年产260吨钢的转炉车间设计论文

资料范本资料范本本资料为word版本，可以直接编辑和打印，感谢您的下载年产260吨钢的转炉车间设计论文地点：__________________时间：__________________说明：本资料适用于约定双方经过谈判，协商而共同承认，共同遵守的责任与义务，仅供参考，文档可直接下载或修改，不需要的部分可直接删除，使用时请详细阅读内容太原科技大学毕业设计（论文）任务书（由指导教师填写发给学生）学院（直属系）：材料科学与工程学院时间：2014年3月12日说明：一式两份，一份装订入学生毕业设计（论文）内，一份交学院（直属系）。目录

TOC\o"1-3"\h\u

23539

摘要

IV

26587

Abstract

V

20720

第1章绪论

-1-

10040

1.1转炉炼钢的历史及发展

-1-

2038

1.1.1转炉炼钢概述

-1-

12903

1.1.2世界转炉炼钢的发展历程

-1-

9925

1.1.3我国转炉炼钢的发展

-3-

8588

1.2转炉炼钢的分类

-3-

20677

1.2.1氧气顶吹转炉炼钢

-4-

11994

1.2.2氧气底吹转炉炼钢

-4-

12811

1.2.3顶底复吹转炉炼钢

-5-

28189

第2章炼钢过程的物料平衡和热平衡计算

-7-

20267

2.1物料平衡计算

-7-

31137

2.1.1计算原始数据

-7-

10505

2.1.2物料平衡基本项目

-9-

1893

2.1.3计算步骤

-9-

31688

2.2热平衡计算

-17-

12461

2.2.1计算所需原始数据

-17-

23166

2.2.2计算步骤

-17-

18300

第3章年产260万吨氧气顶吹转炉设计

-21-

13667

3.1氧气顶吹转炉炉型及各部分尺寸

-21-

12407

3.1.1转炉炉型及其选择

-21-

1680

3.1.2转炉炉型各部分尺寸的确定

-21-

11580

3.2转炉炉衬

-25-

386

3.2.1炉衬材质选择

-25-

8769

3.2.2炉衬组成及厚度确定

-26-

17413

3.3砖型选择

-26-

31908

第4章氧气顶吹转炉氧枪设计

-28-

15159

4.1.1喷头参数选择原则

-29-

16286

4.1.2120t转炉氧枪喷头尺寸计算

-31-

17845

4.2氧枪枪身设计

-33-

15994

4.2.1枪身各层尺寸的确定

-33-

9276

4.2.2氧枪长度的确定

-36-

28468

4.3氧枪装置和副枪装置

-36-

5183

4.3.1氧枪装置

-36-

3138

4.3.2副枪装置

-37-

7873

第5章炉外精炼设备及工艺布置

-38-

4092

5.1炉外精炼方法的选择

-38-

3353

5.1.1炉外精炼的功能

-38-

647

5.1.2各种产品对精炼功能的一般要求

-38-

32348

5.1.3炉外精炼方法的确定

-38-

20273

5.2LF精炼炉

-39-

17828

5.2.1LF精炼炉的特点

-39-

17831

5.2.2LF炉设备及其配置

-39-

254

5.2.3LF炉在车间内的布置

-40-

11401

5.3RH精炼炉

-41-

8745

5.3.1RH设备的特点

-41-

26036

5.3.2RH真空脱气室设计原理

-41-

17984

第6章连续铸钢设备

-42-

6594

6.1连铸机机型分类

-42-

7098

6.2连铸机的主要工艺参数

-42-

19592

6.2.1钢包允许的最大浇铸时间

-42-

7756

6.2.2铸坯断面

-43-

8282

6.2.3拉坯速度

-43-

12701

6.2.4连铸机的流数

-44-

3133

6.2.5铸坯的液相深度和冶金长度

-45-

4886

6.2.6弧形半径

-46-

13456

6.3连铸机生产能力的确定

-46-

32641

6.3.1连铸机与炼钢炉的合理匹配和台数的确定

-46-

23617

6.3.2连铸浇注周期计算

-47-

27194

6.3.3连铸机的作业率

-47-

31956

6.3.4连铸坯收得率

-48-

5330

6.3.5连铸机生产能力的计算

-49-

26535

6.4连铸机主要设备

-50-

13930

6.4.1钢包与中间包的钢流控制系统

-50-

7112

6.4.2钢包回转台

-51-

16491

6.4.3中间包及其载运设备

-51-

14142

第7章氧气顶吹转炉炼钢车间设计

-53-

15297

7.1转炉车间组成与生产能力计算

-53-

28084

7.2转炉车间主厂房工艺布置

-53-

27157

7.2.1装料跨布置

-53-

3124

7.2.2转炉跨布置

-55-

13896

7.2.3连铸各跨布置

-60-

17449

第8章炼钢车间烟气净化与回收

-64-

32218

8.1烟气与烟尘

-64-

20407

8.1.1烟气特征

-64-

8834

8.1.2烟尘性质

-65-

16747

8.2烟气净化方案选择

-65-

3453

8.3烟气净化系统主要设备

-65-

8916

8.3.1烟罩

-66-

23133

8.3.2烟气冷却系统

-66-

24711

8.3.3除尘器

-66-

19816

参考文献

-67-

14232

致谢

-68-

6592

附录

-69-

年产260万吨良坯(锭)转炉炼钢车间设计摘要本设计简要介绍了转炉炼钢、我国和世界炼钢技术的发展历程。然后进行了物料平衡和热平衡的计算，再依给定的年产计算出其公称容量为120t,设计出其炉型和氧枪；再根据给的钢种来确定其炉外精炼的方法和布置，还有连铸设备的选择；然后根据选择和计算出的数值来设计出炼钢车间，最后处理好烟气的净化和回收，从而完成本设计。关键词：氧气顶吹转炉，物料平衡和热平衡,炉型，氧枪,连铸,炼钢车间AbstractThedesignintroducedBOFsteelmakingandtheprogressofhomeandabroad.Calculatedmaterialandheatbalance,calculatednominalcapacity120tonsbyannualproduction,designedfurnaceandoxygenlance.Accordingtosteelspeciesdeterminedthemethodandlayoutofsecondaryrefining,theselectofcontinuouscastingequipment,underthecalculationandselect.Intheand,handledfluegascleaningandrecovery.Keywords:oxygenlance,heatandmaterialbalance,furnace,oxygenlance,continuouscasting,makingworkshop第1章绪论1.1转炉炼钢的历史及发展1.1.1转炉炼钢概述转炉炼钢（convertersteelmaking）是以铁水、废钢、铁合金为主要原料，不借助外加能源，靠铁液本身的物理热和铁液组分间化学反应产生热量而在转炉中完成炼钢过程。碱性氧气顶吹和顶底复吹转炉由于其生产速度快、产量大，单炉产量高、成本低、投资少，为目前使用最普遍的炼钢设备。转炉主要用于生产碳钢、合金钢及铜和镍的冶炼（1）。转炉炼钢的原材料分为金属料、非金属料和气体。金属料包括铁水、废钢、铁合金，非金属料包括造渣料、熔剂、冷却剂，气体包括氧气、氮气、氩气、二氧化碳等。非金属料是在转炉炼钢过程中为了去除磷、硫等杂质，控制好过程温度而加入的材料。主要有造渣料（石灰、白云石），熔剂（萤石、氧化铁皮），冷却剂（铁矿石、石灰石、废钢），增碳剂和燃料（焦炭、石墨籽、煤块、重油）。1.1.2世界转炉炼钢的发展历程早在1856年德国人

