一、概述氧氣轉爐煉鋼在大型的鋼鐵企業中處于整個鋼鐵生產的中間環節，起到承上啟下的作用，煉鋼是決定鋼材產量、質量的關鍵所在。氧氣轉爐煉鋼環節的任何延誤或產量、質量變化都會影響前后生產工序的協調運轉。這都與轉爐煉鋼的設備、工藝、組織管理等因素有關。所以在設計轉爐煉鋼車間時，應當處理好各種設計問題，為正常生產，保持良好的生產秩序打下基礎。物料平衡與熱平衡計算是氧氣轉爐冶煉工藝設計的一項基本計算。它是建立在物質與能量守恒的基礎上的。它以氧氣轉爐作為考察對象，根據裝入轉爐內或參與煉鋼過程的全部物質數據和煉鋼過程的全部產物數據，來進行物料的質量和熱量平衡計算。其主要目的是比較整個冶煉過程中物料、能量的收入項和支出項，為改進操作工藝制度，確定合理的設計參數和提高煉鋼技術經濟指標提供某些定量依據。應當指出，由于煉鋼是復雜的高溫物理化學過程，加上測試手段有限，目前尚難以做到精確取值和計算，尤其是熱平衡，只能近似計算。盡管如此，它對指導煉鋼生產和設計仍有重要的意義。二 、設計任務設計一座年產800萬噸良坯的轉爐煉鋼車間的頂底復吹轉爐的氧槍，轉爐工作方式為三吹二點，鐵水條件為：C= 4.1%；Si=0.35%；Mn=0.42%；P=0.064%；S= 0.01%；鐵水溫度為：1300。三、物料平衡熱平衡計算 3.1.1.基本數據鐵水和廢鋼的成分及溫度。見表3-1.表 3-1 鐵 水 和 廢 鋼 的 成 分元素CSiMnPS溫度/鐵水/%4.100.350.420.0640.011300廢鋼/%0.180.250.550.030.0325 造渣劑及爐襯成分。見表3-2。表3-2 造 渣 劑 及 爐 襯 成分成分/%CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3CaF2P2O5SCO2H2O燒減石灰91.01.501.601.500.500.100.063.640.10礦石1.05.610.521.1061.8FeO=29.40.070.50輕燒白云石50.150.4641.80.746.85爐襯1.00.9279.80.281.60C=16.4為保護環境，現在轉爐不再采用螢石造渣，可采用鐵礬土，鐵礬土加入量為鐵水量的0.50%。 鐵礬土成分CaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3P2O5STiO27.228.62.0148.9911.390.060.061.69（1） 冶煉鋼種及成分。見表3-3。 表3-3 鋼種成分元素CSiMnPS鋼種235/%0.14-0.220.12-0.300.3-0.70.0450.045（2） 鐵合金成分。見表3-4。 表3-4 鐵合金成分元素CSiMnPSFe硅鐵/%-700.70.050.0429.21錳鐵/%7.5205750.380.0314.59鐵合金中的元素收得率：Mn的收得率為80%，Si的收得率為75%，C的收得率為90%，其中10%的C被氧化成CO2。P,S,Fe全部進入鋼中。（3） 操作實測數據。見表3-5表3-5 實測數據 名稱參數名稱參數終渣堿度R=%CaO/% SiO2噴濺損失為鐵水量的（0.10.3）%，取0.2%計算鐵礬土加入量為鐵水量的0.50%渣中鐵損（鐵珠）為渣量的（12.5）%，取2.5%計算礦石加入量為鐵水量的1.0%氧氣純度99.5% O2,0.5% N2爐襯侵蝕量為鐵水量的（0.10.3）%，取0.1%計算爐氣中自由氧含量為爐氣體積的0.5%終渣T.Fe含量取13%計算，其中爐渣中的(%FeO)=1.35(%Fe2O3) 氣化脫硫量占總去硫量的1/3煙塵量為鐵水量的（1.31.5）%，取1.5%計算 （其中FeO為75%，Fe2O3為20%）金屬中C的氧化80%85%的C氧化成CO, 取80%計算，則20%的C氧化成CO23.1.2計算過程（以100kg鐵水為基礎）（1）爐渣量及成分。爐渣來自金屬料元素氧化和還原的產物，加入的造渣劑以及爐襯侵蝕等。鐵水中各元素氧化量。