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I 年产 350 万吨良坯 全连铸转炉炼钢车间设计 摘 要 以高炉铁水为原料的转炉炼钢工艺是当前较为普遍的炼钢工艺。现代转炉炼钢要 求采用大型、连续、高效的设备及先进的生产工艺，要求布局合理、管理先进、节约 能耗、减少污染、降低投资成本，其基本工艺是：铁水与处理、转炉炼钢、炉外精 炼、连铸。 本设计的主要任务是设计一座年产 350 万吨良坯的全连铸转炉炼钢车间，建有 2 座公称容量 180 吨的氧气顶吹转炉，采用“二吹二”制。同时建有 2 台方坯连铸机，2 座 LF 精炼炉。根据任务书中 Q235A 碳素钢的品种需要，选择 LF 炉外精炼手段。 本设计主要内容有：物料平衡和热平衡的计算、转炉炉型及氧枪的设计、转炉炼钢 车间设计及计算、连铸设备的选型及计算、炉外精炼设备的选型与工艺布置、炼钢车间 烟气净化系统的选择等。 最终编写一份设计说明书， 绘制三份图纸， 分别是转炉炉型图、 车间平面图及剖面图。 关键词：转炉炼钢，基本工艺，炉外精炼，全连铸，设计 II Abstract The blast furnace steelmaking process with blast furnace hot metal as raw material is the most common steelmaking process. Modern converter steelmaking requires large, continuous and efficient equipment and advanced production technology, requiring reasonable layout, advanced management, energy saving, reduce pollution and reduce investment costs, the basic process is: hot metal and processing, converter steelmaking, furnace refining, continuous casting. The main task of this design is to design an annual output of 3.5 million tons of billet of the whole casting furnace steelmaking workshop, built two nominal capacity of 180 tons of oxygen top blown converter, the use of “two blowing two“ system. At the same time there are two billet caster, two LF refining furnace. According to the task book Q235A carbon steel varieties need, choose LF furnace refining means. The main contents of this design are: material balance and heat balance calculation, converter furnace and oxygen lance design, converter steelmaking workshop design and calculation, continuous casting equipment selection and calculation, furnace refining equipment selection and process layout, Steel plant flue gas purification system selection. The final preparation of a design manual, drawing three drawings, namely the converter furnace diagram, workshop floor plan and profile. Keywords: converter steelmaking, basic process, furnace refining, all continuous casting, design III 目录 摘 要 I Abstract II 1 转炉炼钢车间设计方案 . 1 1.1 工艺流程 . 1 1.2 主要冶炼钢种及产品方案 . 1 1.3 转炉车间组成 . 1 1.4 转炉车间生产能力计算 . 1 1.4.1 转炉容量及座数的确定 . 1 1.4.2 计算年出钢炉数 . 1 1.4.3 计算年需钢水量 . 2 1.4.4 按标准系列确定炉子的容量 . 2 1.4.5 核算车间年产量 . 