Устройство и работа ДСП (Электрометаллургия стали)

РАЗДЕЛ 1.
1.1 Устройство и работа ДСП
1.2. Периоды плавки в ДСП
1.2.1 Окислительный период плавки в ДСП
1.2.2 Восстановительный период плавки в ДСП
1.3 Технология электроплавки в ДСП
1.3.1 Плавка в основной печи на углеродистой шихте.
1.3.2 Технология - выплавка стали способом переплава.
1.3.3 Выплавка высококачественных сталей по упрощенной технологии с последующим внепечным рафинированием стали.
1.3.4 Технология - плавка с использованием металлизованных окатышей.
1.3.5 Выплавка стали в кислых дуговых печах.
РАЗДЕЛ 2. Описание и применение стали 40Х.
2.1 Расшифровка стали 40Х
2.2 Химический состав стали
2.3 Область применения
РАЗДЕЛ 3. Расчёт материального баланса стали 40Х в печи ДСП-10.
3.1 Расчет шихты перед завалкой.
3.2 Плавка шихты
3.3 Расчет шлака в периоде плавления
3.4 Этап окислительной плавки
3.5 Определяем массу шлака окислительного периода.
3.6 Расчет расхода раскислителей и легирующих на выпуске
РАЗДЕЛ 4. Тепловой баланс плавки.
4.1 Рассчитаем тепло, затрачиваемое на нагрев и плавление стали:
4.2 Рассчитаем тепло, затрачиваемое на нагрев шлака:
4.3 Рассчитываем тепло, генерируемое в результате экзотермических реакций:
4.4 Рассчитаем тепловые потери печи
4.4.1 Тепловые потери через кладку в стене:
4.4.2 Тепловые потери через свод:
4.4.3 Тепловые потери через под печи:
4.5 Расчет тепловых потерь через рабочее окно.
4.6 Потери тепла с удаляемыми газами.
4.7 Потери тепла с охлаждающей водой.
4.8 Определение потерь, аккумулированной кладкой.
4.9 Тепловые потери при горении электродов
4.10 Подвод электроэнергии.
4.11 Потери электроэнергии состаляют:

РАЗДЕЛ 1.
1.1 Устройство и работа ДСП
В наши дни в условиях заводского производства - выплавки стали и другого ряда металлических сплавов в индустриальных объемах эксплуатируют дуговые сталеплавильные печи ДСП. В частности в дуговых сталеплавильных печах относительно легко реализуется качественная плавка высоколегированных и легированных сталей, получать которые в мартеновских и конвертерных печах происходит сложно либо вовсе невозможно.


Рисунок 1 – Действующая печь ДСП

В ДСП тепловой эффект в рабочей камере реализуется за счёт организованной электрической дуги, с помощью которой и происходит плавка металла. Тепловой мощности от дугового разряда достаточно для того, чтобы обрабатывались даже высоколегированные металлические сплавы. Замкнутая область под сводом печи ДСП в ряде случаев прогревается до температуры 1800 ºС, а в редких случаях и свыше 2000 ºС. Производительность индустриальных печей ДСП начинается, как правило, от 100 кг и может достигать 400 тонн металла за разовую плавку.
Из истории известно, что первые работоспособные и надежные образцы дуговых сталеплавильных печей стали появляться на рубеже девятнадцатого и начале двадцатого веков. Многочисленная же эксплуатация печей ДСП происходила после окончания Второй Мировой войны.

Рисунок 2 – Загрузка металлического лома в печь ДСП

Устройство печи ДСП, эксплуатируемой в металлургической индустрии простое и включает в себя следующие компоненты:
1. Рабочая ванна, то есть футерованный объем, куда осуществляется загрузка исходного сырья и где происходит плавка при высокой температуре;
2. Система энергоснабжения печи ДСП, с помощью которой возможно осуществлять регулирование вкладываемой мощности;
3. Электродная система, способная организовывать дуговой разряд в обрабатываемом материале;
4. Специализированное механическое устройство, загружающее, выгружающее и очищающее рабочее пространство дуговой сталеплавильной печи;
5. Свод печи, выполненный в виде купола;
6. Огнеупорные ограждения, снижающие тепловые потери агрегата и повышающие в целом КПД печи.
Свод печи содержит в себе футеровку из огнеупорного кирпича, а на внешней поверхности располагаются водоохлаждаемые панели. Сквозь свод через специальные отверстия проходят и закрепляются электроды. Каждый из электродов способен перемещаться в продольном направлении вверх и вниз. Вкладываемая мощность печи ДСП определяется расстоянием от торцев электрода до зеркала ванны. Печь ДСП, как правило, эксплуатируется от трёхфазной сети переменного тока, реже можно встретить печи ДСП, эксплуатируемые от источников постоянного тока. В систему энергоснабжения печи ДСП входит специальный силовой трансформатор.


