年产150万吨良坯氧气转炉炼钢车间设计说明书

华北理工大学轻工学院Qing毕业设计说明书设计题目:设计一座年产150万吨良坯氧气转炉炼钢车间学生姓名:马勇蕾学号:24090413专业班级:11冶金4班学部:材料化工部指导教师:贾雅楠06月01日摘要本设计为设计一座年产150万吨的氧气转炉炼钢车间,主要产品是低碳钢和薄板坯。设计包括车间生产规模,各主要系统,方案的选择和确定。车间主要设备的计算与确定,以及先进技术的选择和利用等。本设计的重点是车间的主要系统的方案确定。包括铁水供应系统,散装料供应系统,铁合金供应系统,铁水预处理系统,烟气净化系统,炉外精炼系统,浇注系统,炉渣处理系统等。这些方案都是经过比较而确定的较合理的设计方案,而且采用了国内外的先进技术。本设计主要包括转炉炉型计算、氧枪计算、烟气净化系统计算及选择、炉外精炼的设备选择、车间设备的计算以及各跨间的布置,还包括连铸生产能力和车间各部分的尺寸。另外本设计还采用了许多新技术,如:溅渣护炉技术、铁水镁基预脱硫技术等,这些技术均已达到国际先进水平。关键词:60吨氧气顶吹转炉;车间设计;系统。AbstractThisdesignisasteel-makingplantwithtwosetsofoxygenconvertersof200tons,whichcanproducethreepointfivemilliontonsofcastingblankperyear.Itconsistoftheplantscalechoosingandensuringmainsystem,thecalculationandensuringofthemainequipment,andalsoincludingsomenewtechnology.Theimportanceofthedesignisconformingthemainsystemoftheplant,includingthesystemmoltenironprovided,theprovidingsystemoflaxity,theprovidingsystemofferroalloy,pretreatmentofmolteniron,thecleaningsystem,thetreatmentsystemofslagandsoon.Comparedwithotherschemes,thesemethodsarequiteadaptabletothisdesignandtheyareadvancedtechnologiesintheworld.Thefollowingsaremainlyincludedinthedesign:thecalculationoftheconverter,thecalculationofoxygen-lance,thecalculationandselectionofflue-gascleaningsystem,thecalculationoftheworkshopequipmentandthearrangementofeachspan.What’smore,thedesignhasadoptedalotofnewtechnologiessuchas:slag-splashtoprotectthestove,moltenironpredesulphurizingbasedonmagnesiumandsoon.Thesetechnologiesareallreachedtheadvancedlevelintheworld. Keywords:BOFof60tons,convert,thecalculationoftheplantdesign,system目录摘要 IAbstract II第1章绪论 11.1钢铁工业在国民经济中的地位和作用 11.2炼钢工艺的发展及现状 11.3.本章小结 2第2章产品方案及金属料平衡估算 32.1产品大纲 32.2全厂金属料平衡估算 32.3技术可行性 4第3章转炉车间生产工艺流程 53.1设计原始条件 53.2生产工艺流程图 53.3本章小结 7第4章转炉炼钢的物料平衡和热平衡计算 84.1物料平衡计算 84.2热平衡计算 154.3本章小结 20第5章原料供应及铁水预处理方案 215.1原料供应 215.2铁水预处理方案 245.3本章小结 25第6章转炉座数及其年产量核算 266.1转炉容量和座数的确定 266.2车间生产能力的确定 266.3确定转炉座数并核算年产量 27第7章转炉炉型选型设计及相关参数计算 297.1转炉炉型设计 297.2转炉炉衬设计 327.3转炉炉体金属构件设计 33第8章转炉氧枪设计及相关参数计算 358.1氧枪喷头尺寸计算 358.260T转炉氧枪枪身尺寸计算 38第9章炉外精炼设备选型 419.1炉外精炼的功能 419.2LF精炼炉 419.3RH精炼炉 42第10章连铸机设备选型及相关参数确定 4310.1连铸机机型选择 4310.2连铸机主要参数的确定 4310.3连铸机生产能力的计算 46第11章烟气净化系统的选型及相关计算 5011.1转炉烟气净化与回收的意义 5011.2转炉烟气净化及回收系统 5011.3回收系统主要设备的设计和选择 5211.4计算资料综合 53第12章车间工艺布置方案 5412.1车间工艺布置方案 5412.2转炉跨布置 5412.3连铸各跨布置 5812.4装料跨布置 61结论 63参考文献 64谢辞 66第1章绪论1.1钢铁工业在国民经济中的地位和作用钢铁工业是国国民经济的支柱产业,是国民经济的中的主导产业。而钢铁材料是用途最广泛的金属材料,人类使用的金属中,钢铁占90%以上。人们生活离不开钢铁,人们从事生产或其它活动所用的工具和设施也都要使用钢铁材料。钢铁产量往往是衡量一个国家工业化水平和生产能力的重要标志,钢铁的质量和品种对国民经济的其它工业部门产品的质量,都有着极大的影响。世界经济发展到今天,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削弱。纵观世界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的腾飞都发挥了至关重要的作用。美国钢铁工业曾在20世纪70—80年代遭到来自日本为主的国外进口材料的冲击而受到重创,钢铁产品生产能力急剧下降,但经过十几年的改造和重建,终于在20世纪90年代中期恢复到其原有的钢铁生产规模,为其维持世界强国地位继续发挥着重要作用。由此可见钢铁工业在公民经济的重要作用,而且钢铁工业在整个国家的发展中都起着举足轻重的作用。1.2炼钢工艺的发展及现状展望21世纪,转炉炼钢技术的发展将会出现以下发展趋势。1.2.1合理优化工艺流程,形成紧凑式连续化的专业生产线发展目标:以产品为核心,将铁水预处理—转炉炼钢—炉外精炼—高效连铸—热送和热扎有机的结合起来,形成紧凑式的专业生产线。从铁水到成品钢材的生产周期缩短到2.5～3h,全员劳动生产率(不包括炼铁)将超过3000t/(人.a)。最近日本住友和歌山钢厂按上述原则建立起面向21世纪新型钢厂:实现了100%铁水”三脱”预处理;100%钢水真空精炼;100%连铸坯热送和冶炼周期20min等先进工艺措施。1.2.2转炉高速吹连炼工艺发展目标:建立一座转炉吹炼制,使一座转炉的产量达到传统两座转炉的生产能力。转炉冶炼周期缩短到20～25min,年产炉数≥15000炉,转炉炉龄≥15000炉。