转炉设计报告(毕业设计)

摘要

钢铁工业是我国国民经济的支柱产业。我国钢铁产量连续十几年雄踞世界首位，已经成为了世界上最大的钢铁生产国和消费国，为国民经济的持续、稳定、健康发展做出来突出贡献。炼钢是钢铁生产过程中的重要环节，而氧气转炉炼钢法则是目前国内外主要的炼钢方法。钢铁市场的繁荣对钢铁产品的质量提出了更高的要求，为此我们必须采用新的设计理念和设计方法来满足新时代炼钢工艺水平。在本次设计中，我们小组以奥钢联氧气转炉为模型，参考国内外已成功使用的各种转炉的结构和设计方法，来进行设计。首先根据所要求的吨位确定炉型的尺寸，选出合适的炉衬尺寸，由此确定出炉壳的基本尺寸。尺寸确定后进行炉壳的强度计算、热应力计算、焊缝的强度校核。设计出的转炉在所要求的吨位下具有良好的承载能力和安全系数。

关键词：转炉炉壳壳体理论热应力焊缝

Abstract

Iron and steel industry is the backbone industry of our national economy . China's steel production decade ranked first in the world, has become the world's largest steel producer and consumer countries, for the national economy and sustainable, stable and healthy development to make it outstanding contributions. Steel is steel production of important links, and oxygen steelmaking law is at present a major steelmaking methods at home and abroad. Iron and steel market prosperity on steel products quality high demands, we must adopt new design concept and design to a new era of steelmaking process level. In this design, our team to Vai oxygen converter as a model, a reference to domestic and international has been successfully using various converter of structure and design methods, for design. First of all, according to the required type of tonnage determine size, choose the right size of furnace lining, determined the basic dimensions come out of the shell. After size determination ,the next is the shell's strength, heat stress, weld strength check. The designed converter under the request of tonnage possesses good carrying capacity and safety factors.

Key words : converter Shell Shell theory Thermal stress Weld

目录

绪论 (1)

1 炉体的结构简介 (3)

2 转炉炉腔类型的选择和计算 (4)

2.1 炉形的类别 (4)

2.2 炉型主要尺寸的确定原则 (4)

2.2.1 熔池直径的确定 (4)

2.2.2 熔池深度与氧流穿透熔池深度的确定 (5)

2.2.3 炉帽、炉身、炉底尺寸的确定 (8)

3 炉体设计计算 (12)

3.1 炉体理论基本方程 (12)

3.2 炉身圆筒壳的设计计算 (15)

3.3 炉底球壳的设计计算 (16)

3.4 下锥段的设计计算 (18)

3.5 上锥段的设计计算 (19)

4 炉壳热应力的计算 (21)

4.1 炉身圆筒壳热应力的简化计算 (21)

4.2 炉底热应力计算 (22)

4.3 炉底锥段热应力的计算 (24)

5 炉壳各部分连接焊缝的强度计算 (24)

5.1 炉帽与炉身连接焊缝的计算 (25)

5.2 炉身与炉底连接处的焊缝 (25)

5.3 炉底下锥段与炉底球壳连接处的焊缝 (26)

结束语 (27)

参考文献 (28)

致谢 (29)

附录一图纸目录及总量 (30)

绪论

氧气顶吹转炉炼钢又称LD炼钢法，1949年6月由奥地利的Voest-Alpine联合公司实验成功，并在1952年和1953年先后在其所属的林茨(Linz)和多纳维兹([)onawitz)两钢厂投入工业生产（顾称LD法）。这种炼钢法目前已在国内外的炼钢生产中充分显示了重要作用。

