年产260万吨良坯不锈钢转炉车间的设计毕业设计.doc

毕业设计(论文)任务书 毕业设计毕业设计(论文论文)题目：题目： 年产 260 万吨良坯不锈钢转炉车间的设计 毕业设计毕业设计(论文论文)内容：内容：根据给定的铁水成分： c=4.13%、si=0.58%、mn=0.42%、p=0.22%、s=0.026%，铁水温度 1300，设计一 座年产 260 万 t 的不锈钢车间。 设计内容主要包括： 1.选择冶炼的主钢种，决定冶炼工艺流程，编制产品大纲； 2、物料及热平衡计算； 3、炉型和氧枪喷头的设计及计算，并绘制炉型图(a2)和氧枪喷头图(a2)； 4、车间主要设备的选择及计算； 5、主厂房设计及计算，并绘制车间平面布置图(a0)； 6、主钢种的主要技术经济指标； 7、编写设计说明书一份。(参考文献不少于 15 篇，其中外文文献不少于 2 篇) 专题专题(子课题子课题)题目：题目： 专题专题(子课题子课题)内容：内容： 毕业设计毕业设计(论文论文)指导教师指导教师(签字签字)： 主主 管管 教教 学学 院院 (部部) 长长(签字签字)： 2011 年年 3 月月 10 日日 年产年产 260 万吨良坯不锈钢转炉车间的设计万吨良坯不锈钢转炉车间的设计 设计说明书设计说明书 昆明理工大学昆明理工大学 学学 院：冶金与能源工程学院院：冶金与能源工程学院 专专 业：冶金工程业：冶金工程 班班 级：级： 编编 制制 人：人： 指导老师：指导老师： 时时 间：间：2011.03.0106.01 design of 2.6 million tons annual fine ingot yield stainless steel convertor steelmaking workshop design instruction booklet kunming university of science and technology institute： energy and metallurgy engineering college speciality： metallurgy engineering class： 2007(2) author： liu lingang supervisor：yin shubiao period： 2011.03.0106.01 毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明 原创性声明原创性声明 本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指 导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致 谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包 含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。 对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确 的说明并表示了谢意。 作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日 期： 使用授权说明使用授权说明 本人完全了解 大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的 规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校 有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服 务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢 利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 作者签名： 日 期： 学位学位论论文原文原创创性声明性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要 贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明 的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期： 年 月 日 学位学位论论文版文版权权使用授使用授权书权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部 或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存和汇编本学位论文。 涉密论文按学校规定处理。 作者签名：日期： 年 月 日 导师签名： 日期： 年 月 日 摘摘 要要 本设计是依据昆明理工大学冶金与能源工程学院冶金工程系本科生毕业设计任 务书和到云南天高镍业有限公司收集的全部资料来进行设计的。