3 Структура екзамеційного білету та приклад еталонної відповіді

Державний вищий навчальний заклад

“Донецький національний технічний університет”

Фізико-металургійний факультет

Напрямок підготовки 6.50401 “Металургія”

Навчальна дисципліна Державний екзамен

Екзаменаційний Білет №

З урахуванням запитів ринку підприємству потрібно організувати виробництво товарних блюмів перерізом 220245 мм із сталі загального призначення Ст3.

1. Охарактеризуйте паливо доменної плавки й основні вимоги до нього. Які функції коксу в процесі виплавки чавуну.

2. Обґрунтуйте вибір сталеплавильного агрегату і технологію виробництва сталі Ст3.

3. Обґрунтувати способи і технологічні параметри розливання сталі Ст3.

4. На яких станах можна катати такі блюми? Охарактеризуйте типовий технологічний процес. Встановіть температурно-деформаційний режим прокатки. Назвіть зовнішні дефекти прокату сталеплавильного походження.

5. Охарактеризуйте макроструктуру злитка спокійної сталі.

6. Задача з економіки підприємства.

7. Комп’ютерне опитування з теорії прокатки і ОМТ.

Затверджено на засіданні вченої ради фізико-металургійного факультету протокол № 5 від 28 травня 2010 року.

Декан факультету С.М.Сафянц

Эталонный ответ на

экзаменационный билет

1. Видами топлив доменной плавки являются кокс, пылеугольное топливо (ПУТ), природный газ, коксовый газ и мазут.

Топливо служит не только для нагрева шихты и ее расплавления, но и как основной химический реагент для восстановительных процессов в доменной печи и науглероживания железа.

Основным видом топлива и химическим реагентом для восстановительных процессов в доменном процессе продолжает оставаться кокс. Его получают из специальных (коксующихся) углей сухой перегонкой в коксовых печах (батареях). Из 1000 кг угольной шихты получают 750–800 кг кокса, 300–330 м³ – коксового газа.

К коксу предъявляют следующие требования:

• высокая теплота сгорания;

• однородность по кусковатости (размеры кусков 25–60 мм);

• достаточная прочность и термостойкость (во избежание образования мелочи при нагреве и окускования при движении вниз по печи);

• неспекаемость в процессе плавки чугуна;

• минимальное количество серы и фосфора;

• малое содержание золы, особенно кремнезема и глинозема, требующих применения флюсов.

Еще в 50-х годах прошлого века на выплавку 1 тонны чугуна расходовали до 950 кг кокса. К началу ХХІ века в Украине и России расходовали на выплавку 1 тонны чугуна до 650 кг кокса, а за рубежом этот показатель снижен до 400 кг.

В себестоимости чугуна 40-60% составляет стоимость кокса.

Тенденция снижения расхода кокса на выплавку чугуна существует давно, но примерно 20 лет тому назад она проявилась очень четко. Обусловлено это рядом причин:

• дефицитом высококачественных коксующихся углей;

• крайне негативным влиянием процесса коксования на окружающую среду;

• резким удорожанием энергоресурсов (в доменном производстве затрачивается 60-65% энергоресурсов) потребляемых металлургическим предприятием).

В разные периоды времени частично заменяли кокс природным газом, мазутом, коксовым газом, антрацитом.

Применение мазута после энергетического кризиса 70-х годов прошлого века практически прекратилось.

В таких больших масштабах как в СССР (в том числе и в Украине) природный газ не применялся нигде в мире. Однако, применение природного газа приводит к повышению удельного расхода энергии. В связи с резким увеличением цен на природный газ его применяют все в меньших масштабах, а в Украине стоит задача его полного исключения из доменного процесса.

Применение коксового газа в доменном производстве аналогично применению природного газа. С экономической точки зрения это тоже нецелесообразно.

Наиболее рациональным заменителем кокса, природного и коксового газа является пылеугольное топливо. Основным достоинством ПУТ является то, что его приготавливают из недефицитных и относительно недорогих некоксующихся углей. Исключается экологически вредный процесс коксования.

Уже достигнут показатель вдувания ПУТ в доменную печь свыше 200 кг/т чугуна, при этом расход кокса снижен до 270 кг/т чугуна (данные по Китаю).

