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1、年产435万吨良坯的三吹二制顶底复吹转炉炼钢车间设计摘 要本设计的主要任务是设计年产435万吨良坯的三吹二制氧气顶底复吹转炉炼钢车间，设计从物料平衡和热平衡计算开始，主要包括以下几部分：物料平衡和热平衡计算、转炉炼钢车间设计、连铸设备的选型及计算、炉外精炼设备的选型与工艺布置以及炼钢车间烟气净化系统等。其中的重点和核心是转炉炼钢车间设计。本车间的炉外精炼采用了LF精炼方式。本车间的浇注方式为全连铸，最终产品为板坯。转炉的原料供应主要有铁水、废钢以及其它一些辅助材料。关键词：转炉；炼钢；三吹二制 ；精炼；全连铸Abstract The main task of this design is to
2、 design capacity of 435 million tons ingot top and bottom and three two for blowing oxygen converter steelmaking plant, the design starting from the material balance calculations, including the following components: basic material balance and heat balance calculation, converter steelmaking plant des
3、ign, selection and calculation of continuous casting equipment, Refining outside the furnace equipment selection and proces arrangement and steel workshop flue gas purification system, etc . One of the focus and core is steelmaking plant design. The workshop adopted the LF refining refining means. T
4、his workshop pouring way is full continuous casting , the final product is the slab. The main materials supply of Converter are the molten iron, scrap steel and other auxiliary materials . Keywords: converter; steel; three two for blowing; refining; Continuous casting. 1.物料平衡计算1.1 计算原始数据基本原始数据有：冶炼钢种
5、及其成分、铁水和废钢的成分、终点钢水成分；造渣用熔剂及炉衬等原材料的成分；脱氧和合金化用铁合金的成分及其回收率；其他工艺参数。根据要求，所冶炼钢种为，钢种、铁水、废钢和终点钢水成分按要求制得表1-1如下。铁水成分，钢种等要求都是按照任务书中要求。表1-1 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0.18 0.250.550.0450.050铁水设定值4.1750.4300.5320.2700.032废钢设定值0.180.250.550.0300.030终点钢水设定值0.10痕迹0.1600.0270.019原材料成分见表1-2。铁合金成分及其回收
6、率见表1-3。其他工艺参数设定值见表1-4。表1-2 原材料成分成分含量/%类别CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3CaF2P2O5SCO2H2OC灰分挥发分石灰88.002.502.601.500.500.100.064.640.10萤石0.305.500.601.601.5088.000.900.101.50生白云石36.00.8025.901.0036.30炉衬1.302.9078.801.201.6014.20焦碳0.5881.5012.405.52表1-3 铁合金成分及其回收率成分含量/%，回收率/%类别CSiMnAlPSFe硅铁73.00，750.50，802.50，00.05
7、，1000.03，10023.92，100锰铁6.60，900.50，7567.8，800.23，1000.13，10024.74，1001.2 物料平衡基本项目物料平衡的收入项有：铁水、废钢、熔剂（石灰、萤石、轻烧白云石）、氧气、炉衬蚀损和铁合金；支出项有：钢水、炉渣、烟尘、渣中铁珠、炉气以及喷溅。1.3 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。其各项成渣量经计算后分别列于表1-5表1-7，总渣量及其成分如表1-8所示。表1-4 其他工艺参数设定值名称参数名称参数终渣碱度（CaO）/（SiO2）
8、=3.5渣中铁损（铁珠）为渣量的6%萤石加入量为铁水量的0.5%氧气纯度99%，余者为N2生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（FeO）含量（按（Fe2O3）=1.35（FeO）折算15%，而（Fe2O3）/（FeO）=1/3，即（Fe2O3）=5%，（FeO）=8.25%金属中C的氧化产物90%C氧化成CO，10%C氧化成CO2烟尘量为铁水量的1.5%（其中（FeO）为75%，（Fe2O3）为20%）废钢量由热平衡计算确定，本次设计计算结果为铁水量的14.55%，即废钢比为12.70%喷溅铁损为铁水量的
