转炉炼钢课程设计.doc

目 录1 转炉物料平衡与热平衡计算11.1 原始数据的选取11.2 物料平衡计算31.3 热平衡的计算91.4 吨钢物料平衡132 转炉炉型设计142.1 炉型的选择142.2 几个重要参数142.3 转炉主要尺寸的确定143 氧枪喷头设计183.1 原始条件183.2 计算氧气流量183.3 计算设计工况氧压和喉口直径193.4 确定喷孔出口直径193.5 确定喷孔其它几何尺寸193.6 确定喷头五喷口中心分布圆直径193.7 枪身各层钢管计算203.8 喷头简图21参考文献22结 束 语231 转炉物料平衡与热平衡计算物料平衡是计算转炉炼钢过程中加入炉内和参与炼钢的全部物料（如铁水、废钢、氧气、冷却剂、渣料、被侵蚀的炉衬等）和炼钢过程中的产物（如废钢、炉渣、烟尘等）之间的平衡关系。热平衡是计算转炉炼钢过程的热量收入（如铁水的物理热、化学热）和热量支出计算（如钢水、炉渣、炉气的物理热、冷却剂融化和分解热）之间的平衡关系。1.1 原始数据的选取1.1.1 原材成分（表1-11-4）表1-1 铁水、废钢的成分（%）原料CSiMnPS温度/铁水4.200.500.340.130.0251255废钢0.180.200.520.0220.02525表 1-2 渣料和炉衬材料成分（%）种类CaOSiO2MgOAl2O3SPCaF2FeOFe2O3烧碱H2OC石灰91.02.02.01.50.053.45矿石1.05.610.521.100.0729.461.80.05萤石6.00.581.780.090.5589.02.00白云石55.03.033.03.01.05.0炉衬54.02.038.01.05.0表 1-3 各材料的热容项目固态平均热容/kJkg-1k-1溶化潜热/kJkg-1液（气）态平均热容/kJkg-1k-1生铁0.745217.5680.8368钢0.699271.960.8368炉渣209.201.247炉气1.136烟尘1.000209.20矿石1.046209.20表 1-4 反应的热效应（25）元素反应反应热/ kJ.kg-1CC+1/2CO10950CC+O2CO234520SiSi+O2SiO228314P2P+5/2O2 P2O518923MnMn+1/2O2MnO7020FeFe+1/2O2MnO5020FeFe+3/2O2Fe2O36670SiO2Si O2+2CaO2CaOSiO22070P2O5P2O5+4CaO4CaOP2O550201.1.2 假设条件根据各类转炉生产实践过程假设：（1）渣中铁珠量为渣量的8%；（2）喷溅损失为铁水量的1%；（3）熔池中碳的氧气化生成90%CO，10%CO2;（4）烟尘量为铁水量的1.6%，其中FeO为77%，Fe2O3为20%;（5）炉衬的侵蚀量为铁水量的0.5%；（6）炉气温度取1450，炉气中自由氧含量为总炉气量的0.5%；（7）氧气成分：98.5%O2,1.5%N2。1.1.3 冶炼钢种及规格成分要求冶炼低碳钢；以Q235钢为例，其规格成分为（%）：C 0.15， Si 0.12， Mn 0.10， P 0.02， S 0.021.2 物料平衡计算根据铁水、渣料质量以及冶炼钢种要求，采用单渣法操作。为了简化计算，以100kg铁水为计算基础。1.2.1 渣量及成分计算（1）铁水中元素氧化量（表1-6）表 1-5 铁水中元素氧化值 元素/%项目CSiMnPS铁水4.20.50.340.130.025钢水0.1600.1020.0200.016氧化量4.0400.5000.2380.1110.009说明：本说明书取脱磷率85%，脱硫率35%；钢水中残余锰量取30%。（2）各元素耗氧量及氧化产物量（表1-6）表 1-6 铁水中元素氧化量、氧化产物量元素反应元素氧化量/kg耗氧量/kg氧化产物量/kgCC+1/2O2CO4.0490%3.6363.64516/124.8483.64528/128.484CC+ O2CO24.0410%0.4040.40532/121.0780.40544/121.481SiSi+ O2SiO20.50.532/280.5710.57160/281.071MnMn+1/2 O2MnO0.2380.23816/550.0690.23871/550.307P2P+5/2 O2(P2O5)0.1110.11180/620.1430.111142/620.252SS+ O2S O20.0091/30.0030.00332/320.0030.00364/320.006SS+(CaO)(CaS)+O0.0092/30.0060.006(16)/320.0030.00672/320.013FeFe+1/2 O2(FeO)0.6910.69116/560.1970.888Fe2Fe+3/2 O2(Fe2O3)0.0950.09548/1120.0410.135总计6.6836.946注:假定炉内气化脱硫1/3；铁的氧化由表1-12得出。