随着近年来碳钢转炉不断朝着大容量、长寿化方向发展，转炉设备技术已面临适应新技术的严格挑战。国内大型碳钢转炉成套设备技术的开发尽管起步较早，但工程应用的整体水平不高，导致国内目前大型碳钢转炉设备技术不得不从国外引进。炉壳作为炉体最基本的结构，它的作用是固定冷却设备，保证高炉砌体牢固，密封炉体，有的还承受炉顶载荷。炉壳除承受巨大的重力外，还要承受热应力和内部的煤气压力，有时要抵抗崩料、坐料甚至可能发生的煤气爆炸的突然冲击，因此要有足够的强度。现在炉壳均采用钢板焊接结构。除自身的特点外，炉壳还与其他结构如托圈、垂直及水平连接机构、炉口、炉衬等有着非常密切的配合关系。尤其是炉衬的炉型几乎直接决定了炉壳的各项参数。各式各样的新技术新材料被应用于炼钢设备以增长炼钢设备寿命及减少炼钢成本。据报道新近研制的高性能Cr2O3增强镁铬砖已经在转护中的使用。目前国内各钢铁企业正在加快进行技术改造，转炉的扩容改造量较大。在转炉的工艺和设备改造过程中，转炉本体的选型及采用何种相关的技术将体现涉及转炉整体工艺设备的技术水平。从这一意义出发，炉壳的设计也必将体现出其他炼钢设备的革新理念和设计技术。

氧气顶吹转炉炼钢之所以能够这样迅速的发展，其原因主要在于和其他炼钢方法相比，它具有一系列的优越性。其中较为突出的几点综述如下：

1.生产效率高一座容量为100吨的氧气顶吹转炉连续生产24小时，钢产量可达4000~5000吨。而同等容量的平炉一昼夜只能炼得300~400吨钢，平均小时产量相差十几倍。

2.投资少，成本低建氧气顶吹转炉车间所需的基本建设的单位投资，比相同规模的平炉车间节省30%左右。此外，投资后的经营管理费用，也比平炉车间节省。

3.原料适应性强氧气顶吹转炉对原料情况的要求，与空气转炉相比并不那么严格，可以和平炉、电弧炉一样熔炼各种成分的铁水，所不同的是平炉和电弧炉可以熔炼100%的废钢。而氧气顶吹转炉在现在的操作工艺条件下，一般只能使用（25~30）%的废钢料。

4.冶炼的钢质量好，品种多在初期的氧气顶吹转炉中，一般只能生产低碳沸腾钢。而现在，所冶炼的钢种不但包括全部炉钢，而且还包括相当大的一部分电弧炉钢。而钢的质量与平炉钢基本相同或略优。当前，氧气顶吹转炉所生产的高级优质钢和特殊钢的种类和产量都在不但增长。

5.适用于高度机械化和自动化生产氧气顶吹转炉由于冶炼时间短，生产效率高，再加上转炉容量不断扩大。为了准确控制冶炼过程，保证获得合格钢水成分和出钢温度，必须进行自动控制和检测，实现生产过程自动化。另外，在冶炼时间短，生产效率高的情况下，也只有实现高度的机械化和自动化才能减轻工人的劳动强度，改善劳动条件。

这次我们小组主要是以奥钢联转炉为模型进行150吨吊挂式转炉的设计，我本人主要负责转炉总体与炉壳设计。设计主要内容包括炉体外形的确定，炉壳各部分的强度计算，热应力计算，焊缝的强度计算以及转炉总体的配合组装等。

