转炉设计

1 转炉炉型选型设计及相关参数计算
1转炉炉型设计
1.1.1炉型选择
氧气顶底复吹转炉是20世纪70年代中、后期，开始研究的一项新炼钢工艺。

其优越性在于炉子的高宽比略小于顶吹转炉却又大于底吹转炉，略呈矮胖型；炉底一般为平底，以便设置底部喷口。

综合以上特点选用转炉炉型为锥球型(适用于中小型转炉见图1-1)。

图1-1 常见转炉炉型
(a)筒球型； (b)锥球型； (c)截锥型
1.1.2主要参数的确定
本设计选用氧气顶吹转炉(公称容量50t)。

(1) 炉容比
炉容比系指转炉有效容积与公称容量之比值。

转炉炉容比主要与供氧强度有关，与炉容量关系不大。

从目前实际情况来看，转炉炉容比一般取0.9~1.05m3/t。

本设计取炉容比为1.05m3/t。

(2) 高径比
转炉高径比，通常取 1.35～1.65。

小炉子取上限，大炉子取下限。

本设计取高径比：1.40。

(3) 熔池直径D 可按以下经验公式确定：
t
G
K
D = (1-1) 式中 D ——熔池直径，m ；
G ——新炉金属装入量，t ，可取公称容量； K ——系数，参见表1-1；
t ——平均每炉钢纯吹氧时间，min ，参见表1-2。

注：括号内数系吹氧时间参考值。

设计中转炉的公称容量为50t ，取K 为1.85，t 取15min 。

可得：
38.315
50
85
.1==D m (4) 熔池深度h
锥球型熔池倒锥度一般为12°~30°，当球缺体半径R=1.1D 时，球缺体高
h 1
=0.09D 的设计较多。

熔池体积和熔池直径D 及熔池深度h 有如下的关系：2
3
665.0033.0D D V h +=
池 (1-2)
由池V G 1ρ=可得：
09.705
.750
1
==
=
ρG
V 池(m 3) 将池V 代入式(7-2)得：
98.038.3665.038.3033.009.7665.0033.02
323=⨯⨯+=+=D D V h 池(m)
(5) 炉身高度身H
转炉炉帽以下，熔池面以上的圆柱体部分称为炉身。

其直径与熔池直径是一致的，故须确定的尺寸是炉身高度身H 。

2
t 2)(44D V V V D V H ππ池帽身身--== (1-3) 式中 帽V 、身V 、池V ——分别为炉帽、炉身和熔池的容积；
V t ——转炉的有效容积，为帽V 、身V 、池V 三者之和，取决
于容量和炉容比。

代入数据可得：
身H =3.19m
（6）熔池其它尺寸的计算 设计部门推荐的球冠弓形高度为：
h1=0.09D=0.09×3.38=0.3042 (m)
炉底球冠曲率半径：
R=0.99D=0.99×3.38=3.3462 (m)
(7) 炉帽尺寸
炉帽尺寸包括炉帽倾角、炉口直径和炉帽高度。

① 炉帽倾角θ。

炉帽倾角θ一般为60°~68°，小炉子取上限，大炉子取下限。

本设计取炉帽倾角为65°
② 炉口直径d
一般炉口直径为熔池直径的43%～53%较为适宜。

小炉子取上限，大炉子取下限。

本设计取炉口直径为1.8m 。

③ 炉帽高度帽H
为了维护炉口的正常形状，防止因砖衬蚀损而使其迅速扩大，在炉口上部设有高度为口H =300～400mm 的直线段。

炉帽高度为：=帽H 口H d D +-θtan )(2
1
(1-4)
=0.5×（3.38-1.8）×tan65°+口H
=1.69+0.3 =1.99(m) 那么，炉帽总容积为：
口口帽帽）（H D D H H V 222d 4
d d )(12
π
π
+
++-=
=
3.02.24
2.22.288.388.3
3.059.112
222⨯⨯+
+⨯+⨯-⨯π
π
）（）（
=16.80(m 3)
(8) 出钢口尺寸
出钢口一般都设在炉帽与炉身交界处，以使转炉出钢时其位置最低，便于钢水全部出净。

