300万吨炼钢 毕业设计.docx
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300万吨炼钢毕业设计
内蒙古科技大学
本科生毕业设计说明书
题目:
年产300万吨钢转炉炼钢(2×150)工程设计
学生姓名:
学号:
专业:
冶金工程
班级:
导师:
冀中年(教授)
摘要
本次设计的是年产300万吨的转炉炼钢车间,主要对转炉炼钢生产的工艺流程、车间组成和工艺布置进行设计,并对转炉炼钢过程的物料平衡和热平衡、氧枪的选择设计、转炉跨、加料跨的厂房高度和跨度以及120吨顶底复吹转炉炉型进行了设计计算。
除此之外对转炉车间的一些主要附属设施进行了选择并给出了其技术性能参数。
另外对转炉溅渣护炉和洁净钢生产进行专题论述,溅渣护炉技术是延长转炉炉龄、降低耐火材料消耗、提高生产率的有效措施。
洁净钢方面阐述了洁净钢生产的技术思路以及各工序中采用的主要工艺技术,其中详细介绍了去碳、去硫、去磷、去氮、去氢、去氧及夹杂物的控制以及我国纯净钢的生产现状及趋势。
今后转炉钢的增长主要是对条件较好转炉钢厂挖潜改造,进一步提高装备水平、扩大品种、提高质量以及降低消耗和改善环境。
关键词:
转炉溅渣护炉洁净钢转炉车间
Abstract
Thispaperisabouttheprocessdesignofthesteel-makingplantof3milliontonsperyear,itismainlyintroducedtheproductionprocess,plantcompositionandthetechnologicalarrangementoftheconverterplant.Alsothepapermadethecalculationabouttheplantwhichincludesthematerialandheatbalancecalculationoftheconverter,designoftheoxygenlance,theheightandlengthoftheconverterstrideandthefeedstride,andthefurnacetypeoftopbottomcombinedblowingconverterof120tons.Inaddition,thepapercontainsthechooseofthemainaffiliationdevicesoftheconverterplantandthetechniqueperformanceparameter.
Inaddition,thepapermadeaspecialtopicdiscussionabouttheslagsplashingandtechnologyofcleansteel.Thisprocesstechnologyiswidelyappliedallovertheworldwhichisaneffectivewaytoprolongconverterlifetime,reduceconsumptionofrefractorymaterialandimproveproductivityandthetechniquetoproducecleansteelmainlyadoptedinthevariousstepsoftheproductionarebrieflystatedsuchasdecarbonization,desulphurization,dephosphorization,denitrogenation,dehydrogenation,deoxidationandinclusioncontrol.Itisalsoshowsthecurrentproductionsituationanddevelopmenttrendofdomestic.Inthefuturetheconvertersteelproductionmainlydependedonpotential-tappingandrevampingofexcellentironandsteelproducerstofurtherimprovetechnologyandequipment,expendsteelgraderange,increasequalityofsteel,reduceconsumptionandimproveenvironment.
