冶金工程课程设计报告书

1、重庆科技学院冶金工程课程设计报告学 院: 冶金与材料工程学院 专业班级: 冶金普08-02班 学生姓名: 季焕林 学 号: 2008440226 设计地点（单位） 冶金科技大楼l515 设计题目: 转炉炉型设计及物料平衡计算 完成日期： 2011 年 12 月 30 日 指导教师评语: 成绩（五级记分制）: 指导教师（签字）: 目 录1 50t氧气顶吹转炉炉型设计31.1转炉炉型及其选择31.2 转炉炉型各部分尺寸的确定31.2.1 熔池尺寸31.2.2 炉身尺寸41.2.3 炉帽尺寸51.2.4 出钢口尺寸61.2.5 高径比61.3 绘制转炉炉型图62 氧气顶吹转炉炼钢物料平衡和热平衡计算

2、72.1 物料平衡计算72.1.1 计算原始数据72.1.2 物料平衡基本项目82.1.3 计算步骤8第一步：计算脱氧和合金化前的总渣量及其成分8第二步：计算氧气消耗量9第三步：计算炉气量及其成分10第四步：计算脱氧和合金化前的钢水量11第五步：计算加入废钢的物料平衡11第六步：计算脱氧合金化后的物料平衡122.2 热平衡计算142.2.1 计算所需原始数据142.2.2 计算步骤15第一步：计算热收入qs15第二步：计算热支出qz16第三步：列出热平衡表17参考文献18附 50t氧气顶吹转炉炉型图 冶金工程课程设计任务书1 50t氧气顶吹转炉炉型设计说明书1.1 转炉炉型及其选择1转炉的炉型

3、是指由炉帽、炉身、炉底三部分组成的炉衬内部空间的几何形状。由于炉帽和炉身的形状没有变化，所以通常按熔池形状将转炉炉型分为筒球型、锥球型和截锥型等三种。炉型的选择往往与转炉的容量有关。转炉公称容量：50t，根据我国中小型转炉普遍采用的炉型，选择锥球型熔池（熔池由球缺体和倒截锥体两部分组成）。1.2 转炉炉型各部分尺寸的确定11.2.1 熔池尺寸（1）熔池直径d。熔池直径是指转炉熔池在平静状态时金属液面的直径。转炉吹氧时间t与金属装入量g成正比，而与单位时间供氧量q成反比，即： （1-1）在供氧增大的情况下，若要避免喷溅趋于严重，就必须扩大熔池面积。也就是说，单位时间供氧量q与熔池直径d的平方根成

4、正比，即： （1-2）将式（1-1）与式（1-2）合并，得： （1-3）上式可写为： （1-4）式中 d熔池直径，m； k系数，参见表1-1，取k=1.85； g新炉金属装入量，t，可取公称容量； t平均每炉钢吹氧时间，min，参见表1-2，取t=14min。表1-1 系数k的推荐值转炉容量/t100备注k1.852.101.751.851.501.75大容量去下限，小容量取上限表1-2 平均每炉钢冶炼时间推荐值转炉容量/t100备注冶炼时间/min283232383845结合供氧强度、铁水成分和所炼钢种等具体条件确定吹氧时间/min121614181620代入数值计算得： （1-5）（2）熔

5、池深度h。熔池深度指转炉熔池在平静状态时，从金属液面到炉底的深度。对于一定容量的转炉，炉型和熔池直径确定之后，可利用几何公式计算熔池深度h。锥球型熔池：倒锥度一般为1230，当球缺体半径r=1.1d时，球缺体高h1=0.09d的设计较多。熔池体积和熔池直径及熔池深度h有如下关系：，其中为钢液的密度，取=7.0 t/m3 （1-6）因而 （1-7）代入数值计算得：取倒锥度=15球缺体半径r= 1.1d = 1.13.496 = 3.846m球缺体高h1 = 0.09d = 0.093.496 = 0.315m1.2.2 炉身尺寸转炉炉帽以下，熔池面以上的圆柱体部分称为炉身。其直径与熔池直径是一致

