年产750万吨全连铸转炉车间物料、热平衡计算

1、西安建筑科技大学冶金工程课程设计说明书240t氧气转炉设计学生姓名钱 复 友班级冶金0801学号080840119指导老师马 杰冶金工程学院年 月 日西安建筑科技大学目 录1 转炉物料平衡与热平衡计算-11.1 原始数据选取-11.2 未加废钢和合金的物料平衡计算-31.3 热平衡计算-91.4 加废钢和合金的物料平计算-122 转炉炉型设计-152.1 转炉炉型选择-152.2 转炉炉容比与高宽比-152.3 转炉主要尺寸确定-152.4 转炉炉体结构图-18参考文献-211 转炉物料平衡与热平衡计算物料平衡是计算转炉炼钢过程中加入炉内与参与炼钢的全部物料（如铁水、废钢、氧气、冷却剂、渣料、

2、合金添加剂、被侵蚀的炉衬等）和炼钢过程的产物（如钢水、炉渣、炉气、烟尘等）之间的平衡关系。热平衡是计算转炉炼钢过程的热量收入（如铁水物理热、化学热）和热量支出（如钢水、炉渣、炉气的物理热、冷却剂溶化和分解热）之间的平衡关系。1.1 原始数据的选取 1.1.1 原材料成分（表1-1表1-5）表1-1 铁水、废钢成分（%）原料CSiMnPS铁水4.80.70.20.10.044废钢0.180.250.550.030.03终点钢水0.15痕迹0.10.010.0264表1-2 渣料和炉衬材料成分（%）种类CaOSO2MgOAl2O3SPCaF2FeOFe2O3烧减H2OC石灰91.02.02.01.

3、50.053.45 焦炭29.461.80.6081.5萤石6.00.581.780.090.5589.02.00白云石55.03.033.03.01.05.0炉衬54.02.038.01.05.0 表1-3 各材料的热容（kJ/kg.K）项目固态平均热容熔化潜热液（气）态平均热容生铁0.745217.5680.8368钢0.699271.960.8368炉渣209.201.247炉气1.136烟尘1.000209.20矿石1.046209.20表1-4 反应热效应（25）元素反 应反应热/kJ·kg-1元素C C+1/2O2=CO10950C C+O2=CO234520Si Si+

4、O2=SiO228314P2P+5/2O2=P2O518923Mn Mn+1/2O2=MnO7020Fe Fe+1/2O2=FeO5020Fe Fe+3/2O2=Fe2O36670SiO2SiO2+2CaO=2CaOSiO22070P205P2O5+4CaO=4CaO P2O55020表1-5 铁合金成分（分子）及其回收率（分母）项目CSiMnAlPSFe硅铁-73.00/750.50/802.50/00.05/1000.03/10023.92/100锰铁6.60/900.50/7567.8/80-0.23/1000.13/10024.74/100 1.1.2 假设条件名称参数名称参数终渣碱度

5、萤石加入量白云石加入量喷溅铁损%CaO/%SiO2=3.5为铁水量的0.5%为铁水量的2.5%铁水量的1%渣中铁损烟尘量为渣量的6%为铁水量的1.5%（FeO75%,Fe2O320%）1.1.3 冶炼钢种及规格成分 要求冶炼低碳钢，以Q235钢为例，其规格成分为（%）：C 0.140.22，Si 0.120.30，Mn 0.400.65，P0.045,S0.0501.2 未加废钢和合金的物料平衡计算物料平衡基本项目：（1） 收入项：铁水、废钢、溶剂（石灰、萤石、白云石）、氧气、炉衬蚀损、铁合金。（2） 支出项：钢水、炉渣、烟尘、渣中铁珠、炉气、喷溅。根据铁水、渣料质量及其冶炼钢种的要求，采用单

6、渣法操作。为了简化运算，以100 kg铁水为计算基础。1.2.1 渣量及其成分计算（1） 铁水中元素氧化量（表1-6）氧化量=元素在铁水中的含量 元素在钢水中的含量表1-6 铁水中的元素氧化量 元素/%项目CSiMnPS铁水4.80.700.200.100.044钢水0.1000.100.010.0264氧化量4.70.700.100.090.0176由表1-6知：脱磷率 = 0.09 / 0.10×100% =90%； 脱硫率 =0.0176/0.044*100%=36%； 钢中残锰量 =0.1/0.2×100% =34%. (2) 各元素耗氧量及氧化产物量（表1-7）表

