转炉与氧枪

四．炉型与氧枪的设计计算
4.1炉型的设计计算
4.1.1原始数据
⑴ 炉子平均出钢量220 t
钢水的收得率91.05%
新炉的金属装入量G =220 t/0.9105=242 T
⑵ 吨钢耗氧量=7.18/91.05×1000×22.4/32=55.20 Nm 3/T
供氧强度3.68m 3/(T·min)
供养时间t =15min
,4.1.2熔池尺寸计算
⑴熔池的直径
D =K t G / K (1.5~1.75) 取K =1.53
所以D =1.5315/242=6141 mm
⑵熔池深度计算
选用筒球型 熔池深度为
h =V 金属+0.046D 3/0.079D 2=（35.5+0.046×6.1413）/（0.79×6.1412）
=1550mm
⑶熔池其他尺寸的确定
炉底球冠的曲率半径R =0.91D =5588 mm
球冠的弓形高度h 1=0.15D =921 mm
⑷ 炉帽尺寸的确定
① 取炉口直径与炉膛直径之比d/D =0.51
d =0.51×6141=3132 mm
② 取炉帽的倾角为64°
③ 炉帽高度的计算
H 帽=1/2(D-d)tanθ+400=3485 mm
H 锥=H 帽-400=3085 mm
④ 炉帽容积计算
V 帽=0.257×3.14×（6.1412+3.1322+6.141×3.132）+0.785×3.1322×0.4
=56.954m 3
⑸ 出钢口尺寸计算
d 出钢=T 75.163+=22075.163⨯+=210 mm
取水平倾角为18°
出钢口衬砖外径dST ＝6×210＝1270mm
出钢口长度＝7×210＝1480mm
⑹炉子内型高度的计算
取炉容比V/T =1.0
新炉炉膛有效容积：
V =G ×V/T =1.0×220=220 m 3
V 身=V -（V 金+V 帽）=220-（35.5+56.954）=127.513 m 3
炉身高度：
H =141
.66.141×4/513.127⨯π=4.308 m=4038 mm 炉型内高：
H =h +H 身+H 帽=1550+4308+3485=9343 mm
⑺炉衬的选择
工作层选用镁碳砖
炉身永久层选115 mm ，工作层选700 mm ，填充层100mm
炉帽永久层选150 mm ，工作层选600 mm
炉底永久层选425 mm ，工作层选600 mm
D 壳内=6.141+0.915×2＝7.971m
H 壳内=9.343+1.025＝10.368m
⑻炉壳钢板
炉身选75mm ，炉底炉帽选用65 mm
H 总=10.368+0.065=10.433m
D 壳=7.971+0.075×2=8.121m
⑼炉子高宽比
壳总D H =121
.8433.10=1.28 因为顶底复吹转炉的高宽比一般为1.25~1.45，所以炉子尺寸基本是合理地，能保证炉子的操作正常进行。

4.2低吹喷嘴设计
本次设计采用管式喷嘴结构
一般说来，喷嘴多而直径小些好。

生产中喷嘴数量常为2~4个，具体视炉子容量和布置形式而定。

本炉喷嘴取4个。

合理的布置应使底吹和顶吹产生的熔
池环流运动方向相同，以获得最佳的搅拌效果，即最快的熔池混匀时间。

4.3氧枪设计计算
4.3.1原始数据
转炉公称容量220t
冶炼钢种以EH36为主
炉容比1.0 m 3/t
熔池直径6141mm
有效高度9343 mm
熔池深度1550 mm
4.3.2有关参数的计算确定
⑴ 计算氧流量Q v
取每吨钢水的耗氧量为55.2 Nm 3/T
吹氧时间15.0min
Q v=55.2×220/15.0=809.6 m 3/min
⑵ 选四孔喷头的出口马赫数M=2.0，喷孔夹角12°
⑶ 设计工况氧压
当M=2.0，P/P o =0.1278
取P 膛=1.3×105 Pa
则P 设=P 膛P O /P =1.3×105/0.1278=10.17×105Pa
⑷计算喉口直径
每孔氧流量Q ＝1/4×Q v ＝202.4 m 3/min
Q o 2=1.784×C D ×0T P A 设
⋅*，C D 取0.90，To=290 K =1.784×0.90×2901017.105A
⨯⨯=202.4 m 3/min
所以A *=21.1 cm 2
A *=π/4·d 喉2
所以d 喉=π*A 4=5.2 cm=52 mm
⑸ 喷孔出口直径d 出和出口断面积A
当M=2.0时，查表A/A 出=1.688
d 出=d 喉*A A /=52×688.1=68 mm
A 出=4/π（6.8）2=36.3 cm 2
⑹ 计算扩张段长度L
半锥角为5°
L =（68-52）/2·tan5°=91 mm
⑺收缩段的尺寸
取收缩α收=50º，则收缩半角为25o ，收缩段长度由作图法确定，即按照确定
的α收从喉口向上划线延伸到与枪身的中心氧管内径相交为止，此段即为收缩段
长度。