（3）渣料加入量1）矿石加入量及其成分（表1-7）：为了化渣，本例中加入矿石1%，而不另加氧化铁皮（若不加矿石，改用氧化铁皮，则成分不同）。其中： S+(CaO)(CaO)+O (CaS)生成量0.00172/320.002 kg 消耗CaO量0.00156/320.002 kg表 1-7 矿石加入量及成分成分质量kg成分质量kgFe2O3161.80%0.618Feo129.40%0.294SiO215.61%0.0561Al2O311.10%0.011CaO11.0%0.01MgO10.52%0.005S10.07%0.001H2O10.50%0.0052)萤石加入量及其成分（表1-8）：根据冶金局（部）转炉操作规程，萤石加入量取3kg/t。表 1-8 萤石加入量及成分成分质量/kg成分质量/kgCaF20.389.0%0.267MgO0.30.58%0.002SiO20.36%0.018P0.30.55%0.002Al2O30.31.78%0.005S0.30.09%0.000(忽略)H2O0.32%0.006其中：2P+2/5O2(P2O5)(P2O5)生成量0.002142/620.004 kg3)白云石加入量及成分（表1-9）：为了提高炉衬的寿命，采用白云石造渣，控制渣中（MgO）含量在6%8%范围内。根据已投产转炉的经验，轻烧白云石加入量取35kg/t。表 1-9 轻烧白云石加入量及成分成分质量/kg成分质量/kgCaO3.555%1.925MgO3.533%1.155SiO23.53%1.105Fe2O33.51%0.235Al2O33.53%1.105烧碱3.55%0.175其中：烧碱是指白云石中CaCO3MgCO3分解产生的CO2气体。4）炉衬侵蚀量及其（表1-10）：转炉炉衬在炉渣作用下，将被侵蚀和冲刷进入渣中，本例取铁水量的0.5%。表 1-10 炉衬侵蚀量及成分成分质量/kg成分质量/kgCaO0.554%0.27SiO20.52%0.01MgO0.538%0.19C0.55%0.025Al2O30.51%0.005其中：炉衬中碳的氧化与金属中生成的CO和CO2比例相同。CCO数量 0.02590%28/120.053 kgCCO2数量 0.02510%44/120.009 kg共消耗氧量 0.05316/28+0.00932/440.037 kg5）石灰加入量及成分（表1-11）：根据铁成分，取终渣监督R3.5。石灰加入量 （2.14%SiR白云石带入CaO量/%CaO有效100 kg （2.140.53.51.925）/(913.52)100 2.167 kg/100kg铁水表 1-11 石灰的加入量及成分成分质量/kg成分质量/kgCaO2.16791%1.972Si2.1672%0.043MgO2.1672%0.043S2.1670.05%0.001Al2O32.1671.5%0.033烧碱2.1673.45%0.075其中： SCaS 0.00172/320.002 kg说明：若要详细计算石灰加入量，则可用下式：石灰加入量(SiO2)R(CaO)/%CaO有效(SiO2)铁水Si生成（SiO2）+矿石、白云石、萤石带入(SiO2)（CaO）白云石、矿石、炉衬带入(CaO)铁水矿石中S消耗CaO量6）渣中铁的氧化物：对于冶炼Q235钢，根据已投产转炉渣中含 （FeO）12%,(Fe2O3)8%。7）终渣总量及成分：根据表1-6表1-11中若不计（FeO）、(Fe2O3)在内的炉渣成分见 表1-12。由表1-12中可得：CaO+MgO+SiO2+P2O5+MnO+Al2O3+CaF2+CaS7.883 kg已知（FeO）12%，(Fe2O3)8%，则余渣应占渣量总数的80%。故总渣量为9.854/80%9.854 kg。由此可知：（FeO）9.8548%1.182 kg、(Fe2O3)9.8542%0.778 kg。由于矿石和白云石中带入部分（FeO）和(Fe2O3)，实际铁氧化产物为 （FeO）1.1820.2940.888 kg, (Fe2O3)0.7780.6180.0350.135 kg。