9、1%表1-5 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/kg耗氧量/kg产物量/kg备注CCCO4.07590%=3.6674.8898.556CCO24.07510%=0.4081.0881.496SiSiSiO20.4300.4910.921入渣MnMnMnO0.3720.1080.480入渣PP（P2O5）0.2430.3140.557入渣SSSO20.0131/3=0.0040.0040.008S+（CaO）（CaS）+O0.0132/3=0.009-0.005*0.021入渣FeFe（FeO）0.73456/72=0.5710.1630.734入渣Fe（Fe2O3）0.4
10、16112/160=0.2910.1250.416入渣合计5.9997.459成渣量3.129入渣组分之和*由CaO还原出的氧量；消耗的CaO量=0.00956/32=0.016Kg表1-6 炉衬蚀损的成渣量炉衬蚀损量/kg成渣组分/kg气态产物/kg耗氧量/kgCaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3CCOCCO2CCO，CO20.30.0040.0090.2360.0040.0050.314%90%28/12=0.0880.314%10%44/12=0.0150.062合计0.2580.1030.062表1-7 加入熔剂的成渣量类别加入量/kg成渣组分/kg气态产物/kgCaOMgOSiO
11、2Al2O3Fe2O3P2O5CaSCaF2H2OCO2O2萤石0.50.0020.0030.0280.0080.0080.0050.0010.4400.005生白云石2.50.9100.6400.0200.0250.905石灰3.1843.1810.0830.0800.0480.0160.0030.0040.0030.1480.001合计2.9010.7260.1280.0810.0240.0080.0050.4400.0081.0530.001成渣量8.442（1），石灰石加入量计算如下：由表1-5表1-7可知，渣中已含（CaO）=-0.016+0.004+0.002+0.910=0.90
12、0kg；渣中已含（SiO2）=0.921+0.009+0.028+0.020=0.978kg。因设定终渣碱度R=3.5，则石灰加入量为R（SiO2）-（CaO）/ （CaO石灰）-R（SiO2石灰）=2.523/88.0%-3.52.5%=3.184kg。（2），（石灰石中Ca含量）（石灰石中SCaS自耗的CaO量）（3），有CaO还原出来的氧量，计算方法同表1-7的注。表1-8 总渣量及其成分炉渣成分CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOFe2O3CaF2P2O5CaS合计元素氧化成渣量/kg0.9210.480.730.4160.5770.0213.129石灰成渣量/kg3.1810.
13、0800.0830.0480.0160.0030.0043.415炉衬蚀损成渣量/kg0.0040.0090.2360.0040.0050.258生白云石成渣量/kg0.9100.0200.6400.0251.595萤石成渣量/kg0.0020.0280.0030.0080.0080.4400.0050.0010.495总渣量/kg4.0971.0580.9620.0850.4800.7340.4450.4400.5650.0268.892质量分数/%46.0811.9010.820.965.408.255.004.956.350.29100.0总渣量计算如下：元素氧化成渣量由表1-5得到；石
14、灰成渣量由表1-7取得。除（FeO）和（Fe2O3）以外渣量为：4.097+1.058+0.962+0.085+0.480+0.440+0.565+0.026=7.71kg。又由表1-4得，终渣（FeO）=15%，所以总量为7.713/86.75%=8.892kg；因此 （FeO）=8.8928.25%=0.734kg；（Fe2O3）=8.8925%-0.16-0.005-0.008=0.416kg。第二步：计算氧气消耗量。氧气实际消耗量为消耗项与供入项之差，如下表1-9所示。表1-9 实际耗氧量耗氧项/kg供氧项/kg实际氧气消耗量/kg铁水中元素氧化耗氧量（表1-5） 7.459铁水中S与
15、CaO反应还原出的氧化量（表3-5） 0.005炉衬中碳氧化耗氧量（表1-6）0.062 石灰中S与CaO反应还原出的氧化量（表3-7） 0.001烟尘中铁氧化耗氧量（表1-4）0.340炉气自由氧含量（表1-10） 0.0607.921-0.005+0.064=7.980合计 7.921合计 0.006第三步：计算炉气量及其成分。炉气中含有CO、CO2、N2、SO2和H2O。其中CO、SO2、CO2和H2O可由表1-5表1-7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=Vg+0.5% V+1/99（22.4/32）GS+0.5% V-VXV=（99Vg+0.7GS-