相交处圆滑些更好。

4.4氧枪枪身设计计算
1 中心管内径d 内
Q 实（n/v ）实=Q 标（n/v ）标，n/v=P/RT
Q 实=Q 标（P/T ）标·（T/p ）实=809.6/60·⎪⎭
⎫ ⎝⎛⋅⎪⎭⎫ ⎝⎛17.10290273033.1=1.46 m 3/s Q 实=4
π·d 内2·V o 2 V o 2（40m/s-60m/s ）取V o 2=40 m/s 所以d 内=
2o 4V Q π实=0.216m=216 mm 根据无缝钢管产品规格选φ219×8
所以管壁6 mm
2 中层管尺寸的计算
进水断面积=Q 进/V 进，取V 进=5 m/s ，Q 进=200 t/h
则S 进=200/3600×5=0.011 m 2
吹氧管外径断面-进水断面=中层管内径断面 =
4
π(0.216+0.003)2+0.011=0.049 m 2 内径断面积=0.049 m 2 所以d 中=π4049.0⨯=0.250m=250mm
根据无缝钢管的产品规格选用φ273×7
管壁厚10 mm
3 外层管尺寸的计算
进水断面积=Q 出+/V 出，取V 出=6m/s,Q 出=200t/h
则S 进=200/3600×6=0.0093 m 2
外层管内径断面积=出水断面积+中层管外径断面积=0.0093+)
273
.0(
4/⨯
π2=0.0678m2
所以d
外=
π
4
0678
.0⨯
=0.293 m=293 mm
根据无缝钢管的产品规格选用φ299×12
4 氧枪总长度和行程的确定
根据公式氧枪总长为：
H=h1+h2+h3+h4+h5+h6+h7+h8
式中：
h1—氧枪最低位置至炉口距离，取8.16 m；
h2—炉口至烟罩下沿的距离，取1.212m；
h3—烟罩下沿至烟道拐点的距离，取4.403m；
h4—烟道拐点至氧枪孔的距离；
h5—为清理结渣和换枪需要的距，取0.8 m；
h6—根据把持器下段要求决定的距离；
h7—把持器的两个卡座中心线间的距离；
h8—根据把持器上段要求决定的距离；
H枪=8.160+1.212+4.403+5.033+0.800+0.800+1.000+0.5=21.908
5 氧枪的行程
H行=h1+h2+h3+h4+h5=19.608 m
4.5氧枪操作
(1)恒枪位操作在铁水中磷、硫含量较低时，使吹炼过程中枪位基本保持不作变动。