出钢口的主要尺寸是中心线的水平倾角和直径。

① 出钢口中心线水平倾角1θ。

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趋于减小，一般为15°~20°。

本设计取15 。

② 出钢口直径出d
出钢口直径决定出钢时间，随炉子容量不同而异。

通常又下面的经验式确定：
出d =5075.16375.163⨯+==+G =12.7(cm)
式中 G ——转炉公称容量，t 。

③出钢口衬砖外径： ST d =6出d =6×0.127=0.762(m) ④出钢口长度： T L =7出d =7×0.127=0.889(m) （9）炉身尺寸的计算 ①炉膛直径
炉膛直径D 膛=D=3.38(m) （无加厚段） ②转炉总容积
根据选定的炉容比V ／T = 1.05可求出：
V 总=1.05×50 = 52.5（m 3）
③炉身容积
炉身容积：V =V -V -V 身总池帽 ④炉身高度：
炉身高度：根据公式计算可得：2H =
4
V D π身身
= ⑤炉型内高
H =h+H H 内帽身+=
1.1.3底部供气构件的设计
本设计为增加废钢型顶底复合吹炼法。

不仅在转炉底部布置喷吹惰性气体或中性气体N 2来加强搅拌，还考虑在转炉底部喷吹小部分燃料与氧气。

为炉膛提供更多热量，补偿废钢加入所吸收的热量，使转炉冶能够炼顺利进行。

(1) 底气用量
在底部吹N2、Ar、CO2等气体时，供气强度小于0.03 m3/（t·min），其冶金特点接近顶吹法；达到0.2～0.3m3/（t·min），则可以降低炉渣和金属的氧化性，并达到足够的搅拌强度。

最大供气强度一般不超过0.3 m3/（t·min）。

全程吹Ar，成本太高；全程吹N2，又会增加钢中的氮。

所以，本设计采用底部全程供气，但是前期吹N2，末期再改吹Ar；供气强度为0.2 m3/(t·min)。

(2) 供气构件
根据本设计的底部喷吹N2和Ar，选择砖型供气元件，且为弥散型透气砖。

1.2 转炉炉衬设计
炉衬设计的主要任务是选择合适的炉衬材质，确定合理的炉衬组成和厚度，并提出相应的砖型和数量，以确保获得经济上的最佳炉龄。

1.2.1炉衬材质的选择
目前常用的工作层衬砖有：沥青结合镁砖，含碳量为5～6%；烧成浸渍镁砖，含碳量为2%左右；焦油或沥青结合的白云石砖，含碳量约2%；沥青或树脂结合的白云石碳砖，含碳量为7～15%；沥青或树脂结合的镁碳砖（加入或不加防氧化剂），含碳量通常为10～25%。

现在，氧气转炉炉衬材质普遍使用镁碳砖，炉龄有明显提高。

但由于镁碳砖成本较高，因此一般只将其用在诸如耳轴区、渣线等炉衬易损部位，即炉衬工作层采用均衡炉衬，综合砌炉。

1.2.2炉衬的组成和厚度的确定
通常炉衬由永久层、填充层和工作层组成。

有些转炉则在永久层与炉壳钢板之间夹有一层石棉板绝热层。

永久层紧贴炉壳，修炉时一般不予拆除。

该层用镁碳砖砌筑。

填充层介于永久层与工作层之间，用焦油镁砖沙捣打而成，厚度约为80～100mm。

工作层用镁碳砖和焦油白云石砖综合砌筑。

炉帽用二步煅烧镁砖。

其选择依据为表1-3。

一般炉身工作层厚度为400～800㎜，炉底工作层比炉身稍薄，约350～600㎜，填充层为60～100㎜，炉身永久层为113～200㎜，多数为113～115㎜，炉底永久层为300～500㎜，转炉各层炉衬厚度如表：
表1-3 转炉容积和工作层对照表
根据50t 转炉炉衬衬材，本设计炉衬采用表1-4所示值。

表1-4 本设计转炉炉衬厚度值
1.3转炉炉体金属构件设计
1.3.1炉壳
炉壳通常由炉帽、炉身和炉底三部分组成。

炉壳的材质力求抗蠕变强度高、焊接性能又好的材料。

本设计采用锅炉钢板制作炉壳。

根据一些炉子的炉壳尺寸，该处选为：炉帽钢板45mm 、炉身钢板50mm 、炉底钢板45mm 。

综上所述，转炉总高总H ：
总H =1.99+3.19+0.98+(0.35+0.08+0.5+0.045)=7.21 m ；
转炉外壳直径：
壳D =3.38+2×(0.08+0.13+0.05)+0.6+0.55 =5.15 m 。