Keywords:
converterslagsplashingcleansteelconverterplant
第一章文献综述
1.1转炉的发展历程
1952年氧气顶吹转炉在奥地利林茨·道纳维茨(Linz,Donawitz)钢厂诞生,简称LD,其后陆续在一些国家获得广泛采用。
1964年我国第1家氧气顶吹转炉炼钢厂在首钢建成投产,和此同时我国太钢从引进了2台50t氧气顶吹转炉,使我国的氧气顶吹转炉炼钢进入了发展的初始阶段。
20世纪60年代中期,我国设计、科研、制造、生产人员共同协作,开展了大型氧气顶吹转炉炼钢厂的设计,1971年容量120t的大型转炉炼钢厂于1971年在攀枝花钢铁公司顺利建成投产。
1978年我国宝钢首次从国外引进了300t大型转炉成套设备,1985年建成投产。
通过对宝钢引进大型转炉炼钢技术的学习、消化,于20世纪90年代中、后期又在宝钢二炼钢厂、武钢三炼钢厂、鞍钢三炼钢厂、首钢炼钢厂先后建成投产了180t、210t、250t大型氧气顶底复吹转炉,从此,我国转炉炼钢进入了高速发展期。
1996年我国钢产量首次突破1亿t,转炉钢产量已达6947.5万t;占全国总钢产量的68.6%。
1999年我国转炉钢产量突破1亿t;达到10247.2万t;占全国钢产量比重上升到82.7%。
近年来,转炉钢产量持续处于高速增长态势,2002年我国转炉钢产量高达15330万t,仅时隔3年转炉钢产量增长近50%。
1994年我国1384万t平炉钢产能至2002年已全部被转炉钢所取代。
据统计,2003年我国转炉钢产量已近1.9亿t,约占世界转炉钢产量的25%以上[1]
1.2我国转炉炼钢发展现状
1.2.1转炉钢产量
作为转炉炼钢主要炉料的生铁逐年增长,为转炉炼钢钢产量的大幅度增长提供了良好而充裕的原料条件,和世界各主要产钢国家相比,我国铁钢比较高,近年来我国生铁产量及铁钢比如表1-1所示。
由于我国废钢资源短缺(仅2001年进口废钢量已达978.693万t),电力缺乏,电价偏高,致使电炉钢产量的增长受到一定程度的制约;平炉被淘汰,生铁资源的充裕,给转炉钢产量的增长提供了良好条件,因此转炉钢产量近年来获得了快速增长。
2001年和2003年各种容量转炉的座数变化如表1-2所示[2]。
表1-1:
我国生铁产量以及铁钢比
2000200120022003
生铁产量/万吨
钢产量/万吨
铁/钢比
13103.4215554.251690820231.19
12850151031822522234
1.021.0280.9280.91
表1-2:
我国不同容量转炉座数的变化
转炉容量/吨
2001年
2003年
210~300
100~180
50~90
30~40
20
小于20
合计
11
24
40
44
50
47
216
11
32
91
44
50
47
275
1.2.2 转炉钢的比例组成
近年来,由于新建了一批大、中型转炉以及原有小型转炉的扩容改造,使转炉炼钢厂生产规模均有所扩大,因此大、中型转炉钢产量大幅度提高。
我国重点大、中型钢铁企业转炉钢产量分布情况的统计表明,全国年产量200万t以上的大中型钢铁企业的产钢量已占全国钢总产量的82.4%。
大型钢铁(集团)企业(>500万吨/年)数量增多,为发展转炉炼钢提供了有利条件。
全国年产超过500万t钢铁企业数由2001年的4家增至2006年的17家,钢产量由2000年1.3亿吨增至2006年的4.1878亿吨。
为了提高钢质量和扩大冶炼钢种,原有大、中型转炉炼钢厂都相继增建了铁水脱硫装置及二次精炼装置。
