产年400万吨合格铸坯转炉炼钢系统设计转炉系统主体设计说明书学位论文.docx
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产年400万吨合格铸坯转炉炼钢系统设计转炉系统主体设计说明书学位论文
内蒙古科技大学
本科生毕业设计说明书
题目：
年产400万吨合格铸坯转炉
炼钢工程——转炉系统主体设计
专业：
冶金工程
摘要
为满足市场需要，本设计为：
年产400万吨合格铸坯转炉炼钢工程——转炉主体设计。
本设计在生产其他合格铸坯的情况下以耐候钢作为主要生产的高附加值钢种。
从高炉铁水进入炼钢厂开始的冶炼工艺为：
铁水预处理分装混铁车转炉底吹氩
LF炉精炼板坯连铸中宽带热轧机组粗轧精轧控制冷却卷取取样检验包装缴库，通过这一工艺流程生产出合格的耐候钢板坯。
本设计选用两座200吨转炉，并进行了炉型尺寸、金属结构、倾动机构、转炉供氧系统、散料系统、烟气净化系统等方面的计算，以及铁水预处理系统、精炼系统、连铸系统进行了简要设计和论述。
之后确定了车间的布置，然后进行车间计算和所用设备的规格和数量的设计，在此基础上进行车间尺寸计算，确定各层平台标高。
最后对转炉车间设计的环境和安全要求进行说明。
设计中为了更加形象的阐述转炉炼钢工艺以及相关设备结构，添加了大量图形
关键词：
炼钢炉型设计，耐候钢，铁水供应，冶炼工艺流程
ABSTRACT
Tomeettheneedsofthemarket,thisdesignis:
anannualoutputof400milliontonsofqualifiedbilletconvertersteelmakingproject-themaindesignoftheconvertersystem.Thedesigninthecaseoftheproductionofotherqualifiedslabweatheringsteelasthemainproductionofhighvalue-addedsteel.Fromtheblastfurnacehotmetalintosteelplantbegansmeltingprocessasfollows:
HotMetalPretreatmentTorpedocarsConverterendofblowingargonLFRefiningSlabContinuousCastingThehot-rolledunitoftheinbroadbandRoughrollingFinishingControlledcoolingTake-up
SamplingandtestingPackageTreasury,Throughthisprocesstoproducequalifiedweatheringsteelplateblanks.Thisdesignusestwo200-tonconverter,andfurnacesize,themetalstructure,tiltingmechanism,thecalculationoftheconverteroxygensupplysystem,bulksystem,fluegaspurificationsystem,hotmetalpretreatmentsystem,refiningthesystem,castingabriefdesignanddiscussion.Determinedafterthelayoutoftheworkshop,workshopcalculationandspecificationsoftheequipmentusedandthenumberofdesign,onthisbasis,theworkshopsizecalculationtodeterminetheelevationofeachfloorplatform.
Finally,theenvironmentalandsafetyrequirementsoftheconverterplantdesigndescription.
