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转炉设计
转炉设计
1.1转炉炉型设计
1.1.1转炉炉型设计概述
（1）公称容量及其表示方法
公称容量（T），对转炉容量大小的称谓。
即平时所说的转炉的吨位。
（2）炉型的定义
转炉炉型是指转炉炉膛的几何形状，亦即指由耐火材料切成的炉衬内形。
炉型设计内容包括：
炉型种类的选择；炉型主要参数的确定；炉型尺寸设计计算；炉衬和炉壳厚度的确定；顶底复吹转炉设计。
1.1.2炉型种类及其选择
（1）炉型种类
根据熔池（容纳金属液的那部分容积）的形状不同来区分，炉帽、炉身部位都相同，大体上归纳为以下三种炉型：
筒球形、锥球形和截锥形。
①筒球形炉型：
该炉型的熔池由一个圆筒体和一个球冠体两部分组成，炉帽为截锥体，炉身为圆筒形。
其特点是形状简单，砌砖简便，炉壳容易制造。
在相同的熔池直径D和熔池深度h的情况下，与其他两种炉型相比，这种炉型熔池的容积大，金属装入量大，其形状接近于金属液的循环运动轨迹，适用于大型转炉。
②锥球形炉型（国外又叫橄榄形）：
该炉型的熔池由一个倒置截锥体和一个球冠体两部分组成，炉帽和炉身与圆筒形形炉相同。
其特点是，与同容量的其他炉膛相比，在相同熔池深度h下，其反应面积大，有利于钢、渣之间的反应，适用于吹炼高磷铁水。
③截锥体炉型：
该炉型的熔池有一个倒置的截锥体组成。
其特点是，形状简单，炉底砌筑简便，其形状基本上能满足于炼钢反应的要求。
与相同容量的其他炉型相比，在熔池直径相同的情况下，熔池最深，适用于小型转炉。
结合中国已建成的转炉的设计经验，在选择炉型时，可以考虑：
100～200t以上的大型转炉，采用筒球形炉型；
50～80t的中型转炉，采用锥球形转炉；
30t以下的小型转炉，采用截锥体转炉。
1.1.3转炉炉型主要参数的确定
迄今为止，国内外还没有一套完整的转炉炉型的理论计算公式，不能完全从理论上确定一个理想的转炉炉型和炉型各部分尺寸参数。
现有的公式都属于经验公式。
目前国内各厂进行转炉炉型设计时，一般都是采用“依炉建炉”的设计方法。
即通过考察和总结同类转炉的长期生产情况和较先进的技术经济指标，结合采用经验公式和进行可行的模拟试验，再结合当地的条件做适当的修改，来确定转炉的炉型尺寸。
转炉炉型的主要参数的确定方法，通常采用推荐的方法。
①直接推荐各参数的数值范围。
②推荐经验计算公式。
以下为北京钢铁设计研究总院推荐的一套经验公式。
主要参数包括：
V/T、H/D、h/D、d0/D、θ，出钢口参数（dT、β、LT）。
对这些参数的确定需要持慎重态度，在进行炉型设计时，要仔细考虑确定这些参数，才能使设计出来的转炉炉型比较合理，满足工艺要求。
（1）炉容比（V/T，容积比或容积系数）
炉容比V/T是指新炉时，转炉炉膛有效容积V与公称容量T的比值（m3/t）。
意义：
单位公称容量所占有的炉膛有效容积（也叫工作容积）的大小。
它是炉型参数中一个最重要参数。
它决定了转炉吹炼容积的大小。
炉容比对吹炼操作、喷溅、炉衬寿命都有很大的影响。
根据炼钢工艺设计技术规定，要求转炉新砌炉衬的炉容比V/T应在0.9～0.95m3/t，小容量转炉取上限，大容量转炉取下限。
中国设计部门推荐，炉容量越大，炉容比越小。
下表为不同转炉炉容比的情况。
使用条件：
90%～95%的铁水比，采用废钢矿石法冷却，使用部颁标准P08生铁，供氧强度B在3～4m3/（t·min）。
不同转炉炉容比
炉容量/t
小型转炉＜30
中型转炉30～100
大型转炉
100～200
＞200
炉容量比（m3/t）
1.00～1.05
0.95～1.00
0.90～1.0
0.90～0.95
