毕业设计（论文）-拟建年产75万吨良坯的特钢厂设计（全套图纸）

University of Science and Technology Liaoning 毕业设计书毕业设计书 题 目：拟建年产 75 万吨良坯的特钢厂 专 业： 冶金工程. 班 级： 2012-A2 学生姓名： 迟 指导教师： 2016 年年 4 月月 16 日日 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 I 页 摘 要： 根据要求设计一座年产钢量 75 万吨的电炉炼钢厂。设计人员计划生产优质 碳结钢（轴承钢，齿轮钢），不锈钢。钢厂精炼设备主要有 VD 炉、LF 炉、VOD 炉， 并且采用连铸的铸造模式来生产成品板坯。本文中主要设计电炉槽出钢相关 尺寸参数，以及与之配套的精炼设备，连铸设备处理能力的确定。 关键词：电弧炉炼钢；槽出钢；不锈钢；优质碳结钢 全套图纸，加 153893706 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 II 页 Abstract: Designed according to an annual amount of 750,000 tons of steel in an electric furnacesteelworks. Designer plans to produce high- quality steel (bearing steel, gear steel), stainless steel. Mills refining equipment are VD furnace, LFfurnace, VOD furnace,continuous casting and casting models to produce finished slabs. This paper mainlyelectric furnace design parameters related to size, as well as determine accompanyingrefining equipment, castingmachine equipment processing capability. Keywords: EAF steelmaking; Spout; stainless steel; high- quality carbon structural steel 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 I 页 目录目录 1 绪论 1 1.1 生产规模和所用设备及原材料、能源 1 1.1.1 生产规模 . 1 1.1.2 主要原材料 1 1.2 生产流程 . 1 1.2.1 该生产流程特点 . 1 1.2.2 工艺流程图 2 1.3 环保节能措施 2 1.4 电弧炉工艺过程简介 3 1.4.1 原材料的收集 . 3 1.4.2 冶炼前的准备工作 3 1.4.3 熔化期 . 4 1.4.4 氧化期 . 4 1.4.5 还原期 . 4 2 电炉厂的设计 5 2.1 电炉座数的确定 5 2.2 100t 电弧炉炉型的设计 . 5 2.2.1 熔池的形状 6 2.2.2 熔池尺寸计算 . 6 2.3 熔炼室尺寸 . 8 2.3.1 熔炼室直径 D 熔 8 2.3.2 熔炼室高度 H1 . 8 2.3.3 炉顶高 h3 . 8 2.3.4 熔炼室上缘直径 D1 9 2.4 炉衬及厚度（）的确定 9 2.4.1 炉壳及厚度 10 2.4.2 炉门尺寸的确定 . 10 2.4.3 出钢口和流钢槽 . 10 2.5 变压器功率和电参数的确定 . 11 2.5.1 变压器功率的确定 11 2.5.2 电压级数 11 2.5.3 电极直径（d 电级） . 12 2.5.4 电极心圆直径（d 三极心） 13 2.6 钢包尺寸 . 13 3 连铸 16 3.1 选择连铸的原因 16 3.2 连铸机主要设计参数的确定 . 16 3.2.1 钢包允许浇注时间 16 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 II 页 3.2.2 铸坯断面 17 3.2.3 拉坯速度 17 3.2.4 结晶器长度 H . 19 3.2.5 冶金长度（液芯长度） . 19 3.2.6 曲率半径 20 3.2.7 冷却区长度 21 3.2.8 连铸机的流数 . 21 3.2.9 连铸机生产能力的计算 . 22 3.2.10 连铸机年作业率() . 23 3.2.11 连铸机的年产量(Ya) . 24 3.2.12 最高日产量及最高日浇铸炉数 . 24 4 车间布置 26 4.1 电炉车间工艺布置 . 26 4.1.1 车间的组成 26 4.2 各跨间的布置方式 . 26 4.2.1 整体采取紧凑式布置车间 26 4.2.2 原料跨 . 27 4.2.3 炉子跨 . 27 4.4.4 连铸跨 . 28 4.4.5 出坯精整跨 28 致谢 29 参考文献 . 30 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 1 页 1 绪论 1.1 生产规模和所用设备及原材料、能源 1.1.1 生产规模 年产优质钢 75 万吨，主要生产设备及辅助设备包括 100 吨电弧炉，年处理 能力 75 万吨的 LF 炉一座，年处理能力 75 万吨的 VOD 炉一座。