验算高径比：
15
.521
.7
壳总D H =1.40，符合要求的范围，也与取值相符。

由上述数据可画出转炉炉型图(见附录图1)。

1.3.2支承装置
托圈选取大型转炉剖分式焊接托圈。

其具体尺寸见下表1-5。

表1-5设计中的托圈尺寸
炉壳与托圈的连接选用吊挂式连接装置。

该结构是用螺栓将炉壳吊挂在托圈上，三个螺栓在圆周上呈120 布置，且与焊在托圈盖板上的支座绞接。

耳轴要受多种负荷的作用，必须有足够的强度和刚度。

该处耳轴选用合金钢，且耳轴直径为800mm ，耳轴轴承采用双列向心滚子轴承。

1.3.3 倾动装置
该处转炉采用电动机一齿轮传动方式。

且倾动速度为0.5r/min ，倾动角度为±360 ，无极调速。

2 转炉氧枪设计及相关参数计算
2.1 氧枪喷头尺寸计算
喷头是氧枪的核心部分，其基本功能可以说是一个能量转换器，它将氧管中氧气的高压能转换为动能，并通过氧气射流完成对熔池的作用。

而氧气射流的参数主要由喷头参数所决定。

2.1.1喷头主要参数计算公式
(1) 氧流量计算
氧流量是指单位时间通过氧枪的氧量（Nm 3/min ）。

氧流量的精确计算应根据物料平衡求得。

简单计算氧流量则可用下式：吹氧时间
出钢量
每吨钢耗氧量氧流量⨯=
Nm 3/min
对于普通铁水，每吨钢耗氧量为55～65Nm 3/t ，对于高磷铁水，每吨钢耗氧量为60～69Nm 3/t 。

本设计取65Nm 3/t.(2) 喷头孔数
现代转炉氧枪都用多孔喷头。

一般中、小型转炉用三孔或四孔喷头，大型转炉用五孔或五孔以上的喷头。

(3) 理论计算氧压及喷头出口马赫数M
理论计算氧压（又称设计工况氧压）是指喷头进口处的氧气压强，近似等于滞止氧压0P ，它是喷头设计的重要参数。

喷头出口马赫数M 是喷头设计的另一个重要参数，目前国内外氧枪喷头出口马赫数M 多选用2.0左右。

M 值与滞止氧压0P 和喷头出口压力P 的比值（P/0P ）有确定的对应关系。

如图2-1。

图2-1 M 与Po 、V 之间的关系
表2-1 M 、V 、P
2.1.2 50t 转炉氧枪喷头尺寸计算
公称容量50t 转炉设计氧枪喷头尺寸。

采用普通铁水。

冶炼钢种以碳素结构钢和低合金钢为主。

(1) 计算氧流量
取每吨钢耗氧量为653Nm ,纯吹氧时间为15min ，出钢量按公称容量50t 计算，则通过氧枪的氧流量：
3.23815
55
65=⨯=⨯=
吹氧时间出钢量每吨钢耗氧量Q 3Nm /min (2-1)
(2) 选用喷孔出口马赫数与喷孔数
马赫数确定原则已如前述。

综合考虑，选取马赫数M=2.0。

参照同类转炉氧枪使用情况，对于50t 转炉喷孔数取3孔，能保证氧气流股有一定的冲击面积与冲击深度，熔池内尽快形成乳化区，减少喷溅，提高成渣速度和改善热效率。

(3) 设计工况氧压
根据等熵流表，当M=2.0时,1278.0/=o P P ；取喷头出口压力
MPa P P 101.0==膛（膛P 为炉膛压力，此处按近似等于大气压力计算），则喷
口滞止氧压：MPa P o 790.01278
.0101.0== (2-2)
取设计工况氧压近似等于滞止氧压。

(4) 计算喉口直径
喷头每个喷孔氧气流量：
4.793
3.2383===Q q Nm 3/min (2-3)
由喷管实际氧气流量计算式： 0
0783.1T P
A C q D ⨯=喉，
取95.0=D C ，K T 3000=，又MPa P o 790.0=，代入上式，则
300
10790.04
95.0783.1906
2⨯⨯
⨯
⨯=喉
d π。