7、1-7 铁水中元素氧化量、氧化产物量元素反应元素氧化量/kg耗氧量/kg氧化产物量/kgCC+1/2O2=CO4.70×90%=4.234.23×16/12=5.644.23×28/12=9.87CC+O2=CO24.7×10%=0.470.47×32/12=1.2530.47×44/12=1.723SiSi+O2=SiO20.70.7×32/28=0.80.7×60/28=1.5MnMn+1/2O2=MnO0.10.1×16/55=0.0290.1×71/55=0.129P2P+5/2O2=P

8、2O50.090.009×80/62=0.1160.09×142/62=0.206SS+O2=SO20.0176×1/3=0.005870.00587×32/32=0.005870.00587×64/32=0.0117SS+(CaO)=(CaS)+O0.0176×2/3=0.01170.0117×（-16）/32=-0.005850.0117×72/32=0.0263FeFe+1/2O2=FeO0.31×56/72=0.2410.31×16/72= 0.0690.31FeFe+3/2O2=Fe2

9、O30.166×56/160=0.04060.166×48/160= 0.04980.166总计5.88967.957*：假定炉内气化脱硫1/3；铁的氧化由表1-13得出。(3) 渣料的加入量 1) 萤石加入量 ：根据冶金局（部）转炉操作规程，并参考炼钢工艺学，取萤石加入量4 kg/t，在本设计中，即为：0.1×4=0.4 kg，其成分质量计算见表1-9. (质量计算中各成分质量百分数见表1-2)表1-9 萤石加入量及成分成分质量/kg成分质量/kgCaF20.4×89.0% = 0.356MgO0.4×0.58% = 0.002SiO20.4

10、×6% = 0.0240.4×0.55% = 0.002Al2O30.4×1.78% = 0.007S0.4×0.09%0.000(忽略)H2O0.4×2% = 0.008其中： 2P+5/2O2=P2O5(P2O5)生成量 = 0.002×142/62 = 0.005 kg 3) 白云石加入量 ：为了提高转炉寿命，采用白云石造渣，控制渣中（MgO）含量在6% 8%范围内。根据已投产转炉的经验，取生白云石30 kg/t，在本设计中即为：30×0.1 = 3 kg，其成分质量计算见表1-10。(质量计算中各成分质量百分数见表1

11、-2) 表1-10 生白云石加入量及成分成分质量/kg成分质量/kgCaO3×55% = 1.65MgO3×33% = 0.99SiO23×3% = 0.09Fe2O33×1% = 0.03Al2O33×3% = 0.09烧减3×5% = 0.15其中：烧减是白云石中分解产生的气体。 4）炉衬侵蚀量：转炉炉衬在炉渣作用下，将被侵蚀和冲刷进入渣中，本设计中取铁水量的0.5%，即100×0.5% = 0.5 kg ,其成分质量计算见表1-11. (质量计算中各成分质量百分数见表1-2)表1-11 炉衬侵蚀量及成分成分质量/kg成

12、分质量/kgCaO0.5×54% = 0.27SiO20.5×2% = 0.01MgO0.5×38% = 0.19C0.5×5% = 0.025Al2O30.5×1% = 0.005其中： 炉衬中碳的氧化与金属中氧化生成的CO和CO2比例相同。即：C+1/2O2=CO：氧化产物CO量为：0.025×90%×28/12 = 0.053 kg 耗氧量为：0.025×90%×16/12 = 0.03 kgC+O2=CO2：氧化产物CO2量为：0.025×10%×44/12 = 0.009 k

