年产200万吨钢的转炉炼钢车间设计钢包设计.docx
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年产200万吨钢的转炉炼钢车间设计钢包设计
攀枝花学院本科毕业设计（论文）
年产200万吨钢的转炉炼钢车间设计
——钢包设计
摘要
根据年产200万吨钢转炉车间设计的要求和国家相关政策的规定，确定转炉的大小为220吨，进一步得到了符合实际生产的与之匹配的钢包容量大小为250吨，通过计算确定钢包上部内径和高度均为4289mm，生产过程中所需要的钢包的数量为11个。
对钢包用耐火材料进行了设计，分为2套钢包即浇注钢包和砌筑钢包。
分别对其进行分析确定了他们的绝热层和工作层的设计方法，对于浇注钢包采用整体浇注和或剥皮浇注，对砌筑钢包采用综合砌筑的方案；通过对钢包透气砖和滑动水口系统耐火材料的外形设计，确定了透气砖系统耐火材料的尺寸和滑动水口系统耐火材料的尺寸；最后根据钢包用耐火材料的使用要求，针对不同钢种和不同部位的不同要求以及耐火材料的理化性能指标，对钢包所用的耐火材料进行了优化选择。
矚慫润厲钐瘗睞枥庑赖。
关键词炼钢，钢包，砌筑，浇注，耐火材料
ABSTRACT
Accordingtotheannualoutputof2milliontonsofsteelconverterworkshopdesignrequirementsandrelevantnationalpoliciesandregulations,determinethesizeoftheconverteris220tons,hasbeenfurtherconformtotheactualproductionofmatchingtheladlesizecapacityof250tons,throughthecalculateanddeterminetheladleupperinnerdiameterandheightis4289mm,theproductionprocessrequiredthenumberofladlesfor11.Ladlerefractorymaterialsusedforthedesign,dividedinto2setsofladlepouringladleandlayingtheladle.Respectivelytoanalyzeittodeterminetheirthermalbarrierandlayer,thedesignmethodoftheworkforadoptstheintegralcastingandorpeelingpouringladlecoverincasting,forthecompositemasonrymethodsinlayingtheladle;Throughtheventbrickofladlerefractoryandslidegatesystemdesign,determinethesizeofthesystemofgassupplybrickandrefractorymaterialsandrefractorymaterialsthesizeoftheslidegatesystem;Finallyaccordingtotherequirementsoftheladlerefractorymaterialused,accordingtodifferentsteelgradeandthedifferentrequirementsofdifferentpartsandtherationalindexoftherefractory,theladlerefractorymaterialusedintheoptimizedchoice.聞創沟燴鐺險爱氇谴净。
