炼钢课程设计

安徽工业大学炼钢厂设计 指导教师：周俐 常立忠

目录

1 转炉物料平衡和热平衡计算........................................................................................................3

1.1 原始数据（收集或给定）.................................................................................................3 1.2 物料平衡计算.....................................................................................................................4

1.2.1 炉渣量及炉渣成分的计算......................................................................................4 1.2.2 矿石及烟尘中的铁量和氧量的计算......................................................................8 1.2.3 炉气成分及重量的计算..........................................................................................9 1.2.4 未加废钢时氧气的消耗量的计算..........................................................................9 1.2.5 钢水量计算...........................................................................................................10 1.2.6 未加废钢时的物料平衡表....................................................................................10 1.3 热平衡计算（取冷料为 25℃）......................................................................................10

1.3.1 热收入项................................................................................................................10 1.3.2 热支出项................................................................................................................11 1.3.3 热平衡表................................................................................................................12 1.4 加入废钢和脱氧后的物料平衡计算...............................................................................12

1.4.1 加入废钢的物料平衡计算....................................................................................12 1.4.2 脱氧后的物料平衡计算........................................................................................13

2 270 吨转炉炉型设计计算........................................................................................................17

2.1 转炉炉型及主要参数.......................................................................................................17

2.1.1 转炉三种炉型介绍................................................................................................17 2.1.2 炉子各部分主要尺寸参数的确定和计算............................................................18 2.2 炉型设计计计算举例.......................................................................................................18

2.2.1 原始条件................................................................................................................21 2.2.2 熔池尺寸计算........................................................................................................21 2.2.3 取炉帽尺寸计算....................................................................................................22 2.2.4 出钢口尺寸计算....................................................................................................23

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2.2.5 炉子内型高度的计算............................................................................................23 2.2.6 炉衬厚度的选定....................................................................................................23 2.2.7 炉子高宽比的确定................................................................................................23 2.2.8 氧气顶吹转炉主要参数表....................................................................................24

3 喷头及氧枪设计计算..............................................................................................................25

3.1 喷咀理论与设计...............................................................................................................25

3.1.1 有关公式[5]537.....................................................................................................25 3.1.2 参数分析................................................................................................................26 3.2 喷头计算步骤...................................................................................................................29

3.2.1 原始数据................................................................................................................29 3.2.2 有关参数的计算和确定........................................................................................30 3.3 枪身设计...........................................................................................................................31

3.3.1 设计数据................................................................................................................31 3.3.2 中心氧管计算........................................................................................................31 3.3.3 中层隔水管计算....................................................................................................31 3.3.4 外层管计算............................................................................................................32 3.3.5 氧枪冷却水升温的核算........................................................................................32 3.3.6 喷头与氧枪尺寸的结合：可最后确定喷头图尺寸............................................32 3.4 列出喷头，氧枪的设计参数表.......................................................................................32 4 转炉炼钢课程设计的主要内容................................................................................................33

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第一部分 转炉物料平衡和热平衡计算

（一） 原始数据（收集或给定）

一、铁水成分和温度

表1-1

成分 % C 4.450 Si 0.550 Mn 0.530 P 0.140 S 0.041 铁水温度 1312 钢中[Ｐ、Ｓ]影响渣质、喷溅和炉容比，[Si]影响炼铁焦比和转炉废钢加入量(目前要求[Si]<0.55%)

二、原材料成分（参[2] 、[4]、规程及[6]166）

表1-2

% 石灰 CaO 92.15 SiO2 1.66 MgO 1.54 Al2O3 1.83 S 0.02 P FeO Fe2O3 烧碱 2.80 H2O C ∑ 100 矿石 轻烧白云石 炉衬

1.00 5.61 0.52 1.10 0.07 29.40 61.80 0.50 100 45.5 6.95 12.56 2.05 31.5 72.00 2.74 1.00 7.80 18.00 100 100 三、冶炼钢种和废钢成分

表1-3 % 钢种Q235 废钢取 Q235中线

C 0.140~0.220 Si 0.120~0.300 Mn 0.400~0.650 P ≤0.035 S ≤0.035 0.180 0.200 0.520 0.022 0.025 四、平均比热

表1-4 平均比热 材料 生铁 钢 炉渣 炉气 烟尘 矿石

3

kcal/kg·C（固体） 0.745 0.699 0.996 1.046 kcal/kg(溶化) 218 272 209 209 209 kcal/kg·C(气，液态) 0.837 0.837 1.248 1.137 安徽工业大学炼钢厂设计 指导教师：周俐 常立忠

五、反应热效率（认为25℃与炼铁温度下两者数值近似）

表1-5反应热效率 反应式 C +kJ/kmol 131365.0 414481.7 795023.6 1172078.6 384959.0 266635.0 822156.0 124600.4 690414.9 kJ/kg(元素) 10949.1 34521.0 28314.0 18922.6 7020.3 5021.2 7340.7 2071.1 5020.8 分子量 C 12 C 12 Si 28 P 31 Mn 55 Fe 56 Fe 56 SiO2 60 P2O5 142 1O2=CO 2C+O2=CO2 Si+O2=SiO2 5O2=P2O5 21Mn+O2=MnO 21Fe+O2=FeO 232Fe+O2=Fe2O3 22P+2CaO+SiO2=2CaO·SiO2 4CaO+P2O5=4CaO·P2O5 *参氧气转换炉炼钢原理（美）,冶金工业出版社74年版75页

六、有关参数的选用

1、 渣中铁珠占渣重的8%；

2、 金属中碳的氧化90%[C] →CO 10%[C]→CO2； 3、 喷溅铁损占铁水量的1%；

4、 炉气平均温度1450℃；含自由氧0.5%；烟尘量占铁水量的1.16% 其中有77tO和20t2O3； 5、 炉衬侵蚀占铁水量的0.5%； 6、 氧气成分为99.5%O2和0.5%N2。

（二） 物料平衡计算

根据铁水成分冶炼钢种，可选用单渣不留渣的操作法。 为简化计算，物料平衡以100kg铁水为计算基础。

一、 炉渣量及炉渣成分的计算

炉渣来自元素的氧化，造渣材料和炉衬侵蚀等。 1. 铁水中各元素的氧化量%

表1-6 铁水中各元素的氧化量 % 铁水 终点钢水 氧化量 说明：

[Si]——在碱性转炉炼钢法中，铁水中的硅几乎全部被氧化，随同加入的其它材料带入的 SiO2 一起 进入炉渣中，故终点钢水硅的含量为痕迹；

[P]——单渣法，低磷铁水的去磷率约90%（±5%），同时要考虑钢包中回磷的因素； [Mn]——终点钢水残锰量，一般为铁水中锰含量的30%～40%，本设计取30%；； [S]——氧气转炉内去硫率不高，一般在30～50%的范围，这里取40%；

4

C 4.450 0.150 4.300 Si 0.550 — 0.550 Mn 0.530 0.160 0.370 P 0.140 0.014 0.126 S 0.041 0.025 0.016 备注 铁水温度1312℃ 实测 转入表1-7 安徽工业大学炼钢厂设计 指导教师：周俐 常立忠

[C]——终点碳与钢种及磷量有关，要求出钢后加铁合金增碳量（增碳量约 0.2%~0.3%）能满足钢的规格中限，即：[C]终点=[C]中限-[C]增碳；这里取[C]终=0.18%-0.03%=0.15%，可满足去磷保碳与增碳两个条件。 2、铁水中各元素的氧化量、耗氧量和氧化产物量的计算。