6、的，故需确定的尺寸高度h身。 （1-8）式中，分别是炉帽、炉身、熔池的容积；转炉的有效容积，为，三者之和，取决于炉容量和炉容比。炉容比系指转炉有效容积与公称容量g之比值/g (m3/t)。近20年投产的大型氧气转炉，其炉容比都在0.91.05之间。据此取炉容比。计算得：1.2.3 炉帽尺寸（1）炉帽倾角。倾角过小，炉帽内衬不稳定，容易倒塌；过大则出钢时容易钢渣混出和从炉口大量流渣。倾角为5563，小炉子上限，大炉子取下限，这是因为大炉子的炉口直径相对小些。据此：取=60（2）炉口直径d。在满足顺利兑铁水和加废钢的前提下，应适当减小炉口直径，以减少热损失。一般炉口直径为熔池直径的43%53%较为

7、适宜。小炉子取上限，大炉子取下限。据此：d=0.52d=0.523.496=1.818m。（3）炉帽高度h帽。为了维护炉口的正常形状，防止因转衬蚀损而使其迅速扩大，在炉口上部设有高度为h口=300400mm的直线段。因此炉帽高度h帽为： （1-9）取h口=350mm，代入数值得：炉帽总容积v帽为： （1-10）代入数值得：所以 由式（1-8）得： 1.2.4 出钢口尺寸出钢口内口一般都设在炉帽与炉身交界处，以使转炉出钢时其位置最低，便于钢水全部出净。（1）出钢口中心线水平倾角1。为了缩短出钢口长度，以利于维修和减少钢液二次氧化及热损失，大型转炉的1趋于减小。国外不少转炉采用0一般为1520。据

8、此：取1=15（2）出钢口直径d出。出钢口直径决定着出钢时间，因此随炉子容量而异。出钢时间通常为28min。时间过短（即出钢口大），难于控制下渣，且钢包内钢液静压力增长过快，脱氧产物不易上浮。时间过长（即出钢口过小），钢液容易二次氧化和吸气，散热也过大。通常d出(cm)按下面的经验公式确定： （1-11）代入数值计算得：1.2.5 高径比高径比指转炉的炉壳总高h总和炉壳外径d壳之比值。随着转炉大型化和顶底复吹技术的采用，转炉由细高型趋于矮胖型，即高宽比趋于减小。转炉高径比推荐值为1.351.65。由上知： 1.3 绘制转炉炉型图1根据以上计算所得数据绘制50t氧气顶吹转炉炉型图。设计熔池为截锥

9、型，设计草图附后。2 氧气顶吹转炉炼钢物料平衡和热平衡计算说明书2.1 物料平衡计算12.1.1 计算原始数据基本原始数据有：冶炼钢种及其成分、铁水和废钢的成分、终点钢水成分（表2-1）；造渣用溶剂及炉衬等原材料的成分（表2-2）；脱氧和合金化用铁合金的成分及其回收率（表2-3）；其他工艺参数（表2-4）。表2-1 钢种、铁水、废钢和终点钢水的成分设定值 成分含量/%类别csimnps钢种q235设定值0.180.250.550.0450.050铁水设定值4.100.600.400.1200.060废钢设定值0.180.250.550.0300.030终点钢水设定值0.10痕迹0.120.01

10、20.042本计算设定的钢种为q235。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70%留在钢水中设定。表2-2 原材料成分成分含量/%类别caosio2mgoal2o3fe2o3caf2p2o5sco2h2oc灰分挥发分石灰88.002.502.601.500.500.100.064.640.10萤石0.305.500.601.601.5088.000.900.101.50生白云石36.400.8025.601.0036.20炉衬1.203.0078.801.401.6014.00焦炭0.5881.5012.405.52表2-3 铁合金成分（分子）及其

11、回收率（分母）成分含量/回收率%类别csimnaipsfe硅铁73.00/750.50/802.50/00.05/1000.03/10023.92/100锰铁6.60/900.50/7567.8/800.22/1000.13/10024.74/10010 %与氧生成co2。表2-4 其他工艺参数设定名称参数名称参数终渣碱度萤石加入量生白云石加入量炉衬损失量终渣含量(feo)含量（按向钢中传氧量(fe2o3)=1.35(feo)折算）烟尘量喷溅铁损(cao)/(sio2)=3.5为铁水量的0.5%为铁水量的2.5%为铁水量的0.3%15%，而(fe2o3)/ (feo)=1/3，(fe2o3)=

