Металлургия стали и сплавов и новые процессы

Металлургия стали и сплавов и новые процессы

Московский институт стали и сплавов.

кафедра металлургии стали

КУРСОВАЯ РАБОТА

по дисциплине

"Металлургия стали и сплавов и новые процессы"

       Группа МЭ-91-1

           Студент Аникушин С. С.

           Преподаватель Клюев М. П.

                                  Введение.

После распада СССР в России осталось около 60 % предприятий черной металлургии. Проблемы, возникшие после распада СССР, в основном волновали отрасль в 1991 году. В течение 1992 года хозяйственные связи были в целом восстановлены. Объемы производства и потребления черных металлов в России стабилизировались к середине 1993 года [2].

Потенциал черной металлургии России определяется производственными мощностями, позволяющими производить (млн. т. год) [3]:

готовый прокат              67

сталь                                            94

чугун                                           61

кокс                                             34

товарная железная руда 103

По прогнозу Комитета РФ по металлургии, в 1993 году будет произведено 42,8 млн. т готового проката. Но сегодня 50 % проката и 60% стали производится в России на устаревшем оборудовании. В 1992 году 51,5 % стали изготавливалось мартеновским способом, 34,5% конвертерным, 14% электросталеплавильным. По прогнозам Комитета по металлургии, в 1993 году эти показатели почти не изменятся. К тому же более 76% стали разливается в слитки, что ведет к перерасходу энэргоресурсов на сумму $210 млн. в год [2].

В целом наша черная металлургия характеризуется следующими особенностями [3]:

   повышенная материало- и энергоемкость производства;

   значительный износ основных производственных фондов, превышающий в целом по отрасли 50%, а по ряду предприятий 70%, невысокий технический уровень производства и связанные с этим качество и конкурентоспособность продукции;

   несбалансированность подотраслей и отдельных переделов, особенно из-за разрыва связей по межотраслевой и внутриотраслевой кооперации сырья и полуфабрикатов;

   крайне неудовлетворительная экологическая обстановка в регионах с металлургической промышленностью.

Основная масса металлургической продукции в России производится по несовременной технологии на морально и физически устаревшем оборудовании, технический уровень которой соответствует шестидесятым годам [3]. Вследствие этого продукция имеет повышенную материало- и энергоемкость.

Распад единого металлургического комплекса особенно остро сказался на минерально-сырьевой базе. В России отсутствуют месторождения и предприятия по добыче марганцевых и хромовых руд, основные запасы которых находятся на Украине и в Казахстане. Недостаточна сырьевая база огнеупорной промышленности [3].

Из-за большого количества устаревших основных фондов металлургия наносит значительный ущерб окружающей среде - 400-450 млрд. руб (цены 1992 г.) [3].

Из-за высоких таможенных пошлин, протекционистских мер и высокой конкуренции практически не поддаются расширению рынки сбыта в Западной Европе, Северной и Центральной Америке. Высоккая ресурсоемкость производства при недостаточно высоком уровне качества обусловливают низкую конкурентоспособность большинства видов готовой продукции и на мировом рынке может конкурировать только 10-15% готовой металлопродукции: электротехническая сталь (частично), арматурная сталь, легированный сортопрокат, рельсы, судовая листовая сталь и некоторые другие, а также полуфабрикаты (чугун, заготовка для передела, горячекатанные рулоны) [3].

Можно выделить следующие основные технологические направления работ по модернизации производства [1,3]:

   комплексное использование сырья;

   более глубокое обогащение руд, максимально возможная переработка накопленного и образующегося металлического лома с целью снижения энергетических затрат;

   совершенствование структуры сталеплавильного производства путем замены мартеновских печей на современные сталеплавильные агрегаты с разливкой стали на МНЛЗ;

   минимизация издержек производства, включая транспортные расходы на перевозку сырья и готовой продукции;

   организация производства отдельных видов металлопродукции, снижающих уделбную металлоемкость национального дохода, включая холоднокатанный лист, коррозионно-защищенные металлические изделия, холодногнутые профили и др.;

   повышение качества стальной заготовки (содержание химических элементов в узких пределах, бездефектная поверхность, качественная макро- и микропродукция.

