产500万吨转炉炼钢毕业设计.doc

第 I 页 摘要 本设计简要叙述了转炉炼钢技术的发展状况以及未来的技术动向，结合本 专业所学的理论知识，在老师的指导下，设计一个年产 500 万吨合格铸坯的转 炉炼钢厂，通过产品大纲的确定、转炉炼钢的物料平衡与热平衡计算、转炉的 炉型设计、连铸设备选择、车间工艺设计及车间总体布置，确定了以两座 250 吨转炉、及一台连铸机为主要生产设备。并根据国内外炼钢技术的发展趋势、 钢铁产品的发展方向，选择了先进且有较大发展余地的短流程工艺：废钢转 炉连铸。设计方案以技术新、效益高为原则，充分体现了先进、灵活、多功 能的特点，具备可持续发展性。提交的内容包括设计说明书一份（含专题和冶 金专业相关外文文献译文各一篇） ，转炉型图、车间平面布置图和剖面图各一 张。 关键词：关键词：转炉，炼钢，连铸，工艺设计。 第 II 页 Abstract The design brief description of the development of steelmaking technology and future technology trends, Combining the theoretical knowledge learned profession, under the guidance of the teacher to design an annual output of 500 million tons of converter steel mill slab qualified, Determined by product outline, the material balance and BOF heat balance calculation, the converter furnace design, continuous casting equipment selection, process design and plant shop layout, identified by two 250 t converter, and a continuous casting machine as the main production equipment. And in accordance with domestic and international steel- making technology, development trends, development of steel products, select the advanced and there is greater room for development of the short-flow process: scrap Converter continuous casting. Design to new technology, the principle of high efficiency, fully reflects the advanced, flexible, multi-function features, with sustainability. Includes design specifications submitted by a (Including thematic and Metallurgy asked all foreign documents related article), Converter-type plans, the workshop floor plan and sections of the piece. Keywords: converter, steelmaking, continuous casting, process design 第 III 页 目 录 绪论 1 1 转炉炼钢厂设计方案 4 1.1 转炉车间生产能力的确定4 1.2 主要钢种的选择4 1.3 工艺流程4 1.4 车间组成5 1.5 主厂房工艺布置.5 1.5.1 原料跨布置 5 1.5.2 炉子跨的布置 6 1.5.3 精炼跨的布置 6 1.5.4 浇注跨与出坯跨 6 1.6 原材料的供应及设备7 1.6.1 废钢的供应 7 1.6.2 散状材料的供应 7 1.7 氧气的供应及设备8 2 物料平衡与热平衡 10 2.1 物料平衡计算.10 2.1.1 计算所需原始数据 10 2.1.2 物料平衡基本项目 12 2.1.3 计算步骤 12 2.2 热平衡计算23 2.2.1 计算所需原始数据： 23 2.2.2 计算步骤： 25 3 顶底复吹转炉炉型设计 30 3.1 炉型设计30 3.1.1 原始条件 30 3.1.2 熔池尺寸的计算 30 3.1.3 炉帽尺寸的确定 31 3.1.4 炉容比的确定 32 3.1.5 炉身尺寸的确定 32 3.1.6 出钢口的尺寸设计 32 3.1.7 炉衬尺寸的确定 33 3.1.8 炉子高宽比 33 第 IV 页 3.2 氧枪设计34 3.2.1 氧枪喷头设计 34 3.3 