1 炉体的结构简介

转炉炉体包括炉壳和炉衬。炉壳为钢板焊接结构；炉衬包括工作层、永久层和充填层三部分。

工作层直接与炉内液体金属、液态炉渣和炉气接触。

永久层是接近炉壳的一层，主要是为了保护炉壳钢板，一般采用一层侧砌镁砖。

填充层夹在工作层和永久层之间。填充层多由焦油镁砂或焦油白云石砂组成。

填充层主要是为了减轻工作层热膨胀对炉壳产生的压力和便于拆炉。

炉体由锥形炉帽、圆柱形炉身及炉底三部分组成。

炉帽呈截锥形，可以减少吹炼时的喷溅损失及炉内热量的散失，并有利于引导炉气的拍出。

在炉帽和炉身相接处附近装有一个出钢口。炉身部分多是圆柱形的筒体。

炉底多为球缺形或两段截锥形。借圆弧圆滑地与炉身部分连接在一起。

图1.1

A

B

C

2 转炉炉腔类型的选择和计算

2.1 炉形的类别

目前，国内、外氧气顶吹转炉炉型大致有以下三种类型。

A 型：炉帽为截锥形，炉身为圆筒形，炉底为球缺形。

B 型：炉帽为截锥形，炉身为圆筒形，炉底为倒锥形和球缺形。 图2.1.1

C 型：炉帽为截锥形，但倾角较大，炉身为上大下小的倒截锥形，炉底为球缺形。 A 型集合形状比B 和C 型简单，

炉壳也便于制造，炉衬堆砌方便。对于中等容量和大容量转炉，多采用这种形状。例如，日本千叶厂150吨转炉，美国大湖钢铁公司300吨转炉等，以及国内1520吨转炉等均采用这种炉型。

B 型与A 型相比，在同样的熔池深度情况下，如采用适当的底部尺寸，则熔池直径可以比A 型大，这能增加熔池反应面积，有利于铁水—炉渣进行化学反应和脱磷。我国中型转炉一般均采用这种炉型，而小型转炉则为了堆砌方便，将球缺部分去掉，其余部分保持相同。

C 型能保证在一定熔池深度和熔池面积的前提下，具有较大的自由空间，适用于冶炼高磷生铁，如氧气顶吹喷石灰粉的转炉。

根据以往的经验及需要，在这里选择B 型炉型。

2.2 炉型主要尺寸的确定原则 2.2.1 熔池直径的确定

转炉熔池直径是转录的主要工艺参数，合适的熔池直径和熔池深度对于保证氧气顶吹转炉冶炼过程化学反应的顺利进行、减少喷溅、减少炉底侵蚀是很重要的。

当炉容量<200吨，供氧强度为

2.5

/吨.分时，熔池直径的计算公式为；

(2.2.1.1)

式中——————熔池表面直径，米；

G——————金属装入量，吨；

T——————吹氧时间，分；

K——————比例常数

>30吨炉子，K=1.85~2.1；

<20吨炉子，K=2.0~2.3。

中小型转炉的装入量是指新炉的最大装入量，按1140公斤/吨计算钢铁消耗量；大型转炉的装入量是指新炉与老炉的平均装入量，按1100公斤/吨计算。

这里的金属装入量为新炉的最大装入量，即185t；

取t =20分，Ｋ＝1.85，则

＝＝1.85×=5.626 m

根据以往的经验及现实使用的情况，取=5.000ｍ

2.2.2 熔池深度与氧流穿透熔池深度的确定

1 氧气质量流量计算

单位时间氧气质量流量按下式计算：

=G/60 公斤/秒 (2.2.2.1)

式中------------氧气比重，1.429公斤/（标准状态下氧气比重）；

------------供氧强度，2.5/吨·分；

G-------金属装入量，吨。

取G=185吨，则

=1.429×2.5×185/60=11.02公斤/秒

2 单孔枪头出口直径计算

=毫米 (2.2.2.2)

式中-------------氧气工作压力，一般可取10公斤力/则

== 10.64厘米，取=10.70厘米

采用三孔枪头时，= /=61.8 毫米

其氧枪枪头出口处的面积为：

=3×× =89.99

氧枪枪头出口处氧流速度

×G/×/60 米/秒

=2.5 ×185/89.99×/60=857米/秒

氧枪理论工作高度

（2.2.2.3）取=/9=5/9=0.556 米

===1417 毫米

3 求理论熔池深度

熔池深度的确定应根据炉底安全可靠，磨损小，寿命长，吹炼效果好等原则来确定。熔池深度过浅，炉底接近反应区，由于钢液的激烈运动，势必加剧对炉底砖衬的冲刷。合适的熔池深度，通常按下式确定：