设计任务为“设计 一年产 260 万吨良坯不锈钢转炉车间” 。 本文设计了一座年产 260 万 t 良坯的不锈钢炼钢车间，该炼钢车间的主钢种为 304 不锈钢，根据设计给定的条件和钢种的特征，高炉铁水采用混铁车运输至脱磷 转炉，脱磷转炉所出钢水通过钢包送至 aod 转炉并兑入电炉熔化金属镍和高碳铬 铁的混合金属液进行精炼，得到的合格钢水通过钢包送至连铸跨进行连铸。根据炼 钢厂的年产量和钢种种类，设计了一座 120t 的复吹转炉(5 孔拉瓦尔氧枪喷头)、两 座 200t 的侧顶吹 aod 转炉、一台二流断面为 250mm1600mm 的板坯连铸机和一 台六流断面为 400mm400mm 的方坯连铸机。主要设计内容包括：工艺过程概述， 物料平衡计算及热平衡计算，主要设备的计算选择，炼钢车间平面布置，最后绘制 了炼钢车间平面图。 关键字：关键字：不锈钢；脱磷转炉；aod；连铸 abstract this design is based on the kunming university of metallurgy and metallurgical engineering, energy engineering graduates graduation design plan and to collect all the information which comes form yunnan tiangao nickel industry co., ltd to carrg out the design. design task: design an annual output of 2.6 million t of a good billet stainless steel converter plant. this article is designed annual output of 2.6 million t of a good billet stainless steel converter plant，the main steel is 304 stainless steel of the steel plant, under the given conditions and the characteristics of steel itself, torpedo car is used to transport hot metal to the dephosphorization converter，then the molten iron is send into the aod converter , the mixed liquid metal of high-carbon ferrochrome and nickel which is smelted by electric furnace is also send into the aod converter, and refining. only by using ladle to the casting. based on the annual production of steel mills and steel a variety of categories，two-blowing smelting system of one 120t converter and the five-hole of the spray gun of laval are being used ，two-blowing smelting system of two 200t aod converter ，department of casting has a two-flow cross-section of the slab 250mm1600mm for the continuous casting machine and a six-flow cross-section of the billet 400mm400mm for the continuous casting machine. the main design content including: material balance calculation and heat balance calculation, the calculation of major equipment selection, layout of steel-making plant, finally , steel plant plan has been drawn. keywords: stainless steel; dephosphorization converter; aod; continuous casting 目 录 摘 要. abstract 前 言.1 第一章 产品方案的规划与设计.2 1.1 产品方案的确定及金属物料平衡表.2 1.1.1 产品方案的确定2 1.1.2 金属平衡图3 