12、5%，(feo)=8.25%为铁水量的1.5%（(feo)为75%，(fe2o3)为20%）为铁水量的1%渣中铁损（铁珠）氧气浓度炉气中自由氧的含量气化去硫量金属中c的氧化产物废钢量为渣量的6%99%，余者为n20.5%（体积比）占总去硫量的1/390%c氧化成co，10%c氧化成co2由热平衡计算确定，本次计算结果为铁水量的12.08%，即废钢比为10.78%2.1.2 物料平衡基本项目收入项目：铁水、废钢、溶剂（石灰、萤石、轻烧白云石）、氧气、炉衬蚀损、铁合金。支出项目：钢水、炉渣、烟尘、渣中铁珠、炉气、喷溅。2.1.3 计算步骤 (以100kg铁水为基础进行计算)第一步：计算脱氧和合金化

13、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表2-7。总渣量及其成分如表2-8所示。表2-5 铁水中元素的氧化产物及成渣量元素反应产物元素氧化量/kg耗氧量/kg产物量/kg备注csimnpsfeccoc co2si (sio2)mn (mno)p (p2o5)sso2s+(cao)(cas)+(o)fe (feo)fe (fe2o3)4.0090%=3.6004.0010%=0.4000.6000.2800.1080.0181/3=0.0060.0182/3=0.0120.86856/72=0.6750.487112/160=0.34

14、14.8001.0670.6860.0810.1390.006-0.0060.1930.1468.4001.4671.2860.3610.2470.0120.0270.8680.487入渣入渣入渣入渣入渣(见表)入渣(见表)合计6.0227.112成渣量3.276（入渣组分之和）由cao还原出的氧量；消耗的cao量=0.01256/32=0.021kg。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。见表2-9表2-6 炉衬损失成渣量炉衬损失量/kg成渣组分/kg气态产物/kg耗氧量/kgcaosio2mgal2o3fe2o3ccocco2cco、co20.3(据表2-4 )0

15、.0040.0090.2360.0040.0050.314%90%28/12=0.0880.314%10%44/12=0.0150.314%(90%16/12+10%32/12)=0.062合计0.2580.1030.062表2-7 加入溶剂的成渣量类别加入量/kg成渣组分/kg气态产物/kgcaomgosio2al2o3fe2o3p2o5cascaf2h2oco2o2萤石0.5（据表2-4）0.0020.0030.0280.0080.0080.0050.0010.4400.005生白云石2.5（据表2-4）0.9100.6400.0200.0250.905石灰5.164.5200.1340.

16、1290.0770.0260.0050.0070.0050.2390.002合计5.4320.7770.1770.1100.0340.0100.0080.4400.0101.1440.002成渣量6.988石灰的加入量计算如下：由表2-5表2-7可知，渣中以含有（cao）= -0.021+0.004+0.002+0.910=0.895kg；渣中已含(sio2)=1.286+0.009+0.028+0.020=1.424kg。因设定碱度r=3.5，故石灰加入量为：r(sio2)-(cao)/ (cao石灰)-r(sio2石灰)=4.089/(88.0%3.52.50%)=5.16kg。(石灰中c

17、ao含量) -（石灰中scas自耗的cao量）。石灰中的s与cao反应还原出来的氧量，计算方法同表2-5的标注。表2-8 总渣量及其成分炉渣成分caosio2mgoal2o3mnofeofe2o3caf2p2o5cas合计元素氧化成渣量/kg石灰成渣量/kg炉衬损失成渣量/kg生白云石成渣量/kg萤石成渣量/kg4.5200.0040.9100.0021.2860.1290.0090.0200.0280.1340.2360.6400.0030.0770.0040.0250.0080.3610.8680.4870.0260.0050.0080.4400.2470.0050.0050.0270.0

18、070.0013.2764.8980.2581.5950.495总渣量/kg5.4361.4721.0130.1140.3610.8680.5260.4400.2570.03510.522质量分数/%51.6614.009.631.083.438.255.004.182.440.33100总渣量计算如下：因表中除了(feo)和（fe2o3）以外的渣量为：5.436+1.472+1.103+0.114+0.361+0.440+0.257+0.035=9.128kg。而终渣(feo)=15%，所以总渣量为：9.12886.75%=10.522kg。(feo)=10.5228.25%=0.868kg