表1-7 铁水中各元素的氧化量、耗氧量和氧化产物量

元素 反应式 C[C] +元素氧化（kg） 4.3×90％=3.870 4.3×10％=0.430 0.550 0.370 消耗 （kg） 3.87×16=5.160 氧化产物（kg） 3.87×28=9.030 120.43×44=1.577 备注 12O2=CO 12C[C] +O2=CO2 Si[Si]+O2=(SiO2) 0.43×32=1.147 120.55×32=0.629 12280.55×60=1.179 280.37×71=0.478 55Mn [Mn]+ =（MnO） P 2[P]+1O2 20.37×16=0.108 555O2 20.126 0.126×80=0.163 0.126×142 6262=0.289 0.005×64=0.010 =（P2O5） S[S]+O2=SO2 S[S]+(CaO) =(CaS)+[O] 0.016×=0.005 0.016-0.005 =0.011 130.005×32=0.005 320.011×（-16） 32= -0.006 32设1为气化去硫 30.011×72 ①-0.004表还原出[O]量②[S]消耗CaO量=0.011×32=0.025 56=0.019 321O2=(FeO) 23Fe 2[Fe]+O2 2Fe[Fe]+=(Fe2O3) 共计

0.898 0.404 0.898×16=0.261 561.155 0.577 见表1-13及说明 见表1-13及说明 0.404×48 112=0.173 6.664 7.640 3.造渣剂成分及数量：（选自国内有关生产炉）

1）炉衬侵蚀成分及重量的计算（0.5㎏炉衬／100㎏铁水）

表1—10

炉衬成分 CaO MgO SiO2 重量（㎏） 0.5×6.95%=0.035 0.5×72.00%=0.36 0.5×2.05%=0.010 炉衬成分 Al2O3 C* 共计 重量（㎏） 0.5×1.00%=0.005 0.5×18.00%=0.090 0.500 28C*:其中 90%C→CO 0.090×90%×12=0.189[㎏]

4410%C→CO2 0.090×10%×12=0.033[㎏]

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消耗O2 ： 0.189×1628=0.108[㎏]

0.033×3244=0.024[㎏]

炉衬中C共消耗O2重 0.132[㎏]

2）轻烧白云石成分及重量的计算（3㎏轻烧白云石／100㎏铁水）

为了提高转炉炉衬寿命，在加入石灰造渣的同时，添加一部分白云石作造渣剂，其目的是提高炉渣中 MgO的含量。初期渣中（MgO）含量增高，使炉渣的熔点和粘度明显降低，减缓或阻碍石灰颗粒表面的硅 酸二钙层（2CaO·SiO2）的形成，从而加速石灰的熔解。同时，能减少初期渣中的（FeO）含量或者中和 一部分氧化铁，因此降低了炉渣的有效氧化能力。这样就使得焦油白云石炉衬中碳的氧化作用减慢，有利 于提高炉衬耐浸蚀能力。另外，提高炉渣中的（MgO）含量，降低了炉渣对炉衬的浸蚀能力，在吹炼后期 随着炉渣碱度的提高，其粘度相应提高，使得炉壁容易挂渣，从而保护避免受浸蚀，也有利于提高炉衬寿 命。生产实践表明，渣中（MgO）含量为 8～12%时，其效果较好。为此，必须保证渣中（MgO）含量在 8～12%之间来计算白云石加入量。经试算后取轻烧白云石加入量为0.5～3.0 / 100公斤铁水，本设计取3。

表1—11轻烧白云石成分及重量的计算

成分 CaO MgO Al2O3 SiO2

*加入轻烧白云石后经经炉渣成分计算，应满足MgO=8～12%范围（见表1—13），目的是可以提高炉衬抗熔渣的侵蚀能力，提高炉龄。

* *烧碱是指轻烧白云石或石灰中未分解的CO2及其重量。

3）矿石加入量及成分。矿石加入量为1.00kg/100kg铁水，其成分及质量见下表。 矿石加入量及其成分

重量（㎏） 3×45.5%=1.365 3×31.5%=0.945 3×2.74%=0.082 3×12.46%=0.374 成分 烧减** 共计 重量（㎏） 3×7.8%=0.234 3.000 成分 M（Fe2O3） M（FeO） M(SiO) M(Al2O3) M(CaO)

重量（㎏） 1.00×61.80%=0.618 1.00×29.40%=0.294 1.00×5.61%=0.056 1.00×1.1%=0.011 1.00×1.0%=0.010 成分 M(MgO) M(S1) M(H2O) 共计 重量（㎏） 1×0.5%=0.005 1×0.06%=0.001 1×0.5%=0.005 1.000 1、 S以[S]+[CaO]=[CaS]+[O]的形式反应，其中生成CaS量为0.001×72/32=0.002[㎏]

消耗CaO量为0.001x56/32=0.002(kg) 消耗微量氧，忽略之。

4）石灰成分及重量的计算（4.62㎏石灰/100㎏铁水）

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表1—12

石灰成分 CaO SiO2 MgO 共计

说明：石灰加入量计算如下：

取终渣碱度R=% CaO/%SiO2=3.5 (参炼钢原理P167图5—19)

SiO2）-S（CaO）RS（SiO2）-S（CaO） 则石灰加入量Q=RS（% CaO=）% CaO- R%SiO2石灰有效石灰重量（㎏） 4.62×92.15%=4.257 4.62×1.66%=0.077 4.62×1.54%=0.071 4.620 石灰成分 Al2O3 S* 烧减 重量（㎏） 4.62×1.83%=0.085 4.62×0.02%=0.001 4.62×2.8%=0.129 式中 Σ(SiO2) = (铁水+炉衬+轻烧白云石+矿石)中带入

=（1.179+0.01+0.374+0.056） =1.612[㎏]

参表：（1—7、1—8、1—9、1—10、1—11）

Σ(CaO ) = (轻烧白云石+炉衬+矿石—铁水[S]消耗—矿石中[S]成渣耗CaO

=（1.365+0.035+0.01—0.019-0.002） =1.389[㎏]

参表：（1—7、1—8、1—9、1—10、1—11） ∴

Q石灰=92.15%-3.5?1.66%=4.62[㎏]

3.5?1.612-1.389S*:反应式为[S]+( CaO)= (CaS)+[O]

72 其中：生成(CaS)重:0.001×32=0.002[㎏]

还原[O]: 0.001×1632=0.0005[㎏] 消耗（CaO）量：0.001×5632=0.002[㎏] 4）.终渣Σ(FeO)的确定

取R=3.5及Σ(FeO)=15%时可满足终点钢水中[P]=0.014%的要求(参表1—6及炼钢原理P167图5—19) 这里取Σ(FeO)= (tO) +0.9（tO) =15% 取（Fe2O3）/Σ(FeO)=

13 。故（Fe2O3）=5%，(FeO) ≈10%

5）．终渣成分及重量的计算

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表1－13

终渣成分 CaO MgO SiO2 P2O5 MnO Al2O3 CaS FeO Fe2O3 共计 说明

1．总渣量的计算如下：

表中CaO+MgO +SiO2+ P2O5 +MnO+ Al2O3 +CaO =5.67+1.381+1.696+0.289+0.478+0.183+0.029 =9.816[㎏]

