课程设计-李羿.doc

专业班级： 冶金工程2班学生姓名： 李羿指导教师： 张芳完成时间： 2011年11月25日任务要求：含C 3.95%, 210t顶吹转炉- 19 -1. 炼钢课程设计目的与内容一、 炼钢课程设计的目的 炼钢课程设计属于钢铁冶金专业的实践性教学环节，要求学生查阅相关资料，在指导老师的具体指导下，合理选择工艺参数、配料，使物料平衡、热平衡等工艺过程，及其绘图等，使学生经物料平衡计算，了解加入炉内参与炼钢过程的全部物料与产物之间的平衡关系。经热平衡计算后，了解炼钢过程的全部热量来源与支出之间的平衡关系。经炉型设计和绘图，掌握炉型对尺寸的计算方法。对提高学生工程实践及独立分析解决问题的能力，培养创新意识，同时，加深了学生对炼钢原理，炼钢工艺等专业知识的理解，提高专业水平具有重要意义。二、 炼钢课程设计的内容1. 转炉炼钢的物料平衡与热平衡计算；2. 转炉炉型设计计算及绘图。3. 设计具体要求：铁水含C 3.95%，Si 0.8%，Mn 0.42%,P 0.08%,S 0.035%,210t炉型图。2.转炉炼钢的物料平衡和热平衡计算 物料平衡计算 计算原始数据基本原始数据有：冶炼钢种及成分、铁水和废铁的成分、终点钢水成分；造渣用溶剂及炉衬等原材料成分；脱氧和合金化用铁合金的成分及回收率；其他工艺参数。钢种、铁水、废钢和终点钢水的成分设定值 成分含量/%类别CSiMnPS钢种Q235A设定值0.180.25.0.550.0450.050铁水设定值3.950.800.420.080.035废钢设定值0.180.250.550.0300.030终点钢水设定值0.10痕迹0.130.0080.021 注：本计算设定的冶炼钢种为Q235A。 C和Si按实际生产情况选取；Mn、P和S分别按铁水中相应成分含量的30%、10%和60%留在钢水中设定。表2-2 原材料成分成分含量/%类别CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3CaF2FeOPS烧减H2OC灰分挥发分石灰88.002.50.1.501.200.0856.715萤石5.000.603.5087.30.520.052.35白云石53.000.5029.01.500.120.01215.72矿石1.05.050.51.061310.050.4炉衬1.21.594.80.500.501.519.9120.088焦炭0.5881.512.45.52 注：炉衬配比：（镁碳砖），镁砂：80% 碳： 20% 碳的有效成分：99.56%，余为挥发分：0.44% 。铁合金成分（分子）及其回收率（分母） 成分回收率/%类别CSiMnAlPSFe硅铁73.00/750.50/802.50/00.05/1000.03/10023.92/100锰铁6.60/900.50/7567.8/800.23/1000.13/10024.74/100 注：10%的C与氧气生成CO2其他工艺参数设定值名称参数名称参数终渣碱度w(CaO)/w(SiO)=4.0渣中铁损(铁珠)为渣量的6萤石加入量为铁水量的0.20氧气纯度99.6，余者为N2白云石加入量为铁水量的2.5炉气中自由氧含量0.5(体积比)炉衬蚀损量为铁水量的0.3气化去硫量占总去硫量的1/3终渣w(FeO)含量(按向钢中传氧量w(Fe2O3)1.35w(FeO)折算)15而(Fe2O3)/ (FeO)=1/3,即金属中C的氧化产物w(Fe2O3)5，w(FeO)=8.25金属中C的氧化物90C氧化成CO，10C氧化成CO2烟尘量为铁量的1.5(其中w(FeO)为75w(Fe2O3)的20)废钢量由热平衡计算确定，本计算结果为铁水量的6.45，废钢比为6.06喷溅铁损为铁水量的1矿石加入量铁水的0.5%物料平衡的基本项目收入项有：铁水、废钢、溶剂（石灰、萤石、白云石、矿石）、氧气、炉衬蚀损、铁合金。支出项有：钢水、炉渣、烟尘、渣中铁珠、炉气、喷溅。计算步骤以100铁水为基础进行计算。计算脱氧和合金化前的总渣量及其成分。总渣量包括铁水中元素氧化，炉衬腐蚀和加入溶剂的成渣量。其各项成渣量分别列于下表。总渣量及成分如表所示。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/耗氧量/产物量/备注CCCO3.8590%=3.4654.6208.085CCO23.8510%=0.3851.0271.412SiSi(SiO2)0.8000.9101.710入渣MnMn(MnO)0.2900.0840.374入渣PP(P2O5)0.0720.0930.165入渣SSSO20.0141/3=0.0050.0050.010S+CaO(CaS)+(O)0.0142/3=0.011-0.0050.021（CaS）入渣FeFe(FeO)0.94756/72=0.7370.2100.947入渣（表2-8）Fe(Fe2O3)0.362112/160=0.2530.1090.362入渣（表2-8）合计6.0977.053成渣量3.579入渣组分之和 ：由CaO还原出的氧量；消耗CaO量=0.01156/32=0.019。