年产320万吨合格铸坯的转炉炼钢车间工艺设计毕业设计.doc

西安建筑科技大学
本科毕业设计（论文）任务书

题 目：
年产320万吨合格铸坯的转炉炼钢车间工艺设计
院（系）：

专 业：

学生姓名：

学 号：

指导教师（签名）：

主管院长（主任）（签名）：

时 间：

一、毕业设计（论文）的主要内容（含主要技术参数）
设计题目：年产320万吨合格铸坯的转炉炼钢车间工艺设计
钢种： 普碳钢、低合金钢、优质碳素结构钢、弹簧钢
规格： 方坯 板坯
包括转炉容量和座数的选择确定；转炉炉型设计；氧枪设计；炉外处理、连铸机以及除尘系统的设计与选择；炼钢过程物料平衡和热量平衡计算；转炉车间生产工艺设计和布置；车间主要设备选择和车间平面设计以及总图运输方案的确定。
进行毕业实习，收集有关资料；编制设计说明书一份，完成专题部分，翻译冶金专业相关外文文献一篇，绘制转炉炉型图、车间平面图和剖面图各一张，使学生能够理论联系实际，掌握转炉炼钢车间设计的基本原理，为今后从事相关的技术工作奠定基础。
二、毕业设计（论文）题目应完成的工作（含图纸数量）
1. 根据设计题目完成毕业实习并收集有关资料，进行技术准备；
2. 炼钢厂车间总体设计；
3. 转炉炉型设计；
4. 物料平衡与热平衡计算；
5. 生产工艺设计；
6. 车间工艺布置；
7. 车间主要设备选择；
8. 生产组织与人员编制；
9. 主要技术经济指标；
10. 绘制设计图纸三张（其中至少手绘一张）：转炉炉型图、车间平面图、剖面图各一张；
11. 翻译与冶金工程专业有关的外文文献一篇（不少于4000字）；
12. 完成专题：含钛高炉渣的利用（不少于5000字）；
13. 完成设计说明书一本。
三、毕业设计（论文）进程的安排
序号
设计（论文）各阶段任务
日 期
备 注
1
毕业实习、收集资料
2012.2.27-3.23

2
设计相关计算
3.24－4.6

3
炉型、工艺、主设备设计和选择
4.7－5.9

4
车间布置
5.10－5.16

5
制图与翻译
5.17－5.30

6
编制设计说明书
5.31－6.7

7
准备答辩
6.8－6.14

四、主要参考资料及文献阅读任务（含外文阅读翻译任务）
[1]《钢铁生产工艺概述》 西安建筑科技大学
[2]《钢铁冶金学》（炼钢部分） 陈家祥编 冶金工业出版社 1990
[3]《炼钢工艺学》 高泽平编 冶金工业出版社 2006
[4]《钢铁厂设计原理》（下册） 李传薪编 冶金工业出版社 1995
[5]《普通冶金》 西安建筑科技大学 2002
[6]《炼钢设计原理》 冯聚和编 化学工业出版社 2005
[7]《毕业设计参考资料》 钢铁冶金专业 西安建筑科技大学
[8]《金属提取冶金学》 王成刚，王齐铭主编 西安地图出版社 2000
[9]《现代转炉炼钢》 戴云阁等编 东北大学出版社 1998
[10] 与专题有关的最新文献
五、审核批准意见

教研室主任签（章）

第 80 页

年产320万吨合格铸坯的转炉炼钢车间工艺设计
设计总说明
本设计根据设计任务书的要求，结合所学专业理论知识，对炼钢厂从原料供给到炼钢过程，最后到连铸出坯等流程进行了全面的设计。根据生产钢种及车间规模，选择的工艺流程是：BOF-LF-CC。设计以炼钢车间为主体，并重点针对顶底复吹转炉。在转炉物料平衡和热平衡计算的基础上，对炼钢车间的主要设备型号及参数进行了选择和设计，对车间人员编制及技术经济指标进行了计算，并且完成了主体设备选择、炼钢工艺设计、主厂房工艺布置和设备布置工作。编写说明书一份，绘制转炉炉型图、车间平面图和剖面图各一张，完成专题写作及外文翻译。