总渣量 —Σ(FeO)=100%—15%=85% 因此总渣量=

9.81685%氧化产物/㎏ 1.179 0.289 0.478 0.025 1.155 0.577 3.703 石灰/㎏ 4.260 0.071 0.077 0.085 0.002 4.495 轻烧白云石/㎏ 1.365 0.945 0.374 0.082 2.766 炉衬/㎏ 0.035 0.360 0.010 0.005 0.410 矿石 0.010 0.005 0.056 0.011 0.002 0.084 总重/㎏ 5.670 1.381 1.696 0.289 0.478 0.183 0.029 1.155 0.577 11.548 % 49.88 11.96 14.69 2.5 4.14 1.58 0.25 10.00 5.00 100 =11.548[㎏]

2．(FeO)重＝11.548×10%=1.155[㎏]，其中Fe氧化量

11.548×5672=0.898[㎏](转入表1—7) （Fe2O3）重＝11.548×5%=0.577[㎏] 其中Fe氧化量

0.577×112160=0.404[㎏](转入表1—7)

*1.934= CaO石灰中— CaOS消耗 =4.257-0.002

=4.26[㎏](表1—12及附注)

二、矿石及烟尘中的铁量和氧量的计算

1、1.16[㎏烟尘/100㎏铁水]带入的铁量和氧量为：

112Fe（烟尘中）=11.6×(77%×5672＋20%×160)

=0.857[㎏]

烟尘中：FeO=77%； Fe2O3=20%

48O2（烟尘中）=1.16×(77%×5672＋20%×160)

=0.268[㎏]

112矿石中带入的铁量m（Fe）=1.00×(29.40%×5672＋61.80%×160)=（0.661）kg 48矿石中带入的氧量m（O2）=1.00×(29.40%×1672＋61.80%×160)=(0.251)kg

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三、炉气成分及重量的计算

表1－14

炉气成分 CO CO2 SO2 O2 N2 H2O 共计 说明：

CO重=（铁水+炉衬）中C氧化生成=9.03（表1—7）+0.189（表1—10）=9.219[kg]

CO2重=（铁水+炉衬）中C氧化生成+（轻烧白云石+石灰）的烧碱=1.577（表1—7）+0.033（表1—10）

+0.234(表1-11)+0.129（表1-12）=1.973[kg]

SO2重=铁水中气化去硫重=0.01[kg]（表1—7） M(H2O)=矿石带入的水质量=0.005kg

*与* *：为炉气中O2 与N2重，可由炉气总体积V(Nm3),反算求出。其中已知氧气纯度为99.5%O2，0.5%的N2

（做课程设计时可改为：99.5%%O2和0.5%N2）和炉气中含自由氧的体积为0.5%，因此 炉气总体积V=(H2O +CO +CO2 +SO2)体积（表1-14）+自由氧的体积+ N2体积

=0.006+7.375+1.004+0.004+0.5% V+ N2

其中：

N2=

22.4??7.64?0.268?0.131-0.251?0.0005??0.5%V3299.5%重量，㎏ 9.219 1.973 0.010 0.060 0.034 0.005 11.310 体 积 （Nm3） 9.219×22.428=7.375 1.973×22.444=1.004 0.01×22.464=0.004 0.042 0.027 0.005×22.4/18=0.006 % 87.19 11.87 0.05 0.50 0.32 0.07 100.00 ?（1-99.5%）

* * * ：括号内的参数为“氧气的消耗和带入项目” （见表1-15）分式部分为氧气纯度99.5%时氧的体积。×（1-99.5%）。表示换算成N2体积。

因此可得V=8.389+0.5% ?V+（0.027+0.003%?V） 整理后 V=8.459[Nm3]

炉气中自由氧体积=8.459×0.5%=0.042m3 炉气中自由氧重=0.042×32=0.06[㎏]

22.4炉气中氮体积=0.027+0.003%×8.459=0.027[Nm3] 炉气中氮重=0.027×28=0.034[㎏]

22.4四、未加废钢时氧气的消耗量的计算

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表1—15氧气的消耗和带入项目

元素氧化耗氧量 烟尘中铁氧化耗氧量 炉衬中铁氧化耗氧量 矿石分解带入氧的质量/kg 7.640 0.268 0.132 0.251 （表1—7） （见二） （见表1—7） 自由氧重 炉气中氮重 石灰中S反应 带入氧重 0.060 0.034 0.0005 表1—14 表1—14 表1—12说明 由此可得实耗氧量=7.64+0.268+0.132+0.06+0.034-0.0005-0.251=7.882[kg] 或实耗氧体积=7.882×22.4=5.52[Nm3／100㎏铁水]

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=55.2[Nm3／T铁水]

五、钢水量计算

吹喷项目：

元素氧化量：6.664kg表1－7 烟尘中铁损量：0.857kg 渣中铁珠重：0.924kg 喷溅铁损量:1.000kg 矿石带入的铁量:0.661kg

因此100kg铁水可得钢水收得率为：

100-（5.292+0.857+0.408+1.000）+0.661=91.216kg

六、未加废钢时的物料平衡表

表1－16 未加废钢时的物料平衡表

收入项 铁水 石灰 轻烧白云石 炉衬 氧气 矿石 共计

00-117.16计算误差=117.?100%?-0.13% 117.00质量/kg 100.00 4.62 3.00 0.50 7.88 1.00 117.00 含量/% 85.47 3.95 2.56 0.43 6.74 0.85 100.00 支出项 钢水 炉渣 炉气 烟尘 铁珠 喷溅 共计 质量/kg 91.22 11.55 11.31 1.16 0.92 1.00 117.16 含量/% 77.86 9.86 9.65 0.99 0.79 0.85 100.00 （误差大时应检查原因或重算）

（三）热平衡计算（取冷料为25℃）

一、热收入项

1、铁水物理热

铁水熔点=1536-（4.45×100+0.55×8+0.53×5+0.14×30+0.041×25）-7

=1072 ℃

式中：1536为纯铁熔点℃,100、8、5、30、25分别为C、Si、Mn、P、S元素增加1%含量时铁水熔点降低。7为气体[O、N、H]对熔点总的影响。

铁水物理热=100×[0.745×(1072-25)+218+0.837×(1312-1072)]=119889.5 kJ 2、铁水中各元素氧化热与成渣热

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表1—22 合金 成分 元素烧损重kg 0.590×7.5% ×（1-90%）=0.004 0.590×2.5% ×（1-70%）=0.004 0.590×75% ×（1-75%）=0.111 0.119 0.333×70% ×（1-75%）=0.059 0.335×0.7% ×（1-80%）=0.0005 0.0595 0.179 耗氧量kg 0.004×32=0.011 120.004×32=0.005 280.111×16=0.032 55 0.047 0.059×32=0.067 280.0005×16=0.0001 55产物 成渣量kg 0.004×60=0.008 28元素进入钢中 炉气量kg 0.004×44=0.015 12 0.015 0.015 重量kg 0.590×7.5%×90% =0.040 0.590×2.5%×70% =0.010 0.590×75%×75% =0.332 0.590×0.38%=0.002 0.590×0.03%=0.00017 0.590×14.59%=0.086 0.470 0.335×70% ×75%=0.176 0.335×0.7% ×80%=0.002 0.335×29.21%=0.098 0.276 0.741 重量百分数% C→CO2 Si→SiO2 0.04100%=0.04% 92.65*×0.010100%=0.01% 92.65×锰 Mn→MnO2 P S Fe 合计 Si→SiO2 0.111×71=0.143 55 0.153 0.059×60=0.126 280.332100%=0.36% 92.65×0.002100%=0.002% 92.65×铁 因S%微量而不计 0.176100%=0.19% 92.93*×0.002100%=0.002% 92.93×硅 Mn→MnO2 Fe 合计 总计 0.0005×71=0.0006 55 0.127 0.280 铁 0.067 0.114 铁硅用量比锰硅少P、 S量更低而不计