2 2 炼钢过程的物料平衡与热平衡计算 . 3 2.1 物料平衡计算 . 3 2.1.1 计算原始数据 . 3 2.1.2 物料平衡基本项目 . 4 2.1.3 计算步骤 . 4 2.2 热平衡计算 . 10 2.2.1 计算所需原始数据 . 10 2.2.2 计算步骤 . 11 3 转炉炉型设计及氧枪 . 14 3.1 炉型的选择 . 14 3.2 炉容比与高宽比 . 14 3.3 转炉主要尺寸的确定 . 14 3.3.1 熔池尺寸 . 14 3.3.2 炉帽尺寸 . 15 3.3.3 炉身尺寸 . 15 3.3.4 出钢口尺寸 . 16 3.4 炉衬 . 16 3.4.1 炉衬材质的选择 . 16 3.4.2 炉衬的组成和厚度的确定 . 16 3.5 炉壳厚度确定 . 17 3.6 验算高径比 . 17 3.7 支承装置 . 17 3.7.1 托圈 . 17 IV 3.7.2 耳轴及其轴承 . 17 3.7.3 倾动机构 . 17 3.8 氧枪设计 . 17 4 连铸车间的设计 . 19 4.1 连铸机机型的选择 . 19 4.2 连铸机的主要工艺参数 . 19 4.2.1 最大浇注时间 . 19 4.2.2 铸坯断面 . 20 4.2.3 拉坯速度 . 20 4.2.4 连铸机的流数 . 20 4.2.5 连铸坯的液相深度和冶金长度 . 20 4.2.6 弧形半径 . 21 4.3 连铸机生产能力的确定 . 21 4.4 结晶器的设计 . 22 4.5 二次冷却装置 . 22 4.6 拉坯矫直装置与引锭装置 . 22 4.7 钢包回转台 . 23 4.8 中间包 . 23 5 转炉车间烟气净化和回收 . 24 5.1 烟气净化系统类型的选择 . 24 5.2 烟气净化系统主要设备的选择 . 24 5.2.1 烟气收集设备-烟罩 24 5.2.2 烟气冷却设备 . 24 5.2.3 除尘设备 . 24 6 转炉炼钢的生产工艺设计 . 25 6.1 炼钢的主要原材料 . 25 6.1.1 金属料 . 25 6.1.2 造渣材料 . 25 6.1.3 其他 . 26 6.2 装料制度 . 26 6.3 供氧制度 . 26 6.3.1 供氧制度主要工艺参数 . 26 6.3.2 氧枪操作 . 27 6.4 造渣制度 . 27 6.4.1 单双渣操作 . 27 6.4.2 各种渣料用量计算及加入 . 27 6.4.3 炉渣调整 . 28 V 6.5 温度制度 . 28 6.5.1 温度控制原则 . 28 6.5.2 出钢温度的确定 . 28 6.5.3 过程控制温度要求 . 29 6.6 终点控制与出钢 . 29 6.7 脱氧合金化操作 . 29 7 转炉炼钢车间的组成与主厂房的布置 . 30 7.1 车间组成 . 30 7.2 主厂房主要尺寸的确定 . 30 7.2.1 装料跨 . 30 7.2.2 转炉跨 . 31 7.2.3 浇铸跨 . 35 7.3 钢包的工艺参数 . 36 7.4 起重机的选用 . 36 参考文献 . 37 致谢 . 38 1 1 转炉炼钢车间设计方案 1.1 工艺流程 炼钢车间以炼铁车间的铁水为主要原料，是钢铁企业的中间环节，起着承前启后 的作用。现代转炉炼钢车间的基本工艺是： 高炉铁水用混铁车运到倒罐站后，转移到铁水罐中（鉴于铁水罐比混铁车操作方 便且易于扒渣） ，为了优化工艺，进行一系列的铁水预处理。将经过铁水预处理后的铁 水加入到转炉中进行脱碳处理，然后进行 LF 炉外精炼，最后钢液经过钢包回转台到 达连铸机，铸成钢坯。 1.2 主要冶炼钢种及产品方案 本设计主要生产的是 Q235A 普碳钢。由所学专业知识可知，Q235A 是具有专门用 途的碳素钢， 其具有一定的伸长率， 塑性和韧性较好， 具有较好的热加工性和焊接性能。 Q235A 的材质含碳量通常在 0.14-0.22之间。Q235A 一般情况下在热轧状态下使用， 应用范围比较广，可以用其来轧制型钢、钢筋、钢板、钢管等，广泛用于制造各种焊接 结构件、桥梁及一般不重要的机器零件，如螺栓、铆钉、拉杆、套环和连杆等。 1.3 转炉车间组成 现代的氧气转炉炼钢车间主要包括以下几部分：主厂房（包括装料跨、转炉跨、 钢包的转运及炉外精炼跨、浇铸跨） ；铁水倒罐站及铁水的预处理站；废钢堆场与配料 间；散状原料的储运设施及铁合金的仓库；中间渣场；耐火材料仓库；烟气净化的设 施及煤气回收的设施；水处理设施；分析、检测及计算机监控设施等。 1.4 转炉车间生产能力计算 1.4.1 转炉容量及座数的确定 根据转炉炼钢车间的具体生产情况，由于改进了炉衬材质，采用溅渣护炉技术，使 得炉龄大幅提高，故本设计采“二吹二”的吹炼制度，每炉钢 38min 的平均冶炼周期以及 16min 的平均供氧时间。转炉作业率：取 =78%；炉外精炼收得率：取 98%；为了使转 炉的利用效率得到提高，同时减少投入的资金，连铸收得率：取 98%。 