顶吹转炉

太原科技大学 课程设计说明书

设计题目： 50t 氧气顶吹转炉设计 设 计 人： 郭晓琴 指导老师： 杨晓蓉 专 业： 冶金工程 班 级： 冶金工程081401 学 号： 200814070105

材料科学与工程学院 2011年 12月 30 日

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目录

摘 要 ................................................ 错误！未定义书签。 第一章 绪论 ................................................ 错误！未定义书签。

1.1 氧气顶吹转炉炼钢的发展概况 ......................... 错误！未定义书签。 1.2 氧气顶吹转炉炼钢的优点 ............................. 错误！未定义书签。 1.3 转炉炼钢生产技术发展趋势 ........................... 错误！未定义书签。 第二章 炉型尺寸计算 ........................................ 错误！未定义书签。

2.1转炉炉型及其选择 .................................... 错误！未定义书签。 2.2转炉炉型尺寸计算 .................................... 错误！未定义书签。

2.2.1 熔池尺寸 ...................................... 错误！未定义书签。 2.2.2 炉容比（容积比） .............................. 错误！未定义书签。 2.2.3炉帽尺寸 ...................................... 错误！未定义书签。 2.2.4炉身尺寸 ...................................... 错误！未定义书签。 2.2.5出钢口尺寸 .................................... 错误！未定义书签。

第三章 氧气顶吹转炉耐火材料 ................................ 错误！未定义书签。

3.1 炉衬的组成和材质的选择 ............................. 错误！未定义书签。 3.2炉衬厚度的确定 ...................................... 错误！未定义书签。 第四章 氧气顶吹转炉金属构件的确定 .......................... 错误！未定义书签。 4.1炉壳组成及结构形成 ................................. 错误！未定义书签。 4.2炉壳钢板材质与厚度的确定 .......................................... -7- 4.3支撑装置 .......................................................... -7- 4.3.1 托圈 ......................................... 错误！未定义书签。 4.3.2炉衬的组成和材质的选择 ....................... 错误！未定义书签。 4.3.3耳轴及其轴承 ................................. 错误！未定义书签。 4.4倾动机构 ........................................... 错误！未定义书签。 4.5高径比的核定 ....................................... 错误！未定义书签。 参考文献 .............................................................. - 12 -

I

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50t氧气顶吹转炉设计

摘 要

本文主要介绍了50T氧气顶吹转炉设计。炼钢过程就是铁水向钢水转变的过程，这对加入料及产物的成分、数量都有严格要求。氧气转炉炼钢在大型的钢铁企业中处于整个钢铁生产流程的中间环节，起到承上启下的作用，炼钢是决定钢材产量、质量的关键所在。氧气转炉炼钢环节的任何延误或产量、质量变化都会影响前后生产工序的协调运转。这都与转炉炼钢的设备、工艺、组织管理等因素有关。所以在设计氧气顶吹转炉时，应当处理好各种设计问题，为正常生产，保持良好的生产秩序打下基础。

关键词：氧气顶吹转炉；

II

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第1章 绪论

1.1 氧气顶吹转炉炼钢的发展概况

氧气顶吹转炉炼钢法是20世纪50年代产生和发展起来的炼钢技术，但从起初至今已有100多年历史。早在1856年英国人亨利·贝塞麦就研究开发了酸性底吹转炉炼钢法铁水为原料，从转炉底部通入空气氧化去除杂质冶炼成钢。第一次实现了液态钢冶炼的规模生产，从此进入了现代钢铁工业生产阶段。1878年德国尼·托马斯研究发明的碱性地吹转炉炼钢法，以碱性耐火材料砌筑炉衬，吹炼过程中加入石灰造渣，能够脱除铁水中的P、S，解决了高磷铁水冶炼技术问题。由于转炉炼钢法有生产率高，成本低，设备简单等优点，在欧洲得到迅速的发展，并成为当时主要的炼钢方法【1】

