转炉工作原理与结构设计说明

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1、攀枝花学院本科课程设计转炉工作原理及结构设计学生姓名：学生学号：院（系）：年级专业：_指导教师：二0三年十二月转炉工作原理及结构设计1.1 前言1964 年，我国第一座 30t 氧气顶吹转炉炼钢车间在首钢建成投产。其后， 上钢一厂三转炉车间、 上钢三厂二转炉车间等相继将原侧吹转炉改为氧气顶吹转 炉。20 世纪 60年代中后期，我国又自行设计、建设了攀枝花 120t 大型氧气顶 吹转炉炼钢厂，并于 1971年建成投产。 进入20世纪 80年代后，在改革开放方 针策的指引下， 我国氧气转炉炼钢进入大发展时期， 由于氧气转炉炼钢和连铸的 迅速发展，至 1996年我国钢产量首次突破 1 亿 t ，成为

2、世界第一产钢大国。1.2 转炉概述转炉（ converter ）炉体可转动，用于吹炼钢或吹炼锍的冶金炉。转炉炉体 用钢板制成，呈圆筒形，内衬耐火材料，吹炼时靠化学反应热加热，不需外加热 源，是最重要的炼钢设备，也可用于铜、镍冶炼。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）转炉；按气体吹 入炉内的部位分为底吹、 顶吹和侧吹转炉； 按吹炼采用的气体， 分为空气转炉和 氧气转炉。转炉炼钢主要是以液态生铁为原料的炼钢方法。 其主要特点是： 靠转 炉内液态生铁的物理热和生铁内各组分（如碳、锰、硅、磷等）与送入炉内的氧 进行化学反应所产生的热量， 使金属达到出钢要

3、求的成分和温度。 炉料主要为铁 水和造渣料（如石灰、石英、萤石等） ，为调整温度，可加入废钢及少量的冷生 铁块和矿石等。1.2.1 转炉分类1.2.1.1 炼钢转炉 早期的贝塞麦转炉炼钢法和托马斯转炉炼钢法都用空气通过底部风嘴鼓入 钢水进行吹炼。 侧吹转炉容量一般较小， 从炉墙侧面吹入空气。 炼钢转炉按不同 需要用酸性或碱性耐火材料作炉衬。 直立式圆筒形的炉体， 通过托圈、 耳轴架置 于支座轴承上，操作时用机械倾动装置使炉体围绕横轴转动。50 年代发展起来的氧气转炉仍保持直立式圆筒形，随着技术改进，发展成 顶吹喷氧枪供氧，因而得名氧气顶吹转炉，即L-D转炉（见氧气顶吹转炉炼钢）； 用带吹冷却剂

4、的炉底喷嘴的，称为氧气底吹转炉（见氧气底吹转炉炼钢） 。参考氧气（a）顶欧法（b）底吹法耗气（可顶底复吹法傭性体 血体氧气甄气喷枪肌4审气顶吹转炉示意图三种主嬰转炉吹炼方法示意團121.2 炼铜转炉一般为卧式转炉用于处理铜锍，通过鼓入空气把冰铜氧化吹炼成粗铜，也用 于吹炼冰镍。1.2.2转炉炼钢的基本原理氧气顶吹转炉炼钢设备工艺，如图 4 所示。按照配料要求，先把废钢等装入炉内，然后倒入铁水，并加入适量的造渣材 料（如生石灰等）。加料后，把氧气喷枪从 炉顶插入炉内，吹入氧气（纯度大于99%的咼压氧气流），使它直接跟咼温的铁水发 生氧化反应，除去杂质。用纯氧代替空气 可以克服由于空气里的氮气的影

5、响而使 钢质变脆，以及氮气排出时带走热量的缺 点。在除去大部分硫、磷后，当钢水的成 分和温度都达到要求时，即停止吹炼，提升喷枪，准备出钢。出钢时使炉体倾斜, 钢水从出钢口注入钢水包里，同时加入脱氧剂进行脱氧和调节成分。钢水合格后, 可以浇成钢的铸件或钢锭，钢锭可以再轧制成各种钢材123氧气顶吹转炉炼钢的基本流程废钢料场高炉废钢间配料混铁炉散状料场F地下散料铁合金仓库地下铁合金料氧气阀门站 氧枪吹氧 溅渣吹氮兑铁水罐内皮带及炉顶料皮带及中位料铁水脱硫V下料系统底吹阀门站 IN/Ar下料系统 120t顶吹复吹转炉顶渣料烟气净化煤气1渣罐1r钢水罐旋转湍槽煤气炉渣间LP.VD精炼设备污泥脱水送烧挤胚

