年产260万吨良坯不锈钢转炉车间的设计毕业设计

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1、毕业设计(论文)任务书毕业设计毕业设计(论文论文)题目：题目： 年产 260 万吨良坯不锈钢转炉车间的设计 毕业设计毕业设计(论文论文)内容：内容：根据给定的铁水成分：C=4.13%、Si=0.58%、Mn=0.42%、P=0.22%、S=0.026%，铁水温度 1300，设计一座年产 260 万 t 的不锈钢车间。设计内容主要包括：1.选择冶炼的主钢种，决定冶炼工艺流程，编制产品大纲；2、物料及热平衡计算；3、炉型和氧枪喷头的设计及计算，并绘制炉型图(A2)和氧枪喷头图(A2)；4、车间主要设备的选择及计算；5、主厂房设计及计算，并绘制车间平面布置图(A0)；6、主钢种的主要技术经济指标；7

2、、编写设计说明书一份。(参考文献不少于 15 篇，其中外文文献不少于 2 篇)专题专题(子课题子课题)题目：题目： 专题专题(子课题子课题)内容：内容：毕业设计毕业设计(论文论文)指导教师指导教师(签字签字)： 主主 管管 教教 学学 院院 (部部) 长长(签字签字)： 2011 年年 3 月月 10 日日 年产年产 260 万吨良坯不锈钢转炉车间的设计万吨良坯不锈钢转炉车间的设计设计说明书设计说明书昆明理工大学昆明理工大学学学 院：冶金与能源工程学院院：冶金与能源工程学院专专 业：冶金工程业：冶金工程班班 级：级：编编 制制 人：人：指导老师：指导老师：时时 间：间：2011.03.0106

3、.01Design of 2.6 Million Tons Annual Fine IngotYield Stainless Steel Convertor Steelmaking Workshop Design Instruction BookletKunming University of Science and TechnologyInstitute： Energy and Metallurgy Engineering CollegeSpeciality： Metallurgy EngineeringClass： 2007(2)Author： Liu LingangSupervisor：

4、Yin ShubiaoPeriod： 2011.03.0106.01毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明原创性声明原创性声明本人郑重承诺：所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得 及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。作 者 签 名： 日 期： 指导教师签名： 日期： 使用授权说明使用授权说明本人完全了解 大学关于收集、保

5、存、使用毕业设计（论文）的规定，即：按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。作者签名： 日 期： 学位学位论论文原文原创创性声明性声明本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担

6、。作者签名： 日期： 年 月 日学位学位论论文版文版权权使用授使用授权书权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。涉密论文按学校规定处理。作者签名：日期： 年 月 日导师签名： 日期： 年 月 日摘摘 要要本设计是依据昆明理工大学冶金与能源工程学院冶金工程系本科生毕业设计任务书和到云南天高镍业有限公司收集的全部资料来进行设计的。设计任务为“设计一年产 260 万吨良坯不锈

7、钢转炉车间” 。本文设计了一座年产 260 万 t 良坯的不锈钢炼钢车间，该炼钢车间的主钢种为304 不锈钢，根据设计给定的条件和钢种的特征，高炉铁水采用混铁车运输至脱磷转炉，脱磷转炉所出钢水通过钢包送至 AOD 转炉并兑入电炉熔化金属镍和高碳铬铁的混合金属液进行精炼，得到的合格钢水通过钢包送至连铸跨进行连铸。根据炼钢厂的年产量和钢种种类，设计了一座 120t 的复吹转炉(5 孔拉瓦尔氧枪喷头)、两座 200t 的侧顶吹 AOD 转炉、一台二流断面为 250mm1600mm 的板坯连铸机和一台六流断面为 400mm400mm 的方坯连铸机。主要设计内容包括：工艺过程概述，物料平衡计算及热平衡计

8、算，主要设备的计算选择，炼钢车间平面布置，最后绘制了炼钢车间平面图。 关键字：关键字：不锈钢；脱磷转炉；AOD；连铸AbstractThis design is based on the Kunming University of Metallurgy and Metallurgical Engineering, Energy Engineering Graduates Graduation design plan and to collect all the information which comes form Yunnan Tiangao Nickel industry Co., LT

9、d to carrg out the design. Design task: Design an annual output of 2.6 million t of a good billet stainless steel converter plant.This article is designed annual output of 2.6 million t of a good billet stainless steel converter plant，The main steel is 304 stainless steel of the steel plant, Under t

10、he given conditions and the characteristics of steel itself, Torpedo car is used to transport Hot Metal to the dephosphorization converter，then the molten iron is send into the AOD converter , the mixed liquid metal of high-carbon ferrochrome and nickel which is smelted by electric furnace is also s

11、end into the AOD converter, and refining. Only by using ladle to the casting. Based on the annual production of steel mills and steel a variety of categories，two-blowing smelting system of one 120t converter and the five-hole of the spray gun of Laval are being used ，two-blowing smelting system of t

12、wo 200t AOD converter ，department of casting has a two-flow cross-section of the slab 250mm1600mm for the continuous casting machine and a six-flow cross-section of the billet 400mm400mm for the continuous casting machine. The main design content including: Material balance calculation and heat bala

13、nce calculation, the calculation of major equipment selection, layout of Steel-making plant, Finally , steel plant plan has been drawn.Keywords: Stainless Steel; Dephosphorization Converter; AOD; Continuous Casting目 录摘 要.Abstract.前 言.1第一章 产品方案的规划与设计.21.1 产品方案的确定及金属物料平衡表.21.1.1 产品方案的确定.21.1.2 金属平衡图.3

