年产330万吨转炉炼钢车间设计.docx
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年产330万吨转炉炼钢车间设计
年产330万吨全连铸坯的转炉炼钢车间工艺设计
专业：
冶金工程
姓名：
朱江江
指导老师：
折媛
摘要
本设计的主要任务是设计一座年产330万吨方坯的转炉炼钢车间。
本设计从基础的物料平衡和热平衡计算开始，主要包括以下几部分：
转炉炉型设计、氧枪设计、转炉车间设计、连铸设备的选型及计算、以及炼钢操作制度和工艺制度，其中，转炉炼钢车间设计是本设计的重点与核心。
本设计设有转炉两座，转炉大小均为150t，平均吹氧时间为38min，纯吹氧时间为18min，转炉作业率为80%，转炉的原料主要有铁水、废钢以及其它一些辅助原料。
连铸坯的收得率为98%，另外本车间炉外精炼主要采用了喂丝以及真空脱气手段。
本车间的浇注方式为全连铸。
车间的最终产品为方坯。
此次的设计任务更加巩固了我所学的专业知识，与此同时也更加了解了转炉炼钢车间的各道工艺流程，为以后的工作打下了良好的基础。
关键词：
顶底复吹转炉炼钢车间精炼连铸
Abstact
Themaintaskofthisdesignisdesigningaplantwichperduce3.3milliontonsofsteelperyear.Itisbecomethefoundationofthematerialandthermalcalculation,mainlyincludethefollowingparts:
thebofmodeldesigning,oxygenlancedesigning,equipmentselectionandcalculationofcontinuouscaster,besides,alsoincludingoperatingandprocesssystemofsteelmaking,thecoreofthedesignising
Thisdesignhastwo150tconverterforsteelmaking,theaveragetimeofoxygenapplyingis38min,pureoxygenapplyingtimeis18min,theefficientofthebofis80%,scrapmetalandotherauxiliarymaterials.Therateofcastingbilletis98%,inaddition,refiningmainlyadoptswirefeedingandvacuumdeairing,Thefinalproductisbillet.
Thedesignmorestrengthenedmymajorknowledge,atthesametimealsounderstandmoreabouttheconvertersteelmakingofeachprocess,laidingagoodfoundationfortheworkoffuture.
Keywords:
convertersteelmakingrefiningcasting
1
1.1转炉冶炼原理简介[1]
转炉炼钢是把氧气鼓入熔融的生铁里，使杂质硅、锰等氧化。
在氧化的过程中放出大量的热量（含1%的硅可使生铁的温度升高200摄氏度），可使炉内达到足够高的温度。
因此转炉炼钢不需要另外使用燃料。
氧气转炉生产的主要原材料是铁水，大多数情况下铁水由高炉攻击，而高炉的原材料是铁矿石；转炉生产出来的产品是钢坯（或钢锭），他们还不是最终成品，而必须经由轧钢机轧制成各种类型和规格的钢板、型钢和钢管等最终产品，提供给市场。
因此，氧气转炉不可能独立存在，它必须前有炼铁，后有轧钢，共同组成一个钢铁生产的联合体。
我们称这样的生产模式为钢铁联合企业。
从化学成分来看，刚和生铁都是铁碳合金，并还有Si、Mn、S、P等元素，由于C和其他元素的含量不同，所形成的组织不同，因而性能也不一样。
根据Fe——C相图，C含量在0.0218%-2.11%之间的铁碳合金为钢，它的熔点在1450-1500℃。
C含量在2.11%以上的铁碳合金称为生铁，熔点在1100-1200℃。
C含量在0.0218%一下的铁碳合金称为工业纯铁。
在钢中碳元素和铁元素形成Fe3C固熔体，随着碳含量的增加，其强度、硬度增加，而塑性和冲击韧性降低。
钢具有很好的物理、化学性能与力学性能，可进行拉、压、轧、冲、拔等深加工，其用途十分广泛。
若以生铁为原料炼钢，需氧化脱碳:
钢种P、S含量过高分别会造成钢的“冷脆”性和“热脆”性，炼钢过程应脱出P、S；钢中氧含量超过限度会加剧钢的“热脆”性，并形成大量氧化物夹杂，因而要脱出氧；钢种含有H、N分别造成钢的氢脆和时效性，应该降低钢中的有害气体含量；夹杂物的存在会破坏钢基体的连续性，从而降低钢的力学性能，也应该去除：
