轉爐工作原理及結構設計

1、 攀枝花學院 本科課程設計 轉爐工作原理及結構設計學生姓名： 學生學號： 院（系）： 年級專業(yè)： 指導教師： 二一三年十二月攀枝花學院本科課程設計 轉爐工作原理及結構設計1.1 前言1964年，我國第一座30t氧氣頂吹轉爐煉鋼車間在首鋼建成投產(chǎn)。其后，上鋼一廠三轉爐車間、上鋼三廠二轉爐車間等相繼將原側吹轉爐改為氧氣頂吹轉爐。20世紀60年代中后期，我國又自行設計、建設了攀枝花120t大型氧氣頂吹轉爐煉鋼廠，并于1971年建成投產(chǎn)。 進入20世紀80年代后，在改革開放方針策的指引下，我國氧氣轉爐煉鋼進入大發(fā)展時期，由于氧氣轉爐煉鋼和連鑄的迅速發(fā)展，至1996年我國鋼產(chǎn)量首次突破1億t，成為世界第

2、一產(chǎn)鋼大國。1.2 轉爐概述 轉爐（converter）爐體可轉動，用于吹煉鋼或吹煉锍的冶金爐。轉爐爐體用鋼板制成，呈圓筒形，內(nèi)襯耐火材料，吹煉時靠化學反應熱加熱，不需外加熱源，是最重要的煉鋼設備，也可用于銅、鎳冶煉。轉爐按爐襯的耐火材料性質(zhì)分為堿性（用鎂砂或白云石為內(nèi)襯）和酸性（用硅質(zhì)材料為內(nèi)襯）轉爐；按氣體吹入爐內(nèi)的部位分為底吹、頂吹和側吹轉爐；按吹煉采用的氣體，分為空氣轉爐和氧氣轉爐。轉爐煉鋼主要是以液態(tài)生鐵為原料的煉鋼方法。其主要特點是：靠轉爐內(nèi)液態(tài)生鐵的物理熱和生鐵內(nèi)各組分（如碳、錳、硅、磷等）與送入爐內(nèi)的氧進行化學反應所產(chǎn)生的熱量，使金屬達到出鋼要求的成分和溫度。爐料主要為鐵水和造

3、渣料（如石灰、石英、螢石等），為調(diào)整溫度，可加入廢鋼及少量的冷生鐵塊和礦石等。1.2.1 轉爐分類1.2.1.1 煉鋼轉爐早期的貝塞麥轉爐煉鋼法和托馬斯轉爐煉鋼法都用空氣通過底部風嘴鼓入鋼水進行吹煉。側吹轉爐容量一般較小，從爐墻側面吹入空氣。煉鋼轉爐按不同需要用酸性或堿性耐火材料作爐襯。直立式圓筒形的爐體，通過托圈、耳軸架置于支座軸承上，操作時用機械傾動裝置使爐體圍繞橫軸轉動。 50年代發(fā)展起來的氧氣轉爐仍保持直立式圓筒形，隨著技術改進，發(fā)展成頂吹噴氧槍供氧，因而得名氧氣頂吹轉爐，即L-D轉爐（見氧氣頂吹轉爐煉鋼）;用帶吹冷卻劑的爐底噴嘴的，稱為氧氣底吹轉爐（見氧氣底吹轉爐煉鋼）。1.2.1.

4、2 煉銅轉爐一般為臥式轉爐用于處理銅锍，通過鼓入空氣把冰銅氧化吹煉成粗銅，也用于吹煉冰鎳。1.2.2 轉爐煉鋼的基本原理氧氣頂吹轉爐煉鋼設備工藝，如圖4所示。按照配料要求，先把廢鋼等裝入爐內(nèi)，然后倒入鐵水，并加入適量的造渣材料（如生石灰等）。加料后，把氧氣噴槍從爐頂插入爐內(nèi)，吹入氧氣（純度大于99%的高壓氧氣流），使它直接跟高溫的鐵水發(fā)生氧化反應，除去雜質(zhì)。用純氧代替空氣可以克服由于空氣里的氮氣的 影響而使鋼質(zhì)變脆，以及氮氣排出時帶走熱量的缺點。在除去大部分硫、磷后，當鋼水的成分和溫度都達到要求時，即停止吹煉，提升噴槍，準備出鋼。出鋼時使爐體傾斜，鋼水從出鋼口注入鋼水包里，同時加入脫氧劑進行脫