1.4.2 计算年出钢炉数 吹炼转炉的年出钢炉数 N 可由下式计算得出： N = 2 1440365 T1 = 2 144036578% 38 = 21577炉 式中： T1每炉钢的平均冶炼时间，38min/炉； 1440一天的时间，min/d； 345一年的工作天数，d/a； 转炉作业率，%，若全连铸则取=75%-80%。本计算取 78%。 2 1.4.3 计算年需钢水量 每炉钢的平均冶炼周期取 38min。 年需合格钢水量 = 年需良坯量 连铸坯成坯率 连铸坯合格率 铸坯成坯率：取 98%； 铸坯合格率：取 98%； 代入数据得：年需合格钢水量 = 350 98%98% = 364.43 万吨； 年需钢水量 平均炉产钢水量 年出钢炉数 代入数据得：平均炉产钢水量 = 3644300 21577 = 168.90 吨。 1.4.4 确定转炉的容量 故取公称容量为：180 吨。 1.4.5 核算车间年产量 本次设计选用两座公称容量为 180 吨的氧气顶吹转炉，采用二吹二的吹炼制度。 车间年产量=180 21577 98% 98%=373 万吨350 万吨，所以设计的选取比较合 适。 3 2 炼钢过程的物料平衡与热平衡计算 2.1 物料平衡计算 2.1.1 计算原始数据 基本原始数据有：所需冶炼的钢种及其成分、废钢和铁水的成分、终点钢水的成分 （表 2-1） ；用于造渣的溶剂及炉衬等原材料的成分（表 2-2） ；用于脱氧和合金化的铁合 金的成分及回收率（表 2-3） ；其他工艺参数（表 2-4） 。 表 2-1 钢种、铁水、废钢和终点钢水的成分设定值 元素 含量/% 类 别 C Si Mn P S 钢 种 Q235A 0.180 0.250 0.550 0.045 0.050 铁水 （1350） 4.232 0.416 0.521 0.299 0.032 废 钢 0.180 0.250 0.550 0.030 0.030 终点 钢水 0.100 痕迹 0.156 0.030 0.019 注： C和Si按实际情况选取；Mn、P和S留在钢水中的含量分别占铁水中相应成 分含量的 30%、10%和 60%。 表 2-2 原材料成分 类 别 成分含量/% 石灰 萤石 生白云石 炉衬 焦炭 CaO 88.00 0.30 36.40 1.20 SiO2 2.50 5.50 0.80 3.00 MgO 2.60 0.60 25.60 78.80 Al2O3 1.50 1.60 1.00 1.40 Fe2O3 0.50 1.50 1.60 CaF2 88.00 P2O5 0.10 0.90 S 0.06 0.10 CO2 4.64 36.20 H2O 0.10 1.50 0.58 C 14.00 81.50 灰分 12.40 挥发分 5.52 4 表 2-3 铁合金成分（分子）及其回收率（分母） 成分含量/ 回收率/% 类 别 C Si Mn Al P S Fe 硅铁 73.00 75 0.50 80 2.50 0 0.05 100 0.03 100 23.92 100 锰铁 6.60 90 0.50 75 67.8 80 0.23 100 0.13 100 24.74 100 10%与氧生成 CO2 表 2-4 其他工艺参数设定值 名称 参数 终渣碱度 W(CaO)/ W(SiO2)=3.5 萤石加入量 为铁水量的 0.5% 生白云石加入量 为铁水量的 2.5% 炉衬蚀损量 为铁水量的 0.3% 终渣W(FeO)含量（按向钢中传氧量 W(Fe2O3)=1.35 W(FeO)折算 15%，而 W(Fe2O3)/ W(FeO)=1/3,即 W(Fe2O3)=5%，W(FeO)=8.25% 烟尘量 为铁水量的 1.5%（其中 W(FeO)为 75%， W(Fe2O3)为 20%） 喷溅铁损 为铁水量的 1% 渣中铁损（铁珠 ） 为渣量的 6% 氧气纯度 99%，余者为 N2 炉气中自由氧含 量 0.5%（体积比） 气化去硫量 占总去硫量的 1/3 金属中C的氧化 物 90%C 氧化成 CO, 10%C 氧化成 CO2 废钢量 由热平衡计算确定，本计算结果为 28.37Kg，即废钢比为 22.1% 2.1.2 物料平衡基本项目 收入项有：铁水、溶剂（石灰、轻烧白云石、萤石） 、废钢、炉衬蚀损、氧气、铁 合金。 支出项有：钢水、烟尘、炉渣、炉气、渣中铁珠、喷溅。 2.1.3 计算步骤 以 100Kg 铁水为基础进行计算。 第一步：计算没有进行脱氧和合金化操作前的总渣量及其成分。 总渣量包括铁水中各种元素的氧化、 炉衬的侵蚀损耗以及加入熔剂成渣的量。 其各 项成渣量分别列于表 2-5、2-6 和 2-7。总渣量及其成分列于表 2-8。 第二步：计算氧气消耗量。 氧气的实际消耗量即氧气的消耗项目与氧气的供入项目之差，详见表 2-9。 