转炉工作原理及结构设计课程设计.docx

转炉工作原理及结构设计课程设计.docx

《转炉工作原理及结构设计课程设计.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《转炉工作原理及结构设计课程设计.docx（19页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

转炉工作原理及结构设计课程设计

攀枝花学院本科课程设计

转炉工作原理及结构设计

学生姓名：

学生学号：

院（系）：

年级专业：

指导教师：

二〇一三年十二月

转炉工作原理及结构设计

1.1前言

1964年，我国第一座30t氧气顶吹转炉炼钢车间在首钢建成投产。

其后，上钢一厂三转炉车间、上钢三厂二转炉车间等相继将原侧吹转炉改为氧气顶吹转炉。

20世纪60年代中后期，我国又自行设计、建设了攀枝花120t大型氧气顶吹转炉炼钢厂，并于1971年建成投产。

进入20世纪80年代后，在改革开放方针策的指引下，我国氧气转炉炼钢进入大发展时期，由于氧气转炉炼钢和连铸的迅速发展，至1996年我国钢产量首次突破1亿t，成为世界第一产钢大国。

1.2转炉概述

转炉（converter）炉体可转动，用于吹炼钢或吹炼锍的冶金炉。

转炉炉体用钢板制成，呈圆筒形，内衬耐火材料，吹炼时靠化学反应热加热，不需外加热源，是最重要的炼钢设备，也可用于铜、镍冶炼。

转炉按炉衬的耐火材料性质分为碱性（用镁砂或白云石为内衬）和酸性（用硅质材料为内衬）转炉；按气体吹入炉内的部位分为底吹、顶吹和侧吹转炉；按吹炼采用的气体，分为空气转炉和氧气转炉。

转炉炼钢主要是以液态生铁为原料的炼钢方法。

其主要特点是：

靠转炉内液态生铁的物理热和生铁内各组分（如碳、锰、硅、磷等）与送入炉内的氧进行化学反应所产生的热量，使金属达到出钢要求的成分和温度。

炉料主要为铁水和造渣料（如石灰、石英、萤石等），为调整温度，可加入废钢及少量的冷生铁块和矿石等。

1.2.1转炉分类

1.2.1.1炼钢转炉

早期的贝塞麦转炉炼钢法和托马斯转炉炼钢法都用空气通过底部风嘴鼓入钢水进行吹炼。

侧吹转炉容量一般较小，从炉墙侧面吹入空气。

炼钢转炉按不同需要用酸性或碱性耐火材料作炉衬。

直立式圆筒形的炉体，通过托圈、耳轴架置于支座轴承上，操作时用机械倾动装置使炉体围绕横轴转动。

50年代发展起来的氧气转炉仍保持直立式圆筒形，随着技术改进，发展成顶吹喷氧枪供氧，因而得名氧气顶吹转炉，即L-D转炉（见氧气顶吹转炉炼钢）;用带吹冷却剂的炉底喷嘴的，称为氧气底吹转炉（见氧气底吹转炉炼钢）。

