毕业设计（论文）-设计一座年产140万吨方坯的炼钢车间.doc

111 河北联合大学轻工学院 qinggong college, hebei united university 毕毕业业设设计计说说明明书书 设计（论文）题目：设计一座年产设计（论文）题目：设计一座年产 140140 万吨方坯的炼钢车间万吨方坯的炼钢车间 学生姓名：韩鹏飞学生姓名：韩鹏飞 学学 号号：200915091023 专业班级：专业班级：09 冶金十班冶金十班 学学 部：材料化工部部：材料化工部 指导教师：指导教师：王硕明王硕明 2013 年 5 月 28 日 河北理工大学信息学院 - 摘 要 本设计的主要任务是设计一座年产 140 万吨方坯的转炉炼钢车间。本设计 从基础的物料平衡和热平衡计算开始，主要包括以下几部分：转炉炉型设计、 氧枪设计、转炉车间设计、连铸设备的选型及计算、以及炼钢操作制度和工艺 制度，其中，转炉炼钢车间设计是本设计的重点与核心。 本设计设有转炉两座，转炉大小均为 50t，平均冶炼时间为 30min，纯吹氧 时间为 15min，转炉作业率为 80%，转炉的原料主要有铁水、废钢以及其它一 些辅助原料。连铸坯的收得率为 98%，另外本车间炉外精炼主要采用了喂丝以 及真空脱气手段。本车间的浇注方式为全连铸。车间的最终产品为方坯。 此次的设计任务更加巩固了我所学的专业知识，与此同时也更加了解了转 炉炼钢车间的各道工艺流程，为以后的工作打下了良好的基础。 关键词：顶底复吹 转炉 炼钢 车间 精炼 连铸 abstract -i- abstract the main task of this design is designing a plant wich perduce 3.3 million tons of steel per year. it is become the foundation of the material and thermal calculation, mainly include the following parts: the bof model designing, oxygen lance designing, equipment selection and calculation of continuous caster ,besides,also including operating and process system of steelmaking ,the core of the design is plant layouting this design has two 50t converter for steelmaking, the average time of oxygen applying is 30min ,pure oxygen applying time is 15min, the efficient of the bof is 80% , scrap metal and other auxiliary materials. the rate of casting billet is 98%, in addition , refining mainly adopts wire feeding and vacuum deairing, the final product is billet. the design more strengthened my major knowledge, at the same time also understand more about the converter steelmaking of each process , laiding a good foundation for the work of future. keywords: top and bottom combined blown converter steelmaking refining casting continuous casting 目 录 -ii- 目 录 1 绪 论 1 1.1 转炉冶炼原理简介11 1.2 氧气转炉炼钢的特点.1 1.3 设计原则和指导思想2 1.4 产品方案2 2 氧气转炉炼钢车间 4 2.1 初始条件4 2.2 公称容量选择2.4 2.3 转炉座数的确定4 2.4 根据生产规模和产品方案计算出年需钢水量。