年产180万吨转炉炼钢车间设计.docx

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年产180万吨转炉炼钢车间设计

学校：

昆明理工大学

专业：

冶金工程

班次：

2002

（2）

姓名：

普松

指导老师单位：

昆明理工大学

姓名：

普靖中

职称：

副教授

目　　录.

摘要4

Abstract5

前言6

第一章设计概述7

1.1主要用途8

1.2　冶炼要点8

1.3　化学成分对H08性能的影响9

1.4现代全连铸冶炼焊条钢要点10

第二章　氧气顶吹转炉炼钢物料平衡和热平衡11

2.1　物料平衡计算11

2.2　热平衡计算21

第三章氧气顶吹转炉的设计与计算27

3.1　炉型设计27

3.2　氧气顶吹转炉炉衬设计30

3.3　氧气顶吹转炉炉体金属构件设计31

3.4　支承装置32

3.5　倾动机构32

3.6底部供气构件的设计34

第四章　氧枪的设计与计算36

4.1　喷头设计36

4.2　氧枪水冷系统40

第五章　连铸机的设计与计算43

5.1　连铸机的主要工艺参数43

5.2　连铸机生产能力的确定50

5.3　盛钢桶及其载运设备54

5.4　中间包及其载运设备55

5.5　结晶器及其振动装置57

5.6　二次冷却装置59

第六章　钢包的设计与计算63

6.1　盛钢桶尺寸计算63

6.2　盛钢桶质量65

6.3　盛钢桶重心计算67

第七章　铁水预处理及炉外精练68

7.1铁水预处理68

7.2炉外精练69

第八章　转炉炼钢车间布置71

8.1　转炉容量及车间生产能力的确定71

8.2　全厂金属平衡表的制定72

8.3主厂房工艺布置73

总结与体会75

谢辞76

参考文献77

摘要

本次设计的是一座年产180万吨合格坯的氧气顶吹转炉炼钢厂。

冶炼的钢种为碳素焊条钢，主要牌号：

H08A、H08E、H08C主要规格：

f6.5mm、f6.0mm、f5.5mm。

两座120吨的氧气顶吹转炉，年产钢水量为189.22万吨，采用三孔氧枪，氧流量为333.33Nm3/min，配用钢包的额定容量为150吨；两台2机6流板坯弧形连铸机，连铸机的弧形半径为6m，主产品断面尺寸200×1000mm，连铸机设计年生产能力为205.2万吨。

设计主要针对转炉炼钢厂,其中包括炼钢厂规模、生产工艺流程、冶炼的钢种牌号、全厂金属料消耗平衡表、转炉炼钢车间的物料平衡和热平衡计算、转炉炉型选择及设计计算、氧枪喷头及枪身设计计算、连铸机以及车间附属设备的计算选型、车间平面布置设计等。

关键字：

氧枪，转炉，连铸机，碳素焊条钢

Abstract

Thetaskofthisdesignistodesignasteelmakingmillwithtopoxygenblowingvesselsthathasanannualproductivityof1milliontons’finebutts.ItproducesseriesofThecarbonweldsthebariron，Trademark：

H08A、H08E、H08C，specification：

f6.5mm、f6.0mm、f5.5mm。

Therearetwotopoxygen-blowingvessels,witha1.892milliontonsproductivityofhotmetal.Itadoptstheoxygencorelancethathasthreeholes,andtheflowrateis333.33Nm3/min.Thematchedsteelladlesizeis150tons.Also,therearetwosetcastingmachinesthataretwomachineandsixcurrentsandproducetheplankblock.Thearcradiusis6m,andthemajorproduct’contoursizeis200×1000mm.Theannualproductivityofthecastingis2.052milliontons.

Thisdesignaimsattheconvertersteelmillprimarily,amongthemincludethesteelmillscaleandproducethesteelofthecraftflowsheet,thecardnumberofsmeltingsteel,andthebalancesheetofwholeplantdepletionofmetalcharge.Acalculationforofmaterialbalanceandcalorificbalanceintheconvertership,designing,thenchoosingtheprofileandfurnacelinesofconverter,aswellaschoosingsprayheadandbodyofoxygenlance,calculatingandchoosingthecastertype,thenchoosetheotheraccessoryequipment.Last,makeanarrangementforthevariousequipmentsinthewholeworkshops.

Keywords:

oxygenlance,converter,caster,Thecarbonweldsthebariron.

