本科专业课程设计 年产量100万吨板坯连铸生产工艺设计.docx
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本科专业课程设计年产量100万吨板坯连铸生产工艺设计
北京科技大学
专业课程设计
题目:
年产量100万吨板坯连铸生产工艺设计
(典型产品:
45钢和Q195钢)
班级:
材控082
学号:
XX
姓名:
XX
学院:
材料科学与工程学院
专业名称:
材料成型及控制工程
指导教师:
XX
2012年1月12日
本科生专业课程设计
题目:
年产100万吨板坯连铸生产工艺设计
典型产品:
45钢和Q195钢
学院:
材料科学与工程学院
专业:
材料成型及控制工程
班级:
XX
学生:
XX
学号:
XX
指导教师:
XX
成绩:
项目
评分
权重
平时成绩
0.2
说明书及图纸
0.4
答辩评分
0.4
综合成绩
1.设计任务书
学生姓名:
XX学号:
XX
1.1题目年产量100万吨板坯连铸生产工艺设计
已知:
1.某钢铁厂拟新建一板坯连铸车间,生产的典型钢种为优质碳素结构钢板45、碳素结构钢板Q195,化学成分是:
45钢:
C:
0.42~0.50,Si:
0.17~0.37,Mn:
0.50~0.80,P:
≤0.035,S:
≤0.035,Cr:
≤0.25,Ni:
≤0.25,Cu:
≤0.25;Q195钢:
C:
≤0.06~0.12,Si:
≤0.30,Mn:
0.25~0.50,P:
≤0.045,S:
≤0.05,Cr:
≤0.30,Ni:
≤0.30,Cu:
≤0.30。
2.铸坯规格为:
200,270mm×1800,2100mm(厚度×宽度)。
3.计划采用的转炉容量为100吨,冶炼时间为50分钟。
1.2设计任务
1.编写产品大纲,制定典型产品的生产工艺流程。
2.确定连铸设备参数,如连铸机的类型、数量、流数、中间包容量等;提出生产需要的有关设备清单。
3.确定连铸主要工艺参数,如钢水的浇注温度、浇注时间、拉坯速度、板坯尺寸以及冶炼与连铸机的配合。
4.编制金属平衡图。
5.连铸浇注周期、连铸机作业率、连铸坯收得率、连铸机生产能力计算。
6.撰写设计说明书。
1.3日程安排
2011.12.30~2011.12.31查阅国内外技术资料,制定总体工艺方案;
2012.01.01~2012.01.10连铸工艺设计;
2012.01.11~2012.01.12编写设计说明书;
2012.01.13答辩。
1.4参考书目
[1]陈家祥主编.连续铸钢手册.冶金工业出版社.1991.12.
[2]李传薪主编.钢铁厂设计原理(下).冶金工业出版社.1995.5.
[3]《中国冶金报》社编.连续铸钢500问.冶金工业出版社.2002.6.
[4]李慧主编.钢铁冶金概论.冶金工业出版社.1993.11.
[5]陈雷.连续铸钢.冶金工业出版社.1994.5.