4 2.5 计算年产钢量.5 3 转炉物料平衡和热平衡计算 6 3.1 氧气顶底复吹转炉的物料平衡和热平衡.6 3.1.1 物料平衡计算.6 3.2 热平衡计算15 3.2.1 热平衡计算所需数据15 3.2.2 计算步骤.16 4 转炉炉型及氧枪设计 .20 4.1 转炉炉型设计.20 4.1.1 炉型选择.20 4.1.2 转炉的公称吨位.20 4.1.3 炉容比确定.21 4.1.4 高宽比21 4.1.5 炉型主要尺寸的确定22 4.1.6 转炉设备及修砌27 4.2 氧枪喷头设计.30 4.2.1 喷头设计.30 4.2.2 氧枪枪身设计.32 4.2.3 氧枪升降和更换机构34 4.2.4 副枪设计35 4.2.5 副枪的功能和要求35 4.3 底部供气元件设计36 4.3.1 底气种类.36 4.3.2 供气构件的选择.36 4.3.3 喷嘴数量及布置.36 5 转炉炼钢的生产制度 .37 5.1 主要原材料的技术要求.37 5.1.1 金属料37 5.1.2 造渣材料.38 5.1.3 氧化剂39 目 录 -iii- 5.2 装料制度.40 5.3 供氧制度.40 5.3.1 供氧制度主要工艺参数。.40 5.3.2 氧枪操作.41 5.4 造渣制度.42 5.4.1 采用单双渣操作.42 5.4.2 各种渣料用量计算及加入.42 5.4.3 炉渣调整：.43 5.5 温度制度44 5.5.1 温度控制原则44 5.6 终点控制与出钢45 5.7 脱氧合金化.46 5.7.1 脱氧合金化操作.46 5.7.2 影响合金元素吸收率的因素.46 5.8 精炼与连铸.47 6 车间工艺布置 48 6.1 车间生产工艺流程图.48 6.2 供应系统48 6.3 转炉烟气净化与回收系统50 6.4 炉下出钢出渣系统50 7 冶炼车间组成及车间布置 52 7.1 冶炼车间的组成和厂房的布置形式52 7.1.1 车间的组成.52 7.2 主厂房的工艺布置52 7.2.1 原料跨间的布置.53 7.3 转炉跨间的布置54 7.4 精炼跨间的布置57 7.5 浇铸跨间的布置.58 7.5.1.连铸机总长度58 7.5.2 连铸机高度.58 7.5.3 连铸机浇注平台尺寸59 7.4.5 浇注跨长度.59 7.5.6 浇注跨吊车轨面标高59 8 连 铸 车 间 61 8.1 连铸系统的组成及工艺流程.61 8.2 浇注跨的工艺布置61 8.2.1 连铸机机型的选择.61 8.2.2 连铸机的主要工艺参数计算.62 8.3 连铸机基本参数的确定.64 8.3.1 拉坯速度.64 8.3.2 铸机的弧形半径的确定.65 8.3.3 铸坯液心长度、冶金长度和铸机长度，以及高度65 8.3.4 钢包的设计.65 目 录 -iv- 8.3.5 中间包的设计.67 8.3.6 结晶器的设计.68 8.3.7 二冷区的设计69 8.3.8 拉矫方法的确定70 8.3.9 引锭装置.70 8.3.10 辊道及后步工序其他设备70 8.3.11 电磁搅拌装置70 参考文献.71 河北联合大学轻工学院 -0- 1 绪绪 论论 1.1 转炉冶炼原理简介转炉冶炼原理简介1 转炉炼钢是把氧气鼓入熔融的生铁里，使杂质硅、锰等氧化。在氧化的过 程中放出大量的热量 （含 1%的硅可使生铁的温度升高 200 摄氏度） ，可使炉内 达到足够高的温度。因此转炉炼钢不需要另外使用燃料。氧气转炉生产的主要 原材料是铁水，大多数情况下铁水由高炉攻击，而高炉的原材料是铁矿石；转 炉生产出来的产品是钢坯（或钢锭） ，他们还不是最终成品，而必须经由轧钢机 轧制成各种类型和规格的钢板、型钢和钢管等最终产品，提供给市场。因此， 氧气转炉不可能独立存在，它必须前有炼铁，后有轧钢，共同组成一个钢铁生 产的联合体。我们称这样的生产模式为钢铁联合企业。 从化学成分来看，刚和生铁都是铁碳合金，并还有 si、mn、s、p 等元素， 由于 c 和其他元素的含量不同，所形成的组织不同，因而性能也不一样。根据 fec 相图，c 含量在 0.0218%-2.11%之间的铁碳合金为钢，它的熔点在 1450-1500。c 含量在 2.11%以上的铁碳合金称为生铁，熔点在 1100-1200。 c 含量在 0.0218%一下的铁碳合金称为工业纯铁。在钢中碳元素和铁元素形成 fe3c 固熔体，随着碳含量的增加，其强度、硬度增加，而塑性和冲击韧性降低。 钢具有很好的物理、化学性能与力学性能，可进行拉、压、轧、冲、拔等深加 工，其用途十分广泛。 若以生铁为原料炼钢，需氧化脱碳:钢种 p、s 含量过高分别会造成钢的 “冷脆”性和“热脆”性，炼钢过程应脱出 p、s；钢中氧含量超过限度会加剧 钢的“热脆”性，并形成大量氧化物夹杂，因而要脱出氧；钢种含有 h、n 分 别造成钢的氢脆和时效性，应该降低钢中的有害气体含量；夹杂物的存在会破 坏钢基体的连续性，从而降低钢的力学性能，也应该去除：炼钢过程应提高温 度达到出钢要求，同时还要加入一定种类和数量的合金，使钢的成分达到所炼 钢种的规格。 综上所述，炼钢的基本任务包括：脱碳、脱氧、脱硫、脱磷；去除有害气 体和夹杂，提高温度；调节成分。炼钢过程通过供氧、造渣、加合金、搅拌、 升温等手段完成炼钢基本任务。氧气顶吹转炉炼钢过程，主要是降碳、升温、 脱硫、脱磷以及脱氧和合金化等高温物理化学反应的过程，其工艺操作原则则 是控制供氧、造渣、温度，以及加入合金材料等，以获得所要求的钢液，并浇 成合格钢坯或钢锭。 1.2 氧气转炉炼钢的特点氧气转炉炼钢的特点 与平炉、电炉炼钢法相比，氧气转炉炼钢具有生产率高、刚中气体含量低、 钢的质量好等特点。氧气转炉炉内反应速度快，冶炼时间短，具有很高的生产 河北联合大学轻工学院 -1- 效率。随着转炉容量的增大，生产率进一步提高。 