Moreimagedescribedtheconvertersteelmakingprocessandrelatedequipment,structuresinthedesign,addalargenumberofgraphics
Keyword:
Steel-makingfurnacedesign,weatheringsteel,hotmetalsupply,thesmeltingprocess
第1章文献综述
1.1转炉的发展历程
1952年氧气顶吹转炉在奥地利林茨·道纳维茨（Linz,Donawitz）钢厂诞生,简称LD,其后陆续在一些国家获得广泛采用。
1964年我国第1家氧气顶吹转炉炼钢厂在首钢建成投产,与此同时我国太钢从奥钢联引进了2台50t氧气顶吹转炉,使我国的氧气顶吹转炉炼钢进入了发展的初始阶段。
20世纪60年代中期,我国设计、科研、制造、生产人员共同协作,开展了大型氧气顶吹转炉炼钢厂的设计,1971年容量120t的大型转炉炼钢厂于1971年在攀枝花钢铁公司顺利建成投产。
1978年我国宝钢首次从国外引进了300t大型转炉成套设备,1985年建成投产。
通过对宝钢引进大型转炉炼钢技术的学习、消化,于20世纪90年代中、后期,又在宝钢二炼钢厂、武钢三炼钢厂、鞍钢三炼钢厂、首钢炼钢厂先后建成投产了180t、210t、250t大型氧气顶底复吹转炉,从此,我国转炉炼钢进入了高速发展期。
1996年我国钢产量首次突破1亿t,转炉钢产量已达6947.5万t;占全国总钢产量的68.6%。
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%。
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。
据统计,2003年我国转炉钢产量已近1.9亿t,约占世界转炉钢产量的25%以上。
1.2我国转炉炼钢现状
1.2.1转炉钢产量
作为转炉炼钢主要炉料的生铁产量逐年增长，为转炉炼钢钢产量的大幅度增长提供了良好而充裕的原料条件。
2009年,中国粗钢产量已达5.68亿吨,同比增长13.5%,占全球粗钢总产量的46.6%,所占比例比2008年提高8.8个百分点,连续14年位居世界第一。
从粗钢产量增速的变化来看,经过“十五”期间中国钢铁行业连续的加速发展之后,在政府一系列结构调整、节能减排等宏观政策作用下,钢铁产量增速已出现下滑的趋势。
2006年、2007年,中国粗钢产量增速相比上年分别下降8·0、1·9个百分点,2009年在上年低基数的作用下粗钢产量增速相比2007年依然下降了3·3个百分点,这说明中国钢铁工业由快速成长期向成熟阶段过渡的拐点已然出现,当前在钢铁工业实施结构优化、实现产业升级的关键时期,中国钢铁业正由快速发展阶段逐步向成熟阶段转变。
图1-1 1949年以来中国粗钢产量变化
与世界各主要产钢国家相比，我国铁钢比较高，近年来我国生铁产量及铁钢比如表1.1所示。
表1-1我国生铁产量及铁钢比
年度
2000
2001
2002
2003
生铁产量/万吨
13103.42
15554.25
16908
20231.19
钢产量/万吨
12850
15103
18225
22234
铁/钢比
1.02
1.028
0.928
0.91
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；平炉钢的淘汰，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。
各种炼钢法的钢产量及所占比例见表1.2大中型重点钢铁企业转炉钢产量占主导地位。