1.2 合金元素对不锈钢组织(性能)的作用.4 第二章 工艺流程的选择与论证.7 2.1 转炉车间原材料供应7 2.2 脱磷转炉7 2.2.1 一炉钢的冶炼过程8 2.2.2 终点碳的控制9 2.3 aod 转炉精炼.10 第三章 冶金计算13 3.1 脱磷转炉平衡计算13 3.1.1 物料平衡计算13 3.1.2 热平衡计算19 3.3aod 转炉平衡计算23 3.3.1 物料平衡计算23 3.3.2 热平衡计算34 第四章 氧枪和转炉的设计计算.39 4.1 转炉(脱磷)设计.39 4.1.1 转炉座数和公称容量确定39 4.1.2 转炉炉型设计40 4.1.3 转炉炉衬设计43 4.2 氧枪设计44 4.2.1 喷头参数的选择44 4.2.2 喷头计算确定尺寸45 4.2.3 氧枪水冷系统47 第五章 连铸.49 5.1 连铸机分类及特点.49 5.1.1 立式连铸机.49 5.1.2 立弯式连铸机49 5.1.3 弧形连铸机49 5.1.4 椭圆形连铸机50 5.1.5 水平连铸机50 5.2 连铸机基本计算50 5.2.1 板坯连铸机的主要工艺参数的确定51 5.2.2 方坯连铸机的主要工艺参数的确定53 5.3 连铸机附属设备的选择56 5.3.1 盛钢桶的作用及尺寸计算56 5.3.2 中间包的选择57 5.3.3 结晶器59 5.4 主要经济技术指标59 5.4.1 转炉冶炼周期表59 5.4.3 转炉车间主要技术参数表60 第六章 主厂房设计计算.62 6.1 概述62 6.2 装料跨63 6.2.1 铁水的供应63 6.2.2 废钢的供应63 6.2.3 尺寸确定63 6.3 炉子跨的位置64 6.3.1 炉子跨的横向位置65 6.3.2 炉子跨纵向布置和转炉操作平台65 6.3.3 尺寸确定67 6.4aod 转炉跨.67 6.5 铸跨67 6.5 起重设备的选择70 第七章 炼钢车间烟气净化与回收72 7.1 烟气与烟尘72 7.1.1 烟气的特征72 7.2 转炉烟气净化方案选择73 7.2.1 炉口附近烟气处理方法.73 7.2.2 转炉烟气净化方法.73 总结和体会.75 致 谢.76 参 考 文 献.77 附录外文文献原文和中文翻译.78 前 言 钢铁行业是国民经济的支柱产业，是关系国计民生的基础性行业。作为原材料 工业，在国民经济中占有不可替代的地位。钢铁工业作为一个原材料的生产和加工 部门，处于产业链的中间位置。它的发展与国家的基础建设以及工业发展的速度关 联性很强。工业用钢是使用最广、用量最大的金属材料之一，在现代工农业生产中 占有极其重要的地位。一般转炉炼钢厂冶炼碳素钢，但是随着现代科学技术的发展， 对钢铁材料的性能提出了越来越高的要求，不锈钢制品因实用、耐用、美观、卫生 被越来越广泛的应用于各个领域。含铬 10.5%以上的合金称为不锈钢。不锈钢最基 本的特性是它在大气条件下的耐锈性和在各种液体介质中耐蚀性。这一特性与钢中 的铬含量有直接关系，随着铬含量的提高而增强。当铬含量达到 10.5%以上时，钢 的特征发生突变，从易生锈到不锈，从不耐蚀到耐腐蚀，而且含铬量随着铬含量的 不断提高，其耐锈性和耐蚀性也不断的提高。不锈钢的铬含量最高为 26%，更高的 铬含量已经没有必要。不锈钢区别于其它钢铁材料的重要优势有:耐腐蚀、高温度中 依然保持高的强度、光洁的外观、易于加工，焊接，成型，制作、永久无磁性，适 合于航空领域、优良的抗疲劳性和抗冲击性、耐高低温度、持久耐用。304 不锈钢， 国标 0cr18ni9,作为一种用途广泛的钢，具有良好的耐蚀性、耐热性，低温强度和机 械性能；压、弯曲等热加工性好，无热处理硬化现象(无磁性，使用温度-196 800)，因此被广泛地用于制作要求良好综合性能(耐腐蚀和成型性)的设备和机件， 例如：家庭用品(1、2 类餐具、橱柜、室内管线、热水器、锅炉、浴缸)，汽车配件 (风挡雨刷、消声器、模制品)，医疗器具、建材，化学，食品工业，农业，船舶部 件。 第一章 产品方案的规划与设计 1.1 产品方案的确定及金属物料平衡表 1.1.1 产品方案的确定 (1) 主钢种 304(标准号 gb/t)占 40% 表 1-1 主钢种 304 成分 化学成分csimnpscrni 含量(%)0.071.002.000.0350.03017 19811 力学性能：抗拉强度 b672mpa 屈服点 s(mpa)271 硬度(hv)=165 伸长率 5(%)40 应用领域：304 是一种通用性的不锈钢，它广泛地用于制作要求良好综合性能 (耐腐蚀和成型性)的设备和机件，例如：家庭用品(1、2 类餐具、橱柜、室内管线、 热水器、锅炉、浴缸)，汽车配件(风挡雨刷、消声器、模制品)，医疗器具、建材， 化学，食品工业，农业，船舶部件等。 (2) 钢种 316l(标准 gb/t)占 20% 表 1-2 钢种 316l 的成分 化学成分csimnpscrnimo 含量(%)0.0301.002.000.0350.0301618121523 力学性能：抗拉强度 b480mpa 条件屈服强度 0.2 (mpa)：177 硬度(hv)200 应用领域：牌号022cr17ni12mo2，纸浆和造纸用设备热交换器、染色设备、胶 片冲洗设备、管道、沿海区域建筑物外部用材料，以及高级手表的表链、表壳等用 途。 (3) 钢种 2205(标准 gb/t)占 15% 表 1-3 钢种 2205 的成分 化学成分csimnpscrnimo 含量(%)0.0301.002.000.0300.02022234.56.53.03.5 力学性能：抗拉强度 b640mpa 屈服点 s(mpa)862 硬度(hv)=273 延伸率：25% 应用领域：双相不锈钢 2205 合金是由 21%铬,2.5%钼及 4.5%镍氮合金构成的复 式不锈钢。它具有高强度、良好的冲击韧性以及良好的整体和局部的抗应力腐蚀能 力。2205 双相不锈钢的屈服强度是奥氏体不锈钢的两倍，这一特性使设计者在设计 产品时减轻重量。因此主要应用于以下领域：1)压力器皿、高压储藏罐、高压管道、 热交换器(化学加工工业)；2)石油天然气管道、热交换器管件；3)污水处理系统；4) 纸浆和造纸工业分类器、漂白设备、贮存处理系统；5)高强度耐腐蚀环境下的回转 轴、压榨辊、叶片、叶轮等； 6)轮船或卡车的货物箱； 7)食品加工设备。 (4)钢种 316(标准 gb/t)占 25% 表 1-4 钢种 316 的成分 化学成分csimnpscrnimo 含量(%)0.081.002.000.0350.031618.510142.03.0 力学性能：抗拉强度 b620mpa 屈服点 s(mpa)310 延伸率：30% 应用领域：316 不锈钢，18cr12ni2.5mo， 因添加 mo，故其耐蚀性、耐大气腐 蚀性和高温强度特别好，可在苛酷的条件下使用；加工硬化性优(无磁性)。 海水里 用设备、化学、染料、造纸、草酸、肥料等生产设备；照像、食品工业、沿海地区 设施、绳索、cd 杆、螺栓、螺母。 表 1-5 产品大纲 产品304316l2205316 产品所占比例(%)40201525 1.1.2 金属平衡图 炼钢厂生产的物料平衡是指某一时期进入该厂的各项原材料的量与同一时期生 产出来的合格坯(锭)量，排出的炉渣、工业垃圾、废气以及可回收的烟尘等的量所 作的平衡计算。也就是一个钢厂生产的投入与产出的平衡关系。炼钢过程消耗的原 料以金属料(钢铁原料与合金料)量为最大，所以物料平衡中宜以金属料平衡为主。 图 1-1 为年产 260 万吨合格不锈钢钢坯的金属料流程图。 260 2. 60 249. 50 2. 60 1. 00% 95. 96% 1. 00% 5. 30 2. 04% 2. 62 1. 00% 262. 63 99. 0% 3. 79 3.25 270. 75 1. 20%1. 4% 97% 0. 4% 1.08 1. 91 272. 66 99. 3% 0. 7% 5. 86 14. 66 293. 18 93. 00% 2. 00%5. 00% 262. 89 89. 67% 22. 73 7. 56 7. 75% 2. 58% 10. 34 17. 00% 0. 44 30. 00% 4. 40 70. 00% 10. 26 93. 00% 1. 00 7. 00% 0. 08 83. 00% 2. 16 图 1-1 常规弧形连铸机连铸热装工艺的金属料流程图(单位：wt/a) 1.2 合金元素对不锈钢组织(性能)的作用 不锈钢的组织是由钢的化学成分决定的。在不锈钢的化学成分中对组织的作用 分为两类。一类是奥氏体形成元素，另一类是铁素体形成元素。所谓的奥氏体就是 构成钢的基体的最小单位是晶铬，晶格中原子的排列形式是面心立方体。所谓的铁 素体，就是晶格中的原子的排列形式是体心立方晶体。因为无论是奥氏体还是铁素 体形成元素，在各类不锈钢中都或多或少同时存在，所以具体的不锈钢是什么组织 最终是由两类形成元素的比例所决定的。从下图 1-2 可以看到各元素的当量值和由 当量比所决定的组织。 图 1-2 修正的舍菲尔不锈钢组织图 镍通常用以形成并稳定奥氏体的组织。在不锈钢中多将镍和铬配合使用，以获 得奥氏体铁素体双相组织或单相奥氏体组织，使钢具有更好的耐蚀性和良好的形 变及焊接性能。 钼能增加不锈钢的耐蚀性，特别是对那些铬的钝化作用不够的还原性介质和存 在氯离子的介质。在某种情况下，钼还能够提高铬镍不锈钢的抗晶间腐蚀的能力。 铜可以提高铁素体铬不锈钢在某些还原性介质中的耐蚀性，并改变其韧性。在 奥氏体不锈钢中加铜，可显著提高其在硫酸中的耐蚀性。 锰和氮都是促进奥氏体形成的元素，因而可以代镍。但锰本身并不防蚀，不能 单独使用，只用以代替部分的镍。 碳在不锈钢中将与铬形成碳化物，含碳量越高，形成的碳化铬越多，固溶体中 的含铬量越低，钢的电极电位就越低，因此钢的耐蚀性也越低，因而不锈钢一般要 求较低的含碳量。但是，不锈钢的强度和硬度则随不锈钢的含碳量的增加而提高， 因此，用以制造要求高硬度和高耐磨性的滚动轴承、刃具、弹簧等不锈钢，其含碳 量较高，但需相应提高其含铬量(如 9cr18)。 