炉衬腐蚀的成渣量炉衬蚀损渣量/成渣组分/气态氧化物/耗氧量/CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3CCOCCO2CCO，CO20.3(表2-4)0.0030.0040.2280.0010.0010.320%99.56%90%28/12=0.1250.320%99.56%10%44/12+0.380%1.5%=0.0260.320%99.56%（90%16/12+10%32/12）=0.088合计0.2370.125+0.022=0.1470.088加入溶剂的成渣量类别加入量成渣组分/气态氧化物CaOMgOSiO2Al2O3Fe2O3FeOP2O5CaSCaF2H2OCO2O2萤石0.20.0010.0100.0070.0020.00020.1750.05白云石2.51.3250.7250.0130.0370.0070.00070.393石灰7.3586.4640.1100.1840.0880.0140.4940.004矿石0.50.0050.0030.0250.0050.3050.1550.00060.002合计7.7940.8390.2320.1970.3050.1550.0090.0160.1750.0070.8870.004成渣量9.660注：.石灰加入量：渣中已含CaO=-0.016+0.003+0.005+1.325=1.317kg； 渣中已含SiO2 =1.710+0.004+0.010+0.013+0.025=1.762kg ；因设定终渣碱度R=4.0，故石灰加入量为：R(SiO2)-(CaO)/(CaO,石灰)-R(SiO2，石灰)=5.731/(88.0%-4.02.50%)=7.358.石灰加入量=(石灰中CaO含量）-（石灰中SCaS自耗的CaO量）总渣量及其成分炉渣成分/CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOFe2O3CaF2P2O5CaS合计元素氧化成渣1.7100.3740.9470.3620.1650.0212.974石灰石成渣量6.4640.1840.1100.0880.0146.860炉衬蚀损成渣0.0030.0040.2280.0010.0010.237白云石成渣1.3250.0130.7250.0370.0130.00072.113萤石成渣量0.0100.0010.0070.1750.0020.00020.195矿石成渣量0.0050.0250.0030.0050.1550.3050.0090.00060.534总成渣量7.7971.9421.0650.1360.3741.1020.6880.1750.1830.03713.479 质量分数/%57.7814.147.901.012.808.184.961.301.360.27100.00.总渣量计算如下：表中除(FeO)和(Fe2O3)以外的总渣量为:7.797+1.942+1.065+0.136+0.374+0.175+0.183+0.037=11.693，因此总渣量为：11.693/86.75%=13.479 kg (FeO)=13.4798.25%-0.155=0.947 (Fe2O3)=13.4795%-0.305-0.001=0.362计算氧气消耗量。氧气的实际消耗量系消耗项目与供入项目之差。见表实际耗氧量耗氧项/供氧项/实际耗氧量/铁水中元素氧化耗氧量（表2-5）7.056炉衬中碳氧化消耗氧量（表2-6） 0.088石灰白云石中S与CaO反应还原出的氧化量（表2-7）0.002烟尘中铁氧化消耗氧量（表2-4） 0.3407.539-0.004+0.066 =7.601炉气自由氧含量（表2-10） 0.058合计 7.539合计 0.0044计算炉气量及其成分。炉气中含有CO、CO2、N2、SO2和H2O.其中CO、CO2、SO2和H2O可由前表查得，O2和N2则由炉气总体积来确定。现计算如下：炉气总体积V : V=+0.5%V+ (+0.5%V) 所以：V=(99.6+0.7Gs)/99.097=7.855 m3 式中 VgCO、CO2、SO2和H2O各组分总体积，m。本计算中其值为： 8.2122.4/282.32122.4/440.01022.4/640.00722.4/18=7.762m3 Gs不计自由氧的氧气消耗量，。本计算中其值为： 7.053+0.088+0.34=7.481 Vx石灰白云石中的S和CaO反应还原出的氧量（其质量：0.004）m。 0.5%炉气中自由氧含量。 99.6自由氧纯度为99.6%转换得来。计算结果列于表炉气量及其成分炉气成分炉气量/炉气体积/ m体积分数/%CO8.2108.21022.4/28=6.56883.62CO22.3212.32122.4/44=1.18215.05SO20.0100.01022.4/64=0.0040.05H2O0.0070.00722.4/18=0.0090.11O20.0580.0390.50N20.0660.0530.67合计10.6727.855100.00注：.炉气中O2的体积为7.8550.5%=0.039m；质量为0.03832/22.4=0.058。.