16、VX）/98.50式中：VgCO、CO2、SO2和H2O各组分总体积，8.233m3；GS不计自由氧的氧气消耗量，7.861kg；VX铁水与石灰中的S与CaO反应还原出的氧量，其质量为0.006kg（见表3-9），m3；0.5%炉气中自由氧含量；99由氧气纯度为99%转换得来。V=（998.233+0.77.861-0.006）/98.51=8.330 m3。所以炉气自由氧含量=8.3300.5%=0.042m3，质量=0.04232/22.4=0.06kg。N2体积系炉气总体积与其它成分的体积之差；重量为0.05628/22.4=0.07kg。表1-10 炉气量及其成分炉气成分炉气量/kg体
17、积/m3体积分数/%CO8.6448.64422.4/28=6.91583.00CO22.5642.56422.4/44=1.305 15.66SO20.0080.00822.4/64=0.0030.05H2O0.0080.00822.4/18=0.0100.12O20.0600.0420.50N20.0700.0560.67合计11.3548.330100.00第四步：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=100-5.999-1.50（75%56/72+20%112/160）+1+8.8926%=91.382kg据此，可以编制脱氧和合金化
18、前的物料平衡表1-11。表1-11 未加入废钢时物料平衡表收入支出项目质量/kg%项目质量/kg%铁水100.0087.4钢水91.3879.70石灰3.1842.78炉渣8.8927.76萤石0.500.44炉气11.3549.90生白云石2.502.18喷溅1.000.87炉衬0.300.26烟尘1.501.31氧气7.986.94渣中铁珠0.530.46合计114.46100.00合计114.66100.00注：计算误差为：（114.46-114.66）/114.46100%=-0.17%误差在允许范围内，说明结果是合理可取的。第五步：计算加入废钢的物料平衡。如同第一步中计算铁水中元素氧
19、化量一样，利用表1-1的数据先确定废钢中元素的氧化量及其耗氧量和成渣量，制得表1-12，再将其与表1-11归类合并，遂得加入废钢后的物料平衡表1-13和表1-14。由后面的热平衡计算，可得出加入废钢量为铁水量的14.55%，即废钢比为12.70%。由此按表1-1数据，计算所的表1-12如下。表1-12 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/kg耗氧量/kg产物量/kg进入钢中量/kgCCCO14.550.18%90%=0.0240.0320.056（入气）CCO214.550.18%10%=0.0030.0080.011（入气）SiSiSiO214.550.25%=0.0360
20、.0410.077MnMnMnO14.550.55%=0.080.0250.105PP（P2O5）14.550.030%=0.00440.0440.0484SSSO214.550.030%1/3=0.00150.00150.003（入气）S+（CaO）（CaS）+O18.160.011%2/3=0.0009-0.00050.002（CaS）合计0.1500.15114.55-0.150=14.4成渣量/kg0.232表1-13 加入废钢的物料平衡表（以100kg铁水为基础）收入支出项目质量/kg%项目质量/kg%铁水100.0077.42钢水91.38+14.4=105.7881.77废钢14
21、.5511.27炉渣8.892+0.232=9.1247.05石灰3.1842.47炉气11.354+0.07=11.4248.83萤石0.500.39喷溅1.000.77轻烧生白云石2.501.94烟尘1.501.16炉衬0.300.23渣中铁珠0.530.42氧气7.980+0.151=8.1316.28合计129.16100.00合计129.36100.00上表中，由表1-9得实际耗氧量=7.980kg，所以,氧气量=7.980+0.151=8.131kg。钢水量=91.38+14.4=105.78kg。其他数据均由前面列出的表中取得。计算误差：误差=（129.16-129.36）/12
22、9.16100=-0.15%误差在允许范围内，说明结果可取。在列表1-14时，由后面热平衡计算所得，可知废钢比=12.70%；按铁水量100kg进行计算，则可得 废钢量=12.70kg；再按照100kg（铁水+废钢）为基础进行计算，其中比例皆出自表1-13，则可得合计总量=12.7011.27%=112.69kg；铁水量=112.6977.42%=87.24kg；石灰量=112.692.47%=2.78kg；萤石量=112.690.39%=0.44kg；轻烧生白云石量=112.691.94%=2.19kg；炉衬量=112.690.23%=0.26kg；氧气量=112.696.28%=7.08k
23、g。根据误差=-0.15%，进行计算，可得支出总量=112.69+112.690.15%=112.86kg；按照表1-13中的比例进行计算支出表中其他项，计算过程同上计算收入项过程。将所得数据列入表1-14，如下。表1-14 加入废钢的物料平衡表（以100kg（铁水+废钢）为基础）收入支出项目质量/kg%项目质量/kg%铁水87.2477.42钢水92.2981.77废钢12.7011.27炉渣7.967.05石灰2.782.47炉气9.978.83萤石0.440.39喷溅0.870.77轻烧生白云石2.191.94烟尘 1.311.16炉衬0.260.23渣中铁珠0.460.42氧气7.08