1.2.3节能和环境保护发展目标:转炉炼钢工序实现”负能”炼钢,工序能耗达到-10kg(标准煤)/t(按输出煤气折算)。减少炼钢全过程的炉渣量50%～60%,全部烟尘回收利用。现代转炉炼钢工艺的现状主要体现在:(1)转炉炼钢大型化,是转炉从诞生到成熟的标志;(2)转炉顶底复合吹炼工艺;(3)转炉长寿技术,溅渣护炉和炉体冷却技术的成熟都将提高转炉的炉龄。研究开发长寿命水冷烟罩、烟道等附属设备,实现转炉整体设备长寿化;(4)全自动转炉吹炼技术。1.2.4精炼和连铸方面主要体现精炼技术的发展在很大程度上大大增加了转炉冶炼钢种的数量,现有技术主要有LF、RH、CAS—OB、VOD、AOD等精炼技术;连续铸钢方面主要有高速连续浇注技术和漏钢预报装置,高拉速与连铸之间的矛盾是现在连铸工艺需要解决的方法。1.3.本章小结当前中国正处在发展中的关键阶段,国民经济实力需要大力提升,各个方面的硬件设施都需要大力完善,而钢铁行业在其中起着举足轻重的作用,例如在国民生产中就会大量的需要建筑材料,特种钢材等等。国民经济水平也需要钢铁行业来做有力的支撑。现在,中国的钢铁产量虽然居世界首位,可是我们还要每年从国外进口很多的钢材,这是由于中国的技术力量还达不到,生产不出某些高尖端的钢种,因此我们只能依靠到国外去进口,从这一角度来说中国虽然是一个钢铁大国,可是并不是一个钢铁强国,因此我们在修建钢铁厂的时候要注意加大高新技术的投入量,改进现有的设备和技术。做到科学合理布局,转炉炼钢,精练,连铸一体化,提高原材料使用率,降低能耗,减少污染,高效生产高质量钢材。第2章产品方案及金属料平衡估算2.1产品大纲本设计产品大纲的基本原则是:生产有竞争力的优势产品,坚决淘汰落后的产品。主要有碳素工具钢、碳素结构钢、轴承钢三大钢系。见表2-1。表2-1本设计钢厂生产钢种钢种钢号年产量/万t断面形状断面尺寸/mm×mm比例/%碳素工具钢T1010矩形400×40016.7T8Mn10矩形400×400碳素结构钢Q23540矩形400×40050.0Q27520方形200×1500轴承钢GCr1520方形200×150033.3GCr18Mo20方形200×15002.2全厂金属料平衡估算估算示意图:高炉产量高炉产量混铁车铁水预处理(99%)转炉3×60t(93%)废钢铁铁合金炉外精炼(96.7%)250×250、1800×200弧形连铸机(95.0%)热连轧机(92%)大方坯(75)小方坯(75)158.521.61.2177.6167.3156.8164.4150图2-1全厂金属平衡示意图(单位:万t)该图为本设计年产钢150万t转炉炼钢厂的模型,由于在冶炼过程中的生产工艺的不同,在各生产阶段的金属收得率不相同,同时还有一定量的金属流失而不可回收。生产过程中作为直接回收炉料的那一部分返回废钢为全部炉料的6.0%,它与成品量之比达7.9%,占钢水量的6.4%。因此,返回废钢的合理利用是钢厂配料的重要环节之一。总废钢比按钢水总量的18%计算为21.6万t。2.3技术可行性本设计最终是为了生产高附加值的钢材,那么就要对工艺技术采取优化。为了更好地生产大纲中所例产品,本设计考虑采用优质铁水、铁水预处理、转炉少渣冶炼、挡渣出钢、钢水多功能炉外精炼及钢水全过程保护浇铸先进工艺。在原来的基础上使其更优化,设计出适合本设计要求的技术方案。第3章转炉车间生产工艺流程3.1设计原始条件表3-1原始铁水成分元素CSiMnPS铁水成分/%3.2～4.00.65～0.900.45～0.530.27～0.320.02～0.05铁水温度:1285℃3.2生产工艺流程图3.2.1混铁车高炉铁水直接热装入转炉时有混铁炉和混铁车两种方式。考虑到投资占地方面,本设计中采用混铁车。因为其受铁口有盖,在运输过程中热损失较小。混铁车的结构如图,其形状可保证有较小的热损失。混铁车装有倾动机构,可使炉身转动向外倒铁,因此,不需建设专门的厂房,只需在主厂房内留出必要的倒铁水位置。其容量根据转炉容量而言,一般为转炉容量的整数倍,并与高炉出铁量相适应。3.2.2铁水预处理初脱Si、P、S分析本设计中铁水成分发现,铁水成分中Si、P含量较高,S含量较低。一般铁水中的硅含量为0.30%～0.60%,Si的氧势高于P的氧势,脱P前必须先脱Si。但铁水中的硅是炼钢中的一种很重要的热源,对增加废钢比很有利,充分利用其热能能够提高吨铁的钢产量。对硅含量要求不高的钢钟能够不考虑预处理脱硅,反之能够利用其有利优势增加废钢量。铁水磷含量偏高,能够在混铁车内喷吹生石灰类熔剂,进行脱磷反应。脱磷还能够在转炉吹炼时进一步脱除,即在铁水预处理时只需向混铁车内喷吹一定量的生石灰熔剂即可。本设计中铁水含S量在正常范围内,对于普通钢种对S要求不高能够免除铁水预处理脱S。对特殊钢而言则在预处理采用向混铁车内高速喷射CaO-Mg脱S粉剂,让其脱除,从而达到要求。3.2.3顶底复吹转炉顶底复吹转炉有良好的冶金效果,碳氧反应接近平衡,冶炼低碳钢时避免了钢水的过氧化,有良好的脱磷、脱硫能力,提高了终点残锰量。石灰单耗低,渣量少,铁水收得率高,吹炼平稳,喷溅少。为了大幅度提高转炉炉龄,采用复吹转炉溅渣护炉工艺技术:(1)采用高(FeO)炉渣溅渣工艺,注重对终渣(MgO)含量的调整;(2)前期用轻烧白云石造渣,控制过程渣(MgO)在6%～8%范围内(质量分数);(3)后期加入终渣改质剂采用高(MgO)炉渣操作工艺,炉渣改质后进行溅渣操作;(4)溅渣注重对炉形和炉底的控制,保持良好的炉膛内型形状。(5)控制好炉底,加强对炉底供气元件蘑菇头的维护和控制。采用上述溅渣工艺技术后,不但炉龄大幅度提高,而且底吹元件得到良好的维护。3.2.4随着现代科学技术的发展和工农业对钢材质量要求的提高,钢厂需要炉外精炼工艺,炉外精炼技术是一项提高产品质量,降低成本的先进技术,是现代化钢铁企业不可缺少的重要环节。它能够提高炼钢设备的生产能力,改进钢材质量,降低能耗,减少耐材、能源和铁合金消耗,从而提高企业的竞争力。LF炉精炼工艺要求尽快形成泡沫渣,实现埋弧精炼。出钢过程加精炼渣渣洗有利于快速成渣,缩短LF精炼造渣时间。LF泡沫渣的形成需要气泡源,精炼渣中的Na2CO3分解产生CO2,CO2气体弥散分布在渣中,同时,CO2气体与渣中的碳反应产生CO,使气体体积成倍增长。这样,泡沫渣的形成就有了充分的气泡源,有利于实行埋弧精炼,减少了电弧的裸露;有利于提高加热效率,缩短供电时间,节约能源,而且使精炼时间缩短,提高了劳动生产率,同时对延长炉盖和包衬的寿命具有重要意义。钢水精炼是提高钢的质量、扩大钢的品种、优化炼钢工艺流程、提高生产效率的重要手段,是生产洁净钢不可缺少的关键工艺环节。3.2.5连铸能够简化工序,缩短流程,提高金属收得率,降低能耗,生产过程采用机械化,自动化程度高,提高产量,扩大了品种。3.3本章小结21世纪的钢铁工业在世界经济中仍占支柱地位,同时也将经历激烈的竞争。薄板坯连铸连轧技术已受到了世界各国的普遍重视,它的推广应用改变了钢铁工业的面貌,带来了巨大的经济效益和社会效益。虽然当前还存在着较多问题,但能够相信,在各国科研工作者的共同努力下,薄板坯连铸连轧技术及产品将会进一步发展。第4章转炉炼钢的物料平衡和热平衡计算4.1物料平衡计算4.1.1计算原始数据基本原始数据有:冶炼钢种及成分、铁水和废铁的成分、终点钢水成分;造渣用溶剂及炉衬等原材料成分;脱氧和合金化用铁合金的成分及回收率;其它工艺参数。