炼钢设计开题报告

河北联合大学轻工学院河北联合大学轻工学院 本科生毕业设计开题报告本科生毕业设计开题报告 题题 目 目 设计一座公称容量为设计一座公称容量为 150t 2 的氧气转的氧气转 炉炼钢车间 产品自定炉炼钢车间 产品自定 学学 部 部 材料化工部材料化工部 专专 业 业 冶金工程冶金工程 班班 级 级 姓姓 名 名 学学 号 号 指导教师 指导教师 2012 年年 03 月月 19 日日 一 一 一选题背景一选题背景 1 题目来源 本设计题目是由艾立群老师根据目前我国转炉炼钢生产车间的典型规模进行精 心选题安排 意在将我们学生四年的学习的基础和专业知识加以综合运用 培养我 们都动手动脑能力 并结合现有先进技术 对钢铁企业炼钢生产工艺车间工艺布置 及主体设备进行设计和计算 从而对钢铁生产过程具有更加深刻的理解 为我们以 后在钢厂打下良好的基础 2 炼钢设计的意义及目的 1 1 钢铁工业在国民生产中的地位 钢铁是用途最广泛金属材料 人类使用的金属中 钢铁占 90 以上 人们的生 活离不开钢铁 人们从事生产或其他生活所用的工具和设施也都要使用钢铁 钢铁 产量往往是衡量一个国家工业水平和生产能力的重要标志 钢铁的质量和品种对国 名经济的其他工业部门产品的质量都有极大的影响 世界经济发展到今天的水平 钢铁作为最重要的基础材料之一的地位依然未受 到根本性影响 而且在可以预见的范围内 这个地位也不会因世界新技术和新材料 的进步而消弱 纵观世界的主要发达国家的经济发展史 不难看出钢铁材料工业的 发展在美国 前苏联 日本 英国 德国 法国等国家的经济发展中都起到了决定 性作用 这些国家和地区钢铁工业的迅速发展和壮大对于推动其汽车 造船 机械 电器等工业的发展和经济腾飞都发挥了至关重要的作用 现在钢铁工业是个庞大的工业生产系统 主要生产部门包括采矿 选矿 烧结 球团 炼铁 炼钢 轧钢等 也包括大量的辅助生产部门 如焦化 耐火材料 石 灰 铁合金 机修 动力运输等 而且还包括专门以钢铁工业为工作和研究对象的 大专院校 科学研究 经济信息 营销机构 地质勘探等部门 3 转炉炼钢的发展历程 早期 在 1856 年德国人贝斯麦就发明了底吹酸性转炉炼钢法 这种方法是近 代炼钢法的开端 它为人类生产了大量廉价钢 促进了欧洲的工业革命 但由于此 法不能去除 S 和 P 因而其发展受到了限制 1879 年出现了托马斯底吹碱性转炉炼 钢法 它使用带有碱性炉衬的转炉来处理高磷生铁 虽然转炉法可以大量生产钢 但它对生铁成分有着较严格的要求 而且一般不能多用废钢 随着工业的进一步发 展 废钢越来越多 在酸性转炉炼钢法发明不到十年 法国人马丁利用蓄热原理 在 1864 年创立了平炉炼钢法 1880 年出现了碱性平炉 平炉炼钢法对原料的要求 不那么严格 容量大 生产的品种多 所以不到 20 年它就成为世界上主要的炼钢 方法 直到 20 世纪 50 年代 在世界钢产量中 约 85 是平炉炼出来的 1952 年在 奥地利出现纯氧顶吹转炉 它解决了钢中氮和其他有害杂质的含量问题 使质量接 近平炉钢 同时减少了随废气 当用普通空气吹炼时 空气含 79 无用的氮 损失 的热量 可以吹炼温度较低的平炉生铁 因而节省了高炉的焦炭耗量 且能使用更 多的废钢 由于转炉炼钢速度快 炼一炉钢约 10min 而平炉则需 7h 负能炼钢 节约能源 故转炉炼钢成为当代炼钢的主流 中期 其实 130 