顶吹氧气转炉的氧枪设计最后.docx
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顶吹氧气转炉的氧枪设计最后
科技学院
《冶金工程设计》课程设计报告
学院:
冶金与材料工程学院专业班级:
冶金普09-04
学生:
学号:
设计地点（单位）:
重庆科技学院
设计题目:
220t顶吹氧气转炉的氧枪设计
完成日期：
2013年01月04日
指导教师评语:
__________________________________________________________________________________________________________________________________________
成绩（五级记分制）:
指导教师（签字）:
目 录
·
1.层管直径
———————————————————————12
2.中层管直径
———————————————————————13
3.外层管直径
———————————————————————13
4.氧枪全长及有效行程————————————————————13
绪论
氧气转炉炼钢在大型的钢铁企业中处于整个钢铁生产的中间环节，起到承上启下的作用，炼钢是决定钢材产量、质量的关键所在。
氧气转炉炼钢环节的任何延误或产量、质量变化都会影响前后生产工序的协调运转。
这都与转炉炼钢的设备、工艺、组织管理等因素有关。
所以在设计转炉炼钢车间时，应当处理好各种设计问题，为正常生产，保持良好的生产秩序打下基础。
氧枪是转炉炼钢不可缺少的装置，并对转炉冶炼过程的各项技术指标具有重要的地位和决定性作用。
顶吹转炉问世以来，对氧枪进行了完善和改进，主要集中在氧枪喷头上，将过去的单孔变为多孔，由锻造喷头改进成整体铸造或组合喷头，极大地推进了转炉技术的发展。
目前随着转炉容积的增大，要求按比例的增加氧气流量，使用一个单孔直筒型喷嘴供应氧气，会增大喷溅，降低金属收得率。
所以现代企业逐渐地从直筒型喷嘴过渡到收缩-扩型拉瓦尔式多孔喷嘴。
多孔氧枪的主要优点是容易化渣、减少喷溅、吹炼过程平稳，提高金属收得率、并提高了氧气效率。
但多孔喷头的缺点是氧射流的穿透能力减弱了。
对同样的供氧能力，多孔氧枪的操作枪位较低。
这意味着除增加设计、制造的复杂性以外，多孔氧枪将处于更加恶劣的工作条件，使氧枪喷头易被侵蚀，就需要更有效的水冷条件，就需增加冷却水用量，改善喷头冷却水通道的设计。
因此，如何选择氧枪的最
佳参数是优化转炉生产操作的重要课程。
物料平衡与热平衡计算是氧气转炉冶炼工艺设计的一项基本计算。
它是建立在物质与能量守恒的基础上的。
它以氧气转炉作为考察对象，根据装入转炉或参与炼钢过程的全部物质数据和炼钢过程的全部产物数据，来进行物料的质量和热量平衡计算。
其主要目的是比较整个冶炼过程中物料、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技术经济指标提供某些定量依据。
应当指出，由于炼钢是复杂的高温物理化学过程，加上测试手段有限，目前尚难以做到精确取值和计算，尤其是热平衡，只能近似计算。
尽管如此，它对指导炼钢生产和设计仍有重要的意义。
一物料平衡计算
（一）基本原始数据
基本原始数据：
冶炼钢种及其成分、铁水和废钢成分、终点钢水成分（表1.1）；造渣用溶剂及炉衬等原材料的成分（表1.2）；脱氧和合金化用铁合金的成分及其回收率（表1.3）；其他工艺参数（表1.4）。
表1.1钢水、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Q235设定值
0.17
0.24
0.56
≤0.
≤0.050
铁水设定值
4.11
0.80
0.62
0.15
0.040
废钢设定值
0.18
0.24
0.56
0.030
0.030
终点钢水设定值
0.10
痕迹
0.19
0.015
0.