=5.3= 5.3= 1605 毫米

小型转炉，一般熔池深度约为0.6~0.8米：中型转炉约为0.9~1.1米：大型转炉约为1.4~1.8米。

4 理论氧流穿透深度

吹氧过程中，由于氧流具有较大的功能，在一定的氧枪高度和枪头高度和枪头结构情况下，氧流对熔池有一定的穿透深度。为了保证冶炼工艺顺利进行，并使炉底侵蚀最小，寿命最长，一般经验确定转炉熔池深度H与氧流穿透深度h，有如下关系：当使用单孔枪头时：

当使用三孔枪头时：

穿透深度可用下式计算，

（2.2.2.4）

式中，-------------氧气工作压力，一般可取10公斤力/

-------------钢液比重，取7吨/

-------------氧枪距熔池液面高度，毫米；

------------氧枪枪头喉口直径，毫米；

= 毫米

K---------------与氧气工作压力和出口压力有关的系数。由参考资料《氧气转炉炼钢设备》中表4-1查的K可取1.893 ，

即=77.8毫米

根据=（0.4～0.6），则=（0.4~0.6）×1605=642～963毫米

取= 890 毫米两端接近平衡。

图2.2.2.1

2.2.3 炉帽、炉身、炉底尺寸的确定

1 炉底尺寸

小于30吨截锥形炉子的炉底直径可取d=0.7D ；大于30吨的筒形球底炉子，其球形底半径R按下式选择；

R=（1.1～1.25）（200吨以下转炉）

R=（0.8～1）（200吨以上转炉）取R=1.1×=1.1×5=5.5 m

假设球缺高为286mm，截锥台高为1810mm ，则炉底总高为2096mm，则球缺体积为：

=(R-h/3)=3.1416×0.286×(5.5-0.286/3)

=1.39

截锥台的体积：取d=3.5 m

=h/12()=3.1416×1.81/12×()

= 25.94

炉底的体积：= + =1.39+25.94=27.33

铁水的体积：=G/=185/7=26.43

炉口直径通常希望小些。这样，热损失小，喷溅小，因此减少了炉口的结渣，并在一定程度上由于热损失小可以提高废钢用量。但炉口直径过小，炉帽倾角过大，对于砌筑炉帽衬砖带来困难，因此，炉口又不能太小。

炉帽部分有效容积大约占整个转炉有效容积的30%左右。炉帽倾角，一般为55o~70o大多数转炉在60o~65o

炉口的直径：=(0.43～0.53)=(0.43～0.53)×5.0=2.15～2.65 m

取=3.0 m

出钢口直径：= = = 18.0 cm

取= 180 mm

2 炉帽尺寸

炉帽尺寸主要是指炉帽倾斜角度和路口直径。

炉帽高度：=（）

取则=1.921

=（）× = 2.017 m

炉帽的尺寸：=

=3.1416*2.017/12（）

=21.31

3 炉身尺寸

炉身尺寸的确定：

取 V/T=0.8，

V=0.8*185=148

炉身体积：= V --

炉身高：= = = 5.06 m

取= 4 m

4 炉衬尺寸

转炉炉衬可参考《氧气转炉炼钢设备》[]2表4-2确定：

炉子内村的尺寸确定：

炉帽部分：工作层取800 mm

炉身部分：永久层100 mm 填充层50 mm 工作层720 mm 绝热层30 mm 炉底部分：永久层350 mm 填充层40 mm 工作层530 mm 绝热层30 mm

