毕业设计-年产200万吨方坯的转炉炼钢车间设计
摘要
本设计是毕业设计，按照设计任务书的要求设计一座年产200万吨方坯的转炉炼钢车间。设计中对转炉炉型、氧枪进行了设计及计算、连铸设备的选型与设计及转炉车间的车间设计，并做了物料平衡和热平衡计算，选择了炼钢操作制度和工艺制度。通过计算，确定了转炉的容量、数量及部分主要技术经济指标如下：
1、年产方坯量：200万吨
2、转炉容量为：60t；
3、转炉数量为：三座；
4、转炉吹炼周期为：36 min；
5、转炉吹氧时间为：18min；
6、转炉作业率为80%；
7、连铸坯的收得率为98%。本车间的浇注方式为全连铸同时绘制了三张图纸。
关键词：顶底复吹转炉炼钢连铸
目录
摘要 0
第一章文献综述 (2)
1.1产品方案的规划与设计 (2)
1.2厂址选择 (4)
1.3我国钢铁工业的状况 (6)
1.4炼钢方法分类 (6)
1.5钢铁工业工艺流程 (7)
1.6转炉炼钢的基本任务 (8)
第二章氧气转炉炼钢车间 (9)
2.1初始条件 (9)
2.2转炉座数和公称容量确定 (9)
第三章转炉炼钢的物料平衡与热平衡计算 (10)
3.1一炉钢冶炼过程分析 (10)
3.2物料平衡计算 (11)
3.3热平衡计算 (21)
第四章转炉炉型设计 (26)
4.1炉型选择 (26)
4.2转炉炉体 (31)
第五章氧枪设计 (33)
5.1氧枪喷头设计 (33)
5.2氧枪枪身设计 (35)
第六章车间连铸机的选型及计算 (40)
6.1连铸机机型分类 (40)
6.2连铸机的特点 (40)
6.3连铸机的主要工艺参数计算 (42)
第七章转炉车间主厂房的工艺布置和尺寸选择 (51)
7.1主厂房主要尺寸的确定 (51)
7.2连铸区域的布置 (55)
第八章炼钢车间三废净化与回收 (56)
8.1废渣的处理及利用 (56)
8.2废气的处理及利用 (56)
8.3烟气的净化与回收 (56)
致谢 (58)
参考文献 (58)
第一章文献综述
1.1产品方案的规划与设计
1.1.1生产规模
根据设计任务书要求，本设计生产规模为年产200万吨合格09Mn2钢坯的转炉炼钢车间设计。
1.1.2 09Mn2的用途、化学成分及机械性能
09Mn2用途：低合金结构钢由于合金元素作用，具有较高强度和韧性，工艺性能较好，生产成本低，应用广泛，大多直接使用，常用于铁路、桥梁、船舶、汽车、压力容器，常用作焊接结构件和机械构件等。
1.1.3金属平衡表
图1金属平衡表(单位万吨）
首先将炼铁罐车送来的铁水加进混铁炉储存，一方面保温、均匀成分和温度，另一方面把炼铁和炼钢的节奏衔接起来，随后再将铁水和废钢加入转炉，然后降低氧枪进行吹炼，吹炼过程中加入造渣料石灰、白云石、萤石等，待铁水中的碳降到要求范围，同时温度和P、S符合出钢要求时出钢，在出钢过程中进行脱氧合金化，然后吹氩均匀成分和温度，接着根据钢种要求上连铸或者进LF炉精炼后上连铸，通过连铸将钢水铸成质量合格的连铸坯。
铁水预处理工艺对现在钢厂尤为重要，已经从最初为满足冶炼低硫或低硫钢种的需求，发展成为炼铁-炼钢-凝固过程优化不可分割的重要环节，特别是随着专用转炉脱硅、脱磷工艺技术的开发与进展，正在形成一种全量铁水进行“三脱”预处理的先进工艺。新一代钢厂应大胆采用全量铁水三脱预处理工艺，以建立起高效低成本的洁净钢生产工艺平台，增强产品竞争力，加快大型转炉节奏，提高生产效率，以实现紧凑、高效、节能的循环型经济发展模式。铁水预处理的选择需要考虑效果、成本、效率等因素。
①通过对不同“三脱”剂、不同处理顺序的热力学计算比较得出最佳铁水处理顺序为：预处理脱硫-预处理脱硅、脱磷。对不同处理容器、不同处理方法的动力学条件比较得出预处理容器应选定为：铁水包KR脱硫，专用转炉脱硅、脱磷。
②对不同处理容器、不同处理方法的动力学条件比较得出预处理容器应选定为：铁水包KR脱硫，专用转炉脱硅、脱磷。
其工艺流程如下：
高炉铁水→铁水供应（混铁车）→加废钢→加铁水→吹炼→测温、取样→出钢→溅渣护炉→倒渣→连铸机→200万钢坯（连铸坯）