14、1.2 合金元素对不锈钢组织(性能)的作用.4第二章 工艺流程的选择与论证.72.1 转炉车间原材料供应.72.2 脱磷转炉.72.2.1 一炉钢的冶炼过程.82.2.2 终点碳的控制.92.3 AOD 转炉精炼.10第三章 冶金计算.133.1 脱磷转炉平衡计算133.1.1 物料平衡计算.133.1.2 热平衡计算.193.3AOD 转炉平衡计算.233.3.1 物料平衡计算.233.3.2 热平衡计算.34第四章 氧枪和转炉的设计计算.394.1 转炉(脱磷)设计.394.1.1 转炉座数和公称容量确定.394.1.2 转炉炉型设计.404.1.3 转炉炉衬设计.434.2 氧枪设计44

15、4.2.1 喷头参数的选择.444.2.2 喷头计算确定尺寸.454.2.3 氧枪水冷系统.47第五章 连铸.495.1 连铸机分类及特点.495.1.1 立式连铸机.495.1.2 立弯式连铸机.495.1.3 弧形连铸机.495.1.4 椭圆形连铸机.505.1.5 水平连铸机.505.2 连铸机基本计算505.2.1 板坯连铸机的主要工艺参数的确定.515.2.2 方坯连铸机的主要工艺参数的确定.535.3 连铸机附属设备的选择565.3.1 盛钢桶的作用及尺寸计算.565.3.2 中间包的选择.575.3.3 结晶器.595.4 主要经济技术指标595.4.1 转炉冶炼周期表.595.

16、4.3 转炉车间主要技术参数表.60第六章 主厂房设计计算.626.1 概述626.2 装料跨636.2.1 铁水的供应.636.2.2 废钢的供应.636.2.3 尺寸确定.636.3 炉子跨的位置646.3.1 炉子跨的横向位置.656.3.2 炉子跨纵向布置和转炉操作平台.656.3.3 尺寸确定.676.4AOD 转炉跨.676.5 铸跨676.5 起重设备的选择70第七章 炼钢车间烟气净化与回收.727.1 烟气与烟尘727.1.1 烟气的特征.727.2 转炉烟气净化方案选择737.2.1 炉口附近烟气处理方法.737.2.2 转炉烟气净化方法.73总结和体会.75致 谢.76参

17、考 文 献.77附录外文文献原文和中文翻译.78前 言钢铁行业是国民经济的支柱产业，是关系国计民生的基础性行业。作为原材料工业，在国民经济中占有不可替代的地位。钢铁工业作为一个原材料的生产和加工部门，处于产业链的中间位置。它的发展与国家的基础建设以及工业发展的速度关联性很强。工业用钢是使用最广、用量最大的金属材料之一，在现代工农业生产中占有极其重要的地位。一般转炉炼钢厂冶炼碳素钢，但是随着现代科学技术的发展，对钢铁材料的性能提出了越来越高的要求，不锈钢制品因实用、耐用、美观、卫生被越来越广泛的应用于各个领域。含铬 10.5%以上的合金称为不锈钢。不锈钢最基本的特性是它在大气条件下的耐锈性和在各

18、种液体介质中耐蚀性。这一特性与钢中的铬含量有直接关系，随着铬含量的提高而增强。当铬含量达到 10.5%以上时，钢的特征发生突变，从易生锈到不锈，从不耐蚀到耐腐蚀，而且含铬量随着铬含量的不断提高，其耐锈性和耐蚀性也不断的提高。不锈钢的铬含量最高为 26%，更高的铬含量已经没有必要。不锈钢区别于其它钢铁材料的重要优势有:耐腐蚀、高温度中依然保持高的强度、光洁的外观、易于加工，焊接，成型，制作、永久无磁性，适合于航空领域、优良的抗疲劳性和抗冲击性、耐高低温度、持久耐用。304 不锈钢，国标 0Cr18Ni9,作为一种用途广泛的钢，具有良好的耐蚀性、耐热性，低温强度和机械性能；压、弯曲等热加工性好，无

19、热处理硬化现象(无磁性，使用温度-196800)，因此被广泛地用于制作要求良好综合性能(耐腐蚀和成型性)的设备和机件，例如：家庭用品(1、2 类餐具、橱柜、室内管线、热水器、锅炉、浴缸)，汽车配件(风挡雨刷、消声器、模制品)，医疗器具、建材，化学，食品工业，农业，船舶部件。第一章 产品方案的规划与设计1.1 产品方案的确定及金属物料平衡表1.1.1 产品方案的确定(1) 主钢种 304(标准号 GB/T)占 40%表 1-1 主钢种 304 成分化学成分CSiMnPSCrNi含量(%)0.071.002.000.0350.03017 19811力学性能：抗拉强度 b672Mpa 屈服点 s(M

20、Pa)271 硬度(HV)=165 伸长率 5(%)40应用领域：304 是一种通用性的不锈钢，它广泛地用于制作要求良好综合性能(耐腐蚀和成型性)的设备和机件，例如：家庭用品(1、2 类餐具、橱柜、室内管线、热水器、锅炉、浴缸)，汽车配件(风挡雨刷、消声器、模制品)，医疗器具、建材，化学，食品工业，农业，船舶部件等。 (2) 钢种 316L(标准 GB/T)占 20%表 1-2 钢种 316L 的成分化学成分CSiMnPSCrNiMo含量(%)0.0301.002.000.0350.0301618121523力学性能：抗拉强度 b480Mpa 条件屈服强度 0.2 (MPa)：177 硬度(H

