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1、1.120t氧气顶吹转炉物料平衡与热平衡计算1.1原始数据1）铁水成分及温度表11 铁水成分及温度成分W(C)W(Si)W(Mn)W(P)W(S)温度含量% 4.2500.8500.5800.1500.03712502）原材料成分表12 原材料成分成分种类石灰矿石萤石白云石炉衬W(CaO)91.081.0030.8454.00w(SiO2)1.665.616.000.462.05w(MgO)1.540.520.5820.1637.75w(Al2O3)1.221.100.780.741.00w(S)0.060.070.09w(P)0.55w(CaF2)90.00w(FeO)29.40w(Fe2O
2、3)61.80烧减4.4447.80w(H2O)0.502.00w(C)5.00100.00100.00100.00100.00100.003）冶炼钢种及成分表13 冶炼钢种（Q235）成分成分W(C)W(Si)W(Mn)W(P)W(S)含量%0.170.300.350.800.0350.0354）平均比热容表14 原料平均比热容项目固态平均比热KJ/（kg）熔化潜热KJ/kg液态或气态平均比热容KJ/（kg）生铁0.7452180.837钢0.6992720.837炉渣2091.248炉气1.137烟尘0.996209矿石1.0462095）冷却剂用废钢做冷却剂，其它成分与冶炼钢种成分的中限
3、皆同。6）反应热效应（25） 表15 铁水中元素氧化放热反应元素氧化放热KJ/KmolKJ/kg元素元素C+O2=CO131365.010949.1CC+O2=CO2414481.734521.0CSi+O2SiO2795023.628314.0Si2P+O2=P2O51172078.618922.6PMn+O2MnO384959.07020.3MnFe+O2FeO266635.05021.2Fe2Fe+O2Fe2O3822156.07340.7Fe2CaO+SiO2=2CaOSiO2124600.42071.1SiO24CaO+P2O5=4CaOP2O5690414.95020.8P2O5注
4、：数据来源：氧气转炉炼钢原理（美），密执安大学，冶金工业出版社，1974年，75页。7）根据国内同类转炉的实测数据选取(1)渣中铁珠量为渣量的8；(2)金属中碳的氧化，其中90的碳氧化成CO，10的碳氧化成CO2；(3)喷溅铁损为铁水量的1；(4)炉气和烟尘量，取炉气平均温度1450。炉气中自由氧含量为0.5。烟尘量为铁水量的1.6，其中FeO=77%, Fe2O3=20%;(5)炉衬侵蚀量为铁水量的0.5；(6)氧气成分，98.5O2、1.5N2。1.2 物料平衡计算根据铁水成分、原材料质量以及冶炼钢种，采用单渣不留渣操作。为了简化计算，以100kg钢铁料为基础进行计算，取废钢比9.45%。
5、1）炉渣量及成分计算炉渣来自金属中元素的氧化产物、造渣剂及炉衬侵蚀等。(1)铁水中各元素氧化量表16 铁水中各元素氧化量成分项目M(C)M(Si)M(Mn)M(P)M(S)铁水4.2500.8500.5800.1500.037废钢0.1800.200.5200.0220.025终点钢水0.150痕迹0.1700.0150.025氧化量3.7150.7890.4040.1230.011注：终点钢水据国内同类转炉冶炼Q235钢种的实际数据选取，其中：Si：在碱性氧气转炉炼钢法中，铁水中的硅几乎全部被氧化，随同加入的其它材料而带入的SiO2起进入炉渣中，所以终点钢水硅的含量为痕迹。 P：采用低磷铁水
6、操作，炉料中磷约8595%进入炉渣，本计算采用低磷铁水操作，取铁水中磷的90%进入炉渣，10%留在钢中，则终点钢水含P质量为0.15010%=0.015kg。Mn：终点钢水余锰含量，一般为铁水中锰的含量3040，取30,则终点钢水含Mn质量为0.58030%=0.170kg。S：去硫率，一般为3050的范围，取40，则终点钢水含S质量为0.03760%=0.25kg。C：终点钢水含碳量，根据冶炼钢种的含碳量和预估计脱氧剂等增碳量之差，则为终点含碳量。本计算取0.15%。铁水中各元素氧化量计算过程如下：(a):成分 C 铁水 4.2590.553.848废钢 0.1809.450.017终点钢水
7、 0.150氧化量 3.8480.0170.150=3.715(b):成分 Si 铁水 0.85090.550.770废钢 0.209.450.019终点钢水 痕迹氧化量 0.7700.0190=0.789(c):成分 Mn 铁水 0.58090.550.525废钢 0.5209.450.049终点钢水 0.170氧化量 0.5250.0490.170=0.404(d):成分 P 铁水 0.15090.550.136废钢 0.0229.450.002终点钢水 0.015氧化量 0.1360.0020.015=0.123(e):成分 S铁水 0.03790.550.034废钢 0.0259.45