这种操作主要是依靠多次加入炉内的渣料和助熔剂来控制化渣和预防喷溅，保证冶炼正常进行。

(2)低一高一低枪位操作铁水人炉温度较低或铁水中w[Si]、w[Pl>l.2%时，使吹炼前期加入渣料较多，可采用前期低枪提温，然后高枪化渣，最后降枪脱碳去硫。

这种操作是用低枪点火，使铁水中Si、P快速氧化升温，然后提枪增加渣中(Fe0)来熔化炉渣，待炉渣化好后再降枪脱碳。

必要时还可以待炉渣化好后倒掉酸性渣，然后重新加入渣料，高枪化渣，最后降枪脱碳去硫。

在碳剧烈氧化期，加入部分助熔剂防止炉渣返干。

(3)高一低一高一低枪位操作在铁水温度较高或渣料集中在吹炼前期加入时可采用这种枪位操作。

开吹时采用高枪位化渣，使渣中w(Fe0)达25%～30%，促
进石灰熔化，尽快形成具有一定碱度的炉渣，增大前期脱磷率和脱硫率，同时也避免酸性渣对炉衬的侵蚀。

在炉渣化好后降枪脱碳，为避免在碳氧化剧烈反应期出现返干现象，适时提高枪位，使渣中w(Fe0)保持在10%～15%，以利磷、硫继续去除。

在接近终点时再降枪加强熔池搅拌，继续脱碳和均匀熔池成分和温度，降低终渣(Fe0)含量。

(4)高一低一高的六段式操作开吹枪位较高，及早形成初期渣；二批料加入后适时降枪，吹炼中期炉渣返干时又提枪化渣；吹炼后期先提枪化渣后降枪；终点拉碳出钢。

五部分炼钢设备选择
本次设计转炉采用顶底复吹转炉。

5.1烟气净化及回收
本次设计采用转炉湿法OG除尘。

5.1.1 OG装置工艺原理
转炉在吹炼中由于激烈的氧化反应在炉内产生大量的高温，高浓度的一氧化碳烟气。

这些烟气通过裙罩的升降和罩内烟气压力的控制达到抑制周围空气的侵入。

在未燃的情况下，把这些烟气进行冷却和净化，然后把＞40％的合格一氧化碳气体进行回收，把＜35％的不合格的一氧化碳气体通过三通切换阀的切换，由放散塔上的点火装置燃烧后排入大气。

5.1.2 OG装置工艺流程
煤气放散时：下裙罩→上裙罩→下烟罩→上烟罩→下部锅炉→上部锅炉→第一级文氏管（1DC）→第二级文氏管（2DC）→烟气流量计→IDF风机→消音器→放散塔
煤气回收时：下裙罩→上裙罩→下烟罩→上烟罩→下部锅炉→上部锅炉→第一级文氏管（1DC）→第二级文氏管（2DC）→烟气流量计→IDF风机→消音器→水封逆止阀→V型水封→煤气柜
5.1.3 OG系统的特点
（1）采用双级文氏管，净化效率高达99.9％，排放浓度小于100mg/Nm3，设备管道化、布置紧凑，较之国内盛行的二文一塔式更为合理。

（2）管路从47.5米标高顺流而下，中间无迂回曲折、系统阻损小。

本系统总阻力1750毫米水柱，配用1430转/分的中速挡风机，采用液力偶合调速装置，大大节省电耗，使电耗指标达到3.3度/吨钢的先进指标，而国内系统上下多次往返、总阻力超过2000毫米水柱，必须配用3000转/分的高速挡风机，不仅电耗大，还带来噪音危害。

这种流程还由于畅通无阻，不存在四死角，煤气不易滞留，有利于安全操作。

（3）设有炉口微差压控制装置，操纵二文R-D阀板，使罩内保持正负2毫米水柱的压差，确保煤气回收浓度55~65％，回收量超过90Nm3/t.s。

此外整个吹炼过程有五个控制顺序进行自动操纵，具有较高的自动化水平。

（4）烟罩采用高温水密闭循环冷却水系统，从一、二文窜接供水，使新水补给量达到2吨/吨钢的先进水平。

（5）配备半封闭式二次集尘系统，对一次烟罩不能捕集的兑铁水、加废钢、出钢、修炉作业烟尘进行二次捕集，确保操纵平台区的粉尘浓度不超过5mg/Nm3。

5.1.4文氏管
文氏管除尘器是一种湿法除尘设备，也兼有冷却降温作用。

文氏管是当前效率较高的湿法除尘设备。

文氏管除尘器由雾化器(碗形喷嘴)、文氏管本体及脱水器三部分组成。

文氏管本体是由收缩段、喉口、扩张段三部分组成。

烟气流经文氏管收缩段到达喉口时气流加速，高速烟气冲击喷嘴喷出的水幕使水二次雾化成小于或等于烟尘粒径1/100以下的细小水滴。

喷水量（标态）一般为0.5-1.5L/m³(液气比)。

气流速度越大，喷入的水滴越细，在喉口分布越均匀，二次雾化效果越好，越有利于捕集微小的烟尘。

细小的水滴在高速紊流气流中迅速吸收烟气的热量而汽化，一般在1/150-1/50s内使烟气从800-1000℃冷却到70-80℃。

同样，在高速紊流气流中，尘粒与液滴具有很高的相对速度，在文氏管的喉口和扩张段内互相撞击而凝聚成较大的颗粒，经过与文氏管串联的气水分离装置（脱水器），使含尘水滴与气体分离，烟气得到降温与除尘。