21、V)200应用领域：牌号022Cr17Ni12Mo2，纸浆和造纸用设备热交换器、染色设备、胶片冲洗设备、管道、沿海区域建筑物外部用材料，以及高级手表的表链、表壳等用途。(3) 钢种 2205(标准 GB/T)占 15%表 1-3 钢种 2205 的成分化学成分CSiMnPSCrNiMo含量(%)0.0301.002.000.0300.02022234.56.53.03.5力学性能：抗拉强度 b640Mpa 屈服点 s(MPa)862 硬度(HV)=273 延伸率：25%应用领域：双相不锈钢 2205 合金是由 21%铬,2.5%钼及 4.5%镍氮合金构成的复式不锈钢。它具有高强度、良好的冲击韧

22、性以及良好的整体和局部的抗应力腐蚀能力。2205 双相不锈钢的屈服强度是奥氏体不锈钢的两倍，这一特性使设计者在设计产品时减轻重量。因此主要应用于以下领域：1)压力器皿、高压储藏罐、高压管道、热交换器(化学加工工业)；2)石油天然气管道、热交换器管件；3)污水处理系统；4) 纸浆和造纸工业分类器、漂白设备、贮存处理系统；5)高强度耐腐蚀环境下的回转轴、压榨辊、叶片、叶轮等； 6)轮船或卡车的货物箱； 7)食品加工设备。(4)钢种 316(标准 GB/T)占 25%表 1-4 钢种 316 的成分化学成分CSiMnPSCrNiMo含量(%)0.081.002.000.0350.031618.510

23、142.03.0力学性能：抗拉强度 b620Mpa 屈服点 s(MPa)310 延伸率：30%应用领域：316 不锈钢，18Cr12Ni2.5Mo， 因添加 Mo，故其耐蚀性、耐大气腐蚀性和高温强度特别好，可在苛酷的条件下使用；加工硬化性优(无磁性)。 海水里用设备、化学、染料、造纸、草酸、肥料等生产设备；照像、食品工业、沿海地区设施、绳索、CD 杆、螺栓、螺母。表 1-5 产品大纲产品304316L2205316产品所占比例(%)402015251.1.2 金属平衡图炼钢厂生产的物料平衡是指某一时期进入该厂的各项原材料的量与同一时期生产出来的合格坯(锭)量，排出的炉渣、工业垃圾、废气以及可回

24、收的烟尘等的量所作的平衡计算。也就是一个钢厂生产的投入与产出的平衡关系。炼钢过程消耗的原料以金属料(钢铁原料与合金料)量为最大，所以物料平衡中宜以金属料平衡为主。图 1-1 为年产 260 万吨合格不锈钢钢坯的金属料流程图。 260 2. 60249. 50 2. 601. 00%95. 96%1. 00% 5. 302. 04% 2. 621. 00%262. 63 99. 0% 3. 79 3.25 270. 751. 20%1. 4% 97%0. 4% 1.08 1. 91272. 6699. 3%0. 7% 5. 86 14. 66 293. 1893. 00%2. 00%5. 00%

25、 262. 8989. 67% 22. 73 7. 567. 75%2. 58% 10. 3417. 00% 0. 4430. 00%4. 4070. 00% 10. 2693. 00% 1. 007. 00% 0. 0883. 00% 2. 16图 1-1 常规弧形连铸机连铸热装工艺的金属料流程图(单位：wt/a)1.2 合金元素对不锈钢组织(性能)的作用不锈钢的组织是由钢的化学成分决定的。在不锈钢的化学成分中对组织的作用分为两类。一类是奥氏体形成元素，另一类是铁素体形成元素。所谓的奥氏体就是构成钢的基体的最小单位是晶铬，晶格中原子的排列形式是面心立方体。所谓的铁素体，就是晶格中的原子的排列

26、形式是体心立方晶体。因为无论是奥氏体还是铁素体形成元素，在各类不锈钢中都或多或少同时存在，所以具体的不锈钢是什么组织最终是由两类形成元素的比例所决定的。从下图 1-2 可以看到各元素的当量值和由当量比所决定的组织。图 1-2 修正的舍菲尔不锈钢组织图镍通常用以形成并稳定奥氏体的组织。在不锈钢中多将镍和铬配合使用，以获得奥氏体铁素体双相组织或单相奥氏体组织，使钢具有更好的耐蚀性和良好的形变及焊接性能。钼能增加不锈钢的耐蚀性，特别是对那些铬的钝化作用不够的还原性介质和存在氯离子的介质。在某种情况下，钼还能够提高铬镍不锈钢的抗晶间腐蚀的能力。铜可以提高铁素体铬不锈钢在某些还原性介质中的耐蚀性，并改变

27、其韧性。在奥氏体不锈钢中加铜，可显著提高其在硫酸中的耐蚀性。锰和氮都是促进奥氏体形成的元素，因而可以代镍。但锰本身并不防蚀，不能单独使用，只用以代替部分的镍。碳在不锈钢中将与铬形成碳化物，含碳量越高，形成的碳化铬越多，固溶体中的含铬量越低，钢的电极电位就越低，因此钢的耐蚀性也越低，因而不锈钢一般要求较低的含碳量。但是，不锈钢的强度和硬度则随不锈钢的含碳量的增加而提高，因此，用以制造要求高硬度和高耐磨性的滚动轴承、刃具、弹簧等不锈钢，其含碳量较高，但需相应提高其含铬量(如 9Cr18)。钛和铌与碳亲和力比铬大，在不锈钢中能够优先形成碳化物，使铬能基本溶于固溶体中，从而避免晶界贫铬，减轻晶间腐蚀倾