最近几年，建设炉容比V/T有增大的趋势，主要原因为采用了较大的供氧强度，V/T设计值比推荐值大些，例如：
太钢50t转炉为0.98m3/t，包钢50t转炉为0.99m3/t，马钢50t转炉的V/T为0.975m3/t，武钢50t转炉的V/T为0.95m3/t，攀钢120t转炉的V/T为1.02m3/t，20t转炉定型设计为1.03m3/t，15t转炉定型设计取1.03～1.21m3/t。
上述数据与实际比较接近，通常V/T在0.95～1.05m3/t，通常V/T增大的原因是采用了较大的供养强度，吹氧时间缩短，
炉容比还可以采用经验公式计算：
式中，ω（C）:
铁水含碳量，%。
ω（Si）:
铁水含硅量，%。
ω（P）:
铁水含磷量，%。
B:
供氧强度，m3/（t·min）。
（2）高宽比（H/D）
表示方法：
H内/D膛，炉型的高宽比；H/D，炉壳的高宽比，两种的表示方法，相差一个炉衬厚度。
高宽比是反映炉型形状的另一个重要参数，决定了炉型是瘦长型还是短胖型。
经验证明，高宽比H/D<1.3则得不到防止喷溅的起码高度，国内高宽比不小于1.3。
炼钢工艺设计技术规定，要求炉壳的高宽比H/D应在1.35～1.65范围，小容量转炉取上限，大容量转炉去下限。
中国设计部门推荐的不同吨位转炉高宽比如下表所示：
吨位/t
25～60
80～130
>130
宝钢300
H壳/D壳
1.6～1.5
1.5～1.4
1.4～1.3
1.35
H内/D膛
2.2～1.85
1.85～1.6
1.6～1.4
1.54
高宽比可以采用经验公式计算：
式中，H内/D：
炉膛内高直径比；
T:
公称容量，t；
B：
供氧强度，m3/（t·min）。
注意：
设计时不能用高宽比计算尺寸，而是用高宽比值来校核所设计的炉型是否合理，炉型尺寸另有计算公式。
（3）熔池深度直径比（h/D）
熔池深度h：
熔池处于静止状态时金属液面到炉底的深度。
熔池直径D：
熔池处于静止状态时金属液面的直径。
根据实际经验，大多数转炉的h/D在0.23～0.54范围内波动，一般h/D为0.31～0.33。
熔池深度直径比h/D可以用下面公式计算：
式中，K—H内/D。
（4）炉口直径比（d0/D）
d0为炉口直径。
因为在确定炉口直径比之前D已经确定，所以炉口直径比的大小决定炉口的大小。
总结已投产的转炉，炉口直径比在0.31～0.69范围内波动，多数在0.5左右。
设计部门推荐d0/D=0.43～0.53；大型转炉取下限，小型转炉取上限。
炉口直径比可用下式计算：
式中，K：
H内/D；
T：
公称容量，t；
S:
按月计最大废钢比。
（5）帽锥角（θ）
指炉帽锥与炉身交接处，炉帽与转炉水平线之间的夹角。
确定θ的原则如下：
①便于炉气逐渐收缩逸出，减少炉气对炉帽衬砖的冲刷侵蚀。
②使炉锥段各层砌砖逐渐收缩，缩短砌砖的错台长度，增加砌砖的牢固性。
如果θ值太小，砌砖错台太长容易塌落。
推荐值θ=60°～68°。
大型转炉取下限，小型转炉取上限。
一般炉帽部分的体积占炉膛体积的30%。
（6）出钢口参数（位置、太小、长度和出钢口倾角β）
①出钢口位置。
出钢口位置通常设在炉身与炉帽耐火材料的交接处。
②出钢口倾角β。
原则上讲应在开堵出钢口方便的情况下尽量减少β，国内已建成的转炉多数β值在15°～20°之间。
如太钢50t转炉为19°，鞍钢150t转炉为20°，攀钢150t转炉为20°。
近几年新建大、中型转炉有些采用0°角。
减少出钢口倾角的优点如下：
a．可以缩短出钢口长度，便于维护。
b．可以缩短钢流长度（出钢口至钢包的距离），减少钢流的吸气和散热损失。
c．出钢时炉内钢水不发生漩涡运动，避免钢流夹渣。