本计算设定钢种为Q235A。
[C]和[Si]按实际产生情况选取；[Mn]、[P]和[S]分别按铁水中相应成分含量的30%、10%和60%留在刚水中设定。
表1.2原材料成分
成分/%
类别
CaO
SiO2
MnO
Al2O3
Fe2O3
CaF2
P2O5
S
CO2
H2O
C
灰分
挥发分
石灰
88.00
2.49
2.60
1.51
0.50
0.10
0.06
4.64
0.10
萤石
0.30
5.50
0.61
1.59
1.50
88.00
0.90
0.10
1.50
生白云石
36.41
0.80
25.59
1.00
36.2
炉衬
1.20
3.00
78.81
1.41
1.60
14.0
焦炭
0.59
81.51
12.40
5.52
表1.3铁合金成分（分子）及其回收率
成分含量/回收率/%
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
6.60/90
0.50/75
67.8/80
—
0.23/100
0.13/100
24.74/100
10%与氧生成CO2。
表1.4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
炉衬蚀损量
终渣∑ω（FeO）含量（按向钢中传氧量ω（Fe2O3）=1.35ω（FeO）折算）
烟尘量
喷吹铁损
W（CaO）/W（SiO2）=3.5
为铁水量得0.5%
为铁水量得2.5%
为铁水量得0.3%
15%,而W（Fe2O3）/∑w（FeO）=1/3，即W（Fe2O3）=5%W（FeO）=8.25%
为铁水量得1.5%（其中W（FeO）为75%,W（Fe2O3）为20%）
为铁水量得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）
占总去硫量得1/3
90%C氧化成CO,10%C氧化成CO2
由热平衡计算确定，
本计算结果为铁水量得15%，
即废钢比为13.04%
（二）物料平衡基本项目
收入项有：
铁水、废钢、溶剂、氧气、炉衬损失、铁合金。
支出项有：
钢水、炉渣、烟尘、渣中铁珠、炉气、喷溅。
（三）计算步骤
以100kg铁水为基础进行计算。
1.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，炉衬蚀损和加入溶剂的成渣量。
其各项成渣量分别列于表1.5表1.7。
总渣量及其成分如表1.8所示。
表1.5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
Si
Mn
P
S
Fe
[C]→{CO}
[C]→{CO2}
[Si]→（SiO2）
[Mn]→（MnO）
[P]→（P2O5）
[S]→{SO2}
[S]+（CaO）→（CaS）+（O）
[Fe]→（FeO）
[Fe]→（Fe2O3）
4.01×90%=3.609
4.01×10%=0.401
0.800
0.430
0.135
0.016×1/3=0.005
0.016×2/3=0.011
1.069×56/72=0.831
0.602×112/160=0.421
4.812
1.069
0.910
0.125
0.174
0.005
-0.006①
0.237
0.180
8.421
1.470
1.710
0.555
0.309
0.
0.025（CaS）
1.069
0.602
入渣
入渣
入渣
入渣
入渣（见表8）
入渣（见表8）
合计
6.643
7.506
成渣量
14.171
入渣组分之和
由CaO还原出的氧量；消耗的CaO量=0.011×56/32=0.019kg。
表1.6炉衬蚀损的成渣量
炉衬蚀损量/kg
成渣组分/kg
气态产物/kg
耗氧量/kg
CaO
SiO2
MgO
Al2O3
Fe2O3
C→CO
C→CO2
C→CO,CO2
0.3
（据表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1.7加入溶剂的成渣量
类别
加入量/kg
成渣组分/kg
气态产物/kg
CaO
MgO
SiO2
Al2O3
Fe2O3
P2O5
CsS
CaF2
H2O
CO2
O2
萤石
0.5（表4）
0.002
0.003
0.
0.008
0.008
0.005
0.001
0.440
0.008
生白云石
2.5（表4）
0.910
0.640
0.020
0.025
0.905
石灰
7.634
5.851
0.198
0.190
0.115
0.038
0.008
0.
0.008
0.354
0.002
合计
6.763
0.841
0.238
0.148
0.
0.013
0.011
0.440
0.015
1.259
0.002
成渣量
8.430
石灰加入量计算如下：
由表1.5—表1.7可知，渣中已含（CaO）=–0.019+0.004+0.002+0.910=0.897kg；渣中已含（SiO2）=1.929+0.009+0.+0.020=1.986kg。
因设定的终渣碱度R=3.5，故石灰加入量为：
[R∑ω（SiO2）-∑ω（CaO）]/[ω（CaO石灰）-R×ω（SiO2石灰）]=5.288/（88.0%-3.5×2.50%）=6.67kg。
（石灰中CaO含量）—（石灰中S—CaS自耗的CaO量）
由CaO还原出来的氧量，计算方法同表1.5的注。
表1.8总渣量及其成分
炉渣成分
CaO
SiO2
MgO
Al2O3
MnO
FeO
Fe2O3
CaF2
P2O5
CsS
合计
元素氧化成渣量/kg
石灰成渣量/kg
炉衬蚀损成渣量/kg
生白云石成渣量/kg
萤石成渣量/kg
5.851
0.004
0.910
0.002
1.929
0.167
0.009
0.020
0.
0.173
0.236
0.640
0.003
0.100
0.004
0.025
0.008
0.555
1.069
0.602
0.033
0.005
0.008
0.440
0.309
0.008
0.005
0.025
0.