[6]贾凌云.转炉-连铸工艺设计与程序.2005.10
2.车间概述
2.1产品大纲
根据设工艺计任务书要求,现将产品大纲制定如下:
1.生产规模
年产量100万吨连铸板坯
产品规格及分类
铸坯断面/mm×mm
钢号
钢种
年产量/wt
比例/%
200×1800
45
优质碳素结构钢
25
25
200×2100
45
优质碳素结构钢
25
25
270×1800
Q195
碳素结构钢
25
25
270×2100
Q195
碳素结构钢
25
25
2.2生产工艺流程
本连铸车间的的生产工艺流程为:
将装有精炼好钢水的钢包通过天车运至回转台,回转台转动到浇注位置后,将钢水注入中间包,中间包再由水口将钢水分配到各个结晶器中去。
结晶器是连铸机的核心设备之一,它使铸件成形并迅速凝固结晶。
拉矫机与结晶振动装置共同作用,将结晶器内的铸件拉出,经冷却、电磁搅拌后,切割成一定长度的板坯.将原料送入100吨转炉冶炼后,再由精炼炉精炼,制得的钢水装入钢包,经天车运至钢水包回转台。
回转台转动到浇注位置,将钢水注入中间包,中间包再经水口将钢水分配到各个结晶器中。
钢水在结晶器中迅速凝固成形,得到带液心的铸坯,铸坯经由二次冷却装置冷却,拉坯矫直装置矫直后,送交切割机切成符合用户要求的板坯长度,再由打印机打印注明生产批次及相关数据。
得到的板坯经垛板台垛板后,一部分经热送辊道送入轧钢车间,余下部分未充分冷却的送入冷床冷却,之后一并清理检查,再次交友冷床冷却,之后作为车间成品外运。
其生产工艺流程图如图2-2-1所示:
图2-2-1
3.连铸主要工艺参数
3.1浇注温度
所谓浇注温度通常是指开浇5分钟之后,中间罐内距钢水注入点最远的一流水口区域的钢水温度。
连铸钢水必须具有稳定而合适的温度,不得过高或者过低。
钢水温度过低,会在钢包或中间包中结瘤冻结,导致在浇注中断并恶化铸坯表面质量,钢水温度过高,会使铸坯柱状晶发达,这将促进中心偏析、疏松、和裂纹等缺陷的发展。
从凝固理论的角度来看,浇注温度应尽量接近液相线温度,以获得较宽的等轴晶区,从而减轻铸坯的中心偏析和内列缺陷,改善铸坯质量。
3.1.1液相线温度的计算
对掺有合金元素的钢种而言,钢水凝固温度TL通常用以下公式计算
TL=1537℃-(88C%+8Si%+5Mn%+30P%+25S%+5Ca%+4Ni%+2Mo%+2V%+1.5Cr%)(3-1-1)
对于本车间生产的45钢及Q195钢按照国家标准其化学成分如表3-1-1所示:
表3-1-1
代表
钢号
化学成分%
C
Si
Mn
P
S
Cr(V)
Ni(Nb)
Cu
其它
45
0.42-
0.50
0.17-
0.37
0.50-
0.80
≤0.035
≤0.035
≤0.250
≤0.250
≤0.250
Q195
0.06-
0.12
≤
0.30
0.25-
0.50
≤0.045
≤0.050
≤0.300
≤0.300
≤0.300
故将以上数据代入式3-1-1计算可得:
(有范围的取中间值计算其余取最大值计算)
TL45=1487.8℃
TLq195=1520.6℃
3.1.2浇注温度的确定
浇注温度应该等于各钢种的液相线温度加上过热度,即
T浇=T液+△T0
其中△T0即为钢种的过热度
各钢种过热度如表4-1-2所示
表3-1-2
钢种类别
过热度℃
非合金结构钢
10-20
铝镇静深冲钢
15-30
厚板材热轧钢
5-20
取过热度为15℃,则本车间所生产的两种钢种的浇注温度分为别
45钢:
T浇1=1502.8℃
Q195钢:
T浇2=1535.6℃
由于浇铸温度与铸坯表面和内部质量均有着密切关系,而能满足两者要求的温度区域又比较窄,因此浇铸温度与目标值之间不能有太大的波动。
浇铸温度的波动范围最好控制在±5℃之内。
