段光华,180t顶吹氧气转炉.doc

太原科技大学课 程 设 计 说 明 书题目：180t顶吹氧气转炉及氧枪设计学院（系）：材料和科学学院 年级专业：冶金工程081401学号：200814070102学生姓名：段光华指导老师：李海斌太原科技大学课程设计任务书学院（系）：材料和科学学院 指导老师：李海斌学号200814070102学生姓名段光华专业（班级）08冶金工程设计题目180t顶吹氧气转炉及氧枪设计设计技术参数1.180吨位2.顶吹氧气3.冶炼低磷铁水设计要求（1）根据所给设计题目，综合运用所学基础理论及专业知识充分进行调查研究，认真独立完成本次设计。（2）设计说明书要求内容完整，计算正确，理论简洁，文理通顺，且不少于0.6万字。工作量（1）课程设计说明书一份（2）氧气顶吹转炉炉型图 1工作计划1. 180t氧气顶吹转炉炉型设计及计算2. 氧枪设计及计算3.180t氧气顶吹转炉炉型CAD绘图参考资料炼钢厂设计原理氧枪的设计炼钢机械钢铁冶金炼钢学 2011年12月19日绪论炼钢技术发展史钢铁材料是人类社会最主要使用的结构材料,也是产量最大、应用最广泛的功能材料，在经济发展中发挥着举足轻重的作用。尽管近年来钢铁面临着陶瓷材料、高分子材料、有色金属材料（如铝）等的竞争，由于其在矿石储量、生产成本、回收再利用率、综合性能等方面所具有的明显优势，可以预见的将来，钢铁在各类材料所占据的重要地位仍不会改变。炼钢学是研究将高炉铁水（生铁）、直接还原铁（DRI、HBI）或废钢（铁）加热、融化，通过化学反应去除铁液中的有害杂质元素，配加合金并浇铸成半成品铸坯的工程科学。炼钢包括以下主要过程：去除钢中的弹、磷、硫、氧、氢等杂质组分以及由废钢带入的混杂元素铜、锡、铅、铋等；为了保证冶炼和浇铸的顺利进行，需将钢水加热升温至16001700度；普通碳素钢通常需含锰、硅，低合金钢和合金钢则需含有鉻、镍、钼、钨、钒、钛、铌、铝等，为此在炼钢过程中需向钢液配加有关合金以使之合金化；去除钢液中内生和外来的各类非金属夹杂物；将合格钢水浇铸成方坯、小方坯、圆坯、板坯等；节能和减少排放，包括回收转炉炼钢煤气、炼钢烟气余热利用、减少烟尘和炉渣排放以及炼钢烟尘污泥、炉渣、耐火材料等的返回再利用。 现在炼钢法最早起始于1856年英国人H.Bessemer发明的酸性底吹转炉炼钢法，该方法首次解决了大规模生产液态钢的问题，奠定了近代炼钢工艺方法的基础。由于空气 与铁水直接作用，Bessemer炼钢方法因而具有很快的冶炼速度，成为当时主要的炼钢方法。但是，Bessemer工艺采用的是酸性炉村，不能造碱性炉渣，因而不能进行脱磷与脱硫。1879年英国人S.G.Thomas发明了碱性空气底吹转炉炼钢法，成功地解决了冶炼高磷生铁的问题。由于西欧许多铁矿为高磷铁矿，直到20世纪70年代末，Thomas炼钢法仍被法国、卢森堡、比利时等国的一些钢铁厂所采用。 几乎在Bessemer炼钢工艺开发成功的同时，1856年平炉炼钢方法（被称为Siemens-Martin法）也被发明成功。最早的平炉仍为酸性炉衬，但随后碱性平炉的操作和控制较空气炼钢平稳，能适应各种原料条件，铁水（生铁）和废钢的比例可以在很宽的范伟内变化。除平炉炼钢外，电弧炉炼钢方法在1899年也被发明成功。在20世纪50年代氧气顶吹转炉炼钢法发明前，平炉是世界上最主要的炼钢法。 第二次世界大战结束后的20世纪50年代，世界钢铁行业进入了快速发展时期，在这一时期开发成功的氧气顶吹转炉炼钢技术和钢水浇铸开始推广采用的连铸工艺对随后钢铁工业的发展起到了非常重要的推动作用。 1952年氧气顶吹转炉炼钢方法在奥地利被发明成功，由于具有反应速度快、热效率高以及产出的钢质量好、品种多等优点，该方法迅速呗日本及西欧采用。在20世纪70年代，氧气转炉炼钢法以取代平炉法成为主要的炼钢方法。