氧气顶吹转炉设计.doc

3.1 转炉炉型设计3.1.1 转炉炉型设计概述（1）公称容量及其表示方法公称容量（T），对转炉容量大小的称谓，即平时所说的转炉的吨位。它是转炉生产能力的主要标志和炉型设计的重要依据。目前国内外对公称容量的含义的解释还很不统一，归纳起来，大体上有以下三种表示方法：1) 以平均金属装入量（t）表示；2) 以平均出钢量（t）表示；3) 以平均炉产良坯量（t）表示。在一个炉役期内，炉役前期和后期的装入量或出钢量不同，随着吹炼的进行，炉衬不断地受到侵蚀，熔池不断扩大，装入量增大，所以三种表示方法都是以其平均容量来表示。这三种表示方法各有其优缺点，以平均金属装入量表示公称容量，便于进行物料平衡和热平衡计算，换算成新炉装入量时也比较方便。以平均炉产良坯量表示公称容量，便于车间生产规模和技术经济指标的比较，但是在进行炉型设计时需做较复杂的换算。以平均出钢量表示公称容量则介于两者之间，其产量不受操作方法和浇铸方法的影响，便于炼钢后步工序的设计，也比教容易换算成平均金属装入量和平均炉产良坯量。设计的公称容量与实际生产的炉产量基本一致。所以在进行炉型设计时采用以平均出钢量表示公称容量比较合理。（2）炉型的定义：转炉炉型是指转炉炉膛的几何形状，亦即指由耐火材料砌成的炉衬内形。（3）炉型设计的意义转炉是转炉炼钢车间的核心设备，炉型及其主要参数对转炉炼钢的生产率、金属收得率、炉龄等技术经济指标都有着直接的影响，炉型设计的是否合理关系到冶炼工艺能否顺利进行的问题，如喷溅问题，除与操作因素有关外，炉型设计是否合理也是个重要因素，并且车间的主厂房高度以及主要设备，像除尘设备，倾动机构设备等都与炉型尺寸密切相关。而且转炉一旦投产使用，炉型尺寸就很难再作改动，因为不论变动直径还是高度都牵涉到耳轴位置，它是与转炉基础联系在一起的，一般不能随意变动。所以说，设计一座炉型结构合理，满足工艺要求的转炉是保证车间正常生产的前提。而炉型设计又是整个转炉设计的关键。设计内容：炉型种类的选择； 炉型主要参数的确定； 炉型尺寸设计计算； 炉衬和炉壳厚度的确定； 顶底复吹转炉设计。3.1.2炉型种类及其选择吹炼过程中炉膛内进行着极其复杂而又激烈地物理化学反应和机械运动，因此，转炉的炉型必须适应这些反应特点和运动规律，否则就不能保证冶炼过程的正常进行。那么，什么样的炉型才是比较理想的炉型呢？也就是说，炉型具备什么特点才能适应转炉炼钢反应激烈，吹炼速度快的特点呢？（1）炉型种类的选择原则选择炉型时应考虑以下几条基本原则：炉型应能适应炉内钢液、炉渣和炉气的循环运动规律，使熔池得到激烈而又均匀的搅拌，从而加快炼钢过程的物理化学反应；有利于提高供氧强度（B），缩短冶炼时间，减少喷溅，降低金属损耗；新砌好的炉子的炉型要尽量接近于停炉以后残余炉衬的轮廓，减少吹炼过程中钢液、炉渣和炉气对炉衬的冲刷侵蚀及局部侵蚀，提高炉龄，降低耐火材料的消耗；炉壳应容易制造，炉衬砖的砌筑和维护要方便，从而改善工人的劳动条件，缩短修炉时间，提高转炉作业率。 总之应能使转炉炼钢获得较好的经济效益，优质、高产、低耗。（2）炉型种类及其选择目前国内外氧气顶吹转炉所采用的炉型，依据熔池（容纳金属液的那部分容积）的形状不同来区分，炉帽、炉身部位都相同，大体上归纳为以下三种炉型：筒球型、锥球型和截锥型。a b c 图31 转炉常用炉型示意图a筒球型；b锥球型；c截锥型筒球型炉型：该炉型的熔池由一个圆筒体和一个球冠体两部分组成，炉帽为截锥型，炉身为圆筒型。其特点是形状简单，砌砖简便，炉壳容易制造。在相同的熔池直径（D）和熔池深度（h）的情况下，与其它两种炉型相比这种炉型熔池的容积大，金属装入量大，其形状接近于金属液的循环运动轨迹，适用于大型转炉。国外，美国、日本采用的较多，我国120吨和50吨转炉也有采用这种炉型的。如太钢50吨、包钢50吨、攀枝花120吨、本溪120吨、鞍钢150吨都采用了筒球型炉型。锥球型炉型（国外又叫橄榄型）：该炉型的熔池由一个倒置截锥体和一个球冠体两部分组成，炉帽和炉身与筒球型炉型相同。其特点是，与同容量的其它炉型相比，在相同熔池深度（h）下，其反应面积大，有利于钢、渣之间的反应，适用于吹炼高磷铁水。熔池形状比较符合钢、渣环流的要求，熔池侵蚀均匀，熔池深度h变化小，新炉炉型接近于停炉后残余炉衬的轮廓，炉型上下对称（橄榄形），空炉重心接近于炉体的几何重心位置，使得转炉的倾动力矩小。