设计年产395万吨合格连铸坯的转炉炼钢车间毕业设计.docx
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设计年产395万吨合格连铸坯的转炉炼钢车间毕业设计
目录
摘要 I
Abstract II
目录 III
绪论 1
1设计方案的确定与论证 2
1.1产品大纲的制定 2
1.1.1产品大纲制定的原则及方法 2
1.1.2产品大纲 2
1.1.3典型钢种（IF钢）的介绍 3
1.1.4E36船板钢 4
1.1.5Q235结构钢 5
1.1.6X80管线钢 6
1.1.7耐候钢 6
1.2方案的选择与论证 7
1.2.1炉容量与座数的确定 7
1.2.2冶炼与精炼方法的选择与论证 8
1.2.3连铸机的选择 13
2物料平衡和热平衡计算 15
2.1原始数据 15
2.1.1铁水成分及温度 15
2.1.2原材料成分 15
2.1.3冶炼钢种成分 16
2.1.4平均比热 16
2.1.5反应热效率（认为25℃与炼铁温度下两者数值近似） 16
2.1.6有关参数的选用 17
2.2物料平衡计算 17
2.2.1炉渣量及炉渣成分的计算 17
2.2.2矿石及烟尘中的铁量和氧量的计算 22
2.2.3炉气成分及重量的计算见表2-14 22
2.2.4未加废钢时氧气的消耗量的计算见表2-15 23
2.2.5钢水量计算 24
2.2.6未加废钢时的物料平衡表见表2-16 24
2.3热平衡计算（取冷料为25℃） 24
2.3.1热收入项 24
2.3.2热支出项 25
2.3.3热平衡表见表2-17 26
2.4加入废钢后的物料平衡计算 27
2.4.1加入废钢的物料平衡计算 27
3车间主体设备的设计 30
3.1转炉炉型的设计 30
3.1.1原始数据 30
3.1.2炉容比 30
3.1.3熔池尺寸的计算 30
3.1.4炉帽尺寸的确定 31
3.1.5炉身尺寸的确定 32
3.1.6出钢口尺寸确定 32
3.1.7炉衬厚度确定 32
3.1.8炉壳厚度确定 32
3.1.9验算高宽比 33
3.1.10转炉主要参数 33
3.2喷头及氧枪的设计计算 33
3.2.1喷头参数的选择 33
3.2.2氧枪枪身设计 35
3.3氧枪的升降机构与更换装置 38
3.3.1氧枪的升降机构 38
3.3.2升降卷扬机变速方式 39
3.3.3升降小车和固定导轨 39
3.3.4安全装置 39
3.3.5氧枪更换装置 40
3.4连铸机的主要设计参数 40
3.4.1钢包允许浇铸时间 40
3.4.2铸坯断面的选择 40
3.4.3理论拉速与工作拉速的确定 41
3.4.4冶金长度的计算 42
3.4.5连铸机圆弧（外弧）半径的计算R 43
3.4.6连铸机的流数的计算 44
3.4.7连铸机生产能力的计算 44
3.5盛钢桶的计算 46
3.5.1盛钢桶容积计算 46
3.5.2钢包需要量计算 49
3.5.3钢包质量计算 49
3.6RH精炼 51
3.6.1处理容量 51
3.6.2处理时间 51
3.6.3循环因数 52
3.6.4循环流量 52
3.6.5真空度 53
3.6.6真空泵的抽气能力 53
3.7钢包回转台 54
3.7.1直臂式钢包回转台 54
3.7.1双臂式钢包回转台 54
3.8中间包的主要设计参数 55
3.8.1中间包的作用 55
3.8.2中间包的形状与构造 55
