设计2 张正华

内蒙古科技大学

本科生毕业设计说明书（毕业论文）

题 目：年产500万吨合格铸坯转炉

炼钢车间设计

学生姓名：张正华

学 号：1176803306

专 业：冶金工程

班 级：2011-3班

指导教师：董方 老师

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年产500万吨合格铸坯转炉车间设计

摘 要

本设计为年产500万吨合格铸坯转炉炼钢车间设计。此说明书在实习和参考文献的基础上，对所学知识进行综合利用，且对相关文献进行了综述，确定了产品大纲以及用产品Q235对物料平衡和热量平衡进行了计算，氧气转炉采用了形状简单、砌砖方便、炉壳容易制造的筒球型炉型。并在此基础上进行设备计算，包括转炉炉型计算，转炉炉衬计算及金属构件计算，氧枪喷头采用5孔型，净化系统设备计算，然后进行车间计算和所用设备的规格和数量的设计，并确定了车间的工艺布置，对跨数及相对位置进行设计，简述了其工艺流程，又在此基础上进行车间尺寸计算，确定各层平台标高。最后对转炉车间设计得环境和安全要求进行说明。

为了更加详细说明转炉车间设计中的一些工艺及设备结构，本设计穿插了图形，为能够明确、直观的介绍了转炉炼钢车间的工艺布置。

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关键词：转炉；500万吨；设计；设备计算；车间计算

I

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Design of Converter Systems of Annual Output 5 Million Tons of Qualified Continuous

Casting Slab

Abstract

This design topic of annual 5 million tons' qualified casting steel of converter steelmaking system.This instruction booklet in the practice and in the reference foundation, to studies the knowledge to carry on the comprehensive utilization.Narrated has designed a converter mill the method and the step, in the instruction booklet to the workshop main system for example molten iron supply system, scrap supply system，dispersed feeds the supply system, ferroalloy supply system，dedusting system and so on to carry on the abundant proof and quite is definite a set of best design proposal.And had determined the workshop craft arrangement, carries on the design to the cross number and the relative position, has summarized its technical process, and carries on the equipment computation in this foundation, including the converter stove computation, the converter lining computation and the converter metal components computation the oxygen gun design, the purification system equipment computation, then carries on the workshop computation and uses the equipment the specification and quantity design, carries on the workshop size computation in this foundation, determines each platform elevation. Finally to environmental and safety requirements of the Steel workshop to carry on the explanation.

For more detailed description of some of the converter workshop design technology and equipment structure, the design with graphics, which can clear, intuitive introduces converter steelmaking plant process arrangement.

Key words: The Converter；5 million tons；design；the converter equipment calculates；the workshop computation

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目 录

摘 要 ......................................................................................................................................... I 第一章 文献综述 ...................................................................................................................... 1

1.1 氧气转炉炼钢法的诞生 ............................................................................................ 1 1.2 国内外钢铁产业发展情况 ........................................................................................ 3 1.3 转炉炼钢的特点 ........................................................................................................ 6 1.4 氧气转炉存在的问题及建议 .................................................................................. 10 第二章 转炉炼钢的物料平衡和热平衡 ................................................................................ 11

2.1 物料平衡计算 ........................................................................................................... 11

2.1.1 计算原始数据 ................................................................................................ 11 2.1.2 计算步骤 ...................................................................................................... 13 2.2 热平衡计算 ............................................................................................................... 26

2.2.1 基本数据 ...................................................................................................... 26 2.2.2 计算过程（以100kg铁水为基础） ............................................................ 27

第三章 氧气转炉设计 ............................................................................................................ 33

3.1 产品大纲 ................................................................................................................... 33 3.2 转炉的容量和座数确定 .......................................................................................... 33 3.3 转炉炉型选择及计算 ............................................................................................... 34

3.3.1 转炉主要尺寸参数的确定及计算 .............................................................. 34 3.4 转炉炉衬设计 ........................................................................................................... 36

3.4.1 炉衬材质选择 .............................................................................................. 36 3.5 复吹转炉底部供气构件设计 .................................................................................. 36

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3.5.1 底气种类 ...................................................................................................... 36 3.5.2 底气用量 ...................................................................................................... 36 3.5.3 供气构件 ...................................................................................................... 37 3.5.4 底吹元件布置 .............................................................................................. 37 3.6 转炉炉体金属构件设计 .......................................................................................... 37

3.6.1 转炉主要尺寸参数的确定和计算 .............................................................. 37 3.6.2 倾动机构的设计 .......................................................................................... 37

第四章 氧气转炉供氧系统设计 ............................................................................................ 39

4.1 氧气的供应 .............................................................................................................. 39

4.1.1 转炉炼钢车间需氧量计算 .......................................................................... 39 4.1.2 制氧机能力的选择 ...................................................................................... 39 4.2 氧枪设计 .................................................................................................................. 39

4.2.1 制氧机能力的选择 ...................................................................................... 40 4.2.2 氧枪枪身设计 .............................................................................................. 41

第五章 转炉车间原材料供应 ................................................................................................ 44

5.1 铁水供应 .................................................................................................................. 44

5.1.1 铁水包选择 .................................................................................................. 44 5.2 废钢供应 .................................................................................................................. 44 5.3 散状料供应 .............................................................................................................. 45

5.3.1 散状料供应和主要设备选型 ...................................... 错误！未定义书签。 5.3.2 地面料仓容积和数量的确定 ...................................................................... 46 5.3.3 高位料仓容积和数量的确定 ...................................................................... 47 5.4 铁合金供应 .............................................................................................................. 48

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第六章 转炉车间烟气净化与回收 ........................................................................................ 50

6.1 转炉烟气与烟尘 ...................................................................................................... 50

6.1.1 烟气特征 ...................................................................................................... 50 6.1.2 烟尘的特征 .................................................................................................. 50 6.2 烟气净化方案选择 .................................................................................................. 51 6.3 烟气净化系统 .......................................................................................................... 51 6.4 烟气净化回收系统主要设备 .................................................................................. 52

6.4.1 烟罩 .............................................................................................................. 52 6.4.2 静电除尘器 .................................................................................................. 52 6.4.3 煤气柜 .......................................................................................................... 53

第七章 ...................................................................................................................................... 54 ……………………………………………………………………………………………… ………………………………………………………………………

V

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第一章 文献综述

1.1 氧气转炉炼钢法的诞生

1856年,亨利·贝氏麦(HenryBessemer)发明了贝氏麦转炉炼钢法,就倡议过用氧气取代空气在转炉内炼钢,用以消除贝氏麦转炉法的缺点之一，即钢中具有较高氮、磷含量，因当时还不具备廉价的工业用氧(当时氧气生产成本大约为300美元/t)限制了氧在炼钢生产中的应用。

20世纪30年代末叶，在德国，林德一弗朗克(Linde一Frankl)研制出的低压、大量制氧以后,柏林工业大学钢铁冶金系主任、教授罗伯特·杜勒尔(RobertDur-rer)为了消除上述贝氏麦转炉法的冶金缺点,解决钢质量存在的问题,在实验室进行了纯氧吹炼试验。

1949年12月初,澳钢联内部作出决定,采用林茨开发的LD法扩大炼钢生产能力,第一座LD转炉在1952年11月24日投产。实践证明,这一决定是很正确的,其冶金性能、生产技术指标及经济效益都达到了预期的目标。于是非常有必要继续兴建第二座和第三座LD转炉。

氧气顶吹转炉的问世以来,理所当然地引起世界其他国家的高度重视。两年之后,加拿大多法斯科(Dofaco)公司的哈密尔顿厂(Hamiton)和美国麦克劳斯(Mdouth)的底特律厂都率先开始兴建这种炼钢设备。在80年代末,西方资本主义国家的平炉已基本上被碱性氧气转炉所代替,即取代了长久以来平炉炼钢所占的主导地位。

1952年5月22日,世界上第一座氧气顶吹转炉投产。1953年，奥地利的Donawitz厂也建成了一座顶吹转炉炼钢厂，并投产成功，由此，这种顶吹氧气炼钢法被命名为LD炼钢法。它是世界炼钢技术的一次革命,它对世界钢铁生产在20世纪50年代初开始所产生的飞跃发展起到了决定性作用。LD炼钢法自从一问世就显示出如下优点:

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生产效率较高，相当于同等容量平炉的10倍; 基建投资少;

钢水质量较好,有害元素含量低,适合多品种和高规格品种钢的生产; 大幅度节省能源消耗，并可回收煤气; 物料消耗低，生产成本较低，经济效益好。

由于LD炼钢法有诸多的优点，因此，从其诞生开始就迅速在全世界范围应用推广。转炉钢迅速增加，与此同时，平炉炼钢则大幅度减少，而电炉炼钢则由于世界钢材消耗量增加(废钢铁数量增加)及平炉钢产量减少(消耗废钢铁数量减少)而得以平稳发展。材消耗量增加(废钢废铁数量增加)及平炉钢产量减少(消耗废钢废铁数量减少)而得以平稳发展。

氧气底吹转炉炼钢法1967年开始于西德，之后法国、美国和日本相继采用。 我国1973年开始于唐钢(5吨炉)，之后在首钢、马钢等厂相继试验，并取得一些数据和经验。

常用的吹炼工艺方法有:采用气体保护的OBM法，采用气体保护剂带石灰粉喷吹的Q一BOp法和采用液体保护剂的LWS法。前两种比利时和美国采用较多，后一种法国采用的较多。

随着炉容的逐步大型化，氧气顶吹转炉固有的缺点变得更为突出，如钢水搅拌力不足造成的温度，成分的不均匀，钢一渣反应的不平衡性，铁、锰收得率较低，脱磷反应困难等。为了改善顶吹转炉的冶金反应必须增加熔池的搅拌力。氧气底吹转炉炼钢技术的成功，使得转炉顶底复合吹炼成为可能。在此基础上，70年代末期法国钢铁研究院研究成功了转炉顶底复合吹炼新技术，并于1997年在第八届国际氧气顶吹转炉会议上作了介绍，引起了与会者的极大兴趣。之后，卢森堡、英国、美国、日本等国都先后进行了实验室和半工业性试验。1997年日本首先用于工业生产，效果良好，受到世界各国的重视，

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近2-3年发展迅速。到1981年底西方国家己发展了81座。其中日本和西德各建了2座,法国13座，美国7座,卢森堡4座,比利时、荷兰、加拿大各1座。到了I982年日本增加到60～70座，加上计划改造的，差不多大部分转炉都将用顶底复合吹炼技术，其它国家如美国、加拿大等也有了增加。苏联扎波罗什钢厂的也在改造中，在原有的平炉浇注跨建了3座200～250吨的顶底复合吹炼转炉。在原来的平炉浇注跨新建了3座200～250吨的顶底复合吹炼转炉。

经过2～3年的发展,顶底复合转炉吹炼技术开始走向成熟阶段。例如,作为这一技术关键的底吹气体用喷嘴和透气砖的寿命大大的提高。在吹炼高磷铁水条件下,透气砖的寿命己提高达1000炉以上,基本上与炉衬寿命相当。在吹炼低碳钢时,喷嘴寿命达1750炉。喷嘴处的平均熔损速度,在1650℃以下出钢时约为0.1毫米/炉,1700℃出钢时为1毫米/炉。一个炉役的复合吹炼适用率高达100%。I982年新日铁八蟠厂三炼钢采用复合吹炼的2号炉,炉衬的寿命达2430炉。

同氧气顶吹法相比较，底吹法的优点是:吹炼过程相对平静，喷溅少，金属收得率提高2~2.5%；残锰量高,铁合金消耗减少，去磷率高(达95%),去硫率高(平均为80%)；吹炼时间大幅缩短，生产率提高了10%左右;可扩大炉子装入量和增加废钢比,可生产极低碳钢（如0.01%的电工钢)，炉气中CO%较高，炉尘含量只有顶吹的1/3～1/5，厂房高度比顶吹车间低了1/3，基建-投资较少。

1.2 国内外钢铁产业发展情况

钢铁产业是国民经济的重要支柱产业，涉及面广、产业关联度高、消费拉动大，在经济建设、社会发展、财政税收、国防建设以及稳定就业等方面发挥着重要作用。 近期，我国钢铁行业激烈的兼并重组情况，表明行业的成长性。由于我国钢铁行业的

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总产业较大，但生产规模较分散，产业集中度低，和发达国家的钢铁行业相比，我国钢铁行业的规模，经济仍有不少差距。正是在这样的情况下，我国钢铁行业的发展处于向集约化，规模化，专业化的发展阶段。{国内外钢铁行业目前现状 熊少楠 沈杨 刘志玲 2014 9 21}

钢铁产业的整合重组存在多种模式,较典型的是按参与重组企业的规模和产业整合，所涉及的经济区域范围可划分为以下三类:

1.低粒度整合重组模式。指低产能、市值的中小型钢铁企业之间的合并,这类整合重组主要通过现、债交易的方式实现资产融合,形成比较松散的合作体系,大多数发生在某国家或地区内部。此种区域内的低粒度重组模式下的产业整合大多是为了实现企业自身规模的快速扩张以及应对外部竞争，提高企业生存能力。

2.强弱协同整合重组模式。是指大企业重组小企业,一般是具有比较大优势的大型钢铁企业集团对地区或国内实力较低的地方钢铁企业实施兼并重组,极少数情况下也有对国外经营不良钢铁企业的收购。在此类型模式下,大型企业往往能够利用其市场、管理、技术等方面优势,推动形成从原材料的供应、生产专业化分工、研发平台和营销网络共享、人力资源配置以及企业文化整合等较深层次的整合。强弱协同模式的产业整合重组不仅是为了扩大企业的市场份额,更主要的是追求协同效应以降低生产经营成本、增进技术创新能力和融资能力等。

3.强强联合重组模式。是指高产能、市值的大型钢铁企业几者之间发生的并购重组,这类产业整合的范围已不再局限于一国之内,其并购资金的规模动辄数十亿乃至上百亿美元。

50年代末,科学院化冶所和钢研院分别在300kg和1t转炉上进行了顶吹氧气炼钢试验;1962年,首都钢铁试验厂在3t转炉上进行了半工业性试验;1964年和1965年初,两座30t转炉分别在首钢和上钢一厂建成并成功投产。从此,开始了我国氧气转炉炼钢的新篇

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章, 氧气顶吹转炉钢产量连年上升，1979年达占钢总产量的37.49%，超过平炉钢的比例(占总产量的32.9%);1986年初,达到占钢总产量的54.7%。伴随着氧气顶吹转炉炼钢的快速发展，我国取得了一些生产成绩和技术进步。

氧气顶吹转炉投产初期主要生产普碳沸腾钢,伴随着原材料质量的提高,操作工艺的逐步稳定,终点控制的改进,和部分工厂采用铁水预处理脱硫、成分微调、钢包吹氢，真空脱气等炉外精炼技术后,转炉生产的钢质量逐步提高,品种日益扩大。 1986年,转炉钢的镇静钢比高达54.72%。其中,太原钢铁、武钢、鞍钢的转炉优质钢比高达一半以上。目前，转炉除生产普碳钢外，还主要生产优质碳素钢、低合金钢等，直接拉碳生产弹簧钢以及重轨钢，还能生产少量合金结构钢和合金钢。

近年来,我国新建了一批大、中型转炉及原有小型转炉的扩容改造,使得转炉炼钢厂生产规模均有所扩大,大、中型转炉钢产量大幅度提高。我国重点大型、中型钢铁企业转炉钢产量分布情况的统计表明,全国年产量200万t以上的大中型钢铁企业的产钢量已占到全国钢总产量的82，4%。

我国汽车、造船、集装箱、石化、等行业对优质钢需求日益旺盛,因此需要炼钢供应优质钢水浇铸成优质的合格铸坯以满足轧材品种的需要。近年来，我国转炉开发并成批量冶炼了IF钢,高强度级别的管线钢材，有些超低磷钢种要求[P]< 50*10-6 船用钢，压力容器用钢、及集装箱用钢等高附加值钢种，钢的质量也不断提高。一些主要的高附加值产品在2002年产量增加的基础上，在2003年又有大幅度增长，列如2003年低合金中厚板增幅62%，压力容器板达到65%。

