产100万吨重轨钢可行性研究.doc

目录1.产品及工艺流程.3 1.1产品的确定.3 1.2工艺流程.3 1.3方案可行性.32.选择初炼炉型、座数并核算年产量.33.供应方式和预处理.3 3.1铁水供应.3 3.2废钢供应.3 3.3铁水预处理.3 3.3.1铁水预脱硫.3 3.3.2铁水预脱硅.43.3.3铁水预脱磷.44.炼钢过程的物料平衡和热平衡计算4 4.1物料平衡计算.4 4.1.1计算原始数据.4 4.1.2物料平衡基本项目.5 4.1.3计算步骤.5 4.2热平衡计算104.2.1计算所需原始数据.104.2.2计算步骤.115.确定初炼炉型及尺寸.12 5.1炉型.12 5.2熔池尺寸.13 5.2.1熔池直径.13 5.2.2熔池深度.13 5.3炉身尺寸.13 5.4炉帽尺寸.13 5.5出钢口尺寸.136.浇铸方案及连铸机型选择和布置.15 6.1连铸方案.156.2连铸机.157.炉外精炼设备的选取.15 8.车间工艺布置方案的设计、厂房主要尺寸的计算.15 8.1装料跨布置.15 8.1.1铁水供应与铁水预处理布置.16 8.1.2废钢供应布置.16 8.1.3出渣方式.16 8.1.4装料跨尺寸.16 8.2转炉跨布置.16 8.2.1转炉跨的布置.16 8.2.2转炉跨的横向布置.16 8.2.3转炉跨的纵向布置.16 8.2.4转炉跨各层平台的布置.16 8.2.5转炉跨吊车鬼面标高和转炉跨宽度、长度16 8.3连铸各跨布置.17 8.3.1连铸浇注跨.17 8.3.2连铸出坯跨.17 8.3.3连铸区域尺寸.179.参考文献.171.产品及工艺流程1.1确定产品（钢材）方案 钢种为时速200km重轨钢（60kg/m），钢号为U71Mn 其化学成分（%）钢号CSiMnPSVAlU71Mn0.650.770.150.351.101.500.030.03残留0.0041.2拟定产品的工艺流程 LD吹氩LF炉RH真空脱气模铸1.3技术可行性精炼过程采用LF炉处理，其埋弧加热功能的辐射热小，对炉衬有保护作用，与此同时加热的热效率也比较高，热利用率好；碱性白渣下精炼功能使炉内有很强的还原性，可以降低钢液中的的氧、硫及夹杂物的含量；惰性气体搅拌功能有利于钢液的脱氧、脱硫反应，可以加速渣中氧化物的还原。加速钢液的温度与成分的均匀，能精确的调整复杂的化学组成而这对优质钢又是必不可少的；其惰性气体保护功能保证了精炼时炉内的还原气氛，钢液的脱氧、脱硫能力得到提高。2.选择初炼炉型，炉子座数，并核算年产量。有课程题目为年产100万吨铁路用重轨钢可知，初步选定炉子公称容量为80吨的转炉，采用“三吹二”制，所以选着2座转炉。 年产量核算：设转炉作业率为85%，平均冶炼时间为33分钟。则该车间的年产钢水量：W=nNq =1440×365×85%×80/34=1051200（t）3.选定铁水（废钢）供应方式和预处理方案 3.1铁水供应混铁炉：混铁炉有炉体、炉盖开闭机构和炉体倾动机构三部分组成。炉体为短圆柱体容器，其长度和直径相近，以减小其比表面积，从而降低散热损失。受铁口和出铁口都在中心断面，受铁口在顶部，出铁口和水平面呈21°-22°夹角。混铁炉内衬用粘土砖和镁砖。 3.2废钢供应废钢斗：由普通吊车像兑铁水那样装入转炉。 3.3预处理3.3.1铁水预脱硫工艺：采用KR搅拌法，以一种外衬耐火材料的搅拌器侵入铁水罐内旋转搅动铁水，使铁水产生漩涡，同时加入脱硫剂，使其卷入铁水内部进行充分反应，从而达到铁水脱硫的目的。3.3.2铁水预脱硅工艺：出铁场脱硅，采用自然落下的上置法，铁水落下流搅拌。3.3.3铁水预脱磷工艺：铁水包喷吹法。4.炼钢过程的物料平衡和热平衡计算 4.1物料平衡计算 4.1.1计算原始数据基本原始数据：冶炼钢种及其成分、铁水和废钢成分、终点钢水成分（表1）；造渣用溶剂及炉衬等原材料的成分（表2）；脱氧和合金化用铁合金的成分及其回收率（表3）；其他工艺参数（表4）。表1 钢水、铁水、废钢和终点钢水的成分设定值 成分含量/%类别CSiMnPS钢种U71Mn设定值0.700.251.240.0400.040铁水设定值4.200.800.800.2000.030废钢设定值0.280.250.550.0300.020终点钢水设定值0.20痕迹0.240.0200.018本计算设定钢种为U71Mn。C和Si按实际产生情况选取；Mn、P和S分别按铁水中相应成分含量的30%、10%和60%留在刚水中设定。表2 原材料成分成分/%类别CaOSiO2MnOAl2O3Fe2O3CaF2P2O5SCO2H2OC灰分挥发分石灰88.02.502.601.500.500.100.064.640.10萤石0.305.500.601.601.5088.000.900.101.50生白云石36.40.8025.61.0036.2炉衬1.203.0078.01.401.6014.0焦炭0.5881.512.405.52表3 铁合金成分（分子）及其回收率成分含量/回收率/%类别CSiMnAlPSFe硅铁73.00/750.50/802.50/00.05/1000.03/10023.92/100锰铁6.60/900.50/7567.8/800.23/1000.13/10024.74/10010%与氧生成CO2。