贝斯

麦就发明了底吹酸性转炉炼钢法，这种方法是近代炼钢法的开端，它为人类生产了大量廉价钢，促进了

欧洲

的工业革命。但由于此法不能去除硫和磷，因而其发展受到了限制。1879年出现了

托马斯

底吹碱性转炉炼钢法，它使用带有碱性炉衬的转炉来处理高磷生铁。虽然转炉法可以大量生产钢，但它对生铁成分有着较严格的要求，而且一般不能多用废钢。1952年在

奥地利

出现纯氧顶吹转炉，它解决了钢中氮和其他有害杂质的含量问题，使质量接近平炉钢，同时减少了随废气（当用普通空气吹炼时，空气含79%无用的氮）损失的热量，可以吹炼温度较低的平炉生铁，因而节省了高炉的焦炭耗量，且能使用更多的废钢。由于转炉炼钢速度快（炼一炉钢约10min，而平炉则需7h），负能炼钢，节约能源，故转炉炼钢成为当代炼钢的主流。其实130年以前贝斯麦发明底吹空气炼钢法时，就提出了用氧气炼钢的设想，但受当时条件的限制没能实现。直到20世纪50年代初奥地利的VoestAlpine公司才将氧气炼钢用于工业生产，从而诞生了氧气顶吹转炉，亦称LD转炉。顶吹转炉问世后，其发展速度非常快，到1968年出现氧气底吹法时，全世界顶吹法产钢能力已达2.6亿吨，占绝对垄断地位。1970年后，由于发明了用碳氢化合物保护的双层套管式底吹氧枪而出现了底吹法，各种类型的底吹法转炉（如OBM，Q-BOP，LSW等）在实际生产中显示出许多优于顶吹转炉之处，使一直居于首位的顶吹法受到挑战和冲击。顶吹法的特点决定了它具有渣中含铁高，钢水含氧高，废气铁尘损失

大和

冶炼超低碳钢困难等缺点，而底吹法则在很大程度上能克服这些缺点。但由于底吹法用碳氢化合物冷却喷嘴，钢水含氢量偏高，需在停吹后喷吹惰性气体进行清洗。基于以上两种方法在冶金学上显现出的明显差别，故在20世纪70年代以后，国外许多国家着手研究结合两种方法优点的顶底复吹冶炼法。继奥地利人Dr.Eduard等于1973年研究转炉顶底复吹炼钢之后，世界各国普遍开展了转炉复吹的研究工作，出现了各种类型的复吹转炉，到20世纪80年代初开始正式用于生产。由于它比顶吹和底吹法都更优越，加上转炉复吹现场改造比较容易，使之几年时间就在全世界范围得到普遍应用，有的国家（如

日本

）已基本上淘汰了单纯的顶吹转炉。氧气转炉炼钢从顶吹发展到顶底复吹经历了30多年，现已成为世界上主要的炼钢方法，目前转炉钢的比例已达70%以上。传统的转炉炼钢过程是将高炉来的铁水经混铁炉混匀后兑入转炉，并按一定比例装入废钢，然后降下水冷氧枪以一定的供氧、枪位和造渣制度吹氧冶炼。当达到吹炼终点时，提枪倒炉，测温和取样化验成分，如钢水温度和成分达到目标值范围就出钢。否则，降下氧枪进行再吹。在出钢过程中，向钢包中加入脱氧剂和铁合金进行脱氧、合金化。然后，钢水送模铸场或连铸车间铸锭。随着用户对钢材性能和质量的要求越来越高，钢材的应用范围越来越广，同时钢铁生产企业也对提高产品产量和质量，扩大品种，节约能源和降低成本越来越重视。在这种情况下，转炉生产工艺流程发生了很大变化。铁水预处理、复吹转炉、炉外精炼、连铸技术的发展，打破了传统的转炉炼钢模式。已由单纯用转炉冶炼发展为铁水预处理——复吹转炉吹炼——炉外精炼——连铸这一新的工艺流程。这一流程以设备大型化、现代化和连续化为特点。氧气转炉已由原来的主导地位变为新流程的一个环节，主要承担钢水脱碳和升温的任务了。1.1.3我国转炉炼钢的发展我国炼钢生产工艺技术的发展，大致可划分为3个发展阶段：自力更生阶段、改革开放阶段和集成创新阶段。自力更生阶段[2]：新中国成立后，在自力更生、艰苦奋斗的方针指导下，新中国的炼钢生产得到了迅速恢复和较快发展。但由于受到西方工业发达国家的技术封锁，我国炼钢生产技术与国际先进水平有很大差距，炼钢生产仍以落后的平炉一模铸工艺为主，中小型钢铁企业占相当大的比例。对20世纪50～60年代国际上开发投产并迅速推广的氧气转炉、连铸、钢水炉外精炼和铁水预处理等新工艺、新技术国内迟迟未能大量采用。这一阶段建设了新中国钢铁工业的脊梁，培养了优良的作风和大批优秀的技术、管理人才，为中国钢铁工业的振兴奠定了基础。改革开放阶段：这一历史时期我国采取对外开放的基本国策，通过学习、引进、消化和吸收国外先进技术使我国炼钢生产技术逐步实现现代化。集成创新阶段：20世纪90年代中期国内开始学习并引进美国溅渣护炉技术，通过不断的技术再创新和集成创新形成了具有中国特色的溅渣护炉技术，在全国广泛推广，获得巨大成绩。这标志着我国炼钢生产技术的发展开始从单纯学习、引进国外先进技术为主，逐渐转移到以国内自主创新和集成创新为主的发展道路。随着国内炼钢生产技术的发展，我国钢产量快速增长，从1966年的1亿t增到2005年的3．49亿t，约占世界钢产量的三分之一，其生产技术的发展令全世界目。1.2转炉炼钢的分类转炉按炉衬的

耐火材料

性质分为碱性（用镁砂或白云石为内衬）和酸性（用硅质材料为内衬）;按气体吹入炉内的部位分为底吹、顶吹和顶底复吹;按吹炼采用的气体，分为空气转炉和氧气转炉。酸性转炉不能去除生铁中的硫和磷，须用优质生铁，因而应用范围受到限制。碱性转炉适于用高磷生铁炼钢，曾在西欧得到较大发展。空气吹炼的转炉钢，因含氮量高，质量不如平炉钢，且原料有局限性，又不能多配废钢，未能像