В относительно краткосрочной (10-20 лет) перспективе наиболее предпочтительными будут конвертерный и электросталеплавильный процессы [1].

В переходный период часть стали будет выплавляться в мартеновских печах. Здесь возможны два параллельно идущих процесса: реконструкция мартеновских печей в прямоточные агрегаты и возврат к классическому мартеновскому процессу без использования кислорода или с весьма ограниченным его применением. При этом длительной перспективы эти процессы не имеют. Идут попытки поиска решений вписать в существующие здания мартеновских цехов конвертеры и электропечи при их соответствии самым современным требованиям, а также разработать новый конкурентоспособный сталеплавильный агрегат (например уже функционирующая в США технологическая схема типа: плавильный агрегат - установка внепечной обработки - установка получения заготовки малого сечения - прокатный стан) [1].

Комитет по металлургии подготовил проект "Национальной программы технического перевооружения и развития металлургии России". В течение 1993-2000 гг. проектом предусмотрена ликвидация мартеновского производства с заменой его конвертерным и электросталеплавильном на заводах в Челябинске, Магнитогорске, Новокузнецке и в Нижнем Тагиле. На других предприятиях будет происходить частичная замена оборудования, что должно увеличить долю производства конвертерной стали к 2000 году до 52% [2].

Все сталеплавильное оборудование, включая конвертеры, электросталеплавильные печи, установки внепечной обработки стали и машины неприрывного литья заготовок, намечается изготовить на отечественных машиностроительных предприятиях и заводах ВПК. По импорту предполагается приобрести лишь электронную и гидравлическую аппаратуру для автоматизированных систем [2].

Ввыполнение национальной программы облегчит создание отраслевого банка, который уже получил лицензию и приступает к работе. Однако не решены еще многие финансовые проблемы отрасли. Предприятия требуют индексировать оборотные средства и просят изменить установленный Минфином порядок выделения бюджетных средств по фактическому освоению капитальных вложений, который противоречит существующему порядку предоплаты счетов за материалы, ресурсы и услуги [2].

Серьезной проблемой остаются недостатки службы сертификации и стандартизации, а также неэффективное функционирование таможенного контроля и портовых хозяйств (в конце 1992 года более миллиона тонн металлопродукции скопилось в портах или брошено на подходах к ним) [2].

За первое полугодие 1993 года инвестиции в отрасль составили 242 млрд. рублей, ожидается, что к концу года они увеличатся до 510 млрд. рублей. В 1992 году они составили 61,7 млрд. рублей [2].

Предприятия уже не ждут помощи из госбюджета, а обеспечивают себя сами, используя прибыль, коммерческие и льготные кредиты. Однако мощности по производству проката и труб в 1992 году были загружены всего на 72 процента. Поэтому большую роль для отрасли играют инвестиции в машиностроительный, нефте-газовый и военно-промышленный комплексы, поскольку это обеспечивает спрос на продукцию [2].

Существенным является тот факт, что 75% средств на выполнение национальной программы у производителей есть (69,9% - свои средства, 5,1% - иносранные инвестиции и коммерческие кредиты). Единственной просьбой к государству остается просьба об отсрочке по платежам таможенных пошлин. Это связано со спецификой пуска нового оборудования , для подготовки которого требуется около года. За счет такой отсрочки отрасль будет иметь недостающие 25% средств на выполнение национальной программы [2].

Но все эти планы и ожидания могут быть перечеркнуты при введении свободных цен на энергоносители. Как показывают расчеты Комитета РФ по металлургии, повышение цен на уголь и энергоносители более чем в три раза приведет к серьезному кризису не только в черной металлургии, но и во мгногих отраслях [2].