0.001
4.270
6.340
1.595
0.495
总渣量/kg
6.767
1.934
1.052
0.137
0.555
1.609
0.648
0.440
0.321
0.
12.598
质量分数/%
52.22
14.93
8.12
1.06
4.28
8.25
5.00
3.40
2.48
0.27
100.00
总渣量计算如下：
表8中除（FeO）和（Fe2O3）以外的渣量为：
6.767+1.934+1.052+0.137+0.555+0.440+0.321+0.=11.241kg,而终渣∑ω（FeO）=15%（表4），故总量为：
11.241÷86.75%=12.985kg。
ω（FeO）=14.352×8.25%=1.184kg。
ω（Fe2O3）=12.972×5%-0.033-0.005-0.008=0.603kg。
2.计算氧气消耗量
氧气实际消耗量消耗项目与供入项目之差。
见表1.9。
表1.9实际耗氧量
耗氧项/kg
供氧项/kg
实际氧气消耗项/kg
铁水中氧化耗氧量（表5）
7.506
炉衬中碳氧化耗氧量（表6）
0.062
石灰中S与CaO反应还原出的氧气量（表7）
0.002
烟尘中铁氧化耗氧量（表4）
0.340
7.968-0.002+
0.070①=8.04
炉气自由氧含量（表10）
0.
合计
7.968
合计
0.002
1炉气N2（存在于氧气中，表1.4）的质量，详见表1.10。
.
3.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5~表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V∑：
V∑=Vg+0.5%V∑+1/99×（22.4/32Gs+0.5%V∑-Vx）
V∑=
=（99×8.204+0.7×7.908－0.007×22.4/32）/98.50=8.302㎡
式中Vg—CO、CO2、SO2和H2O各组分总体积，m3。
本计算中，其值为：
6.807×22.4/28+2.699×22.4/44+0.×22.4/64+0.015×22.4/18=7.908m3。
Gs—不计自由氧的氧气消耗量，kg。
本计算中，其值为：
7.678＋0.062＋0.34=8.08kg（见表1.9）；
Vx—石灰中的S与CaO反应还原出的氧量（其质量为：
0.002kg，见表1.9），m3；
0.5%—炉气中自由氧含量；
99—由氧气纯度为99%转换的得来。
计算结果列于表1.10。
表1.10炉气量及其成分
炉气成分
炉气量/kg
体积/m3
体积分数/%
CO
CO2
SO2
H2O
O2
N2
8.509
2.699
0.
0.015
0.060①
0.070②
8.509×22.4/28=6.807
2.699×22.4/44=1.374
0.×22.4/64=0.0035
0.015×22.4/18=0.019
0.041
0.
81.99
16.55
0.05
0.23
0.51
0.67
合计
11.363
8.302
100.00
2气中O2的体积为8.302×0.5%=0.041；质量为0.041×32÷22.4=0.059kg。
2气中N2的体积系炉气总体积与其他成分的体积之差；质量为0.×28÷22.4=0.070kg。
表11未加废钢时的物料平衡表
收入
支出
项目
质量/kg
%
项目
质量/kg
%
铁水
石灰
萤石
生白云石
炉衬
氧气
100.00
6.67
0.50
2.50
0.30
8.04
84.74
5.65
0.42
2.10
0.25
6.81
钢水
炉渣
炉气
喷溅
烟尘
渣中铁珠
90.50
12.96
11.36
1.00
1.50
0.78
76.63
10.97
9.62
0.84
1.27
0.66
合计
118.01
100.00
合计
118.10
100.00
注：
计算误差为（118.01－118.10）/118.01×100%=－0.08%。
4.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
=100－6.643－[1.50×（75%×56/72＋20%×112/160）＋1＋12.958×6%]
=90.495kg
据此可以编制出未加废钢、脱氧与合金化前得物料平衡表1.11。
5.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1.1的数据先确定废钢中元素的氧化量及其耗氧量和成渣量（表1.12），再将其与表1.11归类合并，遂得加入废钢后的物料平衡表1.13和表1.14。
表1.12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/kg
耗氧量/kg
产物量/kg
进入钢中的量/kg
C
Si
Mn
P
S
[C]→{CO}
[C]→{CO2}
[Si]→（SiO2）
[Mn]→（MnO）
[P]→（P2O5）
[S]→{SO2}
[S]+（CaO）→（CaS）+（O）
15.00×0.08%×90%=0.011
15.00×0.08%×10%=0.001
15.00×0.24%=0.038
15.00×0.37%=0.
