50吨氧气顶吹转炉炉体设计

50吨氧气顶吹转炉炉体设计

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，但从起出现至今已有100多年的历史。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，以铁水为原料，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底吹转炉炼钢法，以碱性耐火材料砌筑炉衬，吹炼过程中可加入石灰造渣，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。

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，所以取这两个城市名称的第一个字母L-D（LD）作为氧气顶吹转炉炼钢法的代称。

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；单炉生产能力达到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试验成功，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试验研究工作，1962年将首钢试验厂空气侧吹转炉改建成3t氧气顶吹转炉，开始了工业性试验。在试验取得成功的基础上，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的小型氧气顶吹转炉。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，还建设了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，并新建了一批中、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转炉车间等。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。顶吹转炉钢占年总钢产量的82.67%。

2 炉型分类

转炉由炉帽、炉身、炉底三部分组成，目前常用的炉帽系一上小下大的正口形截圆锥体。炉帽以下、熔池面以上的炉身部分为圆筒形。熔池面一下的炉底部分，其形状视熔池形状而定，根据修炉方式的不同，有死炉底与活炉底之分，前者适用于上修，后者适用于下修。所谓转炉炉型是指由炉帽、炉身、炉底三部分组成的炉衬内部空间或炉膛的几何形状。

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炉型分为筒球型、锥球型和截锥型三种。

常见转炉炉型

(a)筒球型；(b)锥球型；(c)截锥型

（1）筒球型其熔池形状由一球缺体和一圆筒体两部分组成。这种炉型炉衬砌筑简单，炉壳容易制造，其形状比较接近于金属流的循环轨迹。通常，球缺底半径R=(0.9-1.2)D。当R=1.1D时，熔池体积Vc（m3）与熔池直径D（m）有如下关系：

Vc=0.790hD2-0.046D3

在装入量和熔池直径均相同的情况下，于其它两种炉型相比，筒球型的熔池略浅些。这就是说，当熔池面积足够大时，可确保合适的熔池深度。显然，它对进一步提高供氧强度、促进渣钢反应和减少喷溅都是有利的。因此，我国1993年5月新颁布的YB9058-92《炼钢工艺设计技术规定》提出：150t以上的转炉采用筒球型死炉底。

（2）锥球型其熔池形状由一球缺体和一倒截锥体两部分组成，倒锥角度一般为12-13°。这种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，熔池直径比筒球型的大。当球缺底半径R=1.1D和球缺体高度h′=0.09D是熔池体积Vc（m3）与熔池直径D（m）和熔池深度h（m）有如下关系：

Vc=0.665hD 2-0.033D 3

目前，有些国家已将这种炉型用于大容量炉子，特别是德国应用比较普遍。但由于大的熔池直径需靠增大炉壳来实现，所以同等条件下，其投资高于筒球型炉子。我国过去已建成的30-80t 转炉多用锥球型。

（3）截锥型 该炉型的熔池形状为一个倒截锥体。在装入量和熔池直径相同的情况下，其熔池最深。因此不适宜大容量转炉。我国过去已建成的30t 以下的小炉子应用较多，但国外已很少用这种炉型。通常倒截锥体的底部直径d≈0.7D ，这时熔池体积Vc （m 3）与熔池直径(m)和熔池深度h （m ）有如下关系：

Vc=0.574hD 2

除上述三种基本炉型外，在矿石含磷较高的西欧一些国家，采用喷石灰粉冶炼高磷生铁时，也有的选择了炉身为上大下小且炉帽倾角很小的炉子。显然，较大的炉膛上部反应空间，对冶炼过程中增大渣量、造泡沫渣脱磷颇为有利，但该炉型砌筑复杂，炉衬寿命短，一般不用。

3 炉型选择

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，增加了熔池反应面积。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。

4 炉型尺寸计算

4.1 炉容比的确定

炉容比是指转炉有效容积V t 与公称容量G 的比值V t /G(m 3/t)。V t 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来表示。