以汽车面板用钢为代表的超深冲IF钢，经开发已经在全国各大型钢铁企业批量生产。在超低碳钢中加入适量的Ti、Nb或Ti和Nb同时加入，以消除钢中的间隙C、N原子，这类钢称为无间隙原子钢(interstitial free steel)，即IF钢。

目前我国生产的IF钢主要有Ti-IF钢和(Ti+Nb)IF钢。在Ti-IF钢中，Ti和S，N优

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先结合成Ti(N,S)化合物，然后再与C结合成TiC，在(T-i Nb)IF钢中，N和S由Ti固定，而C则由Nb固定生成NbC。IF钢经合理的热轧、冷轧及退火等工艺加工后，对深冲性能有利的再结晶得到充分的发展，因此IF钢具有较高的r值(塑性应变比)，和高的n值(应变硬化指数)及大的延伸率无时效等特性，目前我国的宝钢生产的IF钢的成分已能控制在[C]<01002%、[N]<01002%、[S]<01001%、T[O]<01002%的水平。本钢生产的IF钢的成分控制在[C]<01003%、[N]<01004%、[S]<01005%的水平。我国武钢、鞍钢也已批量生产IF钢。

1.3 转炉炼钢的特点

今天，大部分的LD转炉都装备了炉底搅拌系统，复吹转炉也已经占到全球钢生产的相当比例。从1952年到2001年末，总共生产了123亿tLD转炉钢;从1968年以来，底吹转炉钢生产了大约11亿t，其中主要部分采用了K一OBM工艺。目前全球转炉钢生产中LD工艺占到了85.5%,K一OBM(包括OBM)占到了12%。

每种有竞争力的炼钢设备目标都是一样的，经济的生产优质钢，对环境的影响尽可能小。为了满足当前技术要求，现代氧气转炉应该有以下特点: (1)铁水预处理减少渣量;

(2)炉底搅拌或复吹，出钢时渣钢分离彻底以优化冶金效果; (3)使用镁碳砖耐火材材、溅渣护炉和炉壳冷却以延长转炉服役寿命; (4)高效废气净化和灰尘压块以便综合回收利用; (5)综合过程控制(静态和动态控制、副枪或炉气分析); (6)用埋入式风口在线测量钢水温度和成分; (7)自动挡渣和出钢。

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新开发的通过底吹风口在线测量钢水温度和成分的系统应具有以下特点: (1)改善工艺控制过程; (2)高废钢比且重现性好; (3)加强熔池搅拌，改善吹炼行为; (4)溅渣护炉时底吹风口不会有堵塞。

淘汰平炉的过程中得到电炉的有力支持。电弧炉也能够处理原本由平炉处理的废钢，并继续发展为废钢的最佳熔炼手段。在提高了生产率和改善了经济性之后，现如今电弧炉炼钢是长材生产的主导工艺。从生态和经济角度来说，电弧炉技术将持续发展而且越来越重要。海绵铁或热压块铁以及铁水作为原料加入，使电弧炉可能进人优质扁平材的生产领域。

优质的废钢变得越来越短缺和昂贵，成为选择工艺路线的决定性经济因素。当然，将电弧炉铁水的装料比提高到50%和将转炉的废钢比提高到同一水平的技术正在研究开发中。在主脱碳期从转炉顶部吹人热空气会大大增加能量向熔体的传递。

顶底复合吹炼兼有顶吹转，底吹转炉的冶金特点。通过增加了底部供气,加强了熔池的搅拌力,减少了渣与金属间的不平衡程度;抑制了熔池铁的过氧化;改善了Mn、P在渣与金属间的分配比,提高了钢水中的残Mn量;降低钢水中的P含量;吹炼较平稳,喷溅少;CO的二次燃烧率高(27%),提高热效率。

由于上述冶金过程的改善,取得了明显的经济效果。

1)降低能源消耗,提高金属收得率。钢铁料消耗降低了0.5-1.5,锰铁硅铁消耗降低了1公斤/吨,铝消耗降低3公斤/吨;石灰消耗降低了1-3公斤/吨;矿石消耗降低4公斤/吨:白云石消耗降低9-15公斤/吨;氧气消耗降低8%;金属收得率提高1一1.5%;

2)提高钢质及扩大品种。由于降低了钢中非金属夹杂物和s、P等杂质的含量,钢水温度和成分均匀,终点命中率高从而提高了钢的质量,扩大了转炉钢的品种。用复合吹炼法

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可直接吹炼高碳、超低碳(成0.007肠C)钢,不锈钢,高牌号电工钢等; 3)提高转炉废钢比。由于CO二次燃烧率的提高(30帕左右),大大提高了熔池 温度,改善了热效率,从而提高了熔化废钢的能力。废钢比可提高到40%(苏联扎波罗什钢厂),采用喷煤粉和废钢预热等措施后,废钢比可达60%(日本)。 综合效果,每吨钢可降低成本1-3美元,投资在2-3年内可收回。

伴随着铁水预处理技术的普及,复合吹炼和铁水预处理相结合,发展了无渣复合吹炼法,其渣量相当于普通吹炼法的1/10,该方法氧的脱C率高,在低碳区几乎达到100%,氧气单耗大幅降低;Mn的回收率高,在低碳区达70%;Cr不仅回收率高而且可以用铬矿代替Cr-Fe;由于基本不添加造渣剂,钢中〔H〕含量非常低,可以经济地生产低〔H〕钢;终点控制较容易,命中率提高。与平炉向LD转变这样大的变革相比,顶吹向复合吹炼的转变只是很小的一步改进。但是,在复合吹炼的真正价值与铁水预处理相结合发挥出来以后,这个转变的意义完全可以和平炉向LD转变的意义相匹敌。可以预见,各种形式的复合吹炼法,将会越来越广泛地用于现有转炉的改造和新建转炉,这种新工艺可能会成为炼钢方法的主流。 2.提高转炉煤气的回收,实现“零”能和“负”能炼钢

氧气转炉炼钢法是工序能耗最低的炼钢方法。但是为了进一步降低炼钢能耗,国外仍然非常重视转炉煤气的回收和有效利用。

转炉吹炼期间排出的烟气温度高达1260℃左右,含CO约90%,具有很高的显热 和潜热,总和超过25万大卡/吨钢。因此,回收这部分能量是转炉炼钢过程节能潜力的最大的环节。

回收转炉煤气有两种方法,一种是燃烧法,即利用转炉煤气中co燃烧放出显热产生蒸汽的方法,另一种是未燃烧的OG法,即利用转炉煤气中CO潜热的方法。oG法应用得比较普遍,回收率逐年提高。目前国外每吨钢可回收煤气60标米3左右。日本比较先进,1981年平均每吨钢回84标米相当16.8万大卡的热能。不少转炉的煤气回收量超过平均回

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收量,每吨钢回收的煤气相当20万大卡的热能。川崎钢铁公司千叶厂的两座230吨氧气底吹转炉,煤气回收率最高。

1982年7月又创造了140.9标米/吨钢的世界纪录。该厂回收率高的原因:1)研究成功了炉底喷吹石灰粉的控制技术;2)把煤气回收罩至炉口的距离从过去的40-50毫米缩短到10-30毫米,减少了漏气。川崎钢铁公司第三炼钢厂1982年6月在顶吹转炉上也创造了138.3标米/吨钢的先进纪录。在日本目前的条件下,转炉炼一吨钢耗能17万大卡。因此不少先进的转炉确实实现了“零能”和“负能”炼钢。实际上,这样的转炉成了煤气发生炉。

西德杜伊斯堡。莱茵豪森于1980年建成的一座为该市服务的供热站,就是利用克虏伯钢公司两座300吨转炉排放的烟气。建成后该系统的能力为56x10瓦,将来发展到召82X20瓦。

为了进一步提高回收率,近年来回收技术又有了新的发展。

(1)在原有利用潜热的基础上,在烟道上又配置了锅炉,实现了同时回收煤气和 蒸汽。一个年产却口万吨的转炉钢厂(250-300吨大型转炉,3吹2),一年回收转炉煤气的能量约相当16万吨标准煤。