氧气转炉钢具有以下特点： （1）钢中气体含量少 （2）由于炼钢主要原材料为铁水，废钢用量所占比例不大，因此 ni、cr、mo、cu、sn 等残余元素含量低，由于钢中气体和夹杂少，具有良好 的抗时效能力、能加工变形性能和焊接性能，钢材内部缺陷少。不足之处是强 度偏低，淬火性能稍次与平炉和电炉钢。此外，氧气转炉钢的机械性能及其他 方面性能也是良好的。 （3）原材料消耗少，热效率高，成本低。氧气转炉的金属消耗率一般为 11001140kg/t，比平炉稍高些。耐火材料消耗仅为平炉的 1530%,一般为 25kg/t。由于氧气转炉是利用炉料本身的化学热和物理热，热效率高，不需外 加热源。因此燃料和动力消耗方面比平炉和电炉均低。氧气转炉的高效率和低 消耗，使钢的成本较低。 （4）原料适应性强。氧气转炉对原料的适应性强，不仅能吹炼平炉生铁， 而且能吹炼 p（0.51.5%）和高 p（1.5%）生铁，还可以吹炼钒、钛等特殊成 分的生铁。 （5）基建投资少，建设速度快。氧气转炉设备简单，重量轻，所占的厂商 面积和所需要的重型设备的数量比平炉车间少，因此投资比相同产量的平炉低 3040%。而且生产规模越大，基建投资就越省。氧气转炉车间的建设比平炉车 间快得多。氧气转炉炼钢生产比较均衡，有利于与连铸机配合。还有利于开展 综合利用，如煤气回收及实现生产过程的自动化。 近年来由于氧气转炉炼钢与炉外精炼技术相结合，所炼钢种进一步扩大， 目前能生产的钢种近 300 个。 1.3 设计原则和指导思想设计原则和指导思想 对设计的总要求是技术先进，工艺上可行;经济上合理。所以，设计应遵循 的原则和指导思想是： 1）遵守国家的法律、法规，执行行业设计有关标准、规范和规定，严格把关， 精心设计; 2）设计中对主要工艺流程进行多方案比较，以确定最佳方案; 3）设计中应充分采用各项国内外成熟的新技术，因某种原因暂时不上的新技术 要预留充分的可能性。所采用的新工艺、新设备、新材料必须遵循经过工业性 试验或通过技术鉴定的原则; 4）要按照国家有关劳动安全、工业卫生及消防的标准及行业设计规定进行设计; 5）在学习、总结国内外有关厂家的生产经验的基础上，移植适用可行的先进技 术; 6）设计中应充分考虑节约能源、节约用地，实行资源的综合利用，改善劳动条 件以及保护生态环境。 河北联合大学轻工学院 -2- 1.4 产品方案产品方案 一、冶炼的钢种、代表钢号及其化学成份 本设计冶炼的钢种、代表钢号及其化学成分见表2-1所示。 表表1-1 冶炼的钢种，代表钢号及其化学成分冶炼的钢种，代表钢号及其化学成分 化学成分（%）钢 种 钢号 csimnpscual 普 钢 q235 0.14- 0.22 0.12- 0.30 0.35- 0.55 0.0450.05 0 .30 钢q275 0.28- 0.38 0.15- 0.35 0.5-0.80.0450.05 0 .30 低 合 16mn 0.12- 0.23 0.20- 0.60 1.2-1.60.00500.05 0 .30 合 金 钢 20mn si 0.17- 0.23 0.40- 0.70 1.3-1.60.0450.045 0 .30 热轧 硅钢 0.08 3.80- 4.40 0.200.200.20 0.05- 0.12硅 钢冷轧 硅钢 0.072.8-3.20 0.05- 0.08 0.015- 0.025 0.05- 0.025 0.02 二、产品方案 本设计产品方案见表2-2所示 表表 1-2 产产 品品 方方 案案 钢种连铸坯产量(万t/a)生产比例%精炼方式 普碳钢4028.57吹氮或主要rh 低合金钢10071.43lf或lf+vod 总计140100 说明： 1)年产合格坯总量，是指连铸坯产量; 2)表中所有钢种均进行炉外精炼处理，包括吹氮、lf、vod、rh处理等; 3)产品方案中的合金比28.57%、连铸比100%、精炼比100%. 4)连铸坯规格:铸坯断面尺寸(mm2)，取决于轧材产品类型和轧机的规格，本设 计是生产型材(角钢、工字钢、轻轨钢、圆钢等)，轧机为1700轧机，采用方形 铸坯，其断面应为150mm150mm， 河北联合大学轻工学院 -3- 河北联合大学轻工学院 -4- 2 氧气转炉炼钢车间氧气转炉炼钢车间 2.1 初始条件初始条件 拟建年产量为 140 万吨连铸坯的氧气转炉炼钢车间，相关技术参数如下： 1）年产量：方坯 140 万吨； 2）产品方案：普碳钢、低碳钢； 2.2 公称容量选择公称容量选择2 1)选取时炉子容量应和国家标准浇注起重机的起重能力相适应。即吊车的 起重能力必须大于转炉最大出钢量和钢包(有衬)的重量之和，并应有一定的富 余能力。确定转炉的公称容量为50t。 2.3 转炉座数的确定转炉座数的确定 为了减少车间内的设备互相干扰，终有固数目的炉子在吹炼，以发挥生产 潜力。炉于座数不宜太多，但必须保持年间内始本设计是使用顶底复吹转炉冶 炼，合考虑当前转炉炼钢车间的生产情况，选用“二吹二“的方案，这样同时也 可以提高转炉的利用效率，减少资金的投入。 2.4 根据生产规模和产品方案计算出年需钢水量。根据生产规模和产品方案计算出年需钢水量。 根据表 22 选取每炉钢的平均冶炼周期取 30min，平均供氧时间为 15min。 