我国中型转炉采用锥球型炉型的比较多，并取得了一些经验，特别是2080吨转炉，尚未发现明显的缺点。我国的宝钢300吨、马鞍山50吨采用的是锥球型炉型。国外说法不一样，有的认为适合大炉子，像奥地利；有的认为适合于小炉子，像前苏联，产生不同看法的原因，可能是各国的铁水条件（P）不一样。这种炉型在国外，德国和日本采用的较多。总的来说，生铁含P较高的国家采用的较多。截锥型炉型：该炉型的熔池由一个倒置的截锥体组成。其特点是，形状简单，炉底砌筑简便；其形状基本上能满足于炼钢反应的要求，与相同容量的其它炉型相比，在熔池直径相同的情况下，熔池最深，适用于小型转炉。我国30 吨以下的转炉基本上都是采用截锥型的炉型。国外很少采用这种炉型，主要是大型转炉，小炉子较少。总之，结合我国已建成的转炉的设计经验，在选择炉型时，可以考虑：100200t以上的大炉子，采用筒球型，5080t的中型炉子，采用锥球型；30t以下的小炉子，采用截锥型。但是也不绝对，还要根据当地的铁水条件，主要是P、S含量，来考虑确定最合适的炉型。对于顶底复吹转炉，可以采用截锥型炉型。大炉膛型炉型：国外还有一种用氧气喷石灰粉法吹炼高磷铁水的大炉膛的炉型。其特点是：上大下小，具有较大的反应空间，适合于脱磷反应产生大量泡沫渣的需要。3.1.3 炉型主要参数的确定由于炼钢生产的因素是复杂多变的和进行高温模拟试验研究相当困难，所以尽管国内、外很多人对炉型设计问题进行过研究，但迄今为止还没有形成一套完整的炉型理论计算公式，不能完全从理论上确定一个理想的炉型和炉型的各部分尺寸参数。现有的设计公式都是属于经验公式。目前国内各厂在进行炉型设计时，一般都是采用“依炉建炉”的设计方法。即通过考察和总结同类转炉的长期生产情况和较先进的技术经济指标，结合采用经验公式计算和进行可行的模拟试验，再结合当地条件作适当修改，来确定新炉的炉型尺寸。由此可知，要真正设计一座转炉必须掌握已投产的同类转炉的设计情况和投产后的使用情况，吸取别人的经验教训作设计。所以说炉型主要参数的确定方法，也是采用推荐的方法：直接推荐各参数的数值范围；推荐经验计算公式。公式很多，不能一一介绍，主要介绍由北京钢铁设计研究总院推荐的一套经验公式。主要参数包括：V/T、H/D、h/D、d0/D、，出钢口参数（dT、LT）。对这些参数的确定需要持慎重态度，在进行炉型设计时，要仔细考虑确定这些参数，才能使设计出来的炉型比较合理，满足工艺要求。图32 炉型主要尺寸示意图H0熔池深度；H身炉身高度；H帽炉帽高度；H总转炉总高；H内转炉有效高度；D熔池直径； D壳炉壳直径 ；d炉口直径 ；h熔池深度；d出出钢口直径； 炉帽倾角（1）炉容比（V/T，容积比或容积系数）炉容比（V/T）：指新炉时转炉的炉膛有效容积（V）与公称容量（T）的比值（m3/T）意义：单位公称容量所占有的炉膛有效容积（也叫工作容积）的大小。它是炉型参数中一个最重要的参数，它决定了炉子吹炼容积的大小。炉容比对吹炼操作、喷溅、炉衬寿命都有很大的影响。 炉容比的大小是由人为确定的。那么，选择多大的炉容比为合适呢？ 炉容比与哪些因素有关呢？为了说明这个问题，我们先从两个极端来讨论一下 炉容比过小、过大的害处。1）炉容比过小和过大的害处炉容比过小（即反应空间小）A 因为反应空间过小，满足不了冶炼反应所需要的空间，容易喷溅和溢渣，金属收得率金降低，操作困难，工人的劳动强度增加。B 加剧钢、渣对炉衬的冲刷侵蚀，使得炉龄降低。C 不利于提高供氧强度（B），强化冶炼，限制了生产率的提高，因为供氧强度大，炉容比小，易喷溅。炉容比过大：炉容比大势必增加炉子高度H（H还受H/D的影响），增加厂房高度和倾动力矩。实践证明，炉子高度H增高1m，厂房增高2m，将导致投资增大、设备庞大和电耗增加。因此说炉容比过大过小都不好，怎么确定V/T呢？有哪些因素影响V/T呢？2）影响炉容比大小的因素： 炉子吨位本身的影响 小炉子因炉膛小，操作困难，炉容比应适当大些； 大炉子因炉膛大，容易控制，炉容比应适当小些。 铁水成分的影响如果铁水中Si、P、S高，产生的渣量大，炉容比就应大些，反之炉容比小些。 铁水比的影响铁水比：铁水占钢铁料的比例； 废钢比：废钢占钢铁料的比例。铁水比大，则铁水多废钢少，渣量大，炉容比应大些。 供氧强度（B）的影响供氧强度大，反应激烈，单位时间内从熔池排出的CO气体量大，炉容比应大些；否则，产生大量的喷溅，金属收得率低。