6、连铸机2.1转炉炼钢的工艺设计2.1.1转炉炼钢主原料（金属）氧气顶吹转炉炼钢用主原料为铁水、废钢和铁合金2.1.1.1转炉炼钢对铁水的要求铁水一般占转炉装入量的70%100%铁水的物理热与化学热是氧气顶吹转炉 炼钢的基本热源。因此，对入炉铁水温度和化学成分必须有一定要求。（1）温度1250C而且稳定铁水温度的高低，标志着其物理热的多少。较高的铁水温度，不仅能保证转 炉吹炼顺利进行，同时还能增加废钢的配加量，降低生产成本。因此，希望铁水 的温度尽量高些，一般应保证入炉时仍在 1250 r1300 r以上。另外，还希望铁水温度相对稳定，以利于冶炼操作和生产调度。（2）成分合适而且波动小铁水的含磷

7、量w 0.4%:铁水的含硫量w 0.07%:铁水的含硅量0.4%-0.8%为宜；铁水的含锰量0.2%-0.4%;铁水的含碳量。（3）带渣量w 0.5%高炉渣中含硫、SiO2、和AI2Q量较高，过多的高炉渣进入转炉内会导致转 炉钢渣量大，石灰消耗增加，造成喷溅，降低炉衬寿命，因此：通常要求带渣量 不得超过0.5%。2.1.1.2转炉炼钢的废钢原料废钢是氧气顶吹转炉炼钢的主原料之一，是冷却效果稳定的冷却剂。通常占 装入量的30%下。适当的增加废钢比，可以降低转炉钢消耗和成本。厂返回料（废钢锭轧、钢切头等）厂本厂废钢崛回收料（加工废料、报废设备等）废钢Y加工工业的废料（机械、造船、汽车等行业的废钢、

8、车屑等） J外购废钢YI钢铁制品报废件（船舶、车辆、机械设备、土建材料等）1）废钢的作用 废钢是转炉炼钢的另一种金属炉料，其作用是冷却熔池。 氧气顶吹转炉炼钢中，主原料铁水的物理热和化学热足以把熔池的温度从1250r1300C加热到1600r左右的炼钢温度，且有富余热量，废钢就是被用 来消耗这些富余热量，以调控熔池的温度。2）转炉炼钢对废钢的要求废钢的外形尺寸和块度废钢中不得混有铁合金 废钢应清洁干燥不同性质的废钢分类存放3 ）废钢的加工和废钢预热预热废钢的加工 ：转炉炼钢所用废钢多为外购废钢。其来源广泛，大小悬殊， 外形各异， 且多有混杂， 应针对所购废钢的特点进行相应的加工处理如切割、 打

9、 包、火烧、挑拣、水洗等，以满足转炉炼钢对入炉废钢的基本要求。废钢预热 ：目的：提高废钢比，降低生产成本。方法及效果：利用铁水罐 余热和燃料燃烧加热。（首钢）将废钢装入铁水罐中， 置于煤气烘烤器下烘烤 30 40mi n,然后接铁水一并倒入转炉，废钢比提高 10%2.1.1.3 转炉炼钢的铁合金原料铁合金（1）作用：脱氧剂、合金剂。（ 2）常用的铁合金种类： 简单合金：Fe-Mn, Fe-Si , Fe-Cr, Fe-V,Fe-Ti , Fe-Mo, Fe-W等复合脱氧剂： Ca-Si 合金， Al-Mn-Si 合金，Mn-Si 合金， Cr-Si 合金， Ba-Ca-Si 合金，Ba-Al-

10、Si 合金等纯金属： Mn、Ti （海绵 Ti ）、Ni、Al。（3）要求：成分准确、块度合适（540mm、用前烘烤。2.1.2 转炉炼钢主原料（非金属 ）炼钢生产所用的非金属料主要是石灰、白云石等造渣材料,及萤石、矿石、氧化铁皮等助熔剂2.1.2.1 转炉炼钢非金属原料石灰(1) 作用：造碱性渣以去除钢中的磷或硫。碱性炼钢方法的造渣料，主要成分为 CaO由石灰石煅烧而成，是脱 P、 脱S不可缺少的材料，用量比较大。(2) 要求：CaO 有效达8085%以上；由于CaOl效=%CaO石灰-B x %SiO2石灰，因此%CaOJ灰要高，SiO2要 低部标规定w 4%S 含量一般应小于 0.05%