8、0.002终点钢水 0.025氧化量 0.0340.0020.025=0.011(2）各元素氧化量、耗氧量及其氧化产物量，见表1-7。铁水中各元素氧化产物量1-7元素反应极其产物元素氧化量kg耗氧量kg氧化产物量kg备注CC+O2=CO3.71590%=3.3443.344=4.4593.344=7.803CC+ O2=C O23.71510%=0.3720.372=0.9920.372=1.364SiSi+ O2=(SiO2)0.7890.789=0.9020.789=1.691MnMn+O2=(MnO)0.4040.404=0.1180.404=0.522P2P+O2=(P2O5)0.12
9、30.123=0.1590.123=0.282SS+ O2=S O20.011=0.0040.004=0.0040.004=0.008SS+(CaO)=(CaS)+O0.011-0.004=0.0070.078(-)=-0.0040.007=0.016-0.004表示还原出氧量消耗CaO量0.007=0.012FeFe+ O2 =(FeO)1.0551.055=0.3071.356见表1-13Fe2Fe+O2=(Fe2 O3)0.4750.475=0.2030.678见表1-13共计6.5807.140(3)造渣剂成分及数量150t氧气顶吹转炉加入造渣剂数量，是根据国内同类转炉有关数据选取：a
10、)矿石加入量及成分矿石加入量为1.00/100Kg(钢)，其成分及重量见表18。表18 矿石加入量及其成分成分(m)质量 kgFe2O31.0061.800.618FeO1.0029.400.294SiO21.005.610.056Al2O31.001.100.011CaO1.001.000.010MgO1.000.500.005S*1.000.070.0007H2O1.000.500.005共计1.000S*以S+CaO=CaS+O的形式反应,其中生成CaS量为0.001=0.002kg。消耗CaO量为0.0010.002kg。消耗微量氧，忽略之。b)萤石加入量及成分萤石加入量为0.5/10
11、0kg(钢)，其成分及重量见表1-9。表19 萤石加入量及成分成分(m)质量， kg成分质量， kgCaF20.5090.000.45P*0.500.550.0028SiO20.566.000.030S*0.500.090.0004Al2O30.501.780.0089H2O0.502.000.010MgO0.500.580.0029共计0.500*P以2P+O2=(P2O5)的形式进行反应,其中生成P2O5量为0.0028=0.007kg。消耗氧气量为0.00280.004kg*S微量，忽略之。c)炉衬被侵蚀重量及成分炉衬被侵蚀量为0.50kg/100kg（钢），其成分及重量见表1-10。表
12、110 炉衬被侵蚀重量及成分成分(m)质量 kg成分(m)质量kgCaO0.5054.000.270Al2O30.501.000.005MgO0.5037.950.190C*0.505.000.025SiO20.500.010共计0.500*被侵蚀的炉衬中碳的氧化，同金属中碳氧化成CO、CO2的比例数相同，即：CCO 0.02590%0.053kgCCO2 0.02510%0.009kg。其氧气消耗量：0.0530.030kg 0.0090.007kg共消耗氧气量为0.030+0.0070.037kgd)生白云石加入量及成分为了提高转炉炉衬寿命，采用白云石造渣剂，其主要目的是提高炉渣中的MgO
13、含量，降低炉渣对炉衬的侵蚀能力。若使渣中MgO含量在6.008.00的范围之内，其效果显著。经试算后取生白云石加入量为3.00Kg/100Kg（钢），其成分及重量见表1-11。表111 生白云石加入量及成分成分重量 kg成分重量kgCaO3.0030.840.925SiO23.000.460.014MgO3.0020.160.605烧减*3.0047.801.434Al2O33.000.740.022共计3.000*烧减是指生白云石（MgCO3CaCO3）分解后而产生的气体。e)炉渣碱度和石灰加入量取终渣碱度R=3.5首先计算由上述造渣剂以及元素氧化产物而进入炉渣中的SiO2和CaO的重量。渣