在氧气顶吹转炉迅速发展的同时，德、美、法等国发明成功了氧气底吹转炉炼钢法，该方法通过喷吹甲烷、重油、柴油等对喷口进行冷却，使纯氧能从炉底吹入熔池面而不致损坏炉底。 在20世纪80年代中后期，西欧、日本、美等相继开发成功了顶底复吹氧气转炉炼钢法，在此法中，氧气由顶部氧枪供入，同时由炉底喷口吹入氩，氮等气体对熔池进行搅拌（也可吹入少部分氧气）。顶底复吹转炉炼钢既具备顶吹转炉炼钢化渣好、废钢用量多的长处，同时又兼备氧气底吹转炉炼钢熔池搅拌好、铁和锰氧化损失少、金属喷溅少等优点，因而目前世界上较大容量的转炉绝大多数都采用了顶底复合转炉炼钢工艺。氧气顶吹转炉炼钢法的冶金特征氧气顶吹转炉在国外一般被称为LD转炉（Linz-Donawit工厂的缩写），或称为BOF转炉（Basic Oxygen furnace的缩写）。此炼钢方法继承了过去的空气吹炼转炉的优点，又克服了其缺点。与电炉炼钢相比，该方法具有如下优点：生产率高；对铁水成分的适应性强；废钢使用量高；可生产低硫、低磷、低氮及低杂质钢；可生产几乎所有主要钢品种。正因为有这些长处，氧气顶吹炼钢法在1950年后迅速发展成为世界上主要的炼钢方法。由于使用的铁水成分和所炼钢种的不同，吹炼工艺也有所区别。现以某转炉厂顶吹转炉对未经脱硫、脱磷及脱硅处理的铁水采用单渣操作工艺为例，说明一炼钢的吹炼过程。图是未采用溅渣护炉工艺时，一炉钢的吹炼过程中金属成分、熔渣成分及熔池温度的变化情况。 图 吹炼初期，Fe、Si、Mn元素即被大量氧化，而且Si、Mn的含量下降到很低，几乎痕迹量。继续吹炼，它们不再被氧化。吹炼接近终点时，Mn的含量出现回升。Si、Mn被氧化的同时，C也被少量氧化。当Si、Mn氧化基本结束后，炉温达到了1450度以上，C的氧化速度迅速提高。吹炼后期，脱碳速度又有所降低。吹炼刚开始时，由于Si的迅速氧化使渣中SiO2含量高达20%，又因为石灰的逐渐熔解，渣中CaO的含量也在不断地提高。当Si的氧化基本结束后，渣中SiO2含量又有所下降。炉渣碱度则随石灰的熔解而迅速提高。渣中FeO含量在开吹后不久就可以达到20%30%。随着脱碳速度的提高，渣中Fe的含量会逐渐降低，但在吹炼后期优惠有所升高由于碱性氧化性炉渣的迅速形成，大约在吹炼的前一半时间内，含磷量已降低到0.02%，脱碳反应为放热反应。在冶炼的中后期若温度过高或炉渣中FeO含量降低，又会发生回磷。渣中MgO含量的变化与是否采用白云石或菱镁矿造渣工艺有关，另外还受到加入量的影响。一般情况下，采用白云石或菱镁矿造渣，渣中MgO含量增加，有利于减轻熔渣对炉衬的侵蚀。吹炼初期，随着钢液中含硅量的降低，含量升高。吹炼中期脱碳反应剧烈，钢液中含氧量在（4001000）10-6的范围内变化。图（2）表示吹炼末期铁水中含碳量与含氧量间的关系。与搅拌相对较弱的电炉相比，有激烈搅拌的LD转炉跟接近于平衡值。 图（2）吹练过程中金属熔池含氮量的变化规律与脱碳反应有密切的关系。脱碳速率越快，终点含氮量也越低。一般转炉终点含氮量可达到2010-6以下。转炉冶炼一炉钢的操作过程，由装料、吹炼、测温、取样、出钢、除渣构成。吹炼时间与炉容量没有直接联系，氧枪吹炼时间通常为1120min，冶炼周期为2540min。装料时，把炉体向前方倾斜，先装入废钢，接着装入铁水，然后使炉体直立。吹炼开始后，一边吹氧一边投入氧化铁皮、矿石、石灰等辅助原料。当氧气喷枪降至设定位置时开始喷吹氧气。吹炼时高亮度的浓烟火焰从炉口排出，吹炼中期是脱碳反应最强烈时期，氧的脱碳效率接近100%。采用副枪动态控制的场合，在排气量逐渐减少、达到预定吹炼终点的前几分钟之前，降下副枪，测定熔池中的含碳量和温度，预测达到目标含碳量和温度的时间，然后吹炼到终点出钢。