故 Fe氧化量0.88856/72+0.135112/1600.786 kg表1-12 终渣总量及成分成分氧化产物/kg石灰/kg矿石/kg白云石/kg炉衬/kg萤石/kg总计 /kg%CaO1.9720.0101.9250.2704.17742.39MgO0.0430.0051.1550.1900.0021.39514.16SiO21.0710.0430.0560.1050.0100.0181.30413.23P2O50.2530.0040.2572.61MnO0.3070.3073.12Al2O30.0330.0110.1050.0050.0050.1591.61CaF20.2670.2672.71CaS0.0130.0020.0020.0180.18FeO0.8880.2941.18212.00Fe2O30.1350.6180.0350.7888.00总计9.854100.001.2.2 冶炼中的吹损计算根据假设条件，渣中铁珠量为渣量的8%，喷溅损失为铁水量的1%，烟尘损失为铁水量的1.6%。故可得到渣中铁珠量9.8548%0.788 kg喷溅铁损量1001%1.0 kg烟尘铁损量1001.6%（77%56/72+20%112/160）1.182 kg元素氧化损失5.777 kg (见表1-6)吹损总量0.788+1.0+1.182+5.7778.748 kg钢水量1008.74891.252 kg1.2.3 氧气消耗量计算主要是元素氧化耗氧6.837 kg（见表1-6），烟尘氧化消耗氧：1001.6%（77%16/72+20%48/160）0.37 kg。其次炉衬中碳氧化耗氧0.037 kg。故总耗氧量为7.434 kg。换算为标准体积为 7.43422.4/325.14 m3/100kg。若考虑到氧气利用率为75%90%，生产实际中供氧量为5060 m3/t。由于氧气不纯，含有1.5%N2，故供时带入N2为：7.4341.5%0.110 kg，其体积量为：0.11022.4/280.088 m3/100kg。1.2.4 炉气量及成分炉内产生的炉气由CO、CO2、SO2、H2O、N2和自由O2组成，把以上计算的炉气成分除自由O2以外占力气体积总量的98.5%，表1-13可得：CO+CO2+SO2+H2O+N27.819 m3故炉气总量为 77.819/99.5%7.938 m3。自由O2量为7.9151.5%0.04 m3，其质量为0.0432/22.40.057 kg。表 1-13 炉气量及成分成分质量/%体积/ m3体积/%CO8.484+0.0538.33722.4/286.83086.90CO20.075+0.004+0.175+1.4811.74022.4/440.88611.27SO20.0060.00622.4/640.0020.03H2O0.005+0.0060.01122.4/180.0140.17N20.1100.0881.12O20.0570.040.51总计10.4617.859100.001.2.5 物料平衡表把以上各种物质的总收入和总支出汇总起来，使可得到物料平衡表1-14.计算误差（收入项支出项）/收入项100%0.03%表 1-14 物料平衡表收入支出项目质量/kg%项目质量/kg%铁水100.00087.02 钢水91.25279.38 石灰2.1671.89 炉渣9.8548.57 白云石3.5003.05 炉气10.4619.10 矿石1.0000.87 烟尘1.6001.39 萤石0.3000.26 喷溅1.0000.87 炉衬0.5000.44 铁珠0.7880.69 氧气7.3436.39 氮气0.1100.01 总计114.920100.00 总计114.955100.00 1.3 热平衡的计算为了简化计算，去加入炉内的炉料温度均为25。1.3.1 热收入热收入主要是铁水的物理热和元素氧化的化学热。（1） 铁水物理热铁水凝固温度Tf1539%i ti计算，即 Tf 1539(1004.2+80.5+50.34+300.13+250.225)4 1104 铁水物理热可用表达式Q物CsTf+Qf+C1(TTf)计算，即 Q物1000.745(110425)+217.568+0.8368(12551104) 114770.86 KJ注：式中 %i铁水中元素含量；Tf1%的元素使纯铁凝固温度的降低值。 C1、Cs分别为液态和固态的热容量，kJ/kgK;Tf 、T分别为冷却剂的熔点和熔池温度，K;Qf冷却剂的溶化潜热，kJ/kg。