14、中已存在的质量铁水中Si氧化成SiO2质量+炉衬带入的SiO2质量+矿石带入的SiO2质量+萤石带入的SiO2质量+白云石带入的SiO2质量1.821+0.010+0.056+0.030+0.0141.931kg。渣中已存在的量白云石带入的CaO量+炉衬带入的CaO量+矿石带入的CaO量-铁水中S成渣耗CaO量-矿石中S成渣耗CaO量0.925+0.270+0.010-0.014-0.0021.189kg。再计算石灰加入量：石灰加入量 =6.52kg。表112 石灰成分及质量成分（m）质量 kg成分（m）质量kgCaO6.5291.085.940S*6.520.060.004SiO26.521
15、.660.108烧减*6.524.440.289MgO6.521.540.100共计6.520Al2O36.521.220.0795*S以S+(CaO)=(CaS)+O的形式反应，其中生成（CaS）质量为 0.0040.009kg生成氧量为 0.0040.002kg消耗（CaO）质量为 0.0040.007kg*烧减指未烧透的CaCO3经受热分解后产生的CO2气体质量。f)终点氧化铁的确定对于低磷铁水，参照国内同类转炉有关数据，取冶炼BD3钢的终渣=15%其中：百分含量比w（Fe2O3）/w（FeO） =1/3,故w（Fe2O3）=5%,w(FeO)=10% g)终渣量及成分表113中不计（F
16、e2O3）、（FeO）在内的炉渣重量为:m（CaO+ MgO+ SiO2+ P2O5+ MnO+ Al2O3+ CaF2+ CaS）7.136+0.903+2.038+0.316+0.529+0.125+0.445+0.03111.523kg。又知=15%,则渣中其它成分之和为100-15=85,故炉渣重量为kg。由此可知：m(FeO)的重量=13.55710%=1.356kg。其中m(Fe)重量=1.356。m(Fe2O3)的重量=13.5575%=0.678kg。其中m(Fe)重量=0.678 =0.475Kg。表113 炉渣终渣量及成分成分（m）氧化产物量Kg石灰Kg矿石Kg生白云石Kg
17、炉衬Kg萤石Kg共计Kg组成/CaO5.931*0.0100.9250.2707.13652.65MgO0.1000.0050.6050.1900.0030.9036.65SiO21.8210.1080.0560.0140.0100.0302.0415.03P2O50.3090.0070.3162.33MnO0.5290.5293.92Al2O30.0780.0110.0220.0050.0090.1250.92CaF20.4450.4453.28CaS0.0180.0090.0020.0310.22FeO1.3561.356*10.00Fe2O30.6780.678*5.00共计4.7116
18、.2260.0841.5660.4750.49413.557100.00*5.931=石灰中m(CaO)石灰中S自耗m(CaO) =5.9400.009=5.931Kg* *是元素被氧化成氧化铁的重量，其重量是这样计算出来的。将其值分别代入表1-7、1-13内。2）矿石、烟尘中铁及氧量。假定矿石中（FeO)质量全部被还原成铁，则矿石带入铁量m(Fe)=1.00（29.4061.80）=0.661Kg。矿石带入氧量m(O2)=1.00（29.40 61.80 ）=0.251Kg。烟尘带走铁量m(Fe)=1.60（7720 ）=1.182Kg。烟尘消耗氧量m(O2)=1.60（77 20）0.37
19、0Kg。3）炉气成分及重量表1-14中各项的计算:CO的重量=铁水中的C被氧化成CO的重量炉衬中的C被氧化成CO的重量=7.8030.053=7.856KgCO2重量=铁水中的C被氧化成CO2的重量炉衬中的C被氧化成CO2的重量白云石烧碱的重量石灰烧碱的重量=1.3640.0091.4340.2893.096Kg。表114 炉气成分及重量成分重量， kg 体积，m3CO7.8567.856=6.28578.49CO23.0963.096=1.64719.68SO20.0080.0080.04O20.0570.040*0.50N20.1060.0846*1.05H2O0.0150.0150.24
20、共计11.1388.007100.00SO2的重量铁水中的S的气化氧化物重量0.008kgH2O汽的重量矿石带入的重量+萤石带入的重量0.005+0.010 0.015kg。*、*是自由氧和氮气的重量。它是由表9中炉气的其它成分反复计算出来，即已知氧气成分为98.50O2、1.50N2,和炉气中自由氧体积比为0.50，求自由氧和氮气的体积及重量。解：设炉气的总体积为X，则X元素燃烧生成的气体体积和水蒸气的体积+自由氧体积+氮气体积。即: X（6.285+1.576+0.00 4+0.019）+0.50X8.594+0.50X+（5.134+0.50X）8.594+0.50X+（0.085+0.