24、6.28合计112.69100.00合计112.86100.00第六步：计算脱氧和合金化后的物料平衡。先根据钢种成分设定值（表1-1）和铁合金成分及其回收率（表1-3）算出铬铁、锰铁和硅铁的加入量，再计算其元素的烧损量。将所有结果与表1-14归类合并，即得冶炼一炉钢的总物料平衡表。锰铁加入量WMn为：WMn=（Mn钢种-Mn终点）（锰铁中Mn含量Mn回收率）钢水量查表1-1、表1-3和表1-14可得WMn=（0.55%-0.16%）（67.80%80%）92.29=0.66kg硅铁加入量WSi为：WSi=（Si钢种-Si终点）加锰铁后的钢水量-SiFeMn （硅铁中的Si含量Si回收率）查表1
25、-1、表1-3，并根据下表1-15，进行计算，可得WSi=（0.25%-0）（92.29+0.53）-0.002 （73.00%75%）=0.42kg表1-15 铁合金中元素烧损量及产物量类别元素烧损量/kg脱氧量/kg成渣量/kg炉气量/kg入钢量/kg锰铁C0.626.60%10%=0.0040.0100.015（CO2）0.626.60%90%=0.037Mn0.6267.80%20%=0.0840.0240.1080.6267.80%80%=0.335Si0.60.50%25%=0.0010.0010.0020.620.50%75%=0.002P0.620.23%=0.001S0.62
26、0.13%=0.001Fe0.6224.74%=0.154合计0.0890.0350.1100.0150.530硅铁Al0.422.50%100%=0.0110.0100.021Mn0.420.50%20%=0.00040.00010.0010.420.50%80%=0.002Si0.4273.00%20%=0.0770.0880.1650.4273.00%75%=0.230P0.420.05%=0.0002S0.420.03%=0.0001Fe0.4223.92%=0.100合计0.0880.0980.1870.332总计0.1770.1330.2820.0150.862（钢水）=92.29
27、+0.862=93.15kg；（C）=0.10%+0.037/93.15100%=0.14%（Si）=（0.002+0.230）/93.15100%=0.25%（Mn）=0.180%+（0.334+0.002）/100%=0.55%（P）=0.02%+(0.001+0.0001)/93.15100%=0.021%（S）=0.021%+0.001/93.15100%=0.022%可见，含碳量尚未达到设定值。为此需在钢包内加焦粉增碳。其加入量W1为： W1=（0.18-0.14）%钢水量/（焦碳中的C含量C回收率）=（0.04%92.26）/（81.50%75%）=0.06kg焦粉生成的产物如下表
28、1-16所示。在下表中，气体量为CO2、H2O和挥发分的总和（未计算挥发分燃烧的影响）。表1-16 焦粉生成产物表碳烧损量/kg耗氧量/kg气体量/kg成渣量/kg碳入钢量/kg0.0681.50%25%=0.00120.032 0.0470.0412.40%=0.0070.0681.50%75%=0.037由此可得冶炼过程（即脱氧和合金化后）的总物料平衡表1-17，如下。表1-17 总物料平衡表收 入支 出项目质量/kg%项目质量/kg%铁水87.2476.69钢水93.1981.40废钢12.7011.16炉渣 8.249（7.96+0.007+0.282）7.20石灰2.782.44炉气
29、 10.412（10.35+0.015+0.047）9.09萤石0.440.39喷溅0.870.76轻烧生白云石2.191.93烟尘1.311.14炉衬0.260.23渣中铁珠0.460.41氧气 7.245 (0.032+0.133+7.08)6.37锰铁0.530.47硅铁0.3320.29焦粉 0.040.03合计113.76100.00合计114.49100上表中数据均由前面表中数据取得或计算所得，计算方法同表1-13、表1-14计算方法，不再赘述。计算误差：误差=（113.76-114.49）113.76100%=-0.64%误差在允许范围内，说明所得物料平衡数据可取。以上为本次设计
30、的物料平衡的计算过程和结果。 2热平衡计算2.1 计算所需原始数据计算所需基本原始数据有：各种入炉料及产物的温度；物料平均热容；反应热效应；熔入铁水中的元素对铁熔点的影响。其他数据参照物料平衡选取。各种入炉料及产物的温度见表2-1，如下。铁水的温度根据任务书中要求获得。表2-1 入炉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/13702525与钢水相同14501450纯铁熔点为1536。物料平均热容见表2-2，如下。表2-2物料平均热容物料名称生铁钢炉渣矿石烟尘炉气固态平均热容/kJ（kgK）-10.7450.6991.0470.996熔化潜热/kJkg-121827
31、2209209209液态或气态平均热容/ kJ（kgK）-10.8370.8371.2481.137反应热效应见表2-3，如下。表2-3 炼钢温度下的反应热效应组元化学反应H/kJkmol-1H/kJkg-1CC+1/2O2=CO 氧化反应-139420-11639CC+O2=CO2 氧化反应-418072-34834SiSi+O2=（SiO2） 氧化反应-817682-29202MnMn+1/2O2=（MnO） 氧化反应-361740-6594P2P+5/2O2=（P2O5） 氧化反应-1176563-18980FeFe+1/2O2=（FeO） 氧化反应 -238229-4250Fe2Fe+