13、g 耗氧量为：0.009×32/44 = 0.007 kg共消耗氧量=0.03+0.007 = 0.037 kg 5) 石灰加入量：根据铁水成分，取终渣碱度R=3.5，石灰加入量计算如下：(SiO2)=铁水Si生成（SiO2）+ 炉衬、矿石、白云石、萤石带入的（SiO2） =1.5 + 0.01 + 0.0561 + 0.09 + 0.024 =1.68 kg(CaO)=白云石、矿石、炉衬带入（CaO） 铁水、矿石中S消耗CaO量 =1.65 + 0.01 + 0.27 0.0117×56/32 0.001×56/32 = 1.908 kg石灰加入量 = (SiO

14、2)×R - (CaO)/%CaO有效×100% = （1.68×3.5 1.908）/(91 3.5×2) ×100%=4.73 kg 其成分质量计算见表1-12. (质量计算中各成分质量百分数见表1-2)表1-12 石灰加入量及成分成分质量/kg成分质量/kgCaO4.73×91% = 4.3SiO24.73×2% = 0.0946MgO4.73×2% = 0.0946S4.73×0.05% = 0.0024Al2O34.73×1.5% = 0.071烧减4.73×3.45% =

15、0.16其中： S+(CaO)=(CaS)+O生成的(CaS) = 0.0024×72/32 = 0.005 kg6) 渣中的铁氧化物：对于冶炼Q235钢，根据已投产转炉渣中含（FeO）量，取（FeO）= 5.2%，（Fe2O3）= 7%。7）终渣总量及成分：根据表1-7表1-12中的数据，确定终渣总量及成分，见表1-13，若不计（FeO）、（Fe2O3），由表1-13中可得：CaO+MgO+SiO2+P2O5+MgO+Al2O3+CaF2+CaS= 6.23 + 1.282 + 1.775 + 0.211 + 0.129 + 0.189 + 0.356 + 0.033 = 10.2

16、05 kg已知（FeO）= 5.2% ,(Fe2O3）= 7% ，则其余渣应占渣量总数的87.8%。故总渣量为10.205/87.8% = 11.623 kg 由此可知：（FeO）= 11.623 × 5.2% = 0.604 kg, （Fe2O3）= 11.623 × 7% = 0.814 kg。 由于矿石和白云石中带入部分（FeO）和（Fe2O3），其含量参见表1-8和1-10，实际铁氧化物为：（FeO）= 0.604 0.31 = 0.166 kg ；其值列入表1-7.（Fe2O3）= 0.814 0.618 0.03 = 0.166 kg .其值列入表1-7表1-1

17、3 终渣总量及成分成分氧化产物/kg石灰/kg矿石/kg白云石/kg炉衬/kg萤石/kg总计/kg%CaO4.30.011.650.276.2353.6MgO0.0950.0050.990.190.0021.28211.03SiO21.50.0950.0560.090.010.0241.77515.27P2O50.2060.0050.2111.82MnO0.1290.1291.11Al2O30.0710.0110090.010.0070.1891.63CaF20.3560.3563.50CaS0.02630.0050.0020.0330.28FeO0.310.2940.6045.2Fe2O30

18、.1660.6180.030.8147总计11.6231001.2.2 冶炼中的吹损计算根据假设条件，渣中铁珠量为渣量的8%，喷溅损失为铁水量的1%，烟尘损失为铁水量的1.6%。故可得到：渣中铁珠量 = 11.623 × 8% = 0.93 kg喷溅损失量 = 100 × 0.1% = 0.1 kg烟尘铁损失量 = 100 × 1.6%×（77%×56/72 + 20%×112/160）= 1.182 kg元素氧化损失 = 5.89 kg （见表1-7）吹损总量 = 0.93 + 0.1 + 1.182 + 5.9 = 8.102 k

19、g 钢水量 = 100 8.102 = 91.898 kg .1.2.3 氧气消耗量计算1）元素氧化耗氧 =7.957 kg（见表1-7）；2）烟尘铁氧化耗氧 =100×1.6%（77%×16/72 + 20%×48/160）= 0.37 kg；3) 炉衬中碳氧化耗氧 = 0.037 kg（见表1-10下）。故总耗氧量 = 7.957 + 0.37 + 0.037 = 8.364 kg.换算为标准体积为：8.364×22.4/32 = 5.85 m3 即冶炼100 kg 铁水需要5.85氧气。取氧气利用率为80%，则冶炼1 t 铁水的实际供氧量为：5.8