3.8.3中间包小车 58
3.9结晶器的主要设计参数 59
3.9.1结晶器结构型 59
3.9.2结晶器结构参数的确定 59
3.9.3结晶器的振动与振动装置 60
3.10二次冷却系统的设计 61
3.10.1二次冷却装置 61
3.10.2喷水冷却系统。
61
3.10.3喷嘴的选择与布置 62
3.10.4夹辊辊径、辊距及其布置 63
3.10.5拉坯矫直机 63
3.11连铸机总体尺寸的确定 64
3.11.1连铸机总长度 64
3.11.2连铸机高度 64
3.11.3连铸区的总宽度 65
4车间主厂房的设计 66
4.1主厂房布置形式的选择 66
4.2主厂房主要尺寸的确定 66
4.2.1炉子跨主要尺寸的确定 66
4.2.2加料跨的主要尺寸的确定 70
4.2.3钢水接受跨的设计 71
4.2.4精炼跨的设计计算 71
4.2.5浇铸跨主要尺寸的确定 72
4.3供料系统与除尘系统设计 73
4.3.1供料系统 73
4.3.2除尘系统 76
致谢 82
参考文献 83
IV
绪论
转炉是钢铁冶金主体设备之一,当前,社会和经济可持续发展价值观和环保新法规对转炉的设计与操作提出来越来越严格的要求,能否实现最大限度的效率和最小程度的污染,而且还要经济有效,及其生存发展可能性等问题,高效率,高质量,高寿命,低污染,低问题,这是设计目标。
作为四年大学对所学专业的一次总结,我把书本上学到的知识做一次总结和综合的应用,力求达到设计目标。
自1996年中国钢产量首次突破1亿吨以来,中国就成为世界第一产钢大国,迄今为止,已连续多年稳居世界第一的位置,2003年,已占世界总产量的25%；2004年,我国钢产量2.7亿吨,生铁产量2.5亿吨,2020年,我国要实现GDP翻两番,钢铁需求量将进一步增加,钢铁工业存在着较大的发展潜力。
因此我们进行转炉炼钢车间设计是很有积极意义的。
此次设计根据所给的各种参数和条件,本着因地制宜,经济适用的原则,但由于知识和资料有限等问题其中有一些设备具体情况知识选择而不能具体设计。
由于编者时间和水平有限,本设计难免存在诸多不足之处,敬请老师给予批评指导。
1设计方案的确定与论证
1.1产品大纲的制定
1.1.1产品大纲制定的原则及方法
根据典型钢种的冶炼工艺流程与连铸坯的类型,如板坯、方坯或圆坯等,再结合目前市场钢产品的调研,预测未来市场需要什么类型的钢种,也就是运用市场的战略眼光预测出将来的市场最需要哪种钢材,因此来确定本车间的产品大纲。
1.1.2产品大纲
冶炼钢种及化学成分（见表1-1、1-2）
主要钢种：
IF钢
表1-1IF的化学成分（%）
C
Si
Mn
P
S
0.002~0.005
0.~0.030
0.100~0.
0.003～0.015
0.007～0.
Al
N
Ti
Nb
O
0.020～0.070
0.001～0.004
0.020～0.040
0.004～0.
≤0.003
其他钢种的化学成分
表1-2其他钢种牌号及化学成分（%）
钢种
C
Si
Mn
P
S
Q235（碳素结构钢）
0.140~0.220
≤0.300
0.300~0.650
≤0.
≤0.050
X80（管线钢）
0.020~0.060
0.100~0.250
1.400~1.800
≤0.013
≤0.002
E36（船板钢）
≤0.150
≤0.400
0.100-0.150
≤0.015
≤0.