5 表 2-5 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 Si Mn C CO C CO2 Si ( SiO2) Mn ( MnO) 4.026 90%=3.719 4.026 10%=0.413 0.416 0.365 4.959 1.101 0.475 0.106 8.678 1.514 0.891 0.471 入渣 入渣 P S Fe P ( P2O5) S SO2 S+(CaO)(CaS)+(O) Fe ( FeO) Fe ( Fe2O3) 0.269 0.012 1/3=0.004 0.012 2/3=0.009 1.091 56/72 =0.534 0.61 112/160 =0.272 0.343 0.004 -0.005 0.153 0.116 0.616 0.008 0.021(CaS) 0.687 0.388 入渣 入渣 入渣 (表 2-8) 入渣 (表 2-8) 表 2-6 炉衬铁损成渣量 炉衬蚀损量/% 0.3(据表 2-4) 合计 成渣 组分 / kg CaO 0.004 0.258 SiO2 0.009 MgO 0.236 Al2O3 0.004 Fe2O3 0.005 气态产物 / kg CCO 0.3 14% 90% 28/12=0.088 0.103 CCO2 0.3 14% 10% 28/12=0.015 耗氧量/ kg CCO, CO2 0.3 14%(90% 16/12+10% 32/12)=0.062 0.062 表 2-7 加入溶剂的成渣量 类别 萤石 （据表 2-4） 生白云石 （据表 2-4） 石灰 （据表 2-4） 合计 成渣量 加入量/Kg 0.5 2.5 3.051 成 渣 组 分 (Kg) CaO 0.002 0.910 2.682 3.594 4.995 MgO 0.003 0.640 0.076 0.722 SiO2 0.028 0.020 0.046 0.124 Al2O3 0.008 0.025 0.039 0.079 Fe2O3 0.008 0.015 0.023 P2O5 0.005 0.003 0.008 CaS 0.001 0.004 0.005 CaF2 0.440 0.440 气态 产物 (Kg) H2O 0.0075 0.003 0.011 CO2 0.905 0.142 1.047 O2 0.001 0.001 6 石灰加入量计算如下：由表 2-52-7 可知，渣中已含的(CaO)=-0.016+0.004+0.002 +0.910=0.9000kg； 渣中已含(SiO2)=0.891+0.009+0.028+0.020=0.948kg。 因设定的终渣碱 度 R=3.5；故石灰加入量为 R(SiO2) (CaO)/(CaO石灰) R (SiO2石灰) =5.285/(88.00%-3.5 2.50%)=3.051kg。 为(石灰中 CaO 的含量)- (石灰中反应S CaS消耗的 CaO 含量)。 3.051 88% 3.051 0.06% 56 32 = 2.682kg 由 CaO 还原出的氧量，3.051 0.06% 56 32 16 56 = 0.001kg 表 2-8 总渣量及其成分 元素氧化 渣量/Kg 石灰成 渣量/Kg 炉衬蚀 损成渣 量/Kg 生白云 石成渣 量/Kg 萤石成 渣量/Kg 总渣量 /Kg 质量分数/% CaO 2.682 0.004 0.910 0.002 3.598 43.21 SiO2 0.891 0.076 0.009 0.020 0.028 1.024 12.30 MgO 0.079 0.236 0.640 0.003 0.958 11.50 Al2O3 0.046 0.004 0.025 0.008 0.083 1.00 MnO 0.471 0.471 5.66 FeO 0.687 0.687 8.25 Fe2O3 0.388 0.15 0.005 0.008 0.416 5.00 CaF2 0.44 0.440 5.58 P2O5 0.616 0.003 0.005 0.624 7.49 CaS 0.021 0.004 0.004 0.026 0.31 合计 7.914 100 总 渣 量 计 算 如 下 ： 因 为 表2-8中 除 (FeO) 和 (Fe2O3) 以 外 的 渣 为 ： 3.598+1.024+0.958+0.083+0.471+0.440+0.624+0.026=7.224kg， 而终渣(FeO)=15%， 故总 渣量为 7.224/86.75%=8.327kg (FeO)=8.327 8.25%=0.687kg (Fe2O3)=8.327 5%-0.015-0.005-0.008=0.388kg 表 2-9 实际耗氧量 耗氧 项/Kg 供 氧项/Kg 实际氧 气消耗量/Kg 铁水中元素氧化耗氧量（表 2-5） 7.256 石灰中 S 与 CaO 反 应还原出的氧化量 （表 2-7） 0.001 7.718-0.001+0.069 =7.786 炉衬中碳氧化耗氧量（表 2-6） 0.062 烟尘中铁氧化耗氧量（表 2-4） 0.34 炉气自由含氧量（表 2-10） 0.060 合计 7.718 合计 0.001 第三步：计算炉气量及其成分。 炉气中含有 CO、CO2、O2、N2、SO2和 H2O。其中 H2O、CO、CO2、和 SO2的体 积可由表 2-52-7 查得，N2和 O2的体积则通过炉气的总体积来确定。