关键词：转炉炼钢车间；工艺设计；物料平衡及热平衡计算；炉外精炼；连铸

Designing of the BOF Steelmaking Processing for the Annual Output of 3.2Million-ton Slab
According to the design requirements of the mission statement， combined with the theoretical knowledge， from raw material supply to the steel making process， a slab continuous casting processing was designed. The processing is BOF-LF-CC. The steel-making plant is the main design project， the top and bottom blowing converter was selected. Based on the converter material balance and heat balance calculation， we completed the main equipment for steel-making plant selection and design parameters， and the completion of the main equipment selection， the design of steel-making process. Furthermore， the technical economy parameters was calculated， the main process plant layout and equipment layout were designed. Prepared a manual， drawing a converter furnace map， areal workshop and section plane blueprint .Translated a English paper into Chinese.

Key words: BOF steel-making workshop；processing designing；converter material balance and heat balance calculation；Secondary refining；casting

目录
1炼钢车间设计方案 1
1.1主要钢种及产品方案 1
1.2工艺流程 1
1.3 转炉车间组成及生产能力的确定 2
1.3.1车间组成 2
1.3.2转炉车间生产能力的确定 2
1.4 主厂房工艺布置 3
1.4.1原料跨间布置 3
1.4.2炉子跨的布置 3
1.4.3精炼跨的布置 3
1.4.4浇注跨的布置 4
1.5 原材料方案设计 4
1.5.1金属料 4
1.5.2散状材料 5
2物料平衡与热平衡 5
2.1物料平衡 5
2.1.1计算原始数据 5
2.1.2物料平衡基本项目 7
2.1.3计算步骤 7
2.2热平衡计算 15
2.2.1计算原始数据 15
2.2.2计算步骤 16
3顶底复吹转炉设计 20
3.1炉型设计 20
3.1.1炉型选择 20
3.1.2主要参数的确定。 20
3.2炉底供气构件的设计 23
3.3 转炉炉体金属构件设计 23
3.4 氧枪设计 24
3.5 氧枪装置与副枪 27
4烟气净化系统 28
4.1烟气量的计算 28
4.1.1最大炉气量qv0 28
4.1.2烟气量qv 28
4.1.3烟气成分 29
4.1.4煤气浓度修正 29
4.1.5回收煤气量的计算 29
4.2.6烟气净化系统类型的选择 29
4.3烟气净化系统主要设备的选择 30
4.3.1烟气收集设备-烟罩 30
4.3.2烟气冷却设备 30
4.3.3除尘设备 30
4.3.4脱水设备 31
4.3.5抽气设备 31
4.4含尘污水处理 31
5 转炉炼钢的生产工艺设计 32
5.1 炼钢用原材料 32
5.1.1金属料 32
5.1.2非金属料 34
5.2装料制度 35
5.2.1装料次序 35
5.2.2装入量 35
5.2.3装入量方法 36
5.2.4装料操作 36
5.3供氧制度 36
5.3.1氧枪 36
5.3.2供氧操作 37
5.4造渣制度 38
5.4.1炉渣碱度的控制与石灰加入量的确定 38
5.4.2炉渣粘度的控制 39
5.4.3炉渣氧化性的控制 39
5.4.4泡沫渣及其控制 40
5.4.5放渣及留渣操作 40
5.5温度制度 40
5.5.1出钢温度的确定 40
5.5.2冷却剂及其加入量的确定 41
5.6终点控制和出钢 42
5.7精炼工艺 42
5.8连铸工艺 43
5.8.1钢水准备 43
5.8.2连铸工艺 43
6车间主要设备的选择 45
6.1原料跨 45
6.1.1金属料供应及设备 45
6.1.2散装料供应及设备 47
6.2转炉跨 49
6.2.1钢包需要量计算 49
6.2.2渣罐和渣罐车数量的确定 49
6.3精炼设备 50
6.4连铸跨 50
6.4.1板坯的生产 50
6.4.2方坯的生产 53
6.4.3其他工艺参数及设备的确定 54
6.5制氧机的选择 57
7主厂房工艺布置 59
7.1原料跨跨间布置 59
7.2转炉跨间的布置 60
7.3精炼设备的布置 66
7.4连铸设备的布置 66
8 炼钢车间人员编制 69
9 炼钢车间经济指标 73
参考文献 74
致谢 75
专题 76