产品方案：年产 优质碳结钢、不锈钢。 1.1.2 主要原材料 废钢、铁。燃料：电热。经过处理的地下水。 1.2 生产流程 1.2.1 该生产流程特点 生产方法采用电弧炉炼钢方式，以及炉外精炼的 LF、VD、VOD 炉，同时直接 进入连铸车间进行连铸板坯的生产。工艺流程上，因为本身是电炉冶炼，即采用 废钢电炉炼钢流程（短流程），这种流程的优点是流程短、设备布置和工艺衔 接紧凑、投入产出快；同时短流程这种一对一的生产作业线还具有投资省、建设 周期短、生产能耗低、操作成本低、劳动生产率高、占地面积小、环境污染小的 优点，尤其是二氧化碳的排放量仅为长流程的 1/3 左右。对于短流程，工艺流程 主要采用两种模式： 冶炼优质碳结钢、齿轮钢、轴承钢，采用电炉LF 炉 VD连铸，电炉LF 炉RH连铸。冶炼不锈钢，采用电炉（槽出钢）VOD （LF 炉）连铸，电炉（槽出钢）AOD（LF 炉）连铸，电炉（槽出钢） AODVOD（LF 炉）连铸1。（其中 VD 同 VOD 炉为同一设备替换使用，操 作按相应规范进行。） 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 2 页 1.2.2 工艺流程图 石灰 废钢铁料 生铁 预热通道 铁合金、石灰、萤石 废钢预热 高位料仓 除尘 烟气 电炉炼钢 钢渣 翻渣跨 精炼 炉渣处理 连铸机 弃渣场 连铸坯 热送调整 冷送 轧钢 图 1.1 电炉炼钢工艺流程图 1.3 环保节能措施 环保方面采取多重处理之后确保排放物符合国家标准之后排放； 有用的液体 废料采取初步处理之后沉淀，循环使用；废气主要以干法除尘为主，以减少厂内 用水量；固体废物如铁皮，灰尘等，因为其中有较高的铁含量，可作为辅助原料 或统一存放之后送至其他高炉钢厂使用。 在厂房内的各个危险区域设置醒目的警 告标志，同时工厂工人强制佩戴劳动保护设备。除尘的方式采用电炉炉盖第四孔 排烟加屋顶烟罩，同时厂房局部密闭(象屋)，这种方式除尘效果较好，而且减少 对其它作业区的噪音影响。 本设计中也采用这种方式，并在烟气量上考虑将来 铁水热。节能措施采取废钢入炉前预热的方式，采用电弧炉及其他精炼炉工作所 产生的高温废气来预热废钢，达到节能的目的。废气排放之前采用余温、余压发 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 3 页 电。钢厂所用冷却水可用来供暖，以及热水间洗浴等2。 1.4 电弧炉工艺过程简介 电弧炉炼钢从整体可分为原材料的收集、冶炼前的准备工作、熔化期、氧化 期和还原期五大阶段。 1.4.1 原材料的收集 废钢是电弧炉炼钢的主要材料，废钢质量的好坏直接影响钢的质量、成本和 电炉生产率，因此，对废钢有如下几点要求： 废钢表面应清洁少锈，因废钢中沾有的泥沙等杂物会降低炉料的导电性 能，延长熔化时间，还会影响氧化期去磷效果以及侵蚀炉衬。废钢锈蚀严重或沾 有油污时会降低钢和合金元素的收得率，增加钢中的含氢量。 废钢中不得混有铅、锡、砷、锌、铜等有色金属。铅的密度大，熔点低， 不溶于钢液， 易沉积在炉底缝隙中造成漏钢事故。 锡、 砷和铜， 易引起钢的热脆。 废钢中不得混有密封容器，易燃、易爆物和有毒物，以保证安全生产。 废钢化学成分应明确，硫、磷含量不宜过高。 废钢外形尺寸不能过大(截面积不宜超过 150mm150mm，最大长度不宜超 过 350mm)。生铁在电弧炉炼钢中，一般被用来提高炉料的配碳量，通常配入量 不超过炉料的 30%。 1.4.2 冶炼前的准备工作 配料是电炉炼钢工艺中不可缺少的组成部分， 配料是否合理关系到炼钢工人 能否按照工艺要求正常地进行冶炼操作。合理的配料能缩短冶炼时间。配料时应 注意： 一是必须正确地进行配料计算和准确地称量炉料装入量。二是炉料的大小 要按比例搭配，以达到好装、快化的目的。三是各类炉料应根据钢的质量要求和 冶炼方法搭配使用。四是配料成分必须符合工艺要求。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 4 页 1.4.3 熔化期 在电弧炉炼钢工艺中，从通电开始到炉料全部熔清为止称为熔化期。熔化期 约占整个冶炼时间的一半左右，耗电量占电耗总数的 2/3 左右。 主要分为四个阶段：启弧阶段、穿井阶段、电极上升阶段、熔化末了阶级。 熔化期的主要任务是熔化炉料，但是在熔化期也是造好炉渣的重要操作内 容， 如果仅为满足覆盖钢液及稳定电弧的要求， 只需 1%1.5%的渣量就已足够了， 但从脱磷的要求考虑，熔化渣必须具有一定的氧化性、碱度和渣量。 1.4.4 氧化期 （1）氧化期的主要任务，继续氧化钢液中的磷；去除气体及夹杂物；使钢 液均匀加热升温，氧化末期达到高于出钢温度 1020。 （2）氧化期操作要点 熔清后取样及测温(温度不低于 1550)。氧化、测温符合要求，渣况 良好即可分批加矿，每批加矿石量不得超过料重的 1.0%2.0%，每批间隔时间需 大于 5min。脱碳速度(V)每小时大于或等于 0.06%；调整渣况。期中取样 分析及控制终点碳。温度控制。净沸腾。扒渣。增碳。 1.4.5 还原期 氧化期扒渣完毕到出钢这段时间称为还原期。