5、氧和調(diào)節(jié)成分。鋼水合格后，可以澆成鋼的鑄件或鋼錠，鋼錠可以再軋制成各種鋼材。 1.2.3 氧氣頂吹轉爐煉鋼的基本流程 高爐鐵合金倉庫散狀料場廢鋼料場 混鐵爐地下散料 地下鐵合金料 廢鋼間配料 皮帶及爐頂料皮帶及中位料 兌鐵水罐內(nèi) 鐵水脫硫氧氣閥門站氧槍吹氧濺渣吹氮 下料系統(tǒng)下料系統(tǒng) 頂渣料120t頂吹復吹轉爐底吹閥門站N2/Ar 鋼水罐 旋轉湍槽 渣罐煙氣凈化煤氣 爐渣間 煤氣LP.VD精煉設備 擠胚連鑄機污泥脫水送燒2.1 轉爐煉鋼的工藝設計2.1.1 轉爐煉鋼主原料（金屬 ）氧氣頂吹轉爐煉鋼用主原料為鐵水廢鋼和鐵合金。2.1.1.1轉爐煉鋼對鐵水的要求鐵水一般占轉爐裝入量的70%100%。

6、鐵水的物理熱與化學熱是氧氣頂吹轉爐煉鋼的基本熱源。因此，對入爐鐵水溫度和化學成分必須有一定要求。 （1）溫度1250而且穩(wěn)定鐵水溫度的高低，標志著其物理熱的多少。較高的鐵水溫度，不僅能保證轉爐吹煉順利進行，同時還能增加廢鋼的配加量，降低生產(chǎn)成本。因此，希望鐵水的溫度盡量高些，一般應保證入爐時仍在12501300以上。另外，還希望鐵水溫度相對穩(wěn)定，以利于冶煉操作和生產(chǎn)調(diào)度。 （2）成分合適而且波動小鐵水的含磷量0.4%：鐵水的含硫量0.07%：鐵水的含硅量0.4%-0.8%為宜；鐵水的含錳量0.2%-0.4%；鐵水的含碳量。 （3）帶渣量0.5% 高爐渣中含硫、SiO2、和Al2O3量較高，過多

7、的高爐渣進入轉爐內(nèi)會導致轉爐鋼渣量大，石灰消耗增加，造成噴濺，降低爐襯壽命，因此：通常要求帶渣量不得超過0.5%。2.1.1.2轉爐煉鋼的廢鋼原料廢鋼是氧氣頂吹轉爐煉鋼的主原料之一，是冷卻效果穩(wěn)定的冷卻劑。通常占裝入量的30%以下。適當?shù)脑黾訌U鋼比，可以降低轉爐鋼消耗和成本。 返回料（廢鋼錠軋鋼切頭等） 本廠廢鋼 回收料（加工廢料報廢設備等）廢鋼 加工工業(yè)的廢料（機械造船汽車等行業(yè)的廢鋼車屑等） 外購廢鋼 鋼鐵制品報廢件（船舶車輛機械設備土建材料等）1）廢鋼的作用 廢鋼是轉爐煉鋼的另一種金屬爐料，其作用是冷卻熔池。 氧氣頂吹轉爐煉鋼中，主原料鐵水的物理熱和化學熱足以把熔池的溫度從1250130