供氧强度小，反应缓和，炉容比可小些。 冷却剂的影响用矿石冷却，渣量大，炉容比大些；用废钢冷却，渣量小，炉容比小些。在考虑了上述诸因素之后，炉容比就可以确定了。“炼钢工艺设计技术规定”要求转炉新砌炉衬的炉容比（V/T）应在0.90.95m3/t，小容量转炉取上限，大容量转炉取下限。我国设计部门推荐：炉子越大 ，炉容比越小。表31 不同转炉炉容比 炉容量（t）小型转炉200t炉容比，m3/t1.001.050.951.000.901.00.900.95使用条件：9095的铁水比，采用废钢矿石法冷却，使用部颁标准P08生铁，供氧强度（B）在34Nm3/tmin这些参数是72年推荐的，后来建设的转炉的V/T有增大的趋势，主要原因是采用了较大的供氧强度，就是当时设计炉子的V/T也比推荐值大些，如太钢50吨的V/T为0.98，包钢50吨的V/T为0.99，马钢50t的V/T为0.975， 武钢50t的V/T为0.95，攀钢120t的V/T为1.02，20t定型设计为1.03，15t定型设计取1.031.21。上述数据与实际比较接近，通常V/T在0.901.05 。V/T增大的原因是采用了较大的供氧强度，吹氧时间缩短。表32 国内外部分转炉钢厂曾经使用的供氧强度（三孔）厂名公称容量t供氧强度Nm3/tmin首钢303.43.6上一303.43.6太二502.753.1包钢502.753.1武钢二炼502.853.3攀钢1202.5鞍钢1502.45宝钢3004.4意大利塔兰托3003日本加古川2502.6德国萨尔茨吉特2004国外采用的炉容比，美国较大，日本次之，德国最小。炉容比还可以采用经验公式计算： （31）式中：C铁水含碳量(%)Si铁水含硅量(%)P铁水含磷量(%)B供氧强度，m3/tmin（2）高宽比H/D定义：炉子的高度与直径之比。表示方法两种表示方法相差一个炉衬厚度。高宽比是反映炉型形状的另一个重要参数，决定了炉型是瘦长型还是矮胖型。高宽比随着转炉的发展历史经历了一个马鞍型的发展过程。早期的转炉容量都比较小，多为瘦长型（H/D大），因为再小的炉子也必须具有一个防止喷溅的起码高度。到了六十年代初期，随着炉容量的逐渐增大，考虑到增大高宽比将增加厂房高度，倾动力矩也变大，所以到了19631964年大量转炉都采用了三孔喷枪，喷枪孔数的增加，使得氧气流股与熔池接触面积增大，冲击深度（）降低，从而使喷溅和熔渣都有所改善，促使当时设计的转炉选择的高宽比为1.11.3之间，当时似乎认为矮胖型炉子是以后的发展方向，如美国大湖厂1962年设计270t转炉的高宽比为1.04，实践证明喷溅严重。随着转炉炼钢法的日臻完善，人们更多的要考虑长期的经济效益，增大高宽比对减少喷溅和溢渣，提高供氧强度（B）和金属收得率（）都有利。所以在六十年代中期以后，在增大V/T的同时也相应的增加了高宽比。如新日铁1976年340t转炉高宽比为1.524，扇岛250 t 转炉高宽比为1.54。高宽比过小过大有什么害处，取多大的合适？可以从两个极端分析，最后找出高宽比的最佳参数。1）高宽比过小：炉子太矮 喷溅严重。例如美国国家钢铁公司大湖分厂270t转炉H/D为1.04，为1.23，由于喷溅严重，不得不把氧压降到0.50.7MPa，导致吹氧时间延长到40分钟。为了减少喷溅，保持一定高度是非常必要的。增加炉子高度是减少喷溅增加钢水收得率的有效措施。经验证明，若H/D130宝钢300t1.61.51.51.41.41.31.352.21.851.851.61.61.41.54从这些数据可以看出：炉子越小，高宽比越大。有的厂为了减少喷溅，争取较好的操作指标，宁可选用较大的高宽比。高宽比也可以采用经验公式计算：H内/D2.65/T0.1+0.1B+0.3 （32）式中：H内/D炉膛内高直径比T公称容量（t） B供氧强度,m3/tmin注意：设计时不能用高宽比计算尺寸，而是用高宽比值来校核所设计的炉子是否合理，炉型尺寸另有计算公式。（3）熔池深度直径比（h/D）熔池直径D：熔池处于平静状态时金属液面的直径。熔池深度h：熔池处于平静状态时金属液面到炉底的深度。h/D反应了熔池的深浅，讨论h/D的目的在于确定合适的熔池深度。从吹氧动力学角度考虑，熔池深度应是在一定吹炼条件下，既保证熔池得到良好的搅拌效果，又不致使氧气流股穿透炉底，以达到提高吹炼速度，保护炉底，提高炉龄和安全生产的目的。