氧枪水冷系统37 3.4 底部供气构件的设计39 4 生产工艺设计 41 4.1 装料制度.41 4.2 供氧制度.41 4.3 顶吹氧气转炉的氧枪操作.42 4.4 造渣制度.42 4.4.1 炉渣碱度的控制与石灰加入量的确定 42 4.4.2 影响石灰溶解速度的因素 43 4.4.3 炉渣粘度的控制 43 4.4.4 炉渣氧化性的控制 44 4.4.5 泡沫渣及其控制 44 4.4.6 放渣及留渣操作 45 4.5 温度制度45 4.5.1 出钢温度的确定 45 4.5.2 冷却剂及其加入量的确定 45 4.6 终点控制和出钢46 4.7 脱氧制度及合金化47 4.8 合金化的一般原理.47 5 生产工艺布置 48 5.1 原料跨间布置48 5.2 转炉跨间的布置 50 5.2.1 横向布置 50 5.2.2 转炉跨各层平台的确定 52 5.3 转炉跨起重机轨面标高52 5.4 连铸设备的布置54 6 车间主要设备的选择 .58 6.1 原料跨58 6.1.1 混铁车 58 6.1.2 废钢料斗的计算 59 6.2 转炉跨59 6.2.1 钢包 59 6.2.2 渣罐数量的确定 60 6.3 精炼跨60 6.4 连铸跨61 第 V 页 6.5 制氧机的选择65 6.6 车间起重机的选择.66 7 烟气净化系统 .67 7.1 转炉烟气的产生与回收价值67 7.2 转炉烟气净化的方式67 7.3 转炉烟罩67 7.3.1 烟罩 67 7.3.2 烟道的类型和结构 68 7.4 烟气净化及回收系统 69 8 生产组织和人员编制 70 9 主要技术经济指标 .76 专题：近终形连铸技术的发展 78 致谢 87 第 1 页 绪论 钢铁称谓产业界的脊梁，是支撑 20 世纪的金属，特别是后半世纪受旺盛 的工业需求所驱使，产量、生产技术都得到了飞跃的发展。可大规模生产钢铁 的高炉转炉技术承担了重要的任务，出于回收利用社会废钢冶炼高级钢的目 的，近年来炉炼钢技术得到了飞速发展。转炉炼钢（converter steelmaking）是 以铁水、废钢、铁合金为主要原料，不借助外加能源，靠铁液本身的物理热和 铁液组分间化学反应产生热量而在转炉中完成炼钢过程。转炉按耐火材料分为 酸性和碱性，按气体吹入炉内的部位有顶吹、底吹和侧吹；按气体种类为分空 气转炉和氧气转炉。碱性氧气顶吹和顶底复吹转炉由于其生产速度快、产量大， 单炉产量高、成本低、投资少，为目前使用最普遍的炼钢设备。转炉主要用于 生产碳钢、合金钢及铜和镍的冶炼。 （1）转炉发展历程 早在 1856 年德国人贝斯麦就发明了底吹酸性转炉炼钢法，这种方法是近 代炼钢法的开端，它为人类生产了大量廉价钢，促进了 欧洲的工业革命。但 由于此法不能去除硫和磷，因而其发展受到了限制。 1879 年出现 了托马斯 底吹碱性转炉炼钢法，它使用带有碱性炉衬的转炉来处理高磷生铁。虽然转 炉法可 以大量生产钢，但它对生铁成分有着较严格的要求，而且一般不能多 用废钢 。随着工业 的进一步发展，废钢越来越多。在酸性转炉炼钢法发明 不到十年，法国人马丁利用蓄热原理，在 1864 年创立了平炉炼钢法，1888 年出现了碱性平炉。平炉炼钢法对原料的要求不那么严格，容量大，生产的 品种多，所以不到 20 年它就成为世界上主要的炼钢方法，直到 20 世纪 50 年代，在世界钢产量中，约 85%是平炉炼出来的。1952 年在奥地利 出现纯 氧顶吹转炉，它解决了钢中氮和其他有害杂质的含量问题，使质量接近平炉 钢，同时减少了随废气（当用普通空气吹炼时，空气含 79 %无用的氮）损 失的热量，可以吹炼温度较低的平炉生铁，因而节省了高炉的焦炭耗量，且 能使用更多的废钢 。由于转炉炼钢速度快（炼一炉钢约 10min，而平炉则 需 7h） ，负能炼钢，节约能源，故转炉炼钢成为当代炼钢的主流 。 (2) 我国转炉炼钢发展 1951 年碱性空气侧吹转炉炼钢法首先在我国唐山钢厂试验成功，并于 1952 年投入工业生产。1954 年开始厂小型氧气顶吹转炉炼钢 的试验研究工 作，1962 年将首钢试验厂空气侧吹转炉改建成 3t 氧气顶吹转炉，开始了工 业性试验。在试验取得成功的基础上，我国第一个氧气顶吹转炉炼钢车间 （230t）在首钢建成，于 1964 年 12 月 26 日投入生产。以后，又在唐山、 上海、杭州等地改建 了一批 3.55t 的小型氧气顶吹转炉。1966 年上钢一厂 将原有的一个空气侧吹转炉炼钢车间，改建成 3 座 30t 的氧气顶吹转炉炼钢 第 2 页 车间，并首次采用了先进的烟气净化回收系统，于当年 8 月投入生产，还建 设了弧形连铸机与之相配套，试验和扩大了氧气顶吹转炉炼钢 的品种。这 些都为我 国日后氧气顶吹转炉炼钢技术的发展提供了宝贵经验。此后，我国 原有的一些空气侧吹转炉车 间逐渐改建成中小型氧气顶吹炼钢车 间，并新 建了一批中、大型氧气顶吹转炉车 间。