表表 22 转炉冶炼周期和吹氧时间推荐值转炉冶炼周期和吹氧时间推荐值 转炉公称吨位/t3030100100备 注 冶炼周期/min283232383845 吹氧时间/min121614181620 结合供氧强度、铁水成分和 所炼钢种等具体条件确定 年出钢炉数=1 间炼一炉钢的平均冶炼时 年炼钢时间 =1 间炼一炉钢的平均冶炼时 转炉作业率年日历时间 河北联合大学轻工学院 -5- 1440 365 80% 14016 30 每天出钢炉数= 转炉作业率年日历天数 年出钢炉数 14016 48 365 80% 式中 转炉作业率：取=80% 2.5 计算年产钢量计算年产钢量 在选定转炉公称容量和转炉工作之后，即可计算出车间的年产钢水量： w=nnq 式中 w车间年产刚水量，t。 n车间经常吹炼炉子座数; n每一座吹炼炉子的年出钢炉数； q转炉公称容量； 再根据浇注方法就可以计算出年产钢量： 1440 365 80% 250 30 1401600 wnnq t 河北联合大学轻工学院 -6- 3 转炉物料平衡和热平衡计算转炉物料平衡和热平衡计算 炼钢过程的物料平衡与热平能量衡计算是建立在物质和能量的基础上的。 其主要目的是比较这个冶炼过程中物料、能量的收入项和支出项，为改进操作 工艺制度、确定合理的设计参数和提高炼钢经济技术指标提供定量依据。由于 炼钢是一个复杂的高温物理化学过程加上测试手段有限，现在还难以做到精确 测量。 本章主要对转炉的物料平衡和热平衡加以计算以确定其具体参数并加以设 计。3 3.1 氧气顶底复吹转炉的物料平衡和热平衡氧气顶底复吹转炉的物料平衡和热平衡 3.1.1 物料平衡计算 3.1.1.1 计算原始数据 基本数据有：冶炼钢种及其成分铁水和废钢成分、终点钢水成分（表 3-1）；造 渣用熔剂及炉衬等的原材料的成分（表 3-2）；脱氧和合金化用铁合金的成分及 其回收率（表 3-3）；其它工艺参数（表 3-4）。 表表 3-1 钢种、铁水、废钢和终点钢水的成分设定值钢种、铁水、废钢和终点钢水的成分设定值 注：终点钢水成分中，c和si按实际生产情况选取；mn、p和s分别 按铁水中相应成分含量的 30%，10%和 60%留在钢水中设定。本计算设定的冶 炼钢种为 q235a. 表表 3-2 原材料的成分原材料的成分 含 量% 类 caoo2mgo al2o 3 fe2o3gaf2p2o5sco2h2 o 灰分挥发分 成分含量/% 类别 c si mn p s 钢种 q235a 设定值 0.200.270.52 0.0450.050 铁水设定值4.100.800.600.2000.035 废钢设定值0.180.250.550.0300.030 终点钢水设定值0.10痕迹0.180.0200.021 河北联合大学轻工学院 -7- 别 石 灰 88.002.502.601.500.500.100.064.640.10 萤 石 0.305.500.601.601.5088.000.900.101.50 白 云 石 36.400.8025.601.0036.20 炉 衬 1.203.0078.801.401.6014.00 焦 炭 0.5881.5012.405.52 表表 3-3 铁合金成分及其回收率铁合金成分及其回收率 含量/% 类别 csimnalpsfe 硅铁73.00, 75 0.50, 80 2.50, 0 0.05, 100 0.03,10023.92,100 锰铁6.6 0, 90 0.50, 75 67.8, 80 0.23, 100 0.13, 100 24.74,100 10%c 与氧生成 co 表表 3-4 其他工艺参数设定值其他工艺参数设定值 名称参数名称参数 终渣碱度 萤石加入量 生白云石加入量 炉衬侵蚀量 终渣w(feo)含 按 w(feo)=1.35 w(feo)折算 w(gao/w(sio2)=3.5 为铁水的 0.5% 为铁水的 2.5% 为铁水的 0.3% 15%，而 w(fe2o3) /w(feo)=1/3,即 w(fe2o3) 渣中铁损（铁 珠） 氧气纯度 炉气中自由氧 含量 气化去硫量 金属中c的氧 化产物 废钢量 为渣量的 6% 99%，余者为 n2 0.5%（体积比） 占总去硫量的 1/3 90%c 氧化成 co，10%c 氧化 成 co2 由热平衡计算来 确定，本计算结 河北联合大学轻工学院 -8- 烟尘度 喷溅铁损 =5%，w(feo) =8.25% 为铁水量的 1.5%（其中 w(feo) 为 75%，w(fe2o3) 为 20% 为铁水量的 1% 果为铁水量的 19.43%，即废钢 比为 16.27% 3.1.1.3 物料平衡的基本项目 收入项支出项 铁水钢水 废钢炉渣 熔剂（石灰、萤石、轻烧白云石）烟尘 氧气渣中铁珠 炉衬蚀损炉气 铁合金喷溅 3.1.1.3 计算步骤 以 100kg 铁水为基础进行计算。 第一步：计算脱氧合金化前的总渣量及其成分。 总渣量包括铁水中元素氧化，炉衬蚀损和加入熔剂的成渣量。其各项成渣量分 别列于表 3-5，表 3-6，表 3-7。总渣量及其成分如表 3-8 所示。 第二步：计算氧气消耗量。 氧气实际消耗量为消耗项与攻入项之差，见表 3-9。 