钛和铌与碳亲和力比铬大，在不锈钢中能够优先形成碳化物，使铬能基本溶于 固溶体中，从而避免晶界贫铬，减轻晶间腐蚀倾向。 铝和硅能在钢的表面形成一层致密的氧化膜，提高钢的耐蚀性。 在不锈钢常用的合金元素中，铬、钼、硅、铝、钛、铌等是铁素体形成元素， 而碳、镍、锰、氮是奥氏体元素。 此外，s 降低钢的延展性及韧性，冲击韧性的下降最为严重 。损害钢的抗蚀性 能，造成焊热裂，气孔及疏松。p 提高钢的强度，降低塑性和韧性，碳量越高引起 的脆性越大 ，改善钢的耐磨性和耐蚀性及切削加工性能，但对焊接性能不利。si 提 高铁素体和奥氏体的硬度和强度，显著提高钢的弹性极限、屈服强度，降低钢的密 度、热导率、导电率和电阻温度系数，提高温度时钢的抗氧化性能和屈服强度、疲 劳强度降低，但硅含量高时，表面脱碳加剧，硅还会降低钢的可焊性。 第二章 工艺流程的选择与论证 根据钢种特性，设计中采用的炼钢工艺流程大致如下： 高碳铬铁、金属镍板电炉熔化 铁水供应(混铁车)脱磷转炉aod 转炉钢包连铸 下面具体地描述各个环节中采用的具体方法及其原因。 2.1 转炉车间原材料供应 转炉炼钢使用的原料包括：铁水、废钢、散装料(石灰、白云石、萤石、氧化铁 皮、铁矿石、焦炭等)和铁合金。 炼钢厂的物料运输方式包括：吊车运输、铁路运输和皮带运输。 铁水是转炉炼钢的主要原料。设计中铁水由混铁车运输至脱磷转炉进行脱磷硫 得到磷硫较低的钢水，得到的钢水经扒渣倒入炼钢钢水罐，经称量后送至 aod 转 炉跨，再用吊车，吊上钢水罐，入 aod 转炉，并兑入高碳铬铁、金属镍的热熔混 合液。 废钢由汽车运输到废钢间，废钢入炉是通过废钢槽运往装料跨装入转炉。 散装料包括生石灰、白云石、铁矿石、氧化铁皮、焦炭等。供应系统包括散装 料堆场、地下料仓、由地下料仓送往主厂房的运料设施、转炉上方高位料仓、称量 和向转炉加料的设施。散装料由成品料仓和中间仓经皮带运输至地下料仓，再由皮 带运往高位料仓。 铁合金的供应一般由炼钢厂铁合金车间、车间铁合金料仓及称量和输送设施、 向炉子加料设施等几部分组成。把铁合金自卸式料罐用汽车、火车运到主厂房炉子 跨，再用吊车卸入车间铁合金料仓，经皮带运输至高位料仓储存，经称量后由皮带 机及中间料斗加入电炉中熔化。 钢渣由渣罐车运往渣处理间。 2.2 脱磷转炉 由于 aod 转炉不能脱磷，因此入 aod 的钢水要求磷很低，脱磷转炉的主要目 的是把铁水中的磷脱的足够的低，同时脱去大部分的硫。 2.2.1 一炉钢的冶炼过程 从装料起到出钢、倒完渣为止，转炉一炉钢的冶炼过程包括装料、吹炼、脱氧、 出钢、溅渣护炉和倒渣六个阶段。一炉钢的吹氧时间设计中为 16 分钟，冶炼周期为 33 分钟。 吹炼过程中熔渣成分与钢中元素氧化、成渣情况有关。渣中 cao 含量、碱度随 冶炼时间延长逐渐提高，中期提高速度稍慢；渣中氧化铁(feo)含量前后期较高，中 期降低；渣中 sio2、mno、p2o5含量取决于钢中 si、mn、p 氧化的数量和熔渣中 其他组成含量的变化。 吹炼过程中金属升温大致分三阶段：第一阶段升温速度很快，第二阶段升温速 度趋缓慢，第三阶段升温速度又加快。出钢温度约 16501680。 装入制度是指一个炉役期中装入量的安排。装入制度有三种：定量装入、定深 装入、分阶段定量装入法。分阶段定量装入法兼有前两者的优点，是生产中最常见 的转入制度，设计中就采用分阶段定量装入。 转炉炼钢的装入量是指炼一炉钢时铁水和废钢的装入数量，它是决定转炉产量、 炉龄及其他技术经济指标的重要因素之一。在转炉炉役的不同时期，有不同的合理 的装入量。 转炉一般有底吹、顶吹和顶底复合吹。设计中采用复吹。 氧气转炉的顶底复合吹炼是指：由转炉顶部吹氧气+底部吹惰性、中性气体(或 部分氧气+石灰粉)的炼钢方法。其优点是：加强了熔池的搅拌；氧的利用率提高、 冶炼周期缩短、铁损和脱氧剂消耗降低；充分发挥顶吹易造渣的特点，实现中前期 脱磷；底部吹氩气和氮气，提高了炉底耐火材料和供气元件的寿命，克服了底吹保 护性介质 c-h 的使用，避免了钢种含 h 增高的问题。 顶吹转炉操作灵活，可以控制脱碳、脱磷同时进行，熔渣氧化性高，成渣条件 好，但熔池搅拌差，熔池成分、温度不均匀性大，容易产生喷溅和金属损失，渣中 有很高的氧化铁(feo)；底吹转炉熔池搅拌强烈，可以避免过氧化，吹炼平稳、金属 损失少，但成渣慢，且冶炼过程中，渣中的氧化铁(feo)不高，不利于石灰熔化，冶 炼初期不能形成高的氧化铁(feo)、一定碱度及流动性的炉渣；炉底耐火材料的寿命 不长，喷嘴的维护困难。复吹转炉兼有这两者的优点，同时避免了两者的缺点，且 顶底复合吹法底部吹的不是氧气而是氮气等非氧化性气体，所以既达到加强搅拌的 目的又避免了单纯底吹的底部供气元件容易烧坏的缺点。因此设计中就采用顶底复 合吹转炉。 2.2.2 终点碳的控制 本设计并未涉及终点碳的控制，但终点碳的控制是炼钢过程的一个重要技术操 作，在此略做介绍。 在转炉冶炼的过程中最重要的是终点碳的控制，那直接关系到最后所出钢水能 否达到所炼钢种的要求。终点碳控制的方法有三种：拉碳法、增碳法、高拉碳。 (1) 低增碳法 转炉炼纲终点控制方法之一。