主要任务是脱氧、脱硫、控制 化学成分、调整温度。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 5 页 2 电炉厂的设计 2.1 电炉座数的确定 在进行电炉炉型设计之前首先要确定电弧炉的容量和座数， 它主要与车间的 生产规模，冶炼周期，作业率等因素有关。 在同一车间，所选电炉容量的类型一般认为不超过两种为宜。座数也不宜过 多，一般设置一或二座炉子。为了确定电炉的容量和座数，首先要估算每次出钢 量 q： y Q q 36524 =(2.1) 式中 Q车间产品方案中确定的年产量，吨； 冶炼周期，小时； 作业率， 年 作 业 天 数 100% 年 日 历 天 数 = 一般 9094； y良坯收得率 ，连铸一般 9596%； 然后根据估算出的每次出钢量来选择电炉容量和座数。 要使车间各个电炉每 次出钢量的总和稍大于或等于 q。 已知车间年产量 Q=75 万吨，冶炼周期 60min，年作业天数 329 天即作业率 90%，均采取连铸方式故良坯收得率 95%，根据相关计算每次出钢量为 100t，因 此选择 100t 级电弧炉。 2.2 100t 电弧炉炉型的设计 设计出的电弧炉要求具有如下特点：具有较高的生产率，同时电能、耐材和 电极消耗低，满足多钢种冶炼时冶金反应的要求。 熔池的形状和尺寸：电弧炉的大小以其额定容量（公称容量）来表示，所谓 额定容量是指新设计的电炉熔池所能容纳的钢水量。实际生产过程中，随着熔炼 炉数的增多，熔池容积逐渐增大，装入量或者出钢量也就不断增加。这样就出现 了超装问题，一般认为以超装 2050为宜，不宜超装太多，大炉子基本上不 超装。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 6 页 熔池：容纳钢液和熔渣的那部分容积。熔池的容积应能足够容纳适宜熔炼的 钢液和熔渣，并留有余地。 图 2.1 炉型及各部位尺寸 2.2.1 熔池的形状 其形状应有利于冶炼反应的顺利进行，砌筑容易，修补方便。目前使用的多 为锥球型，上部分为倒置的截锥，下部分为球冠（如图 2.1所示）。球冠型炉底 使得熔化了的钢液能积蓄在熔池底部，迅速形成金属熔池，加快炉料的熔化并及 早造渣去磷。 截锥型炉坡便于补炉， 炉坡倾角 45， 其优点： 45角叫自然锥角， 砂子等松散材料堆成堆后的自然锥角正好是 45。当用镁砂补炉时利用镁砂自然 滚落的特性，可以很容易地使被侵蚀后的炉坡得到修补，恢复原状；出钢时炉 子倾斜 3545能顺利出净钢水。 2.2.2 熔池尺寸计算 熔池容积 V池 根据定义： 池= 液+ 渣 液= T/液 285.140 . 7/100= m3(2.2) 熔 壳 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 7 页 式中：T出钢水量 液钢水密度 6.87.0t/m3 渣= 渣 渣 75. 1/47= m3 (2.3) 式中： G渣按氧化期最大渣量计算，钢液量的 7%（碱性） 渣34t/m3 池= 液+ 渣=14.285+1.75=16.035m3 (2.4) 熔池直径 D（渣面直径）和深度 H 之比 D/H； 在计算熔池直径 D 和深度 H 之前，首先要确定一个合适地 D/H 值。在熔池 容积一定的条件下，D/H 大，则熔池浅。熔池容积一定，熔池越浅，熔池表面积 越大，即钢、渣界面积越大，有利于钢渣之间的冶金反应，因此，希望 D/H 大 一些。但是 D/H 太大，则熔池直径和熔炼室直径都增大，于是炉壳直径增大， 导致 D壳太大，炉壳散热面积增大，电耗也增大，所以 D/H 又不能太大。 如果 D/H 太小，熔池太深，钢液加热困难，温度分布不均匀性大，也是不 利于在氧化期应对金属进行良好的加热， 相对的要使熔池中的金属进行强烈沸腾 搅拌，使金属成分和温度均匀。 当选定炉坡倾角 45 时，一般取 D/H=5较合适。 由截锥体和球冠体的体积计算公式可知，熔池的计算公式为： V池=) 4 3( 6 )( 12 2 1 2 1 22 2 h d hddDDh+ (2.5) 式中 h1球冠部分高度，一般取 h1=H/5； h2截锥部分高度，h2=H- h14/5H； D熔池液面直径，通常采取 D/H=5,即 D=5H； d球冠直径，,因 d=D- 2h2=5H8/5H=17/5H 代入上式，整理后得： V池=12.1H=0.0968Dm3(2.6) 利用上式可求出 H 和 D 值。 综上所诉，可求出熔池深度1098 1 .12 035.16 1 .12 V H 3 3 池 mm 熔池液面直径54920968 . 0 035.160968 . 0 33 池 VD =mm 球冠部分高度 h1=H/5=219.6mm 截锥部分高度 h2=4/5H=878.4mm 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 8 页 球冠直径 d=17/5H=3733.2mm 2.3 熔炼室尺寸 熔炼室指熔池以上至炉顶拱基的那部分容积， 其大小应能一次装入堆比中等 的全部炉料。 2.3.1 熔炼室直径 D熔 炉坡与炉壁交接处的直径， 为了防止钢液沸腾时炉渣冲刷炉壁砖或炉渣到达 炉坡与炉壁砖交界处（薄弱处），炉坡应高于炉门坎（渣面与炉门坎平齐）约 100mm，即当选定炉坡倾角为 45 时： D熔D2100=5492+2100=5692mm (2.7) 2.3.2 熔炼室高度 H1 金属炉门坎至炉顶拱基的空间高度为熔炼室高度。 