11、(减轻脱硫负担)； 烧减V 2.53.0%。2.1.2.2 转炉炼钢非金属原料白云石(1) 成分：白云石是化学组成为 CaCO3MgCO3勺矿物，理论含量为CaO:30.4% MgO21.9% CO247.7%天然白云石中还含有 SiO2等杂质。(2) 作用：提高渣中MgO勺含量，减轻炉衬的侵蚀，延长使用寿命；同时白云 石也是溅渣护炉的调渣剂。(3) 要求：MgO勺含量要高，杂质含量尽量低(SiO2 )2.1.2.3 转炉炼钢非金属原料萤石( 1 )作用：助熔剂或化渣剂。CaF2能与CaC生成1362E的共晶体，且本身熔点仅935E左右，化渣很快。 但萤石资源短缺， 价高，而且用量过大对炉衬有

12、侵蚀作用， 冶金部转炉操作规程 规定萤石用量w 4kg/t。(2) 要求：CaF2785% SiO2520% CaO 96% 挥发分W 1.0%, S 56% SiQ2W 10% SW 0.2%，块度1050mm为宜； 氧化铁皮的TFe 90%其它杂质不大于3%使用前在500E温度下烘烤2个小 时以上，去除水分和油污。2.1.2.7 转炉炼钢非金属原料氧气( 1)来源：目前炼钢所用氧气，是由工业制氧机分离空气所得2)作用：氧化杂质元素同时产生化学热，并利用氧气射流搅拌熔池。(3)要求：纯度要高，含氧量99.5% (减少热损和N);脱除水分，含水量W 3g/m3 (减少H);具有一定的压力，0.

13、71.5MPa且稳定。2.1.3 转炉内的基本反应及熔体成分变化2.1.3.1 硅、锰的氧化炼钢中硅、锰的氧化以间接氧化方式为主，其反应式为：Si+2(FeQ)=(SiQ2)+2Fe 放热Mn+(FeQ)=(MnQ)+Fe 放热2.1.3.2 转炉炼钢中的脱碳转炉炼钢的主原料铁水中含有4.%左右的碳， 转炉中的脱碳反应以间接氧化为主：(FeO)+C=CO+Fe。这是一个吸热反应，因此，熔池温度升高至1500 C左右后脱碳反应方能激烈进行。在氧气射流的作用区，还会发生碳的直接氧化： 1 /2O 2+C=CO ，它是强 放热反应，故而，碳是转炉炼钢的主要热源之一。复吹转炉底吹CO气体时，CO也会参

14、与碳的氧化： CO+C=2CO，因此 会强化炉内的脱碳反应。2.1.3.3 转炉冶炼中的脱磷和脱硫脱磷的反应式为：2P+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO P2Q)+5Fe 放热其基本条件是高碱度、高氧化铁和低温度。炉渣脱硫的反应式为：FeS+(CaO)=(CaS)+(FeO)吸热它的基本条件是高碱度、高温度和低氧化铁。2.2 炼钢转炉的设计2.2.1 炼钢转炉炉衬设计2.2.1.1 炼钢转炉炉衬简介转炉炉衬 (convcrter lining)转炉金属炉壳内砌筑的耐火材料层。 转炉炉衬的主要功能是为高温冶金熔体 完成炼钢反应提供经久耐用的容器。要求炉衬材料能耐受高温及温度的剧烈波 动，耐

15、炉渣的化学侵蚀能抵抗钢水的机械冲击和磨损。转炉炉衬全部用碱性耐火材料。 碱性耐火材料以氧化镁、 氧化钙为主要成分， 常用的是镁砖。含氧化镁80%85%以上的镁砖，对碱性渣和铁渣有很好的抵抗 性，耐火度比粘土砖和硅砖高。主要用于平炉、吹氧转炉、电炉、有色金属冶炼 设备以及一些高温设备上。2.2.1.2 耐火材料分类 酸性耐火材料以氧化硅为主要成分，常用的有硅砖和粘土砖。 中性耐火材料以氧化铝、氧化铬或碳为主要成分。碱性耐火材料以氧化镁、氧化钙为主要成分，常用的是镁砖。2.2.1.3 转炉炉衬的结构 转炉耐火材料炉衬结构可以分成炉底、熔池、炉壁、炉帽、渣线、耳轴、炉 口、出钢口、底吹供气砖几部分。