28、向。铝和硅能在钢的表面形成一层致密的氧化膜，提高钢的耐蚀性。在不锈钢常用的合金元素中，铬、钼、硅、铝、钛、铌等是铁素体形成元素，而碳、镍、锰、氮是奥氏体元素。此外，S 降低钢的延展性及韧性，冲击韧性的下降最为严重 。损害钢的抗蚀性能，造成焊热裂，气孔及疏松。P 提高钢的强度，降低塑性和韧性，碳量越高引起的脆性越大 ，改善钢的耐磨性和耐蚀性及切削加工性能，但对焊接性能不利。Si 提高铁素体和奥氏体的硬度和强度，显著提高钢的弹性极限、屈服强度，降低钢的密度、热导率、导电率和电阻温度系数，提高温度时钢的抗氧化性能和屈服强度、疲劳强度降低，但硅含量高时，表面脱碳加剧，硅还会降低钢的可焊性。第二章 工艺

29、流程的选择与论证根据钢种特性，设计中采用的炼钢工艺流程大致如下：高碳铬铁、金属镍板电炉熔化铁水供应(混铁车)脱磷转炉AOD 转炉钢包连铸下面具体地描述各个环节中采用的具体方法及其原因。2.1 转炉车间原材料供应转炉炼钢使用的原料包括：铁水、废钢、散装料(石灰、白云石、萤石、氧化铁皮、铁矿石、焦炭等)和铁合金。炼钢厂的物料运输方式包括：吊车运输、铁路运输和皮带运输。铁水是转炉炼钢的主要原料。设计中铁水由混铁车运输至脱磷转炉进行脱磷硫得到磷硫较低的钢水，得到的钢水经扒渣倒入炼钢钢水罐，经称量后送至 AOD 转炉跨，再用吊车，吊上钢水罐，入 AOD 转炉，并兑入高碳铬铁、金属镍的热熔混合液。废钢由汽

30、车运输到废钢间，废钢入炉是通过废钢槽运往装料跨装入转炉。散装料包括生石灰、白云石、铁矿石、氧化铁皮、焦炭等。供应系统包括散装料堆场、地下料仓、由地下料仓送往主厂房的运料设施、转炉上方高位料仓、称量和向转炉加料的设施。散装料由成品料仓和中间仓经皮带运输至地下料仓，再由皮带运往高位料仓。铁合金的供应一般由炼钢厂铁合金车间、车间铁合金料仓及称量和输送设施、向炉子加料设施等几部分组成。把铁合金自卸式料罐用汽车、火车运到主厂房炉子跨，再用吊车卸入车间铁合金料仓，经皮带运输至高位料仓储存，经称量后由皮带机及中间料斗加入电炉中熔化。钢渣由渣罐车运往渣处理间。2.2 脱磷转炉由于 AOD 转炉不能脱磷，因此入

31、 AOD 的钢水要求磷很低，脱磷转炉的主要目的是把铁水中的磷脱的足够的低，同时脱去大部分的硫。2.2.1 一炉钢的冶炼过程从装料起到出钢、倒完渣为止，转炉一炉钢的冶炼过程包括装料、吹炼、脱氧、出钢、溅渣护炉和倒渣六个阶段。一炉钢的吹氧时间设计中为 16 分钟，冶炼周期为33 分钟。吹炼过程中熔渣成分与钢中元素氧化、成渣情况有关。渣中 CaO 含量、碱度随冶炼时间延长逐渐提高，中期提高速度稍慢；渣中氧化铁(FeO)含量前后期较高，中期降低；渣中 SiO2、MnO、P2O5含量取决于钢中 Si、Mn、P 氧化的数量和熔渣中其他组成含量的变化。吹炼过程中金属升温大致分三阶段：第一阶段升温速度很快，第

32、二阶段升温速度趋缓慢，第三阶段升温速度又加快。出钢温度约 16501680。装入制度是指一个炉役期中装入量的安排。装入制度有三种：定量装入、定深装入、分阶段定量装入法。分阶段定量装入法兼有前两者的优点，是生产中最常见的转入制度，设计中就采用分阶段定量装入。转炉炼钢的装入量是指炼一炉钢时铁水和废钢的装入数量，它是决定转炉产量、炉龄及其他技术经济指标的重要因素之一。在转炉炉役的不同时期，有不同的合理的装入量。转炉一般有底吹、顶吹和顶底复合吹。设计中采用复吹。氧气转炉的顶底复合吹炼是指：由转炉顶部吹氧气+底部吹惰性、中性气体(或部分氧气+石灰粉)的炼钢方法。其优点是：加强了熔池的搅拌；氧的利用率提高

33、、冶炼周期缩短、铁损和脱氧剂消耗降低；充分发挥顶吹易造渣的特点，实现中前期脱磷；底部吹氩气和氮气，提高了炉底耐火材料和供气元件的寿命，克服了底吹保护性介质 C-H 的使用，避免了钢种含 H 增高的问题。顶吹转炉操作灵活，可以控制脱碳、脱磷同时进行，熔渣氧化性高，成渣条件好，但熔池搅拌差，熔池成分、温度不均匀性大，容易产生喷溅和金属损失，渣中有很高的氧化铁(FeO)；底吹转炉熔池搅拌强烈，可以避免过氧化，吹炼平稳、金属损失少，但成渣慢，且冶炼过程中，渣中的氧化铁(FeO)不高，不利于石灰熔化，冶炼初期不能形成高的氧化铁(FeO)、一定碱度及流动性的炉渣；炉底耐火材料的寿命不长，喷嘴的维护困难。复