(2)全封闭式排烟法。利用大型封闭门将整个炉子封闭起来,仅在炉口_和烟罩 间留有缝隙可观察到炉口火焰和喷溅情况。采用这种方法可有效地解决由于炉子产生气体波动造成向厂房大量溢烟问题,而且也解决了兑铁水、出钢及排渣时造成的二次烟气。

(3)利用转炉烟气的物理热加热冷却水发电。将通过冷却烟罩后己被加热的冷却水(采用热水密闭循环冷却系统汽化氟里昂带动透平)发电。日本住友金属工业公司鹿岛厂己在250吨转炉上采用,小时发电量为290口千瓦。

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1.4 氧气转炉存在的问题及建议

我国氧气转炉炼钢除首钢和上钢一厂为1964年前后投入生产的外,以后多数氧气顶吹转炉是在“十年动乱”时期建成投产的,其中,60%是由侧吹空气转炉改建而成。这就形成了炉子小,装备差,不配套(包括主、副原料,氧气及铸锭设备),缺乏基本的检测计量仪表等问题。1982年及1985年对32个工厂实际调查结果,多数工厂的装备不能满足科学炼钢要求。此外,转炉炼钢生产不讲科学,不重视原料,不重视计量,操作不严细等,是当前存在的主重I可题。上述问题,各厂的情况不尽相同,程度也各有深浅。笔者认为要解决这些问题,当前最主要的任务是要尊重科学和切实抓好的基础工作,而不是盲目地急于采用新技术如计算机控制炼钢,炉后二次精炼等。氧气转炉复合吹炼技术确是当前转炉炼钢技术发展的方向,但它是以氧气顶吹转炉技术为基础的。因此,如果氧气顶吹转炉操作还不稳定,就很难想象采用复吹技术会得到应有的效果。武钢采川复吹技术在国内不算早,但其复吹效果是国内最明显、最稳定的。原因就在十几年来, 武钢把氧气顶吹转炉的基础工作搞好了。他们十分强调尊重科学,采用复吹技术时,不断完善设备,提高设备的可靠性和仪表测量精度,并不断改进操作工艺。

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第二章 转炉炼钢的物料平衡和热平衡

2.1 物料平衡计算

2.1.1 计算原始数据

基本数据：冶炼的钢种及其成份；金属料——铁水和废钢成分（表2-1）造渣用的熔剂以及炉衬等原材料成分（表2-2）；脱氧和合金化所用铁合金的成分及回收率（表2-3）；其它的工艺参数设定值表（表2-4）

表2-1 所冶炼钢种铁水、废钢和终点钢水的成分设定值

成分 类别 钢种Q235设定值 铁水设定值 废钢设定值 终点钢水设定值

*

C Si Mn P S 0.18 0.25 0.55 ≤0.045 ≤0.050 3.9 0.6 0.3 0.08 0.35 0.18 0.25 0.55 0.030 0.030

0.10 痕迹 0.09 0.072 0.014

*[C].[Si]按实际生产情况选取;[Mn]、[P]和[S]分别按铁水成分的40%、10%、60%留在钢水中设定。

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表2-2 原材料成分

成分 CaO SiO2 类别 石灰 萤石

91 89.6

2.44

1.56

1.28 5.00 2.14 0.41 1.0

0.49 63

0.46

0.09 0.048 0.1 0.05

1.70 0.4

15

30

3.54 14.25 1.17

Mg0 Al2O3 Fe2O3 CaF2 P2O5 S CO2 H2O C FeO 烧碱 0.432 2.76 0.5 1.32 4.5

29.6 80.4 0.32

白云石 53.4 炉衬 矿石

1.22 0.8

表2-3 铁合金成分(分子)及其回收率(分母)

硅 铁

C Si Mn Al P S Fe - 73.00/75 0.50/80 2.5/0 0.05/100 0.03/100 23.92/100 6.60/85* 0.50/75 67.80/80 - 0.23/100 0.13/100 24.74/100

锰 铁

*15%的C和氧气生成CO2。

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表2-4 其它工艺参数设定值

名 称 终渣碱度 萤石加入度 轻烧白云石 炉衬蚀损量 终渣含量∑FeO按 (FeO)=1.35(Fe2O3)折算 参 数 êO/%SiO2=3.7 为铁水的0.3% 为铁水的2.5% 为铁水的0.045% 12%，而（Fe2O3）/∑(FeO)=名 称 渣中铁损 氧气纯度 炉气中自由氧含量 气化去硫量 金属中[C]的氧化物 参 数 为渣量的3% 99%余者为N2 0.5%(体积比) 占总去硫量的1/3 90% C氧化为CO，10%氧化为CO2 1,即（Fe2O3）3=4%，（FeO）=6.6% 为铁水量的1.5%（其中FeO为75%，Fe2O3为20% 废钢量 烟尘量 由热平衡计算确定，本计算结果为铁水量的23.908%，即废钢比为19.295% 喷溅铁损 为铁水量的0.5% 矿石 为铁水的1% 2.1.2 计算步骤：以100kg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和成份

总渣量包括铁水中元素的氧化，炉衬蚀损和加入熔剂的成渣量。其各项成渣量和成分分别列于表2-5，表2-6，表2-7。总渣量及其成分如表2-8所示

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表2-5 铁水中元素的氧化产物及其成渣量

元素 C Si Mn P S

反应产物 元素氧化量（kg） 耗氧量（kg） 产物量（kg） 备注 [C]->{CO} 3.8×90%=3.42 4.56 7.98 [C]->{CO2} 3.8×10%=0.38 1.013 1.393 [Si]->(SiO2) 0.60 0.686 1.286 [Mn]->(MnO) 0.21 0.061 0.271 [P]->(P2O5) 0.072 0.093 0.165 [S]->{SO2} 0.014×1/3=0.005 0.005 0.010 [S]+(CaO)->

(CaS)+(O) 0.014×2/3=0.009 -0.005* 0.020(CaS)

[Fe]->(FeO) 0.649×56/72=0.450 0.129 0.579 [Fe]->(Fe2O3) 0.358×112/160=0.341 0.142 0.474

入渣(表8) 入渣(表8) 入渣组分之和： 入渣 入渣 入渣

入渣

Fe 合计 成渣量

5.629 6.684

*由CaO还原出的氧量；消耗的CaO量0.009×56/32=0.016kg

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表2-6 炉衬蚀损的成渣量

炉衬蚀损

量

成渣组分（kg） 气态产物（kg）

耗氧量（kg）

（kg） 0.3 (据表4)

CaO SiO2 C->CO

C->CO2

C->CO,CO2

MgO Al2O3 0.045×90%×28/12=0.095 0.045×10%×44/12=0.017 0.045× Fe2O3

0.004 0.004 0.241 0.0015

0.0012

(90%×16/12+10%×32/12)=0.081

合计 0.2967 0.112 0.095

表2-7 加入熔剂成渣量

类别

加入量 (kg)

成渣组分(kg)

气态产物(kg)

CaO MgO SiO2 Al2O3 Fe2O3 P2O5 CaS CaF2 H2O H2O CO2 O2

FeO

萤石 轻烧白云石

0.3 2.5

0 0.001 0.015 0.008 0 0.002 0.002 0.269 0.005 0.3 1.34 0.74 0.013 0.054

0.005 0.36

矿石 1 4.44*1

0.010 0.003 0.01 0.63 0.002 3.99*2 0.07 0.108 0.057 0.009

0.3 0.004 0

0.002

石灰

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合计 4.686 0.536 0.166 0.107 0.649 0.009 0.165 0.440

*1石灰加入量计算如下：由表2-5～2-7可知，

渣中已含（CaO）=1.34+0.01+0.004-0.01*56/12-0.001*56/12=1.351kg 渣中已含（SiO2）=1.286+0.004+0.045+0.013+0.001=1.358kg 因设定的终渣碱度为R=3.7

故石灰加入量[R·∑(SiO2)-∑(CaO)]/(êO石灰-R×%SiO2石灰) =(3.7×1.358-1.351)/(90%-3.7×2.44%) =4.440kg