Keywordssteelmaking,ladle,laying,casting,refractorymaterial残骛楼諍锩瀨濟溆塹籟。
1绪论
钢包是连接转炉和连铸中间的容器,而且几乎所有钢水的炉外精炼过程都是在钢包中进行；钢包的工作状态好坏不仅影响炼钢过程钢液质量、生产节奏、炉衬寿命；也会影响后序精炼和连铸过程中的包衬寿命、钢水质量和生产节奏,特别是影响最终的钢铁产品的制造成本和内在质量。
钢包是炼钢生产重要的生产设备，炉外精炼对钢包的结构和使用又提出了更高更新的要求。
钢包工作条件非常苛刻。
包衬受高温、钢液的静压和出钢时的巨大影响,同时受到强烈的机械侵蚀、化学侵蚀和温度的急冷急热的影响[1]。
随着转炉炼钢技术的不断改进和发展,也对各种二次精炼钢包精炼技术的应用提出了更高的要求,如各种钢（包）水的搅拌，钢水真空处理（精炼）,加热功能的二次精炼方法,高碱度渣在钢包的精炼过程中的各种应用等,使钢包内衬与剧烈运动的高温钢液长时间接触、互相作用,此时，钢包所处的工作条件也相应的变得相当的复杂和苛刻。
銚銻縵哜鳗鸿锓謎諏涼。
伴随我国经济的飞速发展,钢包耐火材料在我国也得到了很好的发展。
钢包的使用寿命不仅与耐火材料消耗相关,而且还直接影响到转炉的正常生产。
尤其是提高转炉使用寿命,连铸比增加和钢液炉外精炼技术的广泛应用,钢包必须经历高温、多钢种、时间长等日益严格的使用条件,因此对钢包耐火材料的要求也在不断提高,世界各国都正在积极研究和开发各种新型耐火材料，为了提高耐火材料的质量，延长其使用寿命,降低耐火材料消耗[2]。
1950年代以来,钢包耐火材料在我们国家也在不断地向前发展,新产品不断增加,产品质量不断提高,使用效果更好,满足不断发展的需要。
根据我国钢铁行业的发展趋势,预计未来钢包耐火材料的发展将主要从以下几个方面开展工作：
（1）开发寿命提高钢包耐火材料,满足高效连铸和炉外精炼；
（2）开发更好的耐腐蚀性和抗剥离性能的低碳和无碳钙和镁系列钢包耐火材料,以满足冶炼洁净钢、低碳钢和超低碳钢的需要；（3）开发节能钢材合成耐火材料,如无定型耐火材料和绿色砖。
（4）发展资源节约型和环境友好的钢合成耐火材料，（5）开展各种用后残留耐火料的再次利用与研究[3]。
挤貼綬电麥结鈺贖哓类。
2转炉座数、公称容量及生产能力的确定
2.1转炉的容量和座数的确定
转炉炼钢过程中，由于炉衬受到侵蚀而逐渐减薄，在一个炉役期内，炉容量随之增大，因此需要一个统一的衡量标准，即公称容量[4]。
氧气转炉的生产能力与作业指标的关系如下：
赔荊紳谘侖驟辽輩袜錈。
式中Q－车间生产能力，200万吨钢/年；
n－车间经常吹炼座数；
T－每座炉平均每炉产钢量，吨；
t－每炉钢的冶炼周期，在38~48min，这里根据炼钢厂设计原理，取45min；
η－转炉车间有效作业率，与全连铸配合取η=65%~80%[5]，根据炼钢厂设计原理，这里取75%。
根据国家工信部2010年07月12日发布的《钢铁行业生产经营规范条件》，新建转炉容量应在120t以上，依据上述关系，本设计车间转炉数为1座；每炉钢的平均出钢量为220吨。
塤礙籟馐决穩賽釙冊庫。
2.2计算年出钢炉数
国内转炉的平均冶炼时间如表2.1。
表2.1氧气转炉平均冶炼时间[4]
公称容量/t
平均供氧时间/min
平均冶炼时间/min
15
12~14
25~28
30
14~15
28~30
50
15~16
30~33
100~120
16~18
33~36
150
18~19
36~38
200
19~20
38~40
250
20~21
40~42
300
21~22
42~45
每一座吹炼转炉的出钢炉数N为：