第二次世界大战之后，从空气中分离氧气技术的成功，提供了大量廉价的工业纯氧，使贝塞麦的氧气炼钢设想得以实现。由于氧气顶吹转炉炼钢首先在林茨和多那维茨两城投入生产，所以去这两个城市名称的第一个字母LD作为氧气顶吹转炉炼钢法的代称

【10】

。

LD炼钢法具有反应速度快，热效率高，又可使用约30%的废钢为原料：并克服了底吹转炉钢质量差，品种少的缺点；因而一经问世就显示出巨大的优越性和生命力。进入20世纪70年代以后，顶吹转炉炼钢技术趋于完善。转炉的最大公称吨位达380t；单位生产能力达到400～500万t/a;能够冶炼全部平炉钢种，若与有关精炼技术相匹配，还可以冶炼部分电炉钢种；大型转炉炉龄在1999年达到10000炉次/炉役以上；并实现了计算机控制终点碳与出钢温度。

1951年碱性空气侧吹转炉炼钢法首先在我国唐山钢厂实验成功，并于1952年投入工业生产。1954年开始了小型氧气顶吹转炉炼钢的实验研究工作，1962将首钢实验厂空气侧吹转炉改建成3t氧气顶吹转炉，开始了工业性实验[3]。在捡取得成功的基础上，我国第一个氧气顶吹转炉炼钢车间（2×30t）在首钢建成，于1964年12月26日投入生产。以后，又在唐山，上海，杭州等地改建了一批3.5～5t小型氧气顶吹转炉。1966年上钢一厂将原有的一个空气侧吹转炉炼钢车间，改建成3座30t的氧气顶吹转炉炼钢车间，并首次采用了先进的烟气净化回收系统，于当年8月投入生产，还建设弧形连铸机与之相配套，试验和扩大了氧气顶吹转炉炼钢的品种。这些都为我国日后氧气顶吹转炉炼钢技术的发展提供了宝贵经验。此后，我国原有的一些空气侧吹转炉车间逐渐改建成中小型氧气顶吹转炉车间，并建了一批中、大型氧气顶吹转炉车间。20世纪80年代宝钢从日本引进建成并

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具有70年代末技术水平的300t大型转炉3座、首钢购入二手设备建成210t转炉车间；90年代宝钢又建成250t转炉车间，武钢引进250t转炉，唐钢建成150t转炉车间，重钢和首钢又建成80t转炉炼钢车间，许多平炉车间改建成氧气顶吹车间等。到1998年，我国氧气顶吹转炉共有221座，其中100t以下的转炉有188座，（50～90t的转炉有25座），100～200t的转炉有23座，200t以上的转炉有10座，最大公称吨位有300t。顶吹转炉钢占年总纲产量的82.67%。

1.2氧气顶吹转炉的优点[4]

LD法具有如下优点： (1)吹炼速度快，生产率高； (2)品种多，质量好；

(3)原材料消耗少，热效率高、成本低； (4)基建投资省，建设速度快； (5)容易与连续铸钢相匹配。

鉴于以上优点，氧气顶吹转炉炼钢现已成为主要炼钢方法。大型转炉有如下优点：(1)产量高、质量稳定(2)热损失小；(3)吨钢原材料消耗少；（4） 易于实现自动控制；(5)生产率高、成本低。所以，国际、国内新建转炉向大型化发展。

1.3转炉炼钢生产技术发展趋势

(1)合理优化工艺流程，形成了紧凑的连续化专业生产线[5]

其目标是以产品为核心，将铁水预处理→炼钢→精炼→连铸和轧钢有机地

结合起来，形成紧凑式连续化生产的专业生产线。从铁水到成品钢材的生产周期将缩短到2.5～3h。铁水预处理对改进转炉操作指标及提高钢的质量又着十分重要的作用。美国及西欧各国铁水预处理只限于脱硫，而日本铁水预处理则包括脱硫、脱硅及脱磷的三脱处理。例如1989年日本经预处理的铁水比例为：NKK公司京滨厂为55％，新日铁君津厂为74％,神户厂为85％，川崎千叶厂为90％。 （2）转炉高速吹炼工艺技术