В Украине выплавка чугуна с применением ПУТ освоено в 1963 году на ДМЗ и вплоть до 2007 года это единственное предприятие, где ПУТ применяют постоянно. В связи с резким увеличением цен на природный газ и кокс в конце 2006 года практически все крупные предприятия Украины начали работы по разработке и освоению работы доменного производства с ПУТ.

Экономические расчеты показали, что при полной замене природного газа и частично кокса ПУТ позволит снизить текущие затраты на производство 1т чугуна на 10-20$.

Срок окупаемости установки для подготовки и вдувания ПУТ в Доменную печь – 1,5-2 года.

2. В качестве сталеплавильного агрегата для выплавки углеродистой стали Ст3 принимаю кислородный конвертер. Основные достоинства конвертерного процесса выплавки стали заключаются в возможности переработки чугунов любого состава, использования до 25% лома, выплавки стали широкого марочного сортамента, хорошим временным сочетанием работы с МНЛЗ, малыми затратами на строительство.

Принимаю конвертер вместимостью (емкостью 300 т) как наиболее широко используемый и позволяющий иметь высокую производительность, относительно низкий расход огнеупоров и тепловые потери.

Считаю целесообразным применение конвертера с донной продувкой, которая позволяет повысить выход годного металла на 1-2%, сократить длительность продувки, ускорить плавление лома и снизить высоту здания. Не менее важным является и то, что в отходящих газах содержится значительно меньше плавильной пыли.

Для выплавки стали марки Ст3 используется чугун с химическим содержанием элементов, %: С = 3,8–4,2; Si = 0,3–0,8; Mn = 0,6–0,8; S = 0,02–0,025; P = 0,1–0,3. Чугун из доменного цеха подают в ковшах миксерного типа. Температура чугуна, подаваемого для заливки в конвертер должна быть не ниже 1350С.

Стальной лом применяют в качестве компонента металлической шихты.

Доля чугуна и лома определяются температурой подачи лома в конвертер. При повышении температуры доля лома может быть повышена на 35–40%.

Последовательность операций.

Завалка металлического лома. Лом к контейнеру поступает в совках. Совки с ломом подносят к наклоненному конвертеру и ссыпают в него (сначала легковесный лом, потом тяжеловесный).

Заливка чугуна. Чугун заливают в наклоненный конвертер, после чего конвертер устанавливают в вертикальное положение с одновременным началом продувки кислородом чистотой не менее 99,5%.

Подача сыпучих материалов. Шихтовые сыпучие материалы (охладители, флюсующее добавки) подают в конвертер из расходных бункеров, устанавливаемых над конвертером. Очередность такая: 50% до заливки чугуна, остальное по ходу продувки.

По ходу плавки замеряют температуру и контролируют химический состав металла.

После окончания плавки продувку кислородом прекращают и конвертер наклоняют для слива металла через сталевыпускное отверстие (летку). Под струю металла подают раскислители и легирующие добавки. После окончания слива стали конвертер наклоняют в противоположную сторону и сливают шлак через горловину конвертера.

Кроме металлического лома в конвертерном производстве стали используют железную и марганцевую руду, агломерат, окатыши, окалину.

Любой сталеплавильный процесс является окислительным процессом. Сталь получается в результате окисления и удаления большей части примесей чугуна – углерода, кремния, марганца, фосфора. В конвертерном производстве стали окисление этих элементов происходит за счет продувки ванны металла кислородом.

Большую роль в процессе получения стали играет шлак. Функции шлака при конвертерном производстве стали:

– связывает все окислы (кроме СО), образующиеся в процессе окисления примесей чугуна;

– защищает металл от насыщения газами, содержащимися в атмосфере конвертера.

Для образования шлака используют известь, известняк, боксит, плавиковый шпат.

Для раскисления и легирования стали применяют ферросплавы (FeMn, FeSi, SiMn, FeCr, FeV).

При донной продувке конвертера фурмы (их 7–12) устанавливают в одной половине днища конвертера так, чтобы при наклоне конвертера они были выше уровня жидкого металла. При использовании такой схемы продувки – ее начинают когда конвертер наклонен, а потом уже приводят его в вертикальное положение.