Рисунок 3 – Наведенный расплав в печи ДСП

Эксплуатация печей ДСП происходит следующим образом:
1. Изначально, перед процессом плавки, печь осмотривается на предмет различных дефектов. При обнаружении дефектов по возможности производится их устранение в противном случае печь выводится на внеплановый ремонт, который может занимать продолжительный период по времени;
2. После визуальной проверки печи и в случае исправности происходит загрузка печи металлической шихтой в рабочую область. Исходная шихта засыпается сверху, с использованием специального погрузчика. В зависимости от технологи, дополнительно в печь добавляются различные присадки, которые могут составлять несколько процентов от основной загрузки;
3. Затем происходи установка электродной системы в рабочее положение. За счет правильно выбранного расположения электродов обеспечивается стабильный режим горения дуги без срывов. Практически, что рабочего, постоянно эксплуатирующего дуговые электропечи, установка электродов в рабочее положение – дело техники;
4. После установки электродной системы в рабочее положение происходит включение печи ДСП. Исходное загруженное сырье начинает плавиться, образуя при этом на поверхности расплавленного металла шлак;
5. Образуемый шлак с постоянной периодичностью удаляется рабочим через специальное рабочее окно в печи;
6. В процессе плавки сырья по необходимости добавляются различные шлакообразующие химические добавки, которые способны удаляться фосфор;
7. С целью снижения угара металла и более эффективного способа удаления шлака с зеркала расплава, необходимо вводить углеродосодержащие вещества, с целью вспенивания шлака;
8. Расплав стали выпускается через специальное отверстие и жёлоб в печи. Сама печи, в которой находится расплав, наклоняется и расплав стекает в ковш-печь. Известны модели печей ДСП, которые имеют донный выпуск расплава и при этом не происходит наклона печи;
9. Рабочее окно с заслонкой так же используется для контроля плавки. Через него можно как измерить температуру плавки, так и взять образцы металла на пробу. В печах малого размера через рабочее окно добавляются шлакообразующие добавки;
10. Перед тем, как произвести выпуск готовой стали, в ковш-печь нужно добавить раскислители и легирующие вещества. Чтобы избавиться от шлака, в ковш добавляются специальные добавки.
Большинство современных моделей дуговых электропечей используются для плавления железного лома, из которого получают высококачественную сталь. Готовый продукт передаётся на следующий этап обработки. Возможности дуговой сталеплавильной печи позволяют выплавлять огромное количество сортов сталей и чугунов.


РАЗДЕЛ 3. Расчёт материального баланса стали 40Х в печи ДСП-10.

3.1 Расчет шихты перед завалкой.

Таблица 3.1 – Химический состав стали 40Х (ГОСТ 4543-71), %
C Si Mn Ni S P Cr Cu
0,36 0,17 0,5 До 0,3 До 0,035 До 0,035 0,8 До 0,3
0,44 0,37 0,8 1,1

Таблица 3.2 – Химический состав шихтовых материалов, %
Состав шихты, % C Si Mn P S Cr Ni Cu
Не более
Углеродистый лом 2А, 3А 0,3 0,2 0,4 0,05 0,05 - 0,2 0,3
Легированный лом Б1, Б3 0,7 0,6 0,7 0,03 0,03 1,1 0,3 0,3
FeSiMn 17 0,05 12 75 0,35 0,03 - - -
FeMn 78 7,0 2,0 78,0 0,35 0,03 - - -
FeSi 65 - 65 0,4 0,05 0,02 - - -
FeCr 850 8,0 2,0 - 0,03 0,08 65 - -
Науглероживатель типа «С» 99,0 - - - 0,04 - - -
Кокс 80,0 - - - 2,0 - - -

