氧枪设计说明书.doc

一、概述氧气转炉炼钢在大型的钢铁企业中处于整个钢铁生产的中间环节，起到承上启下的作用，炼钢是决定钢材产量、质量的关键所在。氧气转炉炼钢环节的任何延误或产量、质量变化都会影响前后生产工序的协调运转。这都与转炉炼钢的设备、工艺、组织管理等因素有关。所以在设计转炉炼钢车间时，应当处理好各种设计问题，为正常生产，保持良好的生产秩序打下基础。物料平衡与热平衡计算是氧气转炉冶炼工艺设计的一项基本计算。它是建立在物质与能量守恒的基础上的。它以氧气转炉作为考察对象，根据装入转炉内或参与炼钢过程的全部物质数据和炼钢过程的全部产物数据，来进行物料的质量和热量平衡计算。其主要目的是比较整个冶炼过程中物料、能量的收入项和支出项，为改进操作工艺制度，确定合理的设计参数和提高炼钢技术经济指标提供某些定量依据。应当指出，由于炼钢是复杂的高温物理化学过程，加上测试手段有限，目前尚难以做到精确取值和计算，尤其是热平衡，只能近似计算。尽管如此，它对指导炼钢生产和设计仍有重要的意义。二 、设计任务设计一座年产800万吨良坯的转炉炼钢车间的顶底复吹转炉的氧枪，转炉工作方式为三吹二点，铁水条件为：C= 4.1%；Si=0.35%；Mn=0.42%；P=0.064%；S= 0.01%；铁水温度为：1300。三、物料平衡热平衡计算 3.1.1.基本数据铁水和废钢的成分及温度。见表3-1.表 3-1 铁 水 和 废 钢 的 成 分元素CSiMnPS温度/铁水/%4.100.350.420.0640.011300废钢/%0.180.250.550.030.0325 造渣剂及炉衬成分。见表3-2。表3-2 造 渣 剂 及 炉 衬 成分成分/%CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3CaF2P2O5SCO2H2O烧减石灰91.01.501.601.500.500.100.063.640.10矿石1.05.610.521.1061.8FeO=29.40.070.50轻烧白云石50.150.4641.80.746.85炉衬1.00.9279.80.281.60C=16.4为保护环境，现在转炉不再采用萤石造渣，可采用铁矾土，铁矾土加入量为铁水量的0.50%。 铁矾土成分CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3P2O5STiO27.228.62.0148.9911.390.060.061.69（1） 冶炼钢种及成分。见表3-3。 表3-3 钢种成分元素CSiMnPS钢种235/%0.14-0.220.12-0.300.3-0.70.0450.045（2） 铁合金成分。见表3-4。 表3-4 铁合金成分元素CSiMnPSFe硅铁/%-700.70.050.0429.21锰铁/%7.5205750.380.0314.59铁合金中的元素收得率：Mn的收得率为80%，Si的收得率为75%，C的收得率为90%，其中10%的C被氧化成CO2。P,S,Fe全部进入钢中。（3） 操作实测数据。见表3-5表3-5 实测数据 名称参数名称参数终渣碱度R=%CaO/% SiO2喷溅损失为铁水量的（0.10.3）%，取0.2%计算铁矾土加入量为铁水量的0.50%渣中铁损（铁珠）为渣量的（12.5）%，取2.5%计算矿石加入量为铁水量的1.0%氧气纯度99.5% O2,0.5% N2炉衬侵蚀量为铁水量的（0.10.3）%，取0.1%计算炉气中自由氧含量为炉气体积的0.5%终渣T.Fe含量取13%计算，其中炉渣中的(%FeO)=1.35(%Fe2O3) 气化脱硫量占总去硫量的1/3烟尘量为铁水量的（1.31.5）%，取1.5%计算 （其中FeO为75%，Fe2O3为20%）金属中C的氧化80%85%的C氧化成CO, 取80%计算，则20%的C氧化成CO23.1.2计算过程（以100kg铁水为基础）（1）炉渣量及成分。炉渣来自金属料元素氧化和还原的产物，加入的造渣剂以及炉衬侵蚀等。铁水中各元素氧化量。