年前贝斯麦发明底吹空气炼钢法时 就提出了利用氧气炼钢的 设想 但受当时条件的限制没能实现 直到 20 世纪 50 年代初 奥地利的 Voest Alpine 公司才将氧气炼钢用于工业生产 从而诞生了氧气顶吹转炉 亦称 LD 转炉 底吹转炉问世后 其发展速度非常快 到 1968 年出现氧气底吹法时 全世界顶吹 法产钢能力已达 2 6 亿 t 占绝对垄断地位 1970 年后 由于发明了用碳氢化合物 保护的双层套管式底吹氧枪而出现了底吹法 各种类型的底吹法转炉 如 OBM Q BOP LSW 等 在实际生产中显示出许多优于顶吹转炉之处 使一直居于首位的顶吹 法受到挑战和冲击 顶吹法的特点决定了它具有渣中含铁高 钢水含氧高 废气铁尘损失大和冶炼 超低碳钢困难等缺点 而底吹法则在很大程度上能克服这些缺点 但由于底吹法用 碳氢化合物冷却喷嘴 钢水含氢量高 需在停吹后喷吹惰性气体进行清洗 基于以 上两种方法在冶金学上显示出的明显差别 故在 20 世纪 70 年代以后 国外许多国 家着手研究结合两种方法优点的顶底复吹冶炼法 继奥地利人 Dr Eduard 等于 1973 年研究转炉顶底复吹炼钢后 世界各国普遍开展了转炉复吹的研究工作 出现了各 种类型的复吹转炉 到 20 世纪 80 年代初开始正式用于生产 由于它比顶吹和底吹 法都更优越 加上转炉复吹现场改造比较容易 使之几年时间就在全世界范围内得 到普遍应用 有的国家 如日本 已基本上淘汰了单纯的顶吹转炉 目前复吹转炉大都是在顶吹基础上加上各自不同的底吹方法构成的 这些复吹 方法大致可以分为以下三类 1 用惰性气体搅拌熔池 所用气体主要为 N2 Ar 和 CO2 如 LD KG LD OTB LD AB 方法采用小直径多管供气 而 LBE 法则采用透气 砖供气 2 从炉底吹入部分氧或其他氧化性气体来搅拌熔池 当顶吹用氧时 不 论是纯氧 氮与氧混合物或是空气 都需要采用双层套管喷嘴 使氧流得到遮盖以 保护炉底耐火材料 通常中心管通 O2 及 CO2 外管遮盖气体用 CO2 N2 或 Ar 或 者用天然气 这种底吹方法如 DSC BAP LD OB LD HC STB 等 3 除炉底供一 部分氧外 还顶吹石灰粉等造渣剂 如 K BOP 法等 现在 氧气转炉炼钢从顶吹发展到顶底复吹经历了 30 多年 现已成世界上主 要的炼钢方法 目前转炉钢的比例已达到 70 以上 传统的转炉炼钢过程是将高炉 来的铁水经混铁炉混匀后兑入转炉 并按一定比例装入废钢 然后降下水冷氧枪以 一定的供氧 枪位和造渣制度吹氧冶炼 当达到吹炼终点时 提枪倒炉 测温和取 样化验成分 如钢水温度和成分达到目标值范围就出钢 否则 降下氧枪进行再吹 在出钢过程中 向钢包中加入脱氧剂和铁合金进行脱氧 合金化 然后 钢水送模 铸场或连铸车间铸锭 近年来 用户对钢材性能和质量的要求越来越高 钢材的应用范围越来越宽广 同时钢铁生产企业也对提高产品产量和质量 扩大品种 节约能源和降低成本越来 越重视 在这种情况下 转炉生产工艺流程发生了很大变化 铁水预处理 复吹转 炉 炉外精选 连铸技术的发展 打破了传统的转炉炼钢模式 目前由单纯用转炉 冶炼发展为铁水预处理 复吹转炉吹炼 炉外精料 连铸这一新的工艺流程 这一流程以设备大型化 现代化和连续化为特点 氧气转炉已由原来的主导地位变 为新流程的一个环节 主要承担钢水脱碳和升温的任务了 4 钢铁工业的发展前景 