Поскольку присутствие кислорода в твердой стали обусловливает ухудшение качества, то производят ее раскисление.

В задании обусловлено получение слитка спокойной стали (см.п.5), то для раскисления предлагаю использовать алюминий, который имеет достаточно высокую раскислительную способность.

3. Предлагаю применить для разливки Ст3сп сифонную разливку на поддоны с четырьмя изложницами. Схема разливки такова:

Рисунок 1 – Схема сифонной разливки стали в слитки: 1 – разливочный ковш; 2 – центровая с воронкой; 3 – прибыльная надставка; 4 – изложница; 5 – поддон; 6 – сифонный кирпич

В связи с тем, что емкость конвертера принята 300 т, то принимаю разливочные ковши емкостью по 150 т и разливку стали в них производить одновременно. Сифонная разливка стали имеет следующие достоинства:

– получение хорошей поверхности слитка;

– возможность заливки одновременно нескольких слитков, что увеличивает скорость, а следовательно, снижает время разливки.

Сифонная разливка имеет и недостатки:

– потери металла в виде литников;

– более сложная сборка составов, значительно больше требуется огнеупоров.

Однако, поскольку емкость ковша достаточно велика, а слитки массой более 8 т для обжимного стана делать не целесообразно, то превалирующим фактором становится высокая скорость разливки, а при сифонном способе она выше.

Как видно из схемы приняты уширяющиеся к верху изложницы с утепляющей прибыльной надставкой. Прибыльная надставка способствует сосредоточению усадочной раковины в головной части слитка, а сама изложница обеспечивает более высокую температуру посада слитков в нагревательные устройства.

Основными параметрами разливки стали в слитки являются температура и скорость разливки.

При выпуске стали из конвертера температура стали должна быть в зависимости от химического состава и способа разливки выше на 60–100С температуры ликвидуса. Для стали Ст3 температура ликвидуса 1530С.

Далее надо учитывать то, что после выпуска из конвертера производят выдержку металла в ковше, необходимую, для всплывания неметаллических включений. При этом температура в ковше снижается на 10С, а за счет потерь тепла от контакта с кладкой ковша и лучеиспускания при разливке снижается еще на 10–15С. При сифонной разливке потери температуры металла происходят за счет контакта с центровой и сифонных проводках. Эти потери оценивается в 15–20С.

Следовательно, в нашем случае температура металла на выпуске из конвертера должна быть 1610С.

Различают массовую и линейную скорости разливки стали. Массовая скорость разливки характеризует количество стали, вытекающей из ковша или поступающей в изложницу в единицу времени. Линейная скорость разливки дает представление о скорости подъема зеркала металла в изложницах.

Для сифонной разливки спокойной стали можно принять скорость разливки в диапазоне 0,3–0,6 м/мин.

Установка в качестве сталеплавильного агрегата конвертера позволяет в дальнейшем отказаться от слиткового передела и перейти на непрерывную разливку стали. Так было сделано на ОАО «Енакиевский металлургический завод».

4. Для прокатки блюмов сечением 245245 мм наибольшее распространение получили одноклетевые дуо-реверсивные блюминги с диаметром валков 11001150 мм. Схема типового блюминга 1150 приведена на рисунке 2.

Исходным материалом для таких блюмингов служат слитки весом 5 – 10 т и выше, а при прокатке слябов – до 20 т.

Оборудование блюминга расположено в трех параллельных пролетах.

Первый пролет представляет собой изолированное помещение электромашинного зала, в котором установлена электрооборудование стана: электродвигатель, преобразователь, возбудители, панели управление и пр. Во втором пролете помещаются все механизмы стана. Третий пролет, называется скрапным, предназначен для уборки окалины от стана и обрезков от ножниц.

В общем случае технологический процесс производства указанных блюмов имеет следующую последовательность операции.

