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1、太原科技大学太原科技大学课课 程程 设设 计计 说说 明明 书书题目：题目：180t 顶吹氧气转炉及氧枪设计顶吹氧气转炉及氧枪设计学院（系）学院（系）：材料和科学学院年级专业年级专业：冶金工程 081401学号学号：200814070102学生姓名学生姓名：段光华指导老师指导老师：李海斌太原科技大学课程设计任务书学院（系）学院（系）：材料和科学学院 指导老师：李海斌学号20081407010 2学生姓名段光华专业（班级）08 冶金工程设计题目180t 顶吹氧气转炉及氧枪设计设 计 技 术 参 数1.180 吨位2.顶吹氧气3.冶炼低磷铁水设计要求（1） 根据所给设计题目，综合运用所学基础理论及
2、专业知识充分进行调查研究，认真独立完成本次设计。（2）设计说明书要求内容完整，计算正确，理论简洁，文理通顺，且不少于 0.6 万字。工 作 量（1）课程设计说明书一份（2）氧气顶吹转炉炉型图 1工作计划1. 180t 氧气顶吹转炉炉型设计及计算2. 氧枪设计及计算3.180t 氧气顶吹转炉炉型 CAD 绘图参考资料炼钢厂设计原理氧枪的设计炼钢机械钢铁冶金炼钢学2011 年 12 月 19日绪论绪论炼钢技术发展史炼钢技术发展史钢铁材料是人类社会最主要使用的结构材料,也是产量最大、应用最广泛的功能材料，在经济发展中发挥着举足轻重的作用。尽管近年来钢铁面临着陶瓷材料、高分子材料、有色金属材料（如铝）
3、等的竞争，由于其在矿石储量、生产成本、回收再利用率、综合性能等方面所具有的明显优势，可以预见的将来，钢铁在各类材料所占据的重要地位仍不会改变。炼钢学是研究将高炉铁水（生铁） 、直接还原铁（DRI、HBI）或废钢（铁）加热、融化，通过化学反应去除铁液中的有害杂质元素，配加合金并浇铸成半成品铸坯的工程科学。炼钢包括以下主要过程：去除钢中的弹、磷、硫、氧、氢等杂质组分以及由废钢带入的混杂元素铜、锡、铅、铋等；为了保证冶炼和浇铸的顺利进行，需将钢水加热升温至 16001700 度；普通碳素钢通常需含锰、硅，低合金钢和合金钢则需含有鉻、镍、钼、钨、钒、钛、铌、铝等，为此在炼钢过程中需向钢液配加有关合金以
4、使之合金化；去除钢液中内生和外来的各类非金属夹杂物；将合格钢水浇铸成方坯、小方坯、圆坯、板坯等；节能和减少排放，包括回收转炉炼钢煤气、炼钢烟气余热利用、减少烟尘和炉渣排放以及炼钢烟尘污泥、炉渣、耐火材料等的返回再利用。现在炼钢法最早起始于 1856 年英国人 H.Bessemer 发明的酸性底吹转炉炼钢法，该方法首次解决了大规模生产液态钢的问题，奠定了近代炼钢工艺方法的基础。由于空气 与铁水直接作用，Bessemer 炼钢方法因而具有很快的冶炼速度，成为当时主要的炼钢方法。但是，Bessemer 工艺采用的是酸性炉村，不能造碱性炉渣，因而不能进行脱磷与脱硫。1879 年英国人 S.G.Thom
5、as 发明了碱性空气底吹转炉炼钢法，成功地解决了冶炼高磷生铁的问题。由于西欧许多铁矿为高磷铁矿，直到 20 世纪 70 年代末，Thomas 炼钢法仍被法国、卢森堡、比利时等国的一些钢铁厂所采用。几乎在 Bessemer 炼钢工艺开发成功的同时，1856 年平炉炼钢方法（被称为 Siemens-Martin 法）也被发明成功。最早的平炉仍为酸性炉衬，但随后碱性平炉的操作和控制较空气炼钢平稳，能适应各种原料条件，铁水（生铁）和废钢的比例可以在很宽的范伟内变化。除平炉炼钢外，电弧炉炼钢方法在 1899 年也被发明成功。在20 世纪 50 年代氧气顶吹转炉炼钢法发明前，平炉是世界上最主要的炼钢法。第