确定炉容比应综合考虑。通常，铁水比增大，铁水中Si 、S 、P 含量高，用矿石作冷却剂以及供氧强度提高时，为了减少喷溅或溢渣损失，提高金属收得率和操作稳定性，炉容比要适当增大。但过大的炉容比又会使基建和设备投资增加。对于大型转炉，由于采用多孔喷枪和顶底复吹，操作比较稳定，因此在其他条件相同的情况下，炉容比有所减少。

转炉新砌炉衬的炉容比推荐值为0.90-0.95m 3/t ，大转炉取下限，小转炉取上限。

本次设计，取炉容比为

95.0 G

V t 4.2 熔池尺寸的确定

4.2.1熔池直径D 的计算

熔池直径的计算公式

t

G K D = 式中 D —熔池直径，m ；

G —新炉金属装入量，t ，可近似地取公称容量；

t —平均每炉钢纯吹氧时间，min 具体参见表1推荐的平均每炉钢冶炼时间和实际生产条件来确定；

K —比例系数，可参照表2确定。

表1 平均每炉钢冶炼时间推荐值

注：括号内数字系吹氧时间参考值

表

2 不同吨位下的K 值

确定熔池体积V C ：

314.70

.750m G

V C ===金ρ (钢液的密度取t m /0.73)

确定吹氧时间t 和比例系数K ：由表1和表2知，t 取15min ，K 取1.85

4.2.2 熔池深度h 的计算

锥球型熔池深度的计算公式为： mm m D D Vc h 111011.138..3665.038.3033.014.7665.0033.02

3

23==??+=+= 4.2.3 熔池其他尺寸的确定。

① 球缺体高度高度h′：

h′=0.09D=0.09×3380=304mm

（取整数300mm ）

② 球缺底半径R ：

mm m D 338038.315

5085.1==?=

mm D R 372033801.11.1=?==

（取整数3720mm ）

4.3 炉帽尺寸的确定

顶吹转炉一般都用正口炉帽，其主要尺寸有炉帽倾角、炉口直径和炉帽高度。设计时，应考虑以下因素：确保其稳定性；便于兑铁水和加废钢；减少热损失；避免出钢时钢渣混出或从炉口流渣；减少喷溅。

4.3.1炉帽倾角θ：倾角过小，炉帽内衬不稳定性增加，容易倒塌；过大时，出钢时容易钢渣混出和从炉口大量流渣。目前倾角多为60±3°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来说要小些。

本次设计，取

?=60θ。

4.3.2 炉口直径d ：一般说来，在满足兑铁水和加废钢的前提下，应适当减小炉口直径，以利于减小热损失，减少空气进入炉内影响炉衬寿命和改善炉前操作条件。实践证明，取炉口直径为熔池直径的43-53%为适宜。另外，从减少喷溅考虑，要求炉气从炉口排出的速度小于15m/s 。

本次设计，取

mm D d 1690338050.050.0=?==

4.3.3 炉帽高度H 帽：为了维持炉口的正常形状，防止因砖衬蚀损二使其迅速扩

大，在炉口上部设有高度为H 口=300-400mm 的直线段。本次设计取H 口=300mm 。

因此炉帽高度为：

mm H d D H 176430060tan 2

16903380tan 2=+?-=+-=口帽θ （取整数1770mm ）

在炉口处设置水箱试水冷炉口。

炉帽总容积为：

3

22222223303.73

.069.1785.0)69.169.138.338.3(3.077.162.20785.0d Dd D H H 262.04

tan 24m H d H d d D V =??-+?+-?=-++-=+-=）（））（（）（口

口帽口帽πθπ

4.4 炉身尺寸的确定

① 炉膛直径D 膛=D （无加厚段）

② 根据选定的炉容比为0.95，可求出炉子有效容积为： 350.475095.0m V t =?=

333.3314.703.750.47m V V V V t =--=--=池帽身

③ 炉身高度：

m m m D V H 372072.338.3433.3342

2====π

π

身身 则转炉有效高度：

mm H H h H 6600372017701110=++=++=身帽内

4.5 出钢口尺寸的确定

出钢口尺寸一般都设在炉帽与炉身的交界处，以便当转炉处于水平位置出钢时其位置最低，可使钢水全部出净。出钢口的主要尺寸是中心线的水平倾角和直径。

4.5.1 出钢口中心线水平倾角θ1：为了缩短出钢口长度，以利维修和减少钢液二次氧化及热损失，大型转炉的θ1趋向减小。国外不少转炉采用0°，但0°倾角使钢液对钢包内金属的冲击力变小。国内转炉多为45°以下。

