стали переплавом. Плавка стали основным процессом, без окисления применяется преимущественно при выплавке легированных и высоколегированных сталей и сплавов с целью максимального использования легирующих элементов, содержащихся в отходах. Плавку ведут с ограничением окислительных процессов, без подачи руды и кислорода. Шлак, образующийся при плавке, если и удаляют, то только после восстановления легирующих элементов молотым ферросилицием или коксом. В результате существенно повышается усвоение легирующих элементов из металлоотходов. При этом значительно удешевляется стоимость шихты (за счет сокращения расходов дорогих ферросплавов). Кроме того, расход электроэнергии и длительность плавки уменьшаются на 10.20 %.
     Однако при многократном переплаве легирующих отходов содержание водорода и азота повышается, что существенно снижает качество стали.
     В таких случаях применяют метод плавки с окислением, но без удаления окислительного шлака. После расплавления шихты путем продувки ванны кислородом окисляют 0,1.. .0,2 % углерода. Это обеспечивает быстрый нагрев и интенсивное кипение стали. Затем раскисляют шлак молотым ферросилицием и коксом. Легирующие элементы, перешедшие в шлак во время плавления и в окислительный период, восстанавливаются и усваиваются жидкой сталью.

10

            2.1.2. Плавка стали в электродуговых печах с кислой футеровкой



     Процесс плавки стали в электродуговых печах с кислой футеровкой в литейном производстве находит широкое применение прежде всего вследствие высокой стойкости кислой футеровки, низкой стоимости огнеупорных материалов (удельные затраты на футеровку кислых печей в 2,5-3,0 раза меньше, чем основных) и большой производительности.
     В дуговых печах с кислой футеровкой выплавляют простые углеродистые стали, а также стали, легированные хромом, молибденом, ванадием. Шихта состоит преимущественно из возврата собственного производства и стального лома. При использовании более 50 % стального лома в шихте возрастает выше допустимого содержание серы и фосфора.
     Рекомендуется составлять шихту на 70...75 % из крупногабаритных и 25.30 % мелких шихтовых материалов. В шихту можно вводить до 10.12% металлической стружки. При плавке стали в кислой элек-тродуговой печи сохраняются все основные периоды, за исключением восстановительного, который либо вообще отсутствует, либо проводится по упрощенной технологии.
     В окислительный период за счет взаимодействия с оксидом железа, содержащимся в шлаке и образующимся при добавлении железной руды, окисляется 0,1...0,2 % углерода.
     По ходу плавки температура стали повышается, содержание оксида железа в шлаке уменьшается, а кремнезема увеличивается. Это создает условия для восстановления кремния из футеровки и шлака углеродом, растворенным в металле. В зависимости от степени развития этой реакции различают активный и пассивный кремневосстановительный процессы.
     При активном процессе путем снижения активности кремнезема в шлаке (добавкой известняка, извести) содержание кремния в стали ограничивают 0,18.2,20 %.
     При пассивном процессе реакция восстановления кремнезема получает большое развитие, и при очень горячем ходе печи содержание его может превысить допустимые пределы. Регулируя температуру, продолжительность процесса восстановления кремния и шлаковый режим, можно добиться, чтобы содержание кремния не превышало допустимых пределов.

11

     При высоком (в пределах допустимого) содержании кремния последующее раскисление стали ферросилицием не производят.
     Пассивный кремневосстановительный процесс применяется в тех случаях, когда плавка выпускается из печи целиком. Когда же плавка разбирается малыми порциями, этот процесс не пригоден, так как оставшийся в печи металл будет обогащаться кремнием.
     По завершении окислительного периода производят раскисление стали ферромарганцем, ферросилицием и алюминием. Последний обычно вводят в ковш. Оптимальное количество алюминия, обеспечивающее наиболее высокие пластические свойства, определяется окисленностью стали и обычно составляет 0,1.. .0,2 % от массы раскисляемого сплава.


        2.2. Технологические основы плавки стали в индукционных тигельных печах

     Плавку стали в индукционных печах ведут методом переплава. В индукционных печах выплавляют все марки сталей, но особенно перспективно применение печи для получения сталей с низким содержанием углерода и высоколегированных сталей. Для выплавки низко- и среднеуглеродистых сталей используется кислая футеровка. Сплавы, содержащие титан, алюминий, марганец и другие элементы, активно взаимодействующие с кремнеземом, выплавляют в печах с основной футеровкой.
     При плавке стали в индукционных печах используют шихтовые материалы с минимальным содержанием серы и фосфора, так как процессы дефосфорации и десульфурации затруднены вследствие низкой температуры шлака. Состав шихты практически предопределяет состав готового металла, так как угар основных легирующих элементов незначителен и мало зависит от футеровки печи.
     Шихта обычно состоит из отходов углеродистой и легированной сталей, ферросплавов, присадок. Количество возврата в шихте может достигать 100 %. Для получения заданного содержания углерода в шихту вводят электродный бой или кокс. Усвоение их достигает соответственно 90, 70 %.

12