目标是建立一座转炉吹炼制，使一座转炉的产量达到传统两座转炉的生产能力。冶炼周期20～25min，年产炉数≥15000炉，转炉炉龄≥15000炉。 （3）建立大规模、廉价生产洁净钢的生产体系[7]

提高钢水洁净度，即大大降低吹炼终点时的各种夹杂物含量，要求S含量低于0.005％；

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P含量低于0.005％， N含量低于0.002％。提高化学成分及温度给定范围的命中精度，为此采用复合吹炼、对熔池进行高水平搅拌并采用现代检测手段及控制模型是十分必要的。另外要减少补吹炉次比例，降低吨钢耐材消耗。 （4）节能与环境保护

其目的是转炉炼钢工序实现“负能”炼钢；炼钢渣量减少50％；全部粉尘 回收利用。

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第3章 50吨氧气顶吹转炉设计

3.1 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。

锥球型炉型的形状更符合钢渣环流的要求，炉衬蚀损后，其形状变化较小，对操作较为有利。在装入量和熔池深度均相同的情况下，增加了熔池反应界 面。而且我国过去已建成的30～80t转炉多用锥球型，在中小型转炉的设计上应用较普遍，所以本次50t氧气顶吹转炉采用锥球型炉型。 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。 3.2.1 熔池尺寸

（1）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。 计算公式：Dk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---平均每炉钢纯吹氧时间，min，参见表3-2.

表3-1 系数k的推荐值 转炉容量/t k <30 1.85～2.10 30~100 1.75～1.85 >100 1.50～1.75 备注 大容量取下限，小容量取上限。 Gt

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表3-2平均每炉钢冶炼时间推荐表

转炉容量/t 冶炼时间/min <30 28～32 (12～16) 30~100 32～38 (14～18) >100 38～45 (16～20) 备注 综合供养强度，铁水成分和所炼钢种等具体条件确定。 注：括号内系数系吹氧时间参考值。 确定吹氧时间t和比例系数k：由表2-1和2-2知，t取15min,k取1.75 D1.7550153.20m3200mm （2）熔池深度h。熔池深度指转炉熔池在平静状态时，从金属液面到炉底 的深度。对于一定容量的转炉，炉型和熔池直径确定之后，可利用几何公式计算熔池深度h。锥球型熔池体积V池和熔池直径D及熔池深度h有如下关系： V池=0.6因而 hV池0.033D30.665DG22-0.033D3 确定熔池体积 V50t7.85tm336.37m3（钢液的密度取7.85t/m3） 3所以 hV池0.033D0.665D26.370.033(3.2)0.665(3.2)21.00m (3)熔池其他尺寸的确定 球缺体高度h1：h1=0.09D=0.09×3200=288mm; 球缺底半径R： R=1.1D=1.1×3200=3520mm。 3.2.2 炉容比（容积比） 炉容比指转炉有效容积Vt与公称容量G的比值Vt/G（m3/t）。本次设计，炉容比为VtG0.90m/t得Vt0.90G0.905045m33 3.2.3 炉帽尺寸 顶吹转炉一般是正口炉帽，其主要尺寸有炉帽倾角，炉口直径和炉帽高度。 - 5 -

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（1）炉帽倾角θ。倾角过小，炉帽内衬不稳定，容易坍塌；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60o～80o,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。 （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。一般炉口直径为熔池直径的43%~53%较为适宜。小炉子取上限，大炉子取下限。 （3）炉帽高度H帽。为了维护炉口的正常形状，防止因砖衬蚀损二使其进速扩大，在炉口上部设有高度为H口=300～400㎜的直线段。因此炉帽高度为： H帽（D-d）tanH口 21确定炉帽倾角θ，θ=65o 炉口直径d，d=50%D=50%×3.2=1.6m H口=400㎜=0.4m H帽=（D-d）tanH口=1/2×（3.20-1.60）×tan65+0.4=2.11m=2110mm 21o炉帽总容积V帽为： V帽（H帽-H口）（DDdd）dH口124222 （2.11-0.4）（3.223.21.61.62）128.77m41.60.4 23.2.4 炉身尺寸 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。 H身4V身（4Vt-V帽-V池）D2D2