Рисунок 2 – Схема расположения оборудования современного одноклетевого дуо-реверсивного блюминга 1150: I – здание нагревательных колодцев; II – машинный зал; III – пролет стана; IV – скрапной пролет; V – склад блюмов и слябов; VI – помещение для подачи коксика и уборки шлака; 1 – нагревательные колодцы; 2 – слитковоз; 3 – приемный рольганг со стационарным опрокидывателем; 4 – поворотный стол; 5 – рабочие рольганги; 6 – манипулятор; 7 – рабочая клеть; 8 – машина огневой зачистки; 9 – ножницы; 10 – конвейер для обрезков; 11 – сталкиватель; 12 – штабилирующий стол для уборки слябов; 13 – холодильник для блюмов; 14 – колодцевый кран 20/30 т; 15 – мостовой кран 10 т; 16 – мостовой кран 100/20 т; 17 – мостовой кран 75/15 т; 18 – мостовой кран 15/3 т; 19 – мостовой кран с подхватами 15 т; 20 – мостовой кран 5 т

Нагретые в нагревательных колодцах стенки до температуры 12701300С при помощи клещевого крана извлекают из колодцев и передают на приемный рольганг непосредственно (из ближних ячеек) или при помощи слитковоза. Температура посадки слитков и время нагрева принимают следующими:

– при t посадки равной 500950С, время нагрева составляет 5,52,75 часа;

– при t посадки равной 400С и ниже, время нагрева составляет 6,08,0 часов.

На приемном рольганге группируются по 2–3 штуки и прокатывают как единое целое, т.е. реализовывается многослитковая прокатка.

С передней и задней стороны блюминга имеются рольганги, которые служат для подачи слитков к прокатным валкам, для перемещения прокатываемой полосы вперед и назад во время прокатки, для транспортировки прокатанной полосы к ножницам и от ножниц блюмов и слябов, для отправки на склад или к следующему стану.

Перемещение полосы по рольгангу от калибра к калибру вдоль бочки валков с обеих сторон рабочей клети производится манипуляторами.

Для кантовки полосы с передней стороны стана на одной из линеек манипулятора установлен крюковой кантователь с самостоятельным приводом.

Режим обжатий для прокатки вышеуказанного блюма имеет примерно следующий вид:

сечение слитка, мм
вес слитка, т	4,5
число проходов	15,5
суммарный коэффициент вытяжки	7,07,5
средний коэффициент вытяжки	ср1,15
максимальное обжатие за проход, мм	100
среднее обжатие за проход, мм	64
максимальный угол захвата, 	26
число кантовок, шт	5
температура конца прокатки, С	11001150

Прокатанные блюмы рольгангом перемещаются к ножницам или прессу, которые установлены на расстоянии 40–60 м от оси стана. На ножницах производится обрезка переднего и заднего концов, а также порезка, если требуется прокатанной полосы на мерные длины. Обычно устанавливают ножницы с подвижными верхним и нижним ножами, причем резание происходит снизу вверх. Усилие ножниц зависит от сечения полосы и сопротивления срезу при температуре металла в момент резки; колеблется оно в пределах 900–1600 т.

Оборудование расположенное на ножницах блюминга, зависит от того, какие станы обслуживает блюминг. Показанный на рисунке блюминг прокатывает блюмы крупных сечений для рельсобалочных и крупносортных станов и слябов для листопрокатных станов.

В этом случае блюмы и слябы взвешивают на весах, встроенных в рольганге за ножницами, и транспортируют к уборочным устройствам, расположенным на складе блюмов и слябов. Пролеты склада перпендикулярны к пролету стана.

Дефектами сталеплавильного происхождения на блюмах являются следствием неоднородности слитка: физической, кристаллической и химической. В этой связи различают следующие дефекты прокатной продукции:

а) внутренние дефекты слитков: усадочная раковина, усадочная рыхлость, ликвация, газовые пузыри, неметаллические включения, плены, трещины (поперечные и продольные), рослость, усадка;

б) поверхностные дефекты слитков, выявляемые при прокатке:

– плены на прокатанных заготовках;

– поперечные рванины на поверхности заготовок, характеризующиеся неправильным очертаниями контура разрыва, а также большой глубиной (причина возникновения – пониженная пластичность слитков вследствие нарушения технологии выплавки и разливки);

– волосовины – мелкие продольные трещины, вытянутые вдоль прокатанной заготовки (причина возникновения – наличие газовых пузырей и неметаллических включений).