炼钢过程应提高温度达到出钢要求，同时还要加入一定种类和数量的合金，使钢的成分达到所炼钢种的规格。
综上所述，炼钢的基本任务包括：
脱碳、脱氧、脱硫、脱磷；去除有害气体和夹杂，提高温度；调节成分。
炼钢过程通过供氧、造渣、加合金、搅拌、升温等手段完成炼钢基本任务。
氧气顶吹转炉炼钢过程，主要是降碳、升温、脱硫、脱磷以及脱氧和合金化等高温物理化学反应的过程，其工艺操作原则则是控制供氧、造渣、温度，以及加入合金材料等，以获得所要求的钢液，并浇成合格钢坯或钢锭。
1.2氧气转炉炼钢的特点
与平炉、电炉炼钢法相比，氧气转炉炼钢具有生产率高、刚中气体含量低、钢的质量好等特点。
氧气转炉炉内反应速度快，冶炼时间短，具有很高的生产效率。
随着转炉容量的增大，生产率进一步提高。
氧气转炉钢具有以下特点：
（1）钢中气体含量少
（2）由于炼钢主要原材料为铁水，废钢用量所占比例不大，因此Ni、Cr、Mo、Cu、Sn等残余元素含量低，由于钢中气体和夹杂少，具有良好的抗时效能力、能加工变形性能和焊接性能，钢材内部缺陷少。
不足之处是强度偏低，淬火性能稍次与平炉和电炉钢。
此外，氧气转炉钢的机械性能及其他方面性能也是良好的。
（3）原材料消耗少，热效率高，成本低。
氧气转炉的金属消耗率一般为1100~1140kg/t，比平炉稍高些。
耐火材料消耗仅为平炉的15~30%,一般为2~5kg/t。
由于氧气转炉是利用炉料本身的化学热和物理热，热效率高，不需外加热源。
因此燃料和动力消耗方面比平炉和电炉均低。
氧气转炉的高效率和低消耗，使钢的成本较低。
（4）原料适应性强。
氧气转炉对原料的适应性强，不仅能吹炼平炉生铁，而且能吹炼P（0.5~1.5%）和高P（>1.5%）生铁，还可以吹炼钒、钛等特殊成分的生铁。
（5）基建投资少，建设速度快。
氧气转炉设备简单，重量轻，所占的厂商面积和所需要的重型设备的数量比平炉车间少，因此投资比相同产量的平炉低30~40%。
而且生产规模越大，基建投资就越省。
氧气转炉车间的建设比平炉车间快得多。
氧气转炉炼钢生产比较均衡，有利于与连铸机配合。
还有利于开展综合利用，如煤气回收及实现生产过程的自动化。
近年来由于氧气转炉炼钢与炉外精炼技术相结合，所炼钢种进一步扩大，目前能生产的钢种近300个。
1.3设计原则和指导思想
对设计的总要求是技术先进，工艺上可行;经济上合理。
所以，设计应遵循的原则和指导思想是：
1）遵守国家的法律、法规，执行行业设计有关标准、规范和规定，严格把关，精心设计;
2）设计中对主要工艺流程进行多方案比较，以确定最佳方案;
3）设计中应充分采用各项国内外成熟的新技术，因某种原因暂时不上的新技术要预留充分的可能性。
所采用的新工艺、新设备、新材料必须遵循经过工业性试验或通过技术鉴定的原则;
4）要按照国家有关劳动安全、工业卫生及消防的标准及行业设计规定进行设计;
5）在学习、总结国内外有关厂家的生产经验的基础上，移植适用可行的先进技术;
6）设计中应充分考虑节约能源、节约用地，实行资源的综合利用，改善劳动条件以及保护生态环境。
1.4产品方案
一、冶炼的钢种、代表钢号及其化学成份
本设计冶炼的钢种、代表钢号及其化学成分见表2-1所示。
表1-1冶炼的钢种，代表钢号及其化学成分
钢种
钢号
化学成分（%）
C
Si
Mn
P
S
Cu
Al
普钢
Q235
0.14-0.22
0.12-0.30
0.35-0.55
≤0.045
≤0.05
≤0.30
—
钢
Q275
0.28-0.38
0.15-0.35
0.5-0.8
≤0.045
≤0.05
≤0.30
—
低合
16Mn
0.12-0.23
0.20-0.60
1.2-1.6
≤0.0050
≤0.05
≤0.30
—
合金钢
20MnSi
0.17-0.23
0.40-0.70
1.3-1.6
≤0.045
≤0.045
≤0.30
—
硅钢
热轧硅钢
≤0.08
3.80-4.40
0.20
≤0.20
≤0.20
—
0.05-0.12
冷轧硅钢
≤0.07
2.8-3.20
0.05-0.08
0.015-0.025
0.05-0.025
—
0.02
二、产品方案
本设计产品方案见表2-2所示
表1-2产品方案
钢种
连铸坯产量（万t/a）
生产比例%
精炼方式
普碳钢
100
30.30
吹氮或主要RH
低合金钢
230
69.70
LF或LF+VOD
总计
330
100
说明：
1）年产合格坯总量，是指连铸坯产量;
2）表中所有钢种均进行炉外精炼处理，包括吹氮、LF、VOD、RH处理等;
3）产品方案中的合金比30.30%、连铸比100%、精炼比100%.