炉帽钢板厚度：=55 mm

炉身钢板厚度：=80 mm

炉底钢板厚度：=60 mm

炉体外径：D=5000+2*950+2.80=7060 mm

炉体高度：H=60+950+2096+4000+2017+350=9473 mm

图2.2.3.1 R800

R800

8

R

图2.2.3.2

3 炉体设计计算

3.1 炉体理论基本方程

A d α

Z

B d β

Q1

θd

θ

r

d

φ

φ

M21

N2+σN2

σθd θ

Q1

N2

α

Q1+σQ1

σφd φ

N1+σN 1σφd φ

Q2+σQ2σθ

d θS 12+σS σθ

d θP1P2

Pz

S12

S21

M12

β

N1

M2+σM2

σθd θ

M1

M1+σM1

σφd φ

M12+σM1

σφd φ

M2

M12+σM12

σθd θ

S21+σS σφd φ

图3.1.1

一.平衡方程

图3.1.1所示为薄壳中曲面上的内力素。图中标示的内力、内力矩方向为正方向。内力

矩的正方向按右手法则确定。平衡方程由下列公式表示：

(3.1.1)

(3.1.2)

（3.1.3）

（3.1.4）

（3.1.5）

(3.1.6)

式中、--------------------中曲面的主曲率坐标线；

、---------------------中曲面的两个主曲率半径；

A 、

B --------------------拉梅参数；

、、------------------ 壳面上、方向和外法线方向载荷；

、-------------------- 中曲面法向力；

、 -------------------- 中曲面顺切力；

、 -------------------- 中曲面弯矩；

、-------------------- 中曲面扭矩；

、 -------------------- 中曲面横切力。

式中，由于内力（力和力矩）是属于壳体截面单位长度内的，所以力的单位是公斤

力/厘米；力矩的单位公斤力.厘米/厘米。外载荷、、单位为公斤力/。

二．薄壳应变-位移方程

1.中曲面应变和位移的关系

(3.1.7)

(3.1.8)

(3.1.9)

2.弯扭应变与位移的关系

(3.1.10)

(3.1.11)

(3.1.12)

(3.1.13)

(3.1.14) 式中u、v、w --------------------中曲线沿、方向和中曲线法线方向的位移；

、--------------------中曲面在、方向的线应变；

-------------------- 角应变（中曲面相对剪切）；

、-------------------- 中曲面在、方向的曲率变化；

V --------------------中曲面的扭率变化；

、-------------------- 中曲面在、坐标线的切线绕单位矢量、的转

角；

、-------------------- 右手坐标系的单位向量。

三、应力-应变方程

(3.1.15)

(3.1.16)

(3.1.17)

(3.1.18)

(3.1.19)

(3.1.20)式中E--------------弹性模数；

------------泊松比；

H-------------薄壳厚度。

四、炉壳的应力

无矩理论的炉壳应力--------------------------薄膜应力

根据弹性力学无矩理论求得炉壳的内力后，忽略曲率的影响，则其应力可按材料力学方法求得，即

；；(3.1.21)

式中、-----------正应力

------------切应力

3.2 炉身圆筒壳的设计计算

由于钢液主要在炉底，所以圆筒壳承受液态金属的法向压力=0

轴向力与所承受的全部液态重量平衡，则

2= 185 t

R =5.0 m

于是=185/2=5.89× N/m

由式（5-8）第三式的：=R=0

==0.74Ｍ

＝0

由参考文献《机械手册》.新版[1]的表３－１查的炉身钢板的最小

需用应力＝165Ｍ

1.25

1.25

因此，炉身钢板的许用应力强度符合要求。

3.3 炉底球壳的设计计算

球壳承受金属液态的法向压力=

设为abcd圆柱体金属液体的重量，则

=

球壳角处金属液体重量=+2）

L

'

L

φ

R

Rdφ

c

d

b

a

图3.3.1

应用静力学平衡条件得：

-（）+2R=0

整理得：=[3+() ] =R-

根据几何关系可知

当=18.5时，即球壳与下锥段联接处：

代入数值得：=3.76× N/m

=R-=7××1.81×5.5-3.76×=3.21× N/m

根据材料力学方程求的其应力为：

=== 6.27×=6.27Ｍ

== =5.35 Ｍ

当=0时，= =

=

=7××（5.5-5.214+1.81）

=1.47× N/m

= == =0.404Ｍ

= ===6.7375Ｍ

由以上计算结果可知球壳的最大应力为=6.7375Ｍ