表4 其他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(按向钢中传氧量(Fe2O3)=1.35(FeO)折算)烟尘量喷吹铁损 (CaO)/(SiO2)=3.5 为铁水量得0.5% 为铁水量得2.5% 为铁水量得0.3% 15%,而(Fe2O3)/(FeO)=1/3，即(Fe2O3)=5%，(FeO)=8.25% 为铁水量得1.5%(其中(FeO)为75%,(Fe2O3)为20%) 为铁水量得1%渣中铁损（铁珠）氧气纯度炉气中自由氧含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) 占总去硫量得1/3 90%C氧化成CO,10%C氧化成CO2 由热平衡计算确定，本计算结果为铁水量得13.21%，即废钢比为11.67%4.1.2物料平衡基本项目收入项有：铁水、废钢、溶剂、氧气、炉衬损失、铁合金。 支出项有：钢水、炉渣、烟尘、渣中铁珠、炉气、喷溅。 4.1.3计算步骤第一步：计算脱氧和合金化前的总渣量及其成分。总渣量包括铁水中元素氧化，炉衬蚀损和加入溶剂的成渣量。其各项成渣量分别列于表5表7。总渣量及其成分如表8所示。第二步：计算氧气消耗量。氧气实际消耗量消耗项目与供入项目只差。见表9。表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CCCO4.0×90%=3.6004.8008.400CCO24.0×10%=0.4001.0671.0467SiSi(SiO2)0.8000.9101.710入渣MnMn(MnO)0.5600.1630.645入渣PSP(P2O5)0.1800.2300.410入渣SSO20.012×1/3=0.0040.0040.008S+(CaO)(CaS)+(O) 0.012×2/3=0.008-0.0040.014（CaS）入渣FeFe(FeO)1.087×56/72 =0.8450.2411.177入渣（见表8Fe(Fe2O3)0.613×112/160=0.4230.1750.423入渣（见表8）合 计6.8217.593成渣量4.562入渣组分之和-0.004为S与CaO反应放出的O. 消耗CaO的量=0.08 ×56/32=0.014kg。表6 炉衬蚀损的成渣量炉衬蚀损量/kg成渣组分/kg气态产物/kg耗氧量/kgCaOSiO2MgOAl2O3Fe2O3CCOCCO2CCO,CO20.3（据表4）0.0040.0090.2360.0040.0050.3×14%×90%×28/12=0.0880.3×14%×10%×44/12=0.0150.3×14%(90%×16/1210%×32/12)=0.062合 计0.2580.1030.062表7 加入溶剂的成渣量类 别加入量/kg成渣组分/kg气态产物/kgCaOMgOSiO2Al2O3Fe2O3P2O5CsSCaF2H2OCO2O2萤 石0.5(表4)0.0020.0030.0280.0080.0080.0050.0010.4400.005生白云石2.5(表4)0.9100.6400.0200.0250.905石 灰6.645.8430.1730.1660.1000.0330.0070.0090.0070.2080.002合 计6.7550.8160.2140.1330.0410.0120.0100.4400.0121.2130.002成渣量8.49注：石灰加入量计算如下：，由表1-5和可知，渣中已含氧化钙（CaO）=-0.014+0.004+0.002+0.910=0.92kg；渣中已含(SiO2)=1.71+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：RW(SiO2)- W(CaO)/ W（CaO）-R×W(SiO2)=(3.5×1.557-0.92)/(88.0-3.5×2.50)=6.64kg（石灰中CaO含量）-（石灰中SCaS自耗的 CaO量）由CaO还原出来的氧量，计算同表1-5的注表8 