表1-2各种炼钢法的钢产量及所占产量比例
年度
钢总产量104t
平炉
转炉
电炉
其他
产量（104t）
%
产量（104t）
%
产量（104t）
%
产量（104t）
%
1994
9261
1384
15
5889.9
63.6
1966.1
21.2
10.4
0.1
1995
9536
1308
13.9
6358
66.7
1811
19
58.6
0.6
1996
10124
1261
12.5
6947.5
68..6
1893.2
18.7
22
0.2
1997
10891
969.6
8.9
7984.1
73.3
1912.1
17.6
15.2
0.2
1998
11459
543.7
4.7
9097.8
79.2
1814.3
15.8
22.6
0.2
1999
12856
108.1
1.5
10247.2
82.7
1947.7
15.7
14.4
0.1
2000
12856
108.1
0.8
10584.3
82.4
2020.0
15.9
137.6
1.1
2001
15103
83.3
0.5
12601.5
83.1
2400.5
15.8
77.2
0.5
2002
18225
0
0
15330
84.1
2820
15.5
75
0.4
1.2.2转炉炼钢原材料
（1）钢铁料
我国高炉生产能力的大幅度增长，为转炉炼钢提供了充裕的铁水，所以转炉炼钢炉料铁水比高，为转炉冶炼纯净钢和提高钢的质量提供了良好的条件。
由于我国废钢资源短缺，转炉炼钢炉料中废钢比较低，近年来我国转炉钢铁料小号如表1.3所示。
表1-3转炉钢铁料消耗
项目
2000
2001
2002
2003
2004
钢铁料/（kg/t钢）
1094
1093
1091
1091
1089
废钢/（kg/t钢）
98
112
105
92
92
废钢比（%）
8.96
10.25
9.62
8.43
8.45
（2）工序能耗
由于转炉生产操作技术水平不断提高，以及各转录钢厂对转炉煤气和转炉烟道汽化冷却蒸汽的回收，使转炉工序能耗有所降低，有些大型转炉钢厂达到赋能炼钢水平。
1.2.3转炉炉龄
近几年，中国钢铁产量高速增长令全世界惊奇:
1995年中国钢产量首次突破1亿吨；2002年达到2亿吨；2005年超过3亿吨；2006年达到4.2亿吨。
中国钢铁工业的飞跃发展首先得益于国民经济的高速增长，受国内市场拉动;其次中国钢铁生产的技术进步也有力地推动了钢铁工业的迅速发展。
转炉是中国最主要的炼钢方法，全国转炉钢的生产比例超过86%。
因此，近几年国内转炉炼钢技术进步为我国钢铁工业的发展作出重大贡献。
我国从1997年开始大规模学习、引进、研究开发和全面推广溅渣护炉工艺技术。
如图1-2所示，推广溅渣护炉工艺之前，国内转炉平均炉龄仅为700一500炉，最高炉龄4300炉（武钢）川。
采用溅渣护炉工艺后，转炉炉龄超过10000炉，最高达34000炉。
国内几乎所有转炉均采用溅渣护炉技术。
图1-2采用溅渣护炉技术后炉龄变化趋势
1.3我国转炉炼钢发展现状
1.3.1发展条件和机遇
全球转炉钢占总产量70%以上;炼钢装备技术已完成新的解析重组，形成了工序配套的铁水预处理一转炉冶炼一炉外精炼一连铸技术体系;炼钢技术的成就体现在转炉长寿高效、计算机全自动炼钢及高洁净钢系统技术、高效连铸和高品质铸坯生产技术以及综合节能、环保技术方面。
（l）钢铁制造流程向连续化、短流程方向发展连铸的发展促进了钢铁制造流程向连续化方向发展，并最终形成了炼钢短流程生产线。
炼钢短流程生产线的基本特点是:
围绕相对单一的产品形成配置最佳的生产线进行连续生产。