09CuPNi（耐候钢）
<0.120
0.250～0.750
0.～0.500
0.07～0.15
<0.040
各种钢种的产量及产量比例如下表：
表1-3各种钢种的产量及产量比例
品种
钢号
产品比（%）
产量（t）
汽车板
IF
25
98.75
碳素结构钢
Q235
20
79
管线钢
X80
20
79
船板钢
E36
20
79
耐候钢
09CuPNi
15
59.25
1.1.3典型钢种（IF钢）的介绍
IF钢（InterstitialFreeSteel）,又叫无间隙原子钢,是继沸腾钢与铝镇静钢之后自动化工业广泛应用的又一代深冲用钢。
IF钢的出现最早可追溯到1960年,日本的一位薄板研究员在一个偶然的机会成功地开发了这种特殊的钢。
IF钢的特点是含碳量很低,加入Ti和Nb之后,形成Ti和Nb的C、N化合物。
由于钢中无间隙原子,而使其具有优异的深冲性能:
高塑性应变比、高延伸率、高硬化指数,以及较低的屈强比,并具有优异的非时效性,因此被誉为第三代超深重用钢[1]。
汽车用材料的70%~80%是钢铁材料,主要为IF钢。
所以在一定程度IF钢上代表了一个国家的钢铁工业水平[2]。
我国在汽车技术水平方面,已经和发达国家同步。
随着汽车工业的不断发展,对优质汽车用钢的要求越来越高,需求也越来越高。
因此,紧跟汽车工业的最新发展趋势,研究开发新一代汽车用钢,必将成为我国钢铁工业应用基础研究的重要发展方向。
由于C,N含量决定了产品的最终性能和添加Ti,Nb量的多少,因此在冶炼过程中尽量降低C,N含量是稳定产品质量和减少成本的关键,所以IF钢的冶炼要点是：
（1）超低碳传统的IF钢含碳量为0.005%～0.01%。
现代IF钢采用顶底吹转炉冶炼,经过改进的RH处理,以及在连铸过程中采用防增碳措施,可以在经济的条件下使碳含量大大降低,一般C≤0.005%；N≤0.003%。
最新的IF钢产品其含碳量可以低于0.002%。
（2）微合金化在钢中加入一定量的强碳氮化物形成元素Ti,Nb使C,N这样的间隙原子被固定而形成无间隙原子钢,这是IF钢的冶金基础。
按化学当量计算,只要钢中强碳氮化元素的含量X（X代表Ti或Nb）满足：
X（atom%）/（C（atom%）+N（atom%）=1则C和N原子可以被完全固定成X（CN）。
但是X（CN）的析出是一个动力学过程,要使钢中C和N原子完全被固定且无间隙原子存在,使钢呈现非实效性,有必要加入过量的X,即比按化学当量所计算的多,这部分过剩的X以硫化物等形式或以固溶方式存在于钢中。
由以上的IF钢冶炼要点可以确定IF钢的冶炼工艺路线和各个环节的注意事项（以钢铁公司炼钢厂为例）[3]：
①IF钢生产工艺路线
铁水脱硫→复吹转炉→RH→板坯连铸
②铁水脱硫
采用喷吹金属镁粉粒和钝化的活性石灰对铁水进行脱硫,要求处理后入转炉的铁水中w（S）≤0.0030%。
扒渣后铁水包带渣量厚度≤20mm。
③复吹转炉冶炼
采用精料废钢和活性石灰（硫的质量分数≤0.040%）冶炼,冶炼全程底吹氩气,钢包预加活性石灰,出钢过程不脱氧,只进行锰合金化处理,采用无碳包衬的钢包盛装钢水。
对复吹转炉冶炼的粗钢成分要求如表1-1所示。
表1-1复吹转炉冶炼粗钢成分要求（%）
C
Si
Mn
P
S
O
N
≤0.03
≤0.02
0.10-0.20
≤0.007
≤0.006
0.040-0.060
≤0.0025
④RH真空精炼
RH采用6级8个泵连续抽真空,现真空压力可达0.1kPa以下,钢水循环量为130t/min。
RH处理IF钢时,采取轻处理和本处理相结合真空精炼处理方法,即钢水到RH真空精炼位后,先采用大泵抽真空,当真空度达到1～2kPa后连续对钢水处理13～15min。
完成脱碳脱氧任务后,再进行脱氧及钛合金化。
⑤板坯连铸
