年产500万吨合格铸坯炼钢厂转炉炼钢系统设计方案文档格式.docx
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由于采用酸性炉衬和酸性渣操作，吹炼过程中不能去除磷、硫，同时为了保证有足够的热量来源，要求铁水有较高的含硅量。
1879年，英国人托马斯又发明了碱性底吹空气转炉炼钢法，改用碱性耐火材料作炉衬，在吹炼过程中加入石灰造碱性渣，并通过将液体金属中的碳氧化去除到0.06%以下的“后吹”操作，集中化渣脱磷。
在托马斯法中，磷取代硅成为主要的发热元素，因而此法适合于处理高磷铁水，并可得到优质磷肥。
西欧各国一直使用此法直到20世纪60年代。
早在1846年，贝塞迈就提出利用纯氧炼钢的设想，由于当时工业制氧技术水平较低，成本太高，氧气炼钢未能实现，直到1924～1925年间，德国在空气转炉上开始进行富氧鼓风炼钢的试验，结果表明，随着鼓入空气中氧含量的增加，钢的质量有明显的改善。
当鼓入空气中富氧的浓度超过40%时，炉底的风眼砖损坏严重，因此又开展了用CO2+O2或CO2+O2+H2O汽）等混合气体的吹炼试验，但效果都不够理想，没能投入工业生产。
氧气顶吹转炉炼钢法出现以后，在世界各国得到了迅速发展，不仅新建转炉停建平炉，而且还纷纷拆除平炉改建氧气转炉，如日本到1997年底平炉已全部拆除。
进入20世纪70年代，炼钢技世纪术日趋完善，公称吨位400吨的大型氧气顶吹转炉先后在前苏联、前联邦德国等国投入生产，单炉生产能力达400～500万t/年，大型转炉的平均吹炼时间为11~15min，月平均冶炼周期已缩短到26～28min。
氧气转炉不仅能冶炼全部平炉钢种，而且还可以冶炼部分电炉钢种。
随着炉衬耐火材料性能的不断改善，炉衬寿命不断提高，大型氧气转炉炉衬寿命在日本高达10110次[2]。
1.2.2我国氧气转炉的发展概况
1951年，碱性空气侧吹转炉炼钢法首先在我国唐山钢厂试验成功，并于1952年投入工业生产。
1954年开始了小型氧气顶吹转炉炼钢的试验研究工作，1962年首钢试验厂将空气侧吹转炉改建成3t氧气顶吹转炉，开始了工业性试验。
在试验取得战功的基础上，我国第1个氧气顶吹转炉炼钢车间（2×
30t）在首钢建成，于1964年12月26日投入生产。
以后，又在唐山、上海、杭州等地改建了一批3.4～4t的小型氧气顶吹转炉。
1966年上钢一厂将原有的一个空气侧吹转炉炼钢车间，改建成有3座30t氧气顶吹转炉的炼钢车间，并首次采用了允进的烟气冷化回收系统，于半年月月投入生产，还建设了弧形连铸机与之扣配套，试验和扩大了氧气顶吹转炉炼钢的品种。
这些都为我国日后氧气顶吹转炉炼钢技术的发展提供了宝贵经验。
此后，我国原有的一些空气侧吹转炉挛间逐渐改建戊中小型氧气顶吹转炉炼钢车间，并新建了一批中、大型氧气顶吹转炉车间。
小型顶吹转炉有天律钢厂20t转炉、济南钢厂13t转炉、邯郸钢厂14、转炉、太原钢铁公司引进的40t转炉、包头钢铁公司40t转炉、武钢40t转炉、马鞍山钢厂40t转炉等；
中犁的有鞍钢140t和180t转炉、攀校花钢铁公司120t转炉和本溪钢铁公司120t转炉等；
20世纪80年代，宝钢从日本引进建成具有70年代末技术水平的300t大型转炉3座，首钢购入二手设备建成210t转炉车间；
90年代，宝钢又建成250t转炉车间，武钢引进250t转炉，唐钢建成150t转炉车间，重钢和首钢又建成80t转炉炼钢车间；
许多平炉车间改建成80t氧气顶吹转炉车间等。
顶吹转炉钢占年钢总产员的83％，1999年我国转炉钢产量突破1亿t;
达到10247.2万t;
占全国钢产量比重上升到82.7%[3]。
近年来，转炉钢产量持续处于高速增长态势，2002年我国转炉钢产量高达15330万t，仅时隔3年转炉钢产量增长近50%。
1994年我国1384万t平炉钢产能至2002年已全部被转炉钢所取代[4]。
据统计2003年我国转炉钢产量已接近1.9亿t，占我国钢产量的85.2%，约占世界转炉钢的25%。
50～300t转炉由2001年的75座增至2003年的134座，工艺技术进一步优化[5]。
我国转炉冶炼新钢种和优质钢种增长迅速，其中包括低合金、耐候钢、TRIP（相变诱发塑性）钢以及合金结构钢、齿轮钢、轴承钢、锅炉用钢等特殊钢。
今后转炉钢的增长主要是对条件较好转炉钢厂挖潜改造，进一步提高装备水平、扩大品种、提高质量以及降低消耗，改善环境[6]。
随着钢产量的增加，转炉所占的产钢比例也在迅速增加。
自2000年以来我国各种炼钢法产钢量和转炉炼钢比例变化情况[7]。
2000年到2006年的6年间，我国转炉钢产量由10584.3万t增长到37671.4万t，年均增幅23.56％，转炉钢比例始终保持在80％以上，高于世界平均水平，且总体呈上升趋势。
这是由于我国废钢资源短缺，电力缺乏，电价偏高，致使电炉钢产量的增长受到一定程度的制约；
平炉被淘汰，生铁资源的充裕，给转炉钢产量的增长提供了良好条件，因此转炉钢产量近年来获得了快速增长。
2006年转炉钢产量37671.4万t，比例达到创记录的89.48％，相当于当年电炉钢的9倍。
粗钢实际费量扣除补库存因素将超过5亿吨。
这表明，在应对国际金融危机的大环境下，固定资产投资的高速增长和我国工业化、城镇化步伐的不断加快，拉动了钢材消费大幅度增长；