炉衬门坎较金属门坎高出 80100mm。 从延长炉盖寿命和多装轻薄料考虑，希望熔炼室高度 H1大些，因为增大熔 炼室高度 H1，炉盖距电弧和熔池面距离远，炉盖受到的辐射热相对少一些，炉 盖寿命长， 另外， 熔炼室高度 H1大， 装轻薄料多。 但是如果熔炼室高度 H1太大， 在导致炉壳散热面积大电耗多的同时，也会使电极增长从而电阻增大。 经验值 H1/D=0.440.40 40T 炉子 可取 H1/D=0.40 即 H1=0.405492=2196.8mm 2.3.3 炉顶高 h3 炉顶高度 h3与熔池室直径 D 有如下关系： 9 1 3 熔 D h (2.8) h3=5692/9=632.444mm 至此，渣面至炉顶中央高度 H2H1h3=2196.8+632.44=2829.24mm(2.9) 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 9 页 2.3.4 熔炼室上缘直径 D1 一般熔炼室要设计成上大下小倾斜形的，即 D1D熔，炉壁上部薄下部厚， 这样形状的熔炼室增加了炉壁的稳定性，炉壁较稳固，并且容易修补，同时使熔 炼室的容积增大，可多装轻薄料。另外下部的炉衬接近于炉渣，侵蚀快些，炉衬 下厚上薄可以使整个熔炼室炉衬寿命趋于均匀。 其炉墙内侧倾斜度，一般为炉坡水平面至拱基高度 （H1100）的 10%；所以 D1=D熔+2（H1100）10%(2.10) =5692+22096.810%=6111.36mm 2.4 炉衬及厚度（）的确定 炉衬组成：炉壳石棉（100mm）绝热层工作层。 炉壁衬砖厚度通常按耐火材料热阻计算确定， 计算依据的条件是炉壳在操作 末期被加热的温度不大于 200，以免炉壳变形。一般而言，增加炉衬厚度，炉 壳受热及热损失可以减少，这在一定限度内是正确的，但是炉衬厚度 增加与热 损失减少并非线性关系，厚度 达到一定值以后，再增加炉衬厚度 ，热损减少 不显著，反而因为厚度 增加过大，而增加炉壳直径 D壳，耐材消耗增加，散热 面积增加，所以比较经济的办法是选择优质材料，使用较薄的炉衬。 表 2.1 炉顶砖厚度（） 吨位 20t 1040t 40t （mm） 230 300 350 表 2.2 炉壁部位厚度 吨位 40t 工作层 230 345 460 绝热层 75 75 75 炉底部位 总厚度近似等于熔池深度 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 10 页 2.4.1 炉壳及厚度 炉壳要承受炉衬和炉料的重量，抵抗部分衬砖在受热膨胀时产生的膨胀力， 承受装料时的撞击力。 炉壳厚度 z一般为炉壳直径 D壳的 1/200，即： z= 200 壳 D (2.11) 表 2.3 炉壳厚度 z与炉壳直径 D壳的关系 D壳（m） 6 z (mm) 1215 1520 25 2830 有了 和 z就可以求出 D壳。 取 =535mm，根据 2（工作层+绝热层+石棉）+2z+D熔=D壳 z=30mm D壳=7022mm 2.4.2 炉门尺寸的确定 一般电炉设一个加料炉门和一个出钢口，他们处于相对位置。 确定炉门尺寸要考虑下列因素： 应便于顺利观察炉况，能良好的修补炉底和整个炉坡，采用加料机加料的炉 子，料斗应能自由出入，能顺利取出折断的电极。 炉门尺寸的经验值： 炉门宽度=（0.250.3）D熔=0.35692=1707.6mm 炉门高度=0.8炉门宽度=1366.08mm 为了密封，门框应向内倾斜 812 2.4.3 出钢口和流钢槽 出钢口位置：出钢口下缘与炉门坎平齐或高出 100150mm。出钢口为一个 圆形孔洞，其直径为 120150mm。 流钢槽：外壳用钢板或角钢做成，其断面为槽形，固定在炉壳上焊成，内衬 凹形预制砖（称流钢槽砖）。为了防止打开出钢口以后钢水自动流出，流钢槽上 翘，与水平面成 1012 的角。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 11 页 流钢槽长度取决于电炉在车间的布置方式及出钢方式， 对于纵向或高架式布 置同跨出钢的可以短一些，以减少钢水散热和二次氧化，一般一米以下；对于横 向地面布置，异跨出钢的应长些，一般两米以上。 2.5 变压器功率和电参数的确定 2.5.1 变压器功率的确定 电炉的生产率决定于炉子的容量，变压器的功率，电炉全年的工作天数，冶 炼周期，电效率和热效率。影响炉子工作的因素很多，目前，电炉利用系数以 1000 千伏安变压器功率昼夜的合格钢产量定为炉子生产率的标准。 确定变压器功率的目的是为了选择与电炉容量相匹配的变压器。 变压器功率 的确定是一个比较复杂的问题， 它受炉子的容量， 冶炼时间， 炉衬材质、 电效率、 热效率等许多因素的影响、为了简化计算，把变压器功率与炉壳直径 D壳联系起 来，抛开其它影响因素。研究发现变压器功率与炉壳直径 D壳存在如下关系。当 炉壳直径 D壳已知时，可用下面的经验公式选择变压器的额定功率。 P视= 32. 3 110 壳 D (2.12) 式中：P视变压器视在功率（KVA）； D壳外炉壳外径（m）； 额定装量时的熔化时间（h）。 