设计一座公称容量350t的转炉

设计一座公称容量350t的转炉

1、转炉炉型设计

1.1、炉型设计

氧气顶底复吹转炉呈矮胖型，由于底部要吹气体，故应设置喷口，加之公称容量较大，本设计选用转炉炉型为筒球型。 1.2、主要参数的确定 （1）、炉容比：是指新炉时转炉的炉膛有效容积与公称容量之比。转炉的炉容比一般取0.9～1.05m³/t，本设计取炉容比为0.95m³/t，原因是大炉顶底复吹，可减少喷溅、化渣不利等因素，故选取炉容比较小值。 （2）、高径比：（高宽比）高径比取值范围在1.35～1.65之间，本设计取1.35，原因是同样的供氧强度，使搅拌更充分、反应更快，可缩短吹氧时间，过小会增加吹氧时间。 （3）、熔池直径D：熔池处于平静状态时金属液面的直径。 D=KGt

D—熔池直径，m;

K—系数,见表1；

G—新炉金属装入量，t，取公称容量；

t—平均每炉钢纯吹氧时间，min，见表2；

表1 系数K的取值 转炉容量/t ﹤30 30～100 ﹥100 K 1.85～2.10 1.75～1.85 1.50～1.75 注 大容量取下限，小容量取上限

表2 平均每炉钢纯吹氧时间 转炉容量/t ﹤30 30～100 ﹥100 吹氧时间/min 12～16 14～18 16～20 注 根据不同的冶炼钢种进行取值，本设计取值任意 本设计K取1.5；取20min；G=350t, D=1.5×

35020=6.27m

(4)、熔池深度h：熔池处于平静状态时金属液面到炉底的深度。

V金=G／ρ金=350／6.8=51.5m³ h=(V金+0.046D³)／(0.79D²)

=（51.5+0.046×6.27³）／0.79×6.27 ²

辽宁科技学院课程设计 第2页

=2.02m

（5）、炉帽尺寸的确定：

①炉口直径d0=0.43D=0.43×6.27=2.70m;取值原因：炉口略大可增加进氧量，促进二次燃烧。

②炉帽倾角θ：取θ=60 º；取之原因：可增加出钢时钢液深度，防止下渣。 ③炉帽高度H缝：H缝=1／2（D－d0）tanθ=1／2(6.27－2.70) tan60 º=3.09m; 取H口=400mm，则整个炉帽高度为：H缝+H口=3.09+0.40=3.49m;

炉帽部分容积为：V帽=（π／12）H缝（D ²+Dd0+d0²）+(π／4)d0²H口

=（3.14／12）×3.09×（6.27 ²+6.27×2.70+2.70 ²）+3.14／4×2.70 ²×0.4 =51.37+2.29=53.66m ³;

（6）、炉身高尺寸确定： ①炉堂直径D堂=D；

②根据选定的炉容比为0.95，可求出炉子的总容积为

V总=0.95×350=332.5m ³;

V身=V总﹣V池﹣V帽=332.5﹣51.5﹣53.66=227.34m ³； ③炉身高度H身=V身／（πD ²／4）=227.34／30.86=7.37m； 则炉型内高H内=h+H帽+H身=2.02+3.49+7.37=12.88m； （7）、熔池其他尺寸确定：球冠的弓形高度：

h冠=0.15D=0.15×6.27=0.941m;

炉底球冠的曲率半径：R=0.91D=0.92×6.27=5.71m; （8）、出钢口尺寸的确定： ①出钢口直径dT=631.75T=631.75350=0.26m;

②出钢口衬砖外径dST=6dT=6×0.26=1.56m; ③出钢口长度：LT=7dT=7×0.26=1.82m; ④出钢口倾角β：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，θ一般取15 º～20 º，本设计取β=15 º； 1.3、 底部供气构件的设计 （1）、底气用量：底部供给惰性气体,吹炼期供N2，后期改换为氩气，供气强度在0.03 ～0.12m ³／﹙t •min)范围;

(2)、供气构件：本设计选择砖型供气元件，弥散型透气砖。

2、转炉炉衬设计

2.1、材质的选择

工作层：选具有耐高温、耐渣侵和耐剥落等优良性能的镁碳砖； 永久层：用烧成镁碳砖或高铝砖。 2.2、炉衬的组成和厚度的确定

炉衬一般由永久层，填充层和工作层组成

① 永久层：紧贴炉壳钢板，厚度113～115mm，其作用是保护炉壳钢板，修炉时不拆除。

② 填充层：介于永久层和工作层之间，用焦油镁砂捣打而成，厚度一般80～100mm，作用是减轻工作层受热膨胀是对炉壳钢板的挤压作用。

③ 工作层：厚度400～800mm，被侵蚀损坏后（或余厚约100mm左右）就要更换

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炉衬. 炉帽 炉身 炉底 永久层厚度：180mm 永久层厚度：115mm 永久层厚度：450mm 工作层厚度：650mm 工作层厚度：850mm 工作层厚度：750mm 3、转炉炉体金属构件设计