1.2 厂址选择
本设计为年产200万吨钢坯的转炉炼钢车间，厂址选择红河钢铁有限公司，位于蒙自县城以西15公里处的雨过铺镇，占地面积1835亩。
其地理位置特点如下：红河哈尼族彝族自治州位于云南省东南部，北连昆明，东接文山，西邻玉溪，南与越南社会主义共和国接壤，北回归线横贯东西；红河是云南省第四大经济体，经济总量和部分社会经济指标居全国30个少数民族自治州之首；全州国土面积3.293平方公里，下辖3市10县，总人口450.1万人；有滇南政治、经济、军事、文化中心蒙自，有世界锡都个旧，有国家历史文化名城建水；有河口和金水河两个国家级口岸；有闻名遐迩的锡文化、陶瓷文化和梯田文化；红河是云南经济社会和人文自然的缩影，是云南近代工业的发祥地，也是中国走向东盟的陆路通道和桥头堡。
地形地貌：在中国—东盟自由贸易区和昆明—河内—海防经济走廊建设的大背景下，我州具有建设面向东南亚出口产品生产基地、口岸和转口贸易基地以及区域性综合保税区的地缘优势，具有加速发展外向型经济的良好条件；我州
通往东南亚的国际大通道正在加快形成。目前，蒙河高速已经建成，石林至蒙自高速、玉溪至蒙自铁路、蒙自至河口铁路正在抓紧建设，云桂铁路、红河机场等一批重点交通建设项目开工在即，再经过三至五年的努力，全州境内的交通“瓶颈”制约将全面消除，通往东南亚最便捷的陆路国际通道将最终形成。
交通运输：五年累计完成全社会固定资产投资1705亿元，是“十五”时期的3.98倍。其中完成公路建设投资247.83亿元，是“十五”期间的3.2倍，通车里程由“十五”末的1.77万公里增加到1.97万公里，其中高速公路通车里程340公里。建成平锁、蒙新、新河高速公路和弥泸师、个屯一级公路，开工建设石蒙高速及元绿、蛮金等6条二级公路，完成农村公路通畅工程46个、通达工程561个，乡镇公路通畅率达95.3%，建制村通达率达99.2%。玉蒙、蒙河、云桂三条电气化铁路先后开工，在建里程达350公里，占全省在建里程的20%
水、电：新建中型和小（Ⅰ）型水库8座、实施除险加固36座，新增蓄水库容4000万立方米，建成了一批灌区配套、节水改造和山区五小水利工程，全州水资源利用率稳步提高。煤炭产能居全省第二位，建成了6座中型水电站和3座2×30万千瓦的火力发电机组，新增电力装机340万千瓦。“云电送粤”、“南通道”和对越送电等输变电工程相继建成。红河电网建设工程全面实施，供电保障能力不断增强。累计完成市政基础设施投资58.19亿元，建成了一批城市供排水、两污处理、城市道路和绿化亮化等工程。
气候特征：全州地处低纬度亚热带高原型湿润季风气候区，在大气环流与错综复杂的地形条件下，气候类型多样，具有独特的高原型立体气候特征。据近10年间统计,在海拔2000米以上的山区，年平均气温16.3℃，极端气温-9.0、31.5℃；年平均降雨量2026.5毫米，一般年最大降雨量为2508.1毫米，其中金平县分水岭老林地区年降雨量最大达3471.1毫米，个别年份最高达4338毫米，居全省之冠；一日最大降雨量可达212.4毫米，具有降雨强度大，持续时间长的特点。在海拔2000米以下的山间盆地、河谷地带，年平均气温分别为17.2℃、23.4℃，极端气温－2.0、40.7℃，年平均降雨量817.2毫米、1688.7毫米，年最大降雨量2257.2毫米，一日最大降雨量144.7毫米，与山区对比相对较小，但仍具有单点暴雨集中，强度大的特点。
矿产资源：其境内矿产资源丰富，是我国有色金属的重要基地之一。现已探明的有色金属储量640万吨，其中锡78万吨；黑色金属7000多万吨（锰1600万吨，钛80万吨）；非金属矿霞石50亿吨，大理石5亿立方米，州内能源资源也很丰富，煤炭储量50亿吨，可开发利用的水力资源134万千瓦。