d．出钢时钢包车行走距离短，出钢口倾角大，则行车距离长。
③出钢口直径
a．出钢口内径（dT），其大小要满足出钢所需要的时间（2～8min，依转炉大小而不同，一般5min左右），出钢口内径推荐值如下表所示：
容量/t
15
30
50
120
150
（宝钢）300
dT/m
0.10
0.11
0.12
0.17
0.18
0.20
出钢口内径也可以采用经验公式计算：
式中，T为公称吨位。
b．出钢口外径（衬砖+炉壳的厚度）dST.出钢口外径一般为出钢口内径的6倍左右。
即：
dST=6dT。
④出钢口长度LT。
出钢口长度一般为出钢口内径的7～8倍，即
LT=（7～8）dT
上述参数确定后，就可以进行炉型各部分尺寸的设计计算了。
注：
不能用H/D，h/D计算炉型尺寸，只能用其校核设计尺寸是否合理。
1.1.4转炉设计计算
设计程序：
①确定所设计炉子的公称容量；
②选择炉型（筒球形、锥球形、截锥形）；
③确定炉型主要设计参数；
④计算熔池尺寸；
⑤确定整个炉型尺寸。
（1）熔池尺寸的计算
在炉型尺寸的计算中首先要确定熔池尺寸，主要是熔池直径和熔池深度的计算确定，它是炉型尺寸中两个最重要的尺寸参数。
熔池直径和深度计算出来后要校核h/D是否合乎要求，否则应重新调整熔池直径和熔池深度值，直至h/D合乎要求为止。
1熔池直径（D）。
中国设计部门推荐采用如下计算公式：
式中
D:
熔池直径，m；
G:
新炉金属装入量，t；
t:
吹氧时间，min；
K：
比例系数，取值如下表所示。
吨位/t
<20
30～50
50～120
200
250
K
2.0～2.3
1.85～2.10
1.75～1.85
1.55～1.60
1.5～1.55
由平均出钢量T换算G：
式中，T：
平均出钢量，t；
B：
老炉比新炉多产刚系数。
一般B=10%～40%，大型转炉取下限，小型转炉取上限。
η：
金属消耗系数，一般P08生铁η=1.07～1.15；J13生铁η=1.15～1.20。
η=1/η金
η金：
金属收得率。
吹氧时间的计算如下。
吹氧时间推荐值如下表：
转炉吨位/t
<50
50～80
>120
宝钢300
时间t/min
12～16
14～18
16～20
16
（2）熔池深度（h）
它是另一个比较重要的熔池尺寸参数，对于一定容量的转炉，在炉型和熔池直径确定以后，可以利用几何公式计算熔池深度。
a．截锥形熔池。
利用截锥形的体积公式：
b．筒球形熔池.
c．锥球形熔池
熔池直径H已求出，若能知道V池就可以用以上公式求出各种炉型的h值。
根据熔池定义，熔池体积V池应等于金属液体积V金，
即V池=V金
式中，V金：
新炉金属装入量占有的体积；V金=G/ρ金，ρ金为金属液密度，取6.8～7.0t/m3。
求出D和h后，校核：
h/D是否符合推荐值h/D=0.31～0.33；校核h冲/h，h冲氧流股的冲击深度，h应满足h冲的需要，对多孔喷头h冲/h=0.25～0.4为宜。
多孔喷头的h冲经验计算公式如下：
式中，H多孔枪：
喷头距熔池液面高度（枪位），mm；
d喉：
喷头喉口直径，mm；
ρ钢：
钢液密度，t/m3；
P用：
氧气使用压力（表压），kgf/cm2（1kgf/cm2=98066.5Pa）
先求出h冲后再演算是否h冲/h=0.25～0.40。
（3）炉帽尺寸的计算确定
炉帽主要尺寸包括炉口直径、帽锥角，炉帽高度。
1炉口直径d0：
按参数d0/D=0.43～0.54计算或根据同类炉子d0值选取，部分转炉的炉口直径见下表。
部分转炉的炉口直径
转炉吨位/t
15
25
30
50
120
150
300
d0/mm
1100
1100
1200
1850
2200
2500
3600