式中 V帽，V身，V池----分别为炉帽，炉身和熔池的容积。Vt---转炉的有效容积，为V帽，V身，V池三者之和，取决于炉容量和炉容比。 4Vt-V帽-V池）（445-8.77-6.37）所以 H身（3.71m3710mm22。 D3.143.2 则有效高度：H壳内=h+H帽+H身=1000+2110+3710=6820mm。 3.2.5 出钢口尺寸 出钢口内口一般都设在炉帽和炉身交界处，以使转炉出钢时其位置最便于钢水全部出净。出钢口的主要尺寸是中心线的水平倾角和直径。

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（1）出钢口中心线水平倾角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。国外不少转炉采用 一般为15o～20o。本设计取20o。 （2）出钢口直径d出。出钢口直径决定着出钢时间，因此随炉子容量而异。出钢时间通常为2～8min。时间过短，难以控制下渣，且钢包内钢液静和吸气，散压力增长过快，脱氧产物不易上浮。时间过长，钢液容热也大。通常d出（cm）按下面经验公式确定： d出631.75G 式中 G---转炉公称容量，t。 d出631.75G631.755012.27cm。（取13cm） 出钢口砖衬外径：d出=6×130=780mm。 出钢口长度：L出=8×130=1040mm。

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第三章 氧气顶吹转炉耐火材料的选用

3.1炉衬的组成和材质的选择[11]

氧气转炉的炉衬一般由永久层，填充层和工作层组成。

（1）永久层。永久层紧贴炉壳（无绝热层时），修炉时一般不予拆除。其主要作用是保护壳，该层常用镁砖砌筑。

（2）填充层。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80～100mm。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。

（3）工作层。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砖综合砌筑。

表3转炉炉衬厚度设计参考值

转炉容量/t 炉衬各部位名称 <100 永久层厚度/mm 炉帽 工作层厚度/mm 永久层厚度/mm 炉身（加料侧） 工作层厚度/mm 永久层厚度/mm 炉身（出钢侧） 工作层厚度/mm 永久层厚度/mm 炉底 工作层厚度/mm 550～600 600～650 600～750 500～650 300～450 600～700 350～450 650～750 350～450 550～700 115～150 700～800 750～850 115～-200 115～200 40～600 115～150 500～600 115～200 550～650 115～200 100～200 >200 60～115 115～150 115～150

3.2炉衬厚度的确定

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根据上述表3得：

（1）炉身加料侧工作层选700mm，永久层115+115100=915mm

（2）炉身出钢侧工作层选650mm，永久层115mm，填充层100mm,总厚度650+115+100=865mm故炉壳内径

D内壳=3200+915+865=4900mm

（3）炉帽工作层厚度600mm，永久层厚度60mm，填充层厚度100mm。

（4）炉衬工作层厚度600mm，永久层厚度300mm，则炉衬砖衬总厚度为600+300=900mm。 工作层材质全部采用镁碳砖，永久层全部采用标准镁砖，填充层选用焦油镁砂填料。

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第四章 氧气顶吹转炉金属构件的确定

转炉金属构件是指炉壳，支撑装置（托圈与耳轴）和倾动机构。

4.1炉壳组成及结构形成[12]

炉壳通常有炉帽，炉身和炉底三部分组成。 炉帽制成截圆形。由于炉帽，特别是炉口受高温作用易变形，所以普遍炉身制成圆柱形，它是整个炉子的承载部分，受力最大。 炉底本设计采用球冠型。