3.1、炉壳

炉身总厚度=850+115+100=1065mm=1.065m 炉壳内径为D壳内=6.27+1.065×2=8.40m 炉底砖衬厚度=750+450=1200mm=1.20m 故炉壳内型高度H壳内=1.2+12.88=14.08m

炉身部分选75厚的钢板，炉帽和炉底部分选65厚的钢板 则：H总=14080+65=14145mm=14.145m D壳=8400+2×75=8550mm=8.55m

验算高径比：H总／D壳=14.145／8.55=1.65＞1.35，符合高径比推荐值，因此认为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。 3.2、支承装置

转炉支承装置包括托圈部件，炉体和托圈的连接装置，支持托圈部件的轴承和轴承座。

托圈选取大型转炉部分式焊接托圈 断面形状 断面高度／mm 断面宽度／mm 盖板厚度／mm 腹板厚度／mm 矩形 2500 835 150 70 炉体与托圈的连接选用支撑夹持器，它的基本结构是沿炉壳圆周固接着若干组上、下托架，并用它们夹住托圈的顶面和底部，通过接触面把炉体负荷传给托圈，当炉壳和托圈由于温差而出现不同热变形位移量时，可自由地沿其接触面相对位移。

耳轴：转炉和托圈的全部载荷都通过耳轴经轴承座传给地基，故耳轴应有足够的强度和刚度，耳轴选用钢锻件且直径为1200mm。

耳轴轴承：选用抗摩擦球面滚柱轴承。 3.3、转炉重心计算 3.3.1、空炉重心计算 （1）、计算方法：将整个转炉按不同的几何形状分解成若干个单元体，分别计算出它们的体积和重心，然后根据合力矩整理进行合成，计算出整个空炉重心位置。 （2）、计算步骤：

①建立一个坐标系，把坐标原点设在炉底外壳的表面上，取炉子的垂直中心线为轴，空炉重心分布在轴上，重心的x坐标为零，整个空炉没有对y轴的力矩。

②内衬重心的计算：炉帽衬砖可以按照大截锥－小截锥－圆柱体的方式分解 即：V帽衬=V大锥－V小锥－V柱

炉帽衬砖质量为：G帽衬=G大锥－G小锥－G柱

=V大锥ρ大锥－V小锥ρ小锥－V柱ρ柱 =ρ衬（V大锥－V帽） D帽=（180+650）×2＋d0=4.36m

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V大锥=π／12·H帽（D壳内²+D壳内D帽+D帽²）

=π／12×3.49×（8.40 ² +8.40×4.36+4.36 ²） =115.24m ³

y大锥=h0+H帽／4×（D壳内²+2D帽D壳内+3D帽²）／（D壳内²+D帽²+

D壳内D帽）

=14.145－3.49+3.49／4×（8.4 ²+2×8.4×4.36+3×4.36 ²）／（8.4

²+4.36 ²+8.4×4.36）

=12.04m

y小锥=h0+H缝／4 （D ²+2Dd0+3d0 ²）／(D ²+d0 ²+Dd0)

=14.145－3.49+3.09／4×(6.27 ²+2×6.27×2.7+3×2.7 ²)／（6.27

²+2.7 ²+6.27×2.7）

=11.81m

y柱=h0+h缝+0.5H口=14.145－3.49+3.09+0.5×0.4=13.945m Y帽衬=（G大锥y大锥－G小锥y小锥－G柱y柱）／G帽衬 =（V大锥y大锥－V小锥y小锥－V柱y柱）／V帽衬

=(115.24×12.04－51.37×11.81－2.29×13.945) ／(115.24－

53.66)

=12.16m G球冠衬=G大冠-G小冠

=大冠V大冠小冠V小冠

（V大冠V小冠） =衬

V大冠=6.914.76922（6.91x)dx

=6.912(6.914.769)=89.19m3 V小冠=5.714.7693(6.914.769)