若熔池过浅，高温反应区接近炉底，钢液对炉底冲刷侵蚀快，易喷溅。熔池过深因搅拌效果差，同样容易喷溅，不利于加快熔池反应。一定容量的转炉应有一个合适的熔池深度，h/D过大过小都不好。据统计大多数炉子的h/D在0.230.54范围内波动，一般h/D为0.310.33。要根据炉子大小，炉型种类的不同，喷枪类型（单、多孔）原料条件等因素综合考虑来确定h/D。熔池深度直径比h/D也可以用下式计算： （33）式中：KH内/D（4）炉口直径比（d0/D）d0炉口直径。炉口直径比的大小决定了炉口的大小，因为在确定炉口直径比之前D已经确定。总结已投产的炉子炉口直径比在0.310.69范围内波动，多数在0.5左右。分析：炉口直径比过小，因d0太小，总铁水加废钢困难，所以从快速装料考虑，希望d0大些，炉口直径比不小于0.4。但是炉口直径比太大，即炉口直径太大，热损失大，从炉口吸入的冷空气多，喷溅严重，低。最不利的还是出钢困难，容易造成钢渣混出。这是转炉出钢最忌讳的一个问题，其危害是钢水回磷和钢流夹渣。下面结合一个例子来说明为什么说炉口直径比大出钢困难。美国杨氏顿厂265t转炉炉口直径比0.69，当炉子倾转到90度时炉内的水平容积还剩下19.6m3，假设渣量按钢水量的15计算，则炉渣所占的体积为13.2m3，还剩下19.613.2=4.4m3盛钢水的容积，约30t钢水。也就是说，炉内的大部分钢水是在炉子摇至90度以前流出的，即出钢过程主要是在炉子倾转到90度以前进行的。这样出钢有什么不好呢？我们知道，为了保证出钢质量，要尽量防止钢、渣混出，为了做到这一点，除了出钢过程应注意外，比如采用挡渣球挡渣出钢，炉型本身应有利于钢渣分离。在出钢过程中，要能够使钢水集中到帽锥处，始终保持出钢口上方的钢水处于最深状态，这样就可以实现钢渣分离，防止钢渣混出。正确的出钢摇炉过程是：将炉子摇至渣面接近出钢口以后迅速摇过去，直到出钢口处于最低位置停止进炉，即所谓的出钢角。然后保持这个角度至止钢水出净为止。为了实现这一正确的出钢过程，就必须使炉子倾转到水平角度以前大部分（80）钢水仍然留在炉内，继续摇炉，炉内钢水全部集中到帽锥处。这样在整个出钢过程中始终保持出钢口上方的钢水最深。因此说炉口直径不那太大（d0/D0.6），若炉口直径过大，钢水尚未集中到帽锥处以前，渣面就已达到炉口，无法再往前摇炉，再摇，则渣子从炉口流入钢包沾污钢水、只好边出钢边进炉，出钢过程中不能保持出钢口上方的钢水始终处于最深，必然增加了钢渣混出的程度（因钢水流出时有漩涡，钢水容易夹渣）设计部门推荐d0/D0.430.53；大炉子取下限，小炉子取上限。炉口直径比也可以用下式计算： （34）式中：KH内/D； T公称容量（t）； S按月最大废钢比。在具体确定炉口直径大小时，要从快速装料，炉气的顺利逸出，减少喷溅，防止钢渣混出，减少热损失等几个因素综合考虑确定（应能使钢水集中到帽锥处，便于钢渣分离，又不至于窩存钢水过多引起铁水负力距增大）。采用计算机自动控制的转炉还要考虑布置副枪的需要。一般在满足兑铁水加废钢操作顺利的前提下尽量减少炉口直径，以减少热损失。（5）帽锥角（）指炉帽锥与炉身交接处，炉帽与炉子水平线之间的夹角，如图32所示。确定值的原则：1） 便于炉气逐渐收缩逸出，减少炉气对炉帽衬砖的冲刷侵蚀。2） 使帽锥段各层砌砖逐渐收缩，缩短砌砖的错台长度，增加砌砖的牢固性。如果值太小，砌砖错台太长容易塌落。从上述两条原则考虑希望值大些。但是如果太大，势必总增加炉帽长度，因为，大些炉帽长度会增大，而 一定，炉帽长炉身就短，使得拖圈不好布置。因为拖圈的重心与炉子重心重合，若炉帽太长，重心靠近炉帽，拖圈与炉子难以固定连接。太大出钢时还容易从炉口下渣，所以要从几个因素综合考虑确定。推荐值6068o。大炉子取下限，小炉子取上限。一般炉帽部分的体积占炉膛体积的30。（6）出钢口参数（位置、大小、长度和角度）转炉设置出钢口的目的是为了便于出钢时实现钢、渣分离，使炉内钢水以一定的速度和角度流入钢包，阻止炉渣流入钢包内沾污钢水，钢流对包内钢水的冲击搅拌作用有利于在钢包内进行脱氧合金化操作，改善了脱氧效果，促进了夹杂和脱氧产物的上浮，提高了钢水质量，减少了炉渣对包衬的侵蚀提高了钢包的连续使用寿命。