小型顶吹转炉有天津钢厂 20t 转炉、 济南钢厂 13t 转炉、邯郸钢厂 15t 转炉、太原钢铁公司引进 的 50t 转炉、包 头钢铁公司 50t 转炉、武钢 50t 转炉、马鞍山钢厂 50t 转炉等；中型的有鞍 钢 150t 和 180t 转炉、攀枝花钢铁公司 120t 转炉、本溪钢铁公司 120t 转炉等； 20 世纪 80 年代宝钢从日本引进建成具 70 年代末技术水平的 300t 大型转炉 3 座、首钢购入二手设备建成 210t 转炉车间；90 年代宝钢又建成 250t 转炉 车间，武钢引进 250 转炉，唐钢建成 150 转炉车间，重钢和首钢又建成 80t 转炉炼钢车间；许多平炉车间改建成氧气顶吹转炉车间等。到 1998 年我国 氧气顶吹转炉共有 221 座，其中 100t 以下的转炉有 188 座， （5090t 的转炉 有 25 座） ，100-200t 的转炉有 23 座，200t 以上的转炉有 10 座，最大公称吨 位为 300t。顶吹转炉钢占年总钢产量的 82.67%。 氧气顶吹转炉炼钢钢的品种和质量。 钢中气体和夹杂物是评价钢的冶金质量的主要指标。氧气顶吹转炉炼钢 反应速率快，沸腾激烈，所以钢中 H、N、O 含量较低，H为(35)10- 4，N为(24)10-3，低碳钢O为 006010。夹杂物和脱氧 及凝固操作有关。影响顶吹转炉钢含氮量的重要因素是氧气纯度，由表 4 数 据可以看出。所以用于转炉炼钢的氧气应该是 99以上的纯氧。 低碳钢是转炉炼钢的主要产品。由于转炉脱碳快，钢中气体含量低，所 以钢的塑性和低温塑性好，有良好的深冲性和焊接性能。用转炉钢制造热轧 薄板、冷轧薄板、镀锌板、 汽车板、冷弯型钢、低碳软钢丝等，都具有良好 的性能。 转炉冶炼中、高碳钢虽然有一些困难，但也能保证钢的质量。转炉钢制 造的各种结构钢、轴承钢、硬钢丝等都已广泛使用。冶炼高碳钢的困难是拉 碳和脱磷。在 C0.2时靠经验拉碳很难控制准确，如果有副枪可借副枪控 制，没有副枪时需要炉前快速分析，这就耽误了时间。高碳钢终点 (FeO)低， 脱磷时间短，因此需要采用双渣操作，即在脱碳期开始时放掉初期渣，把前 期进入渣中的磷放走，然而双渣操作损失大量热量和渣中的铁，没有特殊必 要不宜采用。增碳法是冶炼中、高碳钢的另一种操作法，这时吹炼操作和低 碳钢一样，只是在钢包内用增碳剂增碳，使含碳量达到丘冈绅的要求。增碳 剂为焦炭，石油焦等。中碳钢的增碳量小，容易完成。高碳钢增碳要很好控 制，但轨钢、硬线等用增碳法冶炼可以保证质量合乎要求。 转炉冶炼低合金钢没有特殊困难。冶炼合金钢时，因为合金化需要加入 钢包的铁合金数量大。会降低钢水温度，而过分提高出钢温度又使脱磷不利。 所以冶炼合金钢应与炉外精炼相结合用钢包炉完成合金化。另外，随着对 钢的成分的控制要求不断严格，为减少钢性能的波动，要求成分范围越窄越 第 3 页 好。这也需要在钢包精炼时进行合金成分微调的操作。 顶吹转炉冶炼超低碳钢（ 100备注 冶炼时间283232383845 吹氧时间121614181620 结合供氧强度， 铁水成分和所 炼钢种具体确 定 表 3-2 系数 K 的推荐值 转炉容量100备注 K1.852.101.751.851.501.75大容量取下限 小容量取上限 结合炉子公称容量 T 的大小,取 t=18min K=1.6 故 =1.6=5.963m G DK t 250 18 （2）熔池的深度 h 本设计采用截锥型熔池。通常倒截椎体顶面直径 b0.7D 对截锥型熔池有 2 0.574 c V h D 其中 3 250 32.895 7.6 c G Vm 故 2 32.895 1.613 0.574 5.96 hm 3.1.3 炉帽尺寸的确定 顶吹转炉一般都用正口炉帽，其主要尺寸有炉帽倾角，炉口直径和炉帽高度。 炉口直径(4353%)dD: 取 45%0.45 5.962.682dDm 炉帽倾角取 58 为了维护炉口的正常形状，防止因砖衬蚀损而使其迅速扩大，在炉口上部 有高度的直线段。取炉口为 0.4m300400Hmm: 口 第 32 页 所以炉帽高度 1 2 HDd tgH 口帽 1 5.962.68258 2 o tgH 口 =1.6391.6+0.4 =3.023m V 炉帽总容积 2 222 3 0.262 0.262 3.0220.4005.965.96 2.6822.6820.785 2.6820.400 42.6 DddH m 22 口口帽 H-HD-0. 785d 3.1.4 炉容比的确定 炉容比系指转炉有效容积与公称容量 T 之比值。系炉帽、炉身、和 t V t V 容池三个内腔容积之和。 表 3-3 国外部分大型转炉炉容比 公称容量100150150200200250250300300 吨以上 炉容比 3 mt 0.621.09 （0.70.9 ）居多 0.641.17 （0.70.9 ）居多 0.681.19 （0.71.0 ）居多 0.7061.0 5（0.70. 9）居多 0.680.94 1 （0.9 居多） 取炉容比为 0.9 则=0.9250=225 3 mt t V 3 m 3.1.5 炉身尺寸的确定 222 44 22542.632.8954 3.14 5.96 t VVVV H DD 池帽 身 身 =5.36m 第 33 页 3.1.6 出钢口的尺寸设计 出钢口一般都设在炉帽与炉身交界处，以使转炉出钢时其位置最低，便于 钢水全部出净。