1炼钢车间设计方案
根据设计任务书的要求及各种设计条件提出初步设计思路，这是对设计工作一个框架式的设定。方案的确定要求设计合理，能顺利生产。
1.1主要钢种及产品方案
本设计主要生产普碳钢、低合金钢，优质碳素结构钢，弹簧钢，也可根据市场的要求进行灵活调整。根据毕业设计任务书中年产320万吨铸坯的要求，确定其产品大纲。见表1-1。
表1-1 产品大纲
钢种
代表型号
年产钢量
所占比例
铸坯断面
长×宽
定长尺寸
普碳钢
Q235A
60万吨
18.7%
150×150mm
9000mm
低合金钢
Q295
60万吨
18.7%
150×150mm
9000mm
优质碳素结
构钢
20Mn
100万吨
31.25%
180×1000mm
9000mm
弹簧钢
65Mn
100万吨
31.25%
220×220mm
9000mm
1.2工艺流程
根据设计任务书的要求以及现代转炉炼钢的发展趋势，确定本设计方案其基本的工艺流程（图1-1）。

图1-1炼钢车间工艺流程
1.3 转炉车间组成及生产能力的确定
1.3.1车间组成
现代氧气转炉炼钢车间由以下各部分组成：铁水预处理站及铁水倒罐站；废钢堆场与配料间；主厂房（包括炉子跨、原料跨、炉外精炼及钢包装运跨、浇注系统各跨间）；铁合金仓库及散状原料储运设施；渣场；耐火材料仓库；烟气净化设施及煤气回收设施；水处理设施；分析、检测及计算机监控设施；备品备件库、机修间、生产必需的生活福利设施；水、电、气（氧、氩、氮、压缩空气）等的供应设施。
1.3.2转炉车间生产能力的确定
（1）转炉容量及座数。
根据年产320万吨生产能力的要求，冶炼周期取40min，供氧时间为16min。采用2吹2制度，故转炉公称容量G=3200000/[365×(1440/40)×2]=122t，因此采取2座150t 转炉。
表1-2 平均每炉钢冶炼时间推荐值
转炉容量（t）
<30
30～100
>100
备注
冶炼时间
28～32
32～38
38～45
结合供氧强度，铁水成分和所炼钢种具体确定
吹氧时间
12～16
14～18
16～20