近年来新建的转炉炼钢厂普遍配置了全量铁水脱硫装置,并根据冶炼钢种要求配置了炉外精炼装置,一般多选用LF精炼,有些转炉钢厂还设置了VD或RH精炼装置,从而为生产高附加值钢种提供了有利条件。
近年来转炉二次精炼比已大幅度提高,如2000年我国转炉炼钢精炼比为26.56%,到2003年转炉炼钢精炼比进一步提高。
大、中型转炉炼钢厂一般均采用了基础自动化和过程计算机控制系统,有些大中型转炉钢厂还设置了管理计算机系统。
另外在一些有条件的大型转炉炼钢厂增设了副枪装置或炉气自动分析仪,副枪或炉气分析仪为检测手段,实现了计算机动态模型控制,从而提高了转炉终点命中率,改善了转炉作业指标。
1.2.3转炉原材料消耗及能耗
(1)钢铁料
我国高炉生产能力的大幅度增长,为转炉炼钢提供了充裕的铁水,故转炉炼钢炉料铁水比高,为转炉冶炼纯净钢和提高钢的质量提供了良好条件。
由于我国废钢资源短缺,转炉炼钢炉料中废钢比较低,近年来我国转炉钢铁料消耗如表1-3所示。
表1-3:
转炉钢铁料消耗
项目
2000200120022003
钢铁料/(kg/t钢)
废钢/(kg/t钢)
废钢比(%)
1094109310911091
9811210592
8.9610.259.628.43
(2)工序能耗
由于转炉生产操作技术水平不断提高,以及各转炉钢厂对转炉煤气和转炉烟道汽化冷却蒸汽的回收,使转炉工序能耗有所降低,有些大型转炉钢厂达到负能炼钢水平,如宝钢一、二炼钢厂。
近年来,我国转炉工序能耗亦有显著降低。
1.2.4转炉炉龄
溅渣护炉技术的普遍推广,炉衬材质的进一步改善,对炉体维护的加强以及转炉操作水平的不断改进,从而使转炉炉龄大幅度提高,耐火材料消耗降低。
例如,武钢二炼钢复吹转炉取得了新的成果,2002年创造了炉龄29942炉的纪录;小型转炉如山东莱芜钢厂(容量为25t)的2号转炉创造了37271炉的纪录,福建三明钢厂(容量为20t)的1号转炉创造了33542炉的新纪录。
近年来我国重点大、中型钢铁企业转炉平均炉龄由2000年的2641炉增至2003年的4674炉。
由于转炉炉龄大幅度提高,也使转炉吹炼模式发生了变化,原设有2座转炉的车间可由过去的2吹1进行2吹2作业;原设有3座转炉的车间过去为3吹2,现可改为3吹3作业模式,从而使转炉生产能力大为提高[3]。
1.3 我国转炉炼钢发展趋势
1.3.1 转炉条件和机遇
随着我国国民经济的持续稳定发展,对钢材市场的需求必将保持强劲的势头。
其理由为:
我国固定资产投资尽管会有调整,但投资水平仍保持不断适量增长,特别是一些国家重点工程项目的建设,如南水北调、西气东输、青藏铁路、三峡工程、奥运工程、能源战略,以及国家实施的西部大开发和振兴东北老工业基地等都将进一步促进对钢材的大量需求;随着人民生活的不断改善和提高,我国的城市化建设以及人们对住房、汽车、耐用消费品等社会消费的需求不断增长。
转炉炼钢处于炼铁、轧钢的中间环节,前工序受高炉铁水供应的制约;后工序要满足轧钢对品种质量的要求。
由于我国高炉生产能力的逐年增长,现有轧机生产能力已大于炼钢生产能力,废钢资源的短缺,电力的紧缺和电价的昂贵,从而限制了电弧炉炼钢的发展。
综上所述,今后转炉炼钢仍将呈发展态势,其钢产量也将视市场需求和炼铁、轧钢同步适度增长。
一些高附加值钢种多为低合金高强度或微合金高强度钢种,特别是V、Nb、Ti微合金化钢种将受到关注。
今后我国汽车、造船、集装箱、机械制造、油、气输送管线、电工等用钢仍将大幅度增长,大型转炉炼钢厂将依靠自身的装备优势(配置热连轧或宽厚板轧机),结合日新月异的冶炼工艺技术进步,努力增产这类高附加值钢种,满足市场需求。
1.3.2 钢产量的增长方式