炉气中N2的体积系炉气总体积与其他成分体积之差；质量为0.05328/22.4=0.066计算脱氧和合金化前的钢水量。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 100-6.097-1.50(75%56/72+20%112/160)+1+13.4796% 91.009由此可以编制出未加废钢、脱氧与合金化前的物料平衡表未加废钢时的物料平衡表收入支出项目质量/%项目质量/%铁水10084.42钢水91.0176.82石灰7.366.21炉渣13.4811.38萤石0.200.17炉气10.679.01白云石2.502.11喷溅1.000.84炉衬0.300.25烟尘1.501.27氧气7.606.42渣中铁珠0.810.68矿石0.500.42合计118.47100合计118.46100.00注：计算误差为（118.46-118.47）/118.47100%=-0.008%热平衡计算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；物料平均热熔；反应热效应；融入铁水的元素对铁水熔点的影响。其他工艺参数参照物料平衡选取。入炉物料及产物的温度设定值名称入炉物料产物铁水废钢其他原料炉渣炉气烟尘温度/12502525与钢水相同14501450物料平均热熔物料名称生铁钢炉渣矿石烟尘炉气固态平均热熔kJ/（K）0.7450.699-1.0470.996-融化潜热kJ/218272209209209-液态或气态平均热熔kJ/（K）0.8370.8371.248-1.137炼钢温度下的反应热效应组元化学反应H/kJk mol-1H/kJkg-1CC+1/2 O2=CO 氧化反应13942011639CC+ O2=CO2氧化反应41807234834SiSi + O2= (SiO2 氧化反应81768229202MnMn +1/2 O2= (MnO) 氧化反应3617406594P2P+5/2 O2= (P2O5) 氧化反应117656318980FeFe +1/2 O2= (FeO) 氧化反应2382294250Fe2Fe +3/2 O2= (Fe2O3) 氧化反应7224326460SiO2(SiO2)+2(CaO)=(2CaOSiO2) 成渣反应971331620P2O5(P2O5)+4(CaO)=(4 CaOP2O5) 成渣反应6930544880CaCO3CaCO3=(CaO)+ CO2 分解反应1690501690MgCO3MgCO3=MgO+ CO2 分解反应1180201405融入铁水的元素对铁熔点的降低值元素CSiMnPSAlCrN、H、O在铁中极限溶解度/%5.4118.5无限2.80.1835.0无限融入1%元素使铁熔点降低值/65707580859010085302531.5N、H、O融入使铁熔点降低值/=6适用含量范围/%11.02.02.53.03.54.03150.70.08118计算步骤以100铁水为基础第一步：计算热收入。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计算铁水熔点Tt，然后由铁水温度和生铁热容确定 。 =1536(3.95100+0.88+0. 25+0.4230+0.03525)6=1123.2 () =100 0.745(1123.225)+218+0.837(12501123.2)=114229.06(KJ)(2) 元素氧化热及成渣热由铁水中元素氧化量和反应热效应可以算出，其结果列于表。 元素氧化热和成渣热反应产物氧化热或成渣热/kJ反应产物氧化热或成渣热/kJCCO3.46511639=40329.14FeFe2O30.2536460=1634.38CCO20.38534834=13411.09PP2O50.07218980=1366.56SiSiO20.80029202=23361.60P2O54CaOP2O50.1834880=893.04MnMnO0.2906594=1912.26SiO22CaOSiO21.9421620=3146.04FeFeO0.7374250=3132.25合计Qy89186.36(3) 烟尘氧化热由表2-4中给出的烟尘量参数和反应热效应计算可得。1.5(7556/724250+20%112/1606460)=5075.35kJ(4) 炉衬中碳的氧化热0.320%99.56%90116390.320%99.56%1034834628.506+209.004=837.51kJ故热收入总量为=209328.28kJ第二步：计算热支出。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，后者约为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 ；最后由钢水热容算出物理热。Tg1536(0.10650.1350.008300.02125)61522.1式中，0.10、0.13、0.008和0.021分别为终点钢水中C、Mn、P、S的含量。