总渣量及其成分炉渣成分CaOSiO2MgOAl2O3MnOFeOFe2O3CaF2P2O5CsS合计元素氧化成渣量/kg石灰成渣量/kg炉衬蚀损成渣量/kg生白云石成渣量/kg萤石成渣量/kg5.8430.0040.9100.0021.7100.1670.0090.0200.0280.1730.2360.6400.0030.1000.0040.0250.0080.6451.0780.6130.0330.0050.0080.4400.4100.0070.0070.0140.0090.0014.4796.3320.2581.5950.495总渣量/kg6.7591.9341.0520.1370.6451.0780.6520.4400.4220.02413.179质量分数/%51.4414.677.981.044.898.255.003.343.350.18100.0注： 总 渣 量 计 算 如 下：由 表1-8知，除 FeO 和 Fe2O3 外 的 渣 量 为 ：5.759 + 1.934+ 1.052 + 0.137+ 0.645 +0.440 +0.422 +0.021=11.433kg而终渣w（FeO）=15%（表1-4），故渣的总量11.433÷86.75%=13.179kg。 w（FeO）=13.179×8.25%=1.087kg w(Fe2O3)= 13.179×5%-0.033-0.005-0.008=0.613kg表9 实际耗氧量耗氧项/kg供氧项/kg实际氧气消耗项/kg铁水中氧化耗氧量(表5) 7.593炉衬中碳氧化耗氧量(表6) 0.062石灰中S与CaO反应还原出的氧化量(表7)0.002烟尘中铁氧化耗氧量(表4) 0.3408.055-0.002+0.069=8.12炉气自由氧含量(表10) 0.060合 计 8.055合 计0.002 炉气N2（存在于氧气中，表4）的质量，详见表10。.第三步：计算炉气量及其成分。 炉气中含有CO、CO2、N2、SO2和H2O。其中CO、CO2、SO2和H2O可由表5表7查得，O2和N2则由炉气总体积来确定。现计算如下。炉气总体积V:V=Vg+0.5%V+1/99×(22.4/32Gs+0.5%V-Vx)V=8.465，式中 VgCO、CO2、SO2和H2O各组分总体积，m3。本计算中，其值为：8.698×22.4/282.729×22.4/440.010×22.4/640.012×22.4/18=8.366m3。 Gs不计自由氧的氧气消耗量，kg。本计算中，其值为：7.5930.0620.34=7.995kg（见表9）； Vx石灰中的S与CaO反应还原出的氧量（其质量为：0.002kg，见表9），m3； 0.5%炉气中自由氧含量； 99由氧气纯度为99%转换的得来。计算结果列于表10。表10 炉气量及其成分炉气成分炉气量/kg体积/m3体积分数/%CO8.6988.69822.4/28=7.12682.18CO22.7292.729×22.4/44=1.3616.40SO20.0100.010×22.4/64=0.00280.05H2O0.0120.012×22.4/18=0.01490.18O20.0600.0420.50N20.0720.00580.69合 计11.5818.466100.00炉气中氧气的体积为：8.466×0.5=0.042；质量为0.042×32/22.4=0.060kg炉气中氮气的体积系炉气总体积与其他成分体积之差；质量为0.058×28/22.4=0.072kg。第四步：计算脱氧和合金化前的钢水量钢水量Qg =铁水量铁水中元素的氧化量烟尘、喷溅和渣中的铁损1006.7551.50×(75%×56/7220%×112/160)112.43×6%=91.369kg据此可以编制出未加废钢。脱氧与合金化前得物料平衡表11。表11 未加废钢时的物料平衡表收 入支 出项 目质量/kg%项 目质量/kg%铁 水石 灰萤 石生白云石炉 衬氧 气1006.640.52.50.38.2284.63 5.62 0.422.120.256.96钢 水炉 渣炉 气喷 溅烟 尘渣中铁珠91.3713.1811.581.001.500.78765211.04 9.700.841.26 0.65合 计118.16100.00合 计119.41100.00注：计算误差为（118.16119.41）/118.16×100%=1.05%。表12 废钢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进入钢中的量/kgCSiMnPSCCOCCO2Si(SiO2)Mn(MnO)P(P2O5)SSO2S+(CaO)(CaS)+(O)13.21×0.08%×90%=0.01013.21×0.08%×10%=0.00113.21×0.25%=0.03313.21×0.31%=0.04113.21×0.01%=-0.00113.21×0.009%×1/3=0.000413.21×0.009%×2/3=0.00080.0130.0030.0380.0120.0010.0004-0.00040.0230.0040.710.0530.0020.00080.002合 计0.0870.06713.210.081=13.123成渣量(kg)0.128第五步：计算加入废钢的物料平衡如同“第一步”计算铁水中元素氧化量一样，利用表1的数据先确定废钢中元素的氧化量及其耗氧量和成渣量（表12），再将其与表11归类合并，遂得加入废钢后的物料平衡表13和表14。