前言

由于我国已经加入世界贸易组织，世界经济的格局将发生重大变化，外商投资将保持良好的增长态势，世界机械制造业，化工业的重心将加快向我国转移，入世受益行业发展速度将有所加快，这将加大国内钢材需求。

在钢材消费增加的同时，消费结构将保持多层次，多样化，并逐步向高层次演化。

21世纪，随着经济的日益全球化，竞争不断加剧，21世纪的我国钢铁行业既有前所未有的发展机遇，又面临严峻的挑战。

本设计说明书对毕业设计的整个过程及主要内容进行了详细的说明。

主要设计一座年产180万吨钢坯的转炉炼钢车间。

设计范围包括从铁水预处理到连铸的整个炼钢过程。

设计内容有主钢种碳素焊条钢的冶炼工艺流程和操作要点，炼钢厂内的物料平衡计算和热平衡计算，及由此计算结果来确定的厂内各设备生产能力、型号等。

设备选定及其在厂房内的布置，应力求使厂区有效面积得到充分利用，物料流向合理。

由于本人水平有限，设计中错误和缺点在所难免，望老师和同学们批评指正。

第一章设计概述

本次设计的是年产180万吨碳素焊条钢的转炉炼钢厂。

冶炼的主钢种为连铸碳素焊条钢，主要牌号：

H08A、H08E、H08C，主要尺寸规格：

f6.5mm、f6.0mm、f5.5mm，执行标准：

GB/T3429-2002。

碳素焊条钢是焊接材料行业使用量最大的原料品种，主要用于制作不同牌号、不同规格的碳钢焊条，产销量大。

随着我国钢材消费量的增长，焊接材料用钢不断增加，据最新统计，2002年全年需求量达到120万吨以上。

此类碳素钢，存在成分偏析，尤其是硫、碳和磷在的上部和中心呈正偏析。

为了保证盘条质量，冶炼时必须严格控制成分。

其所要求的各化学成分的范围如表1-1。

表1-1连铸碳素焊条钢各化学成分范围

钢种

C，%

Mn,%

P，%

S，%

H08A

≤0.07

0.37—0.50

≤0.020

H08E

0.04—0.07

0.37—0.50

≤0.013

H08C

0.04—0.07

0.37—0.50

≤0.010

冶炼主要工艺流程是在高炉出铁后，铁水通过鱼雷罐车运到炼钢厂，经过铁水预处理，去除部分有害元素，从而减轻转炉脱P的负担。

预处理后的铁水再通过转炉吹炼，脱去绝大部分的C。

冶炼主要工艺流程如图1-1所示：

图1-1工艺流程图

任何一个炼钢厂都不可能只炼一个钢种，都是由一个主钢种和多个副钢种组成的。

为了便于冶炼及减少资金投入，在本设计中对副钢种的选择主要依据钢种的化学成分来确定，使各钢种的化学成分相差不大，从而可以制定出相似的冶炼工艺。

这里选取了三种副钢种。

各钢种的化学成分要求如表1-3所示。

化学成分

表1-3各化学成分范围

副钢种

65Mn

0.62～0.69

0.17～0.37

0.70～1.00

≤0.025

≤0.020

T9A

0.85～0.93

≤0.35

≤0.40

≤0.025

≤0.020

55CrMnA

0.52～0.60

0.17～0.37

0.65～0.95

≤0.030

表1-4产品大纲

钢种

占总产量的百分比

钢水量（万吨）

锰铁（万吨）

硅铁（万吨）

H08

50%

94.61

0.514

0.000

65Mn

20%

37.84

0.205

0.082

T9A

15%

28.38

0.154

0.125

55CrMnA

15%

28.38

0.154

0.125

合计

189.22

1.207

0.332

　碳素焊条钢的概述

1.1主要用途

碳素焊条钢盘条，最重要的是化学成分要求严格，尤其是碳、硅、硫成分要确保盘条成分符合标准规定。

此外要求碳素焊条钢具有优良的拉拔性能。

电焊条主要尺寸规格有：

f4.0mm、f3.2mm、f2.5mm、f2.0mm。

用户拉拔使用的主要特点有：

碳素焊条钢合金含量少，属于非合金钢范畴，用户最终加工产品尺寸较大，因此与合金焊丝产品不同，碳素焊条钢盘条主要生产规格为f6.5、f6.0mm，国内用户订购f5.5规格的很少。