34、吹转炉兼有这两者的优点，同时避免了两者的缺点，且顶底复合吹法底部吹的不是氧气而是氮气等非氧化性气体，所以既达到加强搅拌的目的又避免了单纯底吹的底部供气元件容易烧坏的缺点。因此设计中就采用顶底复合吹转炉。2.2.2 终点碳的控制本设计并未涉及终点碳的控制，但终点碳的控制是炼钢过程的一个重要技术操作，在此略做介绍。在转炉冶炼的过程中最重要的是终点碳的控制，那直接关系到最后所出钢水能否达到所炼钢种的要求。终点碳控制的方法有三种：拉碳法、增碳法、高拉碳。(1) 低增碳法转炉炼纲终点控制方法之一。在吹炼平均含碳量0.08%的钢种时，皆采取吹到0.05%0.06%C 时便停吹，然后按所炼钢种的规格，再在钢

35、包中增碳。该法省去了中途倒炉取样和校正补吹，因而生产率高；终渣好，有利于减少喷溅和提高供氧强度；但增加废钢用量，废钢比高，且必须采用低硫、低灰分并干燥的增碳剂。(2) 拉碳法：转炉炼钢终点控制方法之一，即在熔池含碳量达到出钢要求时便停止吹氧。这种方法在吹炼终点时不但熔池的硫、磷和温度等符合出钢要求，而且熔池中的碳加上铁合金带入的碳也能符合所炼钢种的规格，不需再专门向金属追加增碳剂增碳。该法金属收得率高、锰铁消耗少；渣中 FeO 低，有利于提高炉龄；钢中气体、夹杂含量较低。提高一次命中率是发挥拉碳法优越性的重要手段。(3) 高拉碳法：是指熔池含碳量达到出钢要求时停止吹氧，此时熔池中不但硫磷和温度

36、符合出钢温度要求，而且计入铁合金带入金属中的碳后，钢水中的碳也能符合所炼钢种的规格要求。“高拉碳法”控制终点，由于缩短了冶炼时间，终点钢水含氧量较低，溶于钢液中的氢气、氮气也较少，钢液的内生非金属夹杂物少，从而减少了钢中气体对钢性能的影响，钢水质量有明显改善。且终渣中(FeO)含量较低，减少对炉衬的化学侵蚀，对延长炉龄十分有利。但是“高拉碳法”炉内热量收入少，不利于提高废钢比。 “高拉碳法”控制终点，冶炼时间缩短，不利于去除 P、S。2.3 AOD 转炉精炼钢水炉外精炼又称钢水二次精炼或二次炼钢。炉外精炼是将原来在转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

37、的获得优质的，多品种钢水。几乎任何一种精炼工艺都需要钢水搅拌，以加速添加料的融化与均匀化，促进渣钢反应，均匀钢水的化学成分与温度。最常用的搅拌手段是钢水吹氩。这也是钢水连铸之前必不可少的预备处理。炉外精炼设备的种类很多，大致分为 5 类。(1) 简易的钢包吹氩调温、加合金装置(如喂丝装备)；(2) 具有氩气保护气氛的合金微调、喷粉精炼、吹氧化学升温等功能的钢包精装备如 CAS-OB 等；(3) 设有电极加热具有电弧炉精炼功能的钢包炉，如 LF 装备；(4) 具有真空脱碳、脱气等精炼功能的装备，如 VOD、RH 等；(5) 能控制炉内气氛，具有精炼功能的特种转炉，如 AOD 等。对于不锈钢的冶炼

38、，需要特种转炉，目前主要使用的有 AOD、GOG 和 VOD 三种。本设计使用的是 AOD 转炉，AOD 精炼法是氩氧脱碳法(Argon Oxygen Decarburization)的简称。在精炼不锈钢时，它是在标准大气压力下向钢水吹氧的同时，吹入惰性气体(Ar，N2)，通过降低 CO 分压，达到假真空的效果，从而使碳含量降到很低的水平，并且抑制钢中铬的氧化。自 1955 年美国联合碳化物公司取得氢氧精炼专利，并于 1968 年在乔司林公司韦堡钢厂投产第一座 15 吨 AOD 炉以来，世界上已有众多的国家先后采用了此技术。由于这种工艺与电弧炉冶炼不锈钢相比，具有三高(产量高、质量高、铬的收得

39、率高)和三低(投资低、成本低、劳动强度低)等一系列优点，因此，许多国家已把 AOD 法作为生产不锈钢的主要手段之一。目前AOD 炉除冶炼不锈钢外，在生产耐热钢、耐腐蚀钢、高温合金、纯铁等品种上，同样能取得较好的冶炼效果，并已向冶炼结构钢、工具钢及特殊性能的低合金钢方面扩展。AOD 炉的主要工艺特点如下:(1) 可以用廉价的高碳铬铁和全部返回废钢，使冶炼成本大大降低；(2) 采用电炉、AOD 炉双联工艺冶炼不锈钢，电炉只承担熔化任务，因而可大大提高电炉生产率；(3) 可以顺利生产电炉难以冶炼的超低碳(含 C0.03%)不锈钢，能保持较高的铬的回收率；(4) 钢质净化好，质量明显提高；(5) 降低

40、电能消耗，节省电极，减少原材料消耗；(6) 由于在大气压力下进行精炼，设备简单、操作方便灵活。AOD 法吹炼过程从冶金反应方面可大体分为三个阶段。(1)吹氧阶段 ：吹炼初期，钢液含碳量较高，吹氧脱碳反应顺利进行。碳的氧化采取两种方式，经过一个阶段的吹炼，碳的氧化反应接近平衡。(2) 吹氩氧混合气体阶段：由于气泡中含有氩气，降低 CO 的分压力，因而改变了原来的 C-O 平衡关系，促使脱碳反应进一步进行其结果是使钢液含碳量进一步降低。(3) 吹氩阶段：由于停止供氧，故钢液中的氧量不再得到补充。更由于吹氩促进钢液中碳的进一步氧化，在吹氩阶段，钢液含碳量更进一步降。常规的 AOD 精炼铸造工艺流程如