式中T1—每炉钢的平均冶炼时间，min，参照表2.1，取40min；
T2—一年内有效作用的天数，d=365η=273d；
1440—一天的日历时间，min；
365—一年的日历天数，天；
η—转炉车间的有效作用率，取75%。
故每天出钢炉数为：
N/273=9855/273=36炉；
2.3车间的年产钢量的计算
在选定转炉公称容量和转炉工作制后，即可计算出车间的年产钢水量W:
式中W—车间年产钢水量，t；
n—车间经常吹炼炉座数；这里取1
N—每一座吹炼炉的年出钢炉数；
q—转炉公称容量，t；
得出年产钢量为2027520t
3钢包尺寸及数量的确定
3.1钢包尺寸的计算
（1）钢包容量的计算。
转炉的出钢量与钢包的容量应当匹配，如表3.1。
表3.1与转炉配套的钢包容量的配合表[6]
公称容量/t
最大出钢量/t
平均冶炼时间/min
50
60
60
100
120
120
120
150
150
150
180
180
200
220
220
250
275
275
300
320
320
我们假设钢包的额定容量为
。
设计时一般需要考虑到钢包10%的净空量，因此钢包内钢水实际容量可以表示为
P+0.1P=1.1×250=275t
（2）钢包内渣量的计算。
一般情况下，渣量只是金属量的一小部分，约为3％～5％[6]，我们这里在设计时应取较大比例15％。
故渣量可以计算为：
裊樣祕廬廂颤谚鍘羋蔺。
（3）钢包容积的计算。
根据实际钢包所能够的容纳金属液与熔渣量计算进行。
钢液比容一般为0.14m3/t[4]，熔渣的比容一般为0.28m3/t[6]。
因此，钢渣的总体积即钢包容积应该是：
=0.14×1.1
+0.28×0.15
=0.20
（m3），如果使用D/H＝1，锥度用15％，则钢包底部直径（钢包空间尺寸如图3.1所示）：
仓嫗盤紲嘱珑詁鍬齊驁。
=0.85
图3.1钢包内空间尺寸
若钢包容积根据圆锥台来计算，即：
把
和
带入上式得到：
又钢和渣体积为
=0.20
，因此有
=0.20P
可得到钢包的基本尺寸同容量的关系:
；
；
以上三个计算公式是基于一致条件下的衬砌厚度得出。
各部分设计过程参考文献[6]得到各部分参数。
如图3.2所示：
绽萬璉轆娛閬蛏鬮绾瀧。
图3.2钢包各部分尺寸
1）
H1=H+Jd=D+0.1D=1.1D
2）
3）
4）
5）
6）
说明：
（1）钢包砖衬厚度。
钢包砖衬包含保温层（外层）与耐火材料工作层（外层），一般砌筑总厚度100～250mm。
工作层砖的型式有多种，列入标准的钢包的衬砖砖型外，根据锥度、直径、高度等参数设计专用衬砖，针对专用钢包，使得其砌筑工作变得更加方便流利，砌筑质量变得相当高。
骁顾燁鶚巯瀆蕪領鲡赙。
钢桶桶壁厚度约等于
＝0.07D；
：
包壁的厚度（上下应一致），mm
D：
钢包上部内径，mm
Jb:
钢包底衬厚度，mm（Jb=0.10D）
δb：
钢包壳壁厚，mm（δb=0.01D）
δd：
钢包壳底厚，mm（δd=0.012D）
对砖衬部分的厚度需要进行扩大或者修正，我们为了保证实际容积为0.20P需要扩大σ值表示为:
K×0.367D3=0.20P。
K为在093～0.96之间的一个系数。
目的是使加厚砖衬部分而减小了4％～7％的容积，同是为修正容积之不足因此在式字中需要乘以系数K从而可以得到下部内径:
瑣钋濺暧惲锟缟馭篩凉。
（一般情况下为σ30～60mm，这里取σ为45mm）。
=4.289m
=3.466m
表3.2钢包各部分尺寸值
参数名称
数值/mm
参数名称
数值/mm
钢包上部内径D
4289
深度H
4289
外壳上部内径D1
4889
外壳内高H1
4718
外壳上部外径D2
4975
外壳全高H2
4769