1.2　冶炼要点

1.铁水含硫量≤0.035%时方可冶炼此钢种，出铁时尽量少带高炉渣。

2.冶炼本钢种时要考虑到石灰、矿石、铁块、煤等原材料含硫量。

3.装入量力求准确。

废钢加入量以确保过程温度、终点温度为前提。

4.冶炼过程中关键是去硫，要保证在转炉中去硫率，有两个问题必须注意。

首先是前期高温去硫，要求第一次拉碳（熔池C0.20%—0.30%）时温度为1650—1680℃。

炉渣碱度为3.0—3.6，尽量多倒炉渣。

后吹用石灰石或生白云石调温造新炉渣，这样即可以防止熔池温度过高又可以有效地去硫。

吹炼终点碳含量在0.04%—0.06%，熔池温度在1640—1660℃。

炉渣碱度大于3.2。

5.为了保持钢中合适的含氧量，用1/3中碳锰铁和2/3高碳锰铁合金化。

这样钢水增碳约0.02%，有利于模内钢液沸腾。

其原因是钢液碳含量增加，碳氧乘积远超过平衡值；其次中碳锰铁含硅1.5%—2%，不致因中碳锰铁加入数量多增硅而影响沸腾。

6.出钢时用铁芯铝调整包内钢水氧化性。

7.开浇平稳，随时观察模内钢液沸腾，浇注过程及刺铝调整钢水氧化性。

尽量使用瓶口模浇注。

用瓶口模浇注时，预留高度90—100mm，然后加瓶塞。

用敞口模浇注时必须采用铝封，加铝时要拨渣后搅拌，防止钢水冒窜而导致钢锭开坯轧制时脱落（调头）。

严禁用硅铁封顶。

主要是钢锭头部增硅，以致钢坯要切去1/3—1/2。

焊条钢在锭模内沸腾弱，是在开坯时造成掉头和坚壳带薄产生气泡裂纹的主要原因。

因此保证钢水在锭模内有良好的沸腾是十分重要的。

1.3　化学成分对H08性能的影响

1.碳的影响：

焊丝中含碳量增加，会使焊缝金属含碳量增加。

应控制在0.06%—0.09%。

2硅的影响：

硅影响冷拔加工性能，在焊缝中有降低塑性的倾向，故国家标准规定碳素结构钢H08类硅含量≤0.03%。

3.锰的影响：

锰会增加焊缝中的含锰量，不仅可提高抗拉强度，也使塑性和韧性提高同时还提高焊缝抗裂能力。

4.磷的影响（有害元素）：

磷含量增加使焊缝冷裂倾向增大，同时低温冲击值迅速下降（H08钢中的S、P含量低，其盘条价格更高）。

5.硫的影响（有害元素）：

硫含量增加使焊缝热裂倾向增大，同时使焊缝产生表面气孔的可能性增加。

6.铜的影响：

铜含量高时易产生焊缝开裂，所以要求铜≤0.20%，氧气转炉用铁水为主要原料炼钢，残余元素铜含量远远低于0.20%，故厂内一般不做考核。

1.4现代全连铸冶炼焊条钢要点

1.铁水脱硫：

现代转炉炼钢厂都有铁水预处理。

我国宝山钢铁总厂炼钢设有铁水喷吹脱硫和“三脱”（脱硅、脱磷、脱硫）装置。

经过铁水预处理，入炉的铁水含硫量≤0.007%。

铁水炉外脱硫是技术合理、经济的脱硫方法。

2.钢水经过真空脱气装置，利用钢液的碳和氧作用，使钢中全含氧量≤40×10-6（ppm）。

虽然钢中无硅和少铝，铸坯或钢锭也不会产生皮下气泡。

3.钢水通过连铸浇成铸坯。

因为采用全保护浇注（大包保护套管和氩气密封、中间包至结晶器采用浸入式水口保护渣），不仅可以防止钢水二次氧化，而且在中间包和结晶器内钢液中的夹杂物可以上浮，被保护渣捕捉，钢的纯洁度较高，冷拔加工性能好，适宜生产高强度高韧性等高级焊条。