平炉

那样在世界范围内广泛采用。1952年氧气顶吹转炉问世，逐渐取代空气吹炼的转炉和平炉，现在已经成为世界上主要炼钢方法。在氧气顶吹转炉炼钢法的基础上，为吹炼高磷生铁，又出现了喷吹石灰粉的氧气顶吹转炉炼钢法。随氧气底吹的风嘴技术的发展成功，1967年德国和法国分别建成氧气底吹转炉。1971年美国引进此项技术后又发展了底吹氧气喷石灰粉转炉，用于吹炼含磷生铁。1975年法国和卢森堡又开发成功顶底复合吹炼的转炉炼钢法。1.2.1氧气顶吹转炉炼钢用纯氧从转炉顶部吹炼铁水成钢的转炉炼钢方法称为LD法或称BOF法。此炼钢方法继承了过去的空气吹炼转炉的优点，又克服了其缺点。与电炉炼钢相比，该方法具有以下优点：1）生产率高；2）对铁水成分的适应性强；3）废钢使用量高；4）可生产低硫、低磷、低氮、及地杂质钢等；5）可生产几乎所有主要钢品种。正因为有这些长处，氧气顶吹转炉炼钢法在1952年后迅速地发展为世界上的主要炼钢方法。它主要用于冶炼非合金钢和低合金钢；但通过精炼手段，也可用于冶炼不锈钢等合金钢。1.2.2氧气底吹转炉炼钢通过转炉底部的氧气喷嘴把氧气吹入炉内熔池，使铁水冶炼成钢的转炉炼钢方法成为OBM法。OBM法的出现使处于垄断地位的氧气顶吹转炉炼钢法受到了挑战和冲击。这是因为氧气底吹转炉炼钢法显示出许多优于顶吹法之处，可归纳为：1）熔池搅拌力强，相当或大于顶吹法的10倍，因此，熔池的成分、温度均匀、操作平稳，且可防止喷溅和金属损失。2）脱碳速度快，熔池碳氧反应更处于平衡状态，因此更适合于冶炼低碳钢，即使转炉终点[C]为0.01%～0.02%时（质量分数），也不会出现渣、钢过氧化现象，且有较高的残锰收得率，因此比氧气顶吹转炉炼钢法有更高的钢水和合金收得率。由于以上两点明显的优点，从70年代开始，西德、美国、法国、比利时、瑞典以及日本相继投产了一些氧气底吹转炉。然而，氧气底吹转炉也存在一些自身难以克服的缺点，如：1）由于熔池上方形成不了类似顶吹法时的熔状区，因此，脱磷困难。2）由于仅极少量CO在炉内燃烧成CO2，因此产生热量比顶吹法低，废钢比低于顶吹法4%左右。3）由于使用碳氢化合物冷却喷嘴，因此钢水[H]比顶吹法高。1.2.3顶底复吹转炉炼钢因为顶吹法和底吹法各有长处和短处，而自身又无法克服其短处，因此，促使人们去思考寻求集两者优点而克服两者缺点的新途径。另外，70年代，连铸技术在全世界迅速发展，对炼钢在钢质和成分上提出了更高要求，因此这种集顶吹和底吹优点的新技术的研究加快了步伐。1978年，卢森堡阿尔蓖德贝尔瓦厂首先开发出顶吹氧、底吹惰性气体的复合吹炼方法，即LBE法，且很快在西欧、北美迅速推广。与此同时，日本各大钢厂也相继开发成功顶底复吹技术，并成功用于工业生产。由于顶底复吹技术显示出诸多冶金效果及经济效益，同时，由于将顶吹转炉改成复吹转炉无须大幅度改造，因而顶底复吹技术经问世5年后，在世界范围内已有70座容量≥150t的大型转炉改造成功并投产。可以说，到80年代末，复吹炼钢法已取代顶吹法而成为转炉炼钢的主流。顶底复合吹炼技术主要分三大类：（1）顶吹氧、底吹惰性气体法：顶吹氧气，底吹气体为N2、AR及CO2弱氧化性气体，底吹气体流量大致在0.3NM3/t·min以下，该技术为加强搅拌型复吹方法，其目的主要是加强搅拌效果来获得较好的冶金效果；（2）顶底复合吹氧法：该技术是指顶底同时吹氧、在底吹氧的同时也可吹入部分熔剂，属于强化冶炼型的复吹方法。底吹氧量约为顶吹的5%～40%（0.2～1.5M3/t·min）。供气元件为双套管，中心吹O2，外层吹CO2、N2、Ar及天燃气作保护；（3）顶底吹氧、喷加燃料法：该技术指顶吹氧、底吹或侧吹氧，同时底喷或加入燃料，属于增加废钢型的复吹方法。顶底复吹的主要冶金特征表现在以下几方面：（1）碳氧反应更趋平衡；（2）吹炼终点残锰明显提高；（3）脱磷脱硫反应更趋平衡。由于复吹具有上述明显的冶金特征，因而它给钢厂带来了诸多优点，可归纳为：（1）渣中含铁量降低2.5%～5.0%；（2）金属收得率提高0.5%～1.5%；（3）残锰提高约0.02%～0.06%；（4）石灰消耗减少3～10Kgt；（5）磷含量降低约0.002%；（6）降低O2耗约8%；（7）减少耐材消耗，提高炉龄。第2章炼钢过程的物料平衡和热平衡计算炼钢过程的物料平衡和热平衡计算是建立在物质与能量守恒的基础上的[3]。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定量依据。由于炼钢是一个复杂的高温物理化学变化过程，加上测试手段有限，目前还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。2.1物料平衡计算2.1.1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（见表2.1）；造渣用溶剂及炉衬等原材料的成分（见表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表2-2原材料成分表2.3铁合金成分（分子）及其回收率（分母）注：上表中的C中10%于氧生成CO2。表2.4其他工艺参数设定值2.1.2物料平衡基本项目收入项有：铁水、废钢、溶剂（石灰、萤石、轻烧白云石）、氧气、炉衬蚀损、铁合金。支出项有：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、炉衬蚀损和计入溶剂的成渣量。其各项成渣量分别列于表2.5、2.6和2.7。总渣量及其成分列于表2.8中。第二步:计算氧气消耗量。氧气实际耗量系消耗项目与供入项目之差。见表2.9。表2.5铁水中元素的氧化产物及其渣量①由CaO还原出的氧量；消耗的CaO量=0.020×56/32=0.035kg。表2.6炉衬蚀损的成渣量表2.7加入溶剂的成渣量①石灰加入量计算如下：由表4.6～4.8可知，渣中已含(CaO)=-0.035+0.004+0.002+0.910=0.881㎏；渣中已含(SiO2)=1.500+0.009+0.028+0.020=1.557㎏。因设定的终渣碱度R=3.5；故石灰的加入量为：[RΣω(SiO2)-Σω(CaO)]/[ω(CaO石灰)-R×ω(SiO2石灰)]=4.5685/(88.25%-3.5×2.55%)=5.76kg②(石灰中CaO含量)-(石灰中S→CaS消耗的CaO量)。③由CaO还原出来的氧量，计算方法同表2-6的注。表2.8总渣量及其成分①总渣量计算如下：因为表2-9中除(FeO)和(Fe2O3)以外总渣量为：5.996+1.704+1.029+0.112+0.497+0.440+0.416+0.041=10.235Kg，而终渣Σω(FeO)=15%(表2.4)，故总渣量为10.235÷86.75%=11.798Kg。②ω(FeO)=11.798×8.25%=0.973Kg。③ω(Fe2O3)=11.798×5%-0.036-0.005-0.008=0.541Kg。表2.9实际耗氧量①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、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V∑：式中Vg—CO、CO2、SO2和H2O各组分总体积，m³。本设计中，其值为6.598×22.4/28+2.310×22.4/44+0.020×22.4/64+0.011×22.4/18=6.538m³；GS—不计自由氧的氧气消耗量，Kg。其值为：6.065+0.062+0.34=6.467Kg；VX—石灰中的S与CaO反应还原出的氧气量（其质量为：0.001Kg）；99—由氧气纯度99%转换得来；0.5%—炉气中自由氧含量。表2.10炉气量及其成分①炉气中O2的体积为6.617×0.5%=0.033m³；质量为0.033×32/22.4=0.047kg。