出钢口的主要尺寸是中心线的水平倾角和直径。 （1） 出钢口中心线水平倾角，为了缩短出钢口长度，为了维修和减少钢液 1 二次氧化及热损失，取=0 1 （2） 出钢口直径 63 1.75dT 出 63 1.75 250 =224mm （3） 出钢口长度选 8d出=1.792m 3.1.7 炉衬尺寸的确定 炉身 出钢侧工作层选 750mm 永久层选 135mm 填充层选 90mm 总厚度 750+135+90=975mm 加料侧工作层选 800mm 永久层选 135mm 填充层选 90mm 总厚度 800+135+90=1025mm 故炉壳直径为: 5.96+0.975+1.025=7.96m 炉帽工作层均选 600mm. 炉帽永久层选 115m 填充层选 80m 炉底工作层选 600m 填充层选 90m 炉底永久层用标准镁砖砌一层 230mm. 粘土砖平砌三层 653=195mm.故总 厚度为 90+ 600+230+195=1.115m 因而炉壳高度为:3.022+5.984+1.613+1.115=11.734m 第 34 页 3.1.8 炉子高宽比 若钢壳钢板炉身熔池皆用 55mm.炉底部分采用 45mm.则炉子高度比为 11.5110.080.06 1.44 7.910.080.08 H D 表 34 转炉指标 项目项目 公称容量T250t炉壳直径D7910m 炉壳全高H8.070m炉口直径 D出 2.682m 炉型内高 H膛 7.91m炉帽倾角58 有效容积V 225 3 m 出钢口直 径 d出224mm 炉容比 VT0.9 3 m t 出钢口倾 角 1 0 熔池直径 H池 5.96m炉子高宽比 H D 1.44 熔池面积 S池 38.19 2 m 熔池体积32.895m3 3.2 氧枪设计 顶底复吹转炉是在氧气射流对熔池的冲击作用下进行的，依靠氧气射流向 熔池供氧并搅动熔池，以保证转炉炼钢的高速度。因此氧气射流的特性及其对 熔池作用对转炉炼钢过程产生重大影响，氧枪设计就是要保证提供适合于转炉 炼钢过程得氧气射流。 转炉氧枪由喷头、枪身和尾部结构三部分组成，喷头一般由锻造紫铜加工 而成，也可用铸造方法制造，枪身由无缝钢管制作得三层套管组成。尾部结构 是保证氧气管路、进水和出水软管便于同氧枪相连接，同时保证三层管之间密 封。需要特别指出的是当外层管受热膨胀时，尾部结构必须保证氧管能随外层 管伸缩移动，氧管和外层管之间的中层管时冷却水进出的隔水套管，隔水套管 必须保证在喷头冷却水拐弯处有适当间隙，当外层管受热膨胀向下延伸时，为 保证这一间隙大小不变，隔水套管也应随外层管向下移动。 第 35 页 3.2.1 氧枪喷头设计 1、原始条件： 氧流量计算式： 每吨钢耗氧量出钢量 氧流量 吹氧时间 每吨钢耗氧量，若用低磷铁水约为 5565左右，采用高磷铁水约为 3 /Nmt 6069左右。 3 /Nmt 表 3-5 之间的关系 0 MVP、 M 氧射流出口温 度（K） 氧射流出口音 速（m/s） （m/s）V （） 0 P a MP 备注 1.52002704050.371 2.01612424850.790 2.51292175421.726 3.01041955823.711 假定氧气滞止 温度为 290K， 炉内环境压力 为 1.01 炉膛压力：根据实测数据，一般炉膛压力可选为 0.0990.102 a MP 表 3-6 多孔喷头孔数和喷孔夹角之间的关系 孔数3455 夹角911101313151517 氧气时间流量计算式： 表示实际流量和理论流量的偏差 D C 实际流量 0 0 17.64 D A P QC T 喉3 /minNm 对于加工水平一般的单孔喷头，0.950.9 6 D C 三孔喷头的0.900.95。 D C 冶炼钢种以碳素钢为主，外加一些低合金钢。 2、计算氧流量 每吨钢耗氧量取 60，吹氧时间取 18min 3 m 第 36 页 3 60 250 = 18 833.3/ min Q Nm 每吨钢耗氧量出钢量 吹氧时间 3、选用喷孔出口马赫数为 2.0、采用 5 孔喷头（如下图所示） ，多孔喷头的各 个流股是否发生交汇以效应角 为界，大于 则个流股很少交汇，小于 则必 定交汇。综合考虑喷头倾角为 18喷孔为拉瓦尔型。 4、设计工况氧压和喉口直径 查等熵流表，当2.0 时，0.1287，取 P=0.100（P膛近M 0 /P PP 膛a MP 似等于大气压力）,则设计工况氧压为： 0 0.100/0.12870.777 a PMP 工况氧压近似等于滞止氧压。 每孔流量： 833.3 166.7 55 Q q 3 /minNm 取 代入下式：0.94 D C 0 290TK 2 0 0.7777.93/ a PMPkg cm 则 0 0 1.782 D A P qC T 喉 A 第 37 页 2 777000 4 166.71.782 0.94 290 d 喉 53mmd喉 5、确定喷孔出口直径 根据 M=2.0 查等熵流表得：1.6875，即/AA 出喉 22 1.6875 44 dd 出喉 则 69mmd出 6、确定喷孔其他几何尺寸： 计算扩长段长度：扩散段的半锥角取 4，则扩散段长度 L 为： 0 6953 114m 242 0.06993 dd Lm tg 出喉 7、喷头五喷孔中心分布圆直径。