第二章　氧气顶吹转炉炼钢物料平衡和热平衡

2.1　物料平衡计算

（1）计算所需原始数据

炼钢过程的物料平衡与热平衡计算是建立在物质与能量守恒的基础上的。

其主要目的是比较整个过程中物料、能量的收入项和支出项，为改进操作工艺制度，确定合理的设计参数和提高炼钢技术经济指标提供某些定量依据。

应当指出，由于炼钢系复杂的高温物理化学过程，加上测试手段有限，目前尚难以做到精确取值和计算。

尽管如此，它对指导炼钢生产和设计仍有重要的意义。

表2-1钢种、铁水、废钢和终点钢水的成分设定值

成分（％）

类别

钢种设定值

0.070

0.000

0.400

0.005

0.010

铁水设定值*

3.600

0.331

0.351

0.093

0.032

废钢设定值

0.070

0.000

0.400

0.005

0.010

终点钢水设定值**

0.040

痕迹

0.105

0.009

0.019

*这里的铁水设定值为铁水预处理后的铁水成分，具体内容见“第七章铁水预处理及炉外精练”。

**〔C〕和〔Si〕按实际生产情况选取；〔Mn〕、〔P〕和〔S〕分别按铁水中相应成分含量的30％、10％和60％留在钢水中设定。

（2）物料平衡基本项目。

收入项

支出项

铁水

钢水

废钢

炉渣

熔剂（石灰、萤石、轻烧白云石）

烟尘

氧气

渣中珠铁

炉衬蚀损

炉气

铁合金

喷溅

表2－2原材料成分

成分

类别

CaO

SiO2

MgO

Al2O3

Fe2O3

CaF2

P2O5

CO2

H2O

灰分

挥发分

石灰

88.00

2.50

2.60

1.50

0.50

0.10

0.06

4.64

0.10

萤石

0.30

5.50

0.60

1.60

1.50

88.00

0.90

0.10

1.50

生白云石

36.40

0.80

25.60

1.00

36.20

炉衬

1.20

3.00

78.80

1.40

1.60

14.00

焦碳

0.58

81.50

12.40

5.52

表2－3硅铁合金的成分及回收率

硅铁

73.00/75

0.50/80

2.50/0

0.05/100

0.03/100

23.92/100

锰铁

6.60/90

0.50/75

67.80/80

0.23/100

0.13/100

24.74/100

（3）计算步骤。

以100㎏铁水为基础进行计算。

第一步：

计算脱氧和合金化前的总渣量及其成分。

总渣量包括铁水中元素氧化、炉衬蚀损和加入熔剂的成渣量。

其各项成渣量分别列于表2－5、2－6和2－7。

总渣量及其成分如表2－8所示。

第二步：

计算氧气消耗量。

氧气实际消耗量系消耗项目与供入项目之差，详见表2－9。

第三步：

计算炉气量及其成分。

第四步：

计算脱氧和合金化前的钢水量。

表2－4其它工艺参数设定值

名称

参数

名称

参数

终渣碱度

%CaO/%SiO2=3.5

渣中铁损（铁珠）

为渣量的6%

萤石加入量

为铁水量的0.5%

氧气纯度

99%，余者为N2

生白云石加入量

为铁水量的2.5%

炉气中自由氧含量

0.5%（体积比）

炉衬蚀损量

为铁水量的0.3%

气化去硫量

占总去硫量的1/3

终渣Σ（FeO）含量

15%，即（Fe2O3）=5%

金属中〔C〕的氧化

90%C氧化成CO，10%C

（Fe2O3）/（FeO）=1/3

（FeO）=10%

产物

氧化成CO2

烟尘量

为铁水量的1.5%（其中

废钢量

由热平衡计算确定。

本计

FeO为75%，Fe2O3为20%

算结果为铁水量的7.53%

喷溅铁损

为铁水量的1%

即废钢量比为7.00%

表2－5铁水中元素的氧化产物及其成渣量

元素

反应产物

元素氧化量（kg）

耗氧量（kg）

产出量（kg）

备注

〔C〕→﹛CO﹜

3.204

4.272

7.476

〔C〕→﹛CO2﹜

0.356

0.949

1.305

〔Si〕→（SiO2）

0.400

0.457

0.857

入渣

〔Mn〕→（MnO）

0.246

0.072

0.318

入渣

〔P〕→（P2O5）

0.084

0.108

0.206

入渣

〔S〕→﹛SO2﹜

0.004

0.009

〔S〕→（CaO）=（CaS）+（O）

0.009

-0.004

0.020

入渣

〔Fe〕→（FeO）

0.457

0.131

0.588

入渣（见3-8）

〔Fe〕→（Fe2O3）

0.231

0.099

0.329

入渣（见表3-8）

合计

4.991

6.088

成渣量

2.317