表表 3-5 铁水中元素的氧化产物及其成渣量铁水中元素的氧化产物及其成渣量 元 素 反应产物元素氧化量/kg耗氧量/kg产物量/kg备注 c co4.0090%=3.600 4.8008.400 c c co24.0010%=0.400 1.0671.470 si si (sio2) 0.8000.9101.710入渣 mnmn （mno2） 0.4200.1200.540入渣 p p (p2o5) 0.1800.2300.410入渣 河北联合大学轻工学院 -9- s so20.0141/3=0.005 0.0050.010 s s+(cao) (cas)+（o） 0.0142/3=0.009 -0.005 0.021(cas)入渣 fe (feo)1.07656/76=0.837 0.2391.076入渣 fe fe (fe2o3)0.606112/160=0.42 4 0.1820.606入渣 总计6.6757.548 成渣量4.363 入渣 组分 之和 由 cao 还原出的氧量;消耗的 cao 量=0.00956/32=0.016kg。 表表 3-6 炉衬蚀损的成渣量炉衬蚀损的成渣量 成渣组分/kg气态产物/kg耗氧量/kg炉 料 蚀 损 量 /kg caosio2mgoal2o3fe2o3co cco 2 cco， cco2 0.3 （ 见 表 4) 0.0040.0090.2360.0040.005 0.314 %90 %28/ 12= 0.088 0.314 %10% 44/12 =0.015 0.314%( 90%16/12 +10%32/1 2) =0.062 合 计 0.2580.1030.062 表表 3-7 加入溶剂成渣量加入溶剂成渣量 河北联合大学轻工学院 -10- ：由表 3-6 表 3-7 可知，渣中已含（cao） =0.016+0.004+0.002+0.910=0.900kg；渣中已含（sio2） =1.710+0.009+0.028+0.020=1.767kg。因设定的终渣碱度 r=3.5；故石灰加入量为 rw (sio2)w（cao）/w（cao 石灰）rw (sio2 石灰) =5.285/(88.0%3.52.50%)=6.67kg (石灰中 cao 含量) (石灰中 scas 自耗的 cao 含量)。 由 cao 还原出来的氧气，计算方法同表 3-6 注。 表表 3-8 总渣量及其成分总渣量及其成分 炉渣成 分 cao sio2mgo al2o3mnofeofe2o3caf2p2o5cas合计 元素氧 化成渣 量 （kg） 1.7100.054 1.078 0.607 0.410 0.0214.366 石灰成 渣量 （kg） 5.863 0.167 0.173 0.1000.0330.007 0.0096.352 耐火材 料蚀损 量 （kg） 0.004 0.009 0.236 0.0040.0050.258 轻烧白 云石成 渣量 （kg） 0.910 0.020 0.640 0.0251.595 萤石成 渣量0.002 0.028 0.003 0.0080.008 0.440 0.0050.492 成渣组分/kg气态产物 kg/s类 别 加入 量/kgcaomgosio2al2o 3 fe2o 3 p2o 5 gasgaf2h2oco2o2 萤 石 0.50.0020.0030.0280.0080.0080.0050.0010.0400.005 生 白 灰 2.50.9100.6400.0200.0250.905 石 灰 6.67 5.863 0.1730.1670.1000.0330.0070.0090.0070.3090.002 合计6.6750.8160.2150.1330.0410.0120.0100.0400.0121.2140.002 成渣量8.442 河北联合大学轻工学院 -11- （kg） 总渣量 （kg） 6.779 1.934 1.052 0.137 0.054 1.0780.653 0.440 0.422 0.031 13.066 %51.97 14.83 8.071.053.998.255.003.373.230.24100.00 总渣量计算如下:因为表 3-9 中除(feo)和(fe2o3)以外的渣量为: 6.779+1.934+1.025+0.137+0.540+0.440+0.422+0.031=11.216kg,而终渣(feo) =15%(表 5)故总渣量为 11.216/86.75%=12.929kg。 (feo)量=12.9295%=1.067kg。 (fe2o3)量=12.9295%0.0330.0050.008=0.600kg。 第二步：计算氧气消耗量 氧气实际消耗量系消耗项目与供入项目之差。详见表 3-9。 表表 3-9 实际耗氧量实际耗氧量 耗氧量项/（kg）供养项/（kg）实际氧气消耗量 /（kg） 铁水中元素耗氧量 7.548铁水中 s 与 cao 反应还 原出的氧量 0.005 炉衬中碳氧化耗氧量 0.062石灰中 s 与 cao 反应还 原出的氧量 0.002 烟尘中铁氧化耗氧量 0.340 炉气中自由氧耗氧量 0.059 合计 8.010合计 0.0078.072 第三步：计算炉气量及其成分 炉气中含有 co，co2，n2，so2 和 h2o。