当采用人工经验判断终点时，把炉体倾向装料测，从炉口进行测温及取样，并确认含碳量及温度是否合适，再将炉体倒出钢侧出刚。出钢时间向炉内及钢水包中添加脱氧剂，出钢后再把炉体倒向装料侧排渣，一炉钢的冶炼才结束。 顶吹氧气转炉炉体设计转炉是转炉炼钢车间的核心设备。转炉炉型及其主要参数对转炉炼钢的生产率、金属收得率等经济指标都有直接的影响，其设计是否合理也关系到冶炼工艺能否顺利进行，车间主厂房高度与转炉配套的其他相关设备的选型。所以，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车间设计的关键。1.原始条件设计一吨位为180t的氧气顶吹转炉，供养时间姑且先定在18min，转炉系数K根据大容量取下限小容量取上限的原则，K先取1.6。目前高炉冶炼技术较高，现设计冶炼低磷的转炉。2.转炉炉型及其选择转炉由炉帽、炉身、炉底三部分组成。180T的氧气顶吹转炉应选择适应大、中型转炉的炉型，最好的选择就是筒球型转炉。炉型形状简单，砌砖方便，炉壳容易制造。3.炉容比确定炉容比是指转炉有效容积Vt与公称容量G之比值Vt/G(m3/t)。转炉炉容比主要与供氧强度有关，与炉容量关系不大。当供氧强度提高时，随着炉内反应加剧，如果炉膛自由空间不足，必然会发生大量的渣钢喷溅与泡沫渣翻滚溢出，造成较多的金属损失。为了在较高金属收得率基础上增大供氧强度，缩短吹炼时间，必须有适当的炉容比。近20年投产的大型氧气转炉，其炉容比都在0.91.05之间。由于顶吹转炉喷溅大，为了防止喷溅，使之有较高的金属收得率，180t氧气顶吹转炉应选一较大的炉容比，取1.0较为合适。4.熔池尺寸的确定熔池直径D。熔池直径指转炉熔池在平静状态时金属液面的直径。 D=KGt式中 D熔池直径，m； K系数，参与表1； G新炉金属装入量，t，可取公称容量； t 平均没炉钢纯吹氧时间，min，参与表2。 表1 系数K的推荐值转炉容量/t100备注K1.852. 101.751.851.501.75大容量取下限，小炉子取上限表2 平均每炉钢冶炼时间推荐转炉容量/t100备注冶炼时间/min2832(1216)3238(1418)3845(1620)结合供氧强度、铁水成分和所炼钢种等具体条件确定注：括号内数系吹氧时间参考值。 根据表1与表2，180t氧气顶吹转炉的K取1.60，吹氧时间取18min。 D=KGt=1.6018018=5.060m熔池深度h。熔池深度是指转炉熔池在平静状态时，从金属液面到炉底的深度。通常球缺底的半径R为熔池直径D的1.11.25倍，现取R=1.1D，熔池体积V池熔池直径及熔池深度h有如下关系： V池=0.790hD2-0.046D3因而 h=（ V池+0.046D3）/0.790D2 对于V池，V池=G ，钢液密度一般取7.0m3/t，G取180t V池=1807.0=25.714m3即得 h=（25.714+0.0465.0603）/0.7905.0602 =1.566m核算以上值是否合适：根据生产实践，吨钢耗氧量，一般低磷铁水约为5565m3/t，取55m3/t。则 供氧强度qo2=吨钢耗氧量（m3/t）吹氧时间=5518=3.056m3/(t*min)氧气射流穿透深度hc hc=0.36Tqo2n0.256=0.361803.056n0.256 n即喷头数，大型转炉在5孔及5孔以上，现180t取6孔 hc=0.36Tqo2n0.256=0.361803.05660.256=1.145m所以hc/h=1.1451.723=0.664 ， 为了避免炉底受到氧气射流的直接冲击和充分搅动熔池以改善熔池反应的动力学条件，对于多孔氧枪hc/h0.7，即符合，不再需调整熔池直径D值。所以确定 D=5.060m，h=1.566m即 D= 5060mm，h=1566mm熔池其他尺寸的确定。