现计算如下。 7 炉气总体积V： V= Vg+ 0.5%V+ 1 99 (22.4 32 Gs+ 0.5%V Vx) V= 99Vg+0.7GsVx 98.50 = 8.438m3 式中： Vg CO、CO2、SO2和 H2O 诸组分之总体积，m3。本计算中， 其值为 7.013+1.311+0.003+0.014=8.341 m3 ； Gs不计自由氧的氧气消耗量，kg。本计算中， 其值为 7.256+0.062+0.34=7.658m3(见表 2-9)； Vx石灰中的 S 与 CaO 反应还原出的氧气含量，为 0.001 kg(见表 2-9)； 5% 炉气中自由氧含量； 99 由氧气纯度为 99%转换得来。 计算结果列于表 2-10。 表 2-10 炉气量及其成分 炉气成分 炉气量/Kg 体积/m3 体积分数/% CO 8.766 7.013 83.11 CO2 2.576 1.311 15.54 SO2 0.008 0.003 0.04 H2O 0.011 0.014 0.17 O2 0.060 0.042 0.50 N2 0.069 0.055 0.65 合计 11.49 8.438 100 炉气中 O2的体积为 8.4380.5%=0.042m3 ；质量为 0.04232/22.4=0.060kg 炉气中 N2的体积即炉气的总体积与其他成分的体积之差，为 0.055m3 ；质量为 0.05528/22.4=0.069kg 第四步：计算脱氧和合金化前的钢水量。 钢水量 Qg = 铁水含量-铁水中各种元素的氧化量-喷溅、烟尘和渣中铁元素的损耗 =100-6.001-1.50 (75% 56/72+20% 112/160)+1+8.327 6% = 91.414 kg。 由以上计算结果可得到脱氧和合金化前的物料平衡表 2-11。 表 2-11 未加废钢时的物料平衡表 收入 支出 项目 质量/Kg % 项目 质量/Kg % 铁水 100 87.61 钢水 91.414 80.03 石灰 3.051 2.67 炉渣 8.327 7.29 萤石 0.50 0.44 炉气 11.49 10.06 生白云石 2.50 2.19 喷溅 1.00 0.88 炉衬 0.30 0.26 烟尘 1.50 1.31 氧气 7.786 6.82 渣中铁珠 0.50 0.44 合计 114.137 100 合 计 114.231 100 注：计算误差为（114.137-114.231）/114.137 100% = -0.08% 第五步：计算加入废钢的物料平衡。 与“第一步”中计算铁水中各种元素氧化量的过程相同，利用表 2-1 的数据先确定废 8 钢中各种元素的氧化量及其消耗氧气的量和成渣的量(表 2-12)， 然后再将其与表 2-11 合 并归类，于是就可以得到加入废钢后的物料平衡表 2-13 和表 2-14。 表 2-12 废钢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 进入钢中的量 /kg C Si C CO C CO2 Si ( SiO2) 36.3 0.08% 90%=0.03 36.3 0.08% 10%=0.003 36.3 0.25% 0.04 0.008 0.07(入气) 0.012(入气) Mn p S Mn ( MnO) P ( P2O5) S SO2 S( CaO) =(CaS)+O =0.091 36.3 0.393% =0.14 36.3 0.0%=0 36.3 0.012% 1/3=0.0015 36.3 0.012% 2/3=0.003 0.104 0.04 0 0.0015 0.0015 0.195 0.18 0 0.003(入气) 0.007(CaS) 合 计 0.27 0.192 36.3-0.27=36.03 成渣量/kg 0.375 表 2-13 加入废钢的物料平衡表（以 100Kg 铁水为基础） 收 入 支 出 项目 质量/Kg % 项目 质量/Kg % 铁水 100 75.81 钢水 108.964 82.52 废钢 17.68 13.40 炉渣 8.549 6.47 石灰 3.051 2.31 炉气 11.525 8.73 萤石 0.5 0.38 喷溅 1.00 0.76 轻烧 白云石 2.5 1.90 烟尘 1.50 1.14 炉衬 0.3 0.23 渣中 铁珠 0.513 0.39 氧气 7.876 5.97 合计 131.907 100 合计 132.051 100 注：计算误差为（131.907-131.051）/131.907 100% = -0.11% 表 2-14 加入废钢的物料平衡表（以 100Kg（铁水+废钢）为基础） 收入 支出 项目 质量/Kg % 项目 质量/Kg % 铁水 84.98 75.81 钢水 92.60 82.52 废钢 15.02 13.40 炉渣 7.26 6.47 石灰 2.59 2.31 炉气 9.80 8.73 萤石 0.43 0.38 喷溅 0.85 0.76 生白云石 2.13 1.90 烟尘 1.28 1.14 炉衬 0.26 0.23 渣中 铁珠 0.44 0.39 氧气 6.69 5.97 合计 112.10 100 合计 112.22 100 9 第六步：计算脱氧和合金化后的物料平衡。 