（2）计算年出钢炉数。每一转炉的年出钢炉数N为：
N=
=
=11169炉/年
式中：T1——每炉钢的平均冶炼时间，40min/炉；
1440——一天的时间，min/d；
365——一年的日历天数，d/a；
η——转炉作业率，取85%。
车间年产钢水量=nNq=2×11169×150=3350700(t)
炉外精炼收得率取：99% 连铸收得率：98%
所以年产铸坯量=3350700×99%×98%=3250849t>3200000t，则该车间年产合格钢坯量可以满足设计需求。
1.4 主厂房工艺布置
氧气转炉炼钢车间的主体部分是主厂房，包括原料跨、炉子跨和浇注跨三大跨间。为了使各种物流运行顺向，将原料跨和浇注跨布置在炉子跨的两侧。
1.4.1原料跨间布置
原料跨内主要完成兑铁水、加废钢和转炉炉前的工艺操作。其两端分别布置铁水和废钢工段，采用混铁车运输铁水。
其中布置铁水预处理站、铁水倒罐站。铁水预处理采取三站工作制，脱硫预处理站→脱硅预处理站→脱磷预处理站。由于脱硫的条件和脱硅脱磷不一样，考虑到工艺的顺畅，故将脱硫处理布置在铁水预处理第一站，由于脱磷要求硅含量低于0.15%，因此将脱硅预处理置于脱磷之前。铁水预处理站内设置两条运输线和与其垂直的受铁坑（铁水坑位于铁水线下面），一个受铁坑有两个铁水转注位置。
铁水预处理采用喷粉处理工艺，喷吹石灰粉配加石灰石粉及石灰系脱磷剂，预处理后采用机械扒渣。在原料跨的一端设废钢工段供应废钢，用电磁吊车装入废钢料斗，称量后待用。
1.4.2炉子跨的布置
炉子跨是车间中厂房最高，建筑结构最复杂和单位投资最多的跨间。很多重要的生产设备与辅助设备都布置在这里，其中包括转炉，转炉倾动系统，散装料供应系统和加料、供氧系统，底吹气系统，烟气净化系统，出渣、出钢设施，拆修炉设备。
炉子跨采用横向布置。烟道和烟罩皆沿跨间朝炉后弯曲，一是便于氧枪和副枪穿过烟罩插入转炉内，二是有一个连续的更换氧枪的通道，换枪方便。
散装料的各个高位料仓沿炉子跨纵向布置，在其顶部有分配皮带机通过，高位料仓布置在紧靠烟道的后面，这样烟道倾角较大，不易积灰。
转炉烟气净化采用湿法文氏管洗涤器，布置在炉子跨内。
转炉修炉方法采用上修法，烟罩下部可侧向移动。
1.4.3精炼跨的布置
由于产品大纲要求，本设计的精炼工艺流程为：转炉—LF炉。LF主要起脱氧、脱硫及调温调整成份作用，提高连铸率和钢水收得率。
1.4.4浇注跨的布置
本设计采取全连铸工艺，在连铸跨内安放中间包、结晶器、二冷段、拉矫机。在出坯跨中设置毛刺喷印设备、在线监控和检测设备、废坯清除、精整设备和铸坯热运输设备。这种布置简化了工艺流程和运输组织，占地少，机械化和自动化程度高，有利于实现铸坯直接热送、热装及连铸连轧。连铸设备采用横向布置，钢水运送距离短、物料流程合理，便于增加和扩大连铸机的生产能力，把不同的作业分开，各项操作互不干扰，适于全连铸车间。
连铸车间工艺布置的原则是：钢水供应方便，重视中间包拆卸、修砌和烘烤，以及对结晶器和二冷扇形段的更换、对弧等设备设置专门工作区，留有适当的铸坯精整区域，采用计算机技术等。
1.5 原材料方案设计
1.5.1金属料
（1）铁水
铁水是转炉的主要金属原料，占金属料装入量的70%～100%，为了保证冶炼过程顺利，铁水必须满足要求。转炉通常要求铁水温度必须大于1350℃，硅是铁水中主要发热元素之一，生成的SiO2是渣中的酸性成分。转炉铁水含硅量以在0.3%～0.8%为宜，前后波动应为0.15%。锰是钢中有益元素，锰可加速石灰熔化，提高终点钢水残锰量和提高脱硫效果，通常含量在0.5% 左右。磷是高炉中不能去除的元素，各种碱性炼钢法都能脱磷，但转炉的冶炼要求尽量有稳定的含磷量，以稳定转炉的吹炼制度。硫在大多数钢种是有害元素，在氧化性气氛下，采用双渣、换渣或大渣量，可以脱除较多的硫，硫含量通常小于0.5%。
（2）废钢
氧气转炉用铁水炼钢因热量富余故可加入10%～30%的废钢，作为调正吹炼温度的冷却剂，采用废钢冷却可降低转炉的钢铁料、造渣料和氧气的消耗。对外形尺寸和单重过大的废钢，应预先进行解体和切割、不装伤炉衬和加速熔化。对轻薄料应打包或压块，以缩短装料时间，块度最长≤0.5m，最大重量≤100kg，最大面积≤0.15m2。
（3）铁合金
炼钢生产中广泛使用各种脱氧合金化元素与铁的合金，铁合金必须加工成一定块度使用，并要数量准，成分明，干燥纯净，不混料，在保证钢质量的前提下，选用适当牌号铁合金，对熔点较低和易氧化的合金，可在低温（200℃）下烘烤。熔点高和不易氧化的合金应在高温（＞800℃）下烘烤并要保证足够的时间。
1.5.2散状材料
（1）石灰
石灰是碱性炼钢法的基本造渣材料，对石灰化学成分的要求是CaO含量应高而SiO2和S的含量应尽可能低，把灼减控制在4%～70%，块度一般以5～40mm为宜石灰质量要求：CaO≥90%，SiO2≤3%，S≤0.1%，过烧率≤14%。
（2）萤石
萤石能使CaO和阻碍石灰熔解的2CaO·SiO2外壳的熔点显著降低，加速石灰熔解，迅速改善炉渣流动性。对萤石的成分要求CaF2高，硫成分和水分要低。其块度一般为5～40mm。
（3）生白云石
其主要成分是CaCO3·MgCO3，用白云石造渣可使渣中保持一定量的MgO以减少炉渣对炉衬的倾蚀，对白云石的要求，一般为MgO＞20%，块度为5～40mm
（4）其他
合成渣料采用FexOy或CaF2或MgO作熔剂与石灰制成的复合渣料，氧气要求纯度大于99.5%，铁矿石要求是Fe2O3或Fe3O4含量高的富矿，增碳剂含量应大95%，粒度适中。