文氏管按照构造，可分为定径文氏管和调径文氏管。

在湿法除尘系统中采用双文氏管串联，通常以定径文氏管作为一级除尘装置，并加溢流水封；以调径文氏管作为二级除尘装置。

5.2精炼装置
本次设计采用LF+RH精炼
炉外精炼技术的特点与功能
炉外精炼是指在钢包中进行冶炼的过程,是将真空处理、吹氩搅拌、加热控温、喂线喷粉、微合金化等技术以不同形式组合起来,出钢前尽量除去氧化渣,在钢包内重新造还原渣,保持包内还原性气氛。

炉外精炼的目的是降低钢中的Ｃ、Ｐ、Ｓ、Ｏ、Ｈ、Ｎ、等元素在钢中的含量,以免产生偏析、白点、大颗粒夹杂物,降低钢的抗拉强度、韧性、疲劳强度、抗裂性等性能。

这些工作只有在精炼炉上进行,其特点与功能如下:
1)可以改变冶金反应条件。

炼钢中脱氧、脱碳、脱气的反应产物为气体,精炼可以在真空条件下进行,有利于反应的正向进行,通常工作压力≥50Pa,适于对钢液脱气。

2)可以加快熔池的传质速度。

液相传质速度决定冶金反应速度的快慢,精炼过程采用多种搅拌形式(气体搅拌、电磁搅拌、机械搅拌)使系统内的熔体产生流动,加速熔体内传热、传质的过程,达到混合均匀的目的。

3)可以增大渣钢反应的面积。

各种精炼设备均有搅拌装置,搅拌过程中可以
使钢渣乳化,合金、钢渣随气泡上浮过程中发生熔化、熔解、聚合反应,通常1吨钢液的渣钢反应面积为0.8～1.3mm2,当渣量为原来的6%时,钢渣乳化后形成半径为0.3mm的渣滴,反应界面会增大1000倍。

微合金化、变性处理就是利用这个原理提高精炼效果。

4)可以在电炉(转炉)和连铸之间起到缓冲作用,精炼炉具有灵活性,使作业时间、温度控制较为协调,与连铸形成更加通畅的生产流程。

5.2.1 LF精炼设备
LF炉的设备主要包括:炉体(带有吹气装置的钢包)、炉盖、电弧加热装置、加料装置和真空系统等部分。

5.2.2 LF精炼工艺优点
LF炉外精炼通过电弧加热具有升温功能，加入造渣材料（石灰、脱氧剂、熔剂、发泡剂等）造白渣泡沫渣脱氧、脱硫，喂Ca-Si线、底吹氩气去除夹杂物，易氧化合金元素收得率高，还能协调转炉与连铸的生产节奏。

5.2.3 LF精炼
（1）造白渣泡沫渣与脱氧、脱硫
在LF精炼过程中，必须要造好泡沫渣，防止弧区钢液面裸露，减少电弧区钢液的增氮。

LF精炼处理过程中，加入发泡剂全程造泡沫渣，电极埋弧效果良好，电弧电离增氮量小。

LF炉造还原性白渣实质是采用扩散脱氧，即通过钢渣界面使钢中氧逐渐扩散至渣中，脱氧产物不污染钢液，脱氧较彻底，但是脱氧速度较慢。

因此，LF造白渣的操作要点是早化渣、在精炼前期快速形成高碱度白渣，造渣过程中分批分期加入脱氧剂，使渣中的Fe0不断降低，钢水中的氧逐渐扩散至渣中从而脱氧，同时渣中Ca0与钢水中FeS进行反应，生成CaS进入渣中从而脱硫。