33(5.71x)dx5.71(5.714.769)3D1.065)1.64m1.265382223(5.714.769)15.00m333

Y大冠=0.065+( Y小冠=1.2658382D2

3.1352.44mY球冠衬=（G大冠Y大冠-G小冠Y小冠）/G球冠衬 =（V大冠Y大冠-V小冠Y小冠）/V球冠衬

=（89.19×1.64－15×2.44）/（89.19－15） =1.48m

Y衬=(G帽衬y帽衬+G柱衬y柱衬+G球冠衬y球冠) ／G衬 =（V帽衬Y帽衬+V柱衬Y柱衬+V球冠衬Y球冠）／V衬

V柱衬=π／4×8.449×（8.4 ²－6.27 ²）=207.245m ³ V球冠衬=V大冠－V小冠=89.19－15=74.19m ³

Y衬=（61.58×12.16+207.245×6.431+74.19×1.48）／

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（61.58+74.19+207.245）

=6.39m ④ 外壳重心计算 V帽壳=V大壳－V小壳

炉帽壳质量为：G帽壳=G大壳－G小壳

=V大壳ρ大壳－V小壳ρ小壳 =ρ钢（V大壳－V小壳）

V大壳=π／12×H帽（D壳²+D壳d壳+d壳²） d壳=D帽+0.065×2=4.49m =3.14／12×3.49×（8.55 ²+8.55×4.49+4.49 ²） =120.23m ³

V小壳=V大锥=115.23m ³

Y帽壳=（G大壳y大壳－G小壳y小壳）／G帽壳 y小壳=y大锥=12.04m

y大壳=h0+H帽／4（D壳+2D壳d壳+3d壳²）／（D壳²+d壳²+D壳d壳）

=14.145－3.49+3.49／4×(8.55 ²+2×8.55×4.49+3×4.49²)／(8.55 ²

+4.49²+4.49×8.55)

=12.05m

Y帽壳=（V大壳y大壳－V小壳y小壳）／V帽壳

=（120.23×12.05－115.24×12.04）／（120.23－115.24） =12.28m

Y柱壳=Y柱衬=6.431m

（V大壳V小壳） G球冠壳=G大壳-G小壳=大壳V大壳小壳V小壳钢V大壳=6.974.769（6.9753

2x)dx6.975(6.9754.769)223(6.97534.769)

3 =95.36m

V小壳=V大冠=89.19m3 Y大壳=(83D21.0650.075)1.60m

Y小壳=Y大冠=1.64m

Y球冠壳=（G大壳Y大壳-G小壳Y小壳）/G球冠壳 =（V大壳Y大壳-V小壳Y小壳）/V球冠壳

=（95.36×1.6－89.19×1.64）/（95.36－89.19） =1.02m

y壳=(G帽壳Y帽壳+G柱壳Y柱壳+G球冠壳Y球冠壳) ／G壳 =(V帽壳Y帽壳+V柱壳Y柱壳+V球冠壳Y球冠壳) ／V壳

V柱壳=π／4×8.449×（8.55²－8.4²）=16.86m³

3

V球冠壳=V大壳-V小壳=95.36－89.19=6.17m

y壳=[(120.23－115.24) ×12.28＋16.86×6.431+6.17×1.02] ／(120.23

－115.24+16.86+6.17) =6.28m

y=(G衬y衬+G壳y壳) ／(G衬+G壳)

=(V衬ρ衬y衬+V壳ρ壳y壳) ／(V衬ρ衬+V壳ρ壳)

=（4343.015×2.9×6.39+28.02×7.8×6.28）／（343.015×2.9+28.02×

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7.8） =6.37m

故空炉重心在炉中心线高6.37m处。故根据经验值预设耳轴位置应在空炉重心100mm之内以上，本设计选100mm，即耳轴位置选为高6.47m

3.3.2、铁水重心计算

铁水可分解为圆柱和球冠体两部分 Y圆柱=炉底厚度+h冠+1／2(h－h冠)

=1.265+0.941+1／2(2.02－0.941) =2.75m

Y球冠=炉底厚度+D/2×3/8=1.265+1.176=2.44m V圆柱=（π／4）（h－h冠）·D²

=（π／4）(2.02－0.941) ×6.27² =33.30m³ V球冠=15.00m³

y铁=(G圆柱y圆柱+G球冠Y球冠) ／G铁 =(V圆柱y圆柱+V球冠y球冠) ／V铁

=（33.3×2.75+15.00×2.44）／（33.3+15.00） =2.65m

y总=(G铁y铁+G衬y衬+G壳y壳) ／(G铁+G衬+G壳)

=(V铁ρ铁y铁+V衬ρ衬y衬+V壳ρ壳y壳) ／(V铁ρ铁+V衬ρ衬+V壳ρ壳) =（48.30×6.8×2.65+343.015×2.9×6.39+28.02×7.8×6.28）／（48.30×6.8+343.015×2.9+28.02×7.8） =5.58m