先根据钢种成分的设定值（表 2-1）和铁合金的成分及其回收率（表 2-3）可以算出 锰铁和硅铁加入的含量，然后再计算其元素烧损的量，最后将所得的结果和表 2-14 归 类合并，就可得到冶炼一炉钢总的物料平衡表。 锰铁加入量 WMn 为 WMn= Mn钢种Mn终点 锰铁含 Mn 量Mn 回收率 钢水量 = 0.55%0.1563% 67.8%80% 92.60 = 0.67kg 硅铁加入量 WSi 为 WSi= (Si钢种Si终点)加锰铁后的钢水量SiFeMn 硅铁含 Si 量Si 回收率 = 0.25%(92.6+0.575)0.003 73%75% = 0.42kg 铁合金中各种元素烧损的量和产物的量列于表 2-15。 表 2-15 铁合金中元素烧损量及产物量 类别 元素 烧损量/Kg 脱氧量/Kg 成渣量/Kg 炉气量/Kg 入钢量/Kg 锰铁 C 0.004 0.010 0.016 0.040 Mn 0.091 0.026 0.117 0.363 Si 0.001 0.001 0.002 0.003 P 0.002 S 0.001 Fe 0.166 合计 0.096 0.039 0.119 0.016 0.575 硅铁 Al 0.011 0.010 0.021 Mn 0.0004 0.0001 0.0005 0.002 Si 0.077 0.088 0.165 0.230 P 0.0001 S 0.0001 Fe 0.100 合计 0.088 0.098 0.332 合计 0.184 0.137 0.187 0.016 0.907 脱氧和合金化后的钢水成分如下： (C) = 0.10% + 0.04 92.6 + 0.907 100% = 0.14% (Si) = 0.003 + 0.23 93.507 100% = 0.25% (Mn) = 0.1563% + 0.363 + 0.002 93.507 100% = 0.55% (P) = 0.0299% + 0.0022 93.507 100% = 0.032% (S) = 0.0192% + 0.0011 93.507 100% = 0.020% 10 由上述计算结果可知， 钢水含碳量与设定值有一定差距。 因此可以通过在钢包内加入焦 粉来进行增碳这一过程。加入量 W1为 W1= (0.180.14)%钢水量 焦炭含 C 量C 回收率 = 0.04%93.507 81.50%75% = 0.06kg 焦炭生成产物如表 2-16。 表 2-16 焦炭生成产物 *即 H2O 、CO 和挥发分含量的总和（没有计算和考虑挥发份燃烧的影响） 。 由以上全部计算结果可得冶炼过程中 （即脱氧和合金化后） 的总物料平衡表 2-17。 表 2-17 总物料平衡表 收入 支出 项目 质量/kg % 项目 质量/kg % 铁水 废钢 石灰 萤石 轻烧 生白 石 炉衬 氧气 锰铁 硅铁 焦粉 84.98 15.02 2.59 0.43 2.13 0.26 6.859 0.67 0.42 0.06 74.93 13.24 2.28 0.38 1.88 0.23 6.05 0.59 0.37 0.05 钢水 炉渣 炉气 喷溅 烟尘 渣中铁 珠 93.544 7.454 9.864 0.85 1.28 0.44 82.47 6.57 8.70 0.75 1.13 0.39 合计 113.42 100 合计 113.432 100 计算误差：(113.42-113.432)/113.42 = -0.01% 2.2 热平衡计算 2.2.1 计算所需原始数据 计算所需基本原始数据有：各种入炉物料及产物的温度设定（表 2-18） ；物理平均 热容（表 2-19） ；反应热效应（表 2-20） ；溶入铁水中的各种元素对铁的熔点的影响（表 2-21） 。其他数据参照物料平衡选取。 表 2-18 入炉物料及参悟的温度设定值 名称 入炉物料 产物 铁水 废钢 其他原料 炉渣 炉气 烟尘 温度/ 1350 25 25 与钢水相同 1450 1450 *纯铁熔点为 1535 碳烧损量/ 耗氧量/ 气体量/ 成渣量/ 碳入钢量/ 0.06 81.05% 25%=0.012 0.032 0.044 0.06（ 0.58 5.52)%=0.048 0.06 12.40% =0.007 0.06 81.50% 75% =0.037 11 表 2-19 物料平均热容 物料名称 生铁 钢 炉渣 矿石 烟尘 炉气 固态平均热容/KJ (Kg K)-1 0.745 0.699 - 1.047 0.996 - 熔化潜热/ KJ Kg-1 218 282 209 209 209 - 液态或气态平均热容/KJ (Kg K)-1 0.837 0.837 1.248 - - 1.137 表 2-20 炼钢温度下的反应热效应 组元 化学反应 