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第二部分 270吨转炉炉型设计计算

当第一部分结束经审阅后可进入第二部分的计算。有关计算参数可参第一部分的计算资料并结合国内外同类炉子最后选定计算参数。

应用计算公式时应附符号说明，并注上前后一致的单位。选用参数时应分析原因并附上下限的范围。

(一)转炉炉型及主要参数

一、转炉三种炉型介绍

转炉炉型应能适应炉内钢液、溶渣和高温气的循环运动规律，达到反应快、喷溅少和炉龄高等目的。内型应与残余炉衬的轮廓接近，以利减少炉衬的局部侵蚀和降低耐火材料的消耗，此外还要容易砌筑。

目前，氧气顶吹转炉金属熔池形状可分为三种炉型： 1.筒球形炉型

这种炉子形状简单、砌砖方便、炉壳容易制造。球形底可使散热面积小，倒渣时炉底形成拱顶而强度相对要大。球底熔池的形状接近金属液的循环轨迹。.常用于≥50吨的炉子。

2.锥球形炉型

这种炉子的熔池形状更符合钢流循环的要求，且与筒球形相比，当熔池深度相同时，熔池直径与反应而积均可稍大而有利于去磷反应的进行(见式2-6和式2-6)。常用于20~80吨的炉子。

3.截锥形炉型

熔池循环有死角，故适用于≤30吨的炉子。这种倒圆台的炉底比球形炉底易于砌筑.

二.炉子各部分主要尺寸参数的确定和计算

转沪的主要尺寸如[4]254图23一1所示.下面分五个部分进行讨论 (I)熔池部分 1.熔池直径的计算

D=KG/t 式中：G——新炉金属料装入量，T（由原始条件给出）

t——吹氧时间，min

K——系数 >30吨炉子 K=1.85~2.1

系数 <30吨炉子 K=2.0~2.3

3前期出钢量[T]′加废钢后耗氧量[Nm/T] t=

供养强度[Nm3/Tmin]′G[T]由表1-21可求“加废钢后每吨钢水耗氧量”=

氧[kg]×1000[kg]×22.4[Nm3] 钢水[kg]32[kg]T供氧强度可参表2—1，计算后，供养时间应符合表2—2的范围。

参表2—1 转炉供氧强度[Nm/T·min]参数表 厂名 公称容量 喷头孔数 供氧强度

唐钢 5 单孔 4~6.5 天津二钢 15 三孔 3.5~3.8 首钢 30 三孔 3.4~3.6 上海一厂 30 三孔 3.4~3.0 太钢二炼 50 三孔 2.75~3.1 全钢 50 三孔 2.75~3.1 武钢二炼 50 三孔 2.85~3.3 3

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续表2—1

厂名 公称容量 喷头孔数 供氧强度 樊纲 120 三孔 2.5 鞍钢 150 三孔 2.45 （西德）萨尔茨吉特 200 三孔 4 （日）加古川 250 三孔 2.6 （意）塔兰托 300 三孔 3 宝钢 300 三孔 ~4.4 表2—2 转炉供氧时间参数表

公称容量 供氧时间(min)

2.金属熔池体积和熔池深度的计算 ①当取铁水密度ρ=6.8[T/m3]时

则金属熔池体积V金属=G[T]×0.147[T/m3] ②锥球形熔池深度h=V金属+0.0363D(m)

0.7D2③筒球形熔池深度h=V金属+0.046D(m)

0.79D2由：比较式2—6与式2—7可知，当深度两者相同时，锥球形熔池直径稍大而可扩大熔池的渣钢反应界面有利于去磷的反应。

两种熔池相应尺寸见图2—1所示

3<50 12~16 50~80 16~18 >120 14~20 3R=1.1D D h’ h R=1.1D D h’ h (a) b=0.895D h’=0.090D (b)h’=R-R-(D2) 22

图2—1 锥球形熔池（a）和筒形熔池（b）的示意图

3.熔池深度的核算

由[7]，对顶吹转炉要求有合适的熔池穿透比：

表2—3 熔池穿透比参数表

h/h穿

4.熔池穿透深度的三种计算式(结果近似可选用) ①试算式

单孔喷头 0.4~0.7 三孔喷头 0.25~0.4 18

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H锥+h穿2.93.4h穿=[13([（）P设]/10-4r[mm] [7]69 2-28

d0喉式中： ρ= 6.8 [g/cm3]

最高枪位 H高=4.33d出·P0=35d出[mm][7]

最佳枪位 H佳=3.1d出·P0=25d出[mm]

或 H*=1.4H佳

②三孔喷头单孔穿透式 = d出·V单孔/(H佳+ h穿) [mm]2

其中：V单孔—[Nm3/S〕;其余参数的单位与试算式同。 (参西安冶院编的炼钢设计参考资料) 解：令x=h穿1/2，则x2= h穿 可得一般式

x3+ax2+bx+c=0 (x有三个根)

以x=y-1a代入则可得 312Y2+py+q=0 (由y：即可得根x：=h穿)

∴

y1=3q2q3qq2q332-q+()+()+--()+( 223223)=h穿1(参四川矿业学院编的数学手册第13页)

式中：q= V单孔[mm·Nm/S] V单孔=

P= H佳=25 d出 [mm]

单孔流量[Nm3/S]

2-422单孔出口面积[cm][10?m/cm]=

供氧强度[Nm3/T?min]?G[T]/3[孔]60[S]?

22-4(p/4)d出[cm]10③近似计种式 （参[4]15(2—7)式）

0.50.6h穿=40·[p0?d出]/r0.4′1.625

(Ⅱ)炉帽部分（参[4]254图23—1）

1、炉口 炉口小有利于出钢不留渣可防回磷，也可减少炉口辐射损失和防喷，但要便于加废钢，兑铁水和补炉等操作。

炉口尺寸与熔池直径之比为 d/D=0.43~0.53

炉口上部有柱形段高约300~400mm，可防炉口耐火材料因耗损而迅速扩大炉口尺寸。 炉口外部有水冷炉圈(参图或[4]257图23-3和图23-2)可易于清除炉口上的结渣。

2.炉帽倾角当炉帽高度一定时，增大倾角θ则炉子容积扩大。倾角小时则耐火材料成悬臂型负荷而容易使炉帽倾塌。

一般倾角θ=55°~700°，大炉取下限。 当耐火材料弧度高时可取θ= 60°士3° 3.炉帽高度

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H帽=

1（D-d）tgθ（300~400) 2= H帽′+（300~400)〔mm〕 (2一20) 式中：300~400mrn为炉口上端柱形段的高度 4.炉帽容积

V帽=0.262 H帽′（D2- d-D·d)+0.785d2(0.3一0.4) [m3] (2一21) (Ⅲ)炉身部分

1.炉身高度 H身 =

V身 (2一22) 2(1/4)pG式中:炉身容积V身，由炉容比(V/T)确定，为转炉有效容积和公称容量的比值。

转炉有效容积V=V金属+V身+V帽 (参[4]图23一1) (2一23) 2. 炉熔比

一般(V/T)=0.85~0.95(参附表) (2一24) 当铁水中[Si、P、S]高，铁水比大，并用矿石作冷却剂，或提高供氧强度均要求相应增大炉熔比，这样可以容纳较多的渣量和顺利地排出CO炉气而防止喷溅和过度冲刷炉衬。 3.出钢口