19、。(fe2o3)=10.5225%-0.026-0.005-0.008=0.487kg。表2-9 实际耗氧量耗氧量/kg供氧量/kg实际氧气消耗量/kg铁水中元素氧化耗氧量（表2-5） 7.112炉衬中碳氧化耗氧量（表2-6） 0.062石灰中s与cao反应还原出的氧化量（表）0.002烟尘中铁氧化耗氧量（表2-4） 0.347.573-0.002+0.068=7.639炉气自由氧含量（表2-10） 0.059合计 7.573 合计 0.002炉气n2（存在于氧气中，见表2-4）的质量，详见表2-10。第三步：计算炉气量及其成分。炉气中含有co、co2、n2、so2、和h2o。其中co、co2

20、、so2和h2o可由表2-52-7表查得，o2和n2则由炉气总体积来确定。现计算如下：炉气总体积v：式中：vgco、co2、so2和h2o各组分总体积，m3。本计算中，其值为： 8.48822.4/28+2.62622.4/44+0.01222.4/64+0.01022.4/18=8.144 m3；gs不计自由氧的氧气消耗量，kg。本计算中，其值为：7.112+0.062+0.34=7.514kg（见表2-9）；vx石灰中的s与cao反应还原出的氧量（其质量为：0.002kg，见表（2-9）与铁水中的s与cao反应还原出的氧量之和（其质量为：0.006kg），m3；0.5% 炉气中自由氧含量；

21、99 自由氧纯度为99%转换得来。计算结果列于表2-10。第四步：计算脱氧和合金化前的钢水量。钢水量qg = 铁水量铁水中元素的氧化量烟尘、喷溅和渣中的铁损=1006.0221.50(75%56/72+20%112/160)+1+10.5226%=91.262kg据此可以编制出未加废钢、脱氧与合金化前的物料平衡表2-11。表2-10 炉气量及其成分炉气成分炉气量/kg体积/m3体积分数/%coco2so2h2oo2n28.4882.6260.0120.0100.0590.0688.48822.24/28=6.7902.62622.24/44=1.3770.01222.24/64=0.0040.

22、01022.24/18=0.0130.0410.05482.0116.630.050.160.500.65合计11.2638.279100.00炉气中o2的体积为8.1440.5%=0.041 m3；质量为0.04132/22.4=0.059kg。炉气中n2的体积系炉气总体积与其他成分的体积之差；质量为0.05428/22.4=0.068kg。表2-11 未加废钢时的物料平衡表收入支出项目质量/kg%项目质量/kg%铁水石灰萤石生白云石炉衬氧气100.005.160.502.500.307.6486.134.450.432.150.266.58钢水炉渣炉气喷溅烟尘渣中铁珠91.2610.521

23、1.261.001.500.6378.569.069.690.861.290.54合计116.10100.00合计116.17100.00注：计算误差为（116.10-116.17）/116.10100%=0.06%。第五步：计算加入废钢的物料平衡。（先进行热平衡计算确定废钢加入量）如同“第一步”计算铁水中元素氧化量一样，利用表2-1的数据先确定废钢中元素的氧化量及其耗氧量和成渣量（表2-12），再将其与表2-11归类合并，遂得加入废钢后的物料平衡表2-13和表2-14。表2-12 废钢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产物量/kg进入钢中的量/kgcsimnp

24、sccoc co2si (sio2)mn (mno)p (p2o5)s so2s+(cao)(cas)+(o)12.080.08%90%=0.00912.080.08%10%=0.00112.080.25%=0.03012.080.43%=0.05212.080.018%=0.00212.08（-0.012%）1/3=0.00012.08（-0.012%）2/3=0.0000.0120.0030.0340.0150.0030.0000.0000.021（入气）0.004（入气）0.0640.0670.0050.0000.000合计0.0940.06712.08-0.094=11.986成渣量（