球缺底的半径R： R=1.1D=1.15.060=5.566m 取整R=5566mm5.炉帽尺寸的确定炉口直径d。在满足顺利兑铁水和加废钢的前提下，适当减少炉口直径,以减少热损失。一般炉口直径为熔池直径的43%53%较为适宜。根据大炉子取下限，小炉子取上限的原则现取 d= 0.55.060=2.530m炉帽倾角。选取原则：便于炉气逐渐收缩逸出，减少炉气对炉帽衬砖的冲刷侵蚀，使炉帽各层砖逐渐收缩，缩短砌砖的错台长度，增加砌砖的稳定性。如果角度过大，砌砖错台太长容易脱落。倾角一般取6068，根据大炉子取下限，小炉子取上限。现取60炉帽高度H帽。H帽=12（D-d）tan+H口 H口一般取300400mm，现取400mm。即H帽=12(5.060-2.530)tan60+0.4=2.591m炉帽总容积V为：V=（H帽-H口）（D+Dd+d）+d2 H口 =3.1412（2.591-0.4）（5.0602+5.0602.530+ 2.5302）+3.1442.53020.4 =27.698m36.炉身尺寸的确定 炉膛直径D膛=D=4743mm（无加厚段） 根据选定的炉容比为0.95,可求出炉子总容积为 V总=1180=180m V身=Vt-V帽-V池=180-27.698-25.714=126.588m 炉身高度H身=4V身D2=4126.5883.145.0602=6.298m 取整H身=6300mm7.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。出钢口直径 出钢口直径决定着出钢时间，因此随炉子容量而异。出钢时间通常为28min。时间过短（即出钢口过大），难以控制下渣，且钢包内钢液静压力增长过快，脱氧产物不易上浮。时间过长（即出钢口过小），钢液容易二次氧化和吸气，散热也大。通常dT（cm）安下面经验式确定： dT=63+1.75G=63+1.75180=19.442cm取整d出 =194mm出钢口中心线水平倾角1。为了缩短出钢口长度，以利于维修和减少钢液二次氧化及热损失，大型转炉的1趋于减小。国外不少转炉采用0，一般为1520。为了适应国内转炉的工艺特点，现取15出钢口衬砖外径 dST=（56）dT=97.21116.65cm 取dST=100cm=1000mm 出钢口长度 LT=（78）dT=136.094155.536cm 取LT=145cm=1450mm8.炉衬厚度确定通常炉衬由永久层、填充层和工作层组成。有些转炉则在永久层与炉壳钢板之间有一层石棉板绝热层。永久层紧贴炉壳（无绝热层时），修炉时一般不予拆除。其主要作用是保护炉壳，该层常用镁砖砌筑。填充层介于永久层与工作层之间，一般用焦油镁砂捣打而成，厚度约为80100mm。其主要功能是减轻炉衬受热膨胀时对炉壳产生挤压和便于拆除工作层。炉帽可用二步煅烧镁砖，也可根据具体条件选用其他材质。转炉各部位的炉衬厚度设计参考值如表3所示。表3 转炉炉衬厚度设计参考值炉衬各部分名称转炉容量/t200炉帽永久层厚度/mm60115115150115150工作层厚度/mm400600500600550600炉身(加料侧)永久层厚度/mm115150115200115200工作层厚度/mm550700700800750850炉身(出钢侧)永久层厚度/mm115150115200115200工作层厚度/mm500650600700650750炉底永久层厚度/mm300450350450350450工作层厚度/mm550600600650600750 炉衬选择应遵循一下原则： 耐火度高；高温下机械强度高，耐极冷极热性能好；化学性质稳定；资源广泛，价格便宜。根据如上 表4 180t氧气顶吹转炉炉衬厚度选取炉帽永久层厚度/mm143工作层厚度/