脱氧剂以铝粒为例，其化学反应方程式如下:
2A1＋3 (Fe0) ＝3（Fe）＋（Al2O3）
(Ca0)+(FeS)= (CaS)+(FeO)
2A1＋(Ca0)+(FeS) ＝3 (Fe)+(CaS)+(Al203)
由上式进一步分析研究，可以得出LF造还原性白渣脱氧、脱硫效果主要受以下因素影响:
(1碴碱度:随着渣碱度的提高，C a0活度提高，有利于脱硫。

但随着碱度的提高，渣的流动性降低，因此应控制渣碱度在适当的范围。

(2碴氧化性:LF脱硫为还原反应，因此渣中Fe0含量越少越好。

（3渣中Al203:随着渣中Al203含量的提高，炉渣的熔点降低，流动性提高，有利于脱硫。

但对吸附钢中Al203基夹杂物不利，因此应控制渣中Al203含量在
适当范围内。

(4吹氩搅拌:加强搅拌可提高熔池传质速度，增加钢渣反应界面，有利于脱硫。

（2）喂Ca-Si线和钢包底吹氩去除夹杂物
钢水脱氧后会形成脱氧产物，这些脱氧产物形成的夹杂物大多为铝脱氧形成的块状和簇状高熔点(2230℃) Al203夹杂;其次为硅脱氧形成的条块形和球形的硅酸盐夹杂。

经过LF精炼脱硫处理后钢中硫含量很低，形成的硫化物夹杂(MnS 塑性夹杂和CaS复合夹杂)很少。

采用喂Ca-Si线不仅能把簇状的Al203夹杂变成球状、低熔点的钙铝酸盐夹杂，也能使玻璃质的硅酸盐夹杂球化，还能消除或减少条状硫化锰夹杂，变成球状硫化钙或钙锰硫化物复合夹杂。

经过Ca处理再辅以钢包底吹氢气搅拌，能获得纯净度很高的钢水。

钢包采用双透气砖分路控制，根据LF处理阶段的不同要求，采用分阶段控制工艺。

初期造白渣采用大氩气量强搅拌，加热过程中采用中等强度氩气流量搅拌，调合金及增碳时采用大氩气量搅拌。

喂Ca线结束后的软吹是促进夹杂物上浮的重要手段，应降低氩气流量，防止钢液面暴露于空气中，避免钢水二次氧化和吸气。

软吹时间要控制适当，确保夹杂物充分上浮。

由于透气砖的透气性不同，在实际生产中不应单纯以氩气流量来判断底吹流量，而应通过观察钢包液面情况调整氩气流量。

5.2.4RH精炼
RH真空处理工艺以其操作简便、处理量大、生产效率高的特点得到不断发展，在原来脱氢的基础上又开发了脱碳、脱氧、吹氧升温、喷粉脱硫和成分控制等功能。

本次设计RH精炼主要用于脱气
5.2.5 钢中的气体、非金属夹杂物及其对钢质量的影响
（1）氢对钢质量的影响
钢中含氢有害无利，它对钢的不良影响主要表现在以下几个方面；
①氢脆。