終點鋼水的成分根據同類轉爐冶煉Q235鋼種的實際數據選取。其中，C：根據冶煉鋼種含碳量和與估計的脫氧劑的增碳量來確定終點鋼水含碳量，去0.10%；Si：在堿性氧氣轉爐煉鋼法中，鐵水中的硅幾乎全部被氧化進入爐渣；Mn：終點鋼水殘錳量，一般為鐵水中錳含量的50%60%，取50%；P：采用低磷鐵水操作，鐵水中磷約85%95%氧化進入爐渣，在此取脫磷率為90%；S：采用預處理脫硫的鐵水的物料平衡計算，原料中的硫全進入鋼水中。 鐵水中各元素氧化量見表3-6。 表3-6 100kg鐵水各元素氧化量元素/kgCSiMnPS合計鐵水/kg4.100.350.420.0640.01終點鋼水kg0.10痕跡0.210.00640.01氧化量/kg4.00.350.210.057604.566其中，氧化成CO的C質量為4.080%=3.2kg，氧化成CO2的C質量為4.0*20%=0.8kg。鐵水中各元素氧化耗氧量及氧化產物量。見表3-7。表3-7 鐵水中元素的氧化耗氧量及氧化產物量元素反應產物耗氧量/kg產物量/kg備注CCCO3.2*16/12=4.26673.2*28/12=7.467進入爐氣CCO20.8*32/12=2.13330.8*44/12=2.933進入爐氣SiSi（SiO2）0.35*32/28=0.40.35*60/28=0.75進入爐渣MnMn（MnO）0.21*16/55=0.06110.21*71/55=0.271進入爐渣PP（P2O5）0.0576*80/62=0.0740.0576*142/62=0.132進入爐渣FeFe(FeO)0.0990.572 見表3-8FeFe2O30.1270.424 見表3-8合計7.161 造渣劑加入量及其各組元質量。A礦石，爐襯帶入的各組元質量。由礦石，爐襯侵蝕量和其中各組元的成分可計算出各組元的質量，見表1-8,1-9。爐襯中C的氧化耗氧量為0.116.4%（1680%/12+3220%/12）=0.026Kg. B輕燒白云石。為了提高爐襯壽命，在加入石灰造渣的同時，添加輕燒白云石造渣，其目的是提高爐渣中MgO的含量，有利于提高爐襯壽命。渣中MgO含量在6%10%時效果較好。經試算后輕燒白云石加入量為1.0kg/100Kg鐵水。其各組元質量見表1-8，1-9。其中的燒減為（MgCO3CaCO3）分解產生的CO2質量。C 爐渣堿度和石灰加入量。根據鐵水的P、S含量，取終渣堿度R=2.5。未計石灰帶入的SiO2量時，渣中現有的SiO2量為（見表1-7和表1-8）： （SiO2）=(SiO2)鐵水+(SiO2)爐襯+ (SiO2)礦石 +(SiO2)輕白+(SiO2)鐵礬土 = 0.75+0.001+0.056+0.005+0.143 =0.955kg渣中現有的CaO的量為：（CaO）=(CaO)爐襯+(CaO)礦石+(CaO)輕白+(CaO)鐵礬土 =0.001+0.010+0.502 +0.036 =0.549kg則石灰加入量為： W石灰=R（SiO2）-(CaO)/(%CaO)石灰-R(%SiO2)石灰 =2.5*0.955-0.549/91.0%-2.5*1.5% =2.107 kg石灰帶入的各組元質量見表3-7和表3-8。 終渣T.%Fe的確定。終渣中T.%Fe與終點碳含量和終渣堿度有關,根據生產數據,終渣T.%Fe取13%計算,渣中存在著(FeO)和(Fe2O3),按照(%FeO)=1.35(%Fe2O3)和T.%Fe=56(%FeO)/72+112(%Fe2O3)/160的關系,求得(FeO)= 10.03 % 和(Fe2O3)= 7.43 %.終渣量及成分。終渣量及成分列于表3-8。表中的FeO和Fe2O3 質量計算過程如下。 