本次设计，取

θ1=20°

4.5.2 出钢口直径d 出：出钢口直径决定出钢时间，随炉子容量不同而异。出钢时

间通常为2-8min 。时间过短，即出钢口过大，难以控制下渣，且钢包内钢液静压力增长过快，脱氧产物不易上浮。时间过长，即出钢口过小，钢液容易二次氧化和吸气，散热也大。通常按下面的公式来确定：

cm T d 3.1275.163=+=出

(取整数120mm)

式中T —转炉公称容量，t 。

出钢口砖衬外径：

cm d d 65.675.5S ==出出

(取整数680mm)

出钢口长度：

cm d L 25.925.7==出出

(取整数930mm)

4.6 炉衬的组成和厚度的确定

通常炉衬由永久层、填充层、工作层组成。有些转炉则在永久层和炉壳钢板之间夹有一层石棉板绝热层。

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

填充层介于永久层和工作层之间，一般用焦油镁砂捣打而成。厚度约为80-100mm 。有些工厂则不作规定，一般只要达到找平的目的即可。该层的主要

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。也有的转炉不设填充层。

工作层系指与金属、熔渣和炉气接触的内层炉衬，工作条件相当恶劣。目前该层多用镁碳砖和焦油白云石砖综合砌筑。

转炉各部位的炉衬厚度设计参考值如表3所示。

表3 转炉炉衬厚度设计参考值

炉衬砖行选择应遵循以下原则：

A.在可能条件下，尽量选用大砖，以提高筑炉速度，减少砖缝，减轻劳动强度；

B.力争砌筑过程中不打或少打砖，以提高砖的利用率和保证砖的质量；

C.对用小砖组合起来有困难或难以保证修筑质量的部位，如出钢口和炉底等，

则用异型砖；

D.尽量减少砖型种类。

根据表3得：

1)炉身加料侧工作层选700mm，永久层115mm，填充层100mm，总厚度为

+

700=

+

mm

915

100

115

2)炉身出钢侧工作层选650mm，永久层115mm，填充层100mm，总厚度为

+

650=

+

865

mm

100

115

故炉壳内径为

mm D 51608659153380=++=内壳

3) 炉帽工作层厚度600mm,永久层厚度60mm,填充层厚度130mm 。

4) 炉底工作层厚度600mm ，永久层厚度300mm ，则炉底砖衬总厚度为

mm 900300600=+

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。

4.7 炉壳厚度确定

在转炉吹炼过程中，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，有兑铁水、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。大中型转炉多用耐高温高压的锅炉钢板制作炉壳，也有用合金钢板的。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。

转炉炉壳各部位钢板厚度如下表4所示。

表4 转炉炉壳厚度设计参考值

由表4知，炉身部分选55mm 厚的钢板，炉帽和炉底部分选用45mm 厚的钢板，则转炉总高

mm H 7545459006600=++=总

（取整数7550mm ）

炉壳外径：

mm D 52705525160=?+=壳

4.8 高径比的核定

高径比是指转炉炉壳总高H 总与炉壳外径D 壳之比值。增大高径比有利于减

少喷溅和溢渣、提高金属收得率。但是高径比过大，在炉膛体积一定时，反应面积过小，氧气流股易冲刷炉壁，对炉衬寿命不利；而且导致厂房高，基建费用大；转炉倾动力矩大，耗电大。转炉高径比推荐值为1.35-1.65。

43.15270

7550==壳总

D H 符合转炉高宽比推荐值（1.35-1.65），因此认为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进行。附图：50吨氧气顶吹转炉炉体设计图