H/KJ Kmol-1 H/KJ Kg-1 C C +1/2O2=CO 氧化反应 139420 11639 C C +1/2O2=CO2 氧化反应 418072 34834 Si SiO2 =(SiO2) 氧化反应 817682 29202 Mn Mn1/2O2=(MnO) 氧化反应 361740 6594 P 2P5/2O2=(P2O5) 氧化反应 1176563 18980 Fe Fe1/2O2=(FeO) 氧化反应 238229 4250 Fe 2Fe3/2 O2=(Fe2O3) 氧化反应 722432 6460 SiO2 (SiO2)2(CaO)=(2CaO SiO2) 成渣反应 97133 1620 P2O5 (P2O5)4(CaO)=(4CaO P2O5) 成渣反应 693054 4880 CaCO3 CaCO3 (CaO)CO2 分解反应 169050 1690 MgCO3 MgCO3(MgO)CO2 分解反应 118020 1405 表 2-21 溶入铁水中的元素对铁熔点的降低值 元素 在铁中的极限 溶解度/% 融入 1%元素使铁 熔点降低值/ 氦、氢、氧溶入使铁 熔点的降低值/ 适用含量范围/% C 5.41 65 1 70 1.0 75 2.0 80 2.5 85 3.0 90 3.5 100 4.0 Si 18.5 8 3 Mn 无限 5 15 P 2.8 30 0.7 S 0.18 25 0.08 Al 35.0 3 1 Cr 无限 1.5 18 N、H、O =6 2.2.2 计算步骤 以 100kg 铁水量为基础。 第一步：计算热收入 Qs。 热收入项包括：铁水的物理热；元素的氧化热及成渣热；烟尘的氧化热；炉衬中碳 的氧化热。 12 （1）铁水物理热 Qw：先通过纯铁的熔点、铁水的成分以及溶入元素对铁熔点的降 低值（表 2-18、2-19 和 2-21）来计算铁水的熔点 Tt，然后由铁水的温度和生铁的热容 (表 2-18 和 2-19)确定 Qw。 Tt = 1536-(4.232 100 + 0.416 8 + 0.521 5 + 0.299 30 + 0.032 25)-6 = 1091.1 Qw = 100 0.745 (1091.1-25)+ 218 + 0.837 (1352-1091.1)=123061.78kJ （2）元素氧化热及成渣热 Qy ：通过铁水中元素的氧化量以及反应的热效应(表 2- 20)可以算出元素氧化热与成渣热，计算结果如下表 2-22。 表 2-22 元素氧化和成渣热 反应产物 氧化热或成渣热/kJ CCO 3.719 11639=43285.44 CCO2 0.403 34834=14386.44 SiSiO2 0.365 29202=12148.03 MnMnO 0.365 6594=2406.81 FeFeO 0.849 4250=2269.50 FeFe2O3 0.427 6460=1757.12 PP2O5 0.266 18980=5105.62 P2O54CaO P2O5 0.609 4880=3045.12 SiO22CaO SiO2 0.782 1620=1658.88 合计 Qy 86062.96 （3）烟尘氧化热 Qc：可通过表 2-4 中给出的烟尘含量的参数和反应的热效应来计 算得到。 Qc =1.5 (75% 56/72 4250 + 20% 112/160 6460)=5075.35 kJ （4）炉衬中碳的氧化热 Ql ：可由炉衬的侵蚀损耗量及其含碳量确定。 Ql = 0.3 14% 90% 11639 + 0.3 14% 10% 34834=586.26 kJ 故热收入总值为 Qs = Qw + Qy + Qc + Ql = 214786.35kJ 第二步：计算热支出 Qz 。 热支出项包括：钢水物理热；炉渣物理热；烟尘物理热；炉气物理热；渣中铁珠物 理热；喷溅物（金属）物理热；轻烧白云石分解热；热损失；废钢吸热。 （1）钢水的物理热 Qg ：先根据求铁水熔点的方法来确定钢水的熔点 Tg ；然后根 据出钢和镇静时实际降低的温度（一般出钢时为 4060，镇静时约 35/min ,具体的 大小与盛钢桶的大小和浇注的条件有关）以及钢水要求的过热度（一般为 5090）确 定出钢的温度 Tz ；最后由钢水的含量和热容算出钢水的物理热。 Tg = 1536-(0.10 65 + 0.1563 5 + 0.0299 30 + 0.0192 25)-6= 1521.34 式中：0.10、0.1563、0.0299 和 0.0192 分别为终点钢水中 C、Mn、P 和 S 的含量。 Tz =1520 +50 +50 +70 =1691.34 式中，50、50 和 70 分别为出钢过程中降低的温度、镇静及炉后处理过程中降低的温度 和过热度。 Qg =91.414 0.699 (1521.34-25)+272 +0.837 (1691.34-1521.34)=133485.62kJ （2）炉渣物理热 Qr ：使终点炉渣的温度与钢水的温度相同，可得： Qr = 8.327 1.248 (1691.34-25)+209 =19057.11kJ （3）烟尘、炉气、喷溅金属和渣中铁珠的物理热 Qx 。