TZ1522.15050701692.1式中，50、50、70分别为出钢过程中的温降、镇静及炉后处理过程中的温降和过热度。Qg91.0090.699(1522.1-25)2720.837(1692.1-1522.1)132942.57kJ(2) 炉渣物理热Qr令终渣温度与钢水温度相同，则得：Qr13.4791.248(1692.1-25)20930860.72kJ(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。详见下表。某些物料的物理热项 目参 数/kJ备 注炉气物理热10.671.137(145025)=17287.801450系炉气和烟尘的温度烟尘物理热 1.50.996(145025)+209=2442.45渣中铁珠物理热0.81 0.699(1522.125)+272+0.837(1692.1-1522.1)=1183.211522系钢水熔点喷溅金属物理热10.699(1522.125)+272+0.837(1692.11522.1)=1460.76合计Qx22374.22(4) 生白云石分解热Qb 根据其用量、成分和表所示的热效应计算的。Qb2.5(53.00169029.01405)3257.88kJ(5) 热损失Qq 其他热损失带走的热量一般约占总热收入的38。本计算取5，则得Qq209328.28510466.41kJ(6) 废钢吸热Qf 用于加热废钢的热量系剩余热量，即QfQSQgQrQxQbQq =9426.48kJ故废钢加入量为：9426.4810.699(1522.1-25)+272+0.837(1692.1-1522) 6.45kg即废钢比为：6.45/(100+6.45)100%=6.06%热平衡计算结果列于表2-23。热效率=(132942.57+30860.72+9426.48)/209328.28100%82.76%若不计算炉渣带走的热量时：热效率热平衡表收 入支 出项 目热量/kJ项 目热量/kJ 铁水物理热114229.0654.57钢水物理热132945.5765.51元素氧化和成渣热89186.3642.61炉渣物理热30860.7214.74其中 C氧化53740.2325.67废钢吸热9426.484.50Si氧化23361.6011.16炉气物理热17287.808.26Mn氧化1912.260.91烟尘物理热2442.451.17P氧化1366.560.65渣中铁珠物理热1183.210.57Fe氧化4766.632.28喷溅金属物理热1460.760.70SiO2成渣3146.041.50轻烧白云石分解热3257.881.56P2O5成渣893.040.43热损失10466.415.00烟尘氧化热5075.352.42炉衬中碳的氧化热837.510.40合 计209328.28100合 计209328.28100应当指出，加入铁合金进行脱氧和合金化，会对热平衡数据产生一定的影响。对转炉用一般生铁冶炼低碳钢来说，所用铁合金种类有限，数量也不多。经计算，其热收入部分约占总热收入的0.81.0，热支出部分约占0.50.8，二者基本持平。计算加入废钢的物料平衡。如同第一步计算铁水中元素氧化量一样，利用前表中的数据先确定废钢种元素的氧化量及其消耗量和成渣量，再将其与表归类合并，逐得到加入废钢后的物料平衡表。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/耗氧量产物量进入钢中的量/CCCO6.450.08%90%=0.00460.00610.0107CCO26.450.08%10%=0.00050.00130.0018SiSi(SiO2)6.450.25%=0.01610.0210.0345MnMn(MnO)6.450.32%=0.02060.00600.0266PP(P2O5)6.450.022%=0.00140.00180.0032SSSO26.450.009%1/3=0.00020.00020.0004S+CaO(CaS)+(O) 6.450.009%2/3=0.0004-0.00020.0002合计0.0440.0346.45-0.044 =6.406成渣量/0.065加入废钢的物料平衡表（以100铁水为基础）收入支出项目质量/%项目质量/%铁水10080.04钢水91.01+6.406=97.41677.96废钢6.45 5.16炉渣13.48+0.065=13.54510.84石灰7.365.89炉气10.67+0.013=10.6838.55萤石0.200.16喷溅1.000.80轻烧白云石2.502.00烟尘1.501.20炉衬0.300.24 渣中铁珠0.810.65氧气7.60+0.034=7.6346.11 矿石0.500.4合计124.944100.00合计124.954100.00注：计算误差为（124.944-124.954）/124.954100%=-0.008%加入废钢的物料平衡表（以100铁水+废钢为基础）收入支出项目质量/%项目质量/%铁水93.9480.04钢水91.5177.96废钢6.065.16炉渣12.7210.84石灰6.915.89炉气10.048.55萤石0.190.16喷溅0.940.80轻烧白云石2.352.00烟尘1.411.20炉衬0.470.24 渣中铁珠0.760.65氧气7.176.11矿石0.270.4合计117.37100.00合计117.38100计算脱氧和合金化后的物料平衡。