16、1永久层 永久层是从安全角度考虑设置的，很少出现损坏现象，在砌筑新的炉衬时， 这一层是不需要拆除的。永久层厚度一般为 230mn左右，用烧结镁砖砌筑。 2综合砌炉在拆除使用后的炉衬时发现，损坏是由个别侵蚀严重的部位不能使用造成 的，而其余相当多的部位虽然仍可以使用， 可是为了砌筑新的炉衬而不得不废弃。 这就使人们提出一个综合砌炉、 均衡炉衬的概念。 针对炉衬不同部位的侵蚀状态 选择不同质量的炉衬砖。渣线、耳轴区是转炉炉衬中使用条件最苛刻的部位， 受到钢液、炉渣的冲刷、 侵蚀以及炉内气体的冲刷作用，要求使用抗侵蚀性最好的砖砌筑。炉帽区主要受炉内气体的冲刷作用， 以及吹炼时炉渣的喷溅作用， 这部分

17、衬 砖的主要问题是剥落和掉砖。 解决掉砖的方法有几种： 将这部分衬砖的外面包 装铁皮， 高温下铁皮熔结在一起， 使炉帽区的衬砖整体性更好； 在铁皮的外侧 焊接绞链并将绞链同炉壳连接在一起； 在砌筑炉帽区衬砖时， 背部使用以树脂 为结合剂的粘接泥料，使炉衬有更好的整体性。炉壁区的衬砖，特别是装料侧的炉衬砖，受到钢水、炉渣的冲刷作用，要求 具有较高的高温强度。熔池和炉底的衬砖主要受到钢液的侵蚀，应具有很好的抗侵蚀性。炉衬砖的长度为500800mm个别部位的砖长度在Im以上，这种砖有很大 的生产难度，一般要用高吨位真空压砖机成型。3 底吹供气砖在转炉炉衬中底吹供气砖是一个具有特殊地位的砖种。在顶底复

18、合吹炼中， 底吹Ar，CO, N2 就是通过这块砖吹入炉内的，严格地讲，底吹供气砖已经脱 离了原有耐火砖的概念，而具有一定的功能特征。因此，一般定义这类耐火材料 为功能性耐火材料。4.出钢口在转炉炉衬中，出钢口砖是另一个具有特殊意义的砖种。 大型转炉出钢口由 于通钢量大，受到钢液的冲刷，使用条件十分苛刻，一般寿命都比较短，远远不 能与炉衬同步使用，只有100次左右。所以要经常更换出钢口砖，每换一次约 需24h。2.2.2炼钢转炉炉体设计221.1炼钢转炉炉体参数设计炉体总咼（包括炉壳支撑板）：7050mm炉壳咼度：6820mm炉壳外径：4370mm高宽比:H/D=1.56炉壳内径：4290mm

19、公称容量：50t有效容积：39.5m3熔池直径：3160mm炉口内径：1400mm出钢口直径：140mm出钢口倾角（与水平）:20 炉膛内径 3160mm炉容比:0379m /t.s熔池深度1133mm炉衬厚度熔池：500mm炉身：500mm炉底：465mm炉帽：550mm炉壳总重77.6t炉衬重量120t炉口结构水冷炉口炉帽结构：水冷炉帽 挡渣板结构：双层钢板焊接式 托圈结构：箱式结构（水冷耳轴）222炼钢转炉倾动装置设计型式：四点啮合全悬挂扭力杆式（交流变频器调速） 最大工作倾动力矩：100t*m最大事故倾动力矩：300t*m倾动角度：土 360倾动速度：0.21r/min2.2.2炼钢转

20、炉炉型设计2.1转炉容量的计算2.1.1根据生产规模和产品方案计算出年需要钢水量:年需钢水量=年需良坯量/良坯收得率 年需不同钢种的连铸方坯250X 104t，连铸板坯200X 104t。连铸收得率99%则：年需钢水量=450/99% =450X 104t 2.1.2计算年出钢炉数：（按2吹2计算）年出钢炉数=2年炼钢时间/冶炼周期=2日历时间 转炉作业率/冶炼周期转炉作业率=转炉有效作业天/日历天数100%=290/365100%=79.5%转炉有效作业天数：日历天数扣除大于20min以上的一切检修和故障时间总 和，转炉工艺设计技术规范规定，当转炉与单台连铸机配合全连铸时为 275300 天