电炉熔化期约占整个冶炼周期的一半左右，因此取 =0.5h 同时 D壳外=7.022m 则 P视=129124.774KVA=129MVA 根据实际生产，以及供电设备等越来越先进，同时还有其他冶炼时间，电 效率等的影响，实际所用变压器视在功率可为 P视=90MVA。 2.5.2 电压级数 为了满足冶炼工艺的要求，在各冶炼期采用不同的功率供电，如熔化期采用 最高功率及最高二次电压供电，在精炼期使用较小功率及低电压供电。在功率要 求一定时，工作电压提高，可以减小电流，因而可提高功率因数 cos 和电效率 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 12 页 电，为此变压器要设置若干级二次电压。首先选最高一级的二次电压，其经验 公式为： v672153= 视 PU(2.13) 电压级数取决于最高二次电压和各冶炼期对供电的要求。 一般如下表，表 2.4： 表 2.4 最高二次电压与电压级数的关系 最高二次电压 （V） 200250 250300 320400 400 电压级数 24 46 68 818 因此选取电压级数为 10 改变二次电压通过改变变压器高压侧线圈匝数及其接线法来实现。 二分之一 用高压绕组三角形联接获得，另一半用星形联接获得。 2.5.3 电极直径（d电级） 电极是将电流引入熔炼室的导体，当电流通过电极时，电极会发热，此时会 有 8左右的电能损失。 当功率一定时：电极直径减小，电极上的电流密度 I/S 增大，电能损失增大。 电极直径增大，电极上的电流密度 I/S 减小，电能损失减小，因此希望电极直径 大点。但是电极直径太大，电极表面热量损失增加，所以电极直径不能太大，应 有一个合适的值，以保证电极上的电流密度在一定范围内，根据经验，电极直径 可按下式确定： 电极 d )(948.104 1 . 2 001 . 0 4029.77323406 . 0 406. 0 3 2 3 2 cm K I = = (2.14) 根据实际生产条件选择石墨电极直径 600mm 式中：石墨电极 500oC 时电阻系数，比电阻 m； m/mm10 2 石墨 ； K系数，对石墨电极 K=2.1 W/cm2 I电极上的电流强度 A； 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 13 页 A U P I4029.77323 6723 900001000 3 1000 = = 视 (2.15) 式中：U最高二次电压； 2.5.4 电极心圆直径（d三极心） d三极心：过三个电极极心的圆周直径。 d三极心过小，三根电极彼此靠的比较近，电极距离炉壁远，对炉壁寿命有利； 但是， 炉坡上的炉料难熔化， 熔池加热不均匀， 炉顶中心结构强度差， 容易损坏， 并且电极把持器上下移动困难。如果电极芯圆直径 d三极心太大，电弧距炉壁近， 加剧炉衬的损坏。 电极心圆直径的经验值为： d三极心（0.250.3）D熔=0.35692=1707.6mm (2.16) 式中 D熔熔池直径 表 2.5 总结归纳电弧炉各相关参数 型号 额定容 量（t） 最大容 量（t） 变压器容 量 （KVA） 熔 池 体 积（m3） 炉 壳 直 径 （mm） 炉 膛 直 径 （mm） 二 次 电 压（V） HX100 100 110 129124 16.035 7022 5692 440 180 十三 级以上 2.6 钢包尺寸 盛钢桶容纳钢水量 盛钢桶的额定容量为 P=100t，一般应考虑用 10%左右的超装余量，则钢桶 内钢水实际容量为：P+0.1P=1.1P=110t 盛钢桶内渣量 出钢时一般将炉内渣量全部或绝大部分随钢水倾入盛钢桶。采用留渣出钢 外， 但留渣出钢操作时在钢桶中要新加渣料熔融成新渣层覆盖。渣量一般为金属 量的 35%，设计时取较大比例为 15%。即留渣量为：1.1P0.15=0.165P =18.15t 盛钢桶的容积 根据盛钢桶实际容纳金属液与熔渣量计算容积。钢液比容取 0.14tm / 3 ，熔 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 14 页 渣比容取 0.28tm / 3 。 因此，钢与渣的总体积即钢桶容积应为：0.141.1P+0.280.165P=0.20P 3 m， 若采用 D/H=1，锥度为 15%，则盛钢桶下部内径：DHDDH85. 015. 0= 盛钢桶的容积按圆锥台计算： ) 444 ( 3 22 HH DDDDH V +=(2.17) 将DDDH H 85. 0,=代入上式得： 3 673. 0DV = 又因钢与渣总体积为 0.20P，故PD20. 0673. 0 3 =。 综合上面等式得上部内径与额定容量之关系式为 3/13/1 667. 0) 673. 0 20. 0 (P P D=，从而可得出盛钢桶基本尺寸与容量的关系式如 下： mPD19. 3667. 0 3/1 = mPH19. 3667. 0 3/1 = mPDH38 . 2 567 . 0 3/1 = 从而可得出 333 85.2119. 3673. 0673. 0mDV=。 盛钢桶砖衬厚度 盛钢桶砖衬包括保温层与耐火工作层，一般砌筑总厚度为 100250mm。