其中 co，co2，so2 和 h2o 可表 查得，o2 和 n2 则有炉气总体积来确定。先计算如下： 炉气总体积 v： v=vg+0.5%v+1/99(22.4/32gs+0.5%vvx) v=(99vg+0.7gs-vs)/98.50=(998.183+0.7 7.95-0.007)/98.50=8.281m 3 式中 vgso2,co,co2,和 h2o 各组分总体积 m 。本计算中，其值为 3 8.48822.4/28+2.69922.4/44+0.01022.4/64+0.01222.4/18=8.183 gs不计自由氧的氧气消耗量，kg。本计算中，其值为 7.548+0.062+0.34=7.95 河北联合大学轻工学院 -12- vx- 铁水与石灰石的 s 与 gao 反应氧气质量为 0.007 见表 3-10，m 0.5%炉气 3 中自由氧含量； 99由氧气纯度 99 最后有钢水量和热容算出物理热。 tg= 1536(0.1065+0.185+0.02030+0.02125) 6=1520() 式中：0.10、0.18、0.020 和 0.021 分别为终点钢水 c、mn、p 和 s 的 含量。 河北联合大学轻工学院 -19- tz1520+50+50+70=1690 （） 式中：50、50 和 70 分别为出钢过程中的温降、镇静及炉后处理过程 中的温降和钢水的过热度，吹氩调温过程温降。 qg=90.360.699（1520 25）+272+0.837（1690 1520） =131861.90kj (2) 炉渣物理热 qr:温度与钢水温度相同，则得： qr=13.0661.248（1690 25）+209=29880.90kj (3) 炉气，烟尘，铁珠和喷溅金属的物理热 qx。根据其数量。相应的温度 和热容确定。详见表 3-21. 表表 3-22 某些物料的物理热某些物料的物理热 项目参数（kj）备注 炉气物理热 11.331.137（145025）=18357.151450为炉气和烟尘 温度 烟尘物理热 1.50.996(1450-25)+209=2442.45 渣中铁珠物 理热 0.78 0.699（1520-25） +272+0.837(1690-1520)=1144.88 1520系钢水熔点 1.00.699（152025） +272+0.887(16901520)=1467.80 合计qx=23412.28 (4) 生白云石分解热 qb：根据其用量，成分和表 3-22 所示的热效应计算之。 qb=2.5（36.40%1690+25.60%1405）=2437.10kj (5) 热损失 qq：用与加热废钢的热量一般占总热收入的 38%。本计算取 5%，则得： qq=217029.515%=1085.15 kj； (6)废钢吸热 qf：用于加热废钢的热量系剩余热量，即： qf=qsqgqrqbqqqr=28352.18kj ； 故加入的废钢量 wf 为： wf=28352.1810.699(1520-25)+272+0.837(1690-1520)=19.43kg 河北联合大学轻工学院 -20- 即废钢比：19.43/(100+19.43)100%=16.27% 热效率 =（钢水物理热+炉渣物理热+废钢吸热）/热收入总值100%=87.59% 若不计算炉渣带走的热量时： 热效率 =（钢水物理热+废钢吸热）/热收入总量100%=73.82% 表表 3-23 热平衡表热平衡表 收入支出 项目热量%项目热量% 铁水物理热114497.7052.76钢水物理热131861.9060.76 元素氧化热和成 渣热 96870.2144.63炉渣物理热29880.9013.77 其中 c 氧化55834.0025.73废钢物理热28352.1813.06 si 氧化23361.6010.76炉气物理热18357.158.46 mn 氧化2769.481.28烟尘物理热2442.451.12 p 氧化3416.401.57渣中铁珠物理热1144.880.52 fe 氧化6296.292.90喷溅金属物理热1467.800.68 sio2成渣3133.081.44白云石分解热2434.101.12 p2o5成渣20259.360.95热损失10921.385.03 烟尘氧化热5075.362.34 炉衬中碳的氧化 热 586.250.27 合计217029.51100.00合计217029.51100.00 应当指出。加入合金进行脱氧和合金化。会对热平衡数据产生一定的影响。对转炉用一般 生铁冶炼低碳钢来说。所用的铁合金种类有限。数量也不多。经计算。其热收入部分约占 总收入的 0.8-1.0%热支出部分约占 0.5-0.8%。二者基本持平。 河北联合大学轻工学院 -21- 4 转炉炉型及氧枪设计转炉炉型及氧枪设计 4.1 转炉炉型设计转炉炉型设计 转炉炉型是指砌筑耐火材料后的转炉内部形状。炉型设计是炉体设计的关 键。