21、008X）整理:X， 故炉气中自由氧体积8.7230.500.044 炉气中自由氧重量0.044炉气中氮气体积0.0088.723+0.0840.0846 m3炉气中氮气重量0.0846*炉气的总体积公式中分子括号内数据参考下面氧气消耗项目。4）氧气消耗计算消耗和带入氧气的项目：元素氧化耗氧重量 7.787kg烟尘中铁氧化耗氧重量 0.370kg炉衬中碳氧化耗氧重量 0.037kg萤石中磷氧化耗氧重量 0.004kg自由氧重量 0.063kg炉气中氮气重量 0.106kg矿石分解带入氧的重量 0.251kg石灰中硫把氧化钙还原出的氧重量为 0.002kg故，氧气实际消耗重量为7.787+0.3
22、70+0.037+0.004+0.063+0.106-0.251-0.0027.461kg换算成体积量7.4615.22m3/100kg(钢)或52.2m3/t（钢）。5）钢水量计算吹损组成项目：化学损失（元素氧化）量 6.580kg烟尘中铁损失量 1.182kg渣中铁珠损失量 13.55781.080kg喷溅铁损失量 1.000kg矿石带入铁量 0.661kg故，钢水重量（收得率）为:100-（6.580+1.182+1.080+1.000）+0.66190.82kg6）物料平衡表表115 物料平衡表收入支出项目量 kg 含量 项目重量 kg 含量 铁水90.5576.11钢水90.8276
23、.35废钢9.457.94炉渣13.5611.40石灰6.525.48炉气11.149.36矿石1.000.84烟尘90.55%1.6%=1.451.22萤石0.500.42铁珠13.568%=1.080.91白云石3.002.52喷溅90.551%=0.910.76炉衬0.500.42氧气7.466.27总计118.98100.00总计118.96100.00计算误差 (118.98-118.96)/118.98 100% 0.021.3 热平衡计算为了简化计算，取冷料入炉温度均为25。1）热收入项(1)铁水物理热铁水熔点1536-（4.2590.55%100+0.8590.55%8+0.5
24、890.55%5+0.1590.55%30+0.03790.55%25）71123式中100、8、5、30、25分别为C、Si、Mn、P、S元素增加1含量降低铁水熔点值；7为气体O、H、N共降低铁水熔点值；1536为纯铁熔点。铁水物理热90.550.745(112325)+218+0.837（12501123）114544KJ(2）铁水中各元素氧化放热及成渣热CCO 3.34410949.1=42706KJCCO2 0.37234521=12842KJSiSiO2 0.78928314=22340KJMnMnO 0.4047020.3=2836KJFeFeO 1.0555021.2=5297K
25、JFeFe2O3 0.4757340.7=3486.8KJPP2O5 0.12318922.6=2327.5KJP2O54CaO P2O5 0.3165020.8=1586.6KSiO22CaO SiO2 2.042071.1=4225.0KJ共计: 97646.9KJ(3）烟尘氧化放热1.45（775021.2+207340.7）5455.7KJ则，热收入总量为:114544+97646.9+5455.7217646.6KJ注：对于炉衬中的C和萤石中的P，其氧化放热微量，故忽略之。 2）热支出项(1）钢水物理热 钢水熔点1536（0.1565+0.175+0.01530+0.02525）7