为此,对钢包的吹氩操作,钢包和中间包的热工状况要严格管理。
3.2拉坯速度
单位时间内,从结晶器下口拉出铸坯的长度称为拉坯速度,其单位一般用m/min表示。
实际生产中往往还采用浇注速度这一术语。
所谓浇注速度,是指单位时间内浇入结晶器的钢水量,其单位通常采用t/min或kg/min。
二者可以相互转换,转换关系如下:
式中G:
单位时间钢水浇注量,t/min;
V:
拉坯速度,m/min;
F:
连铸坯断面面积,㎡;
d:
连铸坯比密度,t/m³。
当连铸坯的断面面积与流数确定后,拉坯速度的大小将决定了铸机的生产能力。
拉坯速度越大,连铸机的生产能力就越大。
对于本车间生产的板坯而言,由于宽厚悬殊较大,故决定拉矩的主要为厚度,其公式如下:
式中V:
拉坯速度,m/min;
D:
板坯厚度,mm;
f:
经验系数,m·mm/min,板坯取值为350-500。
计算可得:
V200×1800=1.75m/minV200×2100=1.75m/min
V270×1800=1.30m/minV270×2100=1.30m/min
为验证拉速计算值的实际操作能力,在连铸工艺中常常引入铸机最大拉坯速度的概念对拉坯速度进行检验。
其计算式为:
式中Vmax:
最大拉坯速度,mm/min;
L:
铸机长度,m,一般为700-950mm;
k:
凝固系数,mm·min-1/2;(一般取20-25)
S:
铸坯凝固壳厚度,mm,小断面铸坯坯壳安全厚度为8-10mm,大断面铸坯坯壳厚度≥15mm。
。
代入数值得:
显然,上述步骤中计算得拉坯速度都是有效的。
3.3浇注时间
3.3.1每包钢水最大允许浇注时间
经验公式:
式中,[tm]:
每包钢水最大允许浇注时间,min;
Q0:
钢包容量,t;
f:
质量系数。
(要求严格的钢种取10,要求低的取16.)
由于本车间所生产板坯均为优质钢材,故f取12,计算可得
[tm]=72min
3.3.2每包钢水的浇注时间
每包钢水的浇注时间,其计算公式如下:
式中tm:
每包钢水的浇注时间,min;
Q0:
钢包容量,t;
γ:
带液芯钢坯的密度,取7.6t/m³;
d:
板坯厚度,m;
W:
板坯宽度,m;
V:
拉坯速度,m/min;
n:
流数。
将n=1带入式4-3-2可得各尺寸板坯浇筑时间如表4-3-1所示:
表3-3-1
Q0/t
γ(t/m³)
d/m
W/m
V(m/min)
n
tm/min
100
7.6
0.20
1.8
1.75
1
21
100
7.6
0.20
2.1
1.75
1
18
100
7.6
0.27
1.8
1.3
1
21
100
7.6
0.27
2.1
1.3
1
18
以上各组数据均小于[tm],故数据有效。
4.连铸机设备参数确定
4.1连铸机类型选择
现在世界各国使用的连铸机有立式、立弯式、弧形、椭圆形和水平式等5种类型。
据不完全统计,目前世界上所建的连铸机中,立式占17%,立弯式占21%,弧形占55%,其它形式占7%。
目前新建连铸机是弧形的最多。
立式连铸机从中间包到切割站等主要设备都排列在一条垂直线上。
整个机身矗立在车间地平面上或者布置在地下的深坑内。
这种连铸机占地面积小,设备紧凑;高温铸坯无弯曲变形,铸坯表面和内部裂纹少;铸坯内未凝固液体中夹杂物容易上浮,钢水比较“干净”;二次冷却装置和夹辊等结构简单,便于维护。
立式连铸机的缺点是:
机身高达20~40m,必须加高厂房或深挖地坑,基建费用昂贵;因不能把铸机高度增加过高,故只能低速浇注,生产率低。
立弯式连铸机与立式相比,机身高度降低,节省投资;水平方向出坯,加长机身比较容易,可实现高速浇注;铸坯内未凝固钢液中的夹杂物容易上浮,夹杂物分布均匀。
缺点是因铸坯要经过一次弯曲一次矫直,故容易产生内部裂纹;铸机高度虽然降低,但基建费用仍然较高。