表13 加入废钢的物料平衡表(以100kg铁水为基础)收 入支 出项 目质量/kg%项 目质量/kg%铁 水废 钢石 灰萤 石轻烧生白云石炉 衬氧 气100.0013.216.642.500.308.1976.1410.065.060.381.900.236.24钢 水炉 渣炉 气喷 溅烟 尘渣中铁珠91.37+13.21=104.5813.07+0.14=13.3211.58+0.028=11611.001.500.7378.76710.038750.751.130.59 合 计131.34100.00合 计132.798100.00注：计算误差为（131.34132.798）/131.34×100%=1.1%表14 加入废钢的物料平衡表(以100kg(铁水+废钢)为基础)收 入支 出项 目质量/kg%项 目质量/kg%铁 水废 钢石 灰萤 石轻烧生白云石炉 衬氧 气84.3311.675.860.442.210.267.2376.1810.105.010.381.910.236.24钢 水炉 渣炉 气喷 溅烟 尘渣中铁珠92.3811.7710.260.881.320.6978.7610.038.550.751.130.59合 计115.95100.00合 计117.3100.00第六步：计算脱氧合金化后的物料平衡。先根据钢种成分设定值（表1）和铁合金成分及其回收率（表3）算出锰铁和硅铁的加入量，再计算其元素的烧损量。将所有结果与表14归类合并，即得冶炼一炉钢的总物料平衡表。锰铁加入量WMn为： WMn= ×钢水量 =×92.38 =1.70kg硅铁加入量WSi为： WSi= =0.42kg铁合金中元素的烧损量和产物量列于表15。表15 铁合金中元素烧损量及产物量类别元素烧损量/kg脱氧量/kg成渣量/kg炉气量/kg入钢量/kg锰铁CMnSiPSFe合计1.70×6.60×10=0.0111.70×67.80×20=0.2311.70×0.50×25=0.0020.2440.0290.0670.0020.0980.2980.0040.3020.040(CO2)0.0401.70×6.60%×90%=0.1011.70×67.80%×80%=0.9221.70×0.50%×75%=0.0061.70×0.23%=0.0041.70×0.13%=0.0021.70×24.74%=0.4211.456硅铁AlMnSiPSFe合计0.42×2.5%×100%=0.0110.42×0.50%×20%=0.00040.42×73.00%×25%=0.0770.0880.0100.00010.0880.0980.0060.00050.1650.172 0.42×0.50%×80%=0.0020.42×73.00%×75%=0.2300.42×0.05%=0.00020.42×0.03%=0.00010.42×23.92%=0.1000.332总 计0.3320.1960.4740.0401.788可以忽略。脱氧和合金化后的钢水成分如下：（C）=0.20%×100%=0.24% （Si）=×100%=0.25%（Mn）=0.24%×100%=1.22%（P）=0.020%×100%=0.024%（S）=0.018%×100%=0.018%可见，含碳量尚未达到设定值，所以需要加焦粉增碳。W =0.71kg焦粉生成的产物如下碳烧损量/kg耗氧量/kg气体量/kg成渣量/kg碳入钢量/kg0.71×81.50%×25%=0.1450.0320.044+0.71(0.58+5.52)%=0.0870.71×12.40%=0.0880.07×81.50%×75%=0.434 由此可得冶炼过程（即脱氧和合金化后）的总物料平衡表16表16 总物料平衡表收 入支 出项 目质量/kg%项 目质量/kg%铁 水88.3374.23钢 水94.6079.62废 钢11.679.81炉 渣12.339.47石 灰5.864.92炉 气10.268.53萤 石0.440.40喷 溅0.880.72轻烧生白云石2.211.86烟 尘1.321.11炉 衬0.260.22渣中铁珠0.690.56氧 气7.406.22锰 铁1.701.43硅 铁0.420.40焦 粉0.710.60合 计11900100.00合 计119.12100.00注：计算表误差为（119.00-119.12）/119.00×100%=-0.1%可近似认为（0.133+0.032）的氧量系出钢水二次氧化所带入。