工 作层砌砖有多种形式，除列入标准的盛钢桶衬砖砖型外，可针对专用盛钢桶依据 其锥度、直径、高度等参数设计砖衬。 钢桶桶壁厚度约等于：mDJb22 . 0 19 . 3 07 . 0 07 . 0 = 盛钢桶桶底砖衬的厚度一般砌成 170300mm，再用经验公式计算其大致厚 度：mDJd32 . 0 10 . 0 = 最后，综合两者取平均值为 3000mm。 盛钢桶外壳 桶壁一般用 1428mm，桶底用 1835mm 厚钢板焊制。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 15 页 则：桶壳壁厚：mD b 032 . 0 01 . 0 =综合取其尺寸为 40mm。 桶壳底厚：mD d 038 . 0 012 . 0 =综合取其尺寸为 40mm。 已求得钢桶内部尺寸、 砖衬厚度、 钢壳厚度之后， 便可求出外壳的外部尺寸。 外壳内高： mDDDJHH d 51 . 3 19 . 3 1 . 11 . 11 . 0 1 =+=+= 外壳全高：mDJHH dd 55 . 3 19 . 3 112 . 1 112 . 1 2 =+= 外壳上部内径：mDDDJDD b 64 . 3 14 . 1 07 . 0 22 1 =+=+= 外壳上部外径：mDDDJDD bb 70 . 3 16 . 1 01 . 0 214 . 1 22 2 =+=+= 外壳下部内径：mDDDJDD bH 16 . 3 99 . 0 07 . 0 285 . 0 2 3 =+=+= 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 16 页 3 连铸 3.1 选择连铸的原因 连铸具有以下特点简化生产工序； 提高金属的收得率； 节约能量消耗； 改善劳动条件，易于实现自动化；铸坯质量好。 综合各因素考虑采用弧形连铸机 特点：弧形连铸机的结晶器是弧形的，二冷区夹辊安装在四分之一圆弧内， 铸坯在垂直中心线切点位置被矫直，然后切割成定尺，从水平方向出坯，因此， 铸机的高度基本上等于圆弧半径。这种连铸机的主要特点是： 由于它布置在 1/4 圆弧范围内，因此，它的高度比立式、立弯式要低，这 一特点使它的设备重量较轻，投资费用较低，设备的安装和维护方便，因而得到 广泛应用。 由于设备高度较低，铸坯在凝固过程中承受的钢水静压力相对较小，可减 小坯壳因鼓肚变形而产生的内裂和偏析，有利于改善铸坯质量和提高拉速。 弧形连铸机构主要问题是钢水在凝固过程中非金属夹杂物有向内弧侧聚 集的倾向，易造成铸坯内部夹杂物分布不均匀，另外，由于内、外弧形冷却不均 匀，容易造成铸坯中心偏析而降低铸坯质量。 3.2 连铸机主要设计参数的确定 连铸机的设计参数是决定设备性能和总体尺寸的基本因素， 这些设计参数包 括：钢包允许浇注时间、铸坯断面、拉坯速度、冶金长度、铸机曲率半径和流数。 3.2.1 钢包允许浇注时间 为了使钢包内的钢液不致因散热太多而形成包底凝壳， 又能充分发挥其延长 浇注时间的潜力，保证浇注的顺利进行，必须适当地确定不同容量的钢包允许浇 注时间。 克伦纳及塔尔曼经验公式 66min11 0.3 0.2-2 f 0.3 0.2lgG Tmax= = (3.1) 式中 Tmax 钢包允许的最长浇注时间(min) 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 17 页 G 钢包的容量(t) 质量系数，要求严格的钢种 10，要求较低的 16，的差别 在于对浇注温度的控制要求不同，对于质量要求高的低温浇铸钢种，钢液过热度 小，Tmax必然短，反之过热度可大一些，浇注时间可延长。 查阅相关资料根据实际条件采用容量 100t 的钢包进行 66 分钟的浇铸。 表 3.1 不同容量钢包所允许的浇注时间（min） 钢包容量（t） 20 30 50 60 70 120 130 300 允许浇 筑时间 （min） 由经 验公 式计 算 - 42 50 53 55 63 64 76 实际 国内 40 45 60 70 - - - - - - - - - - 实际 国外 - - 40 45 50 60 - - 75 90 120 设计 推介 24 26 28 32 40 50 45 50 50 70 75 70 80 120 3.2.2 铸坯断面 铸坏断面尺寸及其冷态时的尺寸表示、称铸坯断面的公称尺寸。 铸坯断面的形状和尺寸主要根据铸坯的用途来确定，当铸坯供轧制钢材用 时， 它是根据轧钢机对坯料的要求确定，同时也要考虑到目前弧形连铸机所能浇 铸的实际断面尺寸以及对铸坯质量的影响。 因实际生产要求采取生产矩型坯的连铸机，连铸坯断面尺寸规格为 120600mm2。 3.2.3 拉坯速度 拉坯速度(简称拉速)以铸机每一流每分钟拉出的铸坯长度(m)来表示。拉速 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 18 页 是设计连铸机的重要参数之一，在铸坯断面确定之后，拉速对连铸机的生产能力 起决定作用。国外也有用浇注速度这一概念的，浇注速度以铸机每一流每分钟浇 注的钢水量(t)来表示。拉速愈大，铸机的生产能力就愈大，但它有一定限度，因 为钢水的凝固速度限制了铸坯出结晶器时的坯壳厚度，拉速愈高，坯壳越薄，易 产生过大变形甚至漏钢。同时又会造成铸坯内部的疏松和缩孔，使质量变坏。