Таблица 3.3 – Химический состав шлакообразующих, %
Ш/о, % CaO MgO SiO2 Al2O3 Fe2O3 P2O5 CO2 S Al CaF2
Известь 92 3,3 2,5 1,0 0,60 0,10 0,20 0,01 - -
Плавик. шпат 0,40 - 3,1 0,2 0,8 - 0,3 0,2 - 95,0
АКС - - - 53-75 - - - - 23-35 -

Таблица 3.4 - Химический состав металлошихты в завалку, кг
Материал Вес, кг C Si Mn P S Cr Ni Cu Fe
Лом 2А, 3А 7000 21,00 14,00 28,00 3,50 3,50 - 14,00 21,00 6895,00
Лом Б1, Б3 3000 21,00 18,00 21,00 0,90 0,90 33,00 9,00 9,00 2887,00
Всего 10000 42,00 32,00 49,00 4,40 4,40 33,00 23,00 30,00 9782,00

3.2 Плавка шихты
На данном этапе в печь дополнительно подают известь в количестве 4 % и кокс – 0,4 % от исходной загрузки.
В процессе плавки окисляются компоненты [1]:

3.2.1 C
На угар С затрачивается 20 % от исходной загрузки:
42,00 • 0,2 = 8,40 кг.
В расплаве останется С:
42,00 – 8,40 = 33,60 кг.

3.2.2 Si
На переход Si в шлак затрачивается 70 % от исходной загрузки:
32,00 • 0,7 = 22,40 кг.
В расплаве останется Si:
32,00 – 22,40 = 9,60 кг.

3.2.3 Mn
На переход Mn в шлак затрачивается 50 % от исходной загрузки:
49,00 • 0,5 = 24,50 кг.
В расплаве останется Mn:
49,00 – 24,50 = 24,50 кг.

3.2.4 Cr
На переход Cr в шлак затрачивается 10 % от исходной загрузки:
33,00 • 0,1 = 3,30 кг.
В расплаве останется Cr:
33,00 – 3,30 = 29,70 кг.

3.2.5 P
На угар P затрачивается 60 % от исходной загрузки:
4,40 • 0,6 = 2,64 кг.
В расплаве останется P:
4,40 – 2,64 = 1,76 кг.

3.2.6 S
Принимаем, что S остается в металле.

3.2.7 Fe
На угар Fe затрачивается 2 % от исходной загрузки:
9782,00 • 0,02 = 195,64 кг.
В расплаве останется Fe:
9782,00 – 195,64 = 9586,36 кг.

3.2.8 Определяем количество O, которым происходит окисление примесных включений на этапе плавки.

Таблица 3.5 – Определение необходимого О
Химический элемент Окисляется, кг Химическое уравнение Необходимо О, кг
C 8,40 С + 0,5О2 = СО 11,2
Si 22,40 Si + О2 = SiО2 25,6
Mn 24,50 Mn + 0,5О2 = MnО 7,1
Cr 3,30 2Cr + 1,5О2 = Cr2О3 1,5
P 2,64 2Р + 2,5О2 = Р2О5 3,4
Fe 195,64 • 0,88 2Fe + 1,5О2 = Fe2О3 73,7
Fe 195,64 • 0,12 Fe + 0,5О2 = FeО 6,7
Итого 256,88 - 129,2

Исходя из полученных данных таблицы 3.5 получаем, что из 195,64 кг Fe 85 % окисляется до Fe2O3 и удаляется в газовом виде в зоне дугового разряда. Остальные 12 % окисляются до FeO, 3 % до Fe2O3, которые поступают в шлак.
Определяем О в металле согласно следующей зависимости для области концентраций [C] ≥ 0,1 % [2]:

Во 2-м разделе следует выполнить описание и применение Вашей марки стали.

В 3-м разделе необходимо произвести расчёт материального баланса электроплавки в ДСП или ВИП в зависимости от Вашей марки стали.

В 4-ом разделе следует произвести расчёт энергетического баланса плавки Вашей марки стали в печи, которую Вы выбрали для плавки Вашей марки стали.