6、二次世界大战结束后的 20 世纪 50 年代，世界钢铁行业进入了快速发展时期，在这一时期开发成功的氧气顶吹转炉炼钢技术和钢水浇铸开始推广采用的连铸工艺对随后钢铁工业的发展起到了非常重要的推动作用。1952 年氧气顶吹转炉炼钢方法在奥地利被发明成功，由于具有反应速度快、热效率高以及产出的钢质量好、品种多等优点，该方法迅速呗日本及西欧采用。在 20 世纪 70 年代，氧气转炉炼钢法以取代平炉法成为主要的炼钢方法。在氧气顶吹转炉迅速发展的同时，德、美、法等国发明成功了氧气底吹转炉炼钢法，该方法通过喷吹甲烷、重油、柴油等对喷口进行冷却，使纯氧能从炉底吹入熔池面而不致损坏炉底。在 20 世纪 80 年代
7、中后期，西欧、日本、美等相继开发成功了顶底复吹氧气转炉炼钢法，在此法中，氧气由顶部氧枪供入，同时由炉底喷口吹入氩，氮等气体对熔池进行搅拌（也可吹入少部分氧气） 。顶底复吹转炉炼钢既具备顶吹转炉炼钢化渣好、废钢用量多的长处，同时又兼备氧气底吹转炉炼钢熔池搅拌好、铁和锰氧化损失少、金属喷溅少等优点，因而目前世界上较大容量的转炉绝大多数都采用了顶底复合转炉炼钢工艺。氧气顶吹转炉炼钢法的冶金特征氧气顶吹转炉炼钢法的冶金特征氧气顶吹转炉在国外一般被称为 LD 转炉（Linz-Donawit 工厂的缩写） ，或称为 BOF 转炉（Basic Oxygen furnace 的缩写） 。此炼钢方法继承了过去的
8、空气吹炼转炉的优点，又克服了其缺点。与电炉炼钢相比，该方法具有如下优点：生产率高；对铁水成分的适应性强；废钢使用量高；可生产低硫、低磷、低氮及低杂质钢；可生产几乎所有主要钢品种。正因为有这些长处，氧气顶吹炼钢法在 1950 年后迅速发展成为世界上主要的炼钢方法。由于使用的铁水成分和所炼钢种的不同，吹炼工艺也有所区别。现以某转炉厂顶吹转炉对未经脱硫、脱磷及脱硅处理的铁水采用单渣操作工艺为例，说明一炼钢的吹炼过程。图是未采用溅渣护炉工艺时，一炉钢的吹炼过程中金属成分、熔渣成分及熔池温度的变化情况。图图 吹炼初期，Fe、Si、Mn 元素即被大量氧化，而且 Si、Mn 的含量下降到很低，几乎痕迹量。继
9、续吹炼，它们不再被氧化。吹炼接近终点时，Mn 的含量出现回升。Si、Mn 被氧化的同时，C 也被少量氧化。当 Si、Mn 氧化基本结束后，炉温达到了 1450 度以上，C 的氧化速度迅速提高。吹炼后期，脱碳速度又有所降低。吹炼刚开始时，由于 Si 的迅速氧化使渣中 SiO2 含量高达20%，又因为石灰的逐渐熔解，渣中 CaO 的含量也在不断地提高。当 Si 的氧化基本结束后，渣中 SiO2 含量又有所下降。炉渣碱度则随石灰的熔解而迅速提高。渣中 FeO 含量在开吹后不久就可以达到 20%30%。随着脱碳速度的提高，渣中 Fe 的含量会逐渐降低，但在吹炼后期优惠有所升高由于碱性氧化性炉渣的迅速形
10、成，大约在吹炼的前一半时间内，含磷量已降低到 0.02%，脱碳反应为放热反应。在冶炼的中后期若温度过高或炉渣中 FeO 含量降低，又会发生回磷。渣中 MgO 含量的变化与是否采用白云石或菱镁矿造渣工艺有关，另外还受到加入量的影响。一般情况下，采用白云石或菱镁矿造渣，渣中 MgO 含量增加，有利于减轻熔渣对炉衬的侵蚀。吹炼初期，随着钢液中含硅量的降低，含量升高。吹炼中期脱碳反应剧烈，钢液中含氧量在（4001000）的范围内变化。 10 6图（2）表示吹炼末期铁水中含碳量与含氧量间的关系。与搅拌相对较弱的电炉相比，有激烈搅拌的 LD 转炉跟接近于平衡值。 图（图（2）吹练过程中金属熔池含氮量的变化
11、规律与脱碳反应有密切的关系。脱碳速率越快，终点含氮量也越低。一般转炉终点含氮量可达到 20以下。 10 6转炉冶炼一炉钢的操作过程，由装料、吹炼、测温、取样、出钢、除渣构成。吹炼时间与炉容量没有直接联系，氧枪吹炼时间通常为 1120min，冶炼周期为 2540min。装料时，把炉体向前方倾斜，先装入废钢，接着装入铁水，然后使炉体直立。吹炼开始后，一边吹氧一边投入氧化铁皮、矿石、石灰等辅助原料。当氧气喷枪降至设定位置时开始喷吹氧气。吹炼时高亮度的浓烟火焰从炉口排出，吹炼中期是脱碳反应最强烈时期，氧的脱碳效率接近 100%。采用副枪动态控制的场合，在排气量逐渐减少、达到预定吹炼终点的前几分钟之前，