2物料平衡与热平衡
2.1物料平衡
2.1.1计算原始数据
基本数据有冶炼钢种及其成分，金属料—铁水和废钢的成分。终点钢水成分（表2-1）造渣用溶剂及炉衬等原材料的成分（表2-2），脱氧和合金化用铁合金的成分及其回收率（表2-3）其它工艺参数（表2-4）。
表2-1 钢种、铁水、废钢、和终点钢水的成分设定值（质量百分数）
成
分
类
别

C
Si
Mn
P
S
20Mn
0.20
0.30
0.80
≤0.035
≤0.035
铁水设定值
4.20
0.80
0.60
0.200
0.035
废钢设定值
0.20
0.30
0.80
0.030
0.030
终点钢水设定值(1)
0.10
痕迹
0.18
0.020
0.021
(1) [C］和［Si］按实际生产情况选取 ［Mn］、［P］、［S］分别按铁水中相应成分含量的30%、10%、和60% 留在钢水中设定。
注： 本计算设定的冶炼钢种为20Mn
表2-2 原材料成分（质量百分数）

成分
类别
CaO
SiO2
MGO
Al2O3
Fe2O3
CaF2
P2O5
S
CO2
H2O
C
灰分
挥发分
石灰
88.0
2.50
2.60
1.50
0.50

0.10
0.06
4.64
0.10

萤石
0.30
5.50
0.60
1.60
1.50
88.0
0.90
0.10

1.50

白云石
36.40
0.80
25.60
1.00

36.2

炉衬
1.20
3.00
78.80
1.40
1.60

14

焦炭

0.58
81.5
12.4
5.52

表2-3 铁合金成分（分子）及其回收率（分母）
成
分
类
别

C
Si
Mn
Al
P
S
Fe
硅铁
—
73.00/75
0.50/80
2.50/0
0.05/100
0.03/100
23.92/100
锰铁
6.60/90(1)
0.50/75
67.80/80
—
0.23/100
0.13/100
24.74/100
(1) 10%C与氧生成CO2
表2-4 其它工艺参数设定值
名称
参数
名称
参数
终渣碱度

萤石加入量

生白云石加入量

炉衬蚀损量
终渣∑（FeO）含量
按（FeO=1.35(Fe2O3)折算

烟尘量

喷溅铁损
%CaO/%SiO2=3.5

为铁水量的0.5%

为铁水量的2.5%

为铁水量的0.3%
15%，而（Fe2O3）/ ∑（FeO）=1/3，即（Fe2O3）=5%，（FeO）=8.25%
为铁水量的1.5%（其中FeO为75%，为20%）
为铁水量的1%
渣中铁损（铁珠）
氧气纯度
炉气中的自由氧量
气化去硫量
金属中[C]的氧化产物