②帽锥角θ，根据转炉大小在60°～68°范围选择。
③炉帽高度H帽。
式中，H口=300～400mm，为了保持炉口的正常形状，防止因为衬砖蚀损而使其扩大，在炉口设置高度为300～400mm的直线段。
炉帽体积
（4）炉身尺寸的计算
①炉膛直径D膛：
炉身为圆筒形，对于炉衬无加厚段的转炉其炉膛直径与熔池直径相同，即D膛=D。
2炉身高度H身：
炉身体积：
V：
炉膛体积，由炉容比V/T和公称容量T确定V=（V/T）T。
求出炉身高度后，整个炉型就计算出来了，这时要对炉型进行校核，计算出来的炉型尺寸应同时满足V/T和H内/D膛的要求，如果不在推荐范围内，则要对炉型尺寸进行适当的调整使之符合炉型主要参数推荐值。
（5）出钢口尺寸的计算确定
按照炉型主要参数中的出钢口参数确定方法来确定。
1.1.5炉衬的组成、材质的选择及厚度确定
从设计的角度应注意：
①选择优质的耐火材料做炉衬。
②确定最佳炉衬厚度。
（1）炉衬的组成
炉衬一般由永久层、填充层和工作层三层组成。
永久层：
紧贴炉壳钢板（或绝热层），通常是用一层镁砖或高铝砖侧砌而成，厚度113～115mm，其作用是保护炉壳钢板，修炉时不拆除。
填充层：
介于永久层和工作层之间，一般是用焦油镁砂捣打而成，厚度一般80～100mm，有的工厂不做规定，只要达到找平的目的即可。
填充层的作用是减轻工作层受热膨胀时对炉壳钢板的挤压作用，便于修炉时迅速拆除工作层和砌炉操作。
也有的转炉不设填充层。
工作层：
它的工作条件相当恶劣，工作层一般有煤炭砖砌成。
所谓炉衬寿命即指工作层的寿命，当工作层被侵蚀损坏后（残余厚度约100mm），就要更换炉衬了。
（2）材质选择
选择材质的原则如下：
①耐火度（抵抗高温作用而不熔化的性能）高；
②高温下的机械强度高，耐急冷急热性能好；
3化学性能稳定；
4资源广泛，价格便宜。
根据国内外多年来的生产实践证明，工作层采用煤炭砖是一种比较理想的炉衬砖。
镁碳砖是采用天然菱镁矿和天然鳞片石墨为原料，用改质沥青和酚醛树脂做复合黏结剂；经破碎、筛分、调整黏度，加入适量鳞片石墨，加入黏结剂，添加适量抗氧化剂，经混炼、成型，经200～250℃硬化处理后即成成品。
镁碳砖具有耐高温、耐渣侵和耐剥落等优良的使用性能。
与其他镁砖相比，在使用过程中变质层变薄，不至于引起砖体结构的剥落。
加入相当数量的石墨改善了砖的导热性能，具有良好的抗震性。
永久层一般用烧成的镁砖或高铝砖。
（3）各层厚度的确定
一般炉身工作层厚度400～800mm，炉底工作层比炉身略薄一些，约350～600mm，填充层80～100mm,炉身永久层113～200mm，多数113～115mm，炉底永久层300～500mm。
转炉各层炉衬厚度如下表所示。
根据不同部位的侵蚀情况，使用不同材质的耐火材料和砌成不同厚度的炉衬，使之各部位的侵蚀基本均匀，这就是所谓的均衡炉衬。
又叫均衡砌炉或平衡炉衬。
均衡砌炉是提高炉衬寿命，降低耐火材料消耗和成本的有效措施。
近年来许多钢厂都采用了均衡砌炉，在不容易修补的耳轴两侧采用抗渣性能良好和抗氧化性能强的高级镁碳砖、在侵蚀较快的渣线部位采用抗渣性能良好的镁碳砖，在装料侧炉衬采用高抗渣性、高强度、高抗热震性的镁碳砖。
出钢口则使用等静压成型的整体镁碳砖出钢口。
转炉各层炉衬厚度
容量/t
<100
100～200
>200
炉帽工作层/mm
400～600
500～600
550～650
炉身工作层/mm
550～700
700～800
750～850
炉底工作层/mm
550～600
600～650
600～750
炉身永久层/mm
115～150
115～200
115～200
炉底耐材总厚/mm
850～1050
950～1100
950～1200