*2为(石灰中CaO含量)-(石灰中S->CaS的CaO量)。 *3为由CaO还原出的氧量，计算方法同表2

表2-8 总渣量及其成分

炉渣成分 元素氧化 石灰成渣 炉 衬 轻烧白云石 萤石成渣量 矿石成渣量 总渣量 %

CaO SiO2 MgO Al2O3 MnO FeO Fe2O3 CaF2 P2O5 CaS 1.286 0.271 0.579① 0.474② 0.165 0.021 3.99 0.108 0.07 0.057 0.009 0.004 0.004 0.241 0.0012 0.0015 1.34 0.013 0.74 0.054

0.01 0.001 0.008 0.269 0.002 0.010 0.045 0.003 0.01 0.3 0.002 5.28 1.466 1.055 0.130 0.271 0.879 0.489 0.269 0.167 0.032 53 15.1 11.15 1.20 2.7 8.25 5.00 1.7 1.6 0.3

9.777* 100 合计

*总渣量计算如下：因为表2-8中除FeO和Fe2O3外的渣量为： 5.28+1.055+1.466+0.167+0.271+0.130+0.269+0.032=8.67

（1）矿石成渣量中（FeO）和（Fe2O3 ）所占比例：

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（0.3+0.63/(8.471+0.3+0.63)=9.89%<13.25%

因此总渣量为：（8.67+0.3+0.63）/（1-9.69%）=10.654kg （2） (FeO)量=10.654×8.25%-0.3=0.579kg （3） (Fe2O3)量=10.654-8.67-0.63-0.0015=0.474kg 第二步：计算氧气消耗量

氧气消耗量是消耗项目与供入项目之差，详见表2-9所示

表2-9 氧气消耗量

耗氧项/kg

供氧项/kg

实际耗氧量/kg

铁水中元素氧化耗氧（表2-5） 6.684

炉衬中碳氧化耗氧（表2-6） 0.066 石灰中S说GaO反应还原出的氧 （表2-7） 0.002

烟尘中铁氧化耗氧（表2-4） 0.341

炉气自由氧含量 0.053 7.144-0.002+

合计

7.144 0.002 0.0625=7.205

① 则当前实际氧气消耗的体积量： VO2=7.205×22.4/32=5.044Nm3 第三步：计算炉气及其成分

炉气中含有CO，CO2 ,N2 ，SO2和H2O，其中CO，CO2 ,，SO2和H2O可由表2-5表2-7查的，O2和N2则由炉气总体积来确定。

Vg=元素氧化生成的体积+水蒸气的体积+炉气中自由体积+炉气中氮气体积Vg=(7.98+0.095)

×22.4/28+(1.393+0.017)

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×22.4/44+0.015×

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22.4/14+(0.004+0.004)×22.4/18=7.192 ② 炉气中自由氧体积及重量]

VO2=0.5%×7.451 =0.037 Nm3 WO2=0.037×32/22.4=0.056kg ③ 炉气中氮气气体体积及重量

Vn2=(5.044+0.037) ×1%/99%=0.05 Nm Wn2=28×0.054/22.4=0.0625kg

Gs-不计自由氧的氧气消耗量。kg。其值为： 6.738+0.099+0.341=7.178kg 所以炉气总体积V∑：V∑=

表2-10 炉气量及其分布

炉气成分 炉气量/kg 炉气体积/m3 体积分数/% CO 8.075 CO2 SO2 H2O O2 N2

1.410 0.010 0.008 0.037 0.054

8.075×22.4/28=6.46 1.410×22.4/44=0.718 0.010×22.4/64=0.004 0.008×22.4/18=0.09 0.037×32/22.4=0.053 0.054×28/22.4=0.0625

86.70 9.64 0.05 0.13 0.5 2.98

3

m3

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-演尘、喷溅和渣中的铁损

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=100-5.629-{1.50%×（75%×56/72+20%×112/160）+1+10.654×6%}

=92.20KJ

由此可以编制出未加废钢、脱氧和合金化前的物料平衡表2-11

表2-11 未加废钢的物料平衡表

收入

项目 重量 % 铁水

100 87.00

支出

项目 重量 % 钢水 92.00 80.14 炉渣 9.78 8.55 炉气 9.84 8.60 喷溅 1.0 0.87 烟尘 1.50 1.31 渣中铁珠 0.59 0.53

114.91 100

石灰 4.44 3.86 萤石 0.20 0.17 轻烧白云石 2.5 2.18 炉衬 0.3 0.26 氧气 7.20 6.53 合计 114.67 100

计算误差：（114.91-114.67）/114.91×100%=0.2% 第五步：计算加入废钢的物料平衡

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表2-12废钢中元素氧化产物及成渣量

元素 C Si Mn P S

反应产物 [C]→{CO} [C]→{CO2} [Si]→(SiO2) [Mn]→MnO [P]→(P2O5) S]→(SO2) [S]+(CaO)→(CaS)+(O)

合计 成渣量

元素氧化量 4.65×0.08%×90%=0.003 4.65×0.08%×10%=0.0004 4.65×0.25%=0.0126 4.65×0.46%=0.0214 4.65×0.012%=0.005 4.65×0.009%*1/3=0.0002 4.65×0.009%*2/3=-0.0003

耗氧量 0.003×16/12=0.004 0.0004*32/12=0.0011 0.0126×32/28=0.0144 0.0214×16/55=0.0062 0.005×80/62=0.0006 0.0002×32/32=0.0002 -0.0014*16/32=-0.0002

产物量

0.003×28/12=0.007 0.0004×44/12=0.0015 0.0126×60/28=0.027 0.0214×71/55=0.0276 0.0005×142/62=0.0011 0.0002×64/32=0.0004 0.0003×72/32=0.0007

0.042

0.0262

0.0653

废钢进入钢水中的重量=4.65-0.042=4.608kg

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表2-13 加入废钢后的物料平衡表(以100kg铁水为基础)

收 入

项目 重量 铁水 100 废钢 4.65 石灰 4.44 萤石 0.20 轻烧白云石 2.50 矿石 1.0 炉衬 0.30

氧气 7.20+0.0262=7.2262

合计 119.42

支 出

项目 重量 钢水 92.20+4.608=96.808 炉渣 9.78+0.0653=9.845 炉气 10.925+0.0498=11.025

喷溅 1.0 烟尘 1.500 渣中铁珠 0.59

合计 119.59

计算误差:(119.59-119.42)/119.42×100% =0.14 %

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表2-14 加入废钢的物料平衡表[以100kg(铁水+废钢为基础)]

收 入

项目 铁水 废钢 石灰 萤石 轻烧白云石 矿石 炉衬 氧气 合计

重量 95.56 4.44 4.24 0.29 2.39 0.96 0.29 6.89 115.06

% 83.05 17.10 3.86 0.25 2.08 0.83 0.25 5.99 100

项目 钢水 炉渣 炉气 喷溅 烟尘 渣中铁珠

合计

支 出

重量 92.51 8.144 9.412 0.96 1.433 0.564 114.28

% 80.95 7.13 8.24 0.84 1.25 0.49 100

第六步：计算脱氧和合金化后的物料平衡 (1) 锰铁.硅铁加入量

根据钢种成分中限(表1)和铁合金成分及其收得率(表3)算出锰铁和硅铁加入量.锰

铁加入量WMn的计算为:

WMn=[(Mn)钢种%-[Mn]终点%]/(锰铁Mn%×Mn收得率%)×钢水量 =[(0.55%-0.09%)/(67.8%×80%)]×92.51=0.78kg

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硅铁加入量为WFe-Si:

WSi=[([Si]钢种%-[Si]终点%)×(加入猛铁后的钢水量-[Si]/(硅铁含Si% Si回收率) =[(0.25%-0)×(92.51+0.55)-0.55×0.5%×75%]/(73%×75%)=0.42kg 铁合金中元素的烧损量和产物量。