（2） 铁水中元素氧化放热和成渣热 根据表1-4、表1-6和表1-12数据可以计算如下： CCO 3.6361095039814.2 kJ CCO2 0.4043452013946.08 kJ SSiO2 0.52831414157.00 kJ MnMnO 0.3470201670.76 kJ PP2O5 0.011189232090.992 kJ FeFeO 0.691050203944.348 kJ FeFe2O3 0.0956670630.815 kJ SiO22CaOSiO2 1.30420702698.787 kJ P2O54CaOP2O5 0.25750201289.436 KJ总计 80241.98 kJ（3） 烟气氧化放热1.6（77%56/725020+20%112/1606670）6304.4 kJ（4） 炉衬中碳氧化放热 0.55%（90%10950+10%34520）332.7 kJ因此，炉内热收入总量为：114770.866+ 80241.98+6304.4+332.7201649.88 kJ1.3.2 热支出（1）钢水物理热 钢水熔点Tf1539（650.16+50.102+300.02+250.016）41527 出钢温度TTf+T1+2+T31527+70+20+351652 注：式中Tf钢水凝固温度；T1钢水过热度；T2出钢、吹氩、运输、镇静过程降温；T3浇注过程降温。钢水物理热91.4640.669（152725）+271.96+0.8368（16521527） 126061.36 kJ（2）炉渣物理热计算取炉渣终点温度与钢水温度相同。炉渣物理热9.8541.247（165225）+209.20 22054.587 kJ（3）矿石分解吸热1（29.4%56/725020+61.8%112/1606670+209.20）4242.5 kJ（4）烟尘物理热 1.610.（145025）+209.202614.7 kJ（5）炉气物理热 10.4611.136（145025）16933.892 kJ（6）渣中铁珠物理热 0.7880.745（152725）+217.568+0.8368（16521527）1136.123 kJ（7）喷溅金属物理热1.00.745（152725）+217.568+0.8368（16521527）1141.232 kJ（8）吹炼过程热损失 吹炼过程热损失包括炉体和炉口的热辐射、对流和传导热、冷却水带走热等，它根据炉容大小而异，一般为热量总收入的3%8%，本例去热损失的为5%。所以吹炼过程热损失为： 201253.0185%10082.494 kJ（9）废钢耗热总的热收入减去以上热支出，得到的富余热量用加入的废钢来调节。富余热量201253.018（126061.5+22054.6+4242.5+2614.7+16933.9+1136.1+1141.2+10082.5） 17082.927 kJ1kg废钢熔化耗热10.699（152725）+271.96+0.8368（16521527）1426.5 kJ废钢加入量17082.927/1426.52711.927 kg1.3.3 热平衡表 把以上各种物质的热收入和热支出汇总，得到热平衡表1-15。表1-15 热平衡表热收入热支出项目热量/ kJ%项目热量/ kJ%铁水物理热114770.86657.09钢水物理热126061.36062.51元素放热和成渣热79611.60339.60炉渣物理热22054.58710.94C53760.28026.74矿石分解热4242.5492.10Si14157.0007.04烟尘物理热2614.7201.30Mn1670.7600.83炉气物理热16933.8928.40P2090.9921.04铁珠物理热1136.1230.56Fe3944.3481.96喷溅物理热1441.2320.71SiO22698.7871.34吹炼过程热损10082.4945.00P2O51289.4360.64废钢熔化热17082.9278.47烟尘氧化放热6304.4003.14炉衬C放热332.7000.17总计201019.568100.00总计201649.883100.00热效率（钢水物理热+矿石分解热+废钢熔化热）/收入100%73.33%1.4 吨钢物料平衡废钢加入后，忽略废钢中含硅、锰元素的氧化损失，使钢水量达到103.227/kg,即使用100kg铁水、11.93kg废钢可以生产出103.227kg钢水。根据比例关，用1000/107.444去乘以表1-14中各项，就可得吨钢物料平衡表1-16。表 1-16 吨钢物料平衡收入支出项目质量/kg%项目质量/kg%铁水968.73778.81钢水1000.00081.33石灰20.9891.71炉渣95.4577.76白云石33.9062.76炉气101.3378.24矿石9.6870.79烟尘15.5001.26萤石2.9060.24喷溅9.6870.79炉衬4.8440.39铁珠7.6370.62氧气71.1375.79氮气1.0670.09废钢116.0089.44总计1229.281100.00总计1229.618100.00钢水收得率1000/（968.7+116）92.2%2 转炉炉型设计炉型设计的任务是确定所选炉型各部位的主要参数和尺寸，据此再绘制出工程图。