立式和立弯式连铸机的结晶器都是直的,而弧形连铸机采用的是具有某一曲率半径的弧形结晶器。
其结晶器、二次冷却装置和拉矫装置都布置在某一半径的一个圆的四分之一弧度上。
铸坯在结晶器内凝固时就已弯曲,带液芯的铸坯从结晶器拉出来,沿着弧形轨道运行,继续喷水冷却,在四分之一圆弧处完成凝固,然后矫直并拉出送至切割站。
弧形连铸机的高度仅为立式的三分之一,建设费用低,钢水静压力小,铸坯在辊间的鼓肚小,铸坯质量好;加长机身也比较容易,故可高速浇注,生产率高。
弧形连铸机的缺点是:
因铸坯弯曲矫直,容易引起内部裂纹;铸坯内夹杂物分布不均匀,内弧侧存在夹杂物的集聚;设备较为复杂,维修也较困难。
弧形连铸机虽有缺点,但由于在设备和工艺上的技术进步,仍然是世界各国钢厂采用最多的一种机型。
垂直弯曲型连铸机也就是带直结晶器的弧形连铸机,它采用直结晶器,并带有一定长度的垂直的二冷导辊段。
为了区别于立弯式和弧形连铸机,这种连铸机称为垂直弯曲型连铸机。
该种铸机的垂直段较短,一般仅为2~3米,铸坯带液相弯曲和矫直。
它保持了立式连铸机夹杂物易于上浮的优点,但由于铸坯带液相弯曲和矫直,因而设计中应尽量降低弯曲和矫直点铸坯两相界面处的变形率以保证内部质量。
椭圆形连铸机又称超低头连铸机,它的结晶器、二次冷却段夹辊、拉坯矫直机均布置在1/4椭圆弧线上,椭圆形圆弧是由多个半径的圆弧线所组成,其基本特点与全弧形连铸机相同。
综上所述,本车间选用弧形连铸机作为生产用机器。
4.2连铸机数量
4.2.1匹配系数计算
连铸机与转炉的匹配数量关系如下式所示:
式中tm:
每包钢水浇注时间,min;
T:
冶炼时间,min,本车间为50min;
K:
匹配系数。
将tm=20带入(tm值计算过程详见3.3.2)得到
。
(两台转炉配一台铸机)
4.2.2浇注周期计算
多炉连浇,是指在连续铸钢过程中上一次引锭杆可连浇数炉钢水的操作。
据统计,多炉连浇与单炉浇铸相比,铸坯产量提高约50%,金属收得率提高约3%,操作费用降低约25%,因此多炉连浇炉数代表了连铸机生产水平。
多炉连浇是一项高难技术。
它是连铸设备、工艺、管理水平的综合体现。
本车间选用的多炉连浇方式遵循“钢水等铸机”原则。
在这种情况下浇注周期TCC按照下式来计算:
式中Tcc:
浇注周期时间,min;
t1:
准备时间,min;指从上一连铸炉次中间包浇完至下一连铸炉次开浇的间隔,一般方坯连铸机约为15'~18',板坯连铸机约为25'~45';n:
平均连浇炉数;
tm:
单炉浇注时间,min,指从中间包开浇至浇完的时间,若连浇则为nt2。
根据表4-3-1的tm计算结果,可获得TCC值如表3-2-1所示
表3-2-1
d/mm
W/mm
t1
N
tm/min
Tcc/min
200
1800
40
2
21
82
200
2100
40
2
18
76
270
1800
40
2
21
82
270
2100
40
2
18
76
4.2.3铸机年产量计算
连铸机年产量P可按下式计算:
式中P:
连铸机年生产合格铸坯产量,t;
ty:
连铸机的年工作时间,min或h;
αp:
连铸机的年作业率,%;
K:
连铸机年收得率,%;
Pcc:
连铸机单位时间的生产能力,t/min或t/h。
A.连铸机的年工作时间ty
连铸机的年工作时间是指除去每年大修外的全部时间。
大修一般3~5天,全年的日历一般取365天。
则:
ty=365-4=361d=8664h=519840min;
表4-2-2连铸机的非作业时间
项目
比例%
时数
备注
年度大、中修
3.5~4.5
307~394
停产大修,更换和清洗部件等
停定期小修
5.0~6.0
438~526
辊子对中调整,铲除飞溅废钢、检修等
更换结晶器