41、图 2-1 所示：炉料熔化钢水检测装料成分检测氧化脱碳精炼还原成分检测成分温度微调出钢成分检测浇注铸件图 2-1 AOD 精炼铸造工艺流程第三章 冶金计算3.1 脱磷转炉平衡计算3.1.1 物料平衡计算基本原始数据有：冶炼钢种及其成分、铁水、废钢成分和终点钢水成分(如表 3-1)；造渣用熔剂及炉衬等原材料的成分(如表 3-2)；其他工艺参数(如表 3-3)。各项数据如下列表：表 3-1 钢水、铁水、废钢、和终点钢水的成分设定成分含量/%CSiMnPS钢种 304 设定值0.071.002.000.0350.030铁水设定值4.130.580.420.220.026废钢设定值0.180.250.

42、550.0300.030终点钢水设定值0.06痕迹0.1260.0220.016注：C和Si按实际生产情况取；Mn、P、S分别按铁水中相应成分含量的 30%、10%和 60%留在钢水中。表 3-2 原材料成分成分/%类别CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3CaF2P2O5SCO2H2OC灰分挥发分石灰90.02.082.171.250.420.080.053.870.08萤石0.35.50.61.61.5880.90.101.5生白云石36.40.825.61.036.2炉衬1.23.078.81.41.614.0焦炭0.681.512.45.52表 3-3 其他工艺参数的设定名 称参 数

43、终渣碱度w(CaO)/w(SiO2)=3.5萤石加入量为铁水量的 0.5%生白云石加入量为铁水量的 2.5%炉衬蚀损量为铁水量的 0.15%终渣(FeO)含量15%，而(Fe2O3)/(FeO)=1/3,即(Fe2O3)=5%，(FeO)=8.25%烟尘量为铁水量的 1.5%(其中 FeO 为 75%，Fe2O3为 20%)喷溅铁损为铁水量的 1%渣中铁损(铁珠)为渣量的 6%名 称参 数氧气纯度99%，余者为 N2炉气中自由氧含量0.5%(体积比)气化去硫量占总去硫量的 1/3金属中C的氧化产物99%C 氧化成 CO，10%氧化成 CO2废钢量本计算结果为铁水量的 13.86%，即废钢比为

44、12.17%计算时以 100Kg 铁水为基础进行计算。第一步：计算脱氧合金化前的总渣量及其成分总渣量包括铁水中元素氧化、炉衬蚀损量和加入熔剂的成渣量。其各项成渣量分别列于表 3-4、3-5、3-6。总渣量及其成分如表 3-7 所示。第二步：计算氧气消耗量氧气实际消耗项目与供入项目之差，详见表 3-8。表 3-4 铁水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备注CCO3.6634.8848.547CCCO20.4071.0851.492SiSiSiO20.580.6631.243入渣MnMnMnO0.2940.0860.380入渣PPP2O50.1980.2

45、550.453入渣SSO20.0030.0030.006SS+CaO=CaS+O0.007-0.0040.016入渣FeFeO0.6490.1850.835入渣(见表 3-7)FeFeFe2O30.3290.1410.470入渣(见表 3-7)合计6.1307.298成渣量3.397注：CaO 还原出的氧量；消耗的 CaO 的量：0.012 kg.表 3-5 炉衬蚀损的成渣量成渣组分气态产物耗氧量炉衬蚀损量(据表 3-3)CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3COCO2COCO20.30.0040.0090.2360.0040.0050.08820.01540.01160.0504合计0.2

46、580.1030.062表 3-6 加入溶剂的成渣量成渣组分/kg气态产物/kg类别加入量/kgCaOMgOSiO2Al2O3Fe2O3P2O5CaSCaF2H2OCO2O2萤石0.5000.0020.0030.0280.0080.0080.0050.0010.4400.008生白云石2.5000.9100.6400.0200.0250.905石灰4.604.0360.1200.1150.0690.0230.0050.0070.0050.2130.002合 计4.9480.7630.1630.1020.0310.0100.0080.4400.0131.1180.002成 渣 量6.465注：石

47、灰加入量计算如下:由表 3-43-6 可知，渣中已含(CaO)=0.904kg，渣中已含(SiO2)=1.300kg。因设定的终渣碱度 R=3.5。故石灰加入量为：Rw(SiO2)-w(CaO)/w(CaO石灰)-Rw(SiO2 石灰)=4.60kg。表 3-7 总渣量及其成分炉渣成分CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOFe2O3CaF2P2O5CaS合计元素氧化成渣量/kg1.2430.3800.8350.4700.4530.0163.397石灰成渣量/kg4.0360.1150.1200.0690.0230.0050.0074.375炉衬蚀损成渣量/kg0.0040.0090.236

48、0.0040.0050.258生白云石城渣量/kg0.9100.0200.6400.0251.595萤石成渣量/kg0.0020.0280.0030.0080.0080.4400.0050.0010.495总渣量/kg4.9521.4150.9990.1060.3800.8350.5060.4400.4630.02410.12质量分数/%48.9313.989.871.053.758.255.004.354.580.24100.0注：总渣量计算如下：表 3-7 中除 FeO 和 Fe2O3外的渣量为:8.779kg，因终渣 w(FeO)=15%(见表 3-3)，而(Fe2O3)/(FeO)=1