25、kg）0.161表2-13 加入废钢的物料平衡表（以100kg铁水为基础）收入支出项目质量/kg%项目质量/kg%铁水废钢石灰萤石轻烧生白云石炉衬氧气100.0012.085.160.502.500.307.64+0.067=7.70777.989.424.020.391.950.236.01钢水炉渣炉气喷溅烟尘渣中铁珠91.26+11.986=103.24610.52+0.161=10.68111.26+0.025=11.2851.001.500.6380.458.328.790.781.170.49合计128.247100.00合计128.342100.00注：计算误差为（128.247-

26、128.342）/128.247=0.07%。表2-14 加入废钢的物料平衡表（以100kg（铁水+废钢）为基础）收入支出项目质量/kg%项目质量/kg%铁水废钢石灰萤石生白云石炉衬氧气89.2210.794.600.442.230.266.8877.989.424.020.391.950.236.01钢水炉渣炉气喷溅烟尘渣中铁珠92.129.5310.070.891.340.5680.458.328.790.781.170.49合计114.42100.00合计114.51100.00第六步：计算脱氧和合金化后的物料平衡。先根据钢种成分设定值（表2-1）和铁合金成分及其回收率（表2-3锰铁和硅

27、铁的加入量，再计算其元素的烧损量。将所有结果与表2-14，即得冶炼一炉钢的总物料平衡表。锰铁加入量wmn为：硅铁加入量wsi为： 铁合金中元素的烧损量和产物量列于表2-15。表2-15 铁合金元素烧损量及其产物量类别元素烧损量/kg脱氧量/kg成渣量/kg炉气量/kg入钢量/kg锰铁cmnsipsfe合计0.636.60%10%=0.0040.6367.80%20%=0.0850.630.50%25%=0.0010.0900.0100.0240.0010.0350.1090.0020.1110.015（co2）0.0150.636.60%90%=0.0370.6367.80%80%=0.342

28、0.630.50%75%=0.0020.630.23%=0.0010.630.13%=0.0010.6324.74%=0.1560.539硅铁almnsipsfe合计0.422.50%100%=0.0110.420.50%20%=0.00040.4273.00%25%=0.0770.0880.0100.00010.0880.0980.0060.00050.1650.1720.420.50%80%=0.0020.4273.00%75%=0.2300.420.05%=0.00020.420.03%=0.00010.4223.92%=0.1000.332总计0.1780.1330.2830.0150

29、.871 可以忽略不计。脱氧和合金化后的钢水成分如下：w(c)=0.10%+0.037/92.99100%=0.14%w(si) = （0.002+0.230）/92.99100%=0.25%w(mn)=0.120%+（0.342+0.002）/92.99100%=0.49%w(p)=0.012%+0.001/92.99100%=0.013%w(s)=0.042%+0.001/92.99100%=0.043%可见，含碳量尚未达到设定值。为此需在钢包内加焦粉增碳。其加入量w1为：焦粉生成的产物如下：碳烧损量/kg耗氧量/kg气体量/kg成渣量/kg碳入钢量/kg0.0681.50%25%=0.0

30、120.0320.044+0.06(0.58+5.52)%=0.0470.0612.40%=0.0070.0681.50%75%=0.037 h2o、co2和挥发分的总和（未计算挥发分燃烧的影响）。由此可得冶炼过程（即脱氧和合金化后）的总物料平衡表2-16 。表2-16 总物料平衡表收入支出项目质量/kg%项目质量/kg%铁水废钢石灰萤石生白云石炉衬氧气锰铁硅铁焦粉89.2210.794.600.442.230.267.050.630.420.0677.119.333.980.381.930.226.090.550.360.05钢水炉渣炉气喷溅烟尘渣中铁珠93.03（92.12+0.871+0

31、.037）9.82（9.53+0.283+0.007）10.13（10.07+0.015+0.047）0.881.330.4080.488.508.760.761.150.35合计115.70100.00合计115.59100.007.05=6.88+0.133+0.032，可以近似的认为（0.133+0.032）的氧量系出钢水二次氧化带入。注：计算误差为（115.70-115.59）/115.70100%=0.10%。2.2 热平衡计算1 2 32.2.1 计算所需原始数据计算所需基本原始数据有：各种入炉料及产物（表 ）；物料平均热容（表 ）；反应热效应（表 ）；溶入铁水中的元素对铁熔点的影