21、。本设计取290天。冶炼周期按容量大小确定，大于 100t为3845min,本设计取40min,贝年出钢炉数=2X 365X 79.5%X 24X 60/40=20880 炉每天出钢炉数二年出钢炉数/年作业天数=20880/290=72炉平均产钢水量二年产钢水量/年出钢炉数=4500000/20880=215.5t2.1.3按标准系列确定炉子容量： 选定250t转炉2座，按照2吹2方式生产。核算车间年产量：250X 20880X 99%=495.9K 104t良坯。2.2转炉炉型设计2.2.1原始条件炉子平均出钢量为250t，铁水密度6.8g/cm3，铁水收得率为92%2.2.2炉型选择顶底复

22、吹转炉的炉型基本上与顶吹和底吹转炉相似；它介于顶吹转炉和底吹转之间。为了满足顶底复吹的要求炉型趋于矮胖型，由于在炉底上设置底吹喷嘴， 炉底为平底，所以根据原始数据，为了便于设置底部供气构件，选择截锥形 炉型。2.2.3炉容比炉容比指转炉有效容积 Vt与公称容量T之比值Vt/T(m3/t) 。Vt系炉帽、炉身和 熔池三个内腔容积之和。公称容量以转炉炉役期的平均出钢量表示， 这种表示方 法不受操作方法和浇注方法的影响。转炉新砌炉衬的炉容比推荐值为 0.85-0.95m3/t,大转炉取下限，本设计取 V/T=0.95。2.2.4熔池尺寸的计算2.2.4.1熔池直径的计算式中d 熔池直径，mG新炉金属

23、装入量，t ； t 垂杨时间，mi n；K比例系数；(1) 确定初期装入量G取B=15%2T 12*2501式中B老炉比新炉多产钢系数;金一钢水收得率；v金一新炉装入量占的体积;(2) 确定吹氧时间：吨耗氧量：57m3/t，吹氧时间14min=4.12 m参考供养强度 吨耗氧量 吹氧时间取 K=1.50 则:=6.36m2.242熔池深度的计算熔池深度V金0.574D1 237.20.574* 6.362= 1.602m2.2.4.3炉帽尺寸的计算确定(1)炉 口直径 d0 :取 d=o.43*6.36=2.73( m)(2)炉帽倾角二：选，=64。(3)炉帽高度H帽1H 帽D-d0 * ta

24、n60炉帽体积为：V帽=Vn - V膛2 2 2do H口H 膛 DDdo do412*2.732*0.4*3.72* 6.362 6.36*2.73 2.732412-6.39 m22.2.4.4炉身尺寸的确定(1) 炉膛直径D膛二D (无加厚段)(2) 根据选取的炉容比为0.95，可算出炉子的总容积为:V膛=0.95*250 =237.5 m3V池二V金252.8/6.8 =37.2 m3贝y. V身=V总一 V池一 冒=237.5-37.1-65.87= 134.13 m3(3) 炉身高度: 134.13兀2-*6.364=4.22 m则炉型内高：H内一 h H帽H身二 9.946 m2

25、24.5炉衬厚度确定查表知，炉身工作层选 700mm永久层选115mm填充层选100mm总厚度为:800+115+100=915 （mm炉壳内径为：D 壳内=6.36 1.015? -8.19 m炉帽工作层选600mm永久层选150mm炉底工作层选600mm永久层230mm 黏土砖平砌三层 65x 3=195mm则炉底砖衬总厚度为：600+230+195=1025 （m）故炉壳内型高度为：H壳内=9.946+1.025=10.971 （m）表2.1转炉炉衬厚度的设计值炉衬各部位名称转炉容量250t炉帽永久层厚度（mm150:工作层厚度（mm600炉身永久层厚度（mm115工作层厚度（mm700炉底永久层厚度（mm230工作层厚度（mm6002.2.4.6炉壳厚度确定查表选择：炉帽：65mn厚钢板炉身：75mn厚钢板炉底：65mn厚钢板2.2.4.7验算高宽比：由以上数据可计算得：H总=11036 65可1101 mD壳=81902* 75 =8340 mH总11101=1.32贝y. D壳8340H总总、由此可知，D壳的比值符合高宽比的推荐值，因此所设计的炉子尺寸基本 上是合适的，能够保证转炉的正常冶炼。参考