主要生产设备采用单机匹配原则，即一一对应。
主体生产单元间物流配合依靠辊道或管线输送。
其优点是设备投资少，生产效率高，生产节奏快，生产周期短。
但因在生产线上的缓冲能力小，必须依靠生产设备运行十分可靠，生产秩序稳定而有节奏。
（2）形成高效化生产技术为了降低生产成本，近20年国际钢铁企业一直在致力于高效生产工艺的研究开发和推广工作。
特别是最近ro年，钢铁生产高效化技术突飞猛进，取得了重大的进展，炼钢工序高效化生产水平见表1.4高效化生产，通常包括以下三方面的内容:
①提高冶炼强度，缩短生产周期。
转炉冶炼周期可小于25min，转炉利用系数超过100t/td
②延长炉体寿命，提高设备作业率。
溅渣护炉技术的开发与应用，使炉龄可以提高到1~2万炉以上，最高3.7万炉，提高了转炉作业率。
③加强设备维护，提高生产作业率。
如国外高效连铸工艺，使连铸机作业率高达98%，转炉的作业率达到97%。
表1-4炼钢厂主要工序高效化生产的水平比较
技术指标
转炉
连铸（厚板坯）
国际先进
国内先进
国际先进
国内先进
冶炼强度
5.0
4.5
3.5
1.6
冶炼周期/min
20
25
—
—
生产作业率/%
97
90
98
85
炉龄（炉）
25000
3000
—
—
（3）完善的洁净钢生产工艺技术
洁净钢生产工艺技术的目标是能大批量、廉价地生产高品质钢材，使洁净钢的生产成本能低于传统流程普通钢的生产成本。
采用的主要技术如下:
①高炉铁水全量“三脱”预处理工艺。
脱S，铁水[S]最低可达15pprn;脱硅，脱[Si]率可达80%以上;脱P，可满足生产超低磷钢（P≤15ppm）的要求。
实现全量铁水“三脱”预处理、铁水[S]≤0.01%，[P]≤0.01%后，才能大幅度降低洁净钢的生产成本。
②高效吹炼，低[O]冶炼。
转炉的任务简化为脱碳升温，使炉渣量下降50%，石灰、合金消耗减少60%，氧气利用率提高10%，铁损减少30k/t，缩短冶炼时间40%，经济效益非常明显。
③采用出钢挡渣，使下渣量≤3k/t;并采用出钢过程炉渣改质技术，使钢渣中（FeO%十MnO%）≤3%，出钢过程脱硫率可达到30%~40%。
有利于提高精炼效率和降低生产成本。
④广泛采用炉外精炼技术生产洁净钢。
根据钢材洁净度的不同要求，选择或组合不同的炉外精炼工艺，实现超洁净钢生产。
目前，经炉外精炼的钢水洁净度可达到:
[S]≤5×10-6，[P]≤20×10-6，[N]≤25×10-6，[H]≤2×10-6，T.O≤6×10-6，[C]≤3×10-6。
日本、欧美等先进的钢铁生产国，炉外精炼比超过90%，其中真空精炼比超过50%，有些钢铁厂已达到100%。
（5）炼钢节能
负能炼钢（炼钢工序能耗最低一10.67kgCe/t（宝钢））;降低铁钢比，最低0.79;回收煤气（新日铁一41m3/t），回收蒸气。
（6）实现无污染排放吨钢SO2排放量0.4kg/t;吨钢烟尘排放量0.7k/t。
综上所述，今后转炉炼钢仍将呈发展态势，期钢产量也将视市场需求与炼钢、轧钢同步适度增长
1.3.2转炉炼钢的发展与钢产量的增长方式
由于市场对钢材的需求旺盛,炼钢提供轧钢的坯料供不应求,高炉生铁产量的逐年增长,因此给转炉炼钢技术的发展和转炉钢产量的提高提供了良好机遇和条件。
今后转炉钢产量的增长一是随着产业的发展而新建转炉炼钢生产规模的扩大;二是通过对原有转炉钢厂的技术改造挖潜。
近年来一些中小型转炉钢厂通过技术改造挖潜已取得了明显的成效,例如水钢小转炉钢厂将原有3座20t转炉逐个扩容至30t,车间钢产量已达到175万t（2002年）。
又如福建三明转炉钢厂将原有3座20t转炉改造为30,并增加了第4座转炉,车间钢产量提高至205万t（2003年）。