根据其数据、相应的温度和 热容确定。详见表 2-23。 13 表 2-23 某些物料物理热 项目 参数/KJ 备注 炉气物理热 11.95 1.137 （1450-25） =18616.39 1450是炉气与烟尘温度 烟尘物理热 1.5 0.996 （1450-25）+209 =2442.45 渣中铁珠物理热 0.47 0.699 （1521-25）+272+0.837 （1691- 1521）=729.56 1521是钢水熔点 喷溅金属物理热 1 0.699 （1521-25）+272+0.837 （1691- 1521）=1460.23 合计 23248.3 （4） 生白云石分解热 Qb ： 根据生白云石用量、 成分以及表 2-20 所示热效应计算。 Qb =2.5 (36.40% 1690 + 25.60% 1405)= 2437.10kJ （5） 热损失 Qq ： 除上述四项外， 其它热损失带走的热量一般占总热收入的 38%。 本次计算取 5%，则得： Qq =214786.35 5% = 10739.32 kJ （6）废钢吸热 Qf :用于加热废钢所需的热量即剩余的热量，即： Qf =Qs - Qg - Qr - Qx - Qb - Qq = 25818.57 kJ 故废钢加入量 Wf 为： Wf = 25818.57 0.699 (1521.34-25)+ 272 + 0.837 (1691.34-1521.34) = 17.68 kg 即废钢比为： 17.68 100 + 17.68 100% = 15.02% 第三步：列出热平衡表（表 2-24） 表 2-23 热平衡表 收入 支出 项目 热量/KJ % 项目 热量/KJ % 铁水物理热 123061.78 57.29 钢水物理热 133485.62 62.15 元 素 氧 化 热 和 成 渣 热 C 氧化 86706.23 57671.88 26.85 炉渣物理热 19057.11 8.87 Si 氧化 12148.03 5.66 废钢吸热 25818.57 12.02 Mn 氧化 2406.81 1.12 炉气物理热 18616.39 8.67 P 氧化 5105.62 2.38 烟尘物理热 2442.45 1.14 Fe 氧化 4026.62 1.87 渣中铁珠 物理热 729.56 0.34 SiO2 成渣 1658.88 0.77 P2O5 成渣 3045.12 1.42 喷溅金属 物理热 1460.23 0.68 烟尘氧化热 5075.35 2.36 轻烧白云石 分解热 2437.1 1.13 炉衬中 碳氧化热 586.26 0.27 热损失 10739.32 5.0 合计 214786.35 100 合计 214786.35 100 14 3 转炉炉型设计及氧枪 转炉是转炉炼钢车间的核心设备。 转炉的炉型及其主要的参数会对转炉炼钢的经济 指标如：生产率、金属收得率、炉龄等产生较大的影响，而转炉的设计合理与否也关系 到冶炼工艺能否顺利的进行， 以及车间的主厂房高度和与转炉相配套的其他相关设备的 选型。 3.1 炉型的选择 确定转炉炉型各部分的主要参数和尺寸， 然后再绘制出工程图是转炉炉型设计的主 要任务。 通常所说的转炉的炉型指的是转炉炉膛的几何尺寸。 保证车间正常生产的前提 就是设计一座炉型结构合理， 满足工艺要求的转炉， 而炉型的设计就是整个转炉设计的 重中之重。目前，大体上存在以下三种炉型的转炉：筒球形、截锥形、锥球形。 炉型的选择与转炉的容量有关。本次设计选择的是 180t 的中型顶吹转炉，为了满 足顶吹氧气的要求，所以选筒球型转炉。转炉的熔池由球缺体和圆柱体两部分构成，炉 型的形状比较简单，砌筑也较为方便。 3.2 炉容比与高宽比 （1）炉容比(V/T，m3/t) 炉容比指的是转炉的有效容积与其公称容量的比值， 本次设计选取的炉容比为 0.95。 （2）高宽比 高宽比是指转炉炉壳的总高度与炉壳外径的比值，一般在 1.25-1.45 之间。 3.3 转炉主要尺寸的确定 3.3.1 熔池尺寸 （1）熔池直径 D 熔池直径是指转炉的熔池处于平静状态时转炉内金属液面的直径。 可根据公式 D = KG t求得，其中： G 新炉金属装入量，t； （可取公称容量） t 每炉钢纯吹氧的平均时间，min；取 16min K比例系数，取 1.60 则熔池直径D = KG t = 1.60 180/165.37m （2）熔池深度 熔池深度是指转炉的熔池处于平静状态时，转炉内从金属液面到转炉底表部的 深度。对于炉型为筒球型的转炉熔池，取转炉球缺体的半径 R = 1.1D = 5907mm， 而且转炉熔池的体积 V池与熔池的直径存在如下的关系： V池= 0.790hD2 0.046D3， h = V池+ 0.046D3 0.790D2 15 熔池体积 V池= 装入量/比重 =180/6.8 = 26.47m3 则熔池深度h = V池+0.04