不計(FeO) 和(Fe2O3)在內的爐渣質量為WS=CaO+MgO+SiO2+Al2O3+MnO+P2O5+TiO2 =2.466+0.547+0.986+0.295+0.271+0.134+0.008 =4.708kg表3-8 終渣量及成分組元產物量/kg石灰/kg礦石/kg輕白/kg爐襯/kg鐵礬土/kg合計/kg比例/%CaO1.9180.0100.502 0.0010.0362.46643.232MgO0.0340.0050.418 0.0800.0100.5479.589SiO20.750 0.0320.0560.005 0.0010.1430.98617.289Al2O30.0320.0110.007 0.00030.2450.2955.176MnO0.271 0.2714.751P2O50.132 0.0020.00030.1342.356TiO20.0080.00810.029FeO0.572 0.5727.429Fe2O30.367 0.0570.4240.148合計5.704100.000 注：造渣劑中的FeO、Fe2O3被還原成鐵進入鋼中，帶入的氧消耗于元素氧化 那么,總渣量為WS=4.433/（100%-10.03%-7.43%）=5.704Kg,(FeO)的質量=5.704*10.03%=0.572Kg,其中鐵=0.57256/72=0.445Kg,(Fe2O3)重量=5.704*7.43%=0.424Kg,其中鐵=0.424112/160=0.297Kg.將FeO和Fe2O3質量記入表1-7。（2）礦石，煙塵中的鐵及氧量。假定礦石中的FeO,Fe2O3全部被還原成鐵，則礦石帶入鐵量=1.00（29.4%56/72+61.8%112/160）=0.661Kg 煙塵帶入鐵量=1.50（75.00%56/72+20.00%112/160）=1.085Kg 礦石帶入氧量=1.00（29.4%16/72+61.8%48/160）=0.251Kg 煙塵消耗氧量=1.50（75.00%16/72+20.00%48/160）=0.340Kg 其他造渣劑的Fe2O3帶入的鐵量和氧量忽略不計。 （3）爐氣成分，質量及體積。當前爐氣體積V1。由元素氧化和造渣劑帶入的氣體質量見表3-9。 表3-9 氣體來源及質量、體積來源鐵水/kg爐襯/kg輕燒白云石/kg石灰/kg礦石/kg合計/kg體積/m3CO7.4670.0317.4975.998CO22.9330.0120.0690.0773.0911.573H2O0.0020.0050.0070.009合計V1=7.580*：氣體體積=氣體質量*22.4/氣體分子量當前氧氣消耗質量及體積。當前氧氣消耗質量見表3-10。 表 3-10 氧氣消耗質量元素氧化煙塵鐵氧化爐襯碳氧化礦石帶入氧合計耗氧量/kg7.1610.340.026-0.2517.277 則當前氧氣消耗的體積VO2=7.27722.4/32=5.094 m3.爐氣總體積Vg,爐氣總體積為： Vg=元素氧化生成的體積+水蒸氣的體積+爐氣中自由氧的體積+爐氣中氮氣體積 即 Vg=V1+O2爐氣Vg+VO2+O2爐氣VgN2氧氣/O2氧氣式中 O2爐氣-爐氣中自由氧含量，0.5%； N2氧氣-氧氣中氮氣成分； O2氧氣-氧氣中氧氣成分。整理得 ： Vg= =7.580+5.094*0.5%/99.5%/1-0.5%-0.5%*0.5%/99.5% =7.644 m3爐氣中自由氧體積及質量： Vf=0.5%7.644=0.038 m3，Wf=320.038/22.4=0.055 Kg爐氣中氮氣體積及質量： VN2=(5.094+0.038)0.5%/99.5%=0.026 m3 WN2=280.026/22.4=0.032 Kg 爐氣中各組元成分的質量和體積見表3-11。表3-11 爐氣組元的質量和體積爐氣組元COCO2O2N2H2O合計質量/kg7.497 3.091 0.055 0.032 0.007 10.682 體積/m35.998 1.573 0.038 0.026 0.009 7.644 體積百分數/%78.464 20.583 0.500 0.337 0.116 100.000 （4）總氧氣消耗量及體積WO2=7.644 +0.055 +0.032 =7.363 kgVO2=22.4*(7.644+0.055)/32+22.40.032/28=5.154 m3（5）鋼水質量Wm。