8、0加熱到1600左右的煉鋼溫度，且有富余熱量，廢鋼就是被用來消耗這些富余熱量，以調(diào)控熔池的溫度。2）轉爐煉鋼對廢鋼的要求 廢鋼的外形尺寸和塊度 廢鋼中不得混有鐵合金 廢鋼應清潔干燥 不同性質(zhì)的廢鋼分類存放3 ）廢鋼的加工和廢鋼預熱預熱廢鋼的加工 ：轉爐煉鋼所用廢鋼多為外購廢鋼。其來源廣泛，大小懸殊，外形各異，且多有混雜，應針對所購廢鋼的特點進行相應的加工處理如切割、打包、火燒、挑揀、水洗等，以滿足轉爐煉鋼對入爐廢鋼的基本要求。廢鋼預熱 ：目的：提高廢鋼比，降低生產(chǎn)成本。方法及效果：利用鐵水罐余熱和燃料燃燒加熱。（首鋼）將廢鋼裝入鐵水罐中，置于煤氣烘烤器下烘烤3040min，然后接鐵水一并倒入轉

9、爐，廢鋼比提高10%。2.1.1.3轉爐煉鋼的鐵合金原料 鐵合金（1） 作用：脫氧劑、合金劑。（2）常用的鐵合金種類： 簡單合金：Fe-Mn，F(xiàn)e-Si，F(xiàn)e-Cr，F(xiàn)e-V， Fe-Ti，F(xiàn)e-Mo，F(xiàn)e-W等 復合脫氧劑：Ca-Si合金，Al-Mn-Si合金， Mn-Si合金，Cr-Si合金，Ba-Ca-Si合金， Ba-Al-Si合金等 純金屬：Mn、Ti（海綿Ti）、Ni、Al。（3） 要求：成分準確、塊度合適（540mm）、用前烘烤。2.1.2 轉爐煉鋼主原料（非金屬 ） 煉鋼生產(chǎn)所用的非金屬料主要是石灰、白云石等造渣材料，及螢石、礦石、氧化鐵皮等助熔劑。 2.1.2.1 轉爐煉鋼非

10、金屬原料石灰（1）作用：造堿性渣以去除鋼中的磷或硫。 堿性煉鋼方法的造渣料，主要成分為CaO，由石灰石煅燒而成，是脫P、脫S不可缺少的材料，用量比較大。（2）要求： CaO有效達8085%以上； 由于%CaO有效 = %CaO石灰 - B×%SiO2石灰，因此%CaO石灰要高，SiO2要低部標規(guī)定4%。S含量一般應小于0.05%（減輕脫硫負擔）； 燒減2.53.0%。2.1.2.2 轉爐煉鋼非金屬原料白云石（1）成分：白云石是化學組成為CaCO3·MgCO3的礦物，理論含量為CaO:30.4%、MgO21.9%、CO247.7%。天然白云石中還含有SiO2等雜質(zhì)。（2）作用

11、：提高渣中MgO的含量，減輕爐襯的侵蝕，延長使用壽命；同時白云石也是濺渣護爐的調(diào)渣劑。 （3）要求：MgO的含量要高，雜質(zhì)含量盡量低(SiO2 ) 2.1.2.3 轉爐煉鋼非金屬原料螢石（1）作用：助熔劑或化渣劑。 CaF2能與CaO生成1362的共晶體，且本身熔點僅935左右，化渣很快。但螢石資源短缺，價高，而且用量過大對爐襯有侵蝕作用，冶金部轉爐操作規(guī)程規(guī)定螢石用量4kg/t。 （2）要求：CaF27585%，SiO2520%，CaO3%，S0.2%；塊度1080mm，且應保持清潔、干燥、不混雜。（3）鑒別：自然界的螢石因成分不同而呈多種顏色，翠綠透明的螢石質(zhì)量最好；白色的次之；帶有褐色條