1.1.6炉壳厚度和转角半径的确定
（1）炉壳作用
转炉炉壳类似于一个承受高温、高压的容器，它在使用过程中要承受下列作用力：
①静载荷产生的应力，包括炉料、炉衬和炉壳本身等重量产生的应力。
②动载荷产生的应力，包括加料，特别是加废钢和清理炉口结渣时产生的冲击力，以及产生炉体在倾动中产生的巨大扭矩。
③炉衬的膨胀应力：
炉子受热膨胀时产生巨大的热应力；
④热应力：
由炉壳钢板轴向和径向的温度梯度产生的应力。
5其它应力：
包括炉壳断面改变，局部加固及加工、安装过程中产生的应力。
（2）炉壳材质
根据炉壳的使用特点，要求炉壳使用的材质具有在高温时耐时效，抗蠕变及良好的成型性和焊接性能。
一般小型转炉用碳素结构钢，大型转炉用低结构钢，如Q235、16Mn、15MnTi、14MnNb、20g等。
（3）炉壳厚度
炉壳厚度的确定目前尚无成熟的计算公式，原则上讲由于炉底各部分受力不均匀，炉底、炉身和炉帽应选用不同厚度的钢板。
炉身受力最大，使用最厚的钢板，炉底为炉身厚度的80%左右。
经验公式为：
（D壳为炉壳外径）
小型转炉为了简化取材，一般炉底、炉身和炉帽都选用相同厚度的钢板，不同容量转炉的炉壳厚度见下表。
不同容量转炉的炉壳钢板的厚度
容量/t
≤50
50～90
100～150
160～200
210～250
≧250
炉帽/mm
16～32
50～60
53～60
60～75
65～70
70～75
炉身/mm
18～36
50～65
52～70
70～75
76～80
80～85
炉底/mm
16～32
50～60
53～60
60～65
65～70
70～75
（4）转角半径
在转炉炉壳的帽锥与炉身直筒段连接处，直筒段与池锥，池锥与炉底球冠连接处，小转炉意直线尖角相连接，称谓拐角炉壳。
采用拐角炉壳比较简单，容易制造、大、中型转炉为了减少应力集中，增加炉壳的坚固性，以圆弧连接，称为拐弧炉壳，其圆弧半径叫转角半径。
在便于砌筑炉衬砖和不减薄炉衬厚度情况下，弧形段的转角半径一般以不大于炉衬总厚度为宜。
这样炉壳弧形段的转角半径可按下式确定：
SR1=SR2≤δ身
SR3=0.5δ底
式中，SR1：
炉壳帽锥与直筒段相接处转角半径；
SR2：
炉壳池锥与与直筒段相接处转角半径；
SR3：
炉壳池锥与炉底球冠连接处转角半径；
δ身、δ底：
分别为炉身、炉底的衬砖总厚度。
（5）炉壳的形状及特点
炉壳用钢板加工成截锥形炉帽，圆筒形炉身，和球冠形或截锥形炉底。
1炉帽
炉帽接近高温炉气，直接受喷溅钢渣的烧损，并受烟罩内高温烟气的热辐射。
为了保持炉口形状不变，减少炉口结渣并便于清除，目前普遍采用水冷炉口。
水冷炉口的结构形式有水箱式和铸铁埋管式。
目前，采用水箱式水冷炉口的较多。
水冷炉口的冷却水量qV（t/h）为：
式中，ε：
水冷炉口材料的辐射黑度，钢板取0.8，铸铁取0.87～0.95；
q:
水冷炉口的吸热强度（kJ/（m2·h））
大型转炉（4.2～5.0）×105kJ/（m2·h）；
中型转炉（33.5～37.7）×104kJ/（m2·h）；
小型转炉（25.1～29.3）×104kJ/（m2·h）。
F：
水冷炉口传热面积，m2；1.2：
安全系数；
tch、tj：
进、出口温度，一般为tj<35℃,tch<45～55℃
②炉身
圆筒形，依靠炉身使整个炉体与托圈相连接，倾动机构又通过耳轴和托圈使炉体转动。
③炉底
依据熔池形状不同有球冠形和截锥形之分，根据修炉方式，又有死炉底和活炉底之分。
活炉底又分为大活炉底和小活炉底。
炼钢工艺设计技术规定：
容量不大于100t的转炉，一般采用截锥形活炉底，容量不小于150t的转炉采用筒球形死炉底。
当炉衬和炉壳及厚度确定后，整个炉型就基本上确定了。