此外,在大型钢铁企业中,经适当增加转炉吹炼炉座数可获得增产,如宝钢二炼钢厂原设计为2座250t转炉,设计年生产钢水300万t,浇铸成合格铸坯288万t,原为2吹1,现为2吹1.1~1.2,钢产量2002年已超过370万t（连铸坯）,目前该厂拟增设第3座转炉,届时钢产量可达600万t。
生产实践证明,转炉炼钢厂改造挖潜和改变转炉操作模式都具有投资省、工期短,见效快等优点。
同时,转炉炼钢还应大力推广溅渣护炉、节能降耗技术,稳定提高转炉操作指标。
当然,在转炉扩大产量的同时,应考虑到全厂的物料平衡及公辅设施的配套能力,形成综合生产能力。
同时应坚决贯彻国家环保的法律、法规建设清洁钢厂。
1.4转炉自动化技术
1.4.1介绍
自动化转炉炼钢主要是先对炼铁厂提供的铁水进行预处理,然后再对铁水一定的冶炼加工,最后形成钢。
转炉冶炼铁水成钢,主要包含了这样一个过程,首先进行氧化,去除杂质;然后加入一定的石灰等来制造氧化性的炉渣,在此过程中,还需要一定的热量来升温,最后,还要加入脱氧剂和合金料来最终生成钢材料。
具体来说,自动化转炉炼钢包含了以下几个方面的基本工艺流程:
炼钢原材料,即主要为铁水,外加一些增加剂;合适的装入制度,即炉容比,炉池深度和铁水比例;供养制度,即供养压力,强度,枪位和氧枪的喷头等都有考究;造渣制度,即炉渣要有一定的碱度,在造渣的过程中,最好应用计算机自动加料的方法把石灰分批次的进入炉中;温度制度,即要确定出钢的温度和冷却剂类型和数量;终点控制与出钢合金化,即要注意采用计算机终点控制技术,来取得炉碳温度的双命中,此外,还要进行沉淀脱氧和真空脱氧,并与合金化几乎可以同时进行,最后,在出钢的时候,一定要注意挡渣的工序,否则,将会严重影响炼钢的质量和效果。
1.4.2技术分类
（1）检测技术:
传统的转炉炼钢已经很难适应现代社会的生产要求,尤其是随着检测技术,计算机技术和自动化技术的飞速发展,转炉炼钢的自动化技术也随之改进。
目前,用于检测技术的参数主要包含了熔钢温度、熔钢成分和液面高度等,检测技术主要有副枪检测技术,废气分析检测技术以及特殊检测技术;
（2）自动化技术:
转炉炼钢的自动化控制,包含了静态控制和动态控制,它们都是以控制模型为基础的,其中最为广泛使用的还是动态控制。
控制系统还包括了动态控制模型和反馈计算模型的控制技术。
转炉炼钢还是一个复杂的物化过程,通过应用人工智能技术,可以有效提高其终点命中率;
（3）控制系统:
美国钢铁公司采用的是直接控制和监控级的两极控制系统,日本钢铁公司采取了一体化的转炉炼钢自动控制系统之后,明显减少了人员使用,我国钢铁公司采用了计算机动态控制系统,实现了直接控制计算机与现场的信号进行连接,另外还通过上位计算机来收集,显示相关数据,并对数据进行交换和操作等。
1.5转炉炼钢存在脱氧工艺的问题
不同钢种的脱氧方式不同,鞍钢股份有限公司第二炼钢厂各钢种的脱氧方法及脱氧剂见表1.5所示。
表1.5不同钢种的脱氧方法
钢种
脱氧剂
脱氧方法
普碳钢
FeMn、FeSi、AMnFe、铝粒
沉淀脱氧
低碳钢
FeMn、AMnFe、铝线、铝粒
沉淀脱氧
RH
轻处理钢
铝锭、FeMn、铝线、铝粒、
铝造渣球
沉淀脱氧、真空脱氧、
扩散脱氧
超低碳钢
铝锭、FeMn、铝线、
铝粒、铝造渣球
沉淀脱氧、真空脱氧、
扩散脱氧
1.5.1普碳钢脱氧工艺的现状及不足
该钢种原有的脱氧工艺是在出钢过程中,依次加入FeMn、FeSi和AMlnFe等进行脱氧合金化,然后进行其它成分的合金化。
精炼处理过程根据钢水的实际脱氧度进行调整,脱氧不足时在精炼处理开始通过添加铝粒调整,精炼搬出前再通过添加铝粒做最后的脱氧度调整。