20、5 /80%×10 = 73.125 m3 /t由于氧气不纯，含有1.5%的氮气，故供氧时带入的氮气为： 8.364 × 1.5% = 0.125 kg其体积量为：0.125 ×22.4/28 = 0.1 m3，则冶炼 1 t 铁水将会带入1 m3的氮气。1.2.4 炉气量及成分计算 炉内产生的炉气由CO、CO2、SO2、H2O、N2和自由 O2 组成。其中：CO来源于铁水和炉衬中的碳氧化；CO2来源于铁水、炉衬中碳氧化，以及白云石和石灰石中的烧减量；SO2来源于铁水中硫氧化；H2O来源于矿石和萤石中；N2来源于供氧时被带入。自由O2约占炉气总量的0.5%，即以上

21、气体占炉气总量的99.5%，则炉气总量为：（7.938 + 1.014 + 0.004 + 0.016 + 0.1）/99.5% = 9.118 m3自由O2量为 9.118 ×0.5% = 0.046 m3，其质量为0.046×32/22.4 = 0.065 kg表1-14 炉气量及成分成分质量/kg体积/ m3体积/%CO9.87 + 0.053 = 9.9239.923×22.4/28 = 7.93887.06CO21.723 + 0.009 +0.11+0.15= 1.9921.992×22.4/44 = 1.01411.12SO20.01170

22、.0117×22.4/64 = 0.0040.04H2O0.005 + 0.008 = 0.0130.013×22.4/18 = 0.0160.17N20.1250.11.1O20.0650.0460.5总计12.139.1181001.2.5 未加废钢和合金时的物料平衡表把以上各种物质的总收入和总支出汇总起来，得到未加合金时的物料平衡表1-15.表1-15 未加废钢和合金时的物料平衡表收入支出项目质量/kg%项目质量/kg%铁水10086.67钢水91.14779.11石灰2.932.54炉渣10.1638.82白云石3.02.60炉气10.4989.11矿石1.00.8

23、7烟尘1.601.39萤石0.40.35喷溅1.00.87炉衬0.50.43铁珠0.8130.70氧气7.4336.44氮气0.1110.10总计115.374100总计115.221100计算误差 = （收入项 支出项）/收入项×100% = （118.119 118.281）/118.119×100% =-0.137%.1.3 热平衡计算 为了简化运算，取加入炉内的炉料温度均为25。1.3.1 热收入 热收入主要是铁水的物理热和元素氧化的化学热。（1） 铁水物理热铁水凝固温度Tf可用表达式Tf = （1536 %iTi6）计算，即Tf = 1536 （100×

24、4.8 + 8×0.7 + 5×0.2 + 30×0.1 + 25×0.044）6= 1039.3铁水物理热Q物 = CsTf + Qf + Cl( T Tf ) = 100×0.754×(1039.3 25) + 218 + 0.837×（1230 1039.3） = 114239.8 kJ注：式中%i-铁水中元素含量； Ti - 1%的元素使纯铁凝固温度的降低值，参考/王令福炼钢厂设计原理表7-20 Cs、Cl - 分别为液态、固态的热容量，kJ/kg K，参考表1-3； Tf、T - 分别为冷却剂（生铁）的熔点和熔池温

25、度，K，Tf见表1-3.（2） 铁水中元素氧化放热和成渣热 根据表1-4、表1-7、表1-12数据计算如下：C+1/2O2=CO 4.23 × 10950 = 46318.5 kJC+O2=CO2 0.47 × 34520 = 16224.4 kJSi+O2=SiO2 0.7 × 28314 = 19819.8 kJMn+1/2O2=MnO 0.1 × 7020 = 702 kJ2P+5/2O2=P2O5 0.09 × 18923 = 1703.07 kJ Fe+1/2O2=FeO 0.241 × 5020 = 1209.8 kJFe