15.00×0.%=0.002
15.00×0.006%×1/3=0.0005
15.00×0.009%×2/3=0.0009
0.015
0.003
0.043
0.016
0.002
0.0005
-0.0005
0.026
0.004
0.
0.072
0.004
0.0001
0.0014
合计
0.109
0.
15.00-0.109=14.891
成渣量（kg）
0.159
表13加入废钢的物料平衡表（以100kg铁水为基础）
收入
支出
项目
质量/kg
%
项目
质量/kg
%
铁水
废钢
石灰
萤石
轻烧生白云石
炉衬
氧气
100.00
15.00
6.67
0.5
2.50
0.30
8.04+0.=8.12
75.14
11.27
5.02
0.38
1.88
0.23
6.10
钢水
炉渣
炉气
喷溅
烟尘
渣中铁珠
90.50+14.891=105.39
12.96+0.159=13.12
11.36+0.=11.39
1.00
1.50
0.86
79.13
9.85
8.55
0.75
1.27
0.65
合计
133.09
100.00
合计
133.18
100.00
注：
计算误差为（133.09－133.18）/133.09×100%=－0.07%
表14加入废钢的物料平衡表（以100kg（铁水+废钢）为基础）
收入
支出
项目
质量/kg
%
项目
质量/kg
%
铁水
废钢
石灰
萤石
轻烧生白云石
炉衬
氧气
86.96
13.04
5.80
0.43
2.17
0.26
7.06
75.15
11.27
5.01
0.37
1.88
0.22
5.44
钢水
炉渣
炉气
喷溅
烟尘
渣中铁珠
91.64
11.41
9.90
0.87
1.30
0.69
79.60
9.91
8.60
0.76
1.13
0.60
合计
115.72
100.00
合计
115.12
100.00
6.计算脱氧合金化后的物料平衡。
先根据钢种成分设定值（表1.1）和铁合金成分及其回收率（表1.3）算出锰铁和硅铁的加入量，再计算其元素的烧损量。
将所有结果与表1.14归类合并，即得冶炼一炉钢的总物料平衡表。
锰铁加入量WMn为：
WMn=
×钢水量
=[（0.56％－0.19％）/（67.8％×80％）]×91.64=0.63kg
硅铁加入量WSi为：
WSi=
=[0.25％×（91.64+0.539）－0.002]/（73.00％×75％）=0.421kg
铁合金中元素的烧损量和产物量列于表1.15。
表1.15铁合金中元素烧损量及产物量
类别
元素
烧损量/kg
脱氧量/kg
成渣量/kg
炉气量/kg
入钢量/kg
锰
铁
C
Mn
Si
P
S
Fe
合计
0.63×66.60%×10%=0.004
0.63×67.80%×20%=0.
0.63×0.50%25%=0.001
0.090
0.
0.025
0.001
0.036
0.110
0.002
0.112
0.015（CO2）
0.015
0.63×6.60%×90%=0.
0.63×67.80%×80%=0.342
0.63×0.50%×75%=0.002
0.63×0.23%=0.002
0.63×0.13%=0.001
0.63×24.74%=0.156
0.539
硅
铁
Al
Mn
Si
P
S
Fe
合计
0.42×2.5%×100%=0.011
0.42×0.50%×20%=0.0004
0.42×73.00%×25%=0.
0.088
0.
0.0001①
0.088
0.092
0.06
0.0005
0.165
0.176
0.42×0.5％×80=0.002
0.42×73.00%75%=0.230
0.42×0.05%=0.0002①
0.42×0.03%=0.0001①
0.42×23.92%=0.100
0.317
总计
0.178
0.134
0.284
0.015
0.871
①可以忽略。
脱氧和合金化后的钢水成分如下：
W[C]=0.10%＋（0./92.51）×100%=0.14%
W[Si]=[（0.002＋0.230）/92.51]×100%=0.25%
W[Mn]=0.19%＋[（0.342+0.002）/92.51]×100%=0.56%
W[P]=0.015%＋（0.001/92.51）×100%=0.016%
W[S]=0.24%＋（0.001/92.51）×100%=0.025%
可见，含碳量尚未达到设定值。
为此需在钢包加焦粉增碳。
其加入量W1为：
W1=
=
=0.045kg
焦粉生成的产物如下：
碳烧损量/kg
耗氧量/kg
气体量/kg①
成渣量/kg
碳入钢量/kg
0.×81.50%×25%=0.009
0.
0.044+0.06×（0.58+5.52）%=0.
0.×12.40%=0.005
0.×81.50%×75%=0.
1CO2、H2O和挥发的总和（未计算挥发分燃烧的影响）。
由此可得冶炼过程（即脱氧和合金化后）的
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