1）出钢口位置出钢口位置通常设在炉身与炉帽耐火材料的交界处（如图33中a），这样出钢时钢水能集中到帽锥处，保证了出钢时出钢口上方的钢水始终处于最深状态，钢水能在一定压力下以较快的流速流出流净，若出钢口设在炉帽或炉身段部位（如图33中b、c）出钢时在出钢口见渣时，炉内还有部分钢水没有流净；钢水夹渣。2）出钢口倾角（）定义：炉子处于直立位置时，出钢口中心线与炉子水平线之间的夹角。出钢口倾角值的大小，原则上讲应在开堵出钢口方便的情况下尽量减少角。国内已建成的炉子一般多数在1520o之间，如太钢50t为19o，鞍钢150t为20o，攀钢150t为20o 。近几年新建大、中型转炉有些采用0角。国外也有不少转炉采用0o角，如日本新日铁君津厂的220t、300t，福山的180t、250t、280t、300t都采用了0o角。减少出钢口倾角的好处： 可以缩短出钢口长度，便于维护； 可以缩短钢流长度（出钢口至钢包的距离），减少钢流的的吸气和散热损失； 出钢时炉内钢水不发生漩涡运动，避免钢流夹渣； 出钢时钢包车行走距离短，出钢口倾角大，则行车距离长。图33 出钢口位置对出钢的影响3）出钢口直径：出钢口内径（dT）：其大小要满足出钢所需要的时间（28分钟，依炉子大小而不同，一般5分钟左右）和钢流对包内钢水的搅拌作用以及钢水自出钢口流出后能处于密实而不飞溅的状态（钢流不散）和不使钢流带渣，减少氧化，使钢水能以一定的速度流入包内。出钢口内径太大，出钢时间短，铁合金加入时机不容易掌握，并且容易带渣；若出钢口内径过小，则出钢时间过长，钢液的热损失、二次氧化以及吸气均严重，钢流的冲量小，搅拌作用小，不能在钢包内冲成足够的漩涡和形成足够的搅拌力，铁合金熔融上浮慢。出钢口内径推荐值如表34所示：表34 出钢口内径容量（t）153050120150宝钢300tdT（m）0.100.110.120.170.180.20出钢口内径也可以采用经验公式计算： （35）式中 T公称吨位出钢口外径（衬砖+钢壳的厚度）dST出钢口外径一般为出钢口内径的6倍左右，即dST6 dT （36）4）出钢口长度 LT出钢口长度一般为出钢口内径的78倍，即LT（78）dT （37）LT太长与太大产生的作用相同；LT太短钢流的导流不好，钢流发散，易再次氧化。这些参数确定以后，我们就可以进行炉型各部分尺寸的设计计算了。注：不能用，计算炉型尺寸，只能用其校核设计尺寸是否合理。3.1.4 炉型设计计算设计程序：确定所设计炉子的公称容量； 选择炉型（筒球、锥球、截锥球）； 确定炉型主要设计参数； 计算熔池尺寸； 确定整个炉型尺寸。（1）熔池尺寸的计算。在炉型尺寸计算中首先要确定熔池尺寸，主要是熔池直径和熔池深度的计算确定，它是炉型尺寸中两个最重要的尺寸参数。熔池直径和熔池深度不是两个孤立的尺寸参数，而是相互制约，相互联系的两个尺寸参数。V池一定，熔池直径大则熔池深度小，熔池直径小则熔池深度大；熔池直径过小，二次反射氧流对炉壁的冲刷侵蚀严重；熔池直径越大，炉壁离高温反应区越远，炉衬寿命越高。但是，熔池直径过大势必造成熔池过浅，高温反应区接近炉底，恶化炉底的工作条件，同时加剧了金属喷溅程度。所以熔池直径和熔池深度计算出来要校核h/D是否合乎要求，否则应重新调整熔池直径和熔池深度值，直至h/D合乎要求为止。从炉型主要参数的讨论可以看出，许多参数都与熔池直径有关系，它是炉型尺寸中的一个最重要的尺寸参数，只有当熔池直径确定之后，其它尺寸才能随之确定，所以首先讨论熔池直径的计算：1）熔池直径（D）计算熔池直径的公式有好几种，使用时间最长，最普遍的还是由北京钢铁设计研究总院推荐的公式： （38）式中D熔池直径，m； G新炉金属装入量，T； t吹氧时间，min；K比例系数，（如表35所示）表35 不同吨位下的K值20T3050T50120T200T250TK=2.02.3K=1.852.10K=1.751.85K=1.551.60K=1.51.55这个公式是六十年代北京钢铁设计研究总院研究出来的，曾在我国的炉型设计和教学中起过不小的作用，由于当时的炉子容量都比较小，用这个公式设计出来的炉子与实际比较符合。随着氧枪喷头形式的变化（从多单孔到多孔喷头），供氧强度的不断提高和新建转炉的容量越来越大，用上式设计出来的炉型与实际略有偏差。但是对于中小型转炉还是很符合实际的，现在许多资料仍然使用这个公式。