取出钢口在炉帽与炉身的交界处([5]492)，有利于在出尽钢水的同时可少下渣而减少回磷，出钢口直径应保证出钢时间在3~6分钟左右。过小则出钢时间长使钢水降温大，且钢流冲

力小不利混匀铁合金。过大则钢流易发展而氧化并加大下渣量影响回磷，缩短出钢口和长度可减少热损失便于维修。出钢口的水平倾角一般在0~30°之间

出钢口直径可由经验式确定：d出钢口=63+1.75[cm] (2-25) T一一炉子容量[T]

(N)沪衬材质的选择，组成和厚度的确定

我国目前炉衬砖主要有焦油白云石砖和焦油镁砂、砖两种。它们的耐火度都在2000℃以上，并有良好的抗碱性渣的能力。

炉衬的组成可分为:工作层、填料层和永久层。分述如下:

1.永久层 用以保护钢板，用一层镁砖侧砌，厚约113~115:mm。炉底永久层为345mm ([4]51)。

2.填料层 可减轻工作层在受热膨胀时对钢板的挤压作用，并可便于拆炉和调整炉容比，厚度86~175mm。 3工作层 厚度400~800mm,炉底350~600mrn,炉帽工作层由于使用三孔喷枪后，喷 溅高度下移，因此可比炉身工作层稍薄，约为炉身工作层的86%。

表2—4 我国部分转炉炉衬厚度（mm）设计参考数据

公称容量（T） ≦30 ≧50

(Ⅴ)炉子外形尺寸的宽度比（H总/D壳）（参[4]254图23—1）

炉子高宽比大则增加转炉的倾翻力矩，并使厂房高度随之增加。但可减少炉子的喷溅，炉子高宽比小则增加熔池的反应面积。

400~600 450~600 60~115 115 40~60 60~80 550~600 550~700 400 500~600 730 900~1050 4416~ 炉帽工作层 炉身永久层 填料层 工作层 炉底工作层 炉底厚度 球形

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表2—5 我国推荐的转炉高宽比和炉壳厚度

公称容量（T） 高宽比 炉壳厚

≦30 1.5~1.6 32 50~80 1.4~1.5 55~70 120~150 1.3~1.4 70~80 300 1.488 80~90 （二)炉型设计计计算

以175吨氧气顶吹转炉设计：

一、原始条件

1.炉子前期平均出钢量为175吨钢水(前三炉除外)。钢水收得率在90%左右（也可由“加废钢后物料平衡”表中选取)，则新炉金属装入量G=0.92=293（T）。

2.原料用平炉生铁P08(参[2]101)或给定条件(参表1一1)，冷却剂为矿石和废钢。 3.氧枪用四孔拉瓦尔型喷咀，设计氧压P。取8.1[kg/cm2]。

270二、熔池尺寸计算

1.熔池直径计算

据生产炉的情况选用供氧强度取为2.8[Nm3/T·min]，则供氧时间： 由式（2一2)为 t=2.8Nm3/T?min?293?T?

=17[min] (与表2一1及表2相符)

式中：:53为每吨钢水的耗氧量

低磷铁水时为50~57[Nm3/T]左右，高磷铁水时在62~69[Nm3/T]左右。 具体计算如下：

36.69?kg?由式（2—3）可求“加废钢后每吨钢水耗氧量”=92.18?kg?×1000[㎏/T]×22.4[Nm]=53[Nm3/ T ]

270?T??53Nm3/T????32[㎏].因此可得熔池直径D =KG/t=1.48×29317 =6.144[m]=6144[mm] (此值与附表参数相符)

2.熔池深度的计算

343.09?0.046?6.1443V+0.046D金属选用筒球形熔池时 h===1.803[m]=1803[mm] 0.79?6.144220.79D (此值与附表参数值接近)

式中：V金=G[T]/6.8[m3/T] =293/6.8=43.09[m3]

3、核算熔池深度

根据资料[7]介绍，氧气顶吹转炉三孔喷头要求h穿/h—0.25~0.4（表2—3）故用三孔喷头的单孔穿透式进行核算（计算时有关参数由第第三部分喷头的计算结果提供）：

h穿=·V单孔/(H锥+h穿)

[mm]12

式中：d出——三孔喷头中一个喷空的出口直径；

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d出=39[mm]

——单个喷空在标态时的流速[Nm3/S]

V单孔

qo2[Nm3/S]==[Nm/S] A[cm2]′10-4[m2/cm2]qo2=Qo2/3[孔]=2.745/3=0.915 A=11.94[cm2]

H佳——操作时的最佳枪位[mm]，喷头与静止钢液的距离

H佳=25d出=25×39=975[mm]，取H佳=1000[mm] （2—15）

将式（2—12）改成d出·V单孔 =令x=h穿（H穿+H佳）

h穿,则x2=h穿

或 39×766=x(1000+x2)=29874 整理后得 x3+1000x-29874=0 由式（2—13）得 ∴x=3

x=32987422100033+(298742)+(3)+298742210003-(298742)+(3)

31066+3-1192=31.44-10.60=20.84=h穿

h穿=434.3 [mm]

验算：h穿/h=434.3/1126=0.386(0.25~0.4范围内)也可用式（2—8）试算，试算时取h穿=365 [mm]，则代入式（2—8）得

+365-2.913(1000)′8.13.430h穿==365[mm]

6.8′10-4由于试算式两边相等，因此试算成立。

试算：h穿/h=365/1126=0.32(也在0.25~0.4范围内)。 下面再用式（2—18)作近似计算

h穿=[40×8.10.5×390.6]/6.80.4×1.625=293

验算：h穿/h=293/1126=0. 26(也在0.25~0.4范围内)。

由上可知，上面三种计算都能用，只是计算值有些差异，分别处于验算范围的上下限和中限内。

三、取炉帽尺寸计算

1、取炉口直径与炉膛直径之比d/D=0.48（波动范围为0.43~0.53) 则可得直径d=6144×0.48=2950[mm]可有利于加废钢和兑铁水等操作。 2、炉帽角为为60°(一般为60士3°) 3、炉帽高度计算

11H帽=2（D-d）tanθ+（300~400）[mm]=2×(6144-2949) ×tan60°+400=3167[mm]

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4、炉帽容积计算

V帽=12×2(D-d) tanθ×(D2?Dd?d2)+4?1?d2×0.3[m3]

? =12×2(6.144-2.95) ×tan62°×(6.1442+6.144×2.95+2.952）+4×2.952×0.4 =54.46[m3]

?1四、出钢口尺寸计算

由经验式 出钢口直径 d出钢=63+1.75T[cm]= 出钢口衬砖外径 dST=6d出钢=1380[mm] 出钢口长度 LT=7d出钢=1610[mm] 由附表取水平倾角Φ为18°

63?1.75?270=23[cm]≈230[mm]

五、炉子内型高度的计算

根据铁水成分，钢水收得率取92%，选用炉容比(V/T)=0.9，则新炉时炉膛有效容积V=G[T]×V/T=270×0.9=243[m3] 。 因此可得：炉身容积 V身=V-(V金+V帽)

=243-(43.09+54.46)=145.45[m3]

炉身高度 H身=?145.45?6.1442=4.91[m]=4910[mm]

4炉型内高 H内=h+H身+H帽

=1.803+4.91+3.167 =9.8761[m] =9876[mm]

六、炉衬厚度的选定

炉衬工作层选700mm，填充层100mm，永久层115mm 总厚度为700+100+115=915[mm]

炉壳内径为：6.144+0.915×2=7.525[m]=7970[mm]