4.2炉壳钢板材质与厚度的确定

转炉吹炼过程中，炉壳承受多种负荷，有炉壳，炉衬自重和炉料重引起的静负荷，兑

铁水，加废钢时的冲击以及炉体旋转时产生的动负荷，还有炉衬热膨胀和炉壳本身温度分布不均匀引起的热负荷。这些负荷必然，使炉壳承受相应的应力，以致引起不同程度的变形。研究表明，其中热应力起主导作用，所以设计时力求选用抗蠕变强度高，焊接性能好的材料。大中型转炉全用耐高温，高压的锅炉钢板制作炉壳，也有用金刚板的。国内用于制作炉壳的低合金高强度钢有16Mn，14MnNb，20g等。本次设计的转炉炉壳采用16Mn低合金钢[13]。

由于炉壳各部分受力不均匀，炉帽和炉底应选用不同厚度的钢板根据经值，炉身部分选取55mm厚的钢板，炉帽和炉底部分选取45mm厚的钢板则 H总=H壳内+45mm=7720+45=7765mm D壳=D内壳+55×2=4900+55×2=5000mm

4.3支撑装置

支承装置承载转炉炉体的全部重量，有托圈，炉壳与托圈的连铸接装置，耳轴及轴承构成。 4.3.1 托圈

托圈是转炉的承载和传动部件，通常是用钢板焊厂的呈箱形断面的环形结构，两侧焊

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有铸钢的耳轴座，供装耳轴用。 4.3.2 炉壳与托圈的连接装置[14]

炉壳与托圈连接装置的基本形式有两种。本设计采用第一种即支承托架夹持器。其结构是沿炉壳圆周固接若干组上，下托架，它们夹住托圈的顶底面，支架数目通常为3～6组，表在同一水平面上。

4.3.3耳轴及其轴承

倾动力矩又通过耳轴传给托圈，再传给炉体。可见耳轴要受多种负荷的作用，因此应有足够的强度和刚度。耳轴材质一般为合金钢。

表5不同容量转炉的耳轴直径[15]

转炉容量/t 耳轴直径/mm 30 630～650 50 800～820 130 850～900 200 1000～1050 300 1100～1200 本设计选耳轴直径为800mm。

4.4倾动机构

选耳轴中心到炉底距离为3510mm。选用半悬挂式。

4.5高经比的核定

高经比是指转炉壳总高H总与转炉外径D壳之比值。增大高经比有利于减少溅和溢渣，提高金属收的率。但是高经比过大，在炉膛体积一定时，反而面转炉倾动力矩大，耗电大。转炉高经比推荐值为1.35～1.65。

H总D总=

77655000=1.55

符合转炉高宽比推荐值（1.35～1.65）。因此，认为设计的炉子尺寸基本上 是合适的，能够保证正常冶炼。

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参考文献

[1] 冯聚和.氧气顶吹转炉炼钢[M].北京：冶金工业出版社，1995. [2] 李传薪.炼钢厂设计原理[M].北京：北京科技大学，1993.

[3] 万真雅，薛立基.钢铁冶金原理[M].重庆：重庆大学出版社，1992.

[4] A.M.雅库谢夫，姜永林等.钢铁厂设计[M].沈阳：东北工学院出版社，1992. [5] 炼钢设计参考资料，工艺设计部分[M].北京：冶金工业出版社，1972. [6] 徐文派.转炉炼钢学[M].北京：冶金工业出版社，1988.

[7] 陈家祥.连续铸钢手册[M].北京：冶金工业出版社，1991.

[8] 袁章福，潘贻芳.炼钢氧枪技术[M].北京：冶金工业出版社，1992. [9] 蔡开科.连续铸钢[M].北京：科学出版社，1990.

[10] 罗振才.炼钢机械（修订版）[M].北京：冶金工业出版社，1989. [11] 北京钢铁设计研究总院.小方坯连铸[M].北京：冶金工业出版社，1985. [12] 吴勉华.转炉炼钢500问[M].北京：中国计量出版社，1992. [13] 袁熙志.冶金工艺工程设计[M].北京：冶金工业出版社，2003.

[14] 戴云阁，李文秀，龙腾春.现代转炉炼钢[M].沈阳，东北工业大学出版社，1998. [15] 蒋仲乐.炼钢工艺及设备[M].北京：冶金工业出版社，1981.

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