В 1992 году приватизацией было охвачено большинствао предприятий отрасли (171 отчитавшееся из 221). Около 70% предприятий (92 из 221) выбрали второй ее вариант (51% акций принадлежит персоналу). Остается пока не достигнутой главная цель приватизации: она не способствует стабилизации производства и не обеспечивает роста производителбности труда. В Комитете РФ по металлургии считают, что существующее законодательство не дает возможности органам  федеральной исполнительной власти оказывать влияние на процессы акционирования подведомственных предприятий. Основным средством государственного влияния комитет видит  сохранение в федеральной собственности на 3 года контрольного пакета акций и выпуск при эмиссии акций этих предприятий "Золотой акции". При этом комитет намерен представлять интересы государства по акциям, закрепленным в федеральной собственности [2].

Разработка технологической схемы производства стали марки 35Г2.

1. Характеристика марки стали 35Г2 [7].

Химический состав.

Назначение - валы, полуоси, цапфы, рычаги сцепления, вилки, фланцы, коленчатые валы, шатуны, болты, кольца, кожухи, шестерни и другие детали, применяемые в различных отраслях машиностроения, к которым предъявляются требования повышенной износостойкости.

Технологические свойства:

Температура ковки, C: начала 1200, конца 800.

Свариваемость - РДС, необходимый подогрев и последующая термообработка, КТС, требуется последующая термообработка.

Обрабатываемость резанием - при HB 156-207 K тв.спл.=0,85,

Флокеночувствительность - чувствительна.

Склонность к отпускной хрупкости - склонна.

2. Анализ состава чугуна, внедоменная обработка чугуна, определение расхода реагентов на обработку.

Химический состав чугуна:

Содержание примесей в целом соответствует оптимальному, за исключением серы, содержание которой в чугуне составляет 0,08% и является недопустимым, т. к. невозможно тогда получить сталь с содержанием серы менее 0,035%. С целью уменьшения содержания серы в чугуне проводится внедоменная десульфурация порошкообразной известью в потоке природного газа в ковшах миксерного типа.

Десульфурация чугуна известью.

[S]н=0,08

[S]к=0,03

Tч=1315С

[S]к=0,005+4,05[S]н/2,2q+0,23(S)изв.

[S]изв.=0,022

q=4,05[S]н/{2,2([S]к-0,005-0,23(S)изв.)}

q=4,05*0,08/2,2(0,03-0,005-0,23*0,022)=7,39 кг/т чуг

3. Определение максимально возможной доли лома.

Приход тепла

1) Qчуг.физ.=100[0,7451200+217+0,88(1290-1200)]=119020 кДж

С=4,8-0,9050,3=4,528

Si=0,85

Mn=0,75-0,9050,1=0,66

P=0,24-0,9050,02=0,222

  Qчуг.хим.=14786*4,528+28160*0,85+7000*0,66+29606*0,222=102079 кДж

3) Gшл.=100[(1+3)*2,14*0,85+1,29*0,66+2,29*0,222+1]/(100-10)=10,71 кДж

    Q FeO=4225*0,01*10*10,71=4525 кДж

4) Q Fe дым=5100*1,5=7650 кДж

Qприх.=233274 кДж

Расход тепла

1) Qст.физ.=90,3[0,7*1500+276+0,84(1539-80*0,3+100-1500)]=128400 кДж

2) Qшл.физ.=10,17(1,25*1615+210)=22666,4 кДж

3) Qгаз.физ.=0,9*4,528*1500*1,176*28/12+0,1*4,528*1500*1,892*44/12=20204 кДж

4) Qдым=(1,23*1500+210)*2,14=4398 кДж

5) Qпот.=(128400+22666+20204+4398)*3/97=5433 кДж

Qрасх.=181101 кДж

Q=233274-181101=52173 кДж

Q'=-1020,79+1284+214,521=477,7 кДж

Gл=52173*[1+477,7/(1190,2+1020,79)]/(1190,2+1020,79)=28,69 %

Повышение доли лома в шихте конвертера достигается путем увеличения прихода тепла в рабочее пространство конвертера. При переходе на работу с комбинированным дутьем несколько снижается количество поступающего в конвертер тепла в следствие меньшего развития окислительных реакций в ванне по сравнению с обычной продувкой кислородом сверху, а также охлаждающего действия донного дутья инертным газом.