在喷孔倾角确定以后，喷空中心分布圆是影 响氧射流交汇的一个重要因素。从降低氧射流交汇考虑喷空中心分布圆大为 好，综合考虑，取五喷孔中心分布圆直径 d=105mm 以上面的计算和选定数据为基础，再结合相关数据与实际情况，可绘 制出 250t 转炉的氧枪喷头。 设计出的喷头真图基本如下 3.3 氧枪水冷系统 3.3.1 氧枪枪身设计： 第 38 页 氧枪枪身由三层同心无缝钢管组成，内层是氧气通道，内层管于中层管之 间是冷却水进水通道，中层管于外层管之间是冷却水出水管道，其长度决定于 炉子尺寸与工艺布置要求，枪身各层钢管的直径和厚度计算如下： A：中心钢管直径的确定 已知氧流量 Q833.3。氧气流在中心管内的流速按 4060m/s 3 /minNm 考虑，因为流速过高会增加氧气在管内的阻力，对钢管来说也部安全，过低则 会增加枪身直径，使得热损失及耗水量增大。 依据气体状态方程，在中心钢管内的实际状态下的氧流量为： 3 3 101325 833.3290 777000273 115.4/ min 1.92/ Q m ms 实 取中心钢管内氧气流速为 60m/s，则中心钢管直径为 41.92 0.2 60 dm 内 中心钢管的壁厚及直径根据标准无缝钢管产品规格选定为203 6mm B: 中层钢管和外层钢管直径的确定 中层及外层钢管的直径主要根据冷却水的流速和流量来选定。冷却水从中 心钢管和中层钢管之间形成的环缝进入，经过喷头端部，由外层和中层钢管之 间形成的环缝流出。 为保证良好的冷却效果，进水流速可按 56m/s 选取，出水流速按 67m/s 选取，因为出水温度升高，体积增大，出水速度略高于进水温度。 根据生产实践统计，冷却水在氧枪中的温升控制20，出水温度50， 氧枪受热表面所受的平均最大负荷值大约为（0.901.71）左右， 62 10/kJ h m: 大型转炉可略高一些，可据此计算中、外层钢管直径。 对于 250t 转炉冷却水耗量取 250t/h 的条件下，则： 进水环缝截面积： 2 1 250 0.01157 6 3600 Q Fm V 水 进 （速度进水为 6m/s） 出水环缝截面积： 2 2 250 0.00992 7 3600 Q Fm V 水 出 （出水速度为 7m/s） 第 39 页 已知中心管外径203mm，则中层钢管的内径为：d内1 22 1 44 0.01157 ()0.2030.237 3.14 F dd 中内1 选取中层钢管为273 7mm 同理外层钢管内径为： 22 2 44 0.00992 ()0.2730.295 3.14 F dd 外中 选取外层钢管为325 8mm 3.3.2 冷却水在铜头底部的流通间隙： 由于铜头底部受的热流最大，为保证铜头能有较高的寿命，故应适当增加 冷却水在端头处的流速。若 为间隙高度，A 为外冷却水层环缝厚度，应使 A，或端头处的流速取为 78m/s 3.4 底部供气构件的设计 1、底气用量 常用的有两种：一种是当冶炼含碳低于 0.02的钢时，待碳降至 0.0350.040左右时，切断顶枪的氧气，改为底吹，吹炼时间约为 2 N 510min，另一种是在底部全程供气，只是前期吹，末期 Ar，本设计采用 2 N 后者。 2、供气构件 目前常用的供气构件主要有以下三类： 透气砖：早期透气砖，内有大小约 100 目的无数微细孔。其主要缺点是砖的 1 致密性差，寿命底，气流通过阻力大。组合式透气砖有多块耐火砖按不同形式 组合成各种砖缝并包不锈钢板而成，这种透气砖致密度增加，寿命提高，但气 流分布不够均匀，组片式透气砖的优点是膨胀系数较小，可以防止剥落，寿命 较长。 喷嘴：炉底喷嘴有单管式、套管式和实心环缝式三种。单管式吹喷嘴供气量 2 调节范围小，生产过程中，当气流出口速度低于音速时，容易引起气流脉动,造 成间断式供气，从而导致喷嘴粘结，甚至灌钢。套管式喷嘴的内管和环缝均供 气，所供气体的压力和流量各异。为防止内管粘钢，环缝送入速度较高气体。 通过调整内外管中气流的压力和面积，可以改善气流的性能。一般要求 P内/P 缝1.89，1A内/A缝3。内外管压差越大，气体方向冲击次数就越小，这样又 提高喷嘴寿命和减轻炉底耐火材料的损毁是有利的。流量通过改变内管压力来 第 40 页 调节的，但可调节的气量范围仍嫌小，其最大气量与最小气量之比值2.0，环 缝式喷嘴只有环缝供气，内管用耐火材料填实。这样可消除喷嘴结瘤，后应力 也大大减小，气量调节范围大，约达 10，但不易于喷粉。 类环缝管式喷嘴：环缝中设有许多细金属管。它兼有透气砖和喷嘴的点，适 3 用于喷吹各种气体，还简化了细金属管砖的制作工艺，是很有发展前途的一种 供气构件。 本设计中底部供气元件选为类环缝管式喷嘴。喷嘴数量为 2 个，如图所示 为环缝管式供气构件。 