现根据钢种成分设定值和铁合金成分及其回收率算出锰铁和硅铁的加入量，在计算其元素的烧损量。将所有的结果与上表合并，及得到炼一炉钢的总物料平衡表。锰铁加入量WMn为： WMn 钢水量 91.510.71 kg 硅铁加入量WSi为：WSi 0.42 kg铁合金中元素烧损量和产物量列于表。脱氧和合金化后的钢水成分如下：w(C)0.10%100%0.15%铁合金中元素烧损量和产物量类别元素烧损量脱氧量/成渣量/炉气量/入钢量锰铁C0.716.60%10%=0.0050.0120.0170.716.60%90%=0.042Mn0.7167.80%20%=0.0960.0270.1230.7167.80%80%=0.385Si0.710.50%25%=0.0010.0010.0020.710.50%75%=0.003P0.710.23%=0.002S0.710.13%=0.001Fe0.7124.74%=0.181合计0.1020.0400.1250.0170.614硅铁Al0.422.50%100%=0.0110.0100.006Mn0.420.50%20%=0.00040.00010.00050.420.50%80%=0.002Si0.4273.00%25%=0.0770.0880.1650.4273.00%75%=0.230P0.420.05%=0.0002S0.420.03%=0.0001Fe0.4223.92%=0.100合计0.0880.0980.1720.332总计0.1900.1380.2970.0170.946可见，含碳量尚未达到设定值。为此需在钢包内加焦炭增碳。其加入量W1为： 焦粉生成的产物如下：碳烧损量/耗氧量/气体量/成渣量/碳入钢量/0.04581.50%25%=0.0090.0240.033+0.045（0.58+5.52）%=0.0360.04512.40%=0.0060.04581.50%75%=0.028 由此可得整个冶炼过程（即脱氧和合金化后）的总物料平衡表。总物料平衡表收入支出项目质量/%项目质量/%铁水93.9479.24钢水91.51+0.946+0.028=92.48477.91废钢6.06 5.11炉渣 12.72+0.297+0.006=13.02310.97石灰6.915.83炉气10.04+0.017+0.036=10.0938.50萤石0.190.16喷溅0.940.79轻烧白云石2.351.99烟尘1.411.19炉衬0.280.24渣中铁珠0.760.64氧气7.176.05锰铁0.710.60硅铁0.420.40焦粉0.0450.04矿石0.470.4合计118.56100.00合计118.71100.00. .计算误差为(118.56-118.71)/118.56100%=-0.127%转炉炉型设计炉型选择选用转炉炉型为筒球型。主要参数的确定本设计选用氧气顶吹转炉(公称容量210t)。(1) 熔池直径 可按以下经验公式确定：t平均每炉钢纯吹氧时间，min，取18minK系数；K取1.5 (2) 熔池深度 有=G*103/6800=30.882m3 因为+ 所以h=1.788m(3) 炉身高度 式中 、分别为炉帽、炉身和熔池的容积；Vt转炉的有效容积，为、三者之和，取决于容量和炉容比。(4) 炉帽尺寸炉帽尺寸包括炉帽倾角、炉口直径和炉帽高度。 炉帽倾角。炉帽倾角一般为6068，小炉子取上限，大炉子取下限。本设计取为60 炉口直径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。本设计取43%,则炉口直径为 d = 43% D =2.203m。 炉帽高度为了维护炉口的正常形状，防止因砖衬蚀损而使其迅速扩大，在炉口上部设有高度为=300400mm的直线段。炉帽高度为： =0.5（5.123-2.203）tan60+0.3（取300mm） =2.829(m)那么，炉帽总容积为：=29.191(m3) (5) 出钢口尺寸出钢口一般都设在炉帽与炉身交界处，以使转炉出钢时其位置最低，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。 出钢口中心线水平倾角取0。 出钢口直径 = =20.748cm=207.48mm(6) 炉容比炉容比系指转炉有效容积与公称容量之比值。转炉炉容比主要与供氧强度有关，与炉容量关系不大。从目前实际情况来看，转炉炉容比一般取0.91.05m3/t。本设计取炉容比为0.9m3/t。所以有效容积 0.9189 (7) 高径比 经计算： 炉身高熔池深度炉帽高度+底部炉衬厚度+炉底炉壳钢板5258+1788+2829+1000+6410939mm熔池直径炉身加料侧工作层厚度炉身出钢侧工作层厚度（炉身钢板厚度+炉身永久层）27146