49、/3,即(Fe2O3)=5%，(FeO)=8.25%，设总渣量为 X，则有：8.779+X5%+X8.25%=X。解得X=10.120Kg，所以 w(FeO) = 10.1208.25%=0.835Kg，w(Fe2O3) = 10.1205%-0.023-0.005-0.008=0.470kg。表 3-8 实际耗氧量耗氧项/kg供氧项/kg实际氧气消耗量/kg铁水中元素氧化耗氧量(表 3-3)7.298炉衬中碳氧化耗氧量(表 3-5)0.062石灰中 S 与 CaO 反应还原出的氧化量(表 3-6)0.002烟尘中铁氧化耗氧量(表 3-3)0.340炉气自由氧含量 (表 3-90.060合计7

50、.76合计0.00027.813第三步：计算炉气量及其成分其结果如下表 3-9 所示。表 3-9 炉气量及其成分炉气成分炉气量/kg体积/m3体积分数/%C08.6356.90882.64CO22.6251.33615.98SO20.0060.0020.02H2O0.0130.0160.19O20.0600.0420.50N20.0690.0550.66合 计11.4088.359100.00注：炉气中 O2的体积为：0.042 m3。第四步：计算未加入废钢前的钢水量钢水量 Qg=铁水量铁水中元素的氧化量烟尘，喷溅和渣中的铁损。即 Qg=1006.1301.50(75%56/72+20%112

51、/160)+1+10.126%=91.178kg。据此可以编制出未加入废钢的物料平衡表 3-10：表 3-10 未加入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100.0086.42钢水91.17878.72石灰4.603.98炉渣10.1208.74萤石0.5000.43炉气11.4089.85生白云石2.5002.16喷溅1.0000.86炉衬0.3000.26烟尘1.5001.30氧气7.8136.75渣中铁珠0.6070.53合计115.713100.00合计115.813100.00注：计算误差为：(115.713115.813)/115.713100%=0.

52、09%。第五步：计算加入废钢的物料平衡表 3-11 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/kgCCO0.0150.0200.035CCCO20.0020.0050.007SiSiSiO20.0350.0400.075MnMnMnO0.0170.076PPP2O50.0590.0010.0010.002SSO20.00060.00060.0012SS+CaO=CaS+O0.0012-0.00060.003合计0.1140.08313.746成渣量0.156表 3-12 加入废钢的物料平衡表(以 100kg 铁水为基础)废钢13.8610.

53、69炉渣10.2767.92石灰4.603.55炉气11.4518.82萤石0.500.38喷溅1.0000.77轻烧生白云石2.501.93烟尘1.5001.16炉衬0.300.23渣中铁珠0.6070.47氧气7.8966.09合计129.656100.00合计129.758100.00注：计算误差为：(129.656129.758)/129.656100%=0.08%。表 3-13 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87.8377.13钢水92.1580.86废钢12.1710.69炉渣9.037.92石灰4.043

54、.55炉气10.068.82萤石0.440.38喷溅0.880.77轻烧生白云石2.201.93烟尘1.321.16炉衬0.260.23渣中铁珠0.530.47氧气6.936.09合计113.87100.00合计113.96100.00注：计算误差为：(113.87113.96)/113.87100%=0.08%。3.1.2 热平衡计算3.1.2.3 计算所需的原始数据计算所需的基本原始数据有：各种入炉料及产物的温度(表 3-14)；物料平均热容(表 3-15)；反应热效应(表 3-16)溶入铁水中元素对铁熔点的影响(表 3-17)；其他数据参照物料平衡取。表 3-14 入炉物料及产物的温度设

55、定值入炉物料产物名称铁水废钢其它原料炉渣炉气烟尘温度13002525与钢水相同14501450注：纯铁熔点：1536表 3-15 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(K)10.7450.6991.0470.996熔化潜热 kJ1218272209209209液态或气态平均热容 kJ(K)10.8370.8371.2481.137表 3-16 炼钢温度下的反应热效应组元化学反应HkJmol1HkJ1C(C)+ 1/2O2CO 氧化反应-139420-11639C(C)+O2CO2 氧化反应-418072-34834Si(Si)+O2(SiO2) 氧化反应-817682-

56、29202Mn(Mn)+ 1/2O2(MnO) 氧化反应-361740-6594P2(P)+ 5/2O2(P2O5) 氧化反应-1176563-18980Fe(Fe)+ 1/2O2(FeO) 氧化反应-238229-4250Fe2(Fe)+ 3/2O2(Fe2O3) 氧化反应-722432-6460SiO2(SiO2)+2(CaO)(2CaOSiO2) 成渣反应-97133-1620P2O5(P2O5)+4(CaO)(4CaOP2O5) 成渣反应-693054-4880CaCO3CaCO3(CaO)+CO2 分解反应1690501690MgCO3MgCO3(MgO)+CO2 分解反应11802

57、01405表 3-17 溶入铁水中的元素对铁熔点的降低值元素CSiMnPSAlCrN、H、O铁中的极限溶解度(%)5.4118.5无限2.80.1835无限溶入 1%的元素对铁熔点的降低值()65707580859010085302531.5=6适用含量范围(%)1.01.02.02.53.03.54.03150.70.081183.1.2.2 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(表 3-14，表 3-1 和表 3-17)计算铁水熔点 Tt ，然后由铁水温度和