废钢量

为渣量的6%
99%，余者为N2
0.5%（体积比）
占总去硫量的1/3
90%C氧化成CO，10%氧化成CO2

由热平衡计算确定

2.1.2物料平衡基本项目
收入项 支出项
铁水 钢水
废钢 炉渣
熔剂（石灰、萤石、轻烧白云石） 烟尘
氧气 渣中铁珠
炉衬蚀损 炉气
铁合金 喷溅
2.1.3计算步骤
（1）计算脱氧合金化前的总渣量及其成。
总渣量包括铁水中元素的氧化、炉衬蚀损和加入熔剂的成渣量。其各项成渣量分别列于表2-5～2-7.总渣量及其成分如表2-8.
表2-5 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
C
[C]-{CO}
[C]-{CO2}
4.10×90%=3.690
4.10×10%=0.410
4.920
1.090
8.610
1.500

Si
[Si]-(SiO2)
0.800
0.910
1.710
入渣
Mn
[Mn]-(MnO)
0.420
0.120
0.540
入渣
P
[P]-(P2O5)
0.180
0.230
0.410
入渣
S
[S]-{SO2}
[S]+(CaO)=(CaS)+(O)
0.014×1/3=0.005
0.014×2/3=0.009
0.005
-0.005(1)
0.010
0.021（CaS）
入渣
Fe
[Fe]-(FeO]
[Fe]-(Fe2O3]
1.076×56/72=0.837
0.606×112/160=0.424
0.239
0.182
1.076
0.606
入渣
入渣
合计
6.775
7.691

成渣量

4.343
入渣组分之和
(1) CaO还原出来的氧量：消耗的CaO量为：0.009×56/32=0.016kg
表2-6 炉衬蚀损成渣量
炉衬蚀损量（kg）
成渣组分（kg）
气态产物
耗氧量(kg)
CaO
SiO2
MgO
Al2O3
Fe2O3
C-CO
C-CO2
C-CO，CO2

0.3(据表2-4)

0.004

0.009

0.236

0.004

0.005

0.3×14％×90％×28/12=0.088
0.3×14％×10％×44/12＝0.015
0.3×14％（90％×16/12+10％×32/12）＝0.062
合计
0.258
0.103

表2-7加入熔剂的成渣量
类别
加入量（kg）
成渣组分（kg）
气态产物（kg）
CaO
MgO
SiO2
Al2O3
Fe2O3
P2O5
CaS
CaF2
H2O
CO2
O2
萤石
0.5（据表2-4）
0.002
0.003
0.028
0.008
0.008
0.005
0.001
0.440
0.005

生白云石
2.5（据表2-4）
0.910
0.640
0.020
0.025

0.905

石灰
6.67(1)
5.863(2)
0.173
0.167
0.100
0.033
0.007
0.009

0.007
0.309
0.002(3)
合计

6.775
0.816
0.215
0.133
0.041
0.012
0.010
0.440
0.012
1.214
0.002
成渣量
8.442

(1) 石灰加入量计算如下： 渣中已含（CaO）＝—0.016+0.004+0.002+0.910＝0.900kg
渣中已含（SiO2）＝1.710+0.009+0.028+0.020＝1.767kg。因设定的终渣碱度R=3.5，故石灰加入量为
[RΣ(SiO2)-Σ(CaO)]/(%CaO石灰-R×%SiO2石灰)=6.67kg
(2) 为（石灰中CaO含量）-（石灰中S→CaS自耗CaO的量）
(3) 为CaO还原出的氧量： 6.67×0.06％×32/56＝0.002
表2-8总渣量及其成分（kg）
炉渣成分
CaO
SiO2
MgO
Al2O3
MnO
FeO
Fe2O3
CaF2
P2O5
CaS
合计
元素氧化成渣量kg

1.710

0.540

1.076(2)

0.606(3)

0.410

0.021

4.343
石灰成渣量kg

5.863

0.167

0.173

0.100

0.033

0.007

0.009

6.352
炉衬蚀损成渣量kg

0.004

0.009

0.236

0.004

0.005

0.258
生白云石成渣量kg

0.910

0.020

0.640

0.025

1.595
萤石成渣量kg

0.002

0.028

0.003

0.008

0.008

0.440

0.005

0.001

0.495
总渣量kg

6.779

1.934

1.052

0.137

0.540

1.076

0.652

0.440

0.422

0.031

13.043(1)
％
5