1.2.1.2炼铜转炉

一般为卧式转炉用于处理铜锍，通过鼓入空气把冰铜氧化吹炼成粗铜，也用于吹炼冰镍。

1.2.2转炉炼钢的基本原理

氧气顶吹转炉炼钢设备工艺，如图4所示。

按照配料要求，先把废钢等装入炉内，然后倒入铁水，并加入适量的造渣材料（如生石灰等）。

加料后，把氧气喷枪从炉顶插入炉内，吹入氧气（纯度大于99%的高压氧气流），使它直接跟高温的铁水发生氧化反应，除去杂质。

用纯氧代替空气可以克服由于空气里的氮气的影响而使钢质变脆，以及氮气排出时带走热量的缺点。

在除去大部分硫、磷后，当钢水的成分和温度都达到要求时，即停止吹炼，提升喷枪，准备出钢。

出钢时使炉体倾斜，钢水从出钢口注入钢水包里，同时加入脱氧剂进行脱氧和调节成分。

钢水合格后，可以浇成钢的铸件或钢锭，钢锭可以再轧制成各种钢材。

1.2.3氧气顶吹转炉炼钢的基本流程

高炉

铁合金仓库

散状料场

废钢料场

混铁炉

地下散料

地下铁合金料

废钢间配料

皮带及炉顶料

皮带及中位料

兑铁水罐内

铁水脱硫

氧气阀门站

氧枪吹氧

溅渣吹氮

下料系统

下料系统

顶渣料

120t顶吹复吹转炉

底吹阀门

站N2/Ar

钢水罐

旋转湍槽

渣罐

烟气净化煤气

炉渣间

煤气

LP.VD精炼设备

挤胚连铸机

污泥脱水送烧

2.1转炉炼钢的工艺设计

2.1.1转炉炼钢主原料（金属）

氧气顶吹转炉炼钢用主原料为铁水﹑废钢和铁合金。

2.1.1.1转炉炼钢对铁水的要求

铁水一般占转炉装入量的70%~100%。

铁水的物理热与化学热是氧气顶吹转炉炼钢的基本热源。

因此，对入炉铁水温度和化学成分必须有一定要求。

（1）温度≥1250℃而且稳定

铁水温度的高低，标志着其物理热的多少。

较高的铁水温度，不仅能保证转炉吹炼顺利进行，同时还能增加废钢的配加量，降低生产成本。

因此，希望铁水的温度尽量高些，一般应保证入炉时仍在1250℃～1300℃以上。

另外，还希望铁水温度相对稳定，以利于冶炼操作和生产调度。

（2）成分合适而且波动小

铁水的含磷量≤0.4%：

铁水的含硫量≤0.07%：

铁水的含硅量0.4%-0.8%为宜；

铁水的含锰量0.2%-0.4%；

铁水的含碳量。

（3）带渣量≤0.5%

高炉渣中含硫、SiO2、和Al2O3量较高，过多的高炉渣进入转炉内会导致转炉钢渣量大，石灰消耗增加，造成喷溅，降低炉衬寿命，因此：

通常要求带渣量不得超过0.5%。

2.1.1.2转炉炼钢的废钢原料

废钢是氧气顶吹转炉炼钢的主原料之一，是冷却效果稳定的冷却剂。

通常占装入量的30%以下。

适当的增加废钢比，可以降低转炉钢消耗和成本。

返回料（废钢锭轧﹑钢切头等）

本厂废钢

回收料（加工废料﹑报废设备等）

废钢

加工工业的废料（机械﹑造船﹑汽车等行业的废钢﹑车屑等）

外购废钢

钢铁制品报废件（船舶﹑车辆﹑机械设备﹑土建材料等）

1）废钢的作用

废钢是转炉炼钢的另一种金属炉料，其作用是冷却熔池。

氧气顶吹转炉炼钢中，主原料铁水的物理热和化学热足以把熔池的温度从1250℃～1300℃加热到1600℃左右的炼钢温度，且有富余热量，废钢就是被用来消耗这些富余热量，以调控熔池的温度。