外壳下部内径D3
4246
包壁的厚度Jd
429
外壳下部外径D4
4332
钢包底衬厚度Jb
300
钢包壳底厚δd
51
钢包壳壁厚δb
43
以上设计钢包的净空高度为300～400mm,但为了与现代真空冶炼相适应需要相应的增加其净空高度，本设计净空度取800，从而得到钢包的各部分尺寸如下表3.3所示鎦诗涇艳损楼紲鯗餳類。
表3.3改进后钢包各部分的值
参数名称
数值（mm）
参数名称
数值（mm）
钢包上部内径D
4289+120
深度H
4289+800
外壳上部内径D1
4889+137
外壳内高H1
4718+800
外壳上部外径D2
4975+139
外壳全高H2
4769+800
外壳下部内径D3
4246+119
包壁的厚度Jd
429
外壳下部外径D4
4332+121
钢包底衬厚度Jb
300
钢包壳底厚δd
51
钢包壳壁厚δb
43
3.2钢包质量的计算
在完成钢包的外壳、支撑腿、滑动水口、吊挂耳抽等部件的计算后，再对钢包的质量进行精确的计算，根据以上以上选定的材料和确定的尺寸可以大概的计算得出钢包的质量。
栉缏歐锄棗鈕种鵑瑶锬。
（1）包衬质量的计算。
砖衬总体积与总质量为：
钢包壁砖衬体积计算为:
钢包底砖衬体积计算为：
钢包砖衬总体积计算为:
钢包砖衬总质量计算为（这里取平均密度大约1.80
）
（2）钢包外壳钢板质量的计算
钢包底钢板体积计算为：
钢包壁钢板体积计算为:
钢包外壳钢板质量计算为:
（3）空钢包质量的计算
，将式
代入得：
则空钢包的质量大约为钢包额定容量值的27％～28％之间。
但是在考虑到其它未计入的钢结构件与耐火砖质量的前提下，应在这基础上增加10％左右，则空钢包的质量应该为额定钢包容量值的30％～31％之间。
辔烨棟剛殓攬瑤丽阄应。
（这里取为30%）
W1=0.3×250=75（t）
（4）盛满熔渣与钢水后的总质量的计算。
钢包的渣量一般为金属量的15%，容量则按过装量10%的进行计算，则装满渣和钢水后的质量计算为：
峴扬斕滾澗辐滠兴渙藺。
=1.538×250=384.5t
因此,在选择铸造起重机,其承载能力应大于添加门形状钩的质量。
门户钩固定在钢包（与耳铀饺接）和分离型两种,应包括在总起重之内。
詩叁撻訥烬忧毀厉鋨骜。
3.3钢包重心计算
钢包的重心计算是为了确定钢包耳轴位置,钢水和渣包的起重和浇注工艺稳定,没有倾翻的危险,让它在倾销出钢不需要太费力。
重心是通过传统的力学方法计算的。
则鯤愜韋瘓賈晖园栋泷。
对钢包来说,如简化无论铸造操作机构（塞杆或滑动浇道）的质量,这是忽略它们造成重心偏移，视钢包、钢水、内衬和熔渣是绕铅垂轴线完全对称。
所以计算重心只考虑一个正直的方向是好的距离。
胀鏝彈奥秘孫戶孪钇賻。
（1）钢包包壁砖衬的重心点的确定
经计算包壁砖衬重心与上口的距离为：
（2）钢包包底砖衬的重心点的确定
经计算包底砖衬重心与上口的距离为：
（3）钢包外壳侧壁的重心点的确定
经计算包底外壳侧壁重心与上口的距离为：
（4）包底底壳的重心点的确定
经计算底壳重心与上口的距离为：
（5）钢包渣层的重心点的确定
经计算渣层重心与上口的距离为：
（6）钢包内金属的重心点的确定
经计算钢包内金属重心与上口的距离为：
（7）总重心的计算。
通过已知钢包各部分重心计算所得的数据，求出总重心。
因钢包是对称的，故其重心都在其对称袖上面，则有以下方程式：
鳃躋峽祷紉诵帮废掃減。
=
盛满钢水的钢包质量：
钢水容量有:
经化简得：
=0.54×4.289=2.316m
同时，钢包的上缘与耳轴中心线的距离应小于0.54D才能够使钢包保持稳定。
通过相同的方法，计算得到空钢包的重心位置
，即空钢包比盛满熔渣、钢水时重心时低，更加稳定，没有倾覆的危险。