炉帽和炉底工作层均选600mm,炉衬砖用焦油白砖振动成型的大砖。

炉底永久层用标准煤粉砖立砌一层230mm，粘土石云平砌三层65×3=195mm。 炉底总厚度为：600+230+195=1025 [mm]

炉壳内型总高 H总=9.876+1.025=10.326[m]=10901[mm]

七、炉子高宽比的确定

取炉壳的高宽比 H/D=7970?75?2=1.35(与附表相符)

因此可以认为炉子尺寸基本上是合理地，能保证炉子的操作正常进行。

根据上述计算所得的炉型尺寸作出炉子内型尺寸示意图，并标上尺寸（参[4]254图23—1）。 再参考兰图作出175吨转炉炉型图 要求炉子尺寸和主要参数与附表参数相接近 八、氧气顶吹转炉主要参数表

10901?65

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附表

名称 符号 单位 天津二钢 公称容量 炉壳全高 炉壳外径 高宽比 内型有效高度 有效容积 炉容比 炉池直径 炉池深度 炉口直径 炉口直径/炉膛内径 炉帽倾角 出钢口直径 出钢口倾角 炉帽厚 炉身厚 炉底厚 炉壳钢板厚 炉壳材料 转炉全重

吨 A3 120 16Mn 131 A3 142 14MnNb 280 16Mn 287 16Mn 270 16Mn 16Mn 543 16Mn 576 16Mn mm mm mm mm 628 640 665 30 600 665 650 30 495 700 740 32 510 750 985 55 510 750 985 55 700 795 933 55 600 750 934 55 682 815 900 70 600 800 1053 70 700 850 1042 85 D出钢 度 100 40 100 15 100 45 140 19 100 19 120 19 120 19 178 20 180 20 200 T H D H/D H内 V V/T D h d d/D T mm mm mm m3 m3/T mm mm mm 度 15 6050 3660 1.64 21.46 1.43 2000 860 1100 0.478 66 上海三厂 25 6270 3890 1.61 23.67 0.95 2600 950 1100 0.423 60 30 6700 4000 1.67 5928 23.9 0.8 2516 1000 1235 0.49 50 7280 5110 1.43 6250 49.16 0.98 3500 1030 1850 0.53 55 50 7380 5110 1.44 6350 49.4 0.99 3500 1000 1850 0.53 60 50 7470 5110 1.46 6492 48.64 0.973 3500 1100 1700 0.49 60 50 7470 5110 1.46 6391 52.75 0.95 3500 1085 1850 0.53 60 130 9750 6670 1.46 8780 122 0.9 4900 1350 2200 0.45 62 150 9200 7000 1.31 8977 139 0.86 5260 1470 2500 0.48 60 300 11500 8670 1.49 10458 315 1.05 6742 1949 3600 0.53 60 首钢 太钢 包钢 马钢 武钢 攀钢 鞍钢 宝钢

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第三部分 喷头及氧枪设计计算

（一）喷头理论与设计

一、有关公式[5]537

1、缩放管公式（M2—1)dv=

vdA （3—1） A讨论马赫数 M=V/a （3—2） ① M<1为亚音速，V1为超音速，V>a，当断面放大（dA=+），则流速增大（dV=+）。

因此，当可压缩流在经过缩放喷咀后，流速可经亚音速，音速而得超音速，从而使氧气由压力能转化为超音速动能，用以搅拌熔池进行冶金反应。

2、三孔喷头在不同单位时的氧流量计算式 [5]546

Wo2=3错误！未找到引用源。×0.4167P0A*/错误！未找到引用源。（3—3）

错误！未找到引用源。o2=3错误！未找到引用源。17.5P0A*/T0错误！未找到引用源。[Nm3/min] （3—4）

式中：A*——喉口面积[cm2] P0——设计氧压[kg/cm2] 而KgO2=0.7[Nm3]（参[2]628） 3、用冷却水温度代氧滞止温度后的影响

取氧气贮气罐滞止温度T0=15°C（288K），冷却水温度T水=20°C（293K），当用T水代T0上升5°C，对氧气流量地影响为：

Wo2（288）/ Wo2（293）=17.5P0A*/288错误！未找到引用源。=错误！未找到引用源。

17.5P0A*/293288=1.0085 293T0[kg/S]

即用T水代T0升温对 氧气流的影响为0.0085<1% 因此可用T水错误！未找到引用源。≈T0（参[5]557）

4、当确定出口马赫数后如提高供养压力，则出口压力，滞止温度和出口温度都相应提高。 错误！未找到引用源。P=（1+

M52Po-7/2

错误！未找到引用源。）=错误！未找到引用源。(

T7/2

) [5]546 T0（3—5）

5、贮气罐的表压力可代喷头入口处的绝对氧压

错误！未找到引用源。+（错误！未找到引用源。大气—错误！未找到引用

源。阻损）=P绝（入口） （3—6）

式中：P表——错误！未找到引用源。贮气、表压力与喷头入口氧压等

错误！未找到引用源。阻损——错误！未找到引用源。用于克服管道阻力损失，其值约1大气压，因此可认为近似地抵消了大气压力错误！未找到引用源。大气错误！未找到引用源。

错误！未找到引用源。o 符号“0”指滞止状态，也即为设计氧压或供用氧压

表

关系式为：P

6、出口马赫数 M=V/a=42.646

T?To错误！未找到引用源。/19.07T [5]536

25

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（3—7）

=2.244To?1 （3—8）

T

P绝=P液+P大气（=P0=P设=P供） P阻损≈P大气 P入口=P绝（入口） 图3-1 转炉供氧各部压力示意图

二、参数分析

1、三孔喷头氧流量=（加废钢后每吨钢耗氧量）错误！未找到引用源。（出钢量）/（吹氧量）[Nm3/min]

（3—9）

（3—10）

① 令后期炉膛扩大，为保持炉容比（V/T）和吹氧时间不变应同时提高出钢量和氧流量； ② 提高氧流量的方法有两种：提高氧压P0或换枪使用时增大喉口面积A*和出口面积A（由表3—1

知出口马赫数可保持不变）。

或Qo2=3错误！未找到引用源。17.5P0A*/错误！未找到引用源。[Nm3/min]

表3—1 可压缩气体等熵流各参数的比值表

M 1.5 1.95 1.96 1.97 1.98 1.99 2.00 2.01 2.02 2.03 2.04 P/P0 .2724 .1381 .1360 .1339 .1318 .1298 .1278 .1258 .1239 .1220 .1201 .3950 .2432 .2405 .2378 .2352 .2326 .2300 .2275 .2250 .2225 .2200 .6897 .5680 .5655 .5630 .5605 .5580 .5556 .5531 .5506 .5482 .5458 1.176 1.619 1.633 1.646 1.660 1.674 1.688 1.702 1.716 1.730 1.745 T/T0 A/A* 26

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2.05 2.30 2.50 3.0 .1182 .07997 .05853 .02772 .2176 .1616 .1317 .07623 .5433 .5489 .4444 .3571 1.760 2.193 2.637 4.235 2、供氧强度=加废钢后每吨钢耗氧量/吹氧时间[Nm3/T错误！未找到引用源。min]

当渣量少，炉容比大，喷空多均可提高供氧强度而缩短冶炼时间。 3、设计工况氧压（P设=P0）和出口马赫数M的确定 取：冷却水温度代滞止氧温度T0=17[°C]=290[K]

炉内压力P=1大气压=1.034[kg/cm2]