在吹煉中鐵水的各項損失見表3-12。表3-12 吹煉中鐵水的各項損失吹損元素氧化煙塵鐵損渣中鐵珠噴濺鐵損礦石帶入鐵合計質量/kg5.3081.0850.1430.200(0.661)6.074則鋼水質量Wm為： Wm=100.00-6.074=93.926 Kg鋼水收得率為93.926 %。（6）未加廢鋼時的物料平衡3-13。表3-13 未加廢鋼時的物料平衡表收入支出項目質量/kg%項目質量/kg%鐵水100.000 89.229 鋼水93.926 83.747 石灰2.107 1.880 爐渣5.704 5.086 鐵礬土0.500 0.446 爐氣10.682 9.524 輕燒白云石1.000 0.892 噴濺0.200 0.178 礦石1.000 0.892 煙塵1.500 1.337 爐襯0.100 0.089 渣中鐵珠0.143 0.127 氧氣7.363 6.570 合計112.071 100.000 合計112.155 100.0計算誤差=|112.071-112.155|/112.071100%=0.075%。3.2 熱平衡計算3.2.1基本數據（1）物料平均熱容及其熔化潛熱表3-14 物料平均熱容物料名稱生鐵鋼爐渣礦石煙塵爐氣固態平均熱容/(KJ/（kg.K)0.7450.6991.0451.0470.996-熔化潛熱/(KJ/kg)218272209209209-液態或氣態平均熱容/(KJ/(kg.K)0.8370.8371.248-1.137（2）入爐物料及產物的溫度。見表3-15。 表3-15 入爐物料及產物的溫度名稱入爐物料產物鐵水廢鋼其他原料爐渣爐氣煙塵溫度/13002525比出鋼溫度高10度14501450（3）溶入鐵液中元素對鐵熔點的降低值。見表3-16 表3-16 溶入鐵液中元素對鐵熔點的降低值元素CSiMnPS溶入元素使鐵熔點的降低值6570808590100853025使用含量范圍/%100t時，取38min,六 、轉爐平均出鋼量GG=Wm/m=824.7423*104/24897=331.2617噸 根據轉爐公稱容量系列表可知，取轉爐的公稱容量為300t，最大出鋼量為320t。七、轉爐氧槍設計 7.1 氧槍噴頭設計（1）氧流量或供氧強度 O2 m3/min =48.928* 3312617/20=810.399 m3/min VO2噸鋼耗氧量，由物料平衡與熱平衡計算中求得（見總物料平衡表）VO2= 6.669 *1000/95.406 *22.4/32= 48.928m3/t。 O2吹氧時間，min，當轉爐容量100t，取20min。（2）噴孔出口馬赫數Ma。噴孔出口的馬赫數的大小決定了噴孔氧氣出口速度，也決定了氧氣射流對熔池的沖擊攪拌能力，目前國內外氧槍噴孔出口馬赫數多在 1.952.20之間。大轉爐、噴頭口數多，可取上限。取Ma=2.20。 （3）爐膛壓力與設計工況氧壓P0。爐膛壓力指氧槍噴頭在爐膛內的環境壓力。在設計中，常不考慮泡沫渣對噴頭施加的壓力，而只考慮爐膛爐氣壓力。一般爐膛壓力可選為0.990.102MPa，且選取噴孔出口壓力等于爐膛壓力。爐膛壓力取=0.102MPa。設計工況氧壓又稱理論計算氧壓，它是噴頭出口處的氧氣壓力，在忽略流動過程中的壓力損失時，它近似等于氧氣的滯止壓力。由選定的噴孔出口馬赫數和出口壓力Pe，利用可壓縮氣體等熵流公式，可計算出 設計工況氧壓P0 式中氧氣的熱容比，k=1.4。整理得 =0.1021+0.2*（2.2）= 1.091 MPa （4）噴孔夾角與噴孔間距。噴孔夾角指噴孔中心線和噴頭中軸線之間的夾角，其大小影響氧氣射流對熔池的沖擊半徑和各氧氣流股之間的相互作用。噴孔夾角和噴頭孔數之間關系如下表所示。 表 7-1 噴頭孔數與噴孔夾角的關系孔數3456夾角911101313151517 噴孔間距指噴孔出口中心點與噴頭中軸線之間的距離。若噴孔間距過小，各氧氣射流之間相互吸引，射流向中心偏移，從而使造成射流中心速度衰減過快。