4.2 热平衡计算4.2.1计算所需原始数据计算所需基本原始数据有：各种入炉料及产物的温度（表17）；物料平均热容（表18）；反应热效应（表19）；溶入铁水中的元素对铁熔点的影响（表20）。其他数据参照物料平衡选取。表17 入炉物料及产物的温度设定值名称入炉物料产 物铁水废钢其他原料炉渣炉气烟尘温度/12502525与钢水相同14501450纯铁熔点为1536。表18 物料平均热容物料名称生铁钢炉渣矿石烟尘炉气固态平均热容/kJ·(kg·K)-10.7450.6991.0470.996熔化潜热/kJ·kg-1218272209209209液态或气态平均热容/kJ(kg·K)-10.8370.8371.2841.137表19 炼钢温度下的反应热效应组元化学反应H/kJ·kmol-1H/kJ·kg-1CC+1/2O2=CO氧化反应-139420-11639CC+O2=CO2氧化反应-418072-34834SiSi+O2=(SiO2)氧化反应-817682-29202MnMn+1/2O2=(MnO)氧化反应-361740-6594P2P+5/2O2=(P2O5)氧化反应-1176563-18980FeFe+1/2O2=(FeO)氧化反应-238229-4250Fe2Fe+3/2O2=(Fe2O3)氧化反应-722432-6460SiO2(SiO2)+2(CaO)=(2CaO·SiO2)成渣反应-97133-1620P2O5(P2O5)+4(CaO)=(4CaO·P2O5)成渣反应-693054-4880CaCO3CaCO3=(CaO)+CO2分解反应1690501690MgCO3MgCO3=(MgO)+CO2分解反应1180201405表20 溶入铁水中的元素对铁熔点的降低值元 素CSiMnPSAlCrN、H、O在铁水中的极限溶解度/%5.4118.5无限2.80.1835无限溶入1%元素使铁熔点降低值/65707580859010085302531.5氦、氢、氧溶入使铁熔点的降低值/=6适用含量范围/%<11.02.02.53.03.54.03150.70.081184.2.2计算步骤以100kg铁水为基础。第一步：计算热收入Qs。热收入项包括：铁水物理热；元素氧化热及成渣热；烟尘氧化热；炉衬中碳的氧化热。（1）铁水物理热Qw：先根据纯铁熔点、铁水成分以及溶入元素对铁熔点的降低值（表17、表1、表20）计算铁水熔点Tl，然后由铁水温度和生铁热容（表17和表18）确定Qw。Tl=1536（4.2×1000.8×80.5×50.2×300.03×25）6=1094Qw=100×0.745×（109425）2180.837×（12501094）=114500kJ（2）元素氧化热及成渣热Qy：由铁水中元素氧化量和反应热效应（表19）可以算出，其结果列于表21。表21 元素氧化热和成渣热反应产物氧化热或成渣热/kg反应产物氧化热或成渣热/kgCCO3.6×11639=41900.40FeFe2O30.424×6460=2739.04CCO20.40×34834=13933.60PP2O50.18×18980=3416.40SiSiO20800×29202=23351.60P2O54CaO·P2O50.422×4880=2059.36MnMnO0.55×6594=3692.64SiO22CaO·SiO21.934×1620=3133.08FeFeO0.845×4250=3591.25合计Qy97827.37KJ（3）烟尘氧化热Qc：由表4中给出的烟尘量参数和反应热效应计算可得。 Qc=1.5×（75%×56/72×425020%×112/160×6460）=5075.35kJ（4）炉衬中碳的氧化热Q1：根据炉衬蚀损量及其碳量确定。 Q1=0.3×14%×90%×116390.3×14%×10%×34834=586.25kJ故热收入总值为： Qs=Qw+Qy+Qc+Q1=2179888.62kJ 第二步：计算热支出Qz。热支出项包括：钢水物理热；炉渣物理热；烟尘物理热；炉气物理热；渣中铁珠物理热；喷溅物（金属）物理热；轻烧白云石分解热；热损失；废钢吸热。（1）钢水物理热Qg：先按求铁水熔点的方法确定钢水熔点Tg；再根据出钢和镇静时的实际温降（通常前者为4060，后者约为35/min，具体时间与钢包大小和浇筑条件有关）以及要求的过热度（一般为5090）确定出钢温度Tz；最后由钢水量和热容算出物理热。Tg=1536（0.20×650.24×50.02×300.018×25）6=1515式中，0.11、0.21、0.030和0.018分别为终点钢水C、Mn、P和S的含量。Tz=1520+50+50+70=1685式中，50、50和70分别为出钢过程中的温降、镇静及炉后处理过程中的温降和过热度。Qg90.278×0.699×（1515-25）+272+0.837×（1685-1515）=131570.84kJ（2）炉渣物理热Qr：令终渣温度与钢水温度相同，则得：Qr=1