2）转炉炼钢对废钢的要求

废钢的外形尺寸和块度

废钢中不得混有铁合金

废钢应清洁干燥

不同性质的废钢分类存放

3）废钢的加工和废钢预热预热

废钢的加工：

转炉炼钢所用废钢多为外购废钢。

其来源广泛，大小悬殊，外形各异，且多有混杂，应针对所购废钢的特点进行相应的加工处理如切割、打包、火烧、挑拣、水洗等，以满足转炉炼钢对入炉废钢的基本要求。

废钢预热：

目的：

提高废钢比，降低生产成本。

方法及效果：

利用铁水罐余热和燃料燃烧加热。

（首钢）将废钢装入铁水罐中，置于煤气烘烤器下烘烤30～40min，然后接铁水一并倒入转炉，废钢比提高10%。

2.1.1.3转炉炼钢的铁合金原料

铁合金

（1）作用：

脱氧剂、合金剂。

（2）常用的铁合金种类：

◆简单合金：

Fe-Mn，Fe-Si，Fe-Cr，Fe-V，

Fe-Ti，Fe-Mo，Fe-W等

◆复合脱氧剂：

Ca-Si合金，Al-Mn-Si合金，

Mn-Si合金，Cr-Si合金，Ba-Ca-Si合金，

Ba-Al-Si合金等

◆纯金属：

Mn、Ti（海绵Ti）、Ni、Al。

（3）要求：

成分准确、块度合适（5～40mm）、用前烘烤。

2.1.2转炉炼钢主原料（非金属）

炼钢生产所用的非金属料主要是石灰、白云石等造渣材料，及萤石、矿石、氧化铁皮等助熔剂。

2.1.2.1转炉炼钢非金属原料——石灰

（1）作用：

造碱性渣以去除钢中的磷或硫。

碱性炼钢方法的造渣料，主要成分为CaO，由石灰石煅烧而成，是脱P、脱S不可缺少的材料，用量比较大。

（2）要求：

CaO有效达80～85%以上；

由于%CaO有效=%CaO石灰-B×%SiO2石灰，因此%CaO石灰要高，SiO2要低部标规定≤4%。

S含量一般应小于0.05%（减轻脱硫负担）；

烧减＜2.5～3.0%。

2.1.2.2转炉炼钢非金属原料——白云石

（1）成分：

白云石是化学组成为CaCO3·MgCO3的矿物，理论含量为CaO:

30.4%、MgO21.9%、CO247.7%。

天然白云石中还含有SiO2等杂质。

（2）作用：

提高渣中MgO的含量，减轻炉衬的侵蚀，延长使用寿命；同时白云石也是溅渣护炉的调渣剂。

（3）要求：

MgO的含量要高，杂质含量尽量低（SiO2）

2.1.2.3转炉炼钢非金属原料——萤石

（1）作用：

助熔剂或化渣剂。

CaF2能与CaO生成1362℃的共晶体，且本身熔点仅935℃左右，化渣很快。

但萤石资源短缺，价高，而且用量过大对炉衬有侵蚀作用，冶金部转炉操作规程规定萤石用量≤4kg/t。

（2）要求：

CaF275～85%，SiO25～20%，CaO＜3%，S＜0.2%；块度10～80mm，且应保持清洁、干燥、不混杂。

（3）鉴别：

自然界的萤石因成分不同而呈多种颜色，翠绿透明的萤石质量最好；白色的次之；带有褐色条纹或黑色斑点的萤石含有硫化物杂质，其质量最差。

2.1.2.4转炉炼钢非金属原料——合成造渣剂

合成造渣剂是用石灰加入适量的氧化铁皮、萤石、氧化锰或其他氧化物等熔剂，在低温下预制成型。

合成渣剂熔点低、碱度高、成分均匀、粒度小，且在高温下易碎裂，成渣速度快，因而改善了冶金效果，减轻了转炉造渣负荷。

2.1.2.5转炉炼钢非金属原料——增碳剂

在冶炼过程中，由于配料或装料不当以及脱碳过量等原因，有时造成钢中碳含量没有达到预期的要求，这时要向钢液中增碳。

转炉冶炼中，高碳钢种时，使用含杂质很少的石油焦作为增碳剂。

对顶吹转炉炼钢用增碳剂的要求是固定碳要高，灰分，挥发分和硫，磷，氮等杂质含量要低，且干燥，干净，粒度适中。

其固定碳C≥96%，挥发分≤1.0%，S≤0.5%，水分≤0.5%，粒度在1-5mm。

2.1.2.6转炉炼钢非金属原料——铁矿石和氧化铁皮

（1）成分：

铁矿石的成分主要是Fe2O3，还有部分的FeO；氧化铁皮是锻钢和轧钢过程中从钢锭或钢坯上剥落下来金属氧化物的碎片，又称铁鳞，其主要成分是Fe2O3，还有部分的Fe3O4。