3.4、倾动装置

倾动装置选用全悬挂式：结构紧凑，质量轻，占地面积小，运转安全可靠，工作性能好。

4、转炉氧枪设计及相关参数计算

4.1、氧流量计算

氧流量qV:指单位时间通过氧枪的氧量，m ³／min。 氧流量=（吨钢耗氧量×岀钢量）／吹氧时间

对普通铁水，每吨钢耗氧量为50 ~57m ³／t，对于高磷铁水，每吨钢耗氧量为62 ~69m ³／t. 4.2、喷头孔数

中小型孔数大部分使用三孔喷头，大中型转炉也有使用四孔以上喷头的。 4.3、理论计算氧压及喷头出口马赫数M

马赫数和出口速度、滞止氧压之间关系 M T出／K α出／（m／s） v出／（m／s） P0／MPa 1.5 200 270 405 0.371 2.0 161 242 485 0.790 2.5 129 216 542 1.726 3.0 104 195 582 3.711 4.4、350t转炉氧枪喷头尺寸计算

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（1）、计算氧流量

取每吨钢耗氧量为57m ³／min，春吹氧时间为20min，岀钢量取公称容量350t

则： Q=（每吨钢耗氧量×岀钢量）／吹氧时间

=（57×350）／20 =997.5m ³／t

(2)、出口马赫数与喷孔数

选取马赫数M=2.0 喷孔数选为五孔喷头。 （3）、工况氧压

根据等熵流表，当M=2.0时，喷口滞止氧压为：

P0=0.101／0.1278=0.790MPa

取工况氧压近似等于滞止氧压。 （4）、喉口直径

根据等熵流动导出的喷管流量公式： 氧气质量流量

(K+1) ／(K－1)

qm={（K／R）·[2／(K+1)]} ½ (ATP0) ／T0 ½ K—比热比，双原子气体K=1.4；

R—气体常数，氧气R=259.78J／(kg·K)； P0—氧气的滞止压力，Pa； AT—喉口面积，m ²；

将K=1.4 R=259.78J／(kg·K) P0=0.790MPa T0=300K代入公式： 997.5／5=1.784×（AT·0.790×106）／300 ½ ① AT=0.25πdT ² ② 将②代入①得：dT=55.9mm (5)、喷孔出口直径

查等熵流表得：A／A0=1.688

则A出=(A／A0) ·AT d出=

AA04*A出π

d出=·dT=1.688×55.9=72.36mm

(6)、喷孔扩张段长度

扩张半角在4º~6º，可保证气流不脱离孔壁，本设计选用6º。则扩张段长度为

L扩=（d出－dT）／（2tanα）=(72.63－55.9) ／[2tan(6º)]=79.67mm (7)、喷孔喉口直线段长度

取喉口长度LT=20mm

(8)、喷孔收缩段长度与其进口直径

却收缩角α收=60º，则收缩半角为30º； 收缩段长度由作图法确定 L收= （9）、喷孔倾角β

按经验喷头倾角β=12.8º~15.4º为宜，综合考虑取β=12.8º。（10）、喷头

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与喷孔中心分布圆直径

4.5、350t转炉氧枪枪身尺寸计算 （1）、中心氧管管径：v0取值在40~50m／s,本设计取v0=50m／s,

计算公式：A0=qv工／v0

qv工=P标／P0·T0／T标·qv

P标—标准大气压，1kgf∕cm²；

P0—管内氧气的实际压力，kgf／cm²,用P≈p0； T标—标准温度，273K；

T0—管内氧气的实际温度，K； A0—中心氧管的内截面积，m²；

qv工—管内氧气的工况体积流量，m³／s； v0—管内氧气的流速，m／s。

55

qv工=(1.01325×10×300×997.5) ／(7.9×10×273)

=140.59m³／min=2.34m³／s

d1=

4A0π=

4qv工πv0=

2.34*450*3.14=0.244m=244mm

中心氧管壁厚取：6mm, d1′=244+2×6=256mm≈260mm （2）、中外层钢管管径 计算公式： Aj=qvW／vj

Aj=[π(d22－d1′2)] ／4

Aj—内套间隙面积，m²； qvW—冷却水流量，m³／s；

vj—冷却水进水速度，一般为5~6m／s，本设计取6 m／s。 转炉容30 50 120 150 200 250 量／t qvW／(m60 70 120 150 200 250 ³／h) d2=

4qvWvjπ*d12’300 250 300 ~ =0.289m=289mm

中层套管壁厚选5mm, d2′=289+2×5=299mm≈300mm

AP=qvW／vP d3=

d3'24APπ

AP—外套间隙面积；

vP—回水速度，一般取6 ~7m／s,本设计取7m／s。

d3=0.323m=323mm

外层套管壁厚选10mm,d3′=323+10×2=343mm≈350mm

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