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0.046×28/22.4=0.058kg。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。2.11未加废钢时的物料平衡表注：计算误差为（115.63-115.81）/115.63100%=-0.15%。表2.12废钢中元素的氧化量及其成渣量第五步：计算加入废钢的物料平衡。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2.13加入废钢的物料平衡表(以100Kg铁水为基础)注：计算误差为(119.71-120.02)/119,71100%=-0.26%。表2.14加入废钢的物料平衡表（以100Kg（铁水+废钢）为基础）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）和铁合金成分及其烧损率（表2.3）算出锰铁和硅铁的加入量，再计算其元素的烧损量。将所得结果与表2.14归类合并，即得冶炼一炉钢的总物料平衡表。锰铁加入量为：=硅铁加入量为：=铁合金中元素的烧损量和产物量列于表2.15表2.15铁合金中元素烧损量及其产物量脱氧和合金化后的钢水成分如下：可见，含碳量尚未达到设定值。为此需要在钢包内加焦炭粉增碳。其加入量W1为:焦粉生成的产物如下：由上述计算可得冶炼过程(即脱氧和合金化后)的总物料平衡表2.16。表2.16总物料平衡表注：计算误差为(114.06-115.25)/114.06×100%=-1.04%。①可近似认为(0.102+0.016)的氧量系出钢水时二次氧化所带入的氧量。2.2热平衡计算2.2.1计算所需原始数据计算所需基本原始数据有：各种入炉料及产物的温度（表2.17）；物料平均热容（表2.18）；反应热效应（表2.19）；溶入铁水中的元素对铁熔点的影响（表2.20）。其他数据参照物料平衡选取。表2.17入炉料及产物的温度设定值纯铁熔点为1536℃表2.18物料平均热容表2.19炼钢温度下的反应热效应2.2.2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：先根据纯铁熔点、铁水成分以及溶入元素对铁熔点的降低值(见表2.17、2.2和2.19)计算铁水熔点Tt，然后由铁水温度和生铁热容(见表2.17和表2.18)确定Qw。表2.20溶入铁水中的元素对铁熔点的降低值(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(见表2.29)可以计算出，其结果列于表2.21中。表2.21元素氧化热和成渣热(3)烟尘氧化热Qc：由表2.5中给出的烟尘参数和反应热效应计算可得。(4)炉衬中碳的氧化热Q1：根据炉衬侵蚀量和含碳量确定。故热收入总值为：第二步：计算热支出项Qz。热支出项包括：钢水物理热；炉渣物理热；炉尘物理热；炉气物理热；渣中铁珠物理热；喷溅物(金属)物理热；轻烧白云石物理热；热损失；废钢吸热。钢水物理热Qg：先按求铁水熔点的方法确定钢水熔点Tg；再根据出钢和镇静时的实际温降(通常前者为40～60℃，后者约为3～6℃/min，具体时间与盛钢桶大小和浇注条件有关)以及要求的过热度(一般为50～90℃)确定出钢温度Tz；最后由钢水量和热容算出物理热。（式中，0.60、0.50、0.020和0.021分别为终点钢水中C、Mn、P和S的含量。）（式中，50、50和70分别为出钢过程中的温降、镇静及炉后包括精炼处理等过程中的温降和过热度。）(2)炉渣物理热Qr：令终渣温度与钢水温度相同，则得：(3)炉衬、烟尘、铁珠和喷溅金属的物理热Qx。根据其数量、相应的温度和热容确定。祥见表2.22。表2.22某些物料的物理热(4)生白云石分解热Qb:根据其用量、成分和表2.20所示的热效应计算的。(5)热损失Qq：其他热损失带走的热量一般占总热收入的3%～8%。本计算取5%，则得(6)废钢吸热Qf：用于加热废钢的热量系剩余热量，即故废钢加入量Wf为：即废钢比为：热效率若不计算炉渣带走的热量时：热效率表2.23热平衡表应当指出，加入铁合金进行脱氧和合金化，会对热平衡数据产生一定得影响。对转炉用一般生铁冶炼低碳钢来说，所用铁合金种类有限，加入数量也不多。据有关资料所说，其热收入部分约占总热收入的0.8%～1.0%，热支出部分约占0.5%～0.8%，二者基本持平。因此对于本设计中的两种钢种的热平衡计算步骤和结果是基本相同的，即为表2.23所示。第3章年产260万吨氧气顶吹转炉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。所以，设计一座炉型结构合理，满足工艺要求的转炉是保证车间正常生产的前提，而炉型设计又是整个转炉车间设计的关键。3.1氧气顶吹转炉炉型及各部分尺寸3.1.1转炉炉型及其选择转炉由炉帽、炉身、炉底三部分组成。转炉炉型是指由上述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【4】有关。由于筒球型炉型形状简单，砌砖方便，炉壳容易制造，被国内外大、中型转炉普遍采用。故我们选择筒球型，其熔池由球缺体和圆柱体两部分组成。3.1.2转炉炉型各部分尺寸的确定转炉炉型各部分尺寸，主要是通过总结现有转炉的实际情况，结合一些经验公式并通过模型试验来确定。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。转炉在一个炉役期内，由于炉衬侵蚀而逐渐减薄，炉容量随之增大，因此，需要一个统一的衡量标准，叫做公称容量【5】。我国转炉公称容量一般用一个炉役期内的平均炉产钢水量来表示。每一座吹炼转炉的年出钢炉数N为：式中：T1—每炉钢的平均冶炼时间，min，取40min；T2—一年有效作业天数，d；1440—一年的日历时间，min；365—一年的日历天数，d；—转炉的作业率，%，若转炉与模铸或部分连铸配合时，一般取，若全连铸则取取。代入数值得炉次/年在选定转炉公称容量和转炉工作制后，即可计算出车间的年产钢水量：式中：W—车间年产钢水量，t；n—车间经常吹炼炉座数，本设计采用“二吹二”工作制，所以n=2；N—每一座吹炼炉的年出钢炉数；q—转炉公称容量，t。代入数值得取转炉吹氧时间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：在供氧量增大的情况下，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的平方成正比，即：将上边两式合并得：式中D—熔池直径，m；K—系数，参见表3.1；G—新炉金属装入量t，可取公称容量；t—平均每炉钢铁纯吹氧时间，min，参见表3.2。表3.1系数K的推荐值表3.2平均每炉钢冶炼时间推荐表结合炉子公称容量的大小,取t=18，K=1.7故(2)熔池深度h。熔池深度是指转炉熔池在平静状态时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后，可利用几何公式计算熔池深度h。对筒球型熔池：通常球缺底的半径R为熔池直径D的倍。当R=1.1D，球缺体高h1=0.12D时，熔池体积V池和熔池直径D及熔池深度h有如下关系：根据熔池的定义，熔池体积V池应等于金属液体积V金，即：式中V金——新炉金属装入量占有的体积；，为金属液密度，取t/m3。取为7.0得：球缺体半径球缺体高度2.炉身尺寸的确定转炉炉帽以下，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的故需确定的尺寸是炉身高度H身。式中V帽，V身，V池—分别为炉帽、炉身和熔池的容积；Vt—转炉有效容积，为V帽、V身、V池三者之和，取决于炉容量和炉容比。3.炉帽尺寸的确定转炉一般都用正口炉帽，其主要尺寸有炉帽倾角，炉口直径和炉帽高度。