环缝喷嘴直径的确定： 经验公式： 1212 0.785()() x fDDDD 外环=200mm 内环=100mm 1 D 2 D 其圆心选取为与其熔池同心圆的 0.45D 及 1341mm 3、氧枪长度的确定 氧枪全长包括枪身长度 l1和尾部长度 l2。氧枪尾部装有氧枪把持器，冷却 水进出管接头，氧气管接头和吊环等。故 l2的长度取决装置所需要的尺寸. 氧枪下部枪身长度确定取决炉子容量和烟罩尺寸.这里取 18.2m 第 41 页 4 生产工艺设计 4.1 装料制度 对于转炉炼钢，装入量过大，会使喷溅增加，熔池搅拌不好，造渣困难， 炉衬特别是炉帽寿命缩短，供氧强度也因喷溅大而被被迫降低，装入量过小， 则会使炉产量减少，所以确定装入量时应考虑以下因素： 保证合适的炉容比：通常波动在 0.71.0，一般大于 0.75。 1 要有合适的熔池深度：合适的熔池深度应大于顶枪氧气射流对熔池的最 2 大穿透深度的一定尺寸。 应与钢包容量、浇铸吊车起重能力、转炉倾动力矩大小、铸机拉速等相 3 适应。 本设计采用分阶段定量装入，大体上保持了比较适当的熔池深度和装入量 的相对稳定性。 4.2 供氧制度 氧枪经常在出口马赫数远大于 1 的条件下工作。 1 在转炉膛内，氧气射流遭到与射流运动方向相反，以 CO 为主的相遇气 2 流的作用，使射流的衰减加速，该作用在强烈脱碳的吹炼中期影响最大。 氧气射流在转炉炉膛内向下流动的过程中，将从周围抽吸烟尘、金属滴 3 和渣滴等比重很大的质点，使射流的速度降低，扩张角减小。 第 42 页 转炉膛内的氧气射流，初始温度比周围介质的温度低的多，当射流与周 4 围抽吸的高温介质混合时，射流被加热。 氧枪出口处的氧气射流，其密度显著大于周围气相介质的密度，这有利 5 于射程增大。 4.3 顶吹氧气转炉的氧枪操作 氧强的结构、类型和尺寸等确定后，吹炼过程中能够调节的供氧参数是枪 位和工作氧压，氧枪操作首先应满足化渣快和不“返干”的要求，同时，也要满 足减少喷溅，准确控制终点，以及延长炉龄的要求，变动枪位是目前控制吹炼 过程的重要手段，枪位的变动主要由以下因素决定： 吹炼的不同时期 1 熔池的深度 2 造渣材料的加入量及其质量 3 铁水温度和成分 4 喷头结构 5 4.4 造渣制度 4.4.1 炉渣碱度的控制与石灰加入量的确定 炉渣碱度是脱硫、脱磷能力的基本标志，早期炉渣的碱度一般控制在 2.42.8 之内，在冶炼含磷硫较高的原料和低磷硫的钢种时，要提高碱度，一 般控制在 3.03.5。 石灰加入量主要根据铁水中硅磷含量和炉渣碱度确定 在铁含磷量较低，采用单渣法和废钢做冷却剂时，石灰加入量可安下式 计算： 石灰加入量= kg/t 金属料 2.14 %1000 % SiR CaO 有效 式中 R=(%CaO)/(%)碱度 2 SiO 石灰中的有效含量石灰%CaO 有效 CaO 2 %CaORSiO 第 43 页 当铁水中含磷较高并假定金属料中含磷量的 90氧化进入炉渣，则石灰加 入量按下式计算： 石灰加入量 10002.14 %1.31 % % RSiP CaO 有效 式中 R; 225 % %0.634 % CaO SiOPO 4.4.2 影响石灰溶解速度的因素 FeO 是石灰的基本熔剂，有利于时将会快溶解，FeO 能降低炉渣的粘度， 1 加速石灰块外部的传质，并改善炉渣对石灰的润湿和炉渣向石灰孔隙中的渗透， FeO 和 CaO 同是立方晶系，有利于氧化铁向石灰晶格中迁移和扩散。 中期炉渣“返干”使石灰溶解缓慢。 “返干”主要使碳的激烈氧化使渣中氧化 2 铁浓度降低较多，致使炉渣的熔点显著升高，炉渣变稠而不活跃，成为半固体 状态而失去精练能力。 温度对石灰的熔解速度也有影响，高温使外部和内部的传质加速，使生 3 成的渣壳和硅酸二钙迅速熔解。兑铁水前，预热石灰，能显著增加成渣过程。 萤石能降低 CaO 以及的熔点，吹炼中期加入萤石可以防止炉 4 2 .2SiOCao 渣“返干”。 4.4.3 炉渣粘度的控制 过粘的炉渣去除磷、硫缓慢，含有大量的金属珠，降低钢水的收得率；过 稀得炉渣则强烈侵蚀炉衬。原因通常是炉渣得熔点与当时的熔池温度接近，熔 池的温度低于炉渣的液相线时，炉渣特别粘稠。此时，提高渣中、 2 CaF （FeO） 、MnO 、MgO 等含量都能使炉渣熔点降低，流动性改善。在确保去 硫、磷的条件下，加入白云石等含 MgO 的材料，适当提高终渣的粘度，可以 在终渣停吹时，部分粘附在炉衬内表面，使炉龄延长。 第 44 页 4.4.4 炉渣氧化性的控制 用渣中氧化铁的活度表示炉渣的氧化性使最合理的，因为渣中的氧化 FeO 铁不会呈自由状态存在，但是，由于确定的数值相当复杂，因此一般只用 FeO 于研究工作，生产中普遍用氧化铁的浓度表示炉渣的氧化性，影响炉渣氧化性 的主要因素: 枪位和氧压：在一定的供氧强度下，枪位提高或氧压降低时，炉渣的氧 1 化性增强。 脱碳速度：脱碳速度越大，碳夺取炉渣中的氧越强烈，而且熔池搅拌越 2 有力，促进炉渣中的氧化铁向金属中传递，炉渣氧化性大大减弱。 温度对炉渣的氧化性是间接的，熔池温度低而使金属和炉渣粘度增大， 3 炉渣向金属传递氧和金属吸收射流的氧减慢，炉渣的氧化性增强。 