采用无碳中包渣、超低碳结晶器保护渣,必须保护浇铸（中包密封,长水口滑板和浸入式水口等吹氩保护）。
1.1.4E36船板钢
船板是造船工业不可缺少的原材料,船板的性能和质量状况越来越受到船东、船厂和船舶设计者的重视。
船板钢历来由中厚板轧机轧制。
但是中厚板轧机轧制薄规格钢板（≤18mm）比较困难：
一方面难以保证薄规格钢板的板形和尺寸,另一方面轧制薄规格钢板时其产能将大大降低,因此一般中厚板厂对薄规格钢板进行限制性生产。
然而热连轧宽带钢轧机则专用于轧制薄规格钢卷,开平矫直后钢板具有尺寸精度高、板形质量好、成材率高、生产成本低等优点。
在目前的经济形势下,钢材使用部门为了降低生产成本,追求利益最大化,对开平钢板的使用越来越重视,因此使用开平钢板代替部分中厚板轧机的产品就具有重要的经济意义[4]。
生产工艺控制要点[5]：
①工艺流程
铁水预处理→转炉→LF→RH（Ca处理）→板坯连铸
②原料
铁水预处理采用深脱硫,并彻底扒渣,入转炉铁水硫小于0.002%钢包要求红包周转+底吹效果良好。
废钢要求干燥、洁净,且在冶炼DH36/EH36级船板时废钢尽量采用低硫自产废钢。
③转炉冶炼
采用顶底复合转炉吹炼,对于E36级船板需镍微合金化处理。
冶炼过程注意底吹气体氮气、氩气的及时切换,防止冶炼后期增氮。
终点目标按碳含量0.006%-0.09%,P≤0.%,S≤0.%,出钢［O］≤50ppm。
铌合金化采用出钢前在钢包加入铌铁完成。
出钢过程采用戴挡渣帽、后期用挡渣锥控制下渣。
并在出钢过程加入钢芯铝和石灰,利用渣洗作用完成一个初渣的形成过程。
出钢渣层厚度控制在50mm以下。
④RH及LF控制
LF炉采用进站后立即喂铝线工艺快速脱氧,精炼过程分批加入石灰和萤石造渣,并通过加入铝丸、硅钙粉、AD复合脱氧剂等完成扩散脱氧。
造渣原则是：
渣系中MnO+FeO含量低于2.0%,以满足炉渣脱氧、脱硫的必要条件,同时炉渣碱度控制在>4.5,白渣保持时间>10min。
在造渣过程中遵循“快、白、稳”的原则,并配合合理的吹氩搅拌工艺。
在精炼后期,利用其良好的动力学及热力学条件完成钢水的深脱硫,精炼结束硫含量可降至0.004%以下。
同时对于B、D级船板精炼结束后,进行钙处理及保证足够的软吹时间,钙处理效果要保证,目标值中包钙含量达（20-30）ppm。
考虑到生产节奏的控制,RH炉真空周期一般在40min以,极限真空度设计为<67Pa,且极限真空保持时间在10-15min。
为保证处理效果,铝丸及钛合金加入时机、净循环时间、最佳循环流量的控制是关键。
经循环处理后,钢中的[H]可降到1.5ppm以下,钢中[O]可降至25ppm以下。
⑤连铸参数配置
严格执行保护浇注,中包使用前用Ar清扫,确保大包与长水口之间的密封,大包自流率保证100%,以防止钢水的二次氧化和浇注过程吸氮。
浸入式长水口插入深度控制在110-140mm。
生产节奏控制合理,浇注过程始终保证中包钢水高度高于临界高度。
中包覆盖剂选用含MgO的碱性覆盖剂B、D、E级船板保护渣选择包晶钢保护渣,E36级船板选择中碳钢保护渣"使用塞棒水口控制中间包到结晶器的钢流,中间包留钢8-10t停浇来控制中间包下渣"实行恒拉速拉钢,断面250mm×1600mm时,典型拉速1.15m/min。
采用动态轻压下技术,动态轻压下参数根据实际拉速确定。
1.1.5Q235结构钢
Q235钢管用来输送低压流体。
此类钢一般由转炉或平炉冶炼,其主要原料为铁水加废钢,钢中硫、磷含量高于优质碳素结构钢,一般硫0.050%,磷0.%。
Q235钢管是碳素结构钢（GB/700-1999）此类钢一般由转炉或平炉冶炼,其主要原料为铁水加废钢,钢中硫、磷含量高于优质碳素结构钢,一般硫0.050%,磷0.%。
由原料带入钢中的其他合金元素含量,如铬、镍、铜一般不超过0.30%,按成分和性能要求,此类钢的牌号由Q195、Q215A、Q235A、B、C、D、Q255A、B、Q275等钢级表示。