（2）作用：

萤石的代用品，可与石灰生成铁酸钙。

（3）要求：

铁矿石的TFe≥56%，SiO2≤10%，S≤0.2%，块度10～50mm为宜；氧化铁皮的TFe≥90%，其它杂质不大于3%，使用前在500℃温度下烘烤2个小时以上，去除水分和油污。

2.1.2.7转炉炼钢非金属原料——氧气

（1）来源：

目前炼钢所用氧气，是由工业制氧机分离空气所得。

（2）作用：

氧化杂质元素同时产生化学热，并利用氧气射流搅拌熔池。

（3）要求：

纯度要高，含氧量≥99.5%（减少热损和[N]）；脱除水分，含水量≤3g/m3（减少[H]）；具有一定的压力，0.7～1.5MPa且稳定。

2.1.3转炉内的基本反应及熔体成分变化

2.1.3.1硅、锰的氧化

炼钢中硅、锰的氧化以间接氧化方式为主，其反应式为：

[Si]+2（FeO）=（SiO2）+2Fe放热

[Mn]+（FeO）=（MnO）+Fe放热

2.1.3.2转炉炼钢中的脱碳

转炉炼钢的主原料——铁水中含有4.%左右的碳，转炉中的脱碳反应以间接氧化为主：

（FeO）+[C]={CO}+Fe。

这是一个吸热反应，因此，熔池温度升高至1500℃左右后脱碳反应方能激烈进行。

在氧气射流的作用区，还会发生碳的直接氧化：

1/2{O2}+[C]={CO}，它是强放热反应，故而，碳是转炉炼钢的主要热源之一。

复吹转炉底吹CO2气体时，CO2也会参与碳的氧化：

{CO2}+[C]=2{CO}，因此会强化炉内的脱碳反应。

2.1.3.3转炉冶炼中的脱磷和脱硫

脱磷的反应式为：

2[P]+5（FeO）+4（CaO）=（4CaO·P2O5）+5Fe放热

其基本条件是高碱度、高氧化铁和低温度。

炉渣脱硫的反应式为：

[FeS]+（CaO）=（CaS）+（FeO）吸热

它的基本条件是高碱度、高温度和低氧化铁。

2.2炼钢转炉的设计

2.2.1炼钢转炉炉衬设计

2.2.1.1炼钢转炉炉衬简介

转炉炉衬（convcrterlining）

转炉金属炉壳内砌筑的耐火材料层。

转炉炉衬的主要功能是为高温冶金熔体完成炼钢反应提供经久耐用的容器。

要求炉衬材料能耐受高温及温度的剧烈波动，耐炉渣的化学侵蚀能抵抗钢水的机械冲击和磨损。

转炉炉衬全部用碱性耐火材料。

碱性耐火材料以氧化镁、氧化钙为主要成分，常用的是镁砖。

含氧化镁80％～85％以上的镁砖，对碱性渣和铁渣有很好的抵抗性，耐火度比粘土砖和硅砖高。

主要用于平炉、吹氧转炉、电炉、有色金属冶炼设备以及一些高温设备上。

2.2.1.2耐火材料分类

酸性耐火材料以氧化硅为主要成分，常用的有硅砖和粘土砖。

中性耐火材料以氧化铝、氧化铬或碳为主要成分。