為避免這種現象，噴頭設計原則上盡可能增大噴孔間距，而不應輕易增大噴孔夾角。但增大噴孔間距又往往受到噴頭尺寸的限制。根據三孔噴頭冷態測定結果，在噴頭端面，當噴孔間距保持在（0.81.0）de（噴孔出口直徑）時，噴孔間距不會對射流的速度衰減產生明顯影響。 取孔數為6孔，夾角15g（5）噴孔形狀及尺寸。目前氧槍噴頭的噴孔形狀基本上都采用拉瓦爾噴孔。它由受縮段、喉口和擴張段組成。為了便于加工制造，一般將拉瓦爾噴孔的受縮段和擴張段設計成截圓錐體形。喉口直徑d*及喉口長度。喉口直徑可根據流過噴頭的氧氣流量Q來計算。設噴頭孔數為n=6，則流過單個噴孔的氧氣流量q 為： =810.399/6= 135.066 m3/min根據可壓縮氣體等熵流理論，并考慮氧氣的實際流動，則喉口直徑的計算式為 =0.041 m式中 T0氧氣的滯止溫度，K，T0=273+（3040）,取T0=313 K ； CD噴頭流量系數，對于單孔噴頭CD=0.950.96，多孔噴頭 CD=0.900.96，取CD=0.93； P0氧氣的滯止壓力即設計工況氧壓，Pa。 喉口長度的作用是穩定氣流，還可以使收縮段和擴張段加工方便。一般喉口長度=510 mm較為合適，取=8 mm。 收縮段長度了及入口直徑。收縮段長度一般為=（0.81.5）d*。收縮段半錐角一般為1823，可允許達到30。根據這兩個參數和喉口直徑，收縮段入口處的直徑d1為 取 =1.0*d*=0.041 m，=30，則 =0.041+2*0.041*lg30= 0.088 m 噴孔出口直徑及擴張段長度。噴孔出口馬赫數Ma和喉口直徑確定后，噴孔出口直徑 =0.058 m擴張段長度可由下式計算 =（1.21.5）取=1.5*=1.48*0.058=0.086 m（6）噴頭氧氣進口直徑。噴頭氧氣進口直徑可根據總喉口直徑計算 =（1.52.0）總喉口直徑由下式計算 =0.1 m 取=1.76=1.76*0.1=0.176 m計算得到的噴頭進口直徑還應與氧槍槍身內層管直徑比較，作適當調整。7.2氧槍槍身設計氧槍槍身由三層同心的無縫鋼管組成，內層管通氧氣，內管與中層管的環縫是冷卻水的進水通道，中層管和外層管之間的環縫是出水通道。槍身的三層管通過全焊接法或焊接加絲扣連接法與噴頭連接在一起。（1）內層管直徑。氧氣在內層管的流一般為4060m/s，我國推薦設計最大流速不超過50m/s。取=50 m/s 若流速高，管徑小，則阻力損失增大。內層的直徑通常等于或略大于噴頭氧氣進口直徑，其計算公式為 m2 =1*105*810.399 /60/（1.091*106 *50）= 0.024 m2 = = 0.176 m式中 A1-內層管截面積，m2; Patm-絕對標準大氣壓，Patm=1105Pa; P0-設計工況氧壓，Pa; Q-氧氣流量，m3/s。內壁厚D1一般為45mm。取D1=9mm，計算出內層管的內徑后，其外徑應按國家鋼管產品目錄的尺寸選擇相近的尺寸。 內層管外徑按國家標準取=+2*D1=176+2*9=194mm，（級差0.5）（2）中層管直徑。冷卻水從中層管內側進入，經噴頭頂部轉180彎后經中層管外側流出。中層管的內徑應保持中層管與內層管之間的環縫有足夠的流通截面積，以通過一定流速和足夠水量的冷卻水，使噴頭和槍體得到良好的冷卻。不同容量的轉爐其氧氣槍冷卻水進口流量如表35所示。 表7-2 不同容量轉爐氧槍冷卻水流量轉爐容量/t 30 50 120 150 200 300高壓冷卻水流量/(t/h)55607080 100120 140160 180220 250300中層管內徑計算公式為 =300/3600/5=0.017 m2 =0.243 m式中-冷卻水進口流量，m3/s； -中層管內側冷卻水流速，m/s，一般取5m/s; -內層管外徑，m； -進水環縫截面積，m2 。中層管厚度一般為46mm，取15mmm。同樣要按產品目錄確定中層外徑。按國家標準選取 D20=+2*D1=243+15*2=273 mm ，則中層管壁厚為13mm，（級差1.0）中層管除控制進水流速外，還要控制其端