稟虛嬪赈维哜妝扩踴粜。
表3.4钢包各部分参数
参数名称
数值/mm
参数名称
数值/mm
钢包上部内径D
4409
深度H
5089
外壳上部内径D1
5026
外壳内高H1
5518
外壳上部外径D2
5114
外壳全高H2
5569
外壳下部内径D3
4365
包壁的厚度Jd
429
外壳下部外径D4
4453
钢包底衬厚度Jb
300
钢包壳底厚δd
51
钢包壳壁厚δb
43
总重心y0
2.316
3.4钢包数量的计算
车间需要钢包的数量Q10的计算：
上式中：
Q11－车间每昼夜生产周转使用的钢包个数，Q11=AT1/（24×60）；
Q12－车间每昼夜冷修的钢包数量，Q12=At/24F;
Q13－车间备用的钢包数量，去钢包的总数的10~20%，这里取10%；
A－车间每昼夜的出钢炉数；
T1－每炉钢使用钢包作业时间，即周转时间（min），取260min；
t－每个冷修钢包周转时间（h），这里取44h；
F－使用寿命，视钢包容量、包衬材质及砌筑方式等而不同，取20。
4钢包用耐火材料的设计
随着炼钢工业的不断发展，钢包的使用寿命也在不断的提高，但是提高钢包的使用寿命不能只靠单纯的提高材质的质量，还要根据钢包的使用环境和损毁部位合理的砌筑钢包内衬，从而达到提高钢包使用寿命。
以下分别从浇注钢包和砖砌钢包的设计方法来进行探讨。
陽簍埡鲑罷規呜旧岿錟。
4.1浇注钢包的设计
4.1.1包壁绝热层的设计
采用硅酸铝纤维作为国内大中型钢钢包纤维隔热保温板,产品的导热系数低,可以承受一定的压力,能加强钢静态钢包保温,减少热损失,降低钢液的温度,减少流动率钢包包覆过程中钢包温度下降,从而降低出钢温度,节能降耗的目的,高质量和高产量[5]。
材料性能指标见表4.1。
沩氣嘮戇苌鑿鑿槠谔應。
表4.1硅酸铝纤维的性能指标
项目
指标
Al2O3+SiO2
98.30％
体积密度
710kg/m3
加热线变化率,1100℃×6h
-1.86％
导热率（热面1000℃）
0.136W/（m·k）
压缩强度（厚度方向压缩20％）
1.92MPa
耐火度
>1800℃
保温层用硅酸铝纤维,通常为10mm厚。
砌筑时粘结剂和火泥混合成浆，它与泥浆一并考虑和关节压实。
材料与材料之间必须联合纸浆，没有空隙。
保证钢包均匀应力,避免局部应力集中而开裂包衬。
保温板粘贴牢固和一定强度的永久衬或工作衬后再进行浇注[5]。
钡嵐縣緱虜荣产涛團蔺。
4.1.2钢包工作层的设计
浇注钢包根据使用时的环境，从普通不精炼钢包和精炼钢包来分别阐述在设计时钢包内壁厚度以及材料的体积重量等计算方法。
浇注钢包根据使用环境,分别从普通和精炼钢包阐述包衬厚度的设计和材料体积重量的计算方法[6]。
懨俠劑鈍触乐鹇烬觶騮。
4.1.2.1普通不精炼钢包
图4.1是普通不精炼的设计图，由图中所给的数据根据下面的计算公式（4-2、4-3、4-4）可以推出：
包壁的体积、包底的体积和保温层的面积，从而根据选用的材质体积密度依据计算式（4-1）计算出各种材料的数量和重量。
謾饱兗争詣繚鮐癞别瀘。
D:
钢包壳上部内壁的直径b:
钢包绝热层得厚度
d:
钢包壳底部内壁的直径H:
钢包的高度
d1:
钢包口的工作层的内径h:
钢包底工作层的厚度
d2:
钢包熔池底的内径L:
钢包母线的长度
ρ:
材料密度a:
钢包水平面与母线的夹角
图4.1普通不精炼钢包设计图
将钢包内壁工作层看作是圆台，根据圆台的体积计算方法来计算包壁工作层所用的耐材的体积。
工作层所用材料的质量：
（4-1）包壁的体积：
（4-2）
包底的体积：
（4-3）
保温层面积：
（4-4）
4.1.2.2简单炉后处理的精炼钢包