4）连铸坯规格:
铸坯断面尺寸（mm2），取决于轧材产品类型和轧机的规格，本设计是生产型材（角钢、工字钢、轻轨钢、圆钢等），轧机为1700轧机，采用方形铸坯，其断面应为250mm×250mm，
2氧气转炉炼钢车间
2.1初始条件
拟建年产量为330万吨连铸坯的氧气转炉炼钢车间，相关技术参数如下：
1）年产量：
方坯330万吨；
2）产品方案：
普碳钢、低碳钢；
2.2公称容量选择[2]
1）选取时炉子容量应和国家标准浇注起重机的起重能力相适应。
即吊车的起重能力必须大于转炉最大出钢量和钢包（有衬）的重量之和，并应有一定的富余能力。
参见表2-1所示确定转炉的公称容量为150t。
表2-1与转炉配套的钢包容量和浇注起重机的配合
项目
单位
数值
转炉公称容量
t
100
12
0
最大出钢量
t
12
5
320
钢包容量
t
12
5
320
浇注起重机
t
180/63/20
225/63/20
280/80/20
360/100/20
400/100/20
450/100/20
2.3转炉座数的确定
为了减少车间内的设备互相干扰，终有固数目的炉子在吹炼，以发挥生产潜力。
炉于座数不宜太多，但必须保持年间内始本设计是使用顶底复吹转炉冶炼，合考虑当前转炉炼钢车间的生产情况，选用"二吹二"的方案，这样同时也可以提高转炉的利用效率，减少资金的投入。
2.4根据生产规模和产品方案计算出年需钢水量。
根据表2－2选取每炉钢的平均冶炼周期取37min，平均供氧时间为18min。
表2－2转炉冶炼周期和吹氧时间推荐值
转炉公称吨位/t
＜30
30～100
＞100
备注
冶炼周期/min
28～32
32～38
38～45
结合供氧强度、铁水成分和所炼钢种等具体条件确定
吹氧时间/min
12～16
14～18
16～20
年出钢炉数=1×
=1×
每天出钢炉数=
=
—式中
转炉作业率：
取
=80%
2.5计算年产钢量
在选定转炉公称容量和转炉工作之后，即可计算出车间的年产钢水量：
W=Nnq
式中W—车间年产刚水量，t。
n—车间经常吹炼炉子座数;
N—每一座吹炼炉子的年出钢炉数；
q—转炉公称容量；
再根据浇注方法就可以计算出年产钢量：
3转炉物料平衡和热平衡计算
炼钢过程的物料平衡与热平能量衡计算是建立在物质和能量的基础上的。
其主要目的是比较这个冶炼过程中物料、能量的收入项和支出项，为改进操作工艺制度、确定合理的设计参数和提高炼钢经济技术指标提供定量依据。
由于炼钢是一个复杂的高温物理化学过程加上测试手段有限，现在还难以做到精确测量。
本章主要对转炉的物料平衡和热平衡加以计算以确定其具体参数并加以设计。
[3]
3.1氧气顶底复吹转炉的物料平衡和热平衡
3.1.1物料平衡计算
3.1.1.1计算原始数据
基本数据有：
冶炼钢种及其成分铁水和废钢成分、终点钢水成分（表3-1）；造渣用熔剂及炉衬等的原材料的成分（表3-2）；脱氧和合金化用铁合金的成分及其回收率（表3-3）；其它工艺参数（表3-4）。
表3-1钢种、铁水、废钢和终点钢水的成分设定值
成分含量/%
类别
C
Si
Mn
P
S
钢种Q235A设定值
0.20
0.27
0.52
≤0.045
≤0.050
铁水设定值
4.10
0.80
0.60
0.200
0.035
废钢设定值
0.18
0.25
0.55
0.030
0.030
终点钢水设定值
0.10
痕迹
0.18
0.020
0.021
注：
终点钢水成分中，[C]和[Si]按实际生产情况选取；[Mn]、[P]和[S]分别按铁水中相应成分含量的30%，10%和60%留在钢水中设定。
本计算设定的冶炼钢种为Q235A.