在 一定的工艺条件下，为得到最好的经济效果，在寻求最佳拉速时，必须满足两个 最基本的要求；一是铸坯出结晶器下口时具有一定的坯壳厚度，以防过大变形和 拉漏；二是铸坯内、外部质量良好。 理论拉速 结 结 2 2 (min)(3.2) 结 铸坯在结晶器内的停留时间(min)； 铸坯在结晶器内的凝固系数(mm/min)；它主要取决于结晶器 的冷却条件， 铸坯断面尺寸， 钢液温度和性质， 通常小断面铸坯取 2831mm/ min；大断面铸坯取 2426mm/min。 根据目前的操作水平，铸坯出结晶器时所需的最小坯壳厚度为： 碳素钢：大断面为 25mm 左右，小断面为 l0mm 左右，合金钢可略薄些。 因此可取 =15mm， =30mm/ min，求得 结 =0.25min 由于结晶器内壁与铸坯之间存在气隙， 因而铸坯并不是在结晶器的整个长度 上都与结晶器接触。设结晶器的有效接触长度为 L m，则最大拉坯速度的理论计 算式为： 2 m 2 m max LL V 结 结 (3.3) 结晶器有效接触长度与结晶器的刚性、倒锥度和拉速有关，取 Lm=0.4m， 可得=1.6m/min 工作拉速 在实际生产中，为改善铸坯质量（如内裂，偏析，表面质量等），使用的工 结 结 结 max V 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 19 页 作拉速 V 应小于最大理论拉速，因此通常所说的连铸机的拉速是指工作拉速， 即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。实际计算时，工作拉速常按如下经验公式求得： 2 . 1 600120 1440 60 L KV= = S (mmin)(3.4) 式中 L铸坯横断面周边长(mm)； S铸坯横断面面积(mm2)； K速度换算系教(mmmmin)。因生产矩型坯 K 取 60. 实际上影响拉坯速度的因素是多方面的，除上述各因素外，在冶炼出合格钢 液的前提下，采用连铸新工艺，改进连铸机结构，加强冷却和防变形能力，提高 安装对中精度都有利于提高拉速。 3.2.4 结晶器长度 H 结晶器长度主要根据结晶器出口的坯壳最小厚度确定。若坯壳过薄，铸坯就 会出现鼓肚变形，对于板坯连铸机，要求坯壳厚度大于 1015mm。结晶器长度 也可按下式进行核算： H=（/K）2c+（100150）(3.5) 式中，K 为凝固系数，mm/min0.5，K 一般取 1822 mm/min0.5，这里取 20 mm/min0.5，c为拉速，mm/min，已算出为 1200 mm/min； 为结晶器出口处坯 壳的最小厚度，mm，取 15mm。 计算的结晶器长度 H=675mm3。 3.2.5 冶金长度（液芯长度） 铸坯在结晶器内首先凝固成一层坯壳，中心仍为液相，液相穴的深度即所谓 的铸坯的液芯长度， 是指钢水从结晶器液面开始到铸坯全部凝固完毕所走过的路 程。 铸机的冶金长度取决于铸坯的液芯长度，一般情况下冶金长度等于或大于液 芯长度，为了预留铸机更大的潜力，往往使冶金长度大于液芯长度，通常在不带 液芯拉矫的情况下， 铸机的冶金长度是指结晶器液面到第一对拉矫辊中心线的长 度； 在带液芯拉矫的情况下则指结晶器液面到最后一对拉矫辊中心线的长度。因 此，要决定铸机的冶金长度，首先必须确定铸坯的液芯长度。 液芯长度是确定弧形连铸机圆弧半径和二次冷却区长度的一个重要工艺参 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 20 页 数。它直接影响设备的总高度和总长度，并涉及拉矫机和切割设备的布置。 由凝固定律可知，铸坯全部凝固时，坯厚与时间的关系为： 2=D(3.6) 或 22 4/ D= (3.7) 设拉坯速度为 V；液芯长度为 L液， 则 2 液2 = V= 4 D LV ，(m)(3.8) 式中：D铸坯厚度(mm) L液铸坯液芯长度(m) V拉速(m/min) 综合凝固系数(mmmin) 求得冶金长度 L冶= 2 2 4 D V =m8 . 4 304 2 . 1120120 2 = 上述各式可看出，铸坯的液芯长度与铸坯的厚度，拉速和冷却强度有关。铸 坯越厚， 拉速越大， 液芯长度就越长， 连铸机的长度也越长。 在设计新连铸机时， 为了适应生产的发展，在计算液芯长度时，应考虑可能浇铸的最大坯厚和可能达 到的最大拉速。当现有连铸机的允许液芯长度已定时，如果浇铸的坯厚要增加， 则拉速就要降低。 在一定程度上，液芯长度与冷却强度(喷水量)也有关，增加冷却强度有助于 缩短液芯长度，但其影响程度不如前二者大，而且对某些钢种来说，过分加大冷 却强度是不允许的。 3.2.6 曲率半径 连铸机的曲率半径（又称圆弧半径）主要是指铸坯弯曲时的外弧半径，它是 弧形连铸机的重要参数之一， 它标志着连铸机的型式和可能浇铸的最大铸坯厚度 范围。同时也直接关系到连铸机的总体布置、高度以及铸坯的质量。弧形连铸机 的曲率半径主要取决于铸坯的厚度， 但通常在确定曲率半径时所考虑的无论是工 艺上或质量上的要求，其实质都与液芯长度有较密切关系。 