表4-1钢种、铁水、废钢和终点钢水的成分设定值成分含量/%类别CSiMnPS钢种Q235设定值.55≤0.045≤0.050铁水设定值4.000.800.500.300.035废钢设定值50.0300.030终点钢水设定值0.10痕迹0.150.0200.021成分含量/%类别CaSiO2MgOAl2O3Fe2O3CaF2P2O5SCO2H2OC灰分挥发分石灰88.0001.500.500.100.060.10萤石0.305.500.601.601.5088.000.900.101.50生白云石36.400.8025.601.0036.20炉衬1.203.0078.801.401.6014.0焦炭0.5881.512.45.52表4-2原材料成分成分回收率/%类别CSiMnAlPSFe硅铁——73.00/750.50/802.50/00.03/1000.05/10023.92/100锰铁6.60/900.50/7567.8/80——0.13/1000.23/10024.74/100表4-3铁合金成分(分子)及其回收率(分母)表4-4其它工艺参数设定值名称参数名称参数终渣碱度w(CaO)/w(SiO)=3.5渣中铁损(铁珠)为渣量的6﹪萤石加入量为铁水量的0.5﹪氧气纯度99﹪,余者为N2生白云石加入量为铁水量的2.5﹪炉气中自由氧含量0.5﹪(体积比)炉衬蚀损量为铁水量的0.3﹪气化去硫量占总去硫量的1/3终渣∑w(FeO)含量(按向钢中传氧量w(Fe2O3)＝1.35w(FeO)折算)15﹪而ω(Fe2O3)/∑ω(FeO)=1/3,即金属中[C]的氧化产物w(Fe2O3)＝5﹪,w(FeO)=8.25﹪金属中[C]的氧化物90﹪C氧化成CO,10﹪C氧化成CO2烟尘量为铁量的1.5﹪(其中w(FeO)为75﹪w(Fe2O3)的20﹪)废钢量由热平衡计算确定,本计算结果为铁水量的13.35﹪,即废钢比为11.78﹪喷溅铁损为铁水量的1﹪4.1.2物料平衡的基本项目收入项有:铁水、废钢、溶剂(石灰、萤石、轻烧白云石)、氧气、炉衬蚀损、铁合金。支出项有:钢水、炉渣、烟尘、渣中铁珠、炉气、喷溅。4.1.3计算步骤以100㎏铁水为基础进行计算。第一步:计算脱氧和合金化前的总渣量及其成分。总渣量包括铁水中元素氧化,炉衬腐蚀和加入溶剂的成渣量。其各项成渣量分别列于表4-5~表4-7。总渣量及成分如表4-8所示。表4-5铁水中元素的氧化产物及其成渣量元素反应产物元素氧化量/㎏耗氧量/㎏产物量/㎏备注C[C]→{CO}3.90×90%=3.514.0118.190[C]→{CO2}3.90×10%=0.390.8911.430Si[Si]→(SiO2)0.800.9141.714入渣Mn[Mn]→(MnO)0.350.1020.452入渣P[P]→(P2O5)0.280.3610.641入渣S[S]→{SO2}0.014×1/3=0.0050.0050.010[S]+[CaO]→(CaS)+(O)0.014×2/3=0.009-0.0050.021入渣Fe[Fe]→(FeO)1.065×56/72=0.8310.2381.069入渣(表5-8)[Fe]→(Fe2O3)0.600×112/160=0.4210.1810.602入渣(表5-8)合计6.5966.698成渣量4.499入渣组分之和①由CaO还原出的氧量;消耗CaO量=0.009×56/32=0.016㎏。表4-6炉衬腐蚀的成渣量炉衬蚀损渣量/㎏成渣组分/㎏气态氧化物/㎏耗氧量/㎏

CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3C→COC→CO2C→CO,CO20.3(表5-4)0.0040.0090.2360.0040.0050.0880.0150.062合计0.2580.1040.062表4-7加入溶剂的成渣量类别加入量㎏成渣组分/㎏气态氧化物

CaOMgOSiO2Al2O3Fe2O3P2O5CaSCaF2H2OCO2O2萤石0.50.0020.0030.0280.0080.0080.0050.0010.440.008白云石2.50.910.640.020.0250.905石灰6.675.8540.1730.1670.10.0330.0070.0090.0070.3090.002合计6.7650.8160.2150.1330.0410.0120.010.440.0151.2140.002成渣量8.43211.2305①.石灰加入量:渣中已含CaO=-0.016+0.004+0.002+0.910=0.900㎏;渣中已含SiO2=1.710+0.009+0.028+0.020=1.767㎏;因设定终渣碱度R=3.5,故石灰加入量为:5.285/(88.0%-3.5×2.50%)=6.67㎏②.石灰加入量=(石灰中CaO含量)-(石灰中S→CaS自耗的CaO量)表4-8总渣量及其成分炉渣成分/㎏

CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOFe2O3CaF2P2O5

CaS合计元素氧化成渣1.710.4521.0650.60.410.0214.264石灰石成渣量5.8540.1670.1730.10.0330.0070.0096.343炉衬蚀损成渣0.0040.0090.2360.0040.0050.258生白云石成渣0.910.020.640.0251.595萤石成渣量0.0020.0280.0030.0080.0080.440.0050.0010.495总成渣量6.771.9341.0520.1370.4521.0650.6460.440.4220.03112.955质量分数/%52.2614.938.121.063.498.255.003.403.260.24100①.表中除(FeO)和(Fe2O3)以外的总渣量为6.779+1.934+1.052+0.137+0.452+0.440+0.422+0.031=11.238㎏,而终渣Σω(FeO)=15%(表5-4),故总渣量为11.238/86.75%=12.955㎏。②.ω(FeO)=12.910×8.25%=1.069㎏ω(Fe2O3)=12.910×5%-0.033-0.005-0.008=0.602㎏第二步:计算氧气消耗量。氧气的实际消耗量系消耗项目与供入项目之差。见表4-9表4-9实际耗氧量耗氧项/㎏供氧项/㎏实际耗氧量/㎏铁水中元素氧化耗氧量(表4-5)6.698炉衬中碳氧化消耗氧量(表4-6)0.062石灰中S与CaO反应还原出的氧化量(表5-7)0.002烟尘中铁氧化消耗氧量(表4-4)0.3407.157-0.002+0.064=7.219炉气自由氧含量(表-10)0.057合计7.157合计0.002第三步:计算炉气量及其成分。炉气中含有CO、CO2、N2、SO2和H2O.其中CO、CO2、SO2和H2O可由表4-5~表4-7查得,O2和N2则由炉气总体积来确定。现计算如下:炉气总体积VΣV∑=+0.5%V∑+(V∑－)==8.089m式中Vg——CO、CO2、SO2和H2O各组分总体积,m³。本计算中其值为:=7.998m³Gs——不计自由氧的氧气消耗量,㎏。本计算中其值为:6.698+0.062+0.34=7.10㎏(见表5-9)Vx——石灰中的S和CaO反应还原出的氧量(其质量为:0.002㎏,见表4-9),m³。0.5%——炉气中自由氧含量。99——自由氧纯度为99%转换得来。