（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。倾角一般为，小炉子取上限，大炉子取下限。这是因为大炉子的炉口直径相对要小些。本设计取62°。（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。炉口直径一般为熔池直径的43%～53%。小炉子取上限，大炉子取下限。取。（3）炉帽高度H帽。为了维护炉口的正常形状，防止因砖衬蚀损而使其迅速扩大，在炉口上部设有高度的直线段。取H口=400mm,因此炉帽高度为：炉帽总容积为：4.炉容比的确定炉容比指转炉有效容积Vt与公称容积G之比Vt／G（m3/t）。转炉炉容比主要与供氧强度有关，与炉容量关系不大。当供氧强度提高时，随着炉内反应加剧，如果炉膛自由空间不足，必然会发生大量的渣钢喷溅或泡沫渣翻滚溢出，造成较多的金属损失。为了在较高金属收得率基础上增大供氧强度，缩短吹炼时间，必须有适当的炉容比。近20年投产的大型氧气转炉，其炉容比都在之间，本设计取0.9。5.出钢口尺寸的确定出钢口内口一般都设计在炉帽与交界处，以使转炉出钢时其位置最低，便于钢水全部出净。出钢口的主要尺寸是中心线的水平倾角和直径。（1）出钢口中心线水平倾角和直径θ1。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θ1趋于减小。取θ1=15°（2）出钢口直径d出。出钢口直径决定着出钢时间，因此随着炉子容量而异。通常d出按下面的经验公式确定：。式中G—转炉公称容量，t。出钢口外径（炉衬+钢壳的厚度）一般为出钢口直径的6倍左右【6】，而出钢口长度一般为出钢口直径的倍，即6.高宽比的确定高宽比系指转炉炉壳总高H总与炉壳外径D壳之比值,实际上它只是作为炉型设计的校核数据。增大高宽比对减少喷溅和溢渣，提高金属收得率有利。但是高宽比过大，在炉膛体积一定时，反应面积反而小，氧气流股易冲刷炉壁，对炉衬寿命不利，而且导致厂房高，基建费用大，转炉倾动力矩大，耗电大。转炉高宽比推荐值为1.35～1.65。3.2转炉炉衬3.2.1炉衬材质选择转炉炉衬寿命是一个重要的技术经济指标，受许多因素的影响，特别是受冶炼操作工艺水平的影响比较大。但是，合理选用炉衬的材质是提高炉衬寿命的基础。根据炉衬的工作特点，其材质选择应遵循以下原则：（1）耐火度（即在高温条件下不熔化的性能）高；（2）高温下机械强度高，耐急冷急热性能好；（3）化学性能稳定；（4）资源广泛，价格便宜。3.2.2炉衬组成及厚度确定通常炉衬由永久层、填充层和工作层组成。永久层紧贴炉壳，修炉时一般不予拆除。其主要作用是保护炉壳，该层常用镁砖砌筑。填充层介于永久层与工作层之间，一般用焦油镁砂捣打而成，厚度约为。其主要功能是减轻炉衬受热膨胀时对炉壳产生挤压和便于拆除工作层，也有的转炉不设填充层。工作层系指与金属、熔渣和炉气接触的内层炉衬，工作条件极其苛刻。目前，该层多用镁碳砖和焦油白云石综合砌筑。炉帽可用二步煅烧镁砖，也可根据具体条件选用其他材质。转炉各部位的炉衬厚度如下所示：炉帽：永久层130mm，填充层90mm，工作层600mm；炉身（加料侧）：永久层150mm，填充层90mm，工作层750mm；炉身（出钢侧）：永久层150mm，填充层90mm，工作层750mm；炉底：永久层350mm，填充层90mm，工作层600mm。炉身钢板厚度取75mm，炉帽和炉底钢板厚度取65mm。验证高宽比：则高宽比为，该值在之间，符合要求。3.3砖型选择砌筑转炉炉衬选择砖型时应该考虑以下原则：（1）在可能条件下，尽量选用大砖，以减少砖缝，还可提高筑炉速度，减轻劳动强度；（2）力争砌筑过程中不打或少打砖，以提高砖的利用率和保证砖的砌筑质量；（3）出钢口用高压整体成型专用砖，更换方便、快捷；炉底用带弧形的异形砖；（4）尽量减少砖型种类。第4章氧气顶吹转炉氧枪设计氧枪由喷头、枪身和尾部结构三部分组成（图4－1）。喷头常用紫铜制成；枪身由三层无缝钢管套装而成【7】；尾部结构连接输氧管和冷却水进出软管。图4－1氧枪总体结构1—吊环；2—中心管；3—中层管；4—上托座；5—外层管；6—下托座；7—喷头；8—氧气管；9—进水口；10—出水口；—氧枪总长；—喷头长度；—枪体长度；—枪尾长度4.1氧枪喷头尺寸计算喷头是氧枪的核心部分，其基本功能可以说是一个能量转换器，它将氧管中氧气的高压能转换为动能，并通过氧气射流完成对熔池的作用。而氧气射流的参数主要由喷头参数所决定。4.1.1喷头参数选择原则(1)氧流量计算。氧流量是指单位时间通过氧枪的氧量。氧流量的精确计算应根据物料平衡求得。简单计算氧流量则可用下式：m3/min（标态）对于普通铁水，每吨钢耗氧量为55～65m3/t（标态），对于高磷铁水，每吨钢耗氧量为60～69m3/t（标态）。本设计取60m3/t。在一个炉役期中出钢量变化很大，做喷头计算时可用转炉公称容量代替出钢量计算。(2)喷头孔数现代转炉氧枪都用多孔喷头。一般中、小型转炉用三孔或四孔喷头，大型转炉用五孔或五孔以上的喷头。(3)理论计算氧压及喷头出口马赫数Ma理论计算氧压（又称设计工况氧压）是指喷头进口处的氧气压强，近似等于滞止氧压，它是喷头设计的重要参数。喷头出口马赫数Ma是喷头设计的另一个重要参数，目前国内外氧枪喷头出口马赫数Ma多选用2.0左右。Ma值与滞止氧压和喷头出口压力P的比值（P/）有确定的对应关系，如图4-2和表4.1：图4-2Ma与P0、之间的关系表4.1Ma、V、P0之间的关系(4)炉膛压力转炉炉膛压力是氧枪喷头出口处的坏境压力。它与喷头出口压力的差异决定了氧气出口后的流态，因此，炉膛压力也是喷头设计的重要参数之一。在氧流量一定的条件下，炉膛压力与氧枪枪位、转炉内泡沫渣的高度和浓度有关，也会随一个炉役期内转炉容量的变化而变化。因此实际的炉膛压力很难测定。根据实测数据，一般炉膛压力为0.099~0.102Mpa。(5)喷孔倾角()与喷孔间隙()喷孔倾角()是指喷孔几何中心线和喷头中轴线之间的夹角。它也是多孔喷头设计的重要参数之一。喷孔间隙()是指喷孔出口断面中心点到喷头中轴线之间的距离。多孔喷头孔数和喷孔倾角之间的关系如下表：表4.2多孔喷头孔数和喷孔倾角之间的关系(6)喷头端面形状多孔喷头由于每个喷孔几何中心线与喷头中轴线有一定的夹角，如果整个端面呈平面，则每个喷孔出口断面呈斜面，这样从喷孔流出的氧气流股的边界条件是不对称的，就会产生氧气射流沿斜口管壁流动的复杂情况。所以喷头端面应设计成与喷头中轴线的垂直平面相交的夹角为角的圆锥面，而角正相当于喷孔倾角。(7)喷孔形状一个气动特性良好的超音速喷管的内形状是一个具有许多不同曲率半径的复杂曲面，其设计和加工都是一个相当复杂的过程。氧气喷孔设计主要的目的是将氧气流股的压力能转化为动能，使之对熔池有较大的冲击力。所以可以采用一种相对简单的设计方法，即使喷管呈圆锥形，这样便于加工，实践证明也能满足冶炼要求。(8)扩张段的扩张角和扩张长度扩张段的扩张角一般取8°~12°(半锥角为4°~6°)。扩张段长度可由公式求得：式中—扩张段长度，mm；—喷孔出口直径，mm；—喷孔喉口直径，mm；—喷孔扩张段半锥角，(°)。(9)喷管流量系数喷管实际氧气流量计算式应是：喷管流量系数用来表示实际流量与理论流量的偏差；一般单孔喷头可取；三孔喷头可取。4.1.2120t转炉氧枪喷头尺寸计算转炉公称容量120t，采用普通铁水冶炼，冶炼钢种以Q235钢为主。(1)计算氧流量。每吨钢耗氧量为60m3（标态）,纯吹氧时间为18min，出钢量按公称容量120t计算，则通过氧枪的氧流量：(2)选用喷孔出口马赫数与喷孔数。马赫数确定原则已如前述。综合考虑，选取马赫数Ma=2.0。参照同类转炉氧枪使用情况，对于120t转炉喷孔数取5孔，能保证氧气流股有一定的冲击面积与冲击深度，熔池内尽快形成乳化区，减少喷溅，提高成渣速度和改善热效率。(3)设计工况氧压。根据等熵流表，当M=2.0时,；取喷头出口压力（为炉膛压力，此处按近似等于大气压力计算），则喷口滞止氧压：取设计工况氧压近似等于滞止氧压。