终点钢水的成分根据同类转炉冶炼Q235钢种的实际数据选取。其中，C：根据冶炼钢种含碳量和与估计的脱氧剂的增碳量来确定终点钢水含碳量，去0.10%；Si：在碱性氧气转炉炼钢法中，铁水中的硅几乎全部被氧化进入炉渣；Mn：终点钢水残锰量，一般为铁水中锰含量的50%60%，取50%；P：采用低磷铁水操作，铁水中磷约85%95%氧化进入炉渣，在此取脱磷率为90%；S：采用预处理脱硫的铁水的物料平衡计算，原料中的硫全进入钢水中。 铁水中各元素氧化量见表3-6。 表3-6 100kg铁水各元素氧化量元素/kgCSiMnPS合计铁水/kg4.100.350.420.0640.01终点钢水kg0.10痕迹0.210.00640.01氧化量/kg4.00.350.210.057604.566其中，氧化成CO的C质量为4.080%=3.2kg，氧化成CO2的C质量为4.0*20%=0.8kg。铁水中各元素氧化耗氧量及氧化产物量。见表3-7。表3-7 铁水中元素的氧化耗氧量及氧化产物量元素反应产物耗氧量/kg产物量/kg备注CCCO3.2*16/12=4.26673.2*28/12=7.467进入炉气CCO20.8*32/12=2.13330.8*44/12=2.933进入炉气SiSi（SiO2）0.35*32/28=0.40.35*60/28=0.75进入炉渣MnMn（MnO）0.21*16/55=0.06110.21*71/55=0.271进入炉渣PP（P2O5）0.0576*80/62=0.0740.0576*142/62=0.132进入炉渣FeFe(FeO)0.0990.572 见表3-8FeFe2O30.1270.424 见表3-8合计7.161 造渣剂加入量及其各组元质量。A矿石，炉衬带入的各组元质量。由矿石，炉衬侵蚀量和其中各组元的成分可计算出各组元的质量，见表1-8,1-9。炉衬中C的氧化耗氧量为0.116.4%（1680%/12+3220%/12）=0.026Kg. B轻烧白云石。为了提高炉衬寿命，在加入石灰造渣的同时，添加轻烧白云石造渣，其目的是提高炉渣中MgO的含量，有利于提高炉衬寿命。渣中MgO含量在6%10%时效果较好。经试算后轻烧白云石加入量为1.0kg/100Kg铁水。其各组元质量见表1-8，1-9。其中的烧减为（MgCO3CaCO3）分解产生的CO2质量。C 炉渣碱度和石灰加入量。根据铁水的P、S含量，取终渣碱度R=2.5。未计石灰带入的SiO2量时，渣中现有的SiO2量为（见表1-7和表1-8）： （SiO2）=(SiO2)铁水+(SiO2)炉衬+ (SiO2)矿石 +(SiO2)轻白+(SiO2)铁矾土 = 0.75+0.001+0.056+0.005+0.143 =0.955kg渣中现有的CaO的量为：（CaO）=(CaO)炉衬+(CaO)矿石+(CaO)轻白+(CaO)铁矾土 =0.001+0.010+0.502 +0.036 =0.549kg则石灰加入量为： W石灰=R（SiO2）-(CaO)/(%CaO)石灰-R(%SiO2)石灰 =2.5*0.955-0.549/91.0%-2.5*1.5% =2.107 kg石灰带入的各组元质量见表3-7和表3-8。 终渣T.%Fe的确定。终渣中T.%Fe与终点碳含量和终渣碱度有关,根据生产数据,终渣T.%Fe取13%计算,渣中存在着(FeO)和(Fe2O3),按照(%FeO)=1.35(%Fe2O3)和T.%Fe=56(%FeO)/72+112(%Fe2O3)/160的关系,求得(FeO)= 10.03 % 和(Fe2O3)= 7.43 %.终渣量及成分。终渣量及成分列于表3-8。表中的FeO和Fe2O3 质量计算过程如下。 