氢脆是氢对钢的机械性能不良影响的重要表现。

随着钢中含氢量的增加，钢的强度特别是塑性和韧性将显著下降，使钢变脆，称为氢脆。

氢脆随钢强度的增高而加剧，因此对高强度钢来说，氢脆尤为突出，高强度钢平均含氢量不到1ppm就可能出现氢脆。

②白点。

氢以氢原子形式溶解在钢中，在钢液中的溶解度比在固态钢中大得多。

当温度下降时，氢在钢中的溶解度降低，氢原子便扩散到显微孔隙、夹杂物附近或晶界间，结合成氢分子(2[H]={H2})。

氢分子在该处不断地聚集，同时产
生巨大的压力，当其聚集压力超过该处钢的强度极限时，产生裂纹，使钢的机械性能(特别是塑性)降低，甚至断裂。

裂纹的部位常呈银白色圆点，称为白点。

③钢中含有较多的氢还会使钢锭产生点状偏析，以及使钢锭上涨或产生内部疏松。

（2）氮对钢质量的影响
氮对钢质量的影啊表现为不良和有益两个方面。

不良影响主要表现在以下几个方面：
①氮使钢产生时效硬化。

氮在低温下它是过饱和状态，必然从钢中析出。

但是钢中的氮不是以气体存在，而是呈弥散的固态氮化物缓慢地从钢中析出，逐渐地改变着钢地性能，使钢的强度和硬度增加，塑性和冲击韧性显著降低，这种现象称为老化或时效。

老化时还引起磁导性降低，电阻增大。

②钢中含氮是导致蓝脆的主要原因。

所谓蓝脆是指在250—450℃这个温度范围内钢的强度升高，冲击韧性降低；由于钢在这个温度下加热时，表面发蓝而得名。

③钢液中含氮高时还会导致钢锭疏松甚至产生气泡，如果皮下气泡距钢锭表面太近，热轧时容易引起开裂使钢锭报废。

④在氮和氢同时存在的条件下，使氢的腐蚀更加剧烈，这是由于氮能生成比碳化物更稳定的氮化物，使碳从碳化物中分解出来。

从而加快了氢和碳的反应。

（3）氧对钢质量的影响
氧在钢中主要以FeO形式存在。

氧对钢性能的影响即破坏钢锭的合理结构，降低钢的机械性能(如钢的塑性、韧性)，残留在钢中的FeO能同钢中的FeS形成910℃的低熔点共晶体(机械混合物)，分布在晶界上，从而加剧硫对钢的热脆性。

（4）非金届夹杂物对钢质量的影响
钢中非金属夹杂物按其化学成分不同可分为氧化物、硫化物、氮化物等，而以氧化物(如FeO，SiO2，Al2O3)，硫化物(主要是FeS，MnS)以及它们组成的各种不同成分的硅酸盐等复杂化合物，占钢中夹杂物的绝大部分。

按钢中夹杂物来源可分为内在夹杂物和外来夹杂物两类。

内在夹杂物是钢水在熔炼和冷凝过程中物理化学反应生成的、未能从钢水中排除的反应生成物，如MnO、SiO2、MnS、TiN等，这是钢中非金属夹杂物的主要部分。

外来夹杂物是在熔炼、出钢和浇铸过程中落入和混入钢水的耐火材料和炉渣(如与生铁、废钢等一起进入炉内的非金属物质)。

钢中非金属夹杂物所占数量或总体积虽然不多，但它们在钢中呈独立存在，与钢本身性质完全不同，它破坏了钢的基体的连续性，造成了组织上的不均匀，
从而降低了钢的强度、塑性、韧性，使钢的冷热加工性能乃至某些物理性能变坏。

5.2.6 RH法脱气
（1）工艺原理
钢液的真空脱气在一座特殊的真空室中进行。

这个真空室内砌有耐火砖衬，其底部有两个用耐火材料制成的并可插入钢液中的管子，即钢液上升管和下降管，当向上升管中通入驱动气体，就能促使钢包中的钢液，经真空室而循环。

（2）工艺过程：
首先将钢水吸入真空室，接着在两个上升管的侧壁向钢水内吹入氩气。

这些氩气在钢水的高温和真空室上部的低压作用下迅速膨胀，导致钢水与气体的混合体的密度沿着浸入管的高度方向不断降低，在由密度差产生的压力差的作用下，使钢水进入真空室。

进入真空室的钢水与气体的混合体在高真空的作用之下释放出气体，与此同时，使钢水变成钢水珠，钢水珠内欲脱除的气体在高真空的作用下向真空中释放的过程中又使钢水珠变成更小的钢水珠，从而达到了十分好的脱气效果。

释放了气体的钢水沿着下降管返回到钢包中。

这样循环若干次后，可将钢液中的气体降到相当低的水平。

（3）RH法优点：
①脱气效果较好。

由于输入驱动气体，在上升管内生成大量气泡核，进入真空室的钢液又喷射成级细小的液滴，大大增加了钢液脱气表面积，因而有利于脱气的进行。

②温降小。

一般处理温降只有30～50℃，而且在脱气过程中还可进行电加热，因此钢液在炉内只需少许过热。

③处理范围较大。

用同一设备能处理不同容量的钢液，也可以在电弧炉和感
应炉内进行处理。

5.2.6RH精炼脱气原理图。