(4)计算喉口直径。喷头每个喷孔氧气流量：由喷管实际氧气流量计算式：，取，，又，代入上式，则由上式可求出(5)求喷孔出口直径。根据等熵流表，在M=2.0时，，即，故喷孔出口直径：(6)计算喷孔扩张段长度。取扩张段的半锥角为3.50,则扩张段长度(7)确定喷孔喉口直线段长度。喉口直线段的作用是保持喉口直径稳定。般取3～10mm。在本例中取喉口直线段长度。(8)喷孔收缩段长度与收缩段进口直径。收缩段长度与收缩段进口直径应该以能使整个喷头布置下五个喷孔为原则，并尽可能使收缩孔大一些。(9)确定喷孔倾角β。多孔喷头的各个流股是否发生汇交以效应角θ为界，大于θ则各流股很少汇交，小于θ则必定汇交。按照经验，喷头倾角β=12.8°~15.4°为宜。综合考虑取β=15°。(10)喷头五喷孔中心分布圆直径。在喷孔倾角β确定以后，喷孔中心分布圆（即喷孔间距）是影响氧射流是否汇交的另一个因素。从降低氧射流汇交考虑，喷孔中心分布圆大为好，但喷孔中心公布圆要受到喷头尺寸的限制。综合考虑，取四喷孔中心分布圆直径：4.2氧枪枪身设计氧枪枪身由三层无缝钢管套装而成，内层管是氧气通道，内层管与中层管之间是冷却水进水通道，中层管与外层管之间是冷却水出水通道。参见图4-3。图4-3氧枪管体通水断面4.2.1枪身各层尺寸的确定(1)中心管管径的确定。中心管管径是向喷头输送氧气的通道，其直径主要取决于氧气在管道内的流量与流速。中心氧管内截面积：式中——中心氧管内截面积，m；——管内氧气工况流量，m/s；——管内氧气流速，m/s，一般取40～50m/s。取。按气体状态方程，标准状态下的流量向工况流量的换算：式中——标准大气压，Pa；——管内氧气工况压力，Pa；——标准温度，273K；——管内氧气实际温度（即氧气滞止温度）。则中心氧管内径根据标准热轧无缝钢管产品规格，选取中心钢管为(2)中、外层管管径的确定高压冷却水从中层管内侧进入，经喷头顶部转弯180°后经中层管外侧流出。中层管内径尺寸的选择，应保证中层管与中心氧管之间的环形通道有足够的断面积，以通过一定流速（一般取5~6m/s）、一定压力（）和足够流量的冷却水。根据生产实践经验，选取氧枪冷却水耗量；冷却水进水速度，出水速度（因为出水温度升高，体积增大，故>）。又中心氧管外径，则进水环缝截面积：出水环缝面积：中层管内径：式中——中层管内径，m；——内层管外径，m；——进水环形通道截面，m；——高压冷却水进口流量，m/s；——高压冷却水进水流速，一般选用5～6m/s。计算出中层管的内径后，再按国家钢管产品目录选择相应规格的钢管。中层管除控制进口水的流速外，安装时还应保证喷嘴端面处水的流速不小于8m/s，以使端面具有较强的冷却强度，保护喷头。为此，在中层管端面设立三个支点（定位销）来确保有足够的冷却水通道面积。为防止中层管摆动，在中层管壁内外每隔一定距离焊上定位块。根据标准热轧无缝钢管产品规格，选取中层钢管为外层管主要是供出水用，冷却水经过喷头后温度升高10~15℃，水的体积略有增大，选用出水流速为6~7m/s，管径的计算方法和钢管的选择方法与中层管相同。外层钢管内径为：mm选取外层钢管为4.2.2氧枪长度的确定根据公式可确定氧枪总长为：式中—氧枪最低位置至炉口距离，6038mm；—炉口至烟罩下沿的距离，mm，一般取350～500mm，本设计中取400mm；—烟罩下沿至烟道拐点的距离，mm，一般取3000～4000mm，本设计中取3500mm；—烟罩下沿至氧枪插入孔的距离，5000mm；—为清理结渣和换枪需要的距离，mm，一般取500～800mm,本设计中取700mm；—根据把持器下段的要求决定的距离，600mm；—把持器的两个卡座中心线间的距离，1000mm；—根据把持器上段要求决定的距离，500mm；氧枪行程：4.3氧枪装置和副枪装置4.3.1氧枪装置为了适应转炉冶炼工艺变换的要求，冶炼过程中需要多次升降枪位，因此需设置氧枪升降装置与换枪装置。对氧枪装置的主要要求是：①合适的升降速度，可变速；②保证氧枪式中处于铅垂位置，升降平稳，控制灵活，操作安全；③能快速更换氧枪；④有完善的安全装置和电气连锁装置。氧枪升降装置一般都垂直布置于转炉的上方，其结构简单，运行可靠，换枪迅速。但由于枪身长，上下行程大，为布置升降和换枪装置，要求转炉跨厂房要高。当氧枪烧坏时需要及时更换，故设置横移装置及换枪装置。在横移装置上并排安设有两套氧枪升降小车，其中一套工作，一套备用，整个换枪时间为1.5min左右。4.3.2副枪装置为使炼钢过程自动化、精确化，用计算机进行控制是完全必要的。但为了提高控制的准确性，在吹炼过程中应取得中间数据，其有效方法就是采用副枪。一般副枪和氧枪是平行插入转炉内的。但在较小的转炉中，垂直插入时，探头将位于火点附近，使测出的数据缺乏代表性，因此，对于较小的转炉副枪可以倾斜插入。在车间设计时，应考虑富强升降和更换探头的空间。第5章炉外精炼设备及工艺布置钢水炉外精炼又称钢水二次精炼或二次冶金（炼钢）。发展初期，炉外精炼是将原来在转炉或电弧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、更有效地获得优质的、多品种的钢水。半个多世纪以来，炉外精炼技术得到长足发展，已经成为当今洁净钢与高纯洁钢必不可少的熔炼手段。5.1炉外精炼方法的选择5.1.1炉外精炼的功能各种精炼设备的冶金功能是多种多样的。精炼设备与工艺能够完成的冶金功能可概括为：脱气（脱氢、脱氮），脱氧，脱硫，清洁钢液（减少非金属夹杂物，提高显微清洁度），脱碳（冶炼低碳、超低碳钢种），真空碳脱氧，调整钢液成分（微调与均匀最终化学成分），调整钢液温度。5.1.2各种产品对精炼功能的一般要求炉外精炼方法的选择应满足产品质量的要求，不同产品对炉外精炼的功能有不同要求。厚板：脱氢、脱硫、减少氧化物夹杂钢轨：脱氢轮箍：脱氢、取出夹杂物薄板：脱碳、脱氧管材：脱硫、减少氧化物夹杂轴承钢：脱氧、减少氧化物夹杂物、脱硫、改变硫化物的形态不锈钢：脱碳保铬、脱氢、减少夹杂物、降低成本炉外精炼的另一个积极意义是减轻炼钢炉的负荷，提高其生产能力。比如采用连铸的转炉车间，尤其是全连铸车间，往往都选用LF或其他加热型精炼装置。5.1.3炉外精炼方法的确定本设计要求冶炼典型低钢种Q235，综合考虑上面所提到的精炼方法，参考国内转炉车间精炉方法的选型，本设取将选择目前占有绝对优势的LF和RH真空处理两种方法相结合进行炉外精炼。5.2LF精炼炉5.2.1LF精炼炉的特点LF法是日本大同制钢公司于1971年在ASEA-SKF和VOD的基础上开发的一种新型炉外精炼技术。LF精炼炉在常压下通过电弧加热钢包内钢水，并同时造高碱度合成渣精炼和底部吹氩搅拌。LF炉能够承担电弧炉炼钢的精炼工作，如造渣、还原、脱氧、脱气、均匀温度成分等，也可以保温、升温，作为炼钢和连铸之间的缓冲装置，协调炼钢和连铸生产周期不匹配的矛盾，所以现代化的转炉和电弧炉炼钢车间都采用它作为精炼设备。LF（LFV）精炼炉的技术特点可归纳如下：（1）LF炉采用钢包底部透气砖吹氩搅拌，较之ASEA-SKF钢包炉使用电磁搅拌简单，投资费用减少；（2）LF炉与ASEA-SKF同样采用非真空下电弧加热钢水，与VAD炉在低真空下加热相比，可以不用电极插入真空盖处的动密封及要求非磁性材料结构，简化设备，节省制作与维修费用；（3）在非真空下电弧加热，又采用了专门的炉渣，可使LF炉加热钢水在埋弧状态下进行，既可以提高热效率，有减轻了电弧对精炼炉炉衬的热侵蚀；（4）为了获得良好的还原精炼效果，在加热时，加热炉盖与钢包炉口密封接触，即在蜜蜂虾进行电弧加热，防止外部空气进入，并加入碳粉造成钢包炉内还原性气氛，使包内气氛中O2含量下降到不大于2%，炉渣中（FeO）可稳定地小于0.4%；（5）与VOD相比，LF具有外部能源加热手段的灵活性，设备对钢种的适应性扩展了；而且能在还原气氛下造高碱度炉渣精炼，有利于脱硫。