经济发展：“十一五”期间，全州生产总值相继突破了400亿元、500亿元和600亿元大关，年均增长11.5%，比“十五”末的308.5亿元翻了一番多，人均生产总值已达2000美元以上。五年共完成财政总收入631.85亿元，是“十五”期间的2.13倍，地方财政一般预算收入累计达到225.60亿元，是“十五”的2.5倍。累计完成财政支出559.94亿元，是“十五”的2.83倍。经济综合实力在全省州市排序中继续保持第四位。
1.3 我国钢铁工业的状况
图表明我国钢产量的变化情况，从中可以看出钢铁工业的发展状况。
图2我国钢铁工业的状况
通过图说明，我国的钢铁工业对世界产生重要影响，我国不仅是产钢大国，而且已进入钢铁强国的行列。
1.4 炼钢方法分类
炼钢方法可分为转炉炼钢法、电炉炼钢法、平炉炼钢法。
转炉炼钢法以氧气顶吹转炉炼钢为主，同时还有底吹氧气转炉炼钢法，顶底复合吹炼氧气转炉炼钢法。
电炉炼钢法以交流电弧炉炼钢为主，同时有少部分直流电弧炉炼钢、感应炉炼钢及电渣重溶等。
平炉炼钢法以煤气或重油为燃料，在燃烧火焰直接加热的状态下，将生铁和废钢等原料熔化并精炼成钢液的炼钢的方法。
其中转炉炼钢法是目前最主要的炼钢方法。其特点是技术不断进步，设备不断改进，工艺不断完善，从顶吹、底吹、侧吹发展到顶底复合炼钢，钢产量不断提高，钢的品种不断增加。与平炉、电炉炼钢法相比，氧气转炉炼钢具有生产率高、钢中气体含量低、钢的质量好等特点。氧气转炉炉内反应速度快，冶炼时间短，具有很高的生产效率。随着转炉容量的增大，生产率进一步提高。氧气转炉钢具有以下特点：①钢中气体含量少；②由于炼钢主要原材料为铁水，废钢用量所占比例不大，因此Ni、Cr、Mo、Cu、Sn等残余元素含量低，由于钢中气体和夹杂少，具有良好的抗时效能力、能加工变形性能和焊接性能，钢材内部缺陷少。不足之处是强度偏低，淬火性能稍次与平炉和电炉钢。此外，氧气转炉钢的机械性能及其他方面性能也是良好的；③原材料消耗少，热效率高，成本低。氧气转炉的金属消耗率一般为1100～1140kg/t，比平炉稍高些。耐火材料消耗仅为平炉的15～30%,一般为2～5kg/t。由于氧气转炉是利用炉料本身的化学热和物理热，热效率高，不需外加热源。因此燃料和动力消耗方面比平炉和电炉均低。氧气转炉的高效率和低消耗，使钢的成本较低；④原料适应性强，氧气转炉对原料的适应性强；⑤基建投资少，建设速度快。氧气转炉设备简单，重量轻，所占的厂商面积和所需要的重型设备的数量比平炉车间少，因此投资比相同产量的平炉低30～40%。而且生产规模越大，基建投资就越省。氧气转炉车间的建设比平炉车间快得多。氧气转炉炼钢生产比较均衡，有利于与连铸机配合。还有利于开展综合利用，如煤气回收及实现生产过程的自动化。
1.5 钢铁工业工艺流程
钢铁材料的生产包括采矿、选矿、烧结（球团）、焦化、炼铁、炼钢和各种轧钢的过程。
图3工艺流程
由于各种钢材质量主要决定于炼钢工艺过程和设备，所炼钢成为钢铁工业生产中的重要环节。
过去钢铁冶炼工艺流程是铁水→炼钢炉（转炉、电炉、平炉）→浇注（模铸、连铸）→轧钢得模式，这种方式由于缺少铁水的预处理、炉外精炼工艺，只能冶炼普通钢种，难以冶炼优质高性能钢材。
现在转炉炼钢生产工艺流程是高炉→铁水预处理→转炉顶底复合吹炼→炉外精炼→连铸连扎或连铸→铸坯热送→直接轧制。
广而言之，随着工业和科学技术的发展，对钢材质量和性能提出更高要求。转炉冶炼采用铁水预处理、炉外精炼工艺后，质量大大提高，转炉钢品种增加，转炉不仅能冶炼普通钢种，甚至冶炼不锈钢。现代转炉炼钢生产效率和金属回收率高，工人劳动强度降低。
1.6转炉炼钢的基本任务
若以生铁为原料炼钢，需氧化脱碳:钢种P、S含量过高分别会造成钢的“冷脆”性和“热脆”性，炼钢过程应脱出P、S；钢中氧含量超过限度会加剧钢的“热脆”性，并形成大量氧化物夹杂，因而要脱出氧；钢种含有H、N分别造成钢的氢脆和时效性，应该降低钢中的有害气体含量；夹杂物的存在会破坏钢基体的连续性，从而降低钢的力学性能，也应该去除：炼钢过程应提高温度达到出钢要求，同时还要加入一定种类和数量的合金，使钢的成分达到所炼钢种的规格。