58、生铁热熔(表 3-18和表 3-19)确定 Qw。Tt=1536-(4.13100+0.588+0.425+0.2230+0.02625)-6=1103Qw=1000.745(1103-25)+218+0.837(1300-1103)= 118599.90kJ(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 3-16)可以算出，其结果列于表 3-18。表 3-18 元素氧化热和成渣热反应产物氧化热和成渣热CCO3.66311639=42633.66CCO20.40734834=14177.44SiSiO20.5829202=16937.16MnMnO0.2946594=193

59、8.64FeFeO0.6494250=2758.25FeFe2O30.3296460=2125.34PP2O50.19818980=3758.04P2O54CaOP2O50.4634880=2259.44SiO22CaOSiO21.4151620=2292.30合计88880.27 (3)烟尘氧化热 Qc：由表 3-3 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)= 5075.35kJ(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+0.3%14%10%34834= 586.257k

60、J故热收入总值为：Qs=Qw+Qy+Qc+Q1=213141.77kJ。3.1.2.3 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: 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 4060，后者约 35/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 5090)确定出钢温度 Tz；最后由钢水量和热容算出物理热。Tg=1536-(0.0665+0.1265+0.02230+0.01625)-6=1524(式中

61、：0.06、0.126、0.022 和 0.016 分别为终点钢水 C、Mn 、P 和 S 含量)Tz(出钢温度)=1524+50+50+70=1694(式中 50、50 和 70 分别为设计计算出钢过程中的温降、镇静及炉后处理过程中的温降和过热度取值)Qg=91.1780.699(1524-25)+272+0.837(1694-1524)= 133310.53kJ(2)炉渣物理热 Qr：令终渣温度与钢水温度相同，则得：Qr=10.1201.248(1694-25)+209= 23194.15kJ(3)炉气、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。详见表 3-19

62、。表 3-19 某些物料的物理热项 目参 数kJ备 注炉气物理热18483.531450系炉气和烟尘的温度烟尘物理热2442.45渣中铁珠物理热887.491530系钢水熔点喷溅金属物理热1462.09合计Qx=23275.56(4)白云石分解热 Qb：根据其用量、成分表和表 3-20 所示的热效应计算之。Qb=2.5(36.40%1690+25.60%1405)= 2437.1kJ(5)热损失 Qq：其他热损失带走的热量一般约占总收入的 38%，本设计计算取5%，即：Qq=Qs5%=213141.775%=10657.09KJ(6)废钢吸热 Qf:用于加热废钢的热量系剩余热量，即：Qf=Qs

63、-Qg-Qr-Qx-Qb-Qq= 20267.34kJ故废钢加入量 Wf为：Wf=20267.34/ 0.699(1529.175-25)+272+0.837(1699.175-1529.175)= 13.86kg即废钢比为=12.17% %1001006.8136.813热效率 = =82.94 %100热收入总量废钢物理热炉渣物理热钢水物理热若不计算炉渣带走的热量时：热效率 = =72.05%100热收入总量废钢吸热钢水物理热3.1.2.4 结果列出热平衡表表 3-20 热平衡表收 入支 出项目热量kJ%项目热量kJ%铁水物理热118599.9055.64钢水物理热133310.5362.

64、55元素氧化热和成渣热88880.2741.70炉渣物理热23194.1510.82其中 C 氧化56811.126.65废钢吸热20267.349.51Mn 氧化1938.640.91炉气物理热18483.538.67P 氧化3758.041.76烟尘物理热2442.4501.15Si 氧化16937.167.95渣中铁珠物理热887.490.42Fe 氧化4883.592.29喷溅金属物理热1462.090.69SiO2成渣2292.301.08轻烧白云石分解热2437.1001.14P2O5成渣2259.441.07热损失10657.095.00烟尘氧化热5075.3502.38炉衬中碳

65、的氧化热586.2570.28合计213141.77100.00合 计213141.77100.003.3 AOD 转炉平衡计算3.3.1 物料平衡计算在 AOD 转炉中，其工艺过程有两个阶段：氧化期和还原期，分别计算如下。 3.3.1.1 兑入钢水成分的计算脱磷转炉出来的钢水和电炉熔化的混合金属液一起兑入 AOD 转炉，简称兑入钢水。计算得基本原始数据如表 3-21 所示。在电炉中铬的烧损率为 2.5%，硅的烧损率为 5%，碳的烧损率为 5%；在 AOD 中铬的烧损率为 1.3%，镍为 1.0%。兑入钢水的成分计算如下：表 3-21 冶炼钢种、金属镍、高碳铬铁和脱磷转炉钢水的成分(%)CSi

66、MnPSCrNi0Cr18Ni90.071.002.000.0350.0301719811金属镍100高碳铬铁880.020.0356钢水0.0600.1260.0220.016前面脱磷转炉过来钢水 92.15Kg，设最终(产品)需金属镍 X Kg(镍取下限值)，高碳铬铁 Y Kg(铬取中限值)。则有：；。0. 0892. 15XXY56%0. 1892. 15YXY有以上两式解得 X=12.32Kg；Y=49.48。由于在电炉中铬的烧损率为2.5%，AOD 中铬的烧损率为 1.3%，镍的烧损率为 1.0%。因此需加入电炉的高碳铬铁为：49.48(11.3)(12.5)=51.42Kg；金属镍为：12.32(11%)=12.44Kg。则加入高碳铬铁带入 AOD 的各元素的量如下：C:51.428%(15%)=3.908Kg；Si:51.422%(15%)=0.997Kg；P:51.420.02%=0.010Kg；S:51.410.03%=0.015Kg；Cr:51.4256%(12.5%)=28.075Kg；Fe:51.42(156%8%2%0.02%0.03%)=17.457Kg。总