表3-2原材料的成分
含量%
类别
CaO
O2
MgO
Al2O3
Fe2O3
GaF2
P2O5
S
CO2
H2O
灰分
挥发分
石灰
88.00
2.50
2.60
1.50
0.50
0.10
0.06
4.64
0.10
萤石
0.30
5.50
0.60
1.60
1.50
88.00
0.90
0.10
1.50
白云石
36.40
0.80
25.60
1.00
36.20
炉衬
1.20
3.00
78.80
1.40
1.60
14.00
焦炭
0.58
81.50
12.40
5.52
表3-3铁合金成分及其回收率
含量/%
类别
C
Si
Mn
Al
P
S
Fe
硅铁
—
73.00,
75
0.50,
80
2.50,
0
0.05,
100
0.03,100
23.92,100
锰铁
6.60,
90①
0.50,
75
67.8,
80
—
0.23,
100
0.13,
100
24.74,100
①10%C与氧生成CO
表3-4其他工艺参数设定值
名称
参数
名称
参数
终渣碱度
萤石加入量
生白云石加入量
炉衬侵蚀量
终渣∑W（FeO）含按W（FeO）=1.35W（FeO）折算
烟尘度
喷溅铁损
W（GaO/W（SiO2）=3.5
为铁水的0.5%
为铁水的2.5%
为铁水的0.3%
15%，而W（Fe2O3）/∑W（FeO）=1/3,即W（Fe2O3）=5%，W（FeO）=8.25%
为铁水量的1.5%（其中W（FeO）为75%，W（Fe2O3）为20%
为铁水量的1%
渣中铁损（铁珠）
氧气纯度
炉气中自由氧含量
气化去硫量
金属中[C]的氧化产物
废钢量
为渣量的6%
99%，余者为N2
0.5%（体积比）
占总去硫量的1/3
90%C氧化成CO，10%C氧化成CO2
由热平衡计算来确定，本计算结果为铁水量的19.43%，即废钢比为16.27%
3.1.1.3物料平衡的基本项目
收入项
支出项
铁水
钢水
废钢
炉渣
熔剂（石灰、萤石、轻烧白云石）
烟尘
氧气
渣中铁珠
炉衬蚀损
炉气
铁合金
喷溅
3.1.1.3计算步骤
以100kg铁水为基础进行计算。
第一步：
计算脱氧合金化前的总渣量及其成分。
总渣量包括铁水中元素氧化，炉衬蚀损和加入熔剂的成渣量。
其各项成渣量分别列于表3-5，表3-6，表3-7。
总渣量及其成分如表3-8所示。
第二步：
计算氧气消耗量。
氧气实际消耗量为消耗项与攻入项之差，见表3-9。
表3-5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/kg
耗氧量/kg
产物量/kg
备注
C
[C]→{CO}
4.00×90%=3.600
4.800
8.400
[C]→{CO2}
4.00×10%=0.400
1.067
1.470
Si
[Si]→（SiO2）
0.800
0.910
1.710
入渣
Mn
[Mn]→（MnO2）
0.420
0.120
0.540
入渣
P
[P]→（P2O5）
0.180
0.230
0.410
入渣
S
[S]→{SO2}
0.014×1/3=0.005
0.005
0.010
[S]+（CaO）→
（CaS）+（O）
0.014×2/3=0.009
-0.005
0.021（CaS）
入渣
Fe
[Fe]→（FeO）
1.076×56/76=0.837
0.239
1.076
入渣
[Fe]→（Fe2O3）
0.606×112/160=0.424
0.182
0.606
入渣
总计
6.675
7.548
成渣量
4.363
入渣组分之和
1由CaO还原出的氧量;消耗的CaO量=0.009×56/32=0.016kg。
表3-6炉衬蚀损的成渣量
炉料蚀损量/kg
成渣组分/kg
气态产物/kg
耗氧量/kg
CaO
SiO2
MgO
Al2O3
Fe2O3
C→O
C→CO2
C→CO，
C→CO2
0.3
（见表4）