这个公式是根据这样一个道理推导出来的：增加单位时间供氧量需要相应的扩大熔池面积，因为增加单位时间供氧量，熔池中产生的CO气体量也增加，单位熔池表面上的CO气体逸出量增大，将导致喷溅加剧，要想保持不喷溅，就必须随着炉容量的增大，相应的扩大熔池面积，所以单位时间供氧量Q与熔池表面积成正比，即Q D2 而吹氧时间t与装入量G成正比，与单位时间供氧量Q成反比，即： 合并两式即可得：D2 或 D= （3-9）因为这是经验公式，所以K是统计出来的数值。这个公式还可以这样理解：熔池表面积与单位时间冶炼的金属（即吹炼速度）成正比，即： 式中吹炼速度这个公式并不能真正反应复杂的炼纲工艺条件对炉型的要求。因此用这个公式计算出熔池直径以后还应根据实际情况并参照已生产的同类炉子作适当的调整（依炉建炉）。由平均出钢量T换算： （3-10）式中T：平均出钢量 (t) Q1：新炉时炉产钢水量 （t）Q2：老炉时炉产钢水量 （t）B：老炉比新炉多产钢系数， (3-11)一般B1040，大炉子取下限，小炉子取上限。 (3-12) (3-13)式中：金属消耗系数，一般P08生铁1.071.15；J13生铁1.151.20。 金属收得率。 吹氧时间： 计算：吹氧时间 （min） 选经验值：可参照表36数据选取表36 不同吨位下吹氧时间推荐值：炉子T120宝钢300t（min）12161418162016熔池直径还可以采用其它经验公式计算。根据JHorak和GSchmidr资料汇总的“转炉技术参数与容量之关系的回归法计算结果”得出如下公式： D=2.62+0.0147T (3-14)式中：T出钢量，t。上式是统计了50个30300吨转炉尺寸的基础上得出来的。由该公式对一些工厂的炉子进行验算，应用此公式计算的结果与实际采用的数据基本相符；而250吨以上的转炉稍有出入，计算值比实际采用值大些。上述公式的缺点是没有述及吹炼技术和喷嘴形式的影响。考虑到近年来强化冶炼、氧流量的提高、多孔喷枪的使用都影响到炉型的设计，如熔池直径加大，炉容比下降等，推荐下面公式进行计算：D=1.07 m (3-15)式中：T平均出钢量，t； n喷枪孔数； Q氧流量，m2/min。在设计时单孔喷枪每分钟每平方米熔池只能吸收15.25m3的氧、三孔喷枪吸收25.9m3的氧，七孔喷枪吸收45.7m3的氧。用上式进行计算得出的熔池直径和实际熔池直径相差不大。武汉钢铁设计院推荐下面的公式：D=0.392 (3-16)式中：T炉容量，t。由国外一些30至300吨转炉实际尺寸统计的结果，得出下面计算公式：D=KT0.4 (3-17)式中：K系数，取值为0.660.05；T炉容量，t。以上公式仅作为设计时的参考和讨论的基础。目前采用较多的仍然是公式D=。2）熔池深度（h）它是另一个比较重要的熔池尺寸参数，对于一定容量的转炉，在炉型和熔池直径确定后，可以利用几何公式计算熔池深度。截锥型： a 截锥型熔池 b 锥球型熔池 c筒球型熔池 D1=0.7D D1=0.870.95D，R=1.1D， D1=0.870.95D，R=1.1D， h1=0.080.14D0.09D居多 h1=0.080.14D0.09D居多图34熔池形状D熔池直径；D1倒锥台底面直径；h熔池直径；h1球冠体高度；h2锥台高度；R球冠体半径利用截锥型的体积公式： (3-14)将代入上式化简后得： (3-15)筒球型：利用圆柱体和球冠体体积公式： (3-16)取R1.1D，h10.12D代入上式化简后得： (3-17) 锥球型：利用截锥体积和球冠的公式 (3-18)取R=1.1D，h10.09D，D1=0.895D代入上式化简后得：V池=0.70D2h-0.0363D3 (3-19)熔池直径D已求出，若能知道V池就可以利用式求出各种炉型的h值：根据熔池的定义，熔池体积V池应等于金属液体积V金，即V池=V金 式中 V金新炉金属装入量占有的体积，V金G初/金， 金：钢液密度，取6.87.0T/m3。求出D和h后，校核：A h/D是否符合推荐值h/D0.310.33；B 校核h冲/h， h冲氧流股的冲击深度，h应满足h冲的需要，对多孔喷头h冲/h0.250.4为宜。多孔喷头的h冲计算如下，首钢推出的经验公式： (3-20)式中：H多孔枪喷头距熔池液面高度（枪位），mm d喉喷头喉口直径，mm 钢液密度，t/m3 P周氧气使用压力，（表压），1105 Pa一般，(mm ) (3-21)式中：R冲多孔喷头的冲击半径，mm。