2.5~3.0
219~263
3~4时/次
等待
2.5~3.0
219~263
浇完后,连铸机准备好等待钢水
内部故障
3.5~4.0
307~350
包括漏钢在内的连铸机故障
外部故障
3.5~4.0
307~350
炼钢炉、吊车和钢包等设备的故障
合计
20.5~24.5
1797~2146
B.连铸机的作业率αp
连铸机的作业率直接影响到连铸机的产量、每吨铸坯的操作费用和投资费用的利用率。
式中αp:
连铸机作业率,%
T1:
连铸机年准备工作时间,h;
T2:
连铸机年浇注时间,h;
T3:
连铸机年非作业时间,h;
T0:
年日历时间,8760h。
假设连铸机年非作业时间T3为1800h,则:
αp=80%
C.连铸坯收得率K
在连铸生产过程中,从钢水到合格铸坯有各种金属损失,它包括钢包和中间包的残钢、铸坯的切头切尾、氧化铁皮、短尺和缺陷铸坯的报废等。
通过多炉连浇可以减少金属损失,提高铸坯收得率。
计算如下:
式中Y1:
铸坯成坯率,%;
W1:
未经检验精整的铸坯量,t;
G:
钢水质量,t;
Y2:
铸坯合格率,%;
W2:
合格铸坯量,t;
K:
连铸坯收得率,%。
连铸坯收得率一般按年统计。
铸坯成坯率和合格率分别可达98%和98%左右。
连铸坯收得率:
单炉浇注约96%,两炉浇注约97%,三炉以上浇注约98%左右。
因此,K=97%。
D.连铸机单位时间的生产能力Pcc
多炉浇注时:
式中Pcc:
连铸机单位时间的生产能力,t/min或t/h;
Q0:
钢包容量,t;
t1:
准备时间,min;
t2:
单炉浇注时间,min。
z:
连浇炉数。
取连浇炉数z=2按产品规格计算如表4-2-3所示,
表4-2-3
Q0/t
d/m
W/m
t1/min
z
t2/min
Pcc/t·min-1
100
0.2
1.8
45
2
21
2.3
100
0.2
2.1
45
2
18
2.5
100
0.27
1.8
45
2
21
2.3
100
0.27
2.1
45
2
18
2.5
将上述各量带入式4-2-3可计算出四种不同断面规格的产品的年产量:
表4-2-4
规格mm×mm
ty/min
αp
K
Pcc/t·min-1
P/t
200×1800
519840
80
97
2.3
927810.4
200×2100
519840
80
97
2.5
1008489.6
270×1800
519840
80
97
2.3
927810.4
270×2100
519840
80
97
2.5
1008489.6
由此可看出,若选用2个转炉1台铸机无法满足生产要求,按照匹配系数0.5,即两台转炉配一台铸机;两台最终确定为4个转炉2台铸机的匹配方式。
故铸机数量为2台。
4.3流数
流数n的计算公式为:
式中Q0:
钢包容量,t;
γ:
铸坯密度,取7.8t/m³;
d:
板坯厚度,m;
W:
板坯宽度,m;
V:
拉坯速度,m/min;
[tm]:
最大浇注时间。
则各规格钢坯最终计算结果如表3-3-1所示:
表3-3-1
Q0/t
γ(t/m³)
d/m
W/m
V(m/min)
tm/min
n
100
7.8
0.20
1.8
1.75
72
0.282639
100
7.8
0.20
2.1
1.75
72
0.242262
100
7.8
0.27
1.8
1.3
72
0.281834
100
7.8
0.27
2.1
1.3
72
0.241572
因为流数n应取正整数,综合各组数据可得本车间铸机流数n=1。
4.4弧形铸机半径
铸机弧形半径大,铸机高度增加,导致钢水静压力大,铸坯鼓肚变形量增大,并增大了设备的所需投资。
反之,铸机弧形半径小,则矫直变形率大,易产生裂纹等缺陷。