不计(FeO) 和(Fe2O3)在内的炉渣质量为WS=CaO+MgO+SiO2+Al2O3+MnO+P2O5+TiO2 =2.466+0.547+0.986+0.295+0.271+0.134+0.008 =4.708kg表3-8 终渣量及成分组元产物量/kg石灰/kg矿石/kg轻白/kg炉衬/kg铁矾土/kg合计/kg比例/%CaO1.9180.0100.502 0.0010.0362.46643.232MgO0.0340.0050.418 0.0800.0100.5479.589SiO20.750 0.0320.0560.005 0.0010.1430.98617.289Al2O30.0320.0110.007 0.00030.2450.2955.176MnO0.271 0.2714.751P2O50.132 0.0020.00030.1342.356TiO20.0080.00810.029FeO0.572 0.5727.429Fe2O30.367 0.0570.4240.148合计5.704100.000 注：造渣剂中的FeO、Fe2O3被还原成铁进入钢中，带入的氧消耗于元素氧化 那么,总渣量为WS=4.433/（100%-10.03%-7.43%）=5.704Kg,(FeO)的质量=5.704*10.03%=0.572Kg,其中铁=0.57256/72=0.445Kg,(Fe2O3)重量=5.704*7.43%=0.424Kg,其中铁=0.424112/160=0.297Kg.将FeO和Fe2O3质量记入表1-7。（2）矿石，烟尘中的铁及氧量。假定矿石中的FeO,Fe2O3全部被还原成铁，则矿石带入铁量=1.00（29.4%56/72+61.8%112/160）=0.661Kg 烟尘带入铁量=1.50（75.00%56/72+20.00%112/160）=1.085Kg 矿石带入氧量=1.00（29.4%16/72+61.8%48/160）=0.251Kg 烟尘消耗氧量=1.50（75.00%16/72+20.00%48/160）=0.340Kg 其他造渣剂的Fe2O3带入的铁量和氧量忽略不计。 （3）炉气成分，质量及体积。当前炉气体积V1。由元素氧化和造渣剂带入的气体质量见表3-9。 表3-9 气体来源及质量、体积来源铁水/kg炉衬/kg轻烧白云石/kg石灰/kg矿石/kg合计/kg体积/m3CO7.4670.0317.4975.998CO22.9330.0120.0690.0773.0911.573H2O0.0020.0050.0070.009合计V1=7.580*：气体体积=气体质量*22.4/气体分子量当前氧气消耗质量及体积。当前氧气消耗质量见表3-10。 表 3-10 氧气消耗质量元素氧化烟尘铁氧化炉衬碳氧化矿石带入氧合计耗氧量/kg7.1610.340.026-0.2517.277 则当前氧气消耗的体积VO2=7.27722.4/32=5.094 m3.炉气总体积Vg,炉气总体积为： Vg=元素氧化生成的体积+水蒸气的体积+炉气中自由氧的体积+炉气中氮气体积 即 Vg=V1+O2炉气Vg+VO2+O2炉气VgN2氧气/O2氧气式中 O2炉气-炉气中自由氧含量，0.5%； N2氧气-氧气中氮气成分； O2氧气-氧气中氧气成分。整理得 ： Vg= =7.580+5.094*0.5%/99.5%/1-0.5%-0.5%*0.5%/99.5% =7.644 m3炉气中自由氧体积及质量： Vf=0.5%7.644=0.038 m3，Wf=320.038/22.4=0.055 Kg炉气中氮气体积及质量： VN2=(5.094+0.038)0.5%/99.5%=0.026 m3 WN2=280.026/22.4=0.032 Kg 炉气中各组元成分的质量和体积见表3-11。表3-11 炉气组元的质量和体积炉气组元COCO2O2N2H2O合计质量/kg7.497 3.091 0.055 0.032 0.007 10.682 体积/m35.998 1.573 0.038 0.026 0.009 7.644 体积百分数/%78.464 20.583 0.500 0.337 0.116 100.000 （4）总氧气消耗量及体积WO2=7.644 +0.055 +0.032 =7.363 kgVO2=22.4*(7.644+0.055)/32+22.40.032/28=5.154 m3（5）钢水质量Wm。