С целью увеличения прихода тепла в рабочее прстранство конвертера используют комбинацию увеличения степени дожигания СО и предварительный нагрев лома.

Для увеличения степени дожигания CO используют двухъярусные фурмы. При этом большая часть образующегося CO2 является результатом взаимодействия с СО вторичного кислорода дутья верхнего яруса. При этом объем отходящих газов не увеличивается и нагрузка на газоочистку не возрастает.

Кроме того используют предварительный нагрев лома до 600С в полости конвертера природным газом.

Qдоп. лом=(600-20)*28,69*0,7=11648 кДж

q=11648/(1190,2+1020,79)=5,27%

Qco=0,3*23583*0,3*4,528=9610,5 кДж

q=9610,5/(1190+1020,8)=4,35%

Gл. max=28,69+5,27+4,35=38,31%

4. Продувка.

Комбинированное дутье способствует более полному рафинированию металла от примесей, обеспечивает повышение выхода годного.

Применение донной продувки инертным газом способствует интенсивному перемешиванию металлической ванны и соответственно приближает к равновесию реакции между металлом и шлаком.

Наибольшее распространение из этой группы процессов получил LBE-процесс (Lance-Bubling-Equilibrum), разработанный фирмой ABBED (Люксембург) и институтом IRSID (Франция). Процесс LBE предусматривает вдувание в металлическую ванну через пористые огнеупорные блоки в днище конвертера инертного газа (Ar, N2, CO2) в сочетании с верхним кислородным дутьем. Для верхней продувки используют специальную двухъярусную фурму, в которой кроме обычных сопел, предназначенных для вдувания кислорода в ванну, имеется ряд отверстий для потока кислорода для дожигания CO до CO2. Продувку инертным газом через пористые блоки начинают за несколько минут до окончания кислородной продувки сверху и продолжают ее в течение 1-2 мин после прекращения верхнего дутья. Опыт работы 310- и 210-т конвертеров LBE свидетельствует о повышении выхода годного на 0,5-0,6%, снижении расхода алюминия и кислорода на 1,2 м3/т. Благодаря высоким технико-экономическим показателям LBE-процесс широко внедрен в практику кислородно-конвертерного производства.

Для футеровки используются периклазоуглеродистые огнеупоры. Они обладают высокой термостойкостью, повышенной устойчивостью к проникновению шлака; на их поверхности образуется прочное шлаковое покрытие, которое обеспечивает высокую стойкость футеровки.

С целью повышения стойкости футеровки применяется доломитизированная известь.

Продувка.

Количество окислившихся примесей, кг/100 кг м.ш.

С: 3,06-0,905*0,3=2,788

Si: 0,57

Mn: 0,75-0,905*0,1=0,659

S: 0,033-0,905*0,025=0,01

P: 0,163-0,905*0,02=0,145

Расход кислорода на окисление примесей

C: 0,7*2,788*16/12+0,3*2,788*32/12=4,832

Si: 0,57*32/28=0,65

Mn: 0,659*16/55=0,192

S: 0,1*0,01*32/32=0,001

P: 0,145*5*32/4/31=0,187

Fe: 1,5*3*32/4/56=0,643

[O]: 0,9*0,01*16/32=0,0045

=4,832+0,65+0,192+0,001+0,187+0,643-0,0045=6,5

Определение расхода извести

                                                CaO                 SiO2

из футеровки             0,02                            

из боксита                              0,024               0,12

из извести                              0,7y                 0,03y

из металлошихты                                          1,22

3=(0,044+0,7y)/1,34+0,03y)