决定于循环比R比，即R冲R比R熔R比是一个对转炉冶炼有重大影响的参数，三孔喷头正常吹炼枪位下，要求R比在0.10.2范围内。m小孔间距d间与喷孔出口直径之比，即，无量纲，一般m0.81.0。d出喷孔出口直径，mmx 由于多孔喷嘴射流相互吸引而产生的偏转量（距喷孔轴心线的径向距离），mm。一般可以用下式计算。 x170.9033613816M+0.84155（）+3.63exp9.82/P用 195.7M+49.56M2+2.048sin(51), (mm) (3-22) 式中 M出口马赫数； P用使用氧压，1105Pa； 喷孔夹角；先求出后再验算是否0.250.40。（2）炉帽尺寸的计算确定炉帽主要尺寸包括炉口直径，帽锥角，炉帽高度。如图35所示。1）炉口直径d0： 按参数d0/D0.430.54计算或根据同类炉子d0值选取。表37 部分炉子的炉口直径吨位（T）15253050120150300d0（mm）11001100120018502200250036002）帽锥角，根据炉子大小在6068 o范围选择。3）炉帽高度 H帽 图35 炉帽示意图H帽H口+H锥式中：H口300400mm，为了保持炉口的正常形状，防止因为衬砖蚀损而使其扩大，在炉口设有高度为300400mm的直线段。H锥1/2（Dd0）tg (3-23)炉帽体积V帽V口+V锥 （3）炉身尺寸的计算1）炉膛直径D膛：炉身为圆筒形，对于炉衬无加厚段的炉子其炉膛直径与熔池直径相同，即D膛D 。2）炉身高度H身：炉身体积V身D2H身 H身 (3-24)V身 = V-V池V帽 (3-25)式中V 炉膛体积，由炉容比V/T和公称容量T确定， V(V/T)T 。求出炉身高度H身后，整个炉型就计算出来了（出钢口还未确定），这时要对炉型进行校核：计算出来的炉型尺寸应同时满足V/T和H内/D膛的要求，如果不在推荐数值范围内，则要对炉型尺寸进行适当调整使之符合炉型主要参数推荐值。（4）出钢口尺寸计算确定按照炉型主要参数中的出钢口参数确定方法来确定。3.1.5 炉衬的组成、材质选择及厚度确定转炉的炉衬寿命反映了一个企业的管理水平和技术水平，并且直接影响转炉的生产率，因此炉衬寿命也是炉型设计中不可忽视的一个问题。提高炉衬寿命，从工艺方面考虑，就是要坚持合理的操作制度（使用问题），从设计角度讲： 选择优质的耐火材料作炉衬； 确定最佳炉衬厚度。炉衬太薄，炉龄低，技术经济指标差；炉衬太厚，炉龄可以提高，但是，炉衬前、后期装入量差别大，不利于车间的生产组织和稳定操作，炉体过重，倾动力矩大，所以不能单靠增加炉衬厚度来提高炉龄，因此要确定一个最佳炉衬厚度。（1）炉衬的组成炉衬一般由永久层、填充层和工作层三层组成。1）永久层：紧贴炉壳钢板（或绝热层），通常是用一层镁砖或高铝砖侧砌而成，厚度113115mm，其作用是保护炉壳钢板，修炉时不拆除。2）填充层：介于永久层和工作层之间，一般是用焦油镁沙捣打而成。厚度一般80100mm，有的工厂不做规定，只要达到找平的目的即可。填充层的作用是减轻工作层受热膨胀时对炉壳钢板的挤压作用，便于修炉时迅速拆除工作层和砌炉操作。也有的转炉不设填充层。3）工作层：它的工作条件相当恶劣，其使用特点是： 要受到钢水、炉渣和炉气的机械冲刷和化学侵蚀以及装料时大块废钢的冲撞； 在兑铁水，停吹、出钢时，由于温度变化要受到一系列外力的影响；由于不断被侵蚀炉型要发生变化，影响炉内反应。工作层一般用镁碳砖砌成。所谓炉衬寿命即指工作层的寿命，当工作层被侵蚀损坏后（残余厚度约100mm左右）就要更换炉衬了。（2）材质选择：炉衬寿命是一个综合性指标，它受许多因素的影响，特别是受冶炼操作水平的影响比较大，但是，合理选择炉衬材质改进炉衬砖性能和质量也是提高炉衬寿命的重要途径。根据炉衬的使用特点，选择材质的原则是：1） 耐火度（抵抗高温作用而不熔化的性能）高；2） 高温下的机械强度高，耐急冷急热性能好；3） 化学性能稳定；4） 资源广泛，价格便宜。根据国内外多年来的生产实践证明：工作层采用镁碳砖是一种比较理想的炉衬砖。镁碳砖是采用天然菱镁矿和天然鳞片石墨为原料，用改质沥青和酚醛树脂作复合粘结剂；经破碎、筛分、调整粘度，加入适量鳞片石墨，加入粘结剂，添加适量抗氧化剂，经混炼、成型，经200250oC硬化处理后即为成品。镁碳砖具有耐高温、耐渣侵和耐剥落等优良的使用性能。与其它镁砖相比，在使用过程中变质层变薄，不至于引起砖体结构的剥落，加入相当数量的石墨改善了砖的导热性能，具有良好的抗震性。