5.2.2LF炉设备及其配置LF炉与ASEA-SKF炉功能相近，整体结构多为台车（钢包车）式，钢包由座包扒渣工位向固定于一定位置的加热炉盖、精炼炉盖处移动，分别完成各项工艺过程。有的还将LF精炼与喷粉处理相连接，即将喷粉设备也装设于钢包车的移动线上，实现钢水的喷粉处理。或者因钢水质量要求不同，在同一线路上有选择地通过几个精炼环节，得到需要的成品钢水。（1）炉体作为精炼炉体的钢包与普通浇注钢包的不同点是内型尺寸较为矮粗，即H/D较小；钢包上口外缘装有水冷圈（法兰），防止包口变形和保证炉盖与之密封接触，底部装有滑动水口和吹氩透气砖。钢包壳需按气密性焊接的要求焊制。（2）电弧加热装置LF炉电弧加热系统与三相电弧加热装置相似，电极支撑与传动结构也相似，只是尺寸随钢包炉结构而异。钢包炉加热所需电功率远低于电弧炉熔化期，且二次电压也较低。LF炉用变压器次级电压通常也设计若填干级次，但因加热电流稳定不必很大变化，所以选定某一级电压后，一般不作变动，故变压器没必要采用有载调压，设备可以更简单可靠。（3）炉盖LF炉炉盖与ASEA-SKF炉相同，为保证炉内加热时的还原气氛或（当有真空精炼时）真空密封性，炉盖下部与钢包上口接触应采用密封装置。现在，炉盖大都采用水冷结构型。为保护水冷构件和减少冷却水带走热量，在水冷炉盖的内表面衬以捣制耐火材料，下部还挂铸造的保护挡板，以防钢液激烈喷溅，粘结炉盖，使炉盖与钢包边缘焊死，无法开启。（4）真空系统LF炉与ASEA-SKF炉一样，采用蒸汽喷射泵。一方面它有巨大的排气能力，另一方面可以不必顾虑排出气体的温度和抽出气体中含有微小渣粒和金属尘埃；这是机械泵所不可比拟的。LF炉与ASEA-SKF炉真空精炼过程中真空度应≤67Pa（0.5mmHg），应能在5分钟左右将炉内压力抽吸到上述范围。5.2.3LF炉在车间内的布置LF炉设备在车间可有多重摆放位置，视车间具体情况而定，综合起来，LF炉的位置基本上有两种类型：其一，LF炉与加热变压器（如含真空精炼时还包括真空精炼工位）位于炉子胯间，与初炼炉（电弧炉）靠近并列，当初炼炉出钢后，载有钢水的钢包被吊运到精炼炉钢包车上，钢包车进入各工位。其二，LF炉设备的各个工位均位于出钢—连铸跨间内，钢包车运行方向与车间（厂房）的纵向平行。5.3RH精炼炉5.3.1RH设备的特点RH设备是真空装置中最庞大、最复杂、投资最大的一种，但由于周期短，生产能力大、脱气效果好，仍然是目前大多数大型转炉车间首选的精炼设备。RH设备真空室下端设置两根吸引和排放钢液的上升管和下降管，钢液脱气处理时，两根管插入钢包内的钢水中，通过抽真空和在上升管下部1/3处向钢水吹入氩气等驱动气体，使钢水上下循环脱气。同时可以加入合金微调成分。5.3.2RH真空脱气室设计原理RH真空脱气室为圆筒型容器，外壳由钢板焊成，内衬耐火材料一般由顶部、中部和底部组成。底部连通循环管(上升与下降)两支。而循环管在结构上又由两段连成，上段与真空室底壳连接，下段与上段用法兰盘连接，下段即是工作时侵入钢水的部分。真空室顶部有加料孔、排烟孔、摄像孔等。真空脱气时应能使钢水进入后有适当的停留时间，和足够的脱气表面积，脱气过程中热损失要小。采用RH精炼炉可以达到脱氢、脱氧、去氮和去除钢中气体的效果。第6章连续铸钢设备将高温钢水连续不断地浇铸到一个或一组水冷钢质结晶器内，钢水沿结晶器周边逐渐凝固成坯壳，待钢液面上升到一定高度，坯壳凝固到一定厚度后由拉矫机将铸坯拉出，并经二冷区喷水冷却使铸坯完全凝固，由切割装置根据轧钢要求切成定尺。这种使高温钢水直接浇铸成钢坯工艺称为连续铸钢，简称连铸[8]。连铸是炼钢领域发展最快的技术之一，20实际60年代中期，全球连铸比尚不到10%，而21实际初全球连铸比已高达90%以上。6.1连铸机机型分类（1）按结构的外形可分为立式连铸机、立弯式连铸机、多点弯曲的立弯式连铸机、弧形连铸机（分直形结晶器和弧形结晶器两种）、多半径弧形（即椭圆形）连铸机和水平连铸机等。近年来，随着连铸技术的发展，又开发了轮式连铸机的研究。（2）按铸坯断面的形状可分为板坯连铸机（又分厚板坯连铸机、常规板坯连铸机、中等厚度板坯连铸机和薄板坯连铸机）、方坯连铸机、圆坯连铸机和异形连铸机等。（3）按铸坯所承受的钢水静压头，即铸机垂直高度H和铸坯厚度D比值的大小，可将连铸机分为高头型、标准头型、低头型、和超低头型四种。随着炼钢和炉外精炼技术的提高，浇注前及浇注过程中对钢水纯净度的有效控制，低头和超低头连铸机的采用逐渐增多。6.2连铸机的主要工艺参数连铸机的主要工艺参数是决定连铸机机械设备性能和尺寸的基本前提，也是连铸车间工艺布置的主要依据。连铸机（由于弧形连铸机应用最为广泛，所以以下论述都是指弧形连铸机）的主要工艺参数包括钢包允许的最大浇注时间、铸坯断面、拉坯速度、流数、冶金长度、弧形半径等。6.2.1钢包允许的最大浇铸时间钢包允许的最大浇注时间受多种因素影响，如钢种、钢包容量、包衬材质、钢包烘烤状况、保温剂性能、钢包加盖等。可按下列经验公式计算：式中tmax—钢包允许的最大浇注时间，min；G—钢包容量，t，本设计转炉公称直径120t，钢包设计容量为150t，实际容量为120t。F—质量系数，主要取决于对浇注温度控制的要求。对要求严格的钢种，取f=10；对于要求较低的钢种，取f=16；一般取10-12。本设计取10。所以本设计刚报允许的最大浇铸时间为6.2.2铸坯断面铸坯断面的形状和尺寸可依据下列主要因素确定。(1)根据孔材品种和规格确定。大方坯和小方坯用来轧成线材、型材、带材，园坯或方坯轧成管材，板坯轧成薄板，中厚板及带材。(2)根据轧材需要的压缩比来确定。譬如要求破坏一次结晶，并使中心组织均匀化时，压缩比必须大于4，要求破坏晶状组织时，则压缩比可达8；对于重要特殊钢材如滚珠轴承钢、不锈钢、高合金钢的压缩比要求达到10～15；对于滚动体类的轴承钢的压缩比要求高达30～50。(3)适应轧机的能力与成才要求尺寸。铸坯断面尺寸与各种轧机的配合参见表6-1。各国现用连铸机可生产的铸坯断面范围大致是：方坯（50×50）～（450×450），矩形坯（50×108）～（400×560），板坯最大为310×2500,圆坯Φ40～Φ450，异形坯120×240(椭圆形)，Φ450×Φ100（中空形），460×400×120，356×775×100(工字形)。铸坯断面的形状和尺寸对连铸机的生产力有直接的影响，一般说来，在拉速相等的条件下，断面越大，连铸机的生产能力越高，而在断面内切圆半径的条件下，当拉速基本一致时，板坯比方坯连铸机的生产力较高。本设计取板坯连铸机，断面尺寸200×1000，轧机规格为1700热连轧机。6.2.3拉坯速度拉坯速度是以连铸机每一流每分钟拉出铸坯的长度来表示m/min。也有用浇注速度表示的，是指每一流每分钟浇铸钢水的重量，t/min或kg/min。我国一般用拉坯速度表示。通常，拉坯速度有两种含义：一种是理论拉速，又称最大拉速，它受连铸机设备能力的限制；另一种是工作拉速，又称常用拉速，它受铸坯质量的制约。通常生产上指的就是工作拉速。工作拉速是指连铸生产操作中能顺利浇注，保证铸坯质量相对稳定的平均拉速。一般低于理论拉速vmax。在设计中，工作拉速主要依据经验而定，常用的经验公式是：式中v—工作拉速，m/min；L—铸坯横断面周长，mm；S—铸坯横断面面积，；—速度换算系数m·mm/min，其值与钢种、铸坯形状、结晶器长度和结构、冷却制度等因素有关。一般小方坯为65～75，板板坯的值为55～80，薄板为180～240，小断面铸坯取上限，大断面铸坯取下限。此处选择为70.m/min6.2.4连铸机的流数一定的钢包容量所允许的最大浇铸时间是一定的，一定断面铸坯的工作拉速是确定的，为了使一个钢包的钢水在规定时间浇完，往往需要一台连铸机同时浇铸几根铸坯。当一台连铸机只浇铸一种断面时，其流数的计算式如下：式中—钢包容量，；—钢包浇铸时间，；—铸坯断面面积，；—该流铸坯的工作拉速，；—铸坯密度，镇定钢一般取7.6～7.8。本设计G=120t，t=60min，=7.8，则连铸机的流数为：本设计流数取2。每台连铸机的流数确定后，还要确定每台连铸机的机组数目。