2.1 炉型的选择本设计为150t氧气转炉，根据熔池形状，采用筒球型炉型。2.2 几个重要参数设计转炉炉型并确定其尺寸时，应考虑如下几个参数。2.2.1 炉容比（V/T,m3/t）我国设计部门对铁水比90%及用废钢矿石冷却，采用冶标P08生铁，在供氧强度为33.5m3/tmin的条件下，本设计中取0.95。2.2.2 高宽比（H总/D壳）根据我国现行的工艺水平及设计炉型的公称容量，本设计取1.43。2.3 转炉主要尺寸的确定2.3.1 熔池尺寸（1）熔池直径D DK 1.65.05 m式中： G新炉装入量，t;（装入量出钢量/钢水收得率），钢水收得率由1-16表得。 T吹氧时间，min，取18 min K比例系数，取1.68（2） 熔池深度ho ho （Vc0.046D3）/（0.79D2） （23.58+0.046D3）/（0.79 D2） （23.58+0.0465.053）/（0.795.052） 1.46 m式中： Vc熔池的体积（金属的体积），可由装入量算出（装入量/比重）。 Vc装入量/比重 162.69/6.9 23.58 m32.3.2 炉帽尺寸（1） 炉帽倾角目前倾角多为603，小炉子取上限，大炉子取下限，在此取60。（2）炉口直径d0 取炉口直径为熔池直径的48%。 d0 D48% 2.32 m（3） 炉帽高度H帽在炉口上部设有高度为300400mm的直线段在此取350mm。因此炉帽高度为 H帽1/2（Dd0）tg+H0 2.71 m2.3.3 炉身尺寸对于圆筒炉身，因其直径与熔池直径一致，故只需确定炉身高度H身。 H身4V身/（D2）4（Vb+V帽+Vc）/（D2） 4.54 m式中：V身、V帽、Vc分别为炉身、炉帽、熔池的容积； Vb转炉有效容积，为V帽、V身、Vc三者之和，取决于容量和炉容比。其中V帽 /24（D3d03）tg+/4d3h0 0.262（H帽H0）（D3+Dd0+d2）+0.785d20H0 27.87 m3/t2.3.4 出钢口尺寸（1）出钢口中心线水平倾角大型转炉的趋向减小。国外不少转炉采用0，但0倾角使钢流对钢包内金属的冲击力变小。国内转炉多为45以下。（2）钢口直径d出 d出 cm cm 18.04 cm式中 T转炉公称容量，t。另外，一般出钢口衬砖外径为出钢口直径的6倍左右，出钢口长度为其直径的78倍。2.3.5 炉衬通常炉衬由永久层、填充层和工作层组成。也有的转炉不设填充层。永久层常用镁砖砌筑，工作层多用镁碳砖和焦油白云石砖综合砌筑。转炉各部分的炉衬厚度设计参考值如表2-1所示。表 2-1 转炉炉衬厚度取值（mm）炉帽永久层厚度/mm150工作层厚度/mm500炉身（加料侧）永久层厚度/mm150工作层厚度/mm700炉身（出钢侧）永久层厚度/mm200工作层厚度/mm700炉底永久层厚度/mm450工作层厚度/mm6502.3.6 炉壳炉壳钢板常用的材质用14MnNb。炉壳钢板厚度根据经验公式可得：炉身 2 65 mm炉帽 1 60 mm炉底 3 65 mm3 氧枪喷头设计3.1 原始条件3.1.1 铁水成分（%）CSiMnPS4.24.20000.50000.34000.13003.1.2 冶炼钢种以低碳钢为主，多数钢种C0.10%。3.1.3 转炉新炉子参数内径5.05 m，有效高度8.72m，炉容比0.95m3/t。3.1.4 供氧制度根据铁水成分和所炼钢种进行物料平衡计算，取每顿钢铁料耗氧量为50.21 m3；依国内中型转炉目前所达到的供氧强度和冶炼技术水平，吹氧时间取18min。输氧管测压点氧气最高压力为1018MPa，氧气平均温度17。氧枪枪位高度：化渣枪位1.8m，吹炼枪位1.2m。3.1.5 装入制度炉次1565051100100装入量/t1501601671803.2 计算氧气流量当装入量300t时氧气流量为：Q（50.21150）/18418.38 m3/min3.3 计算设计工况氧压和喉口直径选定喷孔出口马赫数M2.0，采用五孔喷头，喷头为拉瓦尔型，喷孔夹角为15。查熵流表（见附录），当M2.0时，P/P00.1278，取PP膛0.099 Mpa 代入，则设计工况氧压为：P00.099/0.12870.775 MPa每孔氧流量：qQ/5418.381/583.676 m3/min取CD0.92,T0290K, P00.775MPa7.9kg/cm2,带入下式，求出喉口直径：q17.64CDP0A喉/ 83.67617.640.927.9A喉/17.640.967.9d2喉/4 d喉3.683 cm3.4 确定喷孔出口直径根据M2.0，查等熵流表得：A出/A喉1.688，即/d2出1.6