32、3/2O2=（Fe2O3） 氧化反应-722432-6460SiO2（SiO2）+2（CaO）=（2CaOSiO2） 成渣反应-97133-1620P2O5（P2O5）+4（CaO）=（4CaOP2O5） 成渣反应-693054-4880CaCO3CaCO3=（CaO）+CO2 分解反应1690501690MgCO3MgCO3=（MgO）+CO2 分解反应1180201405熔入铁水中的元素对铁熔点的影响见表2-4，如下。表2-4 熔入铁水中的元素对铁熔点的降低值元素CSiMnPSAlCrN、H、O在铁水中的极限溶解度/%5.4118.5无限2.80.1835.0无限熔入1%元素使铁熔点降低值
33、/65707580859010085302531.5氦、氢、氧熔入使铁熔点的降低值/=6适用含量范围/%11.02.02.53.03.54.03150.70.081182.2 计算步骤以100kg铁水为基础。第一步：计算热收入Qs。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Qw：先根据纯铁熔点、铁水成分以及熔入元素对铁熔点的降低值计算铁水的熔点Tt，其根据是表2-1、表1-1和表2-4。然后由铁水温度和生铁热容确定Qw，所需数据由表2-1和表2-2查得。铁水熔点Tt=1536-（4.3100+0.88+0.645+0.230+0.03525）-
34、6=1084铁水物理热Qw=1000.745（1084-25）+218+0.837（1370-1084） =114600.00kJ（2）元素氧化热及成渣热Qy：根据表2-3中的数据，由铁水中的元素氧化量和反应热效应可以算出，其结果列于表2-5，如下。表2-5 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/kJCCO3.78011639=43995.42FeFe2O30.4266460=2751.96CCO20.4234834=14630.28PP2O50.18018980=3416.40SiSiO20.80029202=11972.82P2O54CaOP2O50.422
35、4880=2059.36MnMnO0.4486594=2954.11SiO22CaOSiO21.9341620=3133.08FeFeO0.8414250=3574.25合计Qy99876.46（3）烟尘氧化热Qc：由表1-4中给出的烟尘量参数和反应热效应计算可得。Qc=1.5（75%56/724250+20%112/1606460） =5075.35kJ（4）炉衬中石灰的氧化热Ql：根据炉衬蚀损量及其含碳量确定。Ql=0.314%90%11639+0.314%10%34834=586.25kJ所以热收入总值为Qs=Qw+Qy+Qc+Ql=114600.00+99876.46+5075.35+
36、586.25=220138.06kJ第二步：计算热支出Qz。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；最后由钢水量和热容算出物理热。钢水熔点Tg=1536-（0.1065+0.185+0.02030+0.02125）-6=1520式中，0.10、0.159、0.028、0.019分别是
37、终点钢水中C、Mn、P和S的含量。出钢温度Tz=1520+50+50+70=1690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。钢水物理热Qg=90.2510.699（1521-25）+272+0.841（1690-1520）=131764.20kJ（2）炉渣物理热Qr：令终渣温度与钢水温度相同，则得：炉渣物理热Qr=13.0661.248（1690-25）+209=29880.90kJ（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。具体情况见表2-6，如下。表2-6 某些物料的物理热项 目参数/kJ备 注炉气物理热11.58
38、1.137（1450-25）=18762.211450系炉气和烟尘的温度烟尘物理热1.50.996（1450-25）+209=2442.45渣中铁珠物理热0.780.699（1520-25）+272+0.841（1690-1520）=1138.781520系钢水熔点喷溅金属物理热10.699（1520-25）+241+0.837（1690-1520）=1459.98合计Qx=23803.22（4）生白云石分解热Qb：根据其用量、成分和表2-3所示的热效应计算所得。生白云石分解热Qb=2.5（36.40%1690+25.601405）=2437.10kJ（5）热损失Qq：其他热损失带走的热量一般约占总热收入的3%8%。本计算取5%，则可得: Qq=215035.665%=10751.78kJ（6）废钢吸热Qf：用于加热废钢的热量是剩余热量，即Qf=Qs-Qg-Qr-Qx-Qb-Qq=220138.06-131764.20-29880.90-23817.34-2437.10-11006.90=21231.62kJ所以，废钢加入量Wf为：Wf=21231.6210.669（1520-