计算结果列于表4-10表4-10炉气量及其成分炉气成分炉气量/㎏炉气体积/m³体积分数/%CO8.2788.278×22.4/28=6.62281.87CO22.6592.659×22.4/44=1.35316.73SO20.0100.010×22.4/64=0.0040.04H2O0.0150.015×22.4/18=0.0190.23O20.0570.040.50N20.0640.0510.63合计11.0838.089100.00①.炉气中O2的体积为8.089*0.5%=0.040m³;质量为0.040×32/22.4=0.057㎏。②.炉气中N2的体积系炉气总体积与其它成分体积之差;质量为0.051*28/22.4=0.064㎏第四步:计算脱氧和合金化前的钢水量。钢水量Qg＝铁水量-铁水中元素的氧化量-烟尘、喷溅和渣中的铁损＝100-6.596-[1.50×(75%×56/72+20%×112/160)+1+12.955×6%]＝90.542㎏由此能够编制出未加废钢、脱氧与合金化前的物料平衡表4-11表4-11未加废钢时的物料平衡表收入支出项目质量/㎏%项目质量/㎏%铁水10085.33钢水90.5476.82石灰6.675.69炉渣12.9610.00萤石0.500.43炉气11.089.40生白云石2.502.13喷溅1.000.85炉衬0.300.26烟尘1.501.27氧气7.216.16渣中铁珠0.770.66合计117.39100.00合计117.55100注:计算误差为(117.39-117.55)/117.39×100%=-0.1%第五步:计算加入废钢的物料平衡。如同第一步计算铁水中元素氧化量一样,利用表4-1中的数据先确定废钢种元素的氧化量及其消耗量和成渣量(表4-12),再将其与表4-11归类合并,逐得到加入废钢后的物料平衡表4-13和表4-14。表4-12废钢中元素的氧化产物及其成渣量元素反应产物元素氧化量/㎏耗氧量㎏产物量㎏进入钢中的量/㎏C[C]→{CO}13.35×0.08%×90%=0.0100.0130.023[C]→{CO2}13.35×0.08%×90%=0.0010.0030.004Si[Si]→(SiO2)13.35×0.25%=0.330.0380.071Mn[Mn]→(MnO)13.35×0.37%=0.0490.0150.065P[P]→(P2O5)13.35×0.01%=0.0010.0010.002S[S]→{SO2}13.35×0.009%×1/3=0.00040.00040.0008[S]+[CaO]→(CaS)+(O)13.35×0.009%×2/3=0.0008-0.00040.002合计0.0950.0713.35-0.095=13.255成渣量/㎏0.14表4-13加入废钢的物料平衡表(以100㎏铁水为基础)收入支出项目质量/㎏%项目质量/㎏%铁水10076.56钢水90.54+13.25=103.7979.06废钢13.3510.22炉渣12.96+0.14=13.109.98石灰6.675.107炉气11.08+0.028=11.108.46萤石0.50.383喷溅1.000.76轻烧白云石2.51.914烟尘1.501.14炉衬0.30.230渣中铁珠0.780.59氧气7.295.5820合计130.61100.00合计130.77100.00注:计算误差为(130.61-130.77)/130.61×100%=-0.1%表4-14加入废钢的物料平衡表(以100㎏铁水+废钢为基础)收入支出项目质量/㎏%项目质量/㎏%铁水88.2076.56钢水91.5579.06废钢11.7710.22炉渣11.569.98石灰5.895.11炉气9.808.46萤石0.440.38喷溅0.880.76轻烧白云石2.211.92烟尘1.321.14炉衬0.260.23渣中铁珠0.690.6氧气6.435.58合计115.40100合计115.60100第六步:计算脱氧和合金化后的物料平衡。现根据钢种成分设定值(表4-1)和铁合金成分及其回收率(表4-3)算出锰铁和硅铁的加入量,在计算其元素的烧损量。将所有的结果与表4-14合并,及得到炼一炉钢的总物料平衡表。锰铁加入量WMn为:硅铁加入量WSi为:铁合金中元素烧损量和产物量列于表4-15。脱氧和合金化后的钢水成分如下:表4-15铁合金中元素烧损量和产物量类别元素烧损量㎏脱氧量/㎏成渣量/㎏炉气量/㎏入钢量㎏锰铁C0.59×6.60%×10%=0.0040.0110.0150.59×6.60%×90%=0.035Mn0.59×67.80%×20%=0.0800.0230.1030.59×67.80%×80%=0.320Si0.59×0.50%×25%=0.0010.0010.0020.59×0.50%×75%=0.002P0.59×0.23%=0.001S0.59×0.13%=0.001Fe0.59×24.74%=0.146合计0.0850.0350.1050.0150.505硅铁Al0.42×2.50%×100%=0.0110.0100.021Mn0.42×0.50%×20%=0.00040.00010.0010.42×0.50%×80%=0.002Si0.42×73.00%×25%=0.0770.0880.1650.42×73.00%×75%=0.230P0.42×0.05%=0.0002S0.42×0.03%=0.0001Fe0.42×23.92%=0.100合计0.0880.0980.1870.332总计0.1730.1330.2920.0150.837可见,含碳量尚未达到设定值。为此需在钢包内加焦炭增碳。其加入量W1为:焦粉生成的产物如下:碳烧损量/㎏耗氧量/㎏气体量/㎏成渣量/㎏碳入钢量/㎏0.06×81.50%×25%=0.0120.0320.044+0.06×(0.58+5.52)%=0.0470.06×12.40%=0.0070.06×81.50%×75%=0.037由此可得整个冶炼过程(即脱氧和合金化后)的总物料平衡表4-16。表4-16总物料平衡表收入支出项目质量/㎏%项目质量/㎏%铁水88.274.47钢水91.55+0.837+0.037=92.4277.24废钢11.779.94炉渣11.56+2.92+0.007=14.4912.11石灰5.894.97炉气9.80+0.015+0.047=9.868.24萤石0.440.37喷溅0.880.74轻烧白云石2.211.87烟尘1.321.10炉衬2.261.91渣中铁珠0.690.57氧气6.65.57锰铁0.590.50硅铁0.420.35焦粉0.060.05合计119.44100.00合计119.56100①.计算误差为(119.44-119.56)/119.44×100%=-0.1%②.能够近似的认为(0.133+0.032)的氧量系出钢水二次氧化带入。4.2热平衡计算4.2.1计算所需的原始数据计算所需的基本原始数据有:各种入炉料及产物的温度(表4-17);物料平均热熔(表4-18);反应热效应(表4-19);融入铁水的元素对铁水熔点的影响(表4-20)。其它工艺参数参照物料平衡选取。