12、降下副枪，测定熔池中的含碳量和温度，预测达到目标含碳量和温度的时间，然后吹炼到终点出钢。当采用人工经验判断终点时，把炉体倾向装料测，从炉口进行测温及取样，并确认含碳量及温度是否合适，再将炉体倒出钢侧出刚。出钢时间向炉内及钢水包中添加脱氧剂，出钢后再把炉体倒向装料侧排渣，一炉钢的冶炼才结束。顶吹氧气转炉炉体设计顶吹氧气转炉炉体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，车间主厂房高度与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
13、炉型设计又是整个转炉车间设计的关键。1.原始条件原始条件设计一吨位为 180t 的氧气顶吹转炉，供养时间姑且先定在18min，转炉系数 K 根据大容量取下限小容量取上限的原则，K 先取1.6。目前高炉冶炼技术较高，现设计冶炼低磷的转炉。2.转炉炉型及其选择转炉炉型及其选择转炉由炉帽、炉身、炉底三部分组成。180T 的氧气顶吹转炉应选择适应大、中型转炉的炉型，最好的选择就是筒球型转炉。炉型形状简单，砌砖方便，炉壳容易制造。3.炉容比确定炉容比确定炉容比是指转炉有效容积 Vt 与公称容量 G 之比值 Vt/G()。3/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
14、剧，如果炉膛自由空间不足，必然会发生大量的渣钢喷溅与泡沫渣翻滚溢出，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 0.91.05 之间。由于顶吹转炉喷溅大，为了防止喷溅，使之有较高的金属收得率，180t 氧气顶吹转炉应选一较大的炉容比，取 1.0 较为合适。4.熔池尺寸的确定熔池尺寸的确定熔池直径 D。熔池直径指转炉熔池在平静状态时金属液面的直径。 D=K 式中 D熔池直径，m；K系数，参与表 1；G新炉金属装入量，t，可取公称容量；t 平均没炉钢纯吹氧时间，min，参与表 2。表表 1 系数系数 K
15、 的推荐值的推荐值转炉容量/t100备注K1.852. 101.751.851.501.75大容量取下限，小炉子取上限表表 2 平均每炉钢冶炼时间推荐平均每炉钢冶炼时间推荐转炉容量/t100备注冶炼时间/min2832(1216)3238(1418)3845(1620)结合供氧强度、铁水成分和所炼钢种等具体条件确定注：括号内数系吹氧时间参考值。根据表 1 与表 2，180t 氧气顶吹转炉的 K 取 1.60，吹氧时间取18min。D=K=1.60=5.060m 180 18熔池深度 h。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。通常球缺底的半径 R 为熔池直径 D 的 1.11.25 倍，现取 R=1.1D，熔池体积 V池熔池直径及熔池深度 h 有如下关系：V池=0.790h2 0.0463因而 h=（ V池+0.046）/0.79032对于 V池，V池= ，钢液密度 一般取 7.0/t，G 取 180t 3V池=25.714180 7.03即得 h=（25.714+0.046）/0.790 5.0603 5.0602=1.566m核算以上值是否合适：根据生产实践，吨钢耗氧量，一般低磷铁水约为 5565/t，取 55/t。则33供氧强度=3.0562吨钢耗氧量（3/） 吹氧时间55 183/( )氧气射流穿透深度=0.36=0.3620.256