Q235钢产量最大,用途很广,多轧制成板材、型材（圆、方、扁、工、槽、角等）及异型材以及制造焊接钢管。
主要用于厂房、桥梁、船舶等建筑结构和一般输送流体用管道。
此类一般不经热处理直接使用。
Q235钢管用来输送低压流体。
一般焊管用Q195A、Q215A、Q235A钢制造。
也可采用易于焊接的其它软钢制造。
钢管要进行水压、弯曲、压扁等实验,对表面质量有一定要求,通常交货长度为4-10m,常要求定尺（或倍尺）交货。
焊管的规格用公称口径表示（毫米或英寸）公称口径与实际不同,焊管按规定壁厚有普通钢管和加厚钢管两种,钢管按管端形式又分带螺纹和不带螺纹两种。
1.1.6X80管线钢
管线钢主要用于天然气和石油输送,随着天然气和石油需求量的不断增加,对输送管线用钢的需求量日益增多,同时为了提高输送效率增加输送工作压力大,要求管线钢具有高强度、高韧性以及良好的可焊接性能。
这就决定了管线钢向着高等级、高性能要求方向发展。
X80管线钢满足了高等级发展的趋势,具备了较高的强度,具有良好的韧性、抗疲劳性能和抗断裂性能,同时具备了良好的焊接和加工性能[18],适应了我国输油输气管道建设的使用环境和输送介质的要求,在我国的管道建设工程中得到了应用。
为满足X80高等级管线钢的性能要求,对冶炼工艺提出了新的要求,具有较高的钢液洁净度,低的杂质元素含量,如低磷、低硫、低气体含量,同时为满足钢坯部质量控制中心偏析采用低碳成分设计体系。
碳是低碳钢传统、经济的强化元素,对钢的焊接性能、力学性能及抗HIC性能影响很大,从裂纹敏感指数可以看出碳是影响焊接性能最敏感的一个元素；另外,钢的强度随碳含量的增加而提高,而冲击韧性则明显下降,因此为满足高强度与高韧性的良好匹配,同时,HIC性能的恶化与钢中偏析带直接有关,控制碳含量有利于碳偏析的改善,X80管线钢的碳含量趋势是采用低碳成分设计体系。
硫是管线钢中最为有害的元素之一,影响管线钢的冲击韧性,导致管线钢各向异性。
研究表明[6],当钢中硫含量高于0.005%时,随着钢中硫含量的增加,抗裂纹敏感性显著增加；当硫含量低于0.002%时,抗裂纹明显降低。
X80管线钢的采用低的硫含量成分要求。
磷在管线钢中是一种易偏析元素,尤其是当[P]>0.015%时,磷的偏析急剧增加,并促使偏析带硬度增加,使裂纹性能下降。
此外,磷还恶化焊接性能,显著降低钢的低温冲击韧性。
因此X80管线钢对钢中的磷含量也有严格要求。
1.1.7耐候钢
耐候钢,即耐大气腐蚀钢,是指含少量耐候性合金元素,在大气中具有良好的耐腐蚀性能,相对于不锈钢价格较低的低合金钢。
耐候钢的耐大气腐蚀性能是普碳钢的2～8倍,并且使用时间越长,耐腐蚀性能越突出。
耐候钢可以裸露使用、涂装使用或稳定化处理后使用。
耐候钢作为一种高效钢材,一直是大气腐蚀用钢品种开发与腐蚀研究的热点。
美国是最早商业化耐候钢产品的国家,1933年美国钢铁公司研制出Corten系耐候钢产品。
此后,世界上其它国家以Corten系耐候钢为基础开始大规模研制耐候钢,并开发出了符合各国资源特点和使用要求的产品。
如印度的Sailcor-A系列,韩国的RAWS50、日本的SPA-H、CUPT-EN-G,德国的ST35等等。
这些耐候钢均是以Cu-P-Cr-Ni或Cu-Mn-Cr系为基础,称为传统耐候钢,其强度级别均较低。
目前,高强度耐候钢发展较为前沿的是瑞典SSAB公司的Domex500-700W系列,其屈服强度达到了700MPa级,但产品规格存在局限性,厚度在6mm以下。
我国从20世纪60年代开始研制耐候钢,目前,已开发出了一系列耐候钢产品,主要是Cu-P-Ti-RE、Cu-P-Cr-Ni或Cu-Mn-Ni-Cr系,在铁路车辆、集装箱、桥梁、建筑、汽车等行业得到了广泛的应用。