表4-17入炉物料及产物的温度设定值名称入炉物料产物铁水废钢其它原料炉渣炉气烟尘温度/℃12852525与钢水相同14501450表4-18物料平均热熔物料名称生铁钢炉渣矿石烟尘炉气固态平均热熔kJ/(㎏·K)0.7450.699--1.0470.996--融化潜热kJ/㎏218272209209209--液态或气态平均热熔kJ/(㎏·K)0.8370.8371.2481.137表4-19炼钢温度下的反应热效应组元化学反应/kJ·kmol-1/kJ·kg-1C[C]+1/2{O2}={CO}氧化反应－139420－11639C[C]+{O2}={CO2}氧化反应－418072－34834Si[Si]+{O2}=(SiO2氧化反应－817682－29202Mn[Mn]+1/2{O2}=(MnO)氧化反应－361740－6594P2[P]+5/2{O2}=(P2O5)氧化反应－1176563－18980Fe[Fe]+1/2{O2}=(FeO)氧化反应－238229－4250Fe2[Fe]+3/2{O2}=(Fe2O3)氧化反应－722432－6460SiO2(SiO2)+2(CaO)=(2CaO·SiO2)成渣反应－97133－1620P2O5(P2O5)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)成渣反应－693054－4880CaCO3CaCO3=(CaO)+{CO2}分解反应1690501690MgCO3MgCO3=MgO+{CO2}分解反应1180201405表4-20融入铁水的元素对铁熔点的降低值元素CSiMnPSAlCrN、H、O在铁中极限溶解度/%5.4118.5无限2.80.1835.0无限融入1%元素使铁熔点降低值/℃65707580859010085302531.5N、H、O融入使铁熔点降低值/℃∑=6适用含量范围/%＜11.02.02.53.03.54.0≤3≤15≤0.7≤0.08≤1≤184.2.2计算步骤以100㎏铁水为基础第一步:计算热收入Qs。热收入项包括:铁水物理热;元素氧化热及成渣热;烟尘氧化热;炉衬中碳的氧化热。(1)铁水物理热先根据纯铁熔点、铁水成分以及溶入元素对铁熔点的降低值(见表4-17、表4-1和表4-20)计算铁水熔点Tt,然后由铁水温度和生铁热容(见表4-17和表4-18)确定。=1536－(4.0×100+0.8×8+0.5×5+0.3×30+0.035×25)－6=1111(℃)=100×[0.745×(1111－25)+218+0.837×(1285－1111)]=117270.8(KJ)(2)元素氧化热及成渣热由铁水中元素氧化量和反应热效应(见表4-19)能够算出,其结果列于表4-21。表4-21元素氧化热和成渣热反应产物氧化热或成渣热/kJ反应产物氧化热或成渣热/kJC→CO3.51×11639=40852.89Fe→Fe2O30.421×6460=2719.66C→CO20.39×34834=135853.26P→P2O50.28×18980=5314.4Si→SiO20.80×29202=23361.6P2O5→4CaO·P2O50.422×4880=2059.36Mn→MnO0.420×6594=2769.48SiO2→2CaO·SiO21.934×1620=3133.08Fe→FeO0.831×4250=3531.75合计Qy97327.48(3)烟尘氧化热由表5-4中给出的烟尘量参数和反应热效应计算可得。＝1.5×(75％×56/72×4250+20%×112/160×6460)=5075.35kJ(4)炉衬中碳的氧化热＝0.3×14％×90％×11639＋0.3×14％×10％×34834＝586.25kJ故热收入总量为=＋＋＋＝117270.8+97327.48+5075.35+586.25=220259.88kJ第二步:计算热支出。热支出项包括:钢水物理热;炉渣物理热;烟尘物理热;炉气物理热;渣中铁珠物理热;喷溅物(金属)物理热;轻烧白云石分解热;热损失;废钢吸热。(1)钢水物理热Qg先按求铁水熔点的方法确定钢水熔点Tg

;再根据出钢和镇静时的实际温降(一般前者为40～60℃,后者约为3～5℃/min,具体时间与盛钢桶大小和浇注条件有关)以及要求的过热度(一般为50～90℃)确定出钢温度TZ;最后由钢水热容算出物理热。Tg＝1536－(0.10×65＋0.15×5＋0.020×30＋0.021×25)－6＝1522式中,0.10、0.15、0.020和0.021分别为终点钢水中C、Mn、P、S的含量。TZ＝1522＋50＋50＋70＝1692℃式中,50、50、70分别为出钢过程中的温降、镇静及炉后处理过程中的温降和过热度。Qg＝90.54×［0.699×(1522-25)＋272＋0.837×(1692-1522)］＝132251.14kJ(2)炉渣物理热Qr令终渣温度与钢水温度相同,则得:Qr＝12.955×［1.248×(1649-25)＋209］＝28964.17kJ(3)炉气、烟尘、铁珠和喷溅金属的物理热Qx。根据其数量、相应的温度和热容确定。详见表4-22。表4-22某些物料的物理热项目参数/kJ备注炉气物理热11.083×[1.137×(1450－25)]=179571450烟尘物理热1.5×[0.996×(1450－25)+209]=2442.45渣中铁珠物理热12.955×6%×[0.699×(1520－25)+272+0.837×(1692－1522)]=1134.31522喷溅金属物理热1×[0.699×(1522－25)+272+0.837×(1692－1522)]=1460.7合计Qx＝22994(4)生白云石分解热Qb根据其用量、成分和表5-19所示的热效应计算的。Qb＝2.5×(36.40％×1690＋25.60％×1045)＝2437.10kJ(5)热损失Qq其它热损失带走的热量一般约占总热收入的3％～8％。本计算取5％,则得Qq＝220259.88×5％＝11012.99kJ(6)废钢吸热Qf用于加热废钢的热量系剩余热量,即Qf＝QS－Qg－Qr－Qx－Qb－Qq=220259.88－132251.14－28964.17－22994－2437.10－11012.99=22600.48故废钢加入量为:＝＝15.47kg即废钢比为:热平衡计算结果列于表4-23。热效率=(132251.14+28964.17+11012.99)/220259.88=78.19%若不计算炉渣带走的热量时:热效率%表4-23热平衡表收入支出项目热量/kJ％项目热量/kJ％铁水物理热117270.8353.24钢水物理热132251.1460.04元素氧化和成渣热97327.4844.19炉渣物理热28964.1713.15其中C氧化54438.1524.72废钢吸热22600.4810.26Si氧化23361.610.61炉气物理热179578.15Mn氧化2769.481.26烟尘物理热2442.451.11P氧化6251.412.84渣中铁珠物理热1134.30.52Fe氧化3133.081.42喷溅金属物理热1460.70.66SiO2成渣2059.360.93轻烧白云石分解热2437.11.11P2O5成渣1859.280.84热损失11012.995.00烟尘氧化热5075.352.30炉衬中碳的氧化热586.250.27合计220260.33100合计220260.33100应当指出,加入铁合金进行脱氧和合金化,会对热平衡数据产生一定的影响。对转炉用一般生铁冶炼低碳钢来说,所用铁合金种类有限,数量也不多。经计算,其热收入部分约占总热收入的0.8％～1.0％,热支出部分约占0.5％～0.8％,二者基本持平。