可由式（3-5）、（3-6）和表3-1得表3-2及图3-2

表3—2不同出口马赫数M时所需的设计工况氧压（P设）与各出口参数间的关系 M 1.5 2.0 2.3 2.5 3.0 由表3—2及图3—2可知

T0[K] 200.01 161.12 140.91 128.88 103.56 ao[m/S] 269.70 242.06 226.37 216.49 194.06 V0[m/S] 404.55 484.12 520.65 541.23 582.20 P设=P0[kg/cm2] 3.80 8.10 12.93 17.67 38.00 P设=P0[㎏/㎡] V出[m/s] 25 20 15 10 5 V P0 630 580 530 480 430 380 0 3—2 出口马赫数M与P设、V出的关系图 图

1.5 1.7 1.9 2.1 2.3 2.5 2.7 提高出口马赫数需相应提高设计工况氧压，但可得较大的出口速度取得较好的搅抖动能；

① 新炉取出口马赫数M=2时，由图或计算可知，设计工况氧压P设=8.1[kg/cm2]较低，但出口氧速V

出

=484[m/S]较高；

② 当M>2时，P设上升快而V出的上升曲线则变平，因此取M=2时比较经济合理，即设计氧压不高，

但出口氧速大，搅拌好。

V出的上升曲线在M>2后变平的原因可从表3一2中看出，原因是出口温度T下降，和音速(a=19.07随之下降有关，这时P设上升快而V出上升慢(图3一2)。 气体动能分配估计: (参〔4〕16)

搅拌. 克服浮力 非弹性碰撞 200% 5~1000 70~80%

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T)安徽工业大学炼钢厂设计 指导教师：周俐 常立忠

例1:取出口马赫数M=2，出口压力与炉内环境压力相等为P=1. 0348.1[kg/cm2]，并用冷却水温度代滞止氧气温度T0=290[K]，求喷头前供氧压力Po[kg/cm2]绝对，以及出口氧流速V [m/S]和喷咀出口与喉口的直径比D/D*各为多少?

解:由表3-1知，当M=2时可得等嫡流的参数比值如下: A/A*=1.688 ;两边开方得D/D* =1. 299 P/P0=0.1278;或Po=1.034/0.1278=8.1[kg/cm2]

T/T0=0.5556;或T=0. 5556 X 290=161.12[K]

T=12. 7 因此可得 V=Ma=2X19.07T=2X19.07X12.7=484[m/S] (见图3一2) 也可由(3-7)式计算; V=42.646T0-T=42.646290-161.12=484[m/S] 例2:如取出口马赫数M=2. 3，则设计氧压应提高为12. 98[kg/cm2]，Vm=520.65}[m/S](见表3一2)这里: 设计工况氧压提高12.93-8.1=60%

8.1出口氧速仅提高520.65-484=7.6%

484因此M=2时比较经济合理.如氧压许可，也可选用M>2 ,如M=2. 2~2. 3这对三孔喷 愉相应可提高枪位对枪令极为有利。

④生产炉不取M<2，因在低马赫数区，只要用较少的供氧压力%使可换取更大的出口氧速度%(见表3一3)。

表3—3 △M相等氧压，出口速度相应增值比较表 M上升值相同 M由1.5上升到2.0 M由2.0上升到2.5

4、炉膛压力、出口氧压和供氧压力间的关系

一般设计计算取喷头在炉内的环境压力为1个大气压，即P=P出口=P=1.034[㎏/C㎡]。

当取M=2时则P/P0=0.1278,由此可得新炉设计工况氧压P0 =1.034/0.1278=8.1[㎏/C㎡](参表3—1及3—2)。 ①当喷头前氧压由Po=8. 1[kg/cm2」经缩放管达到出口断而处则下降到出口氧压P出=1.034[时压力能可全部转为超音速动能，且由于P出=P周因此可确保吹炼平稳。

②当氧枪和出口马赫数M=2已定，如提高操作氧压Po，则由式((3-5)将会相应提高出口氧压P并同时提高滞止氧和出口氧的温度T。和T2换言之，出口音速与出口氧速也将同时提高(参式3-7)。如假设T。不变，则由式((3-8)可知T也不会改变。因此可使出口氧速V也不变(参3-7)。由上面分析可提出这样的结论:“在氧气的滞止温度为定值时，氧气流出速度是氧气喷孔出口断面积与临界断面积之比的函数，而与压力无关”(见[4]月13)。否则出口氧速V与使用氧压有关(见[5]594)。

③如供氧压力低于8.1[kg/cmZ〕时，则由于P出口

④炉内实际环境压力由于泡沫上升和CO气体的排出，因此比1. 034[kg/cm2]稍大。因此生产炉的实际使用氧压应稍大于8.1[kg/cma2],炉龄后期可提高供氧压力，但不大于P设的50%，一般后期为Po=12[kg/cm2]。 5、喷孔夹角和喷孔问距

①三孔喷头的喷孔夹角一般为8°~12°(喷头与喷孔中心线夹角)，可在正常枪位下达到（R冲/R熔}=0.1~0.2的范围而有利于化渣，防喷并提高枪令，当熔池较深时可取下限以提高搅拌强度，由于三股射流有相互吸引的作用，如喷孔夹角<7°。则R冲/R熔<0. 1，会发生流股汇交类似于单孔喷头不利化渣，还易增大喷溅，

△M 0.5 0.5 △P% △V% 484-404=20% 404541-48412% 4848.1-3.8=113% 3.817.67-8.1=118% 8.1 28

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如喷头夹角>12°，则高温氧流会冲刷炉壁，同时由于流股中心偏转较大使流速低对搅拌熔池不利，但随着喷头孔数的增加喷孔夹角也相应增大.。

表3一4推荐设计喷孔数和喷孔夹角的参数 喷头孔数 喷空夹角

②喷孔间距对射流产生的相互影响，间距过小，射流之间产生的吸引力会增大相互交汇的趋势，如增大喷孔间距，除可起增大喷孔夹角的效.果外，还不会降低射流中心的最大流速，这与增大喷孔夹角而降低中心最大流速是不同的，对三孔喷头取喷头中心与喷孔端面中心距为(0.8~1.0)d出时，可使氧流速的衰减变慢。 6、喷头端面形状

为保证超音速氧流在出口时具有对称的边界条件而不影响流股的形态，喷孔的出口断面应为正口拉瓦尔型，即端面应设计成与喷孔中心线垂直的圆锥面，其圆锥角α与喷孔夹角相同，为改善端面顶部的冷却条件，也可设计成截头圆锥体。 7、喷孔缩放断面尺寸的确定

收缩段为亚音速，马赫数M<0.2~1；喷头处为音速，故马赫数M=1；扩张段为超音速，因此M=1~2，尺寸表示如图3-3所示。 ①半扩张角4°一6°(图3一3)

过小一─扩张段长度增加而附面层增厚，除阻损增加外，由子减小了实际出口断面积并使出口氧速下降。 大一─会在喷咀出口处产生严重的激波(为气流属性，如压力温度，密度等的不连续面)，当气流通过产生激波时，压力、温度和密度增加，而气流速度则减慢（[5]562及569)。 ②扩张段长度L＝(d出一d喉)/2tg（4°～6°)。 ③喉口长度取5～l０mm。

目的为保证喉口的加工尺寸，并使缩放段的加工更为方便，理论上喉口不需长度，当增长喉口，由于附面层的影响，实际喉口断面将缩小而减小流量，喉口与两端应平滑变化，可使气流属性如P/Po，ρ/ρo，T/To随A /A*的变化也比较平滑（[65]555图8--2).