若转炉脱氧度满足钢种要求,在精炼开始时可不调整脱氧度。
此钢种脱氧方式存在的不足是Mn及Si等合金的收得率较低（Mn的收得率只有90%左右,Si只有80%）;Al合金的利用率低,消耗量大,Al2O3生成量较大。
1.5.2低碳钢脱氧工艺的现状及不足
该钢种原有的脱氧工艺是在出钢过程中,依次加入AMlnFe、FeMn等进行脱氧,然后进行其它成分的合金化。
出钢后进氩站通过喂铝线调整脱氧度及Als含量,精炼处理过程根据钢水的实际脱氧度进行调整,脱氧不足时在精炼处理开始通过添加铝粒调整,精炼搬出前再通过添加铝粒做最后的脱氧度调整。
若转炉脱氧度满足钢种要求,在精炼开始时可不调整脱氧度。
此钢种脱氧方式存在的不足是Mn系等合金的收得率较低（83%）;AMlnFe合金的利用率低,消耗量大,Al2O3生成量较大;因钢包顶渣氧化性强,连铸浇注过程Als损失较大（大于0.01%）;由于出钢过程AMlnFe合金加入量较大,造成出
钢过程脱氧度过强,钢水中的氮含量偏高。
1.5.3RH轻处理钢脱氧工艺的现状及不足
该钢种原有的脱氧工艺是在出钢过程中,依次加入铝锭、FeMn等进行脱氧,然后进行Cr等其它成分的合金化。
出钢后进氩站通过喂铝线调整钢水中的氧含量至钢种要求范围,喂铝线结束后吹氩至少3min以上,然后添加铝造渣球或熔渣还原剂等扩散脱氧剂。
RH-TB真空精炼脱碳结束后,通过添加铝粒调整脱氧度和Als含量。
该脱氧工艺的不足之处在于铝锭的消耗量较大;由于出钢过程脱氧度较高,钢水中氮含量有增加的趋势;虽然采用了扩散脱氧剂,但因精炼处理过程钢水中氧含量依然较高,精炼结束后钢包顶渣的氧化性较强,连铸浇注过程中钢水的Als损失较大（平均为0.014%）。
1.5.4超低碳钢脱氧工艺的现状及不足
该钢种原有的脱氧工艺是在出钢过程中,加入少量铝锭、FeMn等脱氧剂进行脱氧。
出钢后进氩站通过喂铝线调整钢水中的氧含量至钢种要求范围,喂铝线结束后吹氩至少3min以上,然后添加铝造渣球或熔渣还原剂等扩散脱氧剂。
RH-TB真空精炼脱碳结束后,通过添加铝粒调整脱氧度和Als含量。
该脱氧工艺的不足是虽然采用了扩散脱氧剂,但因精炼处理过程钢水中氧含量依然较高,精炼结束后钢包顶渣的氧化性较强,连铸浇注过程中钢水的Als损失较大（平均为0.017%）;由于出钢后钢水中氧含量过高,造成氩站铝线消耗量较大。
1.6耐候钢介绍
1.6.1简介
耐候钢,又称耐大气腐蚀钢,是通过在普通钢中添加一定量的合金元素制成的一种低合金钢,主要合金成分为Cu、P、Cr、Ni等元素。
耐候钢的特点是能够抵御自然大气条件下的腐蚀。
钢铁的锈蚀是钢结构损坏的主要原因之一，腐蚀损耗也是相当可观的，据报导北美每年因腐蚀损耗也是相当可观的，据报据报导北美每年因腐蚀损耗的钢占年产量的20%,在加拿大每年腐蚀损失达到6亿美元。
人们解决大型钢结构的防腐蚀问题的方法一般是加大腐蚀余量,并涂以防锈油漆。
前者会造成材料的浪费,后者因为需要定期进行维护性重涂,造成维护成本提高,有时还会影响正常使用。
还有一种方法是在结构中使用金属涂覆层进行保护,主要是热浸镀或喷涂锌或铝,利用镀层金属的阴极保护性能延长钢结构寿命。
但应用金属涂覆层也存在着成本较高、污染环境、大型构件应用困难,以及不易焊接等问题。
耐候钢并非不锈钢,初期同普通碳钢一样也会锈蚀,后期则情况不同。
耐候钢锈蚀一段时间后由于钢表面Cu、P等微量元素富集,形成一层致密的非晶态锈层组织,并与基体结合得非常牢固。
这层稳定化锈层能够在一定程度上抵御大气中水
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