表2-15 铁合金元素烧损量及产物量

类别 锰 铁

元素 C Mn Si P S Fe

硅 铁

合计 Mn Si Al P S Fe

合计

烧损量 脱氧量 成渣量 炉气量 进入钢中量/kg

0.78×6.60%×10%=0.005 0.013 0.018 0.78×6.6%×90%=0.0460 0.78×67.8%×20%=0.106 0.031 0.14 0.78×67.8%×80%=0.423 0.78×0.5%×25%=0.0001 0.001 0.002 0.78×0.5%×75%=0.003 0.78×0.23%=0.002 0.78×0.13%=0.001 0.78×24.74%=0.193 0.112 0.045 0.142 0.018

0.42×0.5%×20%=0.0004 0.0001 0.005 0.42×0.5%×80%=0.002 0.42×73%×25%=0.077 0.088 0.165 0.42×73%×75%=0.230

0.42×2.50%×100=0.011 0.01 0.006

0.42×0.05%=0.0002

0.42×0.03%=0.0001 0.42×23.92%=0.100 0.088 0.098 0.172 0.332

0.668

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总 计 0.2 0.143 0.314 0.8860

(1) 脱氧和合金化后钢水成分

WC: { 0.10%+0.046/(92.51+1)}×100%=0.15% WSI: {(0.003+0.230)/ 93.51}×100%=0.25% WMN:{ 0.09%+(0.423+0.002)/93.51}×100%=0.588%

WP: {0.006%+(0.0015+0.0002)/(94.019+0.886)}×100%=0.01% WS: 0.021%+0.001/93.51×100%=0.022%

可见 ，含碳量尚未达到设定值。因此需在刚包内加焦炭增碳。加入量W1为： W1=｛（0.18-0.15）%/焦炭中C含量×C回收率｝×刚水量 ={（0.18-0.15）%/81.50%×75%}×93.51=0.046kg

2-17焦炭生成的产物如下：

碳烧损量 /kg 耗氧量 /kg 气体量﹡/kg 成渣量/kg 碳入钢量/kg 0.046×81.5%×25% 0.009×32/12 0.044×44/12+0.0652 0.046×12.4% 0.046×81.5%×75% ×(0.58+5.52)% =0.009 =0.024 =0.047 =0.006 =0.028

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(2) 脱氧和合金化后的总物料平衡

将以上结果合并后可得脱氧和合金化后的总物料平衡表

表2-18 总物料平衡表

收 入

项目 重量 % 铁水 95.56 82.11 废钢 4.44 3.82 石灰 4.24 3.64 萤石 0.29 0.25 轻烧白云石 2.39 2.05 矿石 0.96 0.82 炉衬 0.29 0.25

氧气 6.89+0.143 +0.024=7.057 6.06

硅铁 0.78 0.67 锰铁 0.42 0.36 焦粉 0.046 0.04 合计 116.376 100

115.97 100

支 出

项目 重量 % 钢水 92.51+1+0.028= 93.54 80.66 炉渣 9.40+0.314+0.006= 9.72 8.38 喷溅 0.96 0.85 烟尘 1.43 1.2 渣中铁珠 0.56 0.48 炉气 9.41+0.018+0.047=9.48 8.17

计算误差=(116.376-115.97)/116.376×100%=0.3%

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2.2 热平衡计算

2.2.1 基本数据

(1) 物料平均热容及其熔化潜热

表2-19 物料平均热容

物料名称

固态平均热容(kJ/kg.k) 熔化潜热(kJ/kg)

液态或气态平均热容(kJ/kg.k)

生铁 钢 炉渣 矿石 烟尘 炉气 0.745 0.699 -- 1.047 0.996 ---- 218 272 209 209 209 ---- 0.837 0.837 1.248 -- -- 1.137

(2) 入炉物料及产物的温度

表2-20 入炉物料及产物的温度

名称 温度/°C

入炉物料

铁水 废钢 其它原料 1250 25 25

产物

炉渣 炉气 烟尘 与钢水相同 1450 1450

(3) 熔入铁液中元素对铁熔点的降低值

表2-23 熔入铁溶液中元素对铁熔点的降低值

元素

熔入1%元素使铁熔点降低值/°C

使用含量范围1%

C

65 70 75 80 85 90 100

≤1 1.0 2.0 2.5 3.0 3.5 40

Si Mn P S 8 5 30 25

≤3 ≤15≤0.7≤0.08

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另外，O、H、N三种元素共降低铁水熔点值为6°C

（4）炼钢反应热效应

表 2-21 炼钢温度下的反应热效应

组元 氧化反应 成渣反应 分解反应

化学反应

[C]+1/2{O2}={CO} [C]+{O2}={CO2} [Si]+{O2}=(SiO2) {Mn}+{O2}=(MnO2) 2[P]+5/2{O2}=(P2O5) [Fe]+1/2{O2}=(FeO) 2[Fe]+3/2{O2}=(Fe2O3)

热效应 kj/kmol -139420 -418072 -817682 -361740 -1176563 -238229 -722432

热效应

Kj/kg 物质 -11639 C -34834 C -29202 Si -6594 Mn -18980 P -4250 Fe -6460 Fe -1620 SiO2 -4880 P2O5 1690 CaO 1421 MgO

(SiO2)+2(CaO)=(2CaO·SiO2) -97133 P2O5+4(CaO)=(4CaO·P2O5) CaCO3=(CaO)+{CO2} MgCO3=(MgO)+{CO2}

-693054 169050 118020

2.2.2 计算过程（以100kg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Qhm

已知纯铁水的熔点是1536°C，则：

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铁水熔点 T=1536-（3.9×100+0.6×8+0.3×5+0.08×30+0.035×25）-6 =1130°C

铁水物理热 QW=100×[0.745×(1130-25)+218+0.837×(1250-1130)] =114100.00KJ 2) 元素氧化热及成渣热QY

由铁水中元素氧化量和反应热效应可算出.

表2-22 元素氧化热和成渣热

反应产物 C→CO C→CO2 Si→SiO2 Mn→MnO2 Fe→FeO2 氧化热或成渣热/KJ 3.42×11639=39805.38 0.38×34834=13236.92 0.60×29202=17521.200 0.21×6594=1384.74 0.450×4250=1912.5 总计 反应产物 Fe→Fe2O3 P→P2O5 P2O5→4Cao.P2O5 SiO2→2Cao.SiO2 氧化热或成渣热/KJ 0.341×6460=2202.860 0.072×18980=1366.56 0.167×4880=814.96 1.466×1620=2374.92 80620.04 3) 烟尘氧化热QC由表2-4中给出的烟尘量参数和反应热效应可得: QC=1.5×(75%×56/72×4250+20%×112/160×6460)=5075.36KJ 4) 炉衬中碳的氧化热Q1根据炉衬蚀损量及其含量确定:

Q1=0.045×(17.4%×90%×11639+17.4á0%×34834)=628.13KJ 故热收入总值为:

Qin=Qhm+Qy+Qc+Q1=114100+81376.54+5054.10+628013

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=201158.77KJ (2)热支出Qout 1) 钢水物理热Qm

① 钢水熔点Tm=1536-(0.10×65+0.09×5+0.008×30+0.021×25)-6

=1522℃

式中0.10,0.09,0.008,0.021分别为终点钢水中C,Mn,P,S的含量. ② 出钢温度TC=TM+△TG+△T2+ +△T1+△T3+△T4

式中△TG为连铸中间包钢水过热度,碳素钢一般为10-20℃取15℃; △T1为出钢过程温度降一般为20-60℃取50℃计算; △T2为钢水镇静和运输过程温度降,按3℃/min计,镇静和运输时间为7min,故其温度降为50℃; △T4为钢水离开氩站到钢包开浇时的温度降取70℃; △T5为从大包到中间包温度降一般为20-30℃取20℃故有:

TC=1522+50+50+70=1692℃ 则钢水物理热Qm:

Qm=91.66×[0.699×(1522-25)+272+0.837×(1692-1522)] =133886.85KJ 2) 炉渣物理热QS:

炉渣熔化温度一般为1300-1400℃取1350℃计算,则: QS =9.777×[1.248 ×(1692-25)+209+] =22383.62KJ 3) 炉气,烟尘,铁珠和喷溅金属的物理热: 根据相应的数量,温度及热容确定,见下表：