随着社会发展和科技进步 钢铁工业市场竞争已经不仅仅是价格 质量的竞争 而是包括价格 成本 质量 品种 资本回收时间 产品供货速度 过程服务 环境 友好等多方面 多因素的综合竞争 不容置疑的是 钢铁生产采用先进的工艺和设 备 实现低成本 高质量 低消耗 多品种 少污染 高劳动生产率 不但是我国 钢铁工业实现可持续发展走向钢铁强国的必由之路 也是我国钢铁企业在激烈的国 内外市场竞争中取得成功的必要条件 基于上述现状和社会要求 现代钢铁厂设计的目的主要是建设新的生产厂 扩 建或改建旧有企业使之更适应国民经济发展的需要 提高产量 质量 减少原材料 的消耗 改善生产环境 健身生态化的钢铁企业已经成为各国实现可持续发展的重要举措 加拿大美国 等国家从二十世纪九十年代就开始规划建设生态工业示范园区 丹麦的卡伦堡生态 工业区是目前国际上最成功的生态工业园区 纵观包括我国在内的各国时间可以看 出 建设生态化钢铁企业不但可降低能源和资源消耗 减轻大气环境负荷 而且还 可提高整个企业利润水平 因此 建设生态化的钢铁企业 是我国钢铁工业实现可 持续发展 走向钢铁强国的必由之路 二 二 设计方案设计方案 2 1 车间生产规模 转炉容量及座数 产品方案的确定 选定 150t 转炉 2 座 按照 2 吹 2 方式生产 平均冶炼周期取 42min 连铸坯收得率取 98 转炉年作业天数取 290 天 则 转炉作业率 79 5 0 0 100 日历天数 转炉作业天数 0 0 100 365 290 年出钢炉数 19897 炉 42 6024 5 793652 每天出钢炉数 68 炉 290 19897 车间年产量 150 19897 t 年产合格钢坯 98 t 则该车间年产合格钢坯约 300 万吨 主要生产低碳钢 全部为薄板坯 连铸连轧 2 2 炼钢车间各主要系统方案的确定 2 2 1 铁水供应系统 铁水供应方式有混铁炉 混铁车和铁水罐三种供应方式 本设计选取铁水罐供应铁水系统 铁水罐供应铁水优点 搅拌条件好 扒渣方便 比较适合于铁水预处理采用 所以 新建转炉车间提倡采用大容量铁水罐供应铁水 供应铁水的过程是 高炉 铁水罐 转炉 2 2 2 铁水预处理系统 本设计在铁水预处理站的主要任务是进行铁水预脱硫处理 选用铁水罐喷吹 法 镁粒 对铁水进行预脱硫处理 2 2 3 废钢供应系统 本设计中废钢供应系统中废钢间的布置方式采用设立单独的废钢间的布置方 式 按照情种类型不同分类堆放 用磁盘吊车向废钢斗装入废钢 然后用热力或电 力料斗平车运送废钢料斗到加料跨 2 24 散状料供应系统 散状料是指炼钢过程中使用的造渣材料和冷却剂等 散状料供应系统包括散状 料堆场 地面料仓 由地面料仓向炉上高位料仓的运输提升设备 高位料仓 给料 及称重装置和加料设备等 为了保证及时而准确地加入各种料 给料称量和加料操 作都由转炉主控室控制 大型转炉为了加料的均匀性 一般采用从转炉两侧加料方 式 2 2 5 铁合金供应系统 本设计的转炉车间为大型转炉车间 所以采用全皮带上料系统 2 2 6 烟气净化和回收系统 1 转炉烟气净化处理方法 1 按吸入的气体量的多少主要分两类 1 燃烧法 将含有大量 CO 的炉气在出炉口进入除尘系统时与大量空气混合 使之完全燃 烧 燃烧后的烟气经过冷却和除尘后排放到大气中去 2 未燃法 炉气出炉口后通过降下活动烟罩缩小烟罩与炉口间的缝隙 并采取其它措施控 制系统吸入少量空气 