4.4.5 泡沫渣及其控制 在顶吹氧气转炉吹炼的前、中期，提高炉渣中（FeO）的含量以加入石 灰的熔化和促进去磷，产生泡沫渣是不可避免的，往往是在炉渣（FeO）高 和熔池温度较低时产生的。目前对泡沫渣还不能完全控制，通常在吹炼中期或 稍微偏前一些，泡沫化程度达到最大值，熔池面上涨出现在碱度 1.51.7 和脱 碳速度最大的时候。 在开吹的初期，由于渣量很少和脱碳速度不大，熔池面上涨很少，炉渣的 泡沫化不致造成溢渣和喷溅。随着吹炼的进行，渣量迅速增大，在采用高 （FeO）化渣时，炉渣的泡沫化程度迅速增大。如果熔池温度较低，炉渣较 粘，一旦碳开始剧烈氧化，泡沫渣将大量从炉口溢出，并产生强烈喷溅。吹炼 末期，脱碳速度下降，熔池温度升高，炉渣的泡沫化程度随之减小。 为了避免炉渣的过分泡沫化，还应尽可能保持吹炼初期的热量。在铁水温 度较低时，应先提温，待温度上升后，再提枪化渣。铁矿石或其他固体氧化剂 不应一次加入过多，以免使熔池温度剧烈下降，渣中（FeO）急剧增多。采 用软烧石灰，可降低化渣所需要的（FeO）含量，炉渣流动性也好，可使炉 渣泡沫化程度减小，铁水含硅量降低可以减少渣量，减轻泡沫渣危害。 4.4.6 放渣及留渣操作 目前，顶吹氧气转炉的造渣操作有吹炼中途不放渣的“单渣法”，中途放出 第 45 页 部分炉渣的“双渣法”，以及将上炉的部分或全部终渣留在炉内作为下一炉渣料 的“双渣留渣法”， 。本设计采用双渣法。 4.5 温度制度 4.5.1 出钢温度的确定 出钢温度可按下式确定： t出t液 1 t 2 t 式中 所浇钢种的液相线温度t液 浇注过程种钢水的温降 1 t 从出钢、钢水精炼导开浇时钢水的温降， 2 t 4.5.2 冷却剂及其加入量的确定 冷却剂的冷却效果为加热冷却剂到一定的熔池温度时消耗的物理热q冷 （）和冷却剂发生化学反应消耗的化学热（）之和，即Q热Q化 +q冷Q热Q化 顶吹氧气转炉炼钢所用的冷却剂一般有废钢、铁矿石、氧化铁皮，废钢 作为冷却剂的优点是杂质少，可减少成渣量。铁矿石用作冷却剂的优点是加料 时不占用吹炼时间，有利于快速成渣和去磷，并能降低氧耗和钢铁料消耗，吹 炼过程中调节温度比较方便，氧化铁皮是轧钢的铁屑，其冷却效果比矿石稳定， 含杂质少，生成渣量也少。 废钢加入量的计算 假设需要废钢进行冷却的富余热量为，废钢的冷却效果为，则Q余q废钢 应加入的废钢量为： G废钢 Q G q 余 废钢 废钢 第 46 页 铁矿石加入量的计算。由于铁矿石含，故用铁矿石作冷却剂时，为了 2 SiO 保持炉渣的规定碱度 R，需要补加石灰。因此在计算铁矿石加入量时，应考虑 补加石灰的冷却作用。如果表示矿石的加入量，表示补加石灰量，G矿G石灰 表示铁矿石的冷却效果，表示石灰的冷却效果，为富余热量，则q矿q石灰Q余 + Q余G矿q矿G石灰q石灰 1 为了保持规定的炉渣碱度 R，需补加的石灰量可根据矿石中的含量 2 SiO 和石灰中自由的求出。 2 SiO 矿 CaOCaO 自由 G石灰 2 GSiOR CaO 矿 矿 自由 2 将 式代入 式得出铁矿石的加入量 2 1 2 Q G SiOR qq CaO 余 矿 矿 矿石灰 自由 假设普通低碳废钢的冷却效果为 1，则常用冷却剂效果如下图所示 冷却剂与废钢相比的冷却效果加入 1冷却剂的金属温度 降低值/ 废钢18.59.5 铁矿石，铁皮（90作用）44.53540 石灰石4.253438 4.6 终点控制和出钢 终点控制是转炉吹炼末期的重要操作。有于脱磷比脱碳操作复杂，因此总 是尽可能提前让磷、硫去除到终点要求的范围内。这样，终点控制便简化为脱 碳和钢水温度控制，所以把停止吹氧又称为“拉碳”，从广义上讲，终点控制应 包括所有影响钢质量的终点操作和工艺因素控制。 转炉的自动控制可以达到准确控制吹炼过程和终点的目的，具有较高的命 中率，经验控制经常采用“增碳法”和“拉碳法”。 增碳法省去倒炉、取样及随后的补吹时间，因而生产率高，终渣（FeO） 第 47 页 高，化渣耗，去磷率高，热量收入较多，有利于增加废钢用量。拉碳法具有终 点钢水氧含量和终渣（FeO）较低，终点钢水含锰量较高、氧气消耗较少等优 点。 转炉出钢时间约 26min，应采用红包出钢和挡渣出钢法。 4.7 脱氧制度及合金化 目前顶吹氧气转炉炼钢绝大多数采用沉淀脱氧，对一些有特殊要求的钢种 还可以配合以包内扩散脱氧（合成渣渣洗）和真空碳脱氧（真空处理及吹氩搅 拌等） 。 4.8 合金化的一般原理 加入某一种或几种合金元素，使其在钢水中的含量达到成品钢规格的操作 过程，通称合金化。实际上，脱氧和合金化经常是同时进行的。加入钢中的脱 氧剂一部分消耗于钢的脱氧，转化为脱氧产物而排出，另一部分则为钢水所吸 收，起到合金化的作用。而加入钢中的合金元素，因其与氧的亲和力多半比铁 强，也必然起一定的脱氧作用。 冶炼一般合金和低合金钢时，合金加入量公式如下： 合金加入量kg % % M MMM M 规格中限残余其他合金带入 合金 出钢量 冶炼高合金钢时，合金加入量较大，因此，加入的合金量对钢水重量和终 点成分的影响不可忽略 各种合金元素应该根据它们与氧的亲和力大小，熔点高低以及热物理特性， 决定其合理的加入时间、地点和必须采取的助熔或防氧化措施。 