在吹炼平均含碳量0.08%的钢种时，皆采取吹到 0.05%0.06%c 时便停吹，然后按所炼钢种的规格，再在钢包中增碳。该法省去了 中途倒炉取样和校正补吹，因而生产率高；终渣好，有利于减少喷溅和提高供氧强 度；但增加废钢用量，废钢比高，且必须采用低硫、低灰分并干燥的增碳剂。 (2) 拉碳法： 转炉炼钢终点控制方法之一，即在熔池含碳量达到出钢要求时便停止吹氧。这 种方法在吹炼终点时不但熔池的硫、磷和温度等符合出钢要求，而且熔池中的碳加 上铁合金带入的碳也能符合所炼钢种的规格，不需再专门向金属追加增碳剂增碳。 该法金属收得率高、锰铁消耗少；渣中 feo 低，有利于提高炉龄；钢中气体、夹杂 含量较低。提高一次命中率是发挥拉碳法优越性的重要手段。 (3) 高拉碳法： 是指熔池含碳量达到出钢要求时停止吹氧，此时熔池中不但硫磷和温度符合出 钢温度要求，而且计入铁合金带入金属中的碳后，钢水中的碳也能符合所炼钢种的 规格要求。 “高拉碳法”控制终点，由于缩短了冶炼时间，终点钢水含氧量较低，溶于钢液 中的氢气、氮气也较少，钢液的内生非金属夹杂物少，从而减少了钢中气体对钢性 能的影响，钢水质量有明显改善。且终渣中(feo)含量较低，减少对炉衬的化学侵蚀， 对延长炉龄十分有利。但是“高拉碳法”炉内热量收入少，不利于提高废钢比。 “高拉 碳法”控制终点，冶炼时间缩短，不利于去除 p、s。 2.3 aod 转炉精炼 钢水炉外精炼又称钢水二次精炼或二次炼钢。炉外精炼是将原来在转炉里需要 完成的钢水精炼任务转移到炉外的钢包或专用容器中进行，以便更经济、更有效的 获得优质的，多品种钢水。几乎任何一种精炼工艺都需要钢水搅拌，以加速添加料 的融化与均匀化，促进渣钢反应，均匀钢水的化学成分与温度。最常用的搅拌手段 是钢水吹氩。这也是钢水连铸之前必不可少的预备处理。炉外精炼设备的种类很多， 大致分为 5 类。 (1) 简易的钢包吹氩调温、加合金装置(如喂丝装备)； (2) 具有氩气保护气氛的合金微调、喷粉精炼、吹氧化学升温等功能的钢包精装备 如 cas-ob 等； (3) 设有电极加热具有电弧炉精炼功能的钢包炉，如 lf 装备； (4) 具有真空脱碳、脱气等精炼功能的装备，如 vod、rh 等； (5) 能控制炉内气氛，具有精炼功能的特种转炉，如 aod 等。 对于不锈钢的冶炼，需要特种转炉，目前主要使用的有 aod、gog 和 vod 三 种。本设计使用的是 aod 转炉，aod 精炼法是氩氧脱碳法(argon oxygen decarburization)的简称。在精炼不锈钢时，它是在标准大气压力下向钢水吹氧的同 时，吹入惰性气体(ar，n2)，通过降低 co 分压，达到假真空的效果，从而使碳含 量降到很低的水平，并且抑制钢中铬的氧化。自 1955 年美国联合碳化物公司取得氢 氧精炼专利，并于 1968 年在乔司林公司韦堡钢厂投产第一座 15 吨 aod 炉以来， 世界上已有众多的国家先后采用了此技术。由于这种工艺与电弧炉冶炼不锈钢相比， 具有三高(产量高、质量高、铬的收得率高)和三低(投资低、成本低、劳动强度低)等 一系列优点，因此，许多国家已把 aod 法作为生产不锈钢的主要手段之一。目前 aod 炉除冶炼不锈钢外，在生产耐热钢、耐腐蚀钢、高温合金、纯铁等品种上，同 样能取得较好的冶炼效果，并已向冶炼结构钢、工具钢及特殊性能的低合金钢方面 扩展。 aod 炉的主要工艺特点如下: (1) 可以用廉价的高碳铬铁和全部返回废钢，使冶炼成本大大降低； (2) 采用电炉、aod 炉双联工艺冶炼不锈钢，电炉只承担熔化任务，因而可大 大提高电炉生产率； (3) 可以顺利生产电炉难以冶炼的超低碳(含 c5 倾角 911101313151517 由此本设计中选定五孔喷头，其倾角为 15. 喷孔间距(l间)是指喷头喷孔出口断面中心点到喷头中轴线之间的距离。它对射 流之间的相互作用也产生很大的影响。根据喷头冷态测定，当喷孔间距 l间 =(0.81.0)d出(喷孔出口直径)时，不会对氧气射流的速度衰减产生影响。 (4)喷头端面形状 对于多孔喷头由于每个喷孔几何中心线与喷头中轴线呈一定夹角，为了不使射 流流态受到影响，因此喷头端面设计成与喷头轴线的垂直平面相交的夹角为 的圆 锥面而 角正相当于喷孔倾角。 (5)喷孔的形状 超音速的拉瓦尔喷头，它由收缩段、喉口和扩展段三部分组成。收缩段入口处 的直径一般希望大于喉口直径的两倍，圆锥形喷管的喉口有一定得长度，其等截面 的长度应尽量短，一般取 210mm，设计中取 5mm。扩展段的半锥角一般为 46，设计中取 3.5。 (6)喷管流量系数 喷管氧气流量公式是根据等熵流理论导出的，但是实际上氧气流经喷管时有摩 擦，不完全绝热，因此必定存在一定的偏差，通常以喷管流量系数 cd表示实际流量 和理论流量的偏差。对于五孔喷头 cd=0.90。 4.2.2 喷头计算确定尺寸 (1)计算氧气流量。 计算出每吨钢耗氧量为 52.5m3，纯吹氧时间为 16min，出钢量按公称容量 120t 计算，则通过氧枪流量： q=394m3/min 16 120.552 (2)选用喷孔出口马赫数与喷孔数。 