26、1517式中65、5、30、25分别为钢中元素C、Mn、P、S增加1时，钢水熔点降低值。确定出钢温度过程如下：a)过热度，连续普碳钢一般在2040，取30。b)吹氩后到中间包开浇5分钟期间的钢液温降，取50。c)吹氩搅拌过程温降，取10。d)出钢后到吹氩前的温降，取11。e)出钢过程温降，一般在4050，取40。故，出钢温度钢水熔点+过热度+出钢温度降出钢搅拌前温降吹氩搅拌过程温降 1517+30+40+11+501658。那么，钢水物理热90.820.699（151725）+272+0.837（16581517）139479.5KJ(2）炉渣物理热取终点炉渣温度与钢水温度相同，即1658。故
27、，炉渣物理热13.561.248（1658-25）+20930469.1KJ(3）矿石分解吸热 1（29.40+61.80）4323.8KJ(4）烟尘物理热 1.450.996(145025)+209=2361.0KJ(5） 炉气物理热 11.141.137(145025)=19049.3KJ(6）渣中铁珠物理热 1.080.699(151725)+272+0.837(16581517) =1547.6KJ(7）喷溅金属物理热 0.910.699(151725)+272+0.837(16581517) =1408.6KJ(8）白云石分解吸热取生白云石中的CaCO3在1183K分解，MgCO3在
28、750K分解。经过计算，生白云石的分解热效应为1422.6KJ/kg生白云石，故3kg生白云石分解吸热为31422.64267.8KJ上述各项热支出量为：139497.5+30469.1+4323.8+2361.0+19049.3+1547.6+1408.6+4267.8202906.7KJ(9）废钢物理热9.450.699（151725）+272+0.837（1658-1517）=13540.9KJ（10）其他热损失:吹炼过程炉子热辐射、对流、传导传热、冷却水等带走的热量与炉子大小等因素有关。其他热损失为：217646.6202906.713540.91199KJ （11）热平衡表表116
29、热平衡表收入项支出项项目热量 KJ含量项目热量 KJ含量铁水物理热11454452.63钢水物理热139479.564.09元素氧化放热和成渣热97646.944.86炉渣物理热30469.114.00其中 C5491825.23矿石分解热4323.81.99Si2234010.26烟尘物理热2361.01.08Mn28361.30炉气物理热19049.38.75P2327.51.07铁珠物理热1547.60.71Fe8783.84.04喷溅金属物理热1408.60.65P2O51586.60.73白云石分解热4267.81.96SiO24225.01.94其它热损失11990.55烟尘氧化热
30、5455.72.51废钢物理热13540.96.22共计217646.6100.00共计217646.6100.00热效率（139479.5+13540.9+30469.1）/217646.6 100%84.312. 120t氧气顶吹转炉设计2.1转炉炉型设计1）原始条件炉子平均出钢量 120t钢水收得率取 90.82%最大废钢比 10%铁水条件 采用P08低磷生铁【Si0.85 P0.2% S0.05%】氧枪类型 采用四孔拉瓦尔型喷头，设计氧压为1.0Mpa2）炉型选择根据原始条件采锥球型作为本设计炉型。3）炉容比取V/T=1.034）熔池尺寸的计算（1) 熔池直径的计算公式 确定初期金属装
31、入量G：取B=15%则G=确定吹氧时间：吨钢耗氧量为52.2，并取吹氧时间为15min，则供氧强度=取=1.75则 （2) 熔池深度计算 锥球型熔池体积的计算公式为 =0.700.0363 其中=17.84，D=4.96 代入上式得 h=1.29m(3) 熔池其他尺寸确定 球冠的弓形高度: 炉底球冠曲率半径： R=1.1D=1.14.96=5.456m 锥台底面直径： D1=5) 炉帽尺寸的确定(1) 炉口直径 :(2) 炉帽倾角：取(3) 炉帽高度取，则整个炉帽高度为： 在炉口处设置水箱式水冷炉口 炉帽部分容积为： 6) 炉身尺寸确定(1) 炉膛直径（无加厚段）(2) 根据选定的炉容比为1.