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表2-23 炉气,烟尘,铁珠和喷溅金属的物理热

项目

炉气物理热 烟尘物理热 渣中铁珠物理热

喷溅金属物理热

参数

9.834×[1.137×(1450-25)]=15933.29KJ 1.500×[0.996×(1450-25)+209]=2442.450KJ 0.59×[0.699×(1522-25)+272+0.837(1692-1522)]=861.81KJ

1.00×[0.699×(1522-25)]+272+0.837×(1692-1522)]=1460.69KJ

合计

20698.24KJ

×

备注

1450℃为炉气和烟尘的温度

1522℃为钢水熔点

4) 轻烧白云石分解热QB:

根据其用量,成分和表2-17所示的热效应计算,则 QB=2.5×(53.4%×1690+27.6%×1405)=3295.85KJ 5) 矿石分解吸热QK:

QK=1×(30%×56/72×4250+63%×112/160×6460)+209=4049.53KJ 6) 热损失Qq

吹炼过程中转炉热辐射对流传热以及冷却水等带走的热量与炉容大小操作等因素有关,一般约占总热收入的的3-8%,本计算取5%,则有: Qq=5%×Qin =5%×201158.77=10057.94KJ

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7) 废钢加入量

Wf用于加热废钢的热量即剩余热量, Qf=Qs-Qg-Qr-Qx-Qb-Qq-Qa

=201158.77-133886.85-22383.62-20698.24-10057.94-3295.85-4049.53 =6786.74 故废钢加入量Wf

Wf=6786.74/[0.699×(1522-25)]+272+0.837×(1692-1522)] =10.84Kg

废钢比=4.65/(100+4.65)=4.44% (3) 热平衡表

热效率=(钢水物理热+废钢物理热+炉渣物理热)/热收入总值×100% =(133886.85+22383.62+6786.74)/201158.87.912×100% =81.06% 若不考虑炉渣带走的热量时：

热效率=（Qg+Qf）/Qs×100%=69.93%

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表2-24 热平衡表

收入

项目 热量/KJ % 铁水物理热 114100

56.72

支出

项目 热量/KJ % 钢水物理热 133886.85 66.56 炉渣物理热 22383.62 11.13 废钢吸热 6786.74 3.37 炉气物理热 15933.29 7.92 渣中铁珠物理热 861.81 0.43 喷溅金属物理热 1460.69 0.73 轻烧白云石物理热 3295.85 1.64 热损失 10057.94 5.00 烟尘物理热 2442.450 1.21 矿石

4049.53

2.01

元素氧化成渣热 81376.54 40.45 其中 C氧化 57327.12 28.50 Si氧化 17521.20 8.71 Mn氧化 1384.74 P氧化 1366.56 Fe氧化 4871.86 SiO2成渣热 2374.92 P2O5成渣热 814.96 烟尘铁氧化热 5054.10 炉衬碳氧化热 628.13

0.69 0.68 2.42 1.18 0.41 2.51 0.31

合计 201158.89 100 合计 201158.87 100

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第三章 氧气转炉设计

3.1 产品大纲

碳素结构钢 Q235，255，275，SS400,SS490 120 24 低合金钢 16Mn Q345A 120 24 汽车大梁板 09SiVL,16MnL 120 24 耐磨钢板 NM360—NM400 140 28 合计 500 100

3.2 转炉的容量和座数确定

每一座吹炼转炉的年出钢炉数N为：

N?1440?T21440?365?1440?365?84%??11037.6炉 （3-1） ?40T1T1式中： T1—每炉钢的平均冶炼时间，min；

T2—一年的有效作业天数，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，取84%；

转炉车间年产钢水量：

W=n×N×q （3-2）

式中： W—转炉车间年产钢水量，t；

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n—转炉车间经常吹炼炉子座数； N—每一座吹炼炉的年出钢炉数； q—转炉公称容量，t。

n×q=5460000÷11037.6=494.7吨 所以，取n= 2，则q=250t 所以：本设计选两座250吨的转炉进行炼钢。

3.3 转炉炉型选择及计算

转炉的炉型选筒球形，其中球缺体半径取R=1.1D。 3.3.1 转炉主要尺寸参数的确定及计算

（1）炉容比 炉容比取0.90m3/t （2）熔池尺寸计算 ① 熔池直径D

D?K?Gt?1.50?25016?5929.3mm 式中： G—新炉金属装入量，取公称容量250t；

t—平均每炉钢的纯吹氧时间，min，（取16min）； K—系数（取1.50） D—熔池的直径，mm；

② 熔池深度h

V3池?G/T?250/6.8?36.76 (m） h?V池?0.046D30.79D2?1668.92 (mm） 式中： V池—转炉熔池有效容积，m3 ；

T—转炉内钢水密度，取6.8t/m3 ；

(3) 炉帽尺寸计算 ① 炉帽倾角θ：取θ=60?

34

3-3）3-4）3-5）（ （ （

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② 炉口直径d口：

d口=（0.43～0.53）D (3-6)

本设计取d口=0.43D=0.43×5929.3=2549.6mm ③ 炉帽高度H帽：

1H帽?（D-d口）tan??H口?3226.91㎜ （3-7）

2式中H口—炉口直线段高度，取H口=300㎜： ④ 炉帽总容积V帽：

V帽?（H帽?H口）?（D2?Dd口?d口）?d口H口?45.01m

124?2?23

（3-8）

（4) 炉身尺寸计算 ① 炉身体积V身：

取炉容比为0.90m3/t

VT=0.90×T=0.90×250=225m3 （3-9） V身=VT-V帽-V池=143.23m3 （3-10）

式中：VT—转炉有效容积，m3； ② 炉身高度H身：

H身?4V身?D2?（4VT-V帽?V池）?5190.4㎜ (3-11)

?D2（5）出钢口尺寸的确定

① 出钢口中心线水平倾角θ1：取θ1=0°； ② 出钢口直径d出：

d出?63?1.75G?223.72㎜ （3-12）

（6）转炉有效高度H内：

H内= h+H身+H帽=1668.92+5190.4+3226.91=10086.23mm (3-13)

（7）转炉总高H总：

H总=H内+H衬+δ

底

+δ

帽

=10086.23+1060+130=11276.23㎜ （3-14）

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（8）炉壳直径D壳：

D壳=D+D衬+2δ

式中：δ

身

身

=5929.3+2020+160=8109.3㎜ (3-15)

—炉身钢板厚度，取80㎜；

D衬—炉身处两侧炉衬的厚度； (9) 高宽比核定：

H总/D壳=11276.23/8109.3=1.39 (在1.2～1.4范围内）

所以设计合格。

3.4 转炉炉衬设计

炉衬设计得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，并确定相应各层厚度，以确保获得经济上的最佳炉龄。

3.4.1 炉衬材质选择

表3.1 转炉炉衬厚度选取值

名称 炉帽 炉身（加料侧） 炉身（出钢侧）

炉底

工作层/㎜

600 800 700 600

填充层/㎜

90 90 90 90

永久层/㎜ 140 150 150 350

绝热层/㎜

20 20 20 20

3.5 复吹转炉底部供气构件设计 3.5.1 底气种类

本设计确定采用加强搅拌型，所以顶枪吹氧，底部吹惰性气体和中性气体N2等。

3.5.2 底气用量

采用底吹N2、Ar、CO2等气体时，供气强度小于0.03m3/（t·min）时，其冶金特征

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已接近顶吹法；达到0.2～0.3m3/（t·min），则可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。考虑到经济效益和产品需求，底部全程供气，只是前期吹N2，末期再改吹Ar。

3.5.3 供气构件

本设计采用类环缝式喷嘴，在环缝中设有许多细金属管，它兼有透气砖和喷嘴的优点，适用于喷吹各种气体和粉剂，还简化了细金属管砖的制作工艺，是很有发展前途的一种供气构件。在本设计当中，由于是250t转炉，喷嘴数量选6个

3.5.4 底吹元件布置

底吹喷嘴布置应使底吹和顶吹产生的熔池环流运动同向，且是熔池搅拌均匀时间最短，以此获得最佳搅拌效果。喷嘴布置在按炉底部φ=0.45D同心圆上，且相互成60°分布即偏轴心布置。