马赫数 ma=2.0 采用五孔喷头，喷孔拉瓦尔型，喷孔倾角 15。喷头端面形状如 下： 图 4-1 转炉氧枪喷头 (3)设计工况氧压。 当 ma=2 时，p/p0=0.1287，取 p=p膛=0.101mpa 则喷口滞止氧压为 p0=0.101/0.1287=0.790mpa，即工况氧压。 (4)计算喉口直径。 喷头每个喷孔氧气流量 q 为： q= =78.8m3/min 5 q 取 cd=0.95，t0=300k，p0=0.790mpa 根据公式 ，而 .7 喉 d po a qc to 2 d = 4 喉 喉 a 由上两式可求出 d喉=0.036m=36mm (5) 确定喷孔出口直径 根据等熵流表，在 ma=2.0 时， =1.6875，故喷孔出口直径为： 喉 出 a a d出= =47mm 喉 1.68751.687536d (6)计算喷孔扩张段长度。 取半锥角 为 3.5，则扩张段长度 l扩=90mm 出喉 - 4736 2t an2t an 3.5 dd 收缩段长度：收缩段的直径以能使整个喷头布置得下五个喷孔位原则，取收缩 段进口尺寸 d收=50mm，收缩段长度 l收=0.8d收=0.850=40mm。 收缩段半锥角， =tan-10.175=9.9 11收喉 收 (） 50-36 t ant an 2240 dd l (7)喷头五喷孔中心分布圆直径，取 d=120mm。 4.2.3 氧枪水冷系统 (1)中心氧管直径的确定 管内氧气工况流量为： q0= =55.53 m3/min =0.93m3/s， 5 标0 5 0标 1. 0132510300 394 7. 910273 pt q pt 取中心钢管的氧气流速 v1为 50m/s，则中心钢管直径为： d1= = 121m 0 1 1 0. 93 44450 q f v 根据无缝钢管产品规格选定中心钢管为 134mm6mm (2)中层钢管和外层钢管直径的确定 根据生产实践经验，选取氧枪冷却水耗量 q水=120m3/h，冷却水进水速度 v进 =6m/s，出水速度 v出=7m/s。又中心氧管外径 d1 外=134mm 进水环缝截面积 f2=0.0056m2=55.6cm2 进 水 v q 36006 120 出水环缝截面积：f3= =0.0048m2=48cm2 出 水 v q 36007 120 则中层钢管的内径为：d2 内= 2 2 1外 4 （） f d 2 455.6 13. 4 3.14 =15.8cm=158mm 取中层钢管为 170mm6mm 同理，外层钢管内径：d3 内=18.7cm=187mm 2 3 2外 4 （） f d 2 448 17.0 3.14 取外层钢管为 211mm12mm 第五章 连铸 连铸是炼钢领域发展最快的技术之一，连铸机的机型直接影响铸坯的产量、质 量、基本建设投资和生产成本。所以世界各国都非常重视对连铸机机型的研究。从 20 世纪 50 年代连铸工业化以来，经历了 20 多年的发展，连铸机型基本上完成了一 个由立式、立弯式到弧形的演变过程。连铸机主要由以下几个部分组成：钢包、中 间包、结晶器、二次冷却装置、拉坯矫直装置、铸坯切割装置、引锭装置、运输辊 道及冷床等。 5.1 连铸机分类及特点 5.1.1 立式连铸机 立式连铸机的结晶器、二冷段和全凝固铸坯是剪切等设备在一条垂直线上，因 而有利于钢水中夹杂物的上浮。铸坯各方向冷却条件较均匀，并且铸坯在整个凝固 过程中不受弯曲、矫直等变形作用，即使裂纹敏感性高的钢种也能顺利地连铸。缺 点是铸机设备高，钢水静压力大，设备较笨重，维修也不方便，安装立式连铸机需 要很高的厂房或地坑，基建费用亦高。 5.1.2 立弯式连铸机 立弯式连铸机其上半部与立式相同，而在铸坯全凝固后把铸坯顶弯 90，铸坯 沿水平方向出坯。这样既具有立式铸机夹杂物上浮条件好的优点，又比立式连铸机 高度低，而且水平出坯，铸坯定尺长度不受限制，铸坯的运送也比较方便。 立弯式一般适用于浇注断面较小的铸坯，对于大断面铸坯来说，全凝固后再顶 弯，冶金长度已经很长了，降低设备高度方面的优点已不明显。此外，铸坯在顶弯 和矫直点内部应力较大，容易产生内部裂纹。 5.1.3 弧形连铸机 弧形连铸机是目前国内外最主要的连铸机型式，分为直结晶器和弧形结晶器两 种弧形连铸机。其特点如下： (1)由于布置在 1/4 圆弧范围内，因此其高度低于立式和立弯式，这就使得它的 设备重量较轻，投资费用较低，设备安装与维护方便，因而得到广泛应用。 (2)由于设备高度较低，铸坯在凝固过程中承受的钢水静压力较小，可减少坯壳 因鼓肚变形而产生的内裂与偏析，有利于改善铸坯质量和提高拉速。 (3)弧形连铸机的主要问题在于钢水凝固过程中非金属夹杂物有向内弧聚集的倾 向，易造成铸坯内部夹杂物分布不均匀。此外，内外弧易产生冷却不均，造成铸坯 中心偏析而影响铸坯质量。 5.1.4 椭圆形连铸机 椭圆形连铸机即从结晶器向下圆弧半径逐渐变大，将结晶器和二冷段布置在 1/4 椭圆弧上，这种机型除了弧形区采用多半径，高度有所降低外，基本特点与弧形结 晶器的铸机形同。 