12、紋或黑色斑點的螢石含有硫化物雜質(zhì)，其質(zhì)量最差。2.1.2.4 轉爐煉鋼非金屬原料合成造渣劑合成造渣劑是用石灰加入適量的氧化鐵皮、螢石、氧化錳或其他氧化物等熔劑，在低溫下預制成型。合成渣劑熔點低、堿度高、成分均勻、粒度小，且在高溫下易碎裂，成渣速度快，因而改善了冶金效果，減輕了轉爐造渣負荷。2.1.2.5 轉爐煉鋼非金屬原料增碳劑 在冶煉過程中，由于配料或裝料不當以及脫碳過量等原因，有時造成鋼中碳含量沒有達到預期的要求，這時要向鋼液中增碳。轉爐冶煉中，高碳鋼種時，使用含雜質(zhì)很少的石油焦作為增碳劑。對頂吹轉爐煉鋼用增碳劑的要求是固定碳要高，灰分，揮發(fā)分和硫，磷，氮等雜質(zhì)含量要低，且干燥，干凈，粒度

13、適中。其固定碳C96%，揮發(fā)分1.0%，S0.5%，水分0.5%，粒度在1-5mm。2.1.2.6 轉爐煉鋼非金屬原料鐵礦石和氧化鐵皮（1）成分：鐵礦石的成分主要是Fe2O3，還有部分的FeO；氧化鐵皮是鍛鋼和軋鋼過程中從鋼錠或鋼坯上剝落下來金屬氧化物的碎片，又稱鐵鱗，其主要成分是Fe2O3，還有部分的Fe3O4。 （2）作用：螢石的代用品，可與石灰生成鐵酸鈣。（3） 要求：鐵礦石的TFe56%，SiO210%，S0.2%，塊度1050mm為宜；氧化鐵皮的TFe90%，其它雜質(zhì)不大于3%，使用前在500溫度下烘烤2個小時以上，去除水分和油污。2.1.2.7 轉爐煉鋼非金屬原料氧氣 （1）來源：

14、目前煉鋼所用氧氣，是由工業(yè)制氧機分離空氣所得。（2）作用：氧化雜質(zhì)元素同時產(chǎn)生化學熱，并利用氧氣射流攪拌熔池。（3）要求：純度要高，含氧量99.5%（減少熱損和N）；脫除水分，含水量3g/m3（減少H）；具有一定的壓力，0.71.5MPa且穩(wěn)定。2.1.3 轉爐內(nèi)的基本反應及熔體成分變化2.1.3.1硅、錳的氧化 煉鋼中硅、錳的氧化以間接氧化方式為主，其反應式為： Si+2(FeO)=(SiO2)+2Fe 放熱 Mn+(FeO)=(MnO)+Fe 放熱2.1.3.2轉爐煉鋼中的脫碳 轉爐煉鋼的主原料鐵水中含有4.%左右的碳，轉爐中的脫碳反應以間接氧化為主：(FeO)+C=CO+Fe。這是一個吸

15、熱反應，因此，熔池溫度升高至1500左右后脫碳反應方能激烈進行。在氧氣射流的作用區(qū)，還會發(fā)生碳的直接氧化：1/2O2+C=CO，它是強放熱反應，故而，碳是轉爐煉鋼的主要熱源之一。復吹轉爐底吹CO2氣體時，CO2也會參與碳的氧化： CO2+C=2CO，因此會強化爐內(nèi)的脫碳反應。 2.1.3.3轉爐冶煉中的脫磷和脫硫 脫磷的反應式為： 2P+5(FeO)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)+5Fe 放熱 其基本條件是高堿度、高氧化鐵和低溫度。爐渣脫硫的反應式為： FeS+(CaO)=(CaS)+(FeO) 吸熱 它的基本條件是高堿度、高溫度和低氧化鐵。2.2 煉鋼轉爐的設計2.2.1