炉型的选择和各部尺寸确定是否合理，直接影响着工艺操作，转炉寿命， 钢的产量和质量以及炉子的生产率。选择炉型要根据生产规模所确定的转炉吨 位、原材料条件，并对已投产的各类型转炉进行调查，了解生产情况，炉衬侵 蚀情况和供氧参数与炉型的关系，为炉型选择提供实际数据。选择炉型应考虑 因素如下： （1） 要求炉型有利于炼钢物理化学反应的顺利进行，有利于金属液、炉 渣、炉气的运动，有利于熔池的均匀搅拌； （2） 有较高的炉衬寿命； （3） 炉内喷溅物要少，金属消耗要低； （4） 炉衬砌筑和维护方便，炉壳容易加工制造； （5） 能够改善劳动条件和提高作业率。 随公称吨位的增大，炉型由细长型向矮胖型方向发展。 河北联合大学轻工学院 -22- 4.1.1 炉型选择 转炉炉型按金属熔池的形状可以分为筒球型、锥球型和截锥型三种。其中 筒球型熔池是由圆柱体和球缺体组合面成。它优点是炉型简单，砌筑方便，炉 壳制造容易。与相同吨位其他两种炉型的转炉相比，它有较大的直径，有利于 反应的进行。本设计中选用筒球型死炉底。 4.1.2 转炉的公称吨位 转炉的公称吨位又称公称容量，是炉型设计的重要依据，有以下三种表示 方法： 一种是用转炉的平均铁水装入量表示公称吨位；一种是用平均出钢量表示； 还有一种是用转炉平均炉产良坯量表示。出钢量介于装入量和良坯量之间，其 数量不受装料中铁水比例的限制，也不受浇注方法的影响，所以大多数采用炉 役平均出钢量作为转炉的公称吨位，本设计是新建转炉，以炉役平均出钢量作 为转炉的公称吨位，选取其公称容量为 50t,最大出钢量为 60t，钢包容量为 60t，根据出钢量可以计算出装入量和良坯量。 出钢量装入量/金属消耗系数 装入量出钢量金属消耗系数 （41） 金属消耗系数是指吹炼 1 吨钢所消耗的金属料数量。由于原材料和操作方法 的不同，其系数也不相同。表 42 是金属消耗系数与铁水 si、p 含量的关系。 表表 41 金属消耗系数与铁水金属消耗系数与铁水 si、p 含量的关系含量的关系 铁水 %/ siw 0.700.901.50 铁水 %/pw 0.200.601.60 金属消耗系数1.101.151.2 本设计选取其金属消耗系数为 1.1，则，装入量出钢量金属消耗系数=55t。 4.1.3 炉容比确定 转炉的炉容比又称为容积系数，以 v/t 表示，即转炉的工作容积与公称吨 位之比。它表示每单位公称吨位所需转炉有效冶炼空间的体积，其单位是 m3/t。 合适的炉容比，能够满足吹炼过程中炉内激烈的物理化学反应的需要，从 而能获得较好的技术经济效果和劳动条件。炉容比过大，增加设备重量、厂房 高度，耐火材料消耗也增加，因而使整个车间费用增加，成本较高；而炉容比 河北联合大学轻工学院 -23- 过小，炉内没有足够的反应空间，势必引起喷溅，对炉衬的冲刷加剧，操作恶 化，导致金属消耗增多，炉衬寿命降低，不利于提高生产率。 选择炉容比时应考虑以下因素： （1） 铁水比、铁水成分。随着铁水比和铁水中 si、p、s 含量增加，炉容 比应相应增大。若采用铁水预处理工艺时，炉容比可以小些； （2） 供氧强度。供氧强度增大时，吹炼速度较快，为了不引起喷溅就要 保证有足够的反应空间，炉容比相应增大些； （3） 冷却剂的种类。采用铁矿石或氧化铁皮为主的冷却剂，成渣量大， 炉容比也需相应增大些；若采用废钢为主的冷却剂，成渣量小，则 炉容比可适当选择小些。 炉容比还与氧枪喷嘴结构有关。最近我国设计部门推荐的转炉新砌炉衬的 炉容比为 0.901.0m3/t，小转炉取上限，大转炉则取下限。本设计取 1.0m3/t。 本设计方案为 50t 转炉，采用氧气顶底复合吹炼工艺 ，钢水收得率为 93%，最大废钢比为 17%，采用废钢矿石冷却法冷却。铁水采用 p08 低碳生铁 wsi=0.50.8，wp=0.10.2， ws=0.035 设计氧压为 1.0mpa。 4.1.4 高宽比 高宽比指转炉总高与炉壳外径之比，用 h总/d壳表示。一般是在炉型设计 完成以后，对 h总/d壳进行核算。必须防止两种倾向：转炉炉体过于细长，必 然导致厂房高度和相关设备的高度有所增加，使基建投资和设备费用增加；过 于矮胖的炉型，炉内喷溅物易于喷出炉外，热量和金属损失较大。因此，高宽 比是转炉设计是否合理、各参数选择是否恰当的一个尺度。 新设计转炉的高宽比一般在 1.251.45 范围内选取，小转炉取上限，大转 炉取下限。本设计中取 1.36。 4.1.5 炉型主要尺寸的确定 新转炉的炉型和各部位尺寸可根据经验公式 计算,结合现有转炉的生产实际，并通过模型试 验来确定。 筒球型转炉主要尺寸如图右所示。 熔池直径指转炉熔池在平静状态时金属液面的直 径。它主要与金属装入量和吹氧时间有关。我国 河北联合大学轻工学院 -24- 设计部门推荐的熔池直径计算的经验公式为： 1）熔池直径确定 d ： 原始条件：。本设计方案选 50t 转炉，采用氧气顶底复合吹炼工艺 ，钢水收得 率为 93%，最大废钢比为 17%，采用废钢矿石冷却法冷却。