综合各种因素按经验式确定， 连铸机的曲率半径还可以按铸坯厚度的若干倍 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 21 页 来做初步计算： R=CD=36120=4320(mm)=4.32（m）(3.9) 式中：C系数：据目前连铸机设计水平，C 值波动在 3545，一般中小型铸 坯取 C3036，大板坯取 C4045 碳素钢，取下限，特殊钢取上限。 3.2.7 冷却区长度 按铸坯进入拉矫机前完全凝固来计算和确定。对于采用一般拉矫机的连铸 机，铸坯进入拉辊前通常须完全凝固。则冷却区的总长 Lc(从结晶器内钢液面到 第一对拉辊间的弧线长)可按下式计算(图 3.1)。 图 3.1 冷却区长度计算简图 1 0 2 360 c R Lh =+266. 61 . 0- 2 675. 0 360 8032. 414. 32 =+ =（m）(3.10) 式中 R1铸坯中心曲率半径（m）； 第一对拉辊中心线与水平线之间的夹角，（）； h0圆弧中心水平线至结晶器内钢液面的距离(m)， 当采用弧形结晶器 时，1 . 0 2 0 = H h，H 为结晶器的长度 675mm。 3.2.8 连铸机的流数 一台连铸机能同时浇铸铸坯的总根数称为连铸机的流数。 凡一台连铸机只有 一个机组， 又只能浇铸一根铸坯的称为一机一流。 如同时能浇铸两根以上铸坯的， 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 22 页 称为一机多流。凡一台连铸机具有多个机组又分别浇铸多根铸坯的，称其为多机 多流。 一机多流较多机多流设备重量轻，投资省。但一机多流如有一流出事故时， 可造成全机停产，且生产操作及流间配合均较困难。 在一定操作工艺水平条件下，当连铸坯的断面尺寸确定之后，由于拉坯速度 和钢包允许浇注时间的限制，若提高连铸机的生产能力，则必须增加连铸机的流 数，以缩短浇注时间。近年来，小方坯连铸机最多浇铸达十二流，多数采用一 四流，大板坯最多浇铸四流，常用一二流。 若钢包的容量为 G(t)，每流铸坯的断面积为 S(m2)，当拉坯速度为 v(m/min) 时，一台连铸机所必须的流数 n，可按下式计算： 2307 . 2 6 . 72 . 1072 . 0 66 100 n= = TS G (3.11) 式中：G钢包容量（t）； T钢包允许的浇注时间，min； S每流铸坯断面积，m2 ； v拉速，m/min； 铸坯密度（t/m3），碳素镇静钢 7.6，沸腾钢 =6.8。 连铸机的流数主要取决于钢包的容量，冶炼周期、铸坯断面和连铸机的允 许拉坯速度。 3.2.9 连铸机生产能力的计算 浇注能力(Q) 浇注能力(Q)是指连铸机每分钟浇注的钢液量，即： QnMgnFv=20.0721.27.8=1.348t/min(3.12) 式中：Q浇注能力，（t/min）； n流数； Mg每流浇注能力，（t/min 流）； F铸坯断面积，（m2）； v拉速，（m/min）； 铸坯密度，（t/m3）；（若断面按冷坯计算，普通钢 可取 7.8）。 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 23 页 则 100t 钢包所需浇铸时间即为：T1=100/1.348=74（min），即在浇铸过程中 需要对刚包内钢液进行加热。 浇注周期(T1) 浇注周期是指每次浇注时间（T2）与浇注准备时间（T3）之和，即： 1 T 2 T 3 T1406674 3 =+=+TN nMg G （min）（3.13） 式中：T1浇注周期，（min）； T2浇注时间（从中间包开浇至中间包最后一流浇完为止的总时间， （min）； T3准备时间（从中间包浇完，至为下一炉浇注填塞好引锭头及准备浇注 止的总时间），（min）；从停机至开浇一般需要 2560min，这里取 30min。因为还有停机修正时间因此这里取 66min。 G钢包钢液量，（t）； N平均每次连浇炉数。 在确定浇铸时间时，要充分考虑转炉车间炼钢炉与连铸周期的配合，应尽量 满足多炉连浇钢水的配合条件，应对炼钢炉与连铸机的调度与配合进行分析。 3.2.10 连铸机年作业率() 表 3.2 连铸机非作业时间 项目 比例/% 时间/h 备注 年度大、中修 3.54.5 307394 停产大修，更换和清洗部件等 定期小修 5.06.0 438526 辊子对中调整，铲除飞溅废钢，检修等 更换结晶器 2.53.0 219263 34h/次 等待 2.53.0 219263 洗完后，连铸机准备好等待钢水 内部故障 2.54.0 307350 包括漏钢在内的连铸机故障 外部故障 3.54.0 307350 炼钢炉，吊车和钢包等设备的故障 合计 20.524.5 17972146 根据表 3.2选取连铸机的年非浇注时间取为：1851h。 连铸机年作业率的计算公式如下： %87.78 8760 6909 %100 0 = + Y P D DD (3.14) 式中：连铸机年作业率， （）；一般小方坯 6080，大方坯 6085， 辽宁科技大学本科生毕业设计 第 24 页 板坯 7085； Do连铸机年浇铸时间，（h）； Dp连铸机年准备时间，（h）； DY年日历时间，为 8760（h）。 连续浇铸炉数为 3 炉，每天共浇铸 15 炉，即每天的浇铸时间为 7415=1110min，即剩余时间为 1440- 1110=330min，即连续浇铸 3 炉次后需 要等待 330/5=66min。其中包含用于穿引锭