也表明国家一揽子刺激经济计划措施有效地抵御了国际市场需求萎缩对我国钢铁业的冲击，钢铁复苏为我国率先实现经济形势回升向好做出了重要贡献。
1.3转炉炼钢技术的发展
随着钢铁行业的日益发展，各地的钢铁企业不断合并重组，为了适应对钢品种的要求，降低生产成本，提高生产效率，减少能耗和生产成本，保护环境，现代转炉炼钢不断采用各种转炉新技术，如：
铁水预脱硫技术、水冷炉口技术、顶底复合吹炼技术、烟气除尘及煤气回收利用技术、挡渣出钢技术、溅渣护炉技术和终点控制技术等，使转炉实现了自动化、高效化、节能化、寿命长寿化、钢种多样化、环境友好化。
1.4结论
250t转炉本体部分结构合理，功能齐全，技术先进，具备当今世界一流水平，其中许多技术及结构在国内还是首次应用，转炉的整个冷却系统，在设计中考虑的十分周全，冷却点分布很广，可大大延长设备的使用寿命。
从结构、性能及技术参数上看，设计方案先进合理，产品性能优良可靠。
大力发展100t到300t的转炉设备，比较适合我国国情，应进一步完善冶炼、分析、检测的自动控制，推广挡渣技术。
随着钢铁企业的改造和重组，100t以上转炉设备将会大量上马占有市场的主导地位。
故设计建造年产500万吨合格铸坯炼钢厂转炉炼钢系统是可行的，也是必要的。
第二章生产规模及产品方案
2.1金属平衡计算
图2.1金属平衡表
2.2生产规模的确定
该转炉车间的生产规模是年产合格铸坯500万吨。
2.2.1转炉座数和大小的确定
设计年产500万吨合格铸坯的转炉炼钢系统。
由金属平衡表计算可知，所需的转炉钢水年产量为546万吨。
每一座吹炼转炉的年出钢炉数N为：
（2-1）
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（2-2）
W—转炉车间年产钢水量，t；
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。
3.1转炉炉型选择及计算
转炉炉型选筒球形，其中球缺体半径取R=1.1D。
3.1.1转炉主要尺寸参数的确定和计算
（1）炉容比
炉容比取0.90m3/t
（2）熔池尺寸计算
①熔池直径D
㎜（3-1）
G—新炉金属装入量，取公称容量250t；
t—平均每炉钢纯吹氧时间，min，（取16min）；
K—系数（取1.50）
D—熔池直径，mm；
②熔池深度h
（3-2）
（3-3）
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◦
②炉口直径d口：
d口=（0.43～0.53）D（3-4）
本设计取d口=0.43D=0.43×
5929.3=2549.6mm
③炉帽高度H帽：
㎜（3-5）
式中H口—炉口直线段高度，取H口=300㎜：
④炉帽总容积V帽：
m3（3-6）
（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（3-7）
V身=VT-V帽-V池=143.23m3（3-8）
VT—转炉有效容积，m3；
②炉身高度H身：
㎜（3-9）
（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：
㎜（3-10）
（6）转炉有效高度H内：
H内=h+H身+H帽=1668.92+5190.4+3226.91=10086.23㎜（3-11）
（7）转炉总高H总：
H总=H内+H衬+δ底+δ帽=10086.23+1060+130=11276.23㎜（3-12）
（8）炉壳直径D壳：
D壳=D+D衬+2δ身=5929.3+2020+160=8109.3㎜（3-13）
δ身—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。
3.2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。
3.2.1炉衬材质选择
表3.1转炉炉衬厚度选取值
名称
工作层/㎜
填充层/㎜
永久层/㎜
绝热层/㎜
炉帽
600
90
140
20
炉身（加料侧）
800
150
炉身（出钢侧）
700
炉底
350
3.3复吹转炉底部供气构件设计
3.3.1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。
3.3.2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，其冶金特征已接近顶吹法；
达到0.2～0.3m3/（t·
min），则可以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。
3.3.3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。
3.3.4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，以此获得最佳的搅拌效果。
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。