32、响（表 ）。其他数据参照物料平衡选取。表2-17 入炉物料及产物的温度设定值名称入炉物料产物铁水废钢其他原料炉渣炉气烟尘温度/13102525与钢水相同14501450纯铁熔点为1536。表2-18 物料平均热容物料名称生铁钢炉渣矿石烟尘炉气固态平均热容/kj(kgk)-10.7450.6991.0470.996溶化潜热/kjkg-1218272209209209液态或气态平均热容/kj(kgk)-10.8370.8371.2481.137表2-19 炼钢温度下的反应热效应组元化学反应h/kjkmol-1h/kjkg-1ccsimnpfefesio2p2o5caco3mgco3c+1/2o2=

33、co 氧化反应c+o2=co2 氧化反应si+o2=(sio2) 氧化反应mn+1/2o2=(mno) 氧化反应2p+5/2o2=(p2o5) 氧化反应fe+1/2o2=(feo) 氧化反应2fe+3/2o2 =(fe2o3) 氧化反应(sio2)+2(cao)=(2caosio2) 成渣反应(p2o5)+4(cao)=(4caop2o5) 成渣反应caco3=(cao)+co2 分解反应mgco3=(mgo)+co2 分解反应-139420-418072-817682-361740-1176563-238229-722432-97133-693054169050118020-11639-34

34、834-29202-6954-18980-4250-6460-1620-488016901405表2-20 溶入铁水中元素对铁水熔点的降低值元素csimnpsalcrn、h、o在铁中的极限溶解度/%5.41618.5无限2.80.1835.0无限溶入1%元素使铁熔点降低值/65707580859010085302531.5氦、氮、氧溶入使铁熔点降低值/=6使用含量范围.%11.02.02.53.03.54.03150.70.081182.2.2 计算步骤以100kg铁水为基础第一步：计算热收入qs。热收入项包括：铁水物理热；元素氧化热及成渣热；烟尘氧化热；炉衬中碳的氧化热。（1）铁水物理热qw

35、；现根据表纯铁熔点、铁水成分以及溶入元素对铁熔点的降低值（表2-17、表2-1和表2-20）计算铁水熔点tt，然后由铁水温度和生铁热容（表2-17和表2-18）确定qw。tt =1536-（4.1100+0.68+0.45+0.1230+0.0625）-6=1108.1qw =1000.745(1108.1-25)+218+0.837(1310-1108.1)=119389.98kj（2）元素氧化热及成渣热qy：由铁水中元素氧化量和反应热效应（表2-19 ）可以算出，其结果列于表2-21。表2-21 元素氧化热和成渣热反应产物氧化热或成渣热/kj反应产物氧化热或成渣热/kjcco3.60011

36、639=41900.40fefe2o30.3416460=2202.86cco20.40034834=13933.60pp2o50.10818980=2049.84sisio0.60029202=17521.20p2o54caop2o50.2574880=1254.16mnmno0.2806594=1846.32sio22caosio21.4721620=2384.64fefeo0.6754250=2868.75合计qy85961.77（3）烟尘氧化热qc：由表2-4中给出的烟尘量参数和反应热效应计算可得。qc=1.5(75%56/724250+20%112/1606460)=5075.35k

37、j（4）炉衬中碳的氧化热q1：根据炉衬蚀损量及其含碳量确定。q1=0.314%90%11639+0.314%10%34834=586.25kj故热收入总值为：qs= qw +qy+qc+ q1=211013.35kj第二步：计算热支出qz。热支出项包括：钢水物理热、炉渣物理热、烟尘物理热、炉气物理热、渣中铁珠物理热、喷溅物（金属）物理热、轻烧白云石分解热、热损失、废钢吸热。（1）钢水物理热qg：钢水熔点tg=1536-(0.1065+0.185+0.02030+0.04225 )-6=1521式中，0.10、0.18、0.020和0.042分别为终点钢水c、mn、p、s的含量。出钢温度tz=1521+50+50+70=1691式中，50、50和70分别为出钢过程中温降、镇静及炉后处理过程中的温降和过热度。qg=91.260.699(1521-25)+272+0.837(1691-1521)=133239.05kj（2）炉渣物理热qr：令终渣温度与钢水温度相同，则得：qr=10.5221.2