32、03，炉子总容积为 (3) 炉身高度(4) 炉型内高7) 出钢口尺寸的确定(1) 出钢口直径(2) 出钢口衬砖外径(3) 出钢口长度(4) 出钢口倾角：取8) 炉衬厚度确定（1）炉身工作层 700mm炉身填充层 100mm炉身永久层 115mm炉身炉衬总厚度为 700+100+115=915（mm）炉壳内径为 m（2）炉帽工作层 600mm 炉帽永久层 150mm 炉帽衬砖厚度为 600+150=750mm(3) 炉底工作层 600mm 炉底永久层 底永久层用标准镁砖立砌，一层230mm, 粘土砖平砌三层653=195（mm） 炉底衬砖总厚度为 600+230+195=1025（mm）故炉壳内
33、型高度为工作层材质： 全部采用镁碳砖其余部分材质： 镁砖9) 炉壳厚度确定炉身部分选70mm厚的钢板，炉帽和炉底部分选用60mm厚的钢板。则 炉壳转角半径 10)验算高宽比可见， ，符合高宽比的推荐值。因此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。11)砌砖 (1) 炉底=14.80 b=600mm c=140mm 错台=tan140=36.99mm 取37mm估算层数：844/140 =6.03 取6层第一层：2257/2857= ax / ad 取ax=150，ad=190K0=2b/=2b/ adax=23.14600/(190150)=94.2 取94块砖型：600（
34、190/150）140第二层：(2257+37）/(2857+37)= ax / ad 取ax=150， ad=189K0=2b/=2b/ adax=23.14600/(189150)=96.6 取96块砖型：600（189/150）140第三层：(2257+372）/(2857+372 )= ax / ad 取ax=151 ad=190 K0=2b/=2b/ adax=23.14600/(190151)=96.6 取96块砖型：600（190/151）140 第四层：(2257+373）/(2857+373)= ax / ad 取ax=146 ad=183K0=2b/=2b/ adax=23
35、.14600/(183146)=101.8 取101块砖型：600（183/146）140第五层：(2257+374）/(2857+374)= ax / ad 取ax=152 ad=190K0=2b/=2b/ adax=23.14600/(190152)=99.1 取99块砖型：600（190/152）140第六层：(2257+375）/(2857+375)= ax / ad 取ax=146 ad=182K0=2b/=2b/ adax=23.14600/(182146)=104.6 取104块砖型：600（182/146）140总转数=94+96+96+101+99+104=5902）炉身估算
36、层数：3770/150=25.1 取25层 b=700 c=1502480/(2480+700) = ax / ad 取ax=140 ad=180 K0=2b/=2b/ adax=23.14600/(180140)=94.2 取94块砖型：700（180/140）150 377025150=20 剩20mm总转数=2594=23503）炉帽=600 取c=150mm b=600mm错台=tan（900）150=73mm估算层数：2650mm/150=17.7 层 取18层第一层：(248073）/(308073)= ax / ad 取ax=144， ad=180K0=2b/=2b/ adax=
37、23.14600/(180144)=104.6 取104块砖型：600（180/144）150第二层：(2480732）/(3080732)= ax / ad 取ax=143， ad=180K0=2b/=2b/ adax=23.14600/(180143)=101.8取101块砖型：600（180/143）150第三层：(2480733）/(3080733)= ax / ad 取ax=150， ad=190K0=2b/=2b/ adax=23.14600/(190150)=94.2取94块砖型：600（190/150）150第四层：(2480734）/(3080734)= ax / ad 取ax=149， ad=190K0=2b/=2b/ adax=23.14600/(190149)=91.9取91块砖型：600（190/149）150第五层：(2480735）/(3080735)= ax / ad 取ax=140， ad=180K0=2b/=2b/ adax=23.14600/(180140)=94.2取94块砖型：600（180/140）150第六