使炉气中的 CO 只有少量燃烧成 CO2 绝大部分不燃烧烟气成 分主要是 CO 然后经冷却和除尘后将煤气回收利用 未然法除尘设备体积小 投资费用低 需要的厂房高度低 在能源利用方面 未然法可以回收煤气节省大量资源 未然法烟尘中 FeO 含量高 FeO 具有颗粒打容 易捕集的特性 因此除尘效率高 通过研究比较本设计采用未燃法 2 在操作工艺上分为全湿法 干湿结合法和全干法三种 1 全湿法 烟气进入第一级净化设备即与水相遇 叫全湿法除尘 全湿法除尘系统有双 塔一级文氏管 两级文氏管式 虽然形式不一样 但整个除尘系统都是采用喷水的 方式来达到降低烟气温度和除尘的目的 这种系统耗水量大 且需要有处理大量的 泥浆的设备 2 干湿结合法 烟气进入次级净化设备才与水相遇 叫干湿结合法除尘系统 前者采用旋风 除尘器 后者采用文氏管除尘 这是部分小型转炉曾用过的一种除尘方式 新建转 炉基本上不采用 3 全干法 净化过程中烟气完全不与水相遇 叫全干法除尘系统 通过比较本设计采用全湿法 2 烟气净化系统 烟气净化系统可概括为收集与疏导 降温与净化 抽引与放散三部分 1 烟罩 未燃法烟气净化系统中烟罩由固定烟罩和活动烟罩两部分组成 二者之间用 水封连接 固定烟罩与烟道连接 而活动烟罩可上下升降 其主要作用是使转炉烟 气顺利的进入烟罩并能很好地控制吸入的空气量 以提高回收煤气的质量 活动烟 罩按照结构不同分为单烟罩和双烟罩两种 单烟罩又有死循环式和敞口式之分 因本设计中控制炉口 本设计选用敞口式活动单烟罩与之配合以提高煤气质 量 活动烟罩冷却一般采用排管式或者外淋式水冷 本设计采用矩形无缝钢管拼 焊水冷活动烟罩 3 车间除尘 新型氧气转炉炼钢车间除专门设置转炉烟气净化设备外 还要对车间各个产 生烟气和粉尘的场合设置相应的除尘设备进行除尘以净化整个车间环境 又称二次 除尘 可分为局部除尘和厂房除尘 局部除尘常用的有干法布袋除尘器和旋风除尘 器 厂房除尘要求厂方上部为密封结构 其天窗部分作为排烟吸引部 经过局部除 尘和厂房除尘二者结合 可大大改善车间内的作业环境 2 2 7 炉外精炼系统 炉外精炼也称二次精炼或钢包冶金 它是提高冶金产品质量 扩大品种的重要手段 是优化冶金生产工艺流程 进一步提高生产率 节能降耗 降低生产成本的有利手 段 是保证炼钢 连铸 铸坯热送和直接轧制高温连接的必要工艺手段 是现代化 冶金生产中不可缺少的生产环节 炉外精炼的手段有 渣洗 真空 搅拌 加热 喷吹五种 另有过滤手段尚在研究 之中 目前的炉外精炼的方法主要有以下几种 1 渣洗 获得洁净钢并能适当进行脱氧 脱硫和去除夹杂物的最简便的精炼手段 将事先配 好的合成渣倒入钢包内 借出钢时钢流的冲击作用 使钢液与合成渣充分混合 从 而完成脱氧 脱硫和去除夹杂物等精炼任务 有异炉渣洗 同炉渣洗 混合炼钢三 种工艺 具有这种功能的精炼方法有 CAB CAS TN GRAF VSR 2 真空 将钢液置于真空室内 由于真空作用使反应向生成气相方向移动 达到脱气 脱氧 脱碳等目的 真空是炉外精炼中应用最广泛的一种手段 属于这类精练方法的有 真空浇注 又称 倒包法 又称 SLD 出钢过程中的真空脱气法 简称 TD 法 芬克尔法 又称 VD 法 ISLD 法 VSR 法 Fink 法 DH 法 RH 法 PM 法 LF VD 法 VOD 法 VAD 法 ASEA SKF 法 3 搅拌 