5.1.5 水平连铸机 为了最大限度的降低铸机高度，把连铸机的主要设备均布置在水平位置上，这 种铸机称为水平连铸机。水平连铸机是高度最低的铸机，设备简单、投资省、维护 方便。水平连铸机结晶器内钢水静压力最小，避免了铸坯的鼓肚变形，中间罐与结 晶器之间是密封连接的，有效地防止钢夜流动过程的二次氧化，铸坯洁净度高，夹 杂物少，仅是弧形连铸机的 1/81/16。但这种连铸机受拉坯时的惯性力限制，所以 浇注的铸坯断面较小。 综合考虑后本设中采用弧形连铸机，下面对连铸机主要工艺参数、钢包、中间 包、结晶器等进行详细的计算选择。 本设计根据车间年产合格良坯 260 万 t，其中有板坯和方坯两种产品。因此需设 计两台连铸机。 5.2 连铸机基本计算 5.2.1 板坯连铸机的主要工艺参数的确定 (1)钢包允许最大浇注时间 tmax= 73min log0.2 0.3 g f 其中：g 为钢包容量 240t，f 质量系数，设计中取 f=10。 (2)铸坯端面 铸坯断面的形状和尺寸对连铸机的生产率有直接的影响，一般来说，在拉速相 等的条件下，断面越大，连铸机的生产能力越高，根据铸坯年产量及钢铁设计原 理表 5-3 选定板坯坯断面尺寸 2501600mm。 (3)拉坯速度 1)理论拉速：连铸机在理论上所能达到的最大拉速。 vmax= l d k 2 2 4 式中 vmax理论的最大拉速，m/min； l冶金长度，m； d铸坯厚度，mm； k综合凝固系数，一般选 2433，本设计取为 25。 2)工作拉速：是指连铸生产操作中能顺利浇铸，保证铸坯质量相对稳定的平均拉速。 一般低于理论拉速。在设计中，工作拉速主要依据经验而定，通常的经验公式是： v=，单位 m/min。 l f s 式中 f速度换算系数，设计中取 60m.mm/min； 铸坯断面周长；l s 铸坯断面面积。 所以 v=0.555m/min 1600+2502 60 1600 250 （） (4)弧形半径 r0.5= 8.33m d 式中，铸坯表面允许的伸长率主要取决于钢种、铸坯温度及对铸坯表面质 量的要求等。一般=1.5%2.0%。本设计取 1.5%。 按经验式：r=kd= 40250=10m 式中 k 为系数，一般取 3545，大型板坯取 k=4045，本设计取 40。 (5)连铸机的流数：每台连铸机同时浇注的铸坯根数称为它的流数。 n=1.982 流 t g f 其中：g 为钢包容量 240t，t 钢包浇注时间取 69min，f 铸坯断面面积,m2; 该 断面的工作拉速,m/min; 铸坯密度，设计中取 7.93t/m3 。 (6)铸坯的液相深度：是指从结晶器液面到铸坯全部凝固点的长度。 l1=13.875m 22 22 2500.555 44 25 d v k 可见，液相深度与拉速成正比，与冷却强度成反比。 (7)冶金长度：从本质上讲，根据最大拉速计算出来的液相深度就等于冶金长度，但 是在设计时，不仅要考虑连铸机可能达到的最大拉速和最大的铸坯厚度，而且 还要考虑到在投产后连铸技术的发展，应有进一步提高拉速的可能性，因此，往往 使连铸机的冶金长度大于铸坯的液相深度。连铸机冶金长度 l 的计算式为： l，根据 l1=13.875m，可取 l=15m，则 2 max 2 4 d v k vmax=0.6m/min。(8)连铸机生产能力的确定l d k 2 2 4 2 2 4 25 15 250 1)连铸浇注周期计算 t=t1+nt2 其中 t1 准备时间，指从上一连铸炉次中间包浇完至下一连铸炉次开浇的间 隔，设计中取 20min，n 平均连浇炉数取 5； t2单炉浇注时间，指从中间包开浇至浇完的时间； t2= = 65min 其中 b 为铸坯宽度，m；d 铸坯厚度，m；n 流数，铸坯密度，t/m3 ,取 7.93；v 工作拉速,m/min； 所以 t= t1+nt2=20+565=345min 2)连铸机的作业率 连铸机的作业率一般板坯取 80%。 3)连铸坯收得率 设计中连铸坯的收得率取 97%。 4)连铸机的产量 连铸机的理论小时产量 q=60nbdv 式中：b 铸坯宽度，d 铸坯厚度，n 流数， 铸坯密度，v 工作拉速。 解得 q= 211.255 t/h 连铸机的平均日产量 a= =4049 t/d n 1440 g y t 连铸机的平均年产量 p1=365a=118.3 万 t/a g bd vn 5.2.2 方坯连铸机的主要工艺参数的确定 (1)钢包允许最大浇注时间 tmax= 73min log0.2 0.3 g f 其中 g 为钢包容量 240t，f 质量系数，设计中取 f=10。 (2)铸坯端面 铸坯断面的形状和尺寸对连铸机的生产率有直接的影响，一般来说，在拉速相 等的条件下，断面越大，连铸机的生产能力越高，根据铸坯年产量及钢铁设计原 理表 5-3 选定板坯坯断面尺寸 400400mm。 (3)拉坯速度 1)理论拉速：连铸机在理论上所能达到的最大拉速。 vmax= l d k 2 2 4 式中 vmax理论的最大拉速，m/mi