入渣组分之和

*由CaO还原出的氧量；消耗的CaO量＝0.009×56/32＝0.016kg㎏

表2－6炉衬蚀损的成渣量

炉衬蚀损量

成渣组分（kg）

气态产物（kg）

耗氧量（kg）

（kg）

CaO

SiO2

MgO

Al2O3

Fe2O3

C→CO

C→CO2

C→CO，CO2

0.3

0.004

0.009

0.236

0.004

0.005

0.088

0.015

0.062

（据表3-4）

合计

0.258

0.103

表2－7加入熔剂的成渣量

类别

加入量

成渣组分（kg）

气态产物（kg）

（kg）

CaO

MgO

SiO2

Al2O3

Fe2O3

P2O5

CaS

CaF2

H2O

CO2

萤石

0.5（据表3-4）

0.002

0.003

0.028

0.008

0.005

0.001

0.440

0.008

生白云石

2.5（据表3-4）

0.910

0.640

0.020

0.025

0.905

石灰

2.899*1

2.247*2

0.075

0.072

0.043

0.014

0.003

0.004

0.003

0.135

0.001*3

合计

3.159

0.718

0.120

0.076

0.022

0.007

0.005

0.440

0.010

1.040

0.001

成渣量

4.548

*1石灰加入量计算如下：

由表（2－5）～（2－7）可知，渣中已含（CaO）＝－0.016+

0.004+0.002+0.910＝0.900kg；渣中已含（SiO2）＝0.857+0.009+0.028+0.020＝0.914kg；因设定的终渣碱度R＝3.5；故石灰加入量为：

〔RΣ（SiO2）－Σ（CaO）〕/（%CaO石灰－R×%SiO2石灰）

＝（3.5×0.914－0.900）/（88.00%－3.5×2.5%）＝2.899kg㎏

*2为（石灰中CaO含量）－（石灰中S→CaS自耗的CaO量）

*3由CaO还原出的氧量，计算方法同表2－5。

表2－8总渣量及其成分

炉渣成分

CaO

SiO2

MgO

Al2O3

MnO

FeO

Fe2O3

CaF2

P2O5

CaS

合计

元素氧化成渣量（kg）

0.857

0.318

0.588

0.329②

0.206

0.020

2.317

石灰成渣量（kg）

2.247

0.072

0.075

0.043

0.014

0.003

0.004

2.460

炉衬蚀损成渣量（kg）

0.004

0.009

0.236

0.004

0.005

0.258

生白云石成渣量（kg）

0.910

0.020

0.640

0.025

1.595

萤石成渣量（kg）

0.002

0.028

0.003

0.008

0.440

0.005

0.001

0.493

总渣量（kg）

3.162

0.986

0.955

0.081

0.318

0.588

0.356

0.440

0.213

0.025

7.123

44.394

13.844

13.407

1.133

4.458

8.250

5.00

6.177

2.995

0.345

100.00

*总渣量计算如下：

因为表2－8中除（FeO）和（Fe2O3）以外的渣量为：

3.162+0.986+0.955+

0.081+0.318+0.440+0.213+0.025＝6.180kg；而终渣Σ（FeO）=15%（表2－4），故总渣量为：

6.180/85.75％＝7.123kg㎏

①（FeO）量＝7.123×8.25％＝0.588kg㎏

②（Fe2O3）量＝7.123×5％－0.014－0.005－0.008＝0.329kg㎏

炉气中含有CO、CO2、O2、N2、SO2和H2O。

其中CO、CO2、SO2和H2O可由表

（2－5）～（2－7）查得，O2和N2则由炉气总体积来确定。

现计算如下：

炉气总体积VΣ：

10.039m3

式中Vg——CO、CO2、SO2和H2O诸组分之总体积，m3。

本计算中，其值为

7.564×22.4/28+2.360×22.4/44+0.009×22.4/64+0.0010×22.4/18

＝7.2571㎏

Gs——不计自由氧的氧气消耗量，㎏。

本计算中，其值为6.466m3（见表2－9）；

Vx——铁水与石灰中的S与CaO反应还原出的氧量，m3。

本计算中，其值为

0.005㎏（见表2－9）；

0.5％——炉气中自由氧含量，m3；

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