4.3本章小结本章主要对转炉炼钢的物料平衡和热平衡做了详细计算。第5章原料供应及铁水预处理方案5.1原料供应5.1.1铁水是转炉炼钢的主要材料,一般在新建钢铁厂时彩高炉直接供应。高炉铁水直接热装入转炉时又有混铁炉和混铁车两种方式。采用混铁炉时能保持铁水成分和温度均匀稳定,有利转炉吹炼。但混铁炉需要多倒一次铁,增加温度损失,而且混铁炉投资相对较大,占地也多。随着高炉的大型化和炼铁操作的精确化,高炉铁水成分波动减小;又因转炉的大型化,混铁炉的混合作用已不明显。因此,混铁车在大中型转炉炼钢已被广泛采用,由于其受铁口有盖,在运输过程中热损失较小,特别是高炉距离炼钢车间较远时,用混铁车更为有利。混铁车即混铁炉型铁水罐车。兼有运送和贮存铁水的两种作用。采用混铁车供应铁水的优点:(1)投资省(不另建混铁炉、铁水罐和起重吊车数量可减少);(2)作为铁水运输设备比较适应高炉大型化;(3)从高炉向转炉运送铁水温降小,减少铁水转移过程的热损失,铁水粘罐损失少;(4)操作简便、维修费用低。综合考虑,采用混铁车供应铁水。混铁车的形状可保证有较小的热损失。混铁车装有倾动机构,可使炉身转动向外倒铁,因此,不需建设专门的厂房,只需在主厂房内留出必要的倒铁水位置。混铁车的容量根据转炉容量而定,一般为转炉容量的整数倍,并与高炉出铁量相适应。转炉炼钢车间所需混铁车台数N(台)计算式如下:(5-1)式中——高炉铁水最高日产量,t/d;——混铁车容量,t;n——混铁车装满系数,可取0.9;c——混铁车日周转次数,一般取2～3次/d;——混铁车作业率,约取0.75;——钢锭模车间所需铁水量,t/d;——钢锭模车间所需混铁车台数。混铁车容量系列参考数据见下表:公称容量/t150250300350400600装铁水量/t新衬时150250300350400600旧衬时180290345400460690铁水车全高/mm385043304300495052006200铁水车最大宽度/mm320035003400391641204770挂钩间距/mm15400210002540024700246003转向架数/个448888轴数/个81216161624最大轴重/t364238424948表5-1混铁车系列参考数据5.1.2(1)废钢加入量转炉炼钢中的废钢比一般在10%左右,因为废钢比随炉容大小和铁水中Si、P含量变化而变动。为了增加废钢在转炉冶炼中的比例,除了在转炉炼钢过程中使用高温铁水外,还能够采用二次燃烧氧枪在复吹转炉底部喷吹部分燃料,增加转炉内热量。(2)废钢存放注意事项废钢应尽量分类存放,特别是含合金元素的废钢。另外对废钢中的易爆物和密闭容器要十分注意清理和处理,保证生产安全。对外形尺寸和单重过大的废钢,应预先进行解体和切割,单块废钢的单重应小于0.5吨,最大废钢边长应小于0.5倍炉口直径,应尽量减少轻薄废钢入炉用量。废钢中的硫、磷含量应小于0.05﹪,夹渣小于5﹪。大型转炉炼钢车间一般设单独的废钢间,按每炉需用量装入废钢料斗运到炉前。较小的炼钢车间的废钢堆场设在原料跨的一端。废钢间面积的大小决定于废钢需要的堆存用的面积、铁路条数、料槽(或料坑)位置及称量设备占用的面积,高度取决于工艺操作所需要的吊车轨面标高。废钢堆场的面积取决于废钢存储定额(天数),当企业内有自己的废钢加工站时,可考虑存储1～3日,否则需存10～15日。废钢堆场面积A(m2)可按下式估算:式中Q——每日所需废钢量,t/d,本设计取Q≈800t/d;x——废钢储存定额(天数),d;H——废钢储存充许高度,有坑时包含坑的深度,可按平均堆高1.0～1.2m考虑,本设计取H=1.2m;——废钢堆积密度,t/m3,可参考表6-2选取,=2.2t/m3。由于本设计设有废钢加工站,因此存储天数x取3日;因此,废钢堆场面积A＝表5-2不同类型废钢的堆积密度/t·m-3废钢类型料场内料斗内切屑及捆扎的轻废钢1.1～1.71.0～1.5中型废钢1.8～2.51.5～2.2重废钢3.22.8生废钢3.02.7废钢入炉一般经过废钢料斗,由普通吊车像兑水那样装入转炉。废钢料斗容积的大小决定于每炉废钢的装入量。对于废钢比较大的大型转炉,也可考虑、分成几个料斗。但一般是废钢一次一斗装入。废钢料斗容积Ｖ(m3)计算式如下:Ｖ＝＝＝12.4(m3)式中q——每炉加入废钢量,t;n——料斗装满系数,取0.8;f——每炉加入废钢的斗数;——废钢堆积密度,t/m3。5.1.3氧气转炉散状材料包括石灰、白云石、萤石、铁矿石、氧化铁皮、焦皮等。品种多,批量小,批数多,要求迅速、准确、可靠地供料。供应系统包括散状料场、地下(地面)料仓、由地下料仓送往主厂房的运料设施、转炉上方高位料仓、称量和加料设施。为保证转炉正常生产,应设散状料堆场。大型转炉炼钢车间一般自设散状料场,并尽可能靠近转炉。另外,还有与炼铁车间和转炉车间石灰窑料场共用的。其布置方式可根据外部供料条件和总图布置确定。各种散状材料的储存量可根据具体情况按10～30天考虑。转炉车间大多在靠近主厂房附近设置底下料仓,它兼有部分储存和转运作用。地下料仓有地下式、地上式和半地下式三种,以前者较多,可便于火车或汽车或运输带自动卸料。5.1.4铁合金供应铁合金的供应一般由炼钢厂铁合金间、车间铁合金料仓及称量和运输设施、向钢包加料设施等几部分组成。5.2铁水预处理方案铁水预处理工艺方法主要有:(1)机械搅拌法,有代表性的是日本开发的KR法;(2)吹气搅拌法,包括顶吹喷粉法和底吹法,当前顶吹喷粉法得到最广泛的应用,如ATH、TDS、IRSID、ISIDD等法;(3)喂丝法近年来开始得到应用。5.2.1(1)铁水脱硅的目的:①减少转炉石灰用量,减少渣量和铁损在铁水含0.11%P和0.025%S的条件下,铁水中硅从0.6%下降到0.15%时,炼钢石灰消耗量能够从42kg/t减少到18kg/t,渣量从110kg/t减少到42kg/t,而且吹炼平稳没有喷溅,金属收得率提高0.5%～0.7%。②减少脱磷剂用量,提高脱磷脱硫的效率。③对于含钒和含铌等特殊铁水,预脱硅可为富集V2O5和Nb2O5等创造条件。(2)铁水脱硅的方法:①高炉铁沟连续脱硅法。②在混铁车或铁水包中喷粉脱硅法。根据本设计的条件,选择在混铁车中喷粉脱硅法。5.2.2铁水炉外脱硫是降低炼铁和炼钢炉脱硫负担、简化操作和提高炼铁炼钢技术经济指标的有效途径。可减少渣量和提高金属收得率,并为转炉冶炼品种钢创造条件。铁水炉外脱硫与炼铁炼钢炉脱硫相结合,能够对铁水实施深度脱硫,从而为转炉冶炼超低硫钢创造条件。铁水脱硫的方法有:铺撒法、摇包法、喷粉法等,其中喷粉法被广泛应用。喷粉法具有操作简单灵活、处理铁水量大、费用低、效果好等优点。本设计采用喷粉法脱硫。5.2.3磷是绝大多数钢种中的有害元素,对于低温、海洋用钢、高压管线钢等,除需要含硫量很低外,还要求磷含量小于0.01%或0.005%。人们已经进行了大量铁水脱磷和同时脱磷脱硫的研究,有的已应用于工业生产中。本设计选用石灰系溶剂精炼法脱磷。5.3本章小结铁水预处理指铁水进入炼钢炉之前所进行的某种处理,能够分为普通铁水和特殊铁水预处理。普通铁水预处理有单一脱硫、脱硅、脱磷和同时脱磷脱硫等;特殊铁水预处理有脱铬、提钒、提铌和提钨等。第6章转炉座数及其年产量核算6.1转炉容量和座数的确定6.1.1转炉在一个炉役期内,由于炉衬受侵蚀而逐渐减薄,炉容量随之增大,因此,需要一个统一的衡量标准,叫做公称容量。中国转炉公称容量一般用一个炉役期内的平均炉产钢水量来表示。