y=6,518

Химический состав шлака

масса шлака без оксидов Fe =9,399 кг

FeO=10%

Mшл.=8,319/0,9=10,44 кг

Масса оксидов Fe = 10,44-9,399=0,921 кг

FeO=0,783 кг

Fe2O3=0,261 кг

0,792 Fe уходит в шлак

0,2 кислорода расходуется на окисление до FeO и Fe2O3

=100-0,792-1-0,5-1,5-4,172=92,04

1000/0,9204=1086,78 кг/т - расход металлошихты

383/0,9204=416,12 кг/т - расход лома

O2=6,5+0,2=6,7 кг

95% O2 усвоится

Состав технического кислорода : 99,5% O2, 0,5% N2

Расход технического кислорода : 6,7*22,4/(32*0,95*0,995)=4,962 м3

V N2 =4,962*0,005=0,0248 м3

M N2 =0,0248*28/22,4=0,031 кг

V O2 неусв.=(4,962-0,031)*0,05=0,246 м3

M O2 неусв.=0,246*32/22,4=0,352 кг

M O2 техн.=6,7+0,031+0,352=7,083 кг

q O2 =49,62/0,9204=53,91 м3/т

=53,91/3,5=15,4 мин.

q Ar =6*0,1=0,6 м3/т

  Cостав и количество отходящих газов

    Материальный баланс

Невязка  0,3 (0,26%)

5. Внепечная обработка. Разливка.

Легирование силикомарганецем СМн14

р=1,4/0,8*0,65=2,69 кг/100 кг

[Si]=2,69*0,14*0,8=0,3 кг

[Mn]=0,1+1,4=1,5 кг

[C]=0,3+2,69*0,8*0,025=0,354 кг

[P]=0,02+2,69*0,8*0,0025=0,025 кг

[S]=0,025+2,69*0,8*0,0003=0,026 кг

Ввиду ответственности выплавляемой стали необходимо провести ее внепечную обработку с целью дегазации и усреднения.

Для внепечной обработки используется установка циркуляционного вакуумирования (RH-процесс). Для этого процесса характерна высокая степень удаления водорода, большая гибкость и экономичность. Продолжительность обработки составляет 25 мин.

Используется криволинейная МНЛЗ, которая имеет меньшую общую высоту.

6. Годовая производительность цеха.

Продолжительность цикла:

Производительность цеха в составе 3-х конвертеров, работающих без использования резервного времени.

P=1440*300*0,97*365*2/54=5664800 т/год

7. Таблица удельных расходов на 1 тонну годных заготовок.

8. Выводы.

В резулитате предпринятых мер удалось увеличить долю лома в шихте конвертера до 38,3%. Для процесса применены современные материалы (такие как переклазоуглеродистая футеровка, доломитизированная известь) и современная внепечная обработка стали (RH-процесс), что способствует улучшению технико-экономических показателей и получению стали необходимого качества.

Разработанная технологическая схема производства стали марки 32Г2.

                                 Список использованной литературы.

1.  В.Г. Антипин, С.З. Афонин, Л.К. Косырев "О направлении развития и структуре сталеплавильного производства", "Сталь" №3 1993 г.

2.  Дмитрий Леонтьев "Черная металлургия России не ждет помощи от государства", "Финансовые известия" №45 1993 г.

3.  О.Н. Сосковец "Техническое перевооружение и развитие металлургии в России", "Сталь" №6 1993 г.

4. В.И. Явойский и другие "Металлургия стали", "Металлургия", 1983 г.

5. П.П. Арсентьев и другие "Конвертерный процесс с комбинированным дутьем", "Металлургия", 1991 г.

6. М.П. Клюев "Лекции по металлургии стали",  С.С. Аникушин, Москва, 1993 г.

7. Марочник сталей и сплавов, Машиностроение, 1989 г.