因此,铸机弧形半径大小应针对不同的铸坯断面,浇注的钢种等因素,选择最佳的半径。
根据经验公式,得连铸钢种,铸坯厚度D与连铸机弧形半径尺寸之间的关系如下:
对板坯连铸机,有R=(40~50)D
对优质钢和高合金钢,有R=(40~50)D
故,R=40×0.27=10.8m。
4.5中间包
中间包作为冶金反应器是提高钢产量和质量的重要一环。
无论对于连铸操作的顺利进行,还是对于保证钢液品质符合需要,其作用都是不容忽视的。
一般来讲,中间包的容量是钢包容量的20%-40%。
其计算公式如下:
式中Gm:
中间包容量,t;
F:
铸坯断面积,m2;
v:
工作拉速,m/min;
t:
钢包更换总时间,min。
在此取8min;
n:
流数;
ρ:
钢水密度,t/m3。
按照产品规格计算结果如表4-5-1所示
表4-5-1
坯厚/m
坯宽/m
拉速/m·min-1
密度/t·m-3
钢包更换时间/min
流数
中间包容量/t
0.2
1.8
1.75
7.8
8
1
52
0.2
2.1
1.75
7.8
8
1
60
0.27
1.8
1.3
7.8
8
1
52
0.27
2.1
1.3
7.8
8
1
60
钢水在中间包内最佳停留时间是8—10min;对板坯连铸用中间包的可浇液面深度应≥400mm,浇铸终了液面深度应≥600mm,即标准液面深度为≥600十400=1000mm;一般在确定深度时,再加100mm,即最大液面深度为≥1100mm。
当中间包液面低于可浇液面高度时,钢液在水口上方形成涡流卷渣,影响钢质量。
故中间包高度应在液面以上留有约200mm的净空。
中间包的内壁是上大下小的,端墙有倾角。
倾角角度的大小应考虑如下因素:
耐火砖砌筑的稳定性,便于清除残钢、残渣,便于操作人员观察结晶器液面。
倾角在9°一13°为宜。
中间包宽度的确定需考虑下列因素:
钢液注入位置与水口的间距应有利于钢液分配,钢液在中间罐内不致形成死角;注流的冲击点到最近水口中心距离应大于500mm;水口中心距端墙应在400一600mm,以免卷渣和对端墙过分的冲蚀。
再根据中间包容量、高度和长度的尺寸,确定中间罐的宽度。
当然,过宽会增加散热,降低保温性能,还会影响中间罐小车的轨距等。
4.6冶金长度
冶金长度指连续铸钢过程中由结晶器内钢液面至液芯全部消失之终点处的距离,也称液芯长度。
冶金长度是设计连铸机的重要工艺参数。
由于钢水温度、冷却强度等的变化。
铸坯的全凝时间也有变化。
故冶金长度不是固定不变的。
其计算公式如下:
式中L:
冶金长度,m;
D:
铸坯厚度,mm;
K:
凝固系数,mm/min1/2;
vc:
拉坯速度,m/min。
以产品最大铸坯厚度带入计算得冶金长度L=60m,以D=200mm带入计算得到冶金长度L=44m。
5.金属平衡图
0.2%氧化铁皮
2030t
0.2%切头切尾
2030t
0.3%废品
3018t
99.4%合格坯1000000t
0.3%清理损失
3018t
合格钢水
1024392t
99.1%中间包钢水
1015173t
0.9%钢包注余
9219t
0.4%切割缝损失4060t
99.4%铸坯1006036.2t
0.7%中间包注余7106t
6.设备清单
序号
设备名称
数量
备注
1.
钢包包转台
1
2.
长水口机械手
1
3.
中间包车组
1
液压升降
4.
中间包盖
1
5.
中间包
2
6.
中间包烘烤装置
2
7.
中间包水口烘烤装置
1
8.
悬臂操作箱
1
9.
结晶器
1
10.
结晶器罩
1
11.
振动装置
1
液压振动
12.
振动支架
1
13.
弯曲段(水气润滑配管)
1
14.
扇形段(水气润滑配
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