新建转炉公称容量按表5-1的系列选定。当前,设备容量大型化已成为氧气转炉发展。表6-1氧气转炉公称容量系列转炉公称容量/t60100120150200最大出钢量/t70120150180220钢包容量/t70120150180220浇注吊车起重量/t100/32180/63/20225/63/20280/80/20360/100/206.1.2转炉座数的确定与采用的吹炼制度有关。即采用”二吹二”制。所谓”二吹二”,就是保持二个转炉同时生产。由于炉衬材质的改进和溅渣护炉技术的采用,炉龄大幅度提高,生产实践中,往往采用”二吹二”模式,同时公称容量日趋大型化。本设计采用”二吹二”模式,即有2座转炉。6.2车间生产能力的确定转炉车间生产能力的确定,实质上就是公称容量及炉座数的选定。在选定转炉容量和座数时,要根据产品、产量的需求和原料资源储量及来源,以及运输、水、电、气的供应条件等进行论证。确定炼钢生产规模之后,即可计算所需用的炉容量与座数。6.2.1每一座吹炼转炉的年出钢炉数N为:(6-1)式中T1——每炉钢的平均冶炼时间,min,该数值可参考表6-2;本设计取34min。T2——一年有效作业天数,d;1440——一天的日历时间,min;365——一年的日历天数,d;η——转炉的作业率,%,若转炉与模铸或与部分连铸配合时,一般取η=82～85%,若全连铸则取η=75～80%。表6-2氧气转炉平均冶炼时间公称容量/t＜3030~100＞100备注平均供氧时间/min12~1614~1816~20平均冶炼时间/min28~3232~3838~456.2.2在选定转炉公称容量和转炉工作制后,即可计算出车间的年产钢水量:(6-2)式中W——车间年产钢水量,t;n——车间经常吹炼炉座数;N——每一座吹炼炉的年出钢炉数;q——转炉公称容量,t。再根据浇注方法,就可计算出炼钢车间设计的年产钢量。6.3确定转炉座数并核算年产量假设选定公称容量60t转炉;其中T1取30分钟;η取77%;又知年产合格钢量150万t则所需的吹炼转炉数为:因为=2.08,因此采用60t转炉,采用二吹二制时能够充分利用转炉生产。要使该车间年产合格钢坯约为150万t(7%钢水损耗),则出钢量应在159万t左右才能符合设计要求。因为公称容量60t的最大出钢量为70t,因此在转炉冶炼的同时超装10%即出钢量在68t时能达到设计要求。而正常使用2座转炉冶炼时的年总产量为:综上核算合格,采用60t转炉和二吹二制生产。第7章转炉炉型选型设计及相关参数计算7.1转炉炉型设计氧气顶底复吹转炉是20世纪70年代中、后期,开始研究的一项新炼钢工艺。其优越性在于炉子的高宽比略小于顶吹转炉却又大于底吹转炉,略呈矮胖型;炉底一般为平底,以便设置底部喷口。综合以上特点选用转炉炉型为锥球型(适用于中小型转炉见图7-1)。图7-1常见转炉炉型(a)筒球型;(b)锥球型;(c)截锥型7.1.2主要参数的确定本设计选用氧气顶吹转炉(公称容量60t)。(1)炉容比炉容比系指转炉有效容积与公称容量之比值。转炉炉容比主要与供氧强度有关,与炉容量关系不大。从当前实际情况来看,转炉炉容比一般取0.9~1.05m3/t。本设计取炉容比为1.05m3/t。(2)高径比转炉高径比,一般取1.35～1.65。小炉子取上限,大炉子取下限。本设计取高径比:1.40。(3)熔池直径可按以下经验公式确定:(7-1)式中D——熔池直径,m;G——新炉金属装入量,t,可取公称容量;K——系数,参见表7-1;t——平均每炉钢纯吹氧时间,min,参见表7-2。表7-1系数K的推荐值转炉容量/t＜3030～100＞100备注K1.85～2.101.75～1.851.50～1.75大容量取下限,小容量取上限表7-2平均每炉钢冶炼时间推荐值转炉容量/t＜3030～100＞100备注冶炼时间/min28～32(12～16)32～38(14～18)38～45(16～20)结合供氧强度、铁水成分、所炼钢种等具体条件确定注:括号内数系吹氧时间参考值。设计中转炉的公称容量为60t,取K为1.85,t取18min。可得:m(4)熔池深度锥球型熔池倒锥度一般为12°~30°,当球缺体半径R=1.1D时,球缺体高=0.09D的设计较多。熔池体积和熔池直径D及熔池深度h有如下的关系:(7-2)由可得:(m3)将代入式(7-2)得:(m)(5)炉身高度转炉炉帽以下,熔池面以上的圆柱体部分称为炉身。其直径与熔池直径是一致的,故须确定的尺寸是炉身高度。(7-3)式中、、——分别为炉帽、炉身和熔池的容积;Vt——转炉的有效容积,为、、三者之和,取决于容量和炉容比。代入数据可得: =3.19m(6)炉帽尺寸炉帽尺寸包括炉帽倾角、炉口直径和炉帽高度。①炉帽倾角。炉帽倾角一般为60°~68°,小炉子取上限,大炉子取下限。本设计取炉帽倾角为65°②炉口直径一般炉口直径为熔池直径的43%～53%较为适宜。小炉子取上限,大炉子取下限。本设计取炉口直径为1.8m。③炉帽高度为了维护炉口的正常形状,防止因砖衬蚀损而使其迅速扩大,在炉口上部设有高度为=300～400mm的直线段。炉帽高度为:(7-4)=0.5×(3.38-1.8)×tan65°+=1.69+0.3=1.99(m)那么,炉帽总容积为:==16.80(m3)(7)出钢口尺寸出钢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。①出钢口中心线水平倾角。为了缩短出钢口长度,以利维修和减少钢液二次氧化及热损失,大型转炉的θ1趋于减小,一般为15°~20°。本设计取15。②出钢口直径出钢口直径决定出钢时间,随炉子容量不同而异。一般又下面的经验式确定:==12.7(cm)式中——转炉公称容量,t。③出钢口衬砖外径:=6=6×0.127=0.762(m)④出钢口长度:=7=7×0.127=0.889(m)7.1.3本设计为增加废钢型顶底复合吹炼法。不但在转炉底部布置喷吹惰性气体或中性气体N2来加强搅拌,还考虑在转炉底部喷吹小部分燃料与氧气。为炉膛提供更多热量,补偿废钢加入所吸收的热量,使转炉冶能够炼顺利进行。(1)底气用量在底部吹N2、Ar、CO2等气体时,供气强度小于0.03m3/(t·min),其冶金特点接近顶吹法;达到0.2～0.3m3/(t·min),则能够降低炉渣和金属的氧化性,并达到足够的搅拌强度。最大供气强度一般不超过0.3m3/(t·min)。全程吹Ar,成本太高;全程吹N2,又会增加钢中的氮。因此,本设计采用底部全程供气,可是前期吹N2,末期再改吹Ar;供气强度为0.2m3/(t·min)。(2)供气构件根据本设计的底部喷吹N2和Ar,选择砖型供气元件,且为弥散型透气砖。7.2转炉炉衬设计炉衬设计的主要任务是选择合适的炉衬材质,确定合理的炉衬组成和厚度,并提出相应的砖型和数量,以确保获得经济上的最佳炉龄。7.2.当前常见的工作层衬砖有:沥青结合镁砖,含碳量为5～6%;烧成浸渍镁砖,含碳量为2%左右;焦油或沥青结合的白云石砖,含碳量约2%;沥青或树脂结合的白云石碳砖,含碳量为7～15%;沥青或树脂结合的镁碳砖(加入或不加防氧化剂),含碳量一般为10～25%。现在,氧气转炉炉衬材质普遍使用镁碳砖,炉龄有明显提高。但由于镁碳砖成本较高,因此一般只将其用在诸如耳轴区、渣线等炉衬易损部位,即炉衬工作层采用均衡炉衬,综合砌炉。7.2.2一般炉衬由永久层、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夹有一层石棉板绝热层。