综合上述转炉炼钢的基本任务包括：脱碳、脱磷、脱硫、脱氧；去除有害气体和非金属夹杂物，提高温度和调整成分。可以归纳为：“四脱”（脱碳、氧、磷和硫），“二去”（去气和去夹杂），“二调整”（调整成分和温度）。炼钢过程通过供氧、造渣、升温、加合金、加脱氧剂等操作完成炼钢基本任务。氧气顶吹转炉炼钢过程，主要是降碳、升温、脱磷、脱硫及脱氧和合金化等高温物理化学反应的过程，其工艺操作则是控制供氧、造渣、温度及加入合金材料等，以获得要求的钢液，并浇成合格钢锭和铸坯。
第二章氧气转炉炼钢车间
2.1 初始条件
拟建年产量为200万吨连铸坯的氧气转炉炼钢车间，相关技术参数如下：
(1)年产量：200万吨；
(2)主要钢种的选择钢种：09Mn2
(3)产品规格：方坯
2.2 转炉座数和公称容量确定
⑴计算年产200万吨钢坯车间的年产钢水量：
根据金属收得率98%，2000000÷98%=2040816吨钢水。
⑵根据生产规模和产品方案计算出年需钢水量
一座转炉年出钢炉数，根据转炉作业率80%，平均冶炼时间36min：
表3氧气转炉平均冶炼时间
年出钢炉数=1×年炼钢时间/炼一炉钢的平均冶炼时间=1440×365×80%/36=11680炉。
每天出钢炉数=年出钢炉数/年日历天数×转炉作业率=11680/(365×80%)=40炉
⑶转炉座数的确定
为了减少车间内的设备互相干扰，终有固数目的炉子在吹炼，以发挥生产潜力。炉于座数不宜太多，但必须保持年间内始本设计是使用顶底复吹转炉冶炼，合考虑当前转炉炼钢车间的生产情况，选用三座转炉。
⑷公称容量的选择
W=nNq即q=2040816÷3÷11680,q=58.24,因此实际算出的转炉公称容量吨位取60t。
式中 W—车间年产钢水量，t。
n—车间经常吹炼炉子座数，n=3座;
N—每一座吹炼炉子的年出钢炉数；
q—转炉公称容量。
第三章转炉炼钢的物料平衡与热平衡计算
3.1 一炉钢冶炼过程分析
收入项：开吹前首先要向炉内加入钢铁料、铁水和废钢，然后降枪吹氧，同时加入造渣料、石灰、白云石、铁皮或矿石等，以及吹炼过程中炉衬要受到侵蚀而剥落下来进入炉内。
支出项：开吹后首先从炉口冒出炉气，
图4转炉炉型
炉气中夹带着烟尘，吹炼过程中要产生一些
喷溅，并且要产生炉渣，炉渣中夹带着铁珠，
最后得到钢水。见图1-3
通过以上分析，可以给转炉物料平衡和热
平衡下定义：
所谓物料平衡就是计算在炼钢过程中加
入炉内并参与炼钢过程的全部物料和炼钢过
程产生物之间的平衡关系。它是物质不灭定
律在炼钢过程中具体应用。
所谓热平衡就是计算在炼钢过程中热量
的收入与支出之间的平衡关系。它是能量守恒定律在炼钢过程中的具体应用。
3.2 物料平衡计算
3.2.1计算原始数据
本原始数据有：冶炼钢种及其成分、铁水和废钢的成分、终点钢水成分（表4）；造渣用熔剂及炉衬等原材料的成分（表5）；脱氧和合金化用铁合金的成分及其回收率（表6）；其他工艺参数（表7）。
表4钢种、铁水、废钢和终点钢水的成分设定值
①本计算设定的钢种为09Mn2。
②[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5原材料成分
表6铁合金成分（分子）及其回收率（分母）
。
①10%与氧生成CO
2
表7其他工艺参数设定值
3.2.2物料平衡基本项目
收入项有：铁水、废钢、熔剂（石灰、萤石、轻烧白云石）、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。
3.2.3计算步骤
以100kg铁水为基础进行计算。
第一步：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，炉衬蚀损和加入熔剂的成渣量。其各项成渣量分别列于表8～表10。总渣量及其成分如表11所示。
第二步：计算氧气消耗量。
氧气实际耗量系消耗项目与供入项目之差。见表12。
表8铁水中元素的氧化产物及其成渣量
①由CaO还原出的氧量；消耗的CaO量=0.006×56/32=0.011kg。
表9 炉衬蚀损的成渣量
表10加入熔剂的成渣量