5. Слитки имеют квадратное и прямоугольное поперечное сечение. Такие слитки удобны для транспортировки и имеют ряд преимуществ при нагреве в нагревательных устройствах.

В последнее время при прокатке сортовой стали применяют слитки с прямоугольным поперечным сечением. Во-первых, слитки прокатывают на блюминге, как правило, за нечетное число проходов. Следовательно, при прокатке слитка прямоугольного сечения обжатие по одной стороне будет на один проход больше, что обеспечит получение квадратного блюма. Во-вторых, слитки прямоугольного сечения обеспечивают лучшие условия кристаллизации и нагрева.

Строение стального слитка, отлитого из спокойной стали представлена на рисунке 3.

Поступающая в изложницы сталь быстро охлаждается стенками изложницы, образуя по граням тонкую корку мелких и спутанных между собой кристаллов. Эти кристаллы равноосны и называются мелкоглобулярными.

За этим слоем мелких кристаллов к центру слитка идут вытянутые перпендикулярно к стенкам изложницы столбчатые кристаллы. Они получаются удлиненными или вытянутыми в связи с тем, что застывание стали здесь идет медленнее, так как, во-первых, стенки изложниц уже нагрелись и, во-вторых, жидкий металл не прикасается непосредственно к стенкам изложниц, а находится как бы в сосуде, стенками которого является застывшая, но еще горячая сталь.

Рисунок 3 – Строение стального слитка, отлитого из спокойной стали (продольный разрез): 1 – наружный слой, состоящий из мелких кристаллов; 2 – зона столбчатых вытянутых к центру слитка кристаллов; 3 – крупные беспорядочно ориентированные кристаллы; 4 – усадочные пустоты и рыхлость; 5 – усадочная раковина; 6 – металлический мост

Столбчатые кристаллы зарождаются в меньшем количестве и для своего роста имеют больше времени. Такие кристаллы называют дендритами, а область их распространения – областью транскристаллизации.

Растущие столбчатые кристаллы оттесняют к середине слитка различные примеси стали – фосфор, серу, углерод, марганец и др. Происходит «вымораживание» более чистой стали, а в жидком виде остается относительно более легкоплавкая сталь меньшей чистоты. Загрязнение стали примесями имеет место, главным образом, у концов растущих кристаллов, т. е. ближе к центру слитка. Кристаллизация, таким образом, протекает избирательно.

При дальнейшем, еще более медленном остывании стали, в изложнице создаются условия для медленного роста кристаллов. Поэтому кристаллы достигают большой величины и по форме глобулярны (равноосны), так как их росту ничто не мешает.

В середине слитка, где имеется большое скопление неметаллических включений, которые являются центрами кристаллизации, образуются тоже равноосные, но мелкие кристаллы. Эти кристаллы представляют собой беспорядочно направленные дендриты.

В головной части слитка спокойной стали располагается усадочная раковина, образующаяся вследствие уменьшения объема стали при переходе ее из жидкого состояния в твердое. Верхняя часть слитка обычно пористая с многочисленными раковинами.

В нижней части слитка наблюдается плотное, мелкокристаллическое строение в виде конуса. Такое строение объясняется интенсивным охлаждением низа слитка толстым поддоном и возможным оседанием кристаллов во время отвердевания осевой части слитка.

Кристаллизация стали при застывании зависит от многих факторов, главными из которых являются: а) температура и скорость разливки; б) химический состав стали; в) степень раскисленности стали; г) величина слитка; д) толщина стенок изложниц.

В зависимости от условий остывания получает развитие та или иная область кристаллизации.

Конструктивно уклон боковых сторон для слитка спокойной стали принимают равным 3–4% (на каждую сторону) его высоты. Масса прибыли равна 14–16% общей массы слитка. Отношение высоты к стороне среднего сечения слитка спокойной стали – не более 3 (если принять высоту слитка без прибыли). При определении размеров слитка следует учитывать, что плотность спокойной стали равна 7300 кг/м³.

6. Новодиться рішення задачі з економіки підприємства.