这里选择一机多流连铸生产方式，一机多流设备轻，有利于发挥设备的生产能力，要求高水平操作，否则其中一流出事故，有可能造成整个该机组停产。故本设计的板坯连铸机取2机2流。6.2.5铸坯的液相深度和冶金长度(1)铸坯的液相深度铸坯在连铸机内是边运动边凝固，在凝固内形成了很长的液相穴。所谓液相深度（即液芯长度）是指从结晶器液面到铸坯全部凝固的长度。它是确定弧形连铸机弧形半径和二次冷却区的长度的一个重要工艺参数。就具体的连铸机而言，液相深度随速度的变化而变化。液相深度的计算式：式中—液相深度，；—铸坯完全凝固所需要的时间，；—拉坯速度，；—铸坯厚度，；—综合凝固系数，，指铸坯在结晶器和二次冷却区的凝固系数的平均值，一般可取24～33，方坯取30～33，矩形坯和圆坯取24～28，这里取K=25。则L1=13.44m。可见，液相深度与拉速成正比，它与冷却强度成反比。(2)连铸机的冶金长度从本质上讲，根据最大拉速计算出来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能达到的最大拉速和最大铸坯厚度，而且要考虑到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，往往连铸机的冶金长度大于铸坯的液相深度，连铸机的冶金长度的计算式为：一般来说，在不带液芯矫直条件下，连铸机的冶金长度是指结晶器钢液面至拉矫机第一对拉矫辊中心长度。在带液芯的矫直条件下，则指结晶器钢液面至拉矫机最后一对拉矫辊中心的长度。所以本设计的冶金长度为14m。6.2.6弧形半径弧形半径是指连铸坯铸坯的外弧半径。它即影响铸坯的质量，也影响连铸机的总高和设备质量，还是标志能浇铸的最大铸坯厚度的一个重要参数。连铸机圆弧半径可按下式初步估算：式中，K为系数，一般取K=35-45.中小型板坯取K=35-40。，大型板坯取K=40-45；碳素钢取下限值，特殊钢取上限值。取K=40得m6.3连铸机生产能力的确定连铸机的生产能力与炼钢炉的类别、容量和座数、冶炼钢种、炉外处理工艺、铸坯断面、铸机台数和流数、连浇炉数、连铸机作业率等因素有关，应根据炼钢厂的实际情况，参考设计一般原则，作具体计算后确定。6.3.1连铸机与炼钢炉的合理匹配和台数的确定一般情况下，大容量的炼钢炉和大板坯、大方坯、小圆坯连铸机相匹配（当然也可与多流小方坯连铸机相配合），小容量的炼钢炉配中小板坯、小方坯或小圆坯连铸机，这样容易使炼钢冶炼周期（以及炉外处理周期）和连铸浇注周期相配合，有利于实现多炉连浇，提高车间年产量。实现多炉连浇的主要条件是：（1）严格控制所要求的钢水成分、温度和质量（氧化性、洁净度等）,并保持稳定，为此，必需配置相应的炉外钢水处理设备。（2）炼钢炉冶炼周期（及炉外处理周期）与连铸机的浇注周期时间应保持协调配合。为此，要求严密的生产管理和质量保障体系；既充分发挥设备生产能力，又使炉机有效地协调匹配，具体可在车间调度作业图表上合理安排。（3）连铸机小时生产能力应与炼钢炉小时出钢量相平衡（一般连铸机应有10～20%的富裕生产能力）。设计时，可从铸坯断面、拉坯速度、连铸机流数等方面调整。（4）钢包、中间包和浸入式水口等寿命要长，以方便迅速更换。应采用优质耐火材料，采用快速更换措施。（5）连铸的后步工序如出坯、铸坯精整以及运输能力等要能满足多炉连浇要求。连铸机台数的确定：按车间所规定的铸坯年产量和所选连铸机的实际产量，就可求出车间应配置的连铸机的台数。6.3.2连铸浇注周期计算连铸浇注周期时间包括浇注时间和准备时间，如下式：式中T—浇注周期时间，min；—准备时间，min；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,一般板坯连铸机约25min～45min，本计算中取为30min。n—平均连浇炉数；取n=5。就提高连铸机产量而言，连浇炉数愈多，铸机产量俞高。但是考虑到连铸机抗高温蠕变能力（延长连铸机寿命），以及合理调配、均衡组织生产，当前我国常用的平均连浇炉数大约为3～6炉。—单炉浇注时间，min。单炉浇注时间按下式计算：式中G—平均每炉产钢水量，t；B—铸坯宽度，m；D—铸坯厚度，m；—铸坯密度，t/,取ρ=7.7；v—工作拉速，m/min；N—流数。6.3.3连铸机的作业率连铸机的作业率直接影响到连铸机的产量、每吨铸坯的操作费用和投资费用的利用率。欲获得较高的作业率，必须采用多炉连浇。作业率按下式计算：式中——连铸机年作业率，%；——连铸机年准备工作时间，h；——连铸机年浇注时间，h；——连铸机年非作业时间，h；——年日历时间，8760h。表6.1连铸机的非作业时间取=2000h。6.3.4连铸坯收得率在连铸生产过程中，从钢水到合格铸坯有各种金属损失，它包括钢包和中间包的残钢、铸坯的切头切尾、氧化铁皮、短尺和缺陷铸坯的报废等。通过多炉连浇可以减少金属损失，提高铸坯收得率。计算式如下：式中—铸坯成坯率，%；取98%—未经检验精整的铸坯量，t；G—钢水质量，t；—铸坯合格率，t；98%—合格铸坯量，t；Y—连铸坯收得率，%。连铸坯收得率一般按年统计。铸坯成坯率和合格率分别可达98%和98%左右。连铸坯收得率：单炉浇注约96%，两炉浇注约97%，三炉以上浇注约98%左右。本设计采用5炉浇注取，则6.3.5连铸机生产能力的计算连铸机的产量概念有二：一是连铸机的浇注能力，用理论小时产量表示；另一是连铸机实际产量，它受车间合格钢水供应条件、设备、管理和操作水平等诸因素的影响，亦即受连铸机所可达到的作业率的影响。因此，同样一台连铸机在不同条件的车间内配置时，其年产量往往有较大的差别。(1)连铸机的理论小时产量式中Q—连铸机理论小时产量，t/h；B—铸坯宽度，m；D—铸坯厚度，m；v—工作拉速，m/min；—铸坯密度，t/m³N—流数。t/h（2）连铸机的平均日产量式中A—连铸机的平均日产量，t/d；1440—一天的时间，min；T—浇注周期，min；G—每炉的平均出钢量，t；n—平均连浇炉数；Y—连铸坯收得率，%。(3)连铸机的平均年产量式中P—连铸机平均年产量，t/a；A—连铸机的平均日产量，t/d；365—一年的日历时间，d；—连铸机年作业率。t/a年产250万吨，3台连铸机同时工作。则连铸产量t/a即连铸年生产量约为250万吨。6.4连铸机主要设备6.4.1钢包与中间包的钢流控制系统钢包与中间包钢流控制系统基本上有两种类型：塞棒（杆）水口和滑动水口。滑动水口控制系统主要由上、下水口及滑板组成，通过安装在包底（外部）上的两块或三块耐火材料制成的滑板的相互错位来实现钢流的调节。其优点是能较准确地控制钢流，安全可靠，更宜于长时间连续浇注。按滑动机构的不同有三种形式：（1）往复式滑动水口。又有两板式和三板式两种，两板式下滑板可以滑动，而三板式是中间滑板可以滑动。（2）插板式滑动水口。上、下部滑板固定，中间滑板由油压缸一块一块地从一侧推入，从另一侧拉出。插入的滑板有水口滑板和实心滑板两种，前者用于调节钢流大小，后者用于关闭水口。（3）旋转式滑动水口。靠旋转的下滑板对固定的上滑板作圆周转动，以开闭钢流，并利用改变孔径来调节钢流的大小。下滑板上一般有2-3个相同或不同孔径的下水口，可多次使用，但结构复杂，目前使用尚不多。保持滑板滑动面之间适当的紧密程度，是关系滑动水口工作质量和防止钢液从滑动面间漏出的关键。滑动水口的滑板既要经受出钢前后温度急剧变化的热冲击，又要承受钢液的静压力及其冲刷、侵蚀和滑动摩擦。因此，要求滑板具有高的常温和高温抗折强度和抗压强度，高的热稳定性和耐磨性。滑动水口的材质采用高铝、高铝-刚玉、高铝-石墨、镁铝和镁铝-石墨等，一般均用不烧侵油工艺。此外，小方坯连铸机中间包钢流控制一般用定径水口。6.4.2钢包回转台在连铸作业中承载并运送钢包进行浇注的设施，曾经有过吊车、固定钢包座架和钢包回转台等方式。目前广泛采用的是钢包回转台。本设计采用直臂式钢包回转台，钢包回转台设在接受跨和连铸跨之间，一台连铸机配备一台回转台。回转臂的回转半径必