16、煉鋼轉爐爐襯設計2.2.1.1煉鋼轉爐爐襯簡介轉爐爐襯(convcrter lining)轉爐金屬爐殼內(nèi)砌筑的耐火材料層。轉爐爐襯的主要功能是為高溫冶金熔體完成煉鋼反應提供經(jīng)久耐用的容器。要求爐襯材料能耐受高溫及溫度的劇烈波動，耐爐渣的化學侵蝕能抵抗鋼水的機械沖擊和磨損。轉爐爐襯全部用堿性耐火材料。堿性耐火材料以氧化鎂、氧化鈣為主要成分，常用的是鎂磚。含氧化鎂8085以上的鎂磚，對堿性渣和鐵渣有很好的抵抗性，耐火度比粘土磚和硅磚高。主要用于平爐、吹氧轉爐、電爐、有色金屬冶煉設備以及一些高溫設備上。2.2.1.2 耐火材料分類 酸性耐火材料以氧化硅為主要成分，常用的有硅磚和粘土磚。中性耐火材料以

17、氧化鋁、氧化鉻或碳為主要成分。堿性耐火材料以氧化鎂、氧化鈣為主要成分，常用的是鎂磚。2.2.1.3 轉爐爐襯的結構 轉爐耐火材料爐襯結構可以分成爐底、熔池、爐壁、爐帽、渣線、耳軸、爐口、出鋼口、底吹供氣磚幾部分。1永久層 永久層是從安全角度考慮設置的，很少出現(xiàn)損壞現(xiàn)象，在砌筑新的爐襯時，這一層是不需要拆除的。永久層厚度一般為230mm左右，用燒結鎂磚砌筑。2綜合砌爐 在拆除使用后的爐襯時發(fā)現(xiàn)，損壞是由個別侵蝕嚴重的部位不能使用造成的，而其余相當多的部位雖然仍可以使用，可是為了砌筑新的爐襯而不得不廢棄。這就使人們提出一個綜合砌爐、均衡爐襯的概念。針對爐襯不同部位的侵蝕狀態(tài)選擇不同質(zhì)量的爐襯磚。

18、渣線、耳軸區(qū)是轉爐爐襯中使用條件最苛刻的部位，受到鋼液、爐渣的沖刷、侵蝕以及爐內(nèi)氣體的沖刷作用，要求使用抗侵蝕性最好的磚砌筑。 爐帽區(qū)主要受爐內(nèi)氣體的沖刷作用，以及吹煉時爐渣的噴濺作用，這部分襯磚的主要問題是剝落和掉磚。解決掉磚的方法有幾種：將這部分襯磚的外面包裝鐵皮，高溫下鐵皮熔結在一起，使爐帽區(qū)的襯磚整體性更好；在鐵皮的外側焊接絞鏈并將絞鏈同爐殼連接在一起；在砌筑爐帽區(qū)襯磚時，背部使用以樹脂為結合劑的粘接泥料，使爐襯有更好的整體性。 爐壁區(qū)的襯磚，特別是裝料側的爐襯磚，受到鋼水、爐渣的沖刷作用，要求具有較高的高溫強度。 熔池和爐底的襯磚主要受到鋼液的侵蝕，應具有很好的抗侵蝕性。 爐襯磚的長

19、度為500800mm，個別部位的磚長度在lm以上，這種磚有很大的生產(chǎn)難度，一般要用高噸位真空壓磚機成型。3底吹供氣磚 在轉爐爐襯中底吹供氣磚是一個具有特殊地位的磚種。在頂?shù)讖秃洗禑捴?，底吹Ar，CO2，N2 就是通過這塊磚吹入爐內(nèi)的，嚴格地講，底吹供氣磚已經(jīng)脫離了原有耐火磚的概念，而具有一定的功能特征。因此，一般定義這類耐火材料為功能性耐火材料。4出鋼口 在轉爐爐襯中，出鋼口磚是另一個具有特殊意義的磚種。大型轉爐出鋼口由于通鋼量大，受到鋼液的沖刷，使用條件十分苛刻，一般壽命都比較短，遠遠不能與爐襯同步使用，只有100 次左右。所以要經(jīng)常更換出鋼口磚，每換一次約需24h。2.2.2 煉鋼轉爐爐體