由于市场对钢材的需求旺盛,炼钢提供轧钢的坯料供不应求,高炉生铁产量的逐年增长,因此给转炉炼钢技术的发展和转炉钢产量的提高提供了良好机遇和条件,今后转炉钢产量的增长一是随着产业的发展而新建转炉炼钢生产规模的扩大;二是通过对原有转炉钢厂的技术改造挖潜。
近年来一些中小型转炉钢厂通过技术改造挖潜已取得了明显的成效,例如水钢小转炉钢厂将原有3座20t转炉逐个扩容至30t,车间钢产量已达到175万t(2002年)。
又如福建三明转炉钢厂将原有3座20t转炉改造为30t,并增加了第4座转炉,车间钢产量提高至205万t(2003年)[6]。
此外,在大型钢铁企业中,经适当增加转炉吹炼炉座数可获得增产,如宝钢二炼钢厂原设计为2座250t转炉,设计年生产钢水300万t,浇铸成合格铸坯288万t,原为2吹1,现为2吹1.5~1.8,钢产量2002年已超过370万t(连铸坯),目前该厂拟增设第3座转炉,届时钢产量可达600万t。
生产实践证明,转炉炼钢厂改造挖潜和改变转炉操作模式都具有投资省、工期短,见效快等优点。
同时,转炉炼钢还应大力推广溅渣护炉、节能降耗技术,稳定提高转炉操作指标。
当然,在转炉扩大产量的同时,应考虑到全厂的物料平衡及公辅设施的配套能力,形成综合生产能力。
同时应坚决贯彻国家环保的法律、法规建设清洁钢厂
1.3.3冶金自动化技术
冶金自动化技术在促进我国转炉自动化和冶金行业技术需求方面取得了很大进展[7,8,9]。
冶金流程在线连续检测和监控系统。
采用新型传感器技术、光机电一体化技术、软测量技术、数据融合和数据处理技术、冶金环境下可靠性技术,以关键工艺参数闭环控制、物流跟踪、能源平衡控制、环境排放实时控制和产品质量全面过程控制为目标,实现冶金流程在线检测和监控系统,包括铁水、钢水、熔渣成分和温度的检测和预报,钢水纯净度检测和预报,钢坯和钢材的温度、尺寸、组织、缺陷等参数检测和判断,全线废气和烟尘的监测等。
冶金过程关键变量的高性能闭环控制。
基于机理模型、统计分析、预测控制、专家系统、模糊逻辑、神经元网络、支撑矢量机(SVM)等技术,以过程稳定、提高技术经济指标为目标,在上述关键工艺参数在线连续检测基础上,建立综合模型,采用自适应智能控制机制,实现冶金过程关键变量的高性能闭环控制,包括高炉顺行闭环专家系统、钢水成分和温度闭环控制、铸坯和钢材尺寸及组织性
冶金流程的全息集成。
实现铁-钢-轧横向数据集成和相互传递,实现管理-计划-生产-控制纵向信息集成,同时,整合生产实时数据和关系数据库为数据仓库,采用数据挖掘技术,提供生产管理控制的决策支持。
计算机全流程模拟,实现以科学为基础的设计和制造。
采用计算机仿真技术、多媒体技术和计算力学技术,基于各种冶金模型,进行流程离线仿真和在线集成模拟,从而实现生产组织优化、生产流程优化、新生产流程设计和新产品开发。
提升钢铁生产制造智能。
在生产组织管理方面,基于事例推理、专家知识的生产计划和运筹学中网络规则技术,提供快速调整作业计划的手段和能力,以提高生产组织的柔性和敏捷化程度;根据各工序参数,自动计算各工序的生产顺序计划及各工序的生产时间和等待时间,实现计划的全线跟踪和控制,并能根据现场要求和专家知识,进行灵活的调整;异常情况下的重组调度技术以及在多种工艺路线情况下,人机协同动态生产调度。
在质量管理方面,基于数据挖掘、统计计算和神经网络分析技术,对产品的质量进行预报、跟踪和分析;根据生产过程数据和实际数据,判定在生产中发生的品质异常。
在设备管理方面,采用生产设备的故障诊断和预报技术,建立设备故障、寿命预报模型,实现预测维护。