5 生产工艺布置 氧气转炉炼钢车间的主体部分是主厂房，它包括原料跨，转炉跨，精炼 跨，浇注跨，出坯跨。 第 48 页 5.1 原料跨间布置 在原料跨内主要完成兑铁水、加废钢和转炉炉前的工艺操作，一般在原料 跨的两端分别布置铁水和废钢工段，由于本设计中转炉容量为 250t，所以采用 混铁车水。 图 5-1 采用混铁车方案时铁水供应系统图 1-铁水预处理间 2-倒渣间 3-铁水倒罐站 4-主厂房原料跨 采用混铁车方案进行铁水预处理时，一般包括铁水预处理间 1 倒渣站 2 和 铁水倒罐站 3。铁水预处理间（脱硫或同时脱硫磷）和倒渣站大多数位于炼铁 车间与铁水倒罐站之间，且彼此平行布置。一般情况，经处理后的混铁车，每 隔 23 次送到倒渣站倒渣。不需处理的混铁车每隔 10 次左右到倒渣站倒渣， 铁水倒罐站内一般设有二条运输线和与其垂直布置的受铁坑，一个受铁坑有两 个铁水转注位置。 在高炉和转炉中将应该增加铁水预处理工序，进行脱硫或同时脱硫脱磷处 理，当前，最有效的方法是喷粉处理。例如脱硫用石灰粉配加少量石灰石粉。 脱磷有石灰系和苏打系两类，石灰系处理后渣较粘，可用机械扒渣发除渣，苏 打系处理时渣稀，可用真空吸渣法除渣效果较好。 废钢的供应：在原料跨一端的外侧另建废钢间（一般垂直于原料跨） ，在 废钢间内加工处理后的废钢装入料斗并称重，然后，料斗由地面或高架台车送 进原料跨待用。 转炉渣罐的转运将渣罐车横穿原料跨，在主厂房之外的中间渣厂到运或处 理。 原料跨厂房的长度为铁水供应区，废钢供应区和转炉加料区三者之和，并 加入两端检修吊车所需的长度。 原料跨厂房的宽度取决于转炉容量及工艺布置。 原料跨厂房的高度:用混铁车时,兑铁水调车轨面标高应保证能把铁水包中 第 49 页 的铁水全部兑入转炉。 此时铁水吊车的轨面标高 H 为: 1234 Hhhhh 式中: 铁水吊车的升高极限,取 1.6m 1 h 安全距离,取 1m 2 h 铁水包兑铁水时,铁水耳轴中心至转炉耳轴中心的距离,取 3 h 8.8m 转炉耳轴中心标高取 13m 4 h H=1.6+1+8.8+13=25.4m 原料跨宽度主要由铁水供应工段作业、转炉炉前操作和废钢场地三方面需 要的宽度来确定，其中前两项是主要的，从中选取最大值确定原料跨宽度。本 设计中，所设计炼钢车间采用 500t 混铁车作为供应铁水设备，车间跨度取决 于炉前操作和受铁坑所占置示意图的宽度。原料跨的宽度一般在 2127m,参照 同种类型转炉炼钢车间相关尺寸参数，取设计车间原料跨宽度为 21m。 置示意图的宽度。原料跨的宽度一般在 2127m,参照同种类型转炉炼钢 车间相关尺寸参数，取设计车间原料跨宽度为 21m。 图 5-2 氧枪副枪布 第 50 页 5.2 转炉跨间的布置 转炉跨是氧气转炉炼钢车间中厂房最高建筑结构最复杂和单位投资最多的 跨间。重要的生产设备和辅助设备都布置在这里，如、转炉、转炉倾动系统、 加料 系统、供氧系统、底吹系统、烟气净化系统、出钢、出渣设施等。 炉子跨的跨度主要依据转炉容量容量的大小和该跨内各设备的布置要求来 确定。转炉跨厂房宽度指跨间纵向柱列线之间的距离。设计中尺寸的确定应满 足于炉后操作和布置下氧枪及其升降机构、高位料仓、除尘设备等需要的宽度， 散状料系统设备、烟气净化系统设备需要的宽度，主要取决于转炉位置，斜烟 道占用的宽度，同时要考虑氧枪，料仓胶运输机布置和设备维修通行所占用的 面积。不同容量转炉跨度波动在 1224m 之间。本设计中，取转炉跨跨度为 21m。 5.2.1 横向布置 很本设计中炉子跨采用横向布置，横向布置是指跨间横向柱列中心线之间 布置，各个系统的设备及其操作互不干扰，生产通畅。转炉在横向上的位置。 转炉应布置在靠近原料跨，转炉中心线与靠近原料跨的厂房向柱列中心线的距 离 a，既要保证原料跨的吊车能顺利向转炉兑入铁水和加入废钢，又要在可能 的条件下，尽量保持足够大的距离，以便较好的布置氧枪升降机构，保证氧枪 和副枪的正常工作，a 值的关系式为：a=R+r-() 123 lll 式中： R转炉倾动到受铁位置（一般是倾动角）时，转炉炉口 00 3050: （新炉衬时）内缘到转炉直立中心线的水平距离，取 2.725m； r铁水罐内全 部铁水兑入转炉（倾动角 104左右）时，罐咀前沿到铁水罐耳轴中心线的水平 距离，取 2.1m。 厂房纵向柱列中心线与吊车轨道中心线的距离，取 0.5m；兑铁水 1 l 2 l 吊车主钩中心线至吊车轨道中心线的极限距离，取 2.15 m。 向转炉兑铁水时，吊车主钩中心线至其水平极限位置的富余尺寸，取 3 l 0.3m。 a=2.725+2.1-(0.5+2.15+0.3)=1.875 m； 烟罩、烟道和氧枪、副枪的位置：通常烟罩和烟道皆沿跨间横向朝炉后 弯曲，一是便于氧枪和副枪穿过烟罩插入转炉内，二是有一个连续的更换 第 51 页 氧枪的通道，换枪方便。氧枪通道宽约 1m 左右，而且副枪总是布置在靠 烟道一侧。 5-3 高位料仓示意图 高位料仓的布置：散状料的各个高位料仓一般是沿炉子跨纵向布置，在其 顶部有分配皮带机通过