铁水采用 p08 低碳 生铁 w(si)0.080%，w(p) 0.2%，w(s) 0.035% 熔池直径计算公式d=k g t 式中： g新炉金属装入量，t； t平均每炉钢吹氧时间 min,查表 42 取为 15min； k比例系数，查表 43 取 k=1.8 确定初期金属装入量 g:取 b=15%则 （t） 2t12 501 g=51 2+b2 13%93% （t） g51 7.5 6.8 v 确定吹氧时间：低磷铁水去吨钢消耗氧量为 60m3/t,参照表 42 取吹氧时间 为 15 分钟。则 60 4 3/ .min 15 mt 则 51 d=k1.83.319 15 g m t 表表 42 转炉冶炼周期和吹氧时间推荐值转炉冶炼周期和吹氧时间推荐值 转炉公称吨位/t3030100100备 注 冶炼周期/min283232383845 吹氧时间/min121614181620 结合供氧强度、铁水成分和 所炼钢种等具体条件确定 表表 43 比例系数比例系数 k 的推荐值的推荐值 河北联合大学轻工学院 -25- 转炉公称吨位/t3030100100备 注 比例系数 k 值1.852.101.751.851.50 大吨位取下限、小吨位 取上限 2） 熔池深度 h0： 熔池深度指转炉熔池在平静状态时，从金属液面到炉底的高度。对于一定吨位 的转炉，炉型和熔池直径确定之后，可根据几何公式计算熔池深度 h0。 本设计是采用锥球型熔池，其熔池是由倒锥台和球缺体两部分组成。根据下列 公式计算可得： 33 0.0467.50.046 3.319 01.055 22 0.790.79 3.319 v d hm d 确定 d=3.319m；h=1.055m 4）炉帽尺寸的确定： 炉帽倾角 :倾角过小，炉帽内衬不稳定性增加，容易倒塌；过大时，出钢 时容易钢渣混出和从炉口流渣。故设 =60 。 炉口直径 d：一般说来，在满足兑铁水和加废钢的前提下，应适当减小炉口 直径，以利于减少热损失，减少空气进入炉内影响炉衬寿命和改善炉前操作条 件。m00.480.48 3.3191.593dd 炉帽高度 h 帽： 在炉口上部设有高度为 h 口=300400mm 的直线段,本设计中取 400mm,因此炉 帽高度为 11 0 d0 tg(3.319 1.593)tg1.50 60 22 hdm 整个炉帽高度为 +=1.50+0.4=1.90mhhh 炉帽总容积 v 帽为： 河北联合大学轻工学院 -26- 222 000) 124 222 1.5 (3.319 1.593)0.4 3.3191.5931.593 124 vhdddddh =8.20 3 m 5）出钢口尺寸的确定： 出钢口内口一般都设在炉帽与炉身交界处，以便当转炉处于水平位置出钢时其 位置处于最低点，可使钢水全部出净。 出钢口中心线水平倾角；为了缩短出钢口长度，便于维修和减少钢液二 次氧化及热损失，倾角确定原则，一般是在开堵出钢口方便的情况下尽量 减小 角。因此本设计中选 =20。 出钢口直径： t d 出钢口的大小决定出钢时间，出钢口过大，难以控制下渣，且钢包钢液静压力 增加过快，脱氧产物不易上浮。出钢口过小，钢液容易二次氧化和吸气，散热 过大。通常 dt 出按下式确定: t=d63+1.75t= 63+1.75 50=0.12m 式中 t转炉公称容量 50t。 出钢口长度 lt=7=70.12=1.14m t d 出钢口衬砖外径：dst=6=60.12=0.72m t d 4)炉子尺寸的计算： 炉膛直径等于熔池直径。 河北联合大学轻工学院 -27- 根据炉容比为 1.00,求的炉子总容积为 v 总=1.0050=50 m3 =v 总-v 池v 帽=508.27.5=34.3mv身 炉身高度： v34.3 =3.96m 22 3.319d 44 h 则炉子内型全高为 m=1+1.90+3.96h.055=6.920hhh 6）转炉炉衬的设计： 通常炉衬由永久层、填充层、和工作层组成。永久层紧贴炉壳，修炉时一 般不予拆除。其主要作用是保护炉壳，用镁砖砌筑。填充层介于永久层和工作 层之间，用焦油镁砂捣打而成，厚度约 80100mm,该层的主要功能是减轻炉承 受热膨胀时对炉壳产生挤压和便于拆除工作层。工作层系指与金属、熔渣和白 云石砖综合砌筑。炉帽用二步煅烧镁砖， ，也可根据具体条件选用其他材质。 各层厚度依据炼钢设计炉衬设计参考值，以及所选材质如表 4-4 所示：本 设计中选取工作层为 700mm，永久层为 115mm，填充层为 100mm，总厚度为 700+115+100=915mm。 炉壳内径为 d 内壳=3.319+0.1952=5.149m。 炉帽和炉底工作层选 600mm，炉帽永久层选 150mm，炉底永久层用标准镁 砖砌一层 230mm，粘土砖平砌三层 6531=195mm 炉底砖层厚度为 600+230+195=1025mm。则， 炉壳内型高度：h 内=6.92+1.025=7.945m 河北联合大学轻工学院 -28- 表表 4-4 炉衬厚度及选择炉衬厚度及选择 炉衬部 位 工作层填充层永久层合计 炉帽600100-700 炉身（加 料） 690100115905 炉身（出 钢） 690100115905 炉底7001002301030 7）炉壳厚度确定： 可参考表 4-2，炉身部分选取 75mm 厚的钢板，炉帽和炉底选取