在成本控制方面,采用数据挖掘和预报技术,建立动态成本模型预测生产成本;利用动态跟踪控制技术,优化原材料的配比、能源介质的供应、产线定修制度、生产的调度管理,动态核算成本,以降低生产成本。
1.3.4 小结
我国冶金自动化技术取得了很大的进步,为钢铁工业的发展做出了贡献,但和国际先进水平相比,还有相当大的差距。
钢铁工业在数量和质量方面的发展为冶金自动化技术的发展既提供了机遇,也提出了新的挑战。
面对冶金企业花巨资大量引进的国外软硬件产品、先进技术和自动化系统,我国冶金自动化工作者任重道远。
冶金自动化技术发展应紧密关注冶金行业技术发展动态和企业需求,在保障功能的前提下注重提升性能,加强过程工艺、工装设备、企业管理、生产组织、自动化等多专业的产学研联合攻关,以提高冶金企业经济效益、增强企业综合竞争力为主要目标,制定科学、合理的研究开发计划,走消化吸收、自主开发相结合,原始创新、集成创新相结合的技术路线,不断推出新的冶金自动化技术成果,形成一批具有自主知识产权的综合自动化软件和硬件产品,全面提高我国冶金工业经济效益和综合竞争力,促进我国冶金自动化软硬件产业的跨越式发展。
[10]
1.4转炉炼钢存在的问题
1.4.1强化冶炼水平
国内大型转炉的强化冶炼水平较低主要表现在以下3个方面:
(1)供氧强度低。
在平均炉容比为0.88的条件下,平均供氧强度仅为3.35m3/(t·min),造成冶炼周期长(平均为37.57min)。
(2)作业率低。
大型转炉的平均作业率仅63.23%,远低于国际先进水平91%[4,5],也低于国内小转炉(平均86%)。
作业率偏低主要受外部环境的影响,如铁水供应不足、连铸产能不匹配等原因,也和设计中偏保守有一定关系。
(3)由于上述两原因,造成大型转炉的利用系数平均仅为23.92t/(t·d),远低于小转炉的平均水平(65t/(t·d))。
1.4.2产业结构分布
我国中、小型转炉炼钢厂(车间)生产量达到6000万t以上,和前后工序配套的有小高炉、小连铸、小轧机已形成一定的综合生产能力。
中、小型转炉钢厂是在我国钢铁发展的历史中形成的,今后在一段较长的时间应配合我国钢铁行业的产业结构调整政策和优化工艺及调整产品结构的发展战略,搞好扩容改造挖潜,相应提高技术和装备水平,比如适当增设铁水脱硫设施和根据钢种要求增设炉外精炼装置,以求在增产的同时进一步提高钢的质量,扩大冶炼钢种范围,降低消耗,改善环保条件,在市场竞争中继续求得生存发展。
今后应抑制低水平中小型转炉重复建设。
第二章炼钢工程设计
2.1主要设计决定和特点
2.1.1概述
炼钢生产环节在钢铁联合企业中处于整个生产流程的中间地位,起承上启下的作用,可谓钢产品生产的中间纽带。
炼钢环节的任何延误或产量质量波动都会影响前后生产工序的协调运转,所以应当处理好相关的各种问题,为正常生产保持良好的运转秩序打下基础。
新建钢厂要符合国家规定:
1新建钢厂一定要有铁水和处理;
2设计顶底复合吹炼转炉,吹炼时间小于16分钟(本设计选15分钟);
3炉外精炼设施齐全,提高钢的质量;
4全连铸钢厂;
5经济指标先进,生产效益高。
所以现代化转炉炼钢车间必须要设计铁水预处理车间,处理过程在混铁罐或混铁车中进行。
处理车间设在铁厂和钢厂之间,处理后的铁水在加入转炉前要进行扒渣。
炉外精炼是把一般炼钢炉(转炉,电炉)中要完成的部分精炼任务,移到炉外“钢包”或专用容器中进行。
新建大、中型钢铁厂应具有优良的产品质量及良好的市场适应性,炼钢系统适应炼钢新工艺的发展,确定采用“分单元”的炼钢工艺,即转炉前设置铁水预处理设施,其后配备钢水精炼设施的工艺路线。
这样前后工序可以分担转炉的冶炼负担,转炉只作为升温脱碳的粗炼手段,精炼设施完成产品成分的精确调整。