在吹炼中铁水的各项损失见表3-12。表3-12 吹炼中铁水的各项损失吹损元素氧化烟尘铁损渣中铁珠喷溅铁损矿石带入铁合计质量/kg5.3081.0850.1430.200(0.661)6.074则钢水质量Wm为： Wm=100.00-6.074=93.926 Kg钢水收得率为93.926 %。（6）未加废钢时的物料平衡3-13。表3-13 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100.000 89.229 钢水93.926 83.747 石灰2.107 1.880 炉渣5.704 5.086 铁矾土0.500 0.446 炉气10.682 9.524 轻烧白云石1.000 0.892 喷溅0.200 0.178 矿石1.000 0.892 烟尘1.500 1.337 炉衬0.100 0.089 渣中铁珠0.143 0.127 氧气7.363 6.570 合计112.071 100.000 合计112.155 100.0计算误差=|112.071-112.155|/112.071100%=0.075%。3.2 热平衡计算3.2.1基本数据（1）物料平均热容及其熔化潜热表3-14 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)0.7450.6991.0451.0470.996-熔化潜热/(KJ/kg)218272209209209-液态或气态平均热容/(KJ/(kg.K)0.8370.8371.248-1.137（2）入炉物料及产物的温度。见表3-15。 表3-15 入炉物料及产物的温度名称入炉物料产物铁水废钢其他原料炉渣炉气烟尘温度/13002525比出钢温度高10度14501450（3）溶入铁液中元素对铁熔点的降低值。见表3-16 表3-16 溶入铁液中元素对铁熔点的降低值元素CSiMnPS溶入元素使铁熔点的降低值6570808590100853025使用含量范围/%100t时，取38min,六 、转炉平均出钢量GG=Wm/m=824.7423*104/24897=331.2617吨 根据转炉公称容量系列表可知，取转炉的公称容量为300t，最大出钢量为320t。七、转炉氧枪设计 7.1 氧枪喷头设计（1）氧流量或供氧强度 O2 m3/min =48.928* 3312617/20=810.399 m3/min VO2吨钢耗氧量，由物料平衡与热平衡计算中求得（见总物料平衡表）VO2= 6.669 *1000/95.406 *22.4/32= 48.928m3/t。 O2吹氧时间，min，当转炉容量100t，取20min。（2）喷孔出口马赫数Ma。喷孔出口的马赫数的大小决定了喷孔氧气出口速度，也决定了氧气射流对熔池的冲击搅拌能力，目前国内外氧枪喷孔出口马赫数多在 1.952.20之间。大转炉、喷头口数多，可取上限。取Ma=2.20。 （3）炉膛压力与设计工况氧压P0。炉膛压力指氧枪喷头在炉膛内的环境压力。在设计中，常不考虑泡沫渣对喷头施加的压力，而只考虑炉膛炉气压力。一般炉膛压力可选为0.990.102MPa，且选取喷孔出口压力等于炉膛压力。炉膛压力取=0.102MPa。设计工况氧压又称理论计算氧压，它是喷头出口处的氧气压力，在忽略流动过程中的压力损失时，它近似等于氧气的滞止压力。由选定的喷孔出口马赫数和出口压力Pe，利用可压缩气体等熵流公式，可计算出 设计工况氧压P0 式中氧气的热容比，k=1.4。整理得 =0.1021+0.2*（2.2）= 1.091 MPa （4）喷孔夹角与喷孔间距。喷孔夹角指喷孔中心线和喷头中轴线之间的夹角，其大小影响氧气射流对熔池的冲击半径和各氧气流股之间的相互作用。喷孔夹角和喷头孔数之间关系如下表所示。 表 7-1 喷头孔数与喷孔夹角的关系孔数3456夹角911101313151517 喷孔间距指喷孔出口中心点与喷头中轴线之间的距离。若喷孔间距过小，各氧气射流之间相互吸引，射流向中心偏移，从而使造成射流中心速度衰减过快。