用镁碳砖砌筑炉衬，大幅度提高了炉衬使用寿命，再配合溅渣护炉等护炉技术，炉衬寿命可以达到万炉以上。永久层一般用烧成镁砖或高铝砖。（3）各层厚度的确定一般炉身工作层厚度400800mm，炉底工作层比炉身略薄一些，约350600mm，填充层80100mm，炉身永久层113200mm多数113115mm，炉底永久层300500mm。如表38所示。表38转炉各层炉衬厚度容量（t）100t 100200t200t以上炉帽工作层（mm）400600500600550650炉身工作层（mm）550700700800750850炉底工作层（mm）550600600650600750炉身永久层（mm）115150115200115200炉底耐材总厚850105095011009501200根据不同部位的侵蚀情况，使用不同材质的耐火材料和砌成不同厚度的炉衬，使之各部位的侵蚀基本均匀，这就是所谓的均衡炉衬，又叫均衡砌炉或平衡炉衬。均衡砌炉是提高炉衬寿命，降低耐火材料消耗和成本的有效措施。近年来许多钢厂都先后采用了均衡砌炉，在不容易修补的耳轴两侧采用抗渣性能良好抗氧化性能强的高级镁碳砖、在侵蚀较快的渣线部位采用抗渣性能良好的镁碳砖，在炉衬装料侧采用高抗渣性、高强度、高抗热震性的镁碳砖。出钢口则使用等静压成型的整体镁碳砖出钢口。3.1.6 炉壳厚度和转角半径的确定（1）炉壳作用：转炉炉壳类似于一个承受高温、高压的容器，它在使用过程中要承受下列作用力：1）静载荷产生的应力：包括炉料、炉衬和炉壳本身等重量产生的应力； 2）动载荷产生的应力：包括加料，特别是加废钢和清理炉口结渣时产生的冲击力，以及炉体在倾动过程中产生的巨大扭矩；3）炉衬的膨胀应力：炉子受热膨胀时产生巨大的热应力；4）热应力：由炉壳钢板轴向和径向的温度梯度产生的应力；5）其他应力：包括炉壳断面改变，局部加固及加工、安装过程中产生的应力。（2）炉壳材质：根据炉壳的使用特点，要求炉壳使用的材质应具有在高温时耐时效，抗蠕变及良好的成型性和焊接性能。一般小炉子用碳素结构钢，大炉子用低合金钢，如：Q235、16Mn、15MnTi、14MnNb、20g等。（3）炉壳厚度：炉壳厚度的确定目前尚无成熟的计算公式，原则上讲，由于炉壳各部位受力不均匀，炉身、炉帽和炉底应选用不同厚度的钢板。炉身受力最大，使用最厚的钢板，炉底为炉身厚度的80左右。经验公式：（D壳：炉壳外径）身壳（0.00890.0115）D壳 (3-26)帽壳（0.71.0）身壳 (3-27)底壳（0.750.94）身壳 (3-28)小炉子为了简化取材，一般炉底、炉身和炉帽都选用相同厚度的钢板。不同容量转炉的炉壳厚度见表39。表39 不同容量转炉的炉壳钢板厚度，m （ 10-3）容量（T）505090100150160200210250250炉帽163250605360606565707075炉身183650655270707576808085炉底163250605360606565707075（4）转角半径：在转炉炉壳的帽锥与炉身直筒段连接处，直筒段与池锥，池锥与炉底球冠连接处，小炉子以直线尖角相连接，称为拐角炉壳，采用为拐角炉壳较简单，易制造。大、中型炉子为了减少应力集中，增加炉壳的坚固性，以圆弧相接，称为拐弧炉壳，其圆弧半径叫转角半径。在便于砌筑内衬砖和不减薄内衬厚度的条件下，弧形段的转角半径一般以不大于炉衬厚度为宜。这样炉壳弧形段的转角半径可按下式确定：SR1SR2身 (3-29)SR3=0.5底 (3-30)式中 SR1炉壳帽锥与直筒段相接处转角半径； SR2炉壳池锥与直筒段相接处转角半径； SR3炉壳池锥与炉底球冠连接处转角半径；身、底分别为炉身、炉底的衬砖总厚度。（5）炉壳的形状及特点：炉壳用钢板加工成截锥型炉帽，圆筒形炉身和球冠形或截锥形炉底。1) 炉帽：炉帽接近高温炉气，直接受喷溅钢渣的烧损，并受烟罩内高温烟气的热辐射。为了保持炉口形状不变，减少炉口结渣并便于清除，目前普遍采用水冷炉口。水冷炉口的结构形式有水箱式（图36）和铸铁埋管式（图37）。水箱式水冷炉口是用钢板焊接成的，在水箱内焊有若干块隔水板，使进入水箱内的冷却水形成一个回路，隔水板还可起到加强筋的作用，增加水冷炉口的刚度。这种结构冷却强度大，并且容易制造。但是比埋管式容易烧穿，设计时应注意使水箱内，特别是顶部无积聚蒸汽的死角。另外炉帽部位通