0.004
0.009
0.236
0.004
0.005
0.3×14%×90%×28/12=
0.088
0.3×14%×10%×44/12
=0.015
0.3×14%×（90%×16/12+10%×32/12）
=0.062
合计
0.258
0.103
0.062
表3-7加入溶剂成渣量
类别
加入量/kg
成渣组分/kg
气态产物kg/s
CaO
MgO
SiO2
Al2O3
Fe2O3
P2O5
Gas
GaF2
H2O
CO2
O2
萤石
0.5
0.002
0.003
0.028
0.008
0.008
0.005
0.001
0.040
0.005
生白灰
2.5
0.910
0.640
0.020
0.025
0.905
石灰
6.67①
5.863②
0.173
0.167
0.100
0.033
0.007
0.009
0.007
0.309
0.002③
合计
6.675
0.816
0.215
0.133
0.041
0.012
0.010
0.040
0.012
1.214
0.002
成渣量
8.442
1：
由表3-6表3-7可知，渣中已含（CaO）=﹣0.016+0.004+0.002+0.910=0.900kg；渣中已含（SiO2）=1.710+0.009+0.028+0.020=1.767kg。
因设定的终渣碱度R=3.5；故石灰加入量为[R∑w（SiO2）－∑w（CaO）]/[w（CaO石灰）－R×w（SiO2石灰）]=5.285/（88.0%－3.5×2.50%）=6.67kg
（石灰中CaO含量）－（石灰中S→CaS自耗的CaO含量）。
2由CaO还原出来的氧气，计算方法同表3-6注。
表3-8总渣量及其成分
炉渣成分
CaO
SiO2
MgO
Al2O3
MnO
FeO
Fe2O3
CaF2
P2O5
CaS
合计
元素氧化成渣量（kg）
1.710
0.054
1.078
0.607
0.410
0.021
4.366
石灰成渣量（kg）
5.863
0.167
0.173
0.100
0.033
0.007
0.009
6.352
耐火材料蚀损量（kg）
0.004
0.009
0.236
0.004
0.005
0.258
轻烧白云石成渣量（kg）
0.910
0.020
0.640
0.025
1.595
萤石成渣量（kg）
0.002
0.028
0.003
0.008
0.008
0.440
0.005
0.492
总渣量（kg）
6.779
1.934
1.052
0.137
0.054
1.078
0.653
0.440
0.422
0.031
13.066
%
51.97
14.83
8.07
1.05
3.99
8.25
5.00
3.37
3.23
0.24
100.00
总渣量计算如下:
因为表3-9中除（FeO）和（Fe2O3）以外的渣量为:
6.779+1.934+1.025+0.137+0.540+0.440+0.422+0.031=11.216Kg,而终渣∑（FeO）=15%（表5）故总渣量为11.216/86.75%=12.929Kg。
①（FeO）量=12.929×5%=1.067Kg。
②（Fe2O3）量=12.929×5%﹣0.033﹣0.005﹣0.008=0.600Kg。
第二步：
计算氧气消耗量
氧气实际消耗量系消耗项目与供入项目之差。
详见表3-9。
表3-9实际耗氧量
耗氧量项/（Kg）
供养项/（Kg）
实际氧气消耗量/（Kg）
铁水中元素耗氧量7.548
铁水中S与CaO反应还原出的氧量0.005
炉衬中碳氧化耗氧量0.062
石灰中S与CaO反应还原出的氧量0.002
烟尘中铁氧化耗氧量0.340
炉气中自由氧耗氧量0.059
合计8.010
合计0.007
8.072
第三步：
计
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