为避免这种现象，喷头设计原则上尽可能增大喷孔间距，而不应轻易增大喷孔夹角。但增大喷孔间距又往往受到喷头尺寸的限制。根据三孔喷头冷态测定结果，在喷头端面，当喷孔间距保持在（0.81.0）de（喷孔出口直径）时，喷孔间距不会对射流的速度衰减产生明显影响。 取孔数为6孔，夹角15g（5）喷孔形状及尺寸。目前氧枪喷头的喷孔形状基本上都采用拉瓦尔喷孔。它由受缩段、喉口和扩张段组成。为了便于加工制造，一般将拉瓦尔喷孔的受缩段和扩张段设计成截圆锥体形。喉口直径d*及喉口长度。喉口直径可根据流过喷头的氧气流量Q来计算。设喷头孔数为n=6，则流过单个喷孔的氧气流量q 为： =810.399/6= 135.066 m3/min根据可压缩气体等熵流理论，并考虑氧气的实际流动，则喉口直径的计算式为 =0.041 m式中 T0氧气的滞止温度，K，T0=273+（3040）,取T0=313 K ； CD喷头流量系数，对于单孔喷头CD=0.950.96，多孔喷头 CD=0.900.96，取CD=0.93； P0氧气的滞止压力即设计工况氧压，Pa。 喉口长度的作用是稳定气流，还可以使收缩段和扩张段加工方便。一般喉口长度=510 mm较为合适，取=8 mm。 收缩段长度了及入口直径。收缩段长度一般为=（0.81.5）d*。收缩段半锥角一般为1823，可允许达到30。根据这两个参数和喉口直径，收缩段入口处的直径d1为 取 =1.0*d*=0.041 m，=30，则 =0.041+2*0.041*lg30= 0.088 m 喷孔出口直径及扩张段长度。喷孔出口马赫数Ma和喉口直径确定后，喷孔出口直径 =0.058 m扩张段长度可由下式计算 =（1.21.5）取=1.5*=1.48*0.058=0.086 m（6）喷头氧气进口直径。喷头氧气进口直径可根据总喉口直径计算 =（1.52.0）总喉口直径由下式计算 =0.1 m 取=1.76=1.76*0.1=0.176 m计算得到的喷头进口直径还应与氧枪枪身内层管直径比较，作适当调整。7.2氧枪枪身设计氧枪枪身由三层同心的无缝钢管组成，内层管通氧气，内管与中层管的环缝是冷却水的进水通道，中层管和外层管之间的环缝是出水通道。枪身的三层管通过全焊接法或焊接加丝扣连接法与喷头连接在一起。（1）内层管直径。氧气在内层管的流一般为4060m/s，我国推荐设计最大流速不超过50m/s。取=50 m/s 若流速高，管径小，则阻力损失增大。内层的直径通常等于或略大于喷头氧气进口直径，其计算公式为 m2 =1*105*810.399 /60/（1.091*106 *50）= 0.024 m2 = = 0.176 m式中 A1-内层管截面积，m2; Patm-绝对标准大气压，Patm=1105Pa; P0-设计工况氧压，Pa; Q-氧气流量，m3/s。内壁厚D1一般为45mm。取D1=9mm，计算出内层管的内径后，其外径应按国家钢管产品目录的尺寸选择相近的尺寸。 内层管外径按国家标准取=+2*D1=176+2*9=194mm，（级差0.5）（2）中层管直径。冷却水从中层管内侧进入，经喷头顶部转180弯后经中层管外侧流出。中层管的内径应保持中层管与内层管之间的环缝有足够的流通截面积，以通过一定流速和足够水量的冷却水，使喷头和枪体得到良好的冷却。不同容量的转炉其氧气枪冷却水进口流量如表35所示。 表7-2 不同容量转炉氧枪冷却水流量转炉容量/t 30 50 120 150 200 300高压冷却水流量/(t/h)55607080 100120 140160 180220 250300中层管内径计算公式为 =300/3600/5=0.017 m2 =0.243 m式中-冷却水进口流量，m3/s； -中层管内侧冷却水流速，m/s，一般取5m/s; -内层管外径，m； -进水环缝截面积，m2 。中层管厚度一般为46mm，取15mmm。同样要按产品目录确定中层外径。按国家标准选取 D20=+2*D1=243+15*2=273 mm ，则中层管壁厚为13mm，（级差1.0）中层管除控制进水流速外，还要控制其端