3.6 转炉炉体金属构件设计

转炉金属构件是指炉壳、支承装置（托圈与耳轴）和倾动机构。

3.6.1 转炉主要尺寸参数的确定和计算

炉壳通常由炉帽、炉身和炉底三部分组成。主要承受钢水、炉渣及耐材的静载荷，以及金属料冲击；热应力作用，其材质应具有高的强度，本设计采用锅炉钢板和合金钢板

3.6.2 倾动机构的设计

本设计采用全悬挂式倾动机构，采用无级调速，转速为0.15～1.5r/min。

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第四章 氧气转炉供氧系统设计

4.1 氧气的供应

4.1.1 转炉炼钢车间需氧量计算

（1）一座转炉吹炼时的小时耗氧量计算 ① 平均小时耗氧量Q1（Nm3/h）：

Q1?60GW60?250?553

??20625 Nm/h （4-1） T140式中： G—平均炉产钢水量，t；

W—吨钢耗氧量，m3/t，可取45～55m3/t； T1—平均每炉钢水冶炼时间，min。

② 高峰小时耗氧量Q2（m3/h）：

Q2?60GW60?250?553

??41250Nm/h （4-2） T220式中：T2—平均每炉纯吹氧时间，min。 （2）车间小时耗氧量

① 车间平均小时耗氧量Q3(m3/h）：

Q3=NQ1=2×20625=41250m3/h (4-3)

式中：N—车间经常吹炼的炉座数。 ② 车间高峰小时耗氧量Q4（m3/h）：

Q4=n/N×Q2=41250m3/h （4-4）

4.1.2 制氧机能力的选择

根据转炉车间的小时平均需氧量确定选取制氧机座数及能力。本设计选取2座26000m3/h的制氧机。

4.2 氧枪设计

氧枪由喷头、枪身和尾部结构三部分组成。喷头常用紫铜制成；枪身由三层无缝钢

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管套装而成；尾部结构连接输氧管和冷却水进出软管。

4.2.1 制氧机能力的选择

（1）喷头类型与选择

本设计选用拉瓦尔型喷头，孔数定为5孔，喷孔夹角为15°，喷孔布置选择周边布置，出口马赫数M=2.0。

（2）喷头尺寸计算 ① 氧流量计算

氧流量?每吨钢耗氧量?出钢量55?250??687.5m3/min （4-5）

吹氧时间20式中：每吨钢耗氧量为55～65m3/t，本设计选55m3/t； ② 理论计算氧压

由等熵流函数表可查得：当马赫数M=2.0时，P/P0=0.1278，将选取的P=1.01×105Pa带入，则可求得P0=7.90×105Pa

其中： P—转炉炉膛内气体压力，即喷孔出口处气流的压力，Pa，选取范围（1.01～

1.04）×105Pa；

P0—使用氧压，在设计喷头时按理论计算氧压选取，Pa； ③ 选用喷孔出口马赫数与喷孔数。

综合考虑，选取马赫数Ma=2.0。选取转炉喷孔数为5孔，能保证氧气流股有一定的冲击面积与冲突深度，熔池内尽快形成乳化区，减少喷溅，提高成渣速度和改善热效率。

④ 计算吼口直径。 喷头每个喷孔氧气流量q：

q?氧流量687.5??137.5m3/min(标态） （4-6）

喷孔数5喷管实际氧气流量QV：

QV?1.782CDA喉?P0T0 (4-7)

式中： 一般单孔CD=0.95～0.96；三孔喷头CD=0.90～0.96。

由式(4-7)，并且取CD=0.96，T0=290K，又P0=7.90×105Pa，代入上式，则

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7.90?105 137.5?1.782?0.96?4290喉?d2由上式可求得： d喉=47mm ⑤ 求喷孔出口直径

根据等熵流表，在Ma=2.0时，A出/A喉=1.6875，即口直径

d出?1.6875d喉?1.6875?47?61mm （4-8）

?4d2出?1.6875??4d2喉，故喷孔出

⑥ 计算扩张段长度。取扩张段的半锥角α为4°，则扩张段长度

L扩?d出?d喉2tan??61?47?100mm （4-9） 02tan4⑦ 确定喷孔倾角β：

多孔喷头的各个流股是否发生交汇以效应角θ为界，大于θ则各流股很少交汇，小于θ则必定交汇。按照经验，喷头倾角β=12.8°～15.4°为宜。综合考虑选取β=15°。

⑧ 喷孔喉口段长度确定

喉口段长度的作用：一是稳定气流；二是使收缩段和扩张段加工方便，为此过长的喉口段反而会使阻损增大，因此喉口段长度推荐为5～10㎜。本设计选取8㎜。

4.2.2 氧枪枪身设计

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通道。

(1) 枪身各层尺寸的确定 ① 中心氧管管径的确定 管内氧气工况流量Q0：

P标T0Q0??Q （4-10）

P0T标1.01325?105?29033??687.5?93.67m/min?1.56m/s57.90?10?273

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式中： P标—标准大气压，Pa；

P0—管内氧气工况压力，Pa； T标—标准温度，273K；

T0—管内氧气实际温度，一般取290K。 取中心管内氧气流速V0=50m/s，则中心氧管内径

d1?4?F1?4Q041.56????210㎜ （4-11） ?V0?45式中： F1—中心氧管内截面积，㎡；

V0—管内氧气流速，m/s，一般取40～50m/s，这里取V0=45m/s； 根据标准热轧无缝钢管产品规格，选取中心钢管为φ219㎜×8㎜。 ② 中外层钢管管径

根据生产实践经验，选取氧枪冷却水耗量Q水=250t/h；冷却水进水速度V进=6m/s，出水速度V出=7m/s。又中心氧管外径d1外=219㎜，则：

进水环缝面积

F2?出水环缝面积

Q水25022 （4-12） ??0.01157m?115.7cmV进6?3600F3?Q水2502 （4-13） ??0.00992m2?99.2cmV出7?3600所以，中层钢管的内径d2：

d2?4F2??d1外?24?115.7??21.92?25.03cm?250.3mm （4-14）

选取中层钢管d2外=φ253㎜×8mm。 同理，外层钢管内径

d3?4F3??d2外?24?99.2??25.32?27.68cm?276.8mm （4-15）

选取外层钢管d3外=φ280㎜×8㎜。 （2）氧枪长度的确定

氧枪全长包括下部枪身长度l1和尾部长度l2。氧枪尾部装有氧枪把持器，冷却水进

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出管接头，氧气管接头和吊环等。故l2的长度取决于炉子容量和烟罩尺寸。

本设计参照宝钢三百吨转炉参数，取氧枪总长为24m，氧枪工作行程为18m。

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第五章 转炉车间原材料供应

5.1 铁水供应

由于所建的是两座250吨的转炉，所以采用容量为500吨的混铁车。 车间所需混铁车台数N（台）为：

N?PmaxQnc??17000?16.7 （5-1）

500?0.9?3?0.75式中： Pmax—高炉铁水最高日产量，t/d；

Q—混铁车容量，t，取600t； 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； η—混铁车作业率，约取0.75；

经计算得知，选取17个鱼雷罐车。

5.1.1 铁水包选择

由转炉容量可计算出每炉钢水需要铁水231t，考虑过余装量10%后可装254t，由此选择铁水包容量为260t。

参照盛钢桶尺寸计算，选取铁水包全高为4759㎜，空铁水包重72.05t，其它数据兼同钢包。铁水包耳轴位置选取为铁水包全高一半偏上500㎜。

本设计铁水包数选用6个，其中两个为备用。

5.2 废钢供应

废钢是作为冷却剂加入转炉的。根据氧气顶吹转炉热平衡计算，废钢的加入量一般为10～30%。加入转炉的废钢块度，最大长度不得大于炉口直径的1/3， 最大截面积要小于炉口的面积的1/7。根据炉子吨位的不同，废钢块单重波动范围为150～2000kg。

（1）废钢的加入方式

目前在氧气顶吹转炉车间，向转炉加入废钢的方式有两种，一种是直接用桥式吊车吊运废钢槽倒入转炉；另一种是用废钢加料车装入废钢；

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