最后在校核一下H/D是否合适，否则重新调整炉型尺寸。
1.1.7炉型设计步骤
①列出原始条件：
公称容量，铁水条件，废钢比，氧枪类型，吹氧时间（或供氧强度）等；
②根据条件选择炉型；
③确定炉容比；
④计算熔池直径D，熔池深度等尺寸；
⑤计算炉帽尺寸；
⑥计算炉身尺寸；
⑦计算出钢口尺寸；
⑧确定炉衬厚度；
⑨确定炉壳厚度
⑩校核H/D；
最后绘制炉型图。
1.1.8炉型设计举例
（1）原始条件
炉子平均出钢量为200t，钢水收得率取92%，最大废钢比取20%，采用废钢矿石法冷却：
铁水采用P08低磷生铁[ω（Si）≦0.85%]ω（P）≦0.2%ω（S）≦0.05%],氧枪采用四孔拉瓦尔喷头，设计氧压为1.0MPa。
（2）炉型选择
根据原始条件采用筒球形炉型作为本设计炉型。
（3）炉容比：
取V/T=1.05；（通常V/T在0.95～1.05m3/t）
（4）熔池尺寸的计算
①熔池直径的计算。
熔池直径的计算公式：
确定初期金属装入量G；取B=15%则
确定吹氧时间，根据生产实践，吨钢耗氧量，一般低磷铁水约为50～57m3/t（钢），高磷铁水约为62～69m3/t（钢），本设计采用低磷铁水，取吨钢耗氧量为57m3/t（钢），并取吹氧时间为14min则
取K=1.57则
②熔池深度计算。
筒球形熔池深度的计算公式为：
确定D=5.960m，h=1.405m。
③熔池其他尺寸确定。
球冠的弓形高度：
h1=0.15D=0.15×5.96=0.894（m）
炉底球冠曲率半径：
R=0.91D=0.91×5.96=5.414（m）
（5）炉帽尺寸的确定
①炉口直径d0：
取d0=0.48D=0.48×5.96=2.86（m）
②炉帽倾角θ：
取θ=64°
③炉锥高度H帽:
取H口=400mm，则整个炉帽高度为：
H帽=H锥+H口=3.18+0.4=3.58（m）
在炉口设置水箱式水冷炉口。
炉帽部分容积为：
（6）炉身尺寸确定
①炉膛直径D膛=D（无加厚段）。
②根据选定的炉容比为1.05，可求出炉子总容量为V总=1.05×200=210（m3）
=210-29.7-48.35=131.95（m3）
③炉身高度
则炉型内高H内=h+H帽+H身=1.405+4.73+3.58=9.715（m）
（7）出钢口尺寸的确定
①出钢口直径
②出钢口衬砖外径：
dST=6dT=6×0.2=1.2m
③出钢口长度：
LT=7dT=7×0.2=1.4m
④出钢口倾角β：
取β=18°。
（8）炉衬厚度确定
炉身工作层选700mm，永久层115mm，填充层100mm，总厚度700+115+100=915（mm）
炉壳内径为D壳内=5.96+0.915×2=7.79（m）
炉帽和炉底工作层均选600mm，炉帽永久层为150mm，炉底永久层用标准镁砖立砌一层230mm，黏土砖平砌三层65×3=195mm，则炉底衬砖总厚度为600+230+195=1025（mm）。
故炉壳内型高度为H壳内=9.715+1.025=10.740m
工作层材质全采用镁碳砖。
（9）炉壳厚度确定
炉身部分选75mm厚的钢板，炉帽和炉底部分选用65mm厚的钢板，则
H总=10740+65=10805mm
D壳=7790+2×75=7940mm
炉壳转角半径SR1=SR2=900mm；
SR3=0.5δ底=0.5×1025=510mm；
（10）验算高宽比
可见H总/D壳≥1.3，符合高宽比的推荐值，因此认为所设计的炉子尺寸基本是合适的，能够保证转炉的正常冶炼。
根据上述计算的炉型尺寸绘制出炉型图。
（11）绘制转炉炉型图
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