20、設計2.2.1.1煉鋼轉爐爐體參數(shù)設計爐體總高（包括爐殼支撐板）：7050mm爐殼高度：6820mm爐殼外徑：4370mm高寬比: H/D=1.56爐殼內(nèi)徑：4290mm公稱容量：50t有效容積：39.5m3熔池直徑: 3160mm爐口內(nèi)徑：1400mm出鋼口直徑：140mm出鋼口傾角(與水平):20°爐膛內(nèi)徑：3160mm爐容比:0.79m3 /t.s熔池深度：1133mm爐襯厚度：熔池：500mm 爐身：500mm 爐底：465mm 爐帽：550mm爐殼總重：77.6t爐襯重量：120t爐口結構：水冷爐口爐帽結構：水冷爐帽擋渣板結構：雙層鋼板焊接式托圈結構：箱式結構（水冷耳軸）2

21、.2.2 煉鋼轉爐傾動裝置設計型式：四點嚙合全懸掛扭力桿式（交流變頻器調(diào)速）最大工作傾動力矩：100t*m最大事故傾動力矩：300t*m傾動角度：±360°傾動速度：0.21r/min2.2.2 煉鋼轉爐爐型設計2.1轉爐容量的計算 2.1.1根據(jù)生產(chǎn)規(guī)模和產(chǎn)品方案計算出年需要鋼水量：年需鋼水量= 年需良坯量/良坯收得率 年需不同鋼種的連鑄方坯250×104t，連鑄板坯200×104t。連鑄收得率99%，則：年需鋼水量= 450/99% =450×104t2.1.2計算年出鋼爐數(shù)：（按2吹2計算）年出鋼爐數(shù)=2´年煉鋼時間/冶煉周期=

22、2´日歷時間´轉爐作業(yè)率/冶煉周期轉爐作業(yè)率=轉爐有效作業(yè)天/日歷天數(shù)´100%=290/365´100%=79.5%轉爐有效作業(yè)天數(shù)：日歷天數(shù)扣除大于20min以上的一切檢修和故障時間總和，轉爐工藝設計技術規(guī)范規(guī)定，當轉爐與單臺連鑄機配合全連鑄時為275300天。本設計取290天。冶煉周期按容量大小確定，大于100t為3845min，本設計取40min，則：年出鋼爐數(shù)=2×365×79.5%×24×60/40=20880爐每天出鋼爐數(shù)=年出鋼爐數(shù)/年作業(yè)天數(shù)=20880/290=72爐平均產(chǎn)鋼水量=年產(chǎn)鋼水量/年

23、出鋼爐數(shù)=4500000/20880=215.5t2.1.3按標準系列確定爐子容量：選定250t轉爐2座，按照2吹2方式生產(chǎn)。核算車間年產(chǎn)量：250×20880×99%=495.9×104t良坯。2.2轉爐爐型設計2.2.1原始條件爐子平均出鋼量為250t，鐵水密度6.8g/cm3，鐵水收得率為92%。2.2.2爐型選擇頂?shù)讖痛缔D爐的爐型基本上與頂吹和底吹轉爐相似；它介于頂吹轉爐和底吹轉之間。為了滿足頂?shù)讖痛档囊鬆t型趨于矮胖型，由于在爐底上設置底吹噴嘴，爐底為平底，所以根據(jù)原始數(shù)據(jù)，為了便于設置底部供氣構件，選擇截錐形爐型。2.2.3爐容比爐容比指轉爐有效容積Vt與公稱容量T之比值Vt/T(m3/t)。Vt系爐帽、爐身和熔池三個內(nèi)腔容積之和。公稱容量以轉爐爐役期的平均出鋼量表示，這種表示方法不受操作方法和澆注方法的影響。轉爐新砌爐襯的爐容比推薦值為0.85-0.95m3/t,大轉爐取下限，本設計取V/T=0.9