我国的耐候钢产品主要用于铁路车辆、集装箱、桥梁等领域,建筑、工程机械、煤矿机械等大量暴露于大气或特殊工况条件下器械,由于腐蚀引起使用寿命缩短而造成经济损失,或因腐蚀失效造成重大事故,因此,这一领域对耐候结构钢的需求将会日益增多,但由于在具有良好机械性能、成型性、焊接性和低温韧性的基础上,同时具有良好的耐腐蚀性能造成耐候结构钢的成本偏高,因此开发具有低成本的经济耐候结构钢具有良好的市场前景和市场竞争力[7]。
1.2方案的选择与论证
1.2.1炉容量与座数的确定
1.2.1.1转炉车间的转炉座数
要保持车间正常的生产,就必须要一定数目的转炉经常吹炼状态,根据国外生产的实践,普遍认为：
转炉车间保持2-3座转炉同时吹炼比较合理,转炉太多,反而相互干扰。
影响正常的生产,设备的利用率低。
由于炉衬材料的改进和溅渣护炉技术的采用,炉衬寿命大幅度的提高,无需按照3吹2或2吹1的生产方式配置修砌和待吹转炉,所以转炉车间的常吹炉座数即为车间的炉座总数。
综上所述本设计选用2吹2的模式配置。
1.2.1.2转炉容量
根据炼钢产品方案,同时参照同类型车间的生产经验,选取平均先进指标连铸坯的收得率为96%,转炉有效作业天数为300天,转炉冶炼周期为40min进行初步计算,计算步骤如下：
（1）根据生产规模和产品方案计算出年需钢水量
年需钢水量=年需良坯量良坯收得率
已知不同钢种的连铸薄板坯395×104t。
参照同类型的先进技术指标。
则年需钢水量=39596%=411.46×104t
（2）计算出钢炉数（按2吹2计算）
年出钢炉数=2×
=2×
转炉作业率=×100%
=×100%
=82.2%
年出钢炉数=2×365×82.2%×24×60/40=21600（炉）
每天出钢炉数=年出钢炉数/年作业率
=21600/300=72（炉）
平均炉产钢水量=年产钢水量/年出钢炉数
=411.46×104t/21600
=190t
（3）确定转炉容量
简化设计和便于计算本设计选定195吨转炉2座,按照2吹2方式生产
（4）核算车间年产量
×21600×96%=404.3×104t良坯
1.2.2冶炼与精炼方法的选择与论证
1.2.2.1生产流程的选择与论证
IF钢对钢水纯净度有着较为苛刻的要求,生产工艺流程的选取直接影响到IF钢的品质和生产的顺行。
当前IF钢的生产有三种典型的工艺流程,必须根据企业现有的装备条件来选择合适的流程。
工艺路线A：
高炉→铁水脱硫→顶底复吹转炉→氩气搅拌→RH真空处理→连铸
工艺路线B：
高炉→铁水脱硫→转炉冶炼→氩气搅拌→RH真空处理→LF精炼→连铸
工艺路线C：
高炉→铁水脱硫→转炉冶炼→氩气搅拌→LF精炼→RH真空处理→连铸
工艺A是目前国外生产IF钢最常用的方法,适用于传统厚板坯连铸机,由于其不需要经过LF精炼处理,生产成本最低,工艺设备基本上能满足IF钢的生产需要。
工艺B和工艺C由于采用了LF精炼,能使大包渣得到很好改性,有利于渣吸收夹杂物,净化钢液。
目前马钢、本钢采用LF-RH双联法在薄板坯连铸机上成功实现IF钢的批量生产,但是这两种工艺路线相对复杂,成本相对较高。
本设计采用：
铁水预处理—转炉冶炼—RH真空精炼—连铸的工艺路线。
1.2.2.2转炉进铁方式
转炉进铁方式一般分为三种：
鱼雷罐车进铁方式,混铁炉进铁方式和铁水罐直接进铁方式。
（1）鱼雷罐车进铁
鱼雷罐车进铁又称混铁车进铁,是指高炉铁水用鱼雷罐车运输,其基本流程是：
鱼雷罐运到炼钢车间后,经过倒罐站倒入转炉铁水罐,再进行铁水预处理或直接兑入转炉。
鱼雷罐车进铁的优点：
入转炉铁水能够准确计量,便于转炉炼钢的自动控制,利于转炉炼钢生产和稳定炼钢生产；鱼雷罐的形状可以保证有较小的
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