精炼钢包使用条件苛刻,因此使钢包内部造成不同程度的损伤,为了使钢包内衬损坏达到一个平衡状态,通过加厚损毁部位工作层或使用高档材料以满足需求。
图4.2是一个精炼钢包。
呙铉們欤谦鸪饺竞荡赚。
在精炼钢包耐火纤维外面铺设一层黏土砖作为一个永久层,大部分的浇注包通常不是一个永久层,在使用的过程中,使用剥皮套浇注技术。
上渣线采用高铝镁浇注料、下渣线用加厚的方法,从而加强了渣线的耐蚀性[7]。
莹谐龌蕲賞组靄绉嚴减。
图4.2浇注精炼钢包设计图
4.1.3钢包浇注的工作方案
4.1.3.1整体浇注钢包的方法
（1）包底完成后浆料固化有足够的强度来浇注包壁。
（2）开始在胎模均匀刷上一层黄油或废油,然后安装胎模具、胎模具稳定平躺放置,并要求包壁得钢板和周围的间距保持一致，尽可能确保浇注工作层厚度相同。
麸肃鹏镟轿騍镣缚縟糶。
（3）胎模型放置到位后,必须牢固,必要时可以焊接。
（4）在浇注工作层之前，要做好必要的准备（搅拌机、振动棒等）,然后根据要求施工,包括控制加水量、加料方式,要求尽量从钢包周围均衡分布的加料,尽量防止轮胎模位移、振动,直到完全泛浆,以确保施工工作层没有更多坑和孔隙度。
納畴鳗吶鄖禎銣腻鰲锬。
（5）钢包工作层施工要求一次性完成。
（6）通常在8-16小时后完成（取决于环境温度）可以脱模,但之前必须检查分型面,浇注料的强度，如果仍然没有凝固,需要延长脱模进行的时间,必须等到有足够的强度来脱模浆料。
風撵鲔貓铁频钙蓟纠庙。
（7）在脱模自然干燥24小时后,才可以烘烤[7]。
4.1.3.2采用剥皮套浇的浇注钢包施工方法
精炼钢包在新包使用一段时间后，可以使用剥皮套胶来降低耐火材料消耗每吨的钢铁及其施工方法如下:
（1）清除工作表面和夹在漏在外面的剩余钢残渣,不可以有任何残钢。
（2）观察薄皮钢包壁浇注料,如没有大问题可以决定不去皮,衬套浇注钢包浇注料工作。
（3）下胎模具测试,如胎模具可以设置,平均差距大约超过30毫米,准备提起胎模具进行直接套浇注。
（4）如壁厚的胎模不能放置到位,可以采取措施修复、更换渣线继续使用一定次数后,再决定是否套浇注。
（5）决定剥皮钢包,清除浇注料和渣中的凸块,同周围浇注料厚度保持相当。
（6）清理干净包底灰渣,砌筑好的喷嘴等领域,底部浇注与钢包浇注料平整。
（7）将工作衬里表面剥皮,再倒在端面浇注。
（8）放置夹具:
根据壁厚在底部位置的膜,定位出一个圆圈,将胎模放到规定的位置,测量胎模顶部和包壁永久层间距调整后,尺寸公差要求间距小于10mm,空气砖边大于约20毫米。
灭嗳骇諗鋅猎輛觏馊藹。
（9）使用一个振动器振动铸造,降低振动器不能插入的地方,浇灌水分布比例可适当增加流动性为了提高浇注料。
其余的根据正常铸造操作,应特别注意振动铹鸝饷飾镡閌赀诨癱骝。
密实,可以为一个振动器的地方不能有松偏析现象,删除一个振动器时必须缓慢,以防形成孔。
（10）浇注后24小时内固化脱模,检查效果,使用钢包浇注修复材料和修复缺角松弛部分。
（11）使用过程加强检查,如发现超过50毫米或更多的部分损失应立即停止进行冷包修理。
（12）中途停止当冷包修理检查全套的浇层,用修补料修补好发现的裂缝或者脱落。
4.2砖砌钢包的设计
钢包砖在设计时考虑多一点浇注钢包,首先从钢种和冶炼钢种进行考量,其次根据钢包容量,净空高度满足施工需要的钢铁厂,最后根据预期的渣线使用寿命,钢包寿命来确定衬砌厚度及材质的选择[7]。
攙閿频嵘陣澇諗谴隴泸。
4.2.1砖砌钢包的结构设计
4.2.1.1绝热层的设计
砖砌钢包和浇注钢包的绝热层的施工方法及设计思路差不多，可参照前面浇注钢包的绝热层的设计。
4.2.1.2永久层的设计
根据包衬和衬里
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