永久层紧贴炉壳,修炉时一般不予拆除。该层用镁碳砖砌筑。填充层介于永久层与工作层之间,用焦油镁砖沙捣打而成,厚度约为80～100mm。工作层用镁碳砖和焦油白云石砖综合砌筑。炉帽用二步煅烧镁砖。根据50t转炉炉衬衬材,本设计炉衬采用表7-3所示值。表7-3本设计转炉炉衬厚度值炉衬厚度永久层厚度/mm工作层厚度/mm炉帽80500炉身130600(加料侧)/550炉底3505707.3转炉炉体金属构件设计7.3.炉壳一般由炉帽、炉身和炉底三部分组成。炉壳的材质力求抗蠕变强度高、焊接性能又好的材料。本设计采用锅炉钢板制作炉壳。根据一些炉子的炉壳尺寸,该处选为:炉帽钢板45mm、炉身钢板50mm、炉底钢板45mm。综上所述,转炉总高:=1.99+3.19+0.98+(0.35+0.08+0.5+0.045)=7.21m;转炉外壳直径:=3.38+2×(0.08+0.13+0.05)+0.6+0.55=5.15m。验算高径比:=1.40,符合要求的范围,也与取值相符。由上述数据可画出转炉炉型图。7.3.2托圈选取大型转炉剖分式焊接托圈。其具体尺寸见下表7-5。表7-5设计中的托圈尺寸断面形状断面高度/mm断面宽度/mm盖板厚度/mm腹板厚度/mm箱24007608375炉壳与托圈的连接选用吊挂式连接装置。该结构是用螺栓将炉壳吊挂在托圈上,三个螺栓在圆周上呈120布置,且与焊在托圈盖板上的支座绞接。耳轴要受多种负荷的作用,必须有足够的强度和刚度。该处耳轴选用合金钢,且耳轴直径为800mm,耳轴轴承采用双列向心滚子轴承。7.3.3该处转炉采用电动机一齿轮传动方式。且倾动速度为0.5r/min,倾动角度为±360,无极调速。第8章转炉氧枪设计及相关参数计算8.1氧枪喷头尺寸计算喷头是氧枪的核心部分,其基本功能能够说是一个能量转换器,它将氧管中氧气的高压能转换为动能,并经过氧气射流完成对熔池的作用。而氧气射流的参数主要由喷头参数所决定。8.1.1(1)氧流量计算氧流量是指单位时间经过氧枪的氧量(Nm3/min)。氧流量的精确计算应根据物料平衡求得。简单计算氧流量则可用下式:Nm3/min对于普通铁水,每吨钢耗氧量为55～65Nm3/t,对于高磷铁水,每吨钢耗氧量为60～69Nm3/t。本设计取65Nm3/t.(2)喷头孔数现代转炉氧枪都用多孔喷头。一般中、小型转炉用三孔或四孔喷头,大型转炉用五孔或五孔以上的喷头。(3)理论计算氧压及喷头出口马赫数M理论计算氧压(又称设计工况氧压)是指喷头进口处的氧气压强,近似等于滞止氧压,它是喷头设计的重要参数。喷头出口马赫数M是喷头设计的另一个重要参数,当前国内外氧枪喷头出口马赫数M多选用2.0左右。M值与滞止氧压和喷头出口压力P的比值(P/)有确定的对应关系。如图8-1。图8-1M与Po、V之间的关系表8-1M、V、P0之间的关系M氧射流出口温度/K氧射流出口音速/m/sV/m/sP0/MPa备注1.52.02.53.02001611291042702422171954054855425820.3710.7901.7263.711假定氧气滞止温度为290K,炉内环境压力为1.01MPa8.1.260t转炉氧枪喷头尺寸计算公称容量60t转炉设计氧枪喷头尺寸。采用普通铁水。冶炼钢种以碳素结构钢和低合金钢为主。(1)计算氧流量取每吨钢耗氧量为65,纯吹氧时间为18min,出钢量按公称容量60t计算,则经过氧枪的氧流量:/min(9-1)(2)选用喷孔出口马赫数与喷孔数马赫数确定原则已如前述。综合考虑,选取马赫数M=2.0。参照同类转炉氧枪使用情况,对于60t转炉喷孔数取3孔,能保证氧气流股有一定的冲击面积与冲击深度,熔池内尽快形成乳化区,减少喷溅,提高成渣速度和改进热效率。(3)设计工况氧压根据等熵流表,当M=2.0时,;取喷头出口压力(为炉膛压力,此处按近似等于大气压力计算),则喷口滞止氧压:(8-2)取设计工况氧压近似等于滞止氧压。(4)计算喉口直径喷头每个喷孔氧气流量:Nm3/min(8-3)由喷管实际氧气流量计算式:,取,,又,代入上式,则。由上式可求出mm(5)求喷孔出口直径根据等熵流表,在M=2.0时,,即,故喷孔出口直径:(8-4)(6)计算喷孔扩张段长度取扩张段的半锥角为3.50,则扩张段长度(8-5)(7)确定喷孔喉口直线段长度喉口直线段的作用是保持喉口直径稳定。一般取3～10mm。在本例中取喉口直线段长度=5mm。(8)喷孔收缩段长度与收缩段进口直径收缩段长度与收缩段进口直径应该以能使整个喷头布置下三个喷孔为原则,并尽可能使收缩孔大一些。(9)确定喷孔倾角β多孔喷头的各个流股是否发生汇交以效应角θ为界,大于θ则各流股很少汇交,小于θ则必定汇交。按照经验,喷头倾角β=12.8°～15.4°为宜。综合考虑取β=15°。(10)喷头五喷孔中心分布圆直径在喷孔倾角β确定以后,喷孔中心分布圆(即喷孔间距)是影响氧射流是否汇交的另一个因素。从降低氧射流汇交考虑,喷孔中心分布圆大为好,但喷孔中心公布圆要受到喷头尺寸的限制。综合考虑,取三喷孔中心分布圆直径:8.260T转炉氧枪枪身尺寸计算氧枪枪身由三层无缝钢管套装而成,内层管是氧气通道,内层管与中层管之间是冷却水进水通道,中层管与外层管之间是冷却水出水通道。参见图8-2。计算相关公式:按气体状态方程,标准状态下的流量向工况流量的换算:(8-6)式中——标准大气压,Pa;——管内氧气工况压力,Pa;——标准温度,273K;——管内氧气实际温度(即氧气滞止温度)。图8-2氧枪示意图中心氧管内截面积:(8-7)式中——中心氧管内截面积,m;——管内氧气工况流量,m/s;——管内氧气流速,m/s,一般取40～50m/s。将、代入式(9-7),即可求。则中心氧管内径(8-8)进水环缝截面积:(8-9)中层管内径:(8-10)式中——中层管内径,m;——内层管外径,m;——进水环形通道截面,m;——高压冷却水进口流量,m/s;——高压冷却水进水流速,一般选用5～6m/s。8.2.1套用上述公式可得。按式(9-6),管内氧气工况流量取中心管内氧气流速,则中心氧管内径:根据标准热轧无缝钢管产品规格,选取中心钢管为。8.2.2根据生产实践经验,选取氧枪冷却水耗量;冷却水进水速度,出水速度(因为出水温度升高,体积增大,故>)。又中心氧管外径,则进水环缝截面积:出水环缝面积:因此,中层钢管的内径:根据标准热轧无缝钢管产品规格选取中层钢管为。同理,外层钢管内径:根据标准热轧无缝钢管产品规格选取外层钢管为。第9章炉外精炼设备选型9.1炉外精炼的功能钢水炉外精炼又称钢水二次精炼,而各种精炼设备的冶金功能又是多种多样的。为了能获得低碳或超低碳钢种,采用真空脱碳或真空下吹氧脱碳的技术;为了炼得极低硫的钢种,而有炉外脱硫手段;为促进钢水成分和温度的均匀化,吹入惰性气体或经过电磁搅拌钢水,更有利于脱除气体和使夹杂物聚集上浮。经过炉外精炼对钢水进行处理,能够加快钢水成分的稳定,从而取得传统熔炼炉所难以达到的冶炼标准。精炼设备能够完成的冶金功能包括:脱气(脱氢、脱氮、脱氧),脱硫,脱碳,清洁钢液,调整钢液成份和温度。9.2LF精炼炉9.2.1LF精炼炉(图9-1)在常压下经过电弧加热钢包内钢水,并同时造高碱度合成渣精炼和底部吹氩搅拌。LF炉能够承担电弧炉炼钢的精炼工作,如造渣、还原、脱氧、脱气、均匀温度成分等。除此之外还能够保温度、升温,作为炼钢和连铸之间的缓冲装置,协调炼钢和连铸生产周期不匹配的矛盾,