通过搅拌扩大反应界面 加速反应物质的传递过程 提高反应速度 搅拌方法有吹 气搅拌和电磁搅拌 属于这类精练方法的有 CAB Finkl 法 CAS TN WF LF VD 法 VOD 法 VAD 法 ASEA SKF 法 DH 法 VD 法 4 加热 调节钢液温度的一项重要手段 使炼钢与连铸更好的衔接 加热方法有电弧加热法 和化学加热法 属于这一类的精炼方法有 VAD 法 ASEA SKF 法 GRAF LF VD 5 喷吹 用气体作载体将反应剂加入金属液内的一种手段 喷吹的冶金功能取决于精炼的种 类 它能完成不同程度的脱氧 脱硫 合金化和控制夹杂物形态等精炼任务 目前生产中应用的炉外精炼设备大体上有三种类型 钢包 转炉型容器 专用设备 钢包是炉外精炼应用最广泛的一种设备 大多数真空脱气装置和钢包炉都采用钢包 转炉型处理容器主要用于处理超低碳钢和高铬低碳合金 专用设备具有专门的精炼 功能 用于特殊的处理目的如喷射冶金的 TN 法和 SL 法 现代炼钢车间不仅有作为初炼炉的转炉 还包括有可提供一种或多种精炼功能的炉 外处理设备组成完善的炼钢生产工艺优化系统 初炼炉和炉外处理设备的选择和组 合应该能保证对钢液进行最佳的精炼处理 使最后的产品达到所要求的最大限度纯 净度 符合不同品种的质量要求和提高钢液的可浇性 并且在生产率 节能和降低 原材料消耗方面获得良好的社会效益 基于以上原则 本设计中转炉的产品定位在板坯上 考虑到品种开发和以后的趋势 采用一座 CAS OB 和一座 RH 精炼 并设钢包在线吹氩 以满足不同钢种的需 要 CAS 具备在线和离线两种处理方式 2 2 8 浇注系统 炼钢车间的浇注系统分为纵向车铸炼钢车间 横向车铸炼钢车间和全连铸车间 三种 连铸机的分类 按结构外形可将连铸机分为立式连铸机 立弯式连铸机 带直线段弧形连 铸机 弧形连铸机 多半径椭圆形连铸机和水平连铸机 按连铸机所浇注的断面大小和外形分为板坯连铸机 小方坯连铸机 大方 坯连铸机 圆坯连铸机 异形断面连铸机和薄板坯连铸机 在连铸机的选取上 通过比较对各种形式连铸机的比较 带直线段的弧形连铸 机有利于非金属杂物的上浮 有利于特殊钢的浇铸 适用于浇铸板坯 所以本设计 选取 2 台连铸机 均为板坯连铸机 带直线段的弧形连铸机 同时采用结晶器电磁 搅拌系统 2 2 9 出渣系统 本设计采用滚筒水淬法处理转炉炼钢车间的钢渣 其设备主要有 炉渣运输系 统 渣罐 渣罐台车 天车 滚筒装置 滚筒 除尘风机 冷却水系统 供水泵 蓄水池 滚筒水淬法处理有明显的优越性 处理后渣子的稳定性好 粒度小而均匀 改 善环境污染 工程流程短 占地面积小等等 2 3 转炉车间类型及跨数的确定 通过以上对转炉车间各类型的比较 本设计式设计一座年产 300 万吨转炉车间 所以该转炉车间为大型转炉车间 主厂房的跨数选取以三跨为基础的多跨式转炉车间 转炉操作平台采用高架式车间设计方式 多跨式转炉车间中各跨分别为 渣处理跨 加料跨 炉子跨 精炼跨及钢水接 受跨 浇铸跨 出坯跨和铸坯精整跨 3 采取的方法与手段 通过查找与设计相关的参考资料来初步确定炼钢厂的设计方案 然后对方案进 行可行性研究 通过可行性研究改进设计方案中的不足与缺陷 最终确定出炼钢厂 设计的最终确定型方案 根据方案中对设计的要求查找资料 计算和选取以求出相 关设备的设计数据和设备参数 确定炼钢厂的平面布置 绘制其设计的工艺布置草 图 并绘制出最终