碱性耐火材料以氧化镁、氧化钙为主要成分，常用的是镁砖。

2.2.1.3转炉炉衬的结构

转炉耐火材料炉衬结构可以分成炉底、熔池、炉壁、炉帽、渣线、耳轴、炉口、出钢口、底吹供气砖几部分。

1．永久层

永久层是从安全角度考虑设置的，很少出现损坏现象，在砌筑新的炉衬时，这一层是不需要拆除的。

永久层厚度一般为230mm左右，用烧结镁砖砌筑。

2．综合砌炉

在拆除使用后的炉衬时发现，损坏是由个别侵蚀严重的部位不能使用造成的，而其余相当多的部位虽然仍可以使用，可是为了砌筑新的炉衬而不得不废弃。

这就使人们提出一个综合砌炉、均衡炉衬的概念。

针对炉衬不同部位的侵蚀状态选择不同质量的炉衬砖。

渣线、耳轴区是转炉炉衬中使用条件最苛刻的部位，受到钢液、炉渣的冲刷、侵蚀以及炉内气体的冲刷作用，要求使用抗侵蚀性最好的砖砌筑。

炉帽区主要受炉内气体的冲刷作用，以及吹炼时炉渣的喷溅作用，这部分衬砖的主要问题是剥落和掉砖。

解决掉砖的方法有几种：

①将这部分衬砖的外面包装铁皮，高温下铁皮熔结在一起，使炉帽区的衬砖整体性更好；②在铁皮的外侧焊接绞链并将绞链同炉壳连接在一起；③在砌筑炉帽区衬砖时，背部使用以树脂为结合剂的粘接泥料，使炉衬有更好的整体性。

炉壁区的衬砖，特别是装料侧的炉衬砖，受到钢水、炉渣的冲刷作用，要求具有较高的高温强度。

熔池和炉底的衬砖主要受到钢液的侵蚀，应具有很好的抗侵蚀性。

炉衬砖的长度为500～800mm，个别部位的砖长度在lm以上，这种砖有很大的生产难度，一般要用高吨位真空压砖机成型。

3．底吹供气砖

在转炉炉衬中底吹供气砖是一个具有特殊地位的砖种。

在顶底复合吹炼中，底吹Ar，CO2，N2就是通过这块砖吹入炉内的，严格地讲，底吹供气砖已经脱离了原有耐火砖的概念，而具有一定的功能特征。

因此，一般定义这类耐火材料为功能性耐火材料。

4．出钢口

在转炉炉衬中，出钢口砖是另一个具有特殊意义的砖种。

大型转炉出钢口由于通钢量大，受到钢液的冲刷，使用条件十分苛刻，一般寿命都比较短，远远不能与炉衬同步使用，只有100次左右。

所以要经常更换出钢口砖，每换一次约需2～4h。

2.2.2炼钢转炉炉体设计

2.2.1.1炼钢转炉炉体参数设计

炉体总高（包括炉壳支撑板）：

7050mm

炉壳高度：

6820mm

炉壳外径：

Φ4370mm

高宽比:

H/D=1.56

炉壳内径：

Φ4290mm

公称容量：

50t

有效容积：

39.5m3

熔池直径:

Φ3160mm

炉口内径：

Φ1400mm

出钢口直径：

140mm

出钢口倾角（与水平）:

20°

炉膛内径：

Φ3160mm

炉容比:

0.79m3/t.s

熔池深度：

1133mm

炉衬厚度：

熔池：

500mm炉身：

500mm炉底：

465mm炉帽：

550mm

炉壳总重：

77.6t

炉衬重量：

120t

炉口结构：

水冷炉口

炉帽结构：

水冷炉帽

挡渣板结构：

双层钢板焊接式

托圈结构：

箱式结构（水冷耳轴）

2.2.2炼钢转炉倾动装置设计

型式：

四点啮合全悬挂扭力杆式（交流变频器调速）

最大工作倾动力矩：

100t*m

最大事故倾动力矩：

300t*m

倾动角度：

±360°

倾动速度：

0.2～1r/min

2.2.2炼钢转炉炉型设计

2.1转炉容量的计算

2.1.1根据生产规模和产品方案计算出年需要钢水量：

年需钢水量=年需良坯量/良坯收得率

年需不同钢种的连铸方坯250×104t，连铸板坯200×104t。

连铸收得率99%，

则：

年需钢水量=450/99%=450×104t

2.1.2计算年出钢炉数：

（按2吹2计算）

年出钢炉数=2年炼钢时间/冶炼周期2日历时间转炉作业率/冶炼周期

转炉作业率=转炉有效作业天/日历天数100%=290/365100%=79.5%

转炉有效作业天数：

日历天数扣除大于20min以上的一切检修和故障时间总和，转炉工艺设计技术规范规定，当转炉与单台连铸机配合全连铸时为275～300天。

本设计取290天。

冶炼周期按容量大小确定，大于100t为38～45min，本设计取40min，则：

年出钢炉数=2×365×79.5%×24×60/40=20880炉

每天出钢炉数=年出钢炉数/年作业天数=20880/290=72炉

平均产钢水量=年产钢水量/年出钢炉数=4500000/20880=215.5t

2.1.3按标准系列确定炉子容量：

选定250t转炉2座，按照2吹2方式生产。

核算车间年产量：

250×20880×99%=495.9×104t良坯。

2.2转炉炉型设计

2.2.1原始条件

炉子平均出钢量为250t，铁水密度6.8g/cm3，铁水收得率为92%。

2.2.2炉型选择

顶底复吹转炉的炉型基本上与顶吹和底吹转炉相似；它介于顶吹转炉和底吹转之间。

为了满足顶底复吹的要求炉型趋于矮胖型，由于在炉底上设置底吹喷嘴，炉底为平底，所以根据原始数据，为了便于设置底部供气构件，选择截锥形

炉型。

2.2.3炉容比

炉容比指转炉有效容积Vt与公称容量T之比值Vt/T（m3/t）。

Vt系炉帽、炉身和熔池三个内腔容积之和。

公称容量以转炉炉役期的平均出钢量表示，这种表示方法不受操作方法和浇注方法的影响。

转炉新砌炉衬的炉容比推荐值为0.85-0.95m3/t,大转炉取下限，本设计取V/T=0.95。

2.2.4熔池尺寸的计算

2.2.4.1熔池直径的计算

式中D—熔池直径，m；

G—新炉金属装入量，t；

t—垂杨时间，min；

K—比例系数；

（1）确定初期装入量G：

取B=15%

式中B—老炉比新炉多产钢系数；

—钢水收得率；

—新炉装入量占的体积；

（2）确定吹氧时间：

吨耗氧量：

57m3/t，吹氧时间14min

取K=1.50则：

2.2.4.2熔池深度的计算。

2.2.4.3炉帽尺寸的计算确定

（1）炉口直径

：

取

=0.43*6.36=2.73（m）

（2）炉帽倾角

：

选

。

（3）炉帽高度

：

取

=400 mm，则整个炉帽高度为:

炉帽体积为：

2.2.4.4炉身尺寸的确定

（1）炉膛直径

（无加厚段）

（2）根据选取的炉容比为0.95，可算出炉子的总容积为：

则：

（3）炉身高度：

则炉型内高：

2.2.4.5炉衬厚度确定

查表知，炉身工作层选700mm，永久层选115mm，填充层选100mm。

总厚度为:

800+115+100=915（mm）

炉壳内径为：

炉帽工作层选600mm，永久层选150mm，炉底工作层选600mm，永久层230mm，

黏土砖平砌三层65×3=195mm。

则炉底砖衬总厚度为：

600+230+195=1025（m）

故炉壳内型高度为：

H壳内=9.946+1.025=10.971（m）

表2.1转炉炉衬厚度的设计值

炉衬各部位名称

转炉容量

250t

炉帽

炉身

炉底

永久层厚度（mm）

工作层厚度（mm）

永久层厚度（mm）

工作层厚度（mm）

永久层厚度（mm）

工作层厚度（mm）

150

600

115

700

230

600

2.2.4.6炉壳厚度确定

查表选择：

炉帽：

65mm厚钢板

炉身：

75mm厚钢板

炉底：

65mm厚钢板

2.2.4.7验算高宽比：

由以上数据可计算得：

则：

由此可知，

的比值符合高宽比的推荐值，因此所设计的炉子尺寸基本

上是合适的，能够保证转炉的正常冶炼。