从而改善钢的质量,各工序的配置能最大限度的发挥其主体设备的能力,节约能源和原材料消耗。
2.1.2基本工艺路线
转炉以生产碳素钢、低合金钢为主,也可以生产某些合金结构钢。
应当指出,由于铁水预处理技术和炉外精炼的发展,使得很大一部分优质钢、合金钢可以由转炉熔炼。
所以,“(铁水预处理)脱硫—复吹转炉—精炼—连铸—连轧”的生产工艺路线宜作为今后新建和改建转炉炼钢车间的基本工艺路线。
进行铁水脱硫的优点一是对高炉炼铁系统有好处,能降低高炉焦比和提高炼铁产量,二是能降低炼钢原材料消耗,改善连铸坯质量,为生产无缺陷铸坯创造了条件。
铁水采用现有炼铁系统140t高炉铁水罐从高炉区运来,为了使铁水成分更加均匀以及和转炉生产相匹配,车间设两座混铁炉。
由此确定的炼钢生产基本工艺路线如下:
高炉铁水罐→倒罐站→铁水预处理站→转炉→LF精炼炉→RH钢包真空精炼装置→板坯连铸机
2.1.3炼钢车间系统
(1)铁水预处理系统
设计采用在转炉冲铁水罐内喷吹镁粉的脱硫工艺,此工艺有如下优点:
①程序控制喷吹技术,生产操作灵活。
②处理时间短、处理能力大,脱硫效率高,有利于铁水脱硫工位和转炉一对一匹配生产。
③处理过程温降小(≤10℃)。
④镁粉的价格虽然高,但是由于用量少、铁损低、温降小,总运行成本仍然较低。
⑤系统简单,设备重量轻。
⑥占地厂房面积小,基建投资低。
⑦铁水预处理间脱硫喷粉处理和扒渣处理都设置烟罩,配备除尘系统,以满足环保的要求。
(2)转炉系统
转炉系统在炼钢车间中处于核心地位,其生产能力的好坏直接决定着炼钢车间的生产状况。
转炉采用以下工艺:
①转炉冶炼采用顶底复吹工艺,顶吹氧气,底吹惰性气体(N2/Ar切换),加强熔池搅拌,抑制喷溅,缩短吹炼时间,提高金属收得率和氧气利用率,提高转炉脱磷效率。
②转炉系统主要工艺设备采用基础自动化级和简易的二级计算机控制系统,同时留有今后和三级计算机系统相连的可能,确保炼钢过程必备的安全连锁控制,降低劳动强度,提高劳动生产率。
③转炉设置两套氧枪升降及横移装置,互为备用。
可遥控进行换枪作业,不需要人工干预,换枪过程可在几分钟内完成,达到不间断生产的目的。
④设置专用氮气供应系统,采用溅渣护炉技术,大幅度提高转炉炉龄。
⑤转炉砌炉采用上修炉工艺,投资省,同时避免了下修方式的弊端,安全有保证。
⑥采用强制循环及汽化冷却相结合的烟道系统及一次烟气净化除尘系统,提高烟道寿命,提高烟道寿命,提高蒸汽和煤气回收量,达到节能降耗的目的。
⑦设置钢包在线、线外快速加热烘烤装置,保证红包出钢,生产稳定。
⑧设置完善的二次除尘系统,收集所有散尘点的烟尘,避免环境污染,改善劳动条件,为实现“绿色环保”型生产创造条件。
(3)LF钢包精炼炉系统
到目前为止,已出现了十余种炉外精炼方法,各具特色,有的还在不断改进,朝着多功能方向发展。
本设计采用LF炉精练。
LF炉还具有加热速度快、电极消耗低、冶金模型完善等特点,这些特点对于实际生产时非常重要的。
由于本设计是以转炉及其车间布置为主,有关精炼这方面的内容就不作详细论述了。
2.2生产规模及产品方案
2.2.1生产规模
新建转炉用于向新建的板坯连铸机供应钢水,根据连铸机工序要求,年产合格钢水为300万吨。
2.2.2产品大纲
该厂生产的产品主要以中宽带和中厚板为主,产量分别占142.5万吨和157.7万吨。
中宽带以及中厚板生产的钢种及其代表钢号分别见表2-1和表2-2
表2-1中宽带生产的钢种及其代表钢号表
钢种
牌号
执行标准
比例%
数量(万吨)
碳
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