由上式可求出 2.36=喉d mm (5) 求喷孔出口直径
根据等熵流表，在M=2.0 时，6875.1/=喉出A A ， 即
2
24
6875.14
喉
出d d π
π
⨯
=，故喷孔出口直径： mm d d 475.386875.16875.1=⨯==喉出 (2-4)
(6) 计算喷孔扩张段长度
取扩张段的半锥角α为3.50,则扩张段长度
mm d d L 4.905.3tan 25.3647tan 2=-=-=
α喉出扩 (2-5)
(7) 确定喷孔喉口直线段长度
喉口直线段的作用是保持喉口直径稳定。

一般取3～10mm 。

在本例中取喉口直线段长度喉L =5mm 。

(8) 喷孔收缩段长度与收缩段进口直径
收缩段长度与收缩段进口直径应该以能使整个喷头布置下三个喷孔为原则，并尽可能使收缩孔大一些。

(9) 确定喷孔倾角β
多孔喷头的各个流股是否发生汇交以效应角θ为界，大于θ则各流股很少汇交，小于θ则必定汇交。

按照经验，喷头倾角β=12.8°～15.4°为宜。

综合考虑取β=15°。

(10) 喷头五喷孔中心分布圆直径
在喷孔倾角β确定以后，喷孔中心分布圆（即喷孔间距）是影响氧射流是否汇交的另一个因素。

从降低氧射流汇交考虑，喷孔中心分布圆大为好，但喷孔中心公布圆要受到喷头尺寸的限制。

综合考虑，取三喷孔中心分布圆直径：mm d 115=
以上面的计算和选定的数据为基础，再结合相关数据与实际情况，可绘制出50t 转炉用氧枪喷头图(见附录图2)。

2.2 50t 转炉氧枪枪身尺寸计算
氧枪枪身由三层无缝钢管套装而成，内层管是氧气通道，内层管与中层管之间是冷却水进水通道，中层管与外层管之间是冷却水出水通道。

参见图2-2。

计算相关公式：
按气体状态方程，标准状态下的流量Q 向工况流量0Q 的换算：
Q T T P P Q 标
标0
00⋅=
（2-6） 式中 标P ——标准大气压，Pa ；
0P ——管内氧气工况压力，Pa ；
标T ——标准温度，273K ；
0T ——管内氧气实际温度（即氧气滞止温度）。

图2-2 氧枪示意图
中心氧管内截面积：
o
V Q
F 01= （2-7）
式中1F ——中心氧管内截面积，m 2；
0Q ——管内氧气工况流量，m 3/s ；
o V ——管内氧气流速，m/s ，一般取40～50m/s 。

将0Q 、o V 代入式（9-7），即可求1F 。

则中心氧管内径
π1
14F d = （2-8）
进水环缝截面积：
进
水V Q F =2 （2-9） 中层管内径：
π
22124F d d +=外 （2-10）
式中 2d ——中层管内径，m ；
外1d ——内层管外径，m ；
2F ——进水环形通道截面（图9-8），m 2；
水Q ——高压冷却水进口流量，m 3/s ；
进V ——高压冷却水进水流速，一般选用5～6m/s 。

2.2.1 中心氧管管径
套用上述公式可得。

按式（9-6），管内氧气工况流量
s m m Q T P T P Q o o
o /56.0min /5.33238273
1090.73001001325.13355==⨯⨯⨯⨯⨯==标标 取中心管内氧气流速s m V /501=，则中心氧管内径： mm m V Q F d o 119119.050
56.0.444
111===⋅==πππ 根据标准热轧无缝钢管产品规格，选取中心钢管为mm 6133⨯φ。

2.2.2 中、外层钢管管径
根据生产实践经验，选取氧枪冷却水耗量h m Q /1203=水；冷却水进水速度
s m V /6=进，出水速度s m V /7=出（因为出水温度升高，体积增大，故
出V >进V ）。

又中心氧管外径mm d 1331=外，则进水环缝截面积2F ：
2226.5500556.03600
6120cm m V Q F ==⨯==进水
出水环缝面积3F ：
2236.4700476.03600
7120cm m V Q F ==⨯==出水
所以，中层钢管的内径：
mm cm d F d 1577.153.136.554)(42212
2==+⨯=+=ππ外
根据标准热轧无缝钢管产品规格选取中层钢管为mm 5159⨯φ。

同理，外层钢管内径：
mm cm d F d 1755.177.156.474)(42223
3==+⨯=+=ππ外
根据标准热轧无缝钢管产品规格选取外层钢管为mm 7180⨯φ。

参考文献
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