26、+3/2O2=Fe2O3 0.0406 × 6670 =207.8 kJSiO2+2CaO=2CaOSiO2 1.775 × 2070 = 3674.25 kJP2O5+4CaO=4CaO P2O5 0.211 × 5020 = 1059.22 kJ 总计 90981.8 kJ（3） 烟尘氧化放热 1.6×（77%×56/72×5020 + 20%×112/160×6670）= 6304.4 kJ(4) 炉衬中碳氧化放热 0.5×5%（90%×10950 + 10%×34520）= 3

27、32.7 kJ 因此，炉内热收入总量为： 114239.8 + 90981.8 + 6304.4 + 332.7 = 211858.7 kJ1.3.2 热支出（1）钢水物理热钢水熔点Tf = 1536 （65×0.1 + 5×0.1 + 30×0.01 + 25×0.0264）6 = 1522 T = 1522 + 70 + 8 + 50 = 1650 钢水物理热= 91.898 ×0.699×（1522 25）+ 272 + 0.837×（16501522）= 131004. kJ(2) 炉渣物理热计算时取炉渣终点温度与钢

28、水温度相同。炉渣物理热 =11.623×1.248×（1650 - 25）+ 209 = 26000.6 kJ(3) 矿石分解热 = 1×（29.4%×56/72×5020 + 61.8%×112/160×6670+209.2）=4242.5 kJ(4) 烟尘物理热 = 1.6×1.0×(1450 25) + 209.2 = 2614.7 kJ（5）炉气物理热 = 12.13×1.137×（1450 - 25）= 19653.3 kJ(6) 渣中铁珠物理热 = 0.93×0.

29、699×(1522 - 25) + 272 + 0.837×（1650 - 1522） = 1325.7 kJ(7) 喷溅金属物理热 =0.1×0.699×(1522 25) + 272 + 0.837×(1650 - 1522) = 142.6 kJ(8) 吹炼热损失 吹炼过程热损失包括炉体和炉口的热辐射、对流、和传导传热、冷却水带走热等。在本设计中，取吹炼热损失为热量总收入的7.5%，所以吹炼过程热损失为： 211858.7×7.5% = 15889.4 kJ（9）废钢耗热总的热收入减去热支出，得到的富余热量用加入废钢来调节。富余

30、热量 =211858.7-（131004.2+26000.6+4242.5+2614.7+19653.3+1325.7+142.6+15889.4）= 10985.7 kJ1千克废钢熔化耗热 = 1×0.699×(1522 - 25) + 272 + 0.837×(1650 - 1522) = 1422.5 kJ则废钢加入量 = 10985.7/1422.5 = 7.72 kg废钢比=7.72/（7.72+100）=0.0721.3.3 热平衡表把全部热收入和热支出汇总，得到热平衡表1-16热平衡表1-16热收入热支出项目热量/kJ%项目热量/kJ%铁水物理热11

31、4239.853.92铁水物理热131004.261.84元素放热和成渣热90981.842.94炉渣物理热26000.612.27C62542.929.52矿石分解热4242.52Si19819.89.36烟尘物理热2614.71.23Mn7020.33炉气物理热19653.39.28P1703.070.8铁珠物理热1325.70.63Fe1480.60.70喷溅物理热142.60.07SiO23674.251.73吹炼热损15889.47.5P2O51059.220.5废钢熔化热10985.75.19烟尘氧化放热6304.42.98炉衬碳放热332.70.16共计211858.7100共计

32、211858.7100热效率 =(钢水物理热 + 矿石分解热 + 废钢熔化热)/热收入×100% =（131004.2 + 4242.5 + 10985.7）/211858.7×100% = 69.02%1.4 加废钢和合金化后的物料平衡 先根据钢种成分设定值和铁合金成分及其收得率，计算出所加入的锰铁和硅铁的加入量，在计算其元素的烧损量。再将所有结果与表1-15归类合并，即可得到总的物料平衡表。（1） 加废钢 如1.3.3计算得到冶炼100 kg铁水需要加废钢7.72g。（2） 加合金 锰铁加入量 = 钢水量×（W钢种 - W终点）/(锰铁含锰量×回收率