3.4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。
3.4.1炉壳设计
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。
3.4.3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。
第四章氧气转炉供氧系统设计
4.1氧气的供应
4.1.2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）：
Nm3/h（4-1）
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）：
Nm3/h（4-2）
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）
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）
4.1.3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喷头设计
（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
m3/min（4-5）
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。
参照武钢炼钢三分厂250t转炉氧气使用情况，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：
m3/min（标态）（4-6）
喷管实际氧气流量QV：
（4-7）
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
由上式可求得：
d喉=47㎜
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
，故喷孔出口直径
㎜（4-8）
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
㎜（4-9）
⑦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：
（4-10）
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
㎜（4-11）
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
（4-12）
出水环缝面积
（4-13）
所以，中层钢管的内径d2：
（4-14）
选取中层钢管d2外=φ253㎜×
同理，外层钢管内径
（4-15）
选取外层钢管d3外=φ280㎜×
（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。
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600吨的混铁车。
车间所需混铁车台数N（台）为：
（5-1）
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14个鱼雷罐车。
5.1.2铁水包选择
由金属料平衡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废钢的供应
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；
本设计选用直接用桥式吊车吊运废钢槽倒入转炉。
（2）废钢堆场面积
废钢间面积的大小决定于废钢需要的堆存用的面积、铁路条数、料槽位置及称量设备占用的面积，高度取决于工艺操作所需要的吊车轨面标高。
废钢堆积的面积可按下式估算：
㎡（5-2）
Q—每日所需废钢量，t/d；
x—废钢储存定额（天数），d，取3天；
H—废钢储存允许高度，有坑时包含的深度，取1.2m；
ρ—废钢堆积密度，t/m3，取2.2t/m3；
（3）废钢料斗容积V（m3）：
废钢入炉一般通过废钢料斗，由普通吊车像兑铁水那样装入转炉。
废钢料斗容积的大小决定于每炉废钢的装入量。
废钢料斗容积V计算如下：
（5-3）
q—每炉加入废钢量，t；
n—料斗装满系数，取0.8；
f—每炉加入废钢的斗数，取1；
ρ—废钢堆积密度，t/m3；
5.3散状材料的供应
转炉散状材料包括石灰、白云石、萤石、铁矿石、氧化铁皮、焦炭等。
品种多，批量少，批次多，要求迅速、准确、可靠的供料。
供应系统包括散状料堆场、地下（地面）料仓、由地下料仓送往主厂房的运料设施、转炉上方高位料仓、称量和向转炉加料的设施。
散状料供应流程如
5.3.1散状料的供应流程
5.3.2散状料供应和主要设备选型
（1）地面料仓容积和数量的确定
地面料仓的容积V（m3）：
（5-4）
Q—一天需要的原料量，t；
t—贮存天数；
0.8—料仓装满系数；
Y—散料堆积密度，t/m3；
根据公式5-4可得：
铁矿石：
石灰：
萤
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