图 3—3 缩放管喷嘴示意图

8、喷管流量系数

由于实际喷管不可能等熵流，因此要用流量系数C0对理论流量进行修正，对三孔喷头而言，CB=Q=0.9~0.95。

式中：Q理=3×1.75P0A*/T0[Nm3/min]

而 Q实=CDQ理 用于非等熵流时喷嘴的流量 9、喷头其余尺寸 可参兰图及[7]172.[3]146～147等。

实

3 9°~11° 4 10°~11° 5 13°~14° >5 15°~17° 喷孔数增多 喷空夹角增大 R=3d喉 d喉 4°~6° d出 d入=2d喉 d 5~10 L /

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由于某些数据来自下面氧枪部分的设计，因此可待计算完后再做喷头图。

（二）喷头计算步骤

设计270吨转炉氧枪喷头

一、原始数据

1、铁水成分和温度

表1—1 成分 % C 4.45 Si 0.55 Mn 0.53 P 0.140 S 0.041 ℃ 1312 2、冶炼钢种以低碳钢为主，多数钢炉[C] ≤1.0% 3、已设计的炉子的参数

新炉内径：炉子内型有效高度；熔池深度；新炉的炉容比 D=6144mm H内=9876mm h=1803mm V/T=0.9 4、出钢量：（按各厂生产条件的不同而有所不同）

炉次 出钢量 13 42 450 50 51100 58 101150 62 151200 65 >200 70 二、有关参数的计算和确定 1、计算氧流量Qo2

取每吨钢水耗氧量为53[Nm3/T]，吹氧时间为17[min](参熔池直径的计算)，则新炉按270吨出钢量计算时四孔喷头的氧流量为：

Qo2：=53[Nm3/T] ×270[T]/17[min]=841.76 [Nm3/min]

2、选四孔喷头的出口马赫数M=2.0，喷孔夹角a=12°(参表3-4)。 3、确定设计工况氧压

查等熵流表，当M=2.0时，P/Po=0.1278，定P膛=1.3×10，则 P设=P膛/Po=1.3×10/0.1278=10.17×10 Pa 4、计算喉口直径dT

取冷却水温度17℃（290K)为滞止氧温度To，流量系数CD=0.90时(式3-10)则由四孔喷头氧的流量式可求喉口直径dT。

Qo2=4×1.784 CD×AT×P设/To [Nm3/min] 841.76=4×1.784×0.90×??dT?10.17?10

4?290求得dT=0.053 m=53 mm A喉

2??dT=

255554=22.06mm2

取喉口长度LT=20mm 因此可得d喉=3[cm]=53[mm] 5、计算喷孔出口直径d出

当M=2.0时，查等熵流表，可得A出/A喉=1.688

A因此可得d出=d喉·A*=531.688=69[mm] A出=

??d42=37.39

当M=2时验算断面比：A/A*=37.39/22.06≈1.695(见表3-1)

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因此原定M=2和P=1.034[kg/cm2]等条件可用。 6、计算扩张段长度L

取半锥角为5°时，则L = (d出-d喉)/2tan5° (图3一:3) =(69一53)/（2×tan5°）=91[mm]

7、收缩段尺寸可由图上作业确定，只要求靠近喉口时断面变化尽可能缓慢。[5]556 8、喷头其余尺寸可参图及[1]172. [3]146~147

（三）枪身设计

一、设计数据

1、已知参数

氧流量 Q=814.76[Nm3/min]，冷却水流量qmw=200T/h 滞止温度 T0=290[K]；滞止氧压P0=8.1X104[kg/m3]；

氧的气体常数 R=26.5[kg.f—m/kg.K]；水的比热容C=4184[kJ/m3. ℃] 2、给定条件

①175吨转炉氧枪的受热面长度，H行≈11[m]（[3]72及91） ②枪身热负荷：q=0.983X106[kJ/h.m3]([3]146) ③氧在中心管内的工况流速：Vo=50[m/S]([3]146) ④氧在中心管内的马赫数：M≤0.2（[1]54.[5]558）

⑤冷却水温度：t进=25℃.t出=45℃,允许升温[△t]≯20℃（[3]146） ⑥冷却水流量：Q水=200[m3/h]或[m3/3600S]([3]152) ⑦冷却水流速：Vj=6[m/S]，Vp=7[m/S] Vh=8[m/S] ( [3]146) 3、供作参考数据

管径及壁厚（[3]90），冷托无缝钢轨外径与壁厚（[2]80~87） 当管径确定后则碰头外形尺寸可最后确定（参兰图）。

二、中心氧管计算

整体氧枪参[4]261图24—1

1、选工况流速，核算来流马赫数：M=错误！未找到引用源。≤0.2

由于管路阻力损失正比于流速的平方根，因此合理的来流马赫数M=0.1~0.2 2、中心氧管管径的公式为 Ao=

qVIVo

管内氧气的工况体积流量qVI= qV.P标To/(PoT标)

=814.76×1×290/(10.17×273)=87.84 m3/min=1.46 m3/s

中心氧管的内截面积 Ao=1.46/50=0.0293 m2

中心氧管的内径 d1=4?A0=

??根据热轧无缝钢管产品目录，选择标准系列产品规格为?203×8mm的钢管

验算氧气在钢管内的实际流速 Vo=53.16m/s 符合要求。

4?0.0293=0.193 m=193 mm

三、中层隔水管计算

环缝间隙的流通面积Aj=0.0093 中层管的内径为d2=230mm

根据热轧无缝钢管产品目录，选择标准系列产品规格为?245×7mm的钢管

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验算实际水速Vj=5.82m/s 符合要求。

φ中层 d中层 φO2 d外层 φ外层

图 3—4 氧枪三层套管示意图

四、外层管计算

出水通道的面积为Ap=79.4cm2

外管内径为d3=265mm

根据热轧无缝钢管产品目录，选择标准系列产品规格为?299×16mm的钢管 验算实际水速Vp=6.28m/s 符合要求。

五、喷头与氧枪尺寸的结合：可最后确定喷头图尺寸。

（四）列出喷头，氧枪的设计参数表

序号 名称 数值 单位

其中有：喉口直径53mm、出口直径69mm、扩张段长度91mm、最佳枪位，最高枪位，三层套管的外径与厚度、氧气流量、出口马赫数、供用氧压，扩张段半锥角、冷却水升温等。

转炉炼钢课程设计 一、 设计内容

第一部分——物料平衡及热平衡计算； 第二部分——炉型设计计算； 第三部分——喷头及氧枪设计计算； 图 纸——炉型图及喷头图各一张。

二、设计目的

1、由原始数据（七个方面）设计新炼钢炉；

2、由生产炉数据核算工艺参数的合理性，并提出工艺改进意见。

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三、设计意义

1、在给定原始数据及炉容量的条件下学会设计步骤和方法； 2、了解参数选用对生产的影响； 3、掌握制图方法与要求。

四、主要参考资料

[1]顶吹转炉氧枪设计 冶金工业出版社 [2]炼钢设计参考资料（通用资料部分） 冶金工业出版社 [3]炼钢设计参考资料（工艺设计部分） 冶金工业出版社 [4]炼钢工艺及设备 [5]氧气顶吹转炉炼钢（上海） [6]冶金热工基础 [7]顶吹转炉三孔喷枪 [8]炼钢设计参考资料

五、计算要求

1、数据表格化：应有名称并编上号；

2、计算公式化：应附公式和符号说明，并注意前后单位应统一； 3、应有参数选用范围：选用时应说明依据，并分析对生产的影响。

33 东北工学院编 R.D佩尔克等著 重庆大学刘入达 冶金工业出版社 西安冶金建筑学院

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