33、) =91.898× （0.48% - 0.17%）/(67.8% ×80%) = 0.53 kg硅铁加入量 = （WSi钢种 - WSi终点）×加锰铁后的钢水量 锰铁中含硅量÷(硅铁含硅量×回收率) = (0.15% - 0）×（91.898 + 0.53）- 0.5%×0.52×75%/73%×75% = 0.25 kg铁合金中元素的烧损量和产物量列于表1-17中表1-17 铁合金中元素烧损量及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C0.53×6.6%

34、×10% = 0.0030.0080.0110.53×6.6%×90% = 0.031Mn0.53×67.8%×20% = 0.0720.0210.0920.53×67.8%×80%=0.282Si0.53×0.5%×25% = 0.0010.0010.0020.53×0.5%×75% = 0.002P0.53×0.23% = 0.001S0.53×0.13% = 0.001Fe0.53×24.74% = 0.129合计0.0750.0300.0940.0

35、110.446硅铁Al0.25×2.5%×10% = 0.0060.0050.0011Mn0.25×0.5%×20% = 0.00020.00010.00030.25×0.5%×80% = 0.001Si0.25×73%×25% =0.0440.0500.0940.25×73%×75% = 0.131P0.25×0.05% = 0.0001S0.25×0.03% =0.0001Fe0.25×23.92% = 0.057合计0.0500.0550.1050.189总计

36、0.1250.0850.1990.0110.635注：表中脱氧量、成渣量、炉气量的计算方法和前面一样。加合金后钢水成分如下：W(C) = 0.15% + 0.031/(91.898 + 0.635) ×100% = 0.18% ；W(Si) = (0.002 + 0.131) /(91.898 + 0.635) ×100% = 0.14% ；W(Mn) = 0.17% + (0.282 + 0.001) /(91.898 + 0.635) ×100% = 0.48% ；W(P) = 0.015 + 0.001/(91.898 + 0.635) ×100%

37、 = 0.016% ；W(S) = 0.016 + 0.01/(91.898 + 0.635) ×100% = 0.017% .对比1.1.3冶炼钢种及规格成分，以上结果满足设定要求。根据以上结果作出冶炼100 kg铁水的总物料平衡表，如表1-18所示表1-18 总物料平衡表收入支出项目质量/kg%项目质量/kg%铁水10079.16钢水91.147+0.635+10.20=101.9880.77废钢10.208.07炉渣10.163+0.199 = 10.368.21石灰2.932.32炉气10.498+0.011 = 10.518.32萤石0.40.32烟尘1.61.27白云石3

38、02.37喷溅1.00.79炉衬0.50.40铁珠0.8130.64氧气7.4335.88锰铁0.520.41硅铁0.240.19氮气0.1110.09矿石100.79合计126.33100合计126.26100计算误差 = （126.33 126.26）/126.33 ×100% = 0.06%2 转炉炉型设计 转炉是转炉炼钢车间的核心设备。转炉炉型及其主要参数对转炉炼钢的生产率、金属收得率、炉龄等经济指标都有直接的影响，其设计是否合理也关系到冶炼工艺能否顺利进行，车间主厂房高度和转炉配套的其他相关设备的选型。2.1 炉型的选择本设计为240t的大型转炉，选用筒球型转炉。2.2 炉

39、容比与高宽比2.2.1 炉容比（V/T , ）炉容比是转炉有效容积与公容量的比值，主要与供氧强度有关，本设计选取炉容比为0.902.2.2 高宽比 高宽比是指转炉炉壳总高度与炉壳外径的比值，是作为炉型设计的校核数据。取1.35.2.3 转炉主要尺寸的确定 2.3.1 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。可根据公式求得，其中：G 新炉金属装入量，t；（取公称容量）t 吹氧时间，min，取18minK比例系数，取1.50则熔池直径1.5×（240÷18）5.48m熔池深度是指转炉熔池在平静状态时，从金属液面到炉底的深度。对于筒球型熔池，取球缺体半径R = 0,9D = 4932 mm，此时熔池体积与熔池直径存在如下关系：，即。熔池体积 = 装入量/比重 =240/6.9 = 34.78则熔池深度（34.78+0.046×5.483）/（0.790×5.482）1.79m2.3.2 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。在本设计中取 = 60°.（2） 炉口直径d0本设计中取取炉口直径为熔池直径的46%，即d0 = 5.48×46