钢包设计

250吨钢包设计钢包是连接炼钢和连铸的中间容器，几乎所有的钢水炉外精炼过程都必须在钢包内完成；钢包工况的好坏既影响前道炼钢工序的钢水质量、炉衬寿命、生产节奏；又影响后道精炼和连铸工序的钢水质量、包衬寿命和生产节奏，尤其影响最终钢材产品的内在质量和制造成本。钢包为炼钢生产重要设备之一，炉外精炼技术又对钢包的使用与结构提出了更新更高的要求。钢包的工作条件极为苛刻。内衬承受高温钢水的静压力与出钢时的剧烈冲击，经受急剧的机械冲刷、化学侵蚀和温度的激冷激热作用。随着冶炼工艺的改进与发展，各种二次精炼(钢包精炼)技术的应用对钢包提出更高的要求，诸如钢水的各种(在包中)搅拌，钢水的各种真空处理(精炼)，带有加热功能的二次精炼方法，高碱度渣在钢包精炼中的应用等等，使钢水包内衬长时间与激烈运动中的高温钢水接触，相互作用，钢水包的工作条件更加复杂苛刻。为减少外表面散热，尽量使钢包外表面积最小即接近于球形，圆包状内形的钢包高宽比（砌砖后深度H和上口内径D之比）接近于1，即DH＝1。为了便于在浇注完毕时倾倒出残余钢水和炉渣，和清理取出冷藏的钢与渣块。通常又把钢包内型做成上大下小的（倒锥度)圆锥台形。同理，据上述原则，锥度也不宜太大，一般取15%即高度下降1m时，直径缩减0.15m。作为钢包内衬，隔热层使用轻质粘土砖或一般标准型粘土耐火砖。工作层通常为粘土质耐火砖。为了提高其耐用性(提高使用寿命)，现在耐火工作层多已采用耐火度高、耐化学侵蚀性强以及具有较高时机械冲刷力的优质耐火材料制品来代替。例如，全高铝质耐火砖内衬，全镁质耐火砖衬和新近发展起来的铝镁碳砖衬等。对某些精炼用的钢包，为抵抗熔渣的长时间作用，有的厂家在渣线附近除加大衬砖外，还使用镁砖和镁铬砖修砌。钢包的铸口则常使用高铝质、镁质、镁硅质或铁质耐火材料制作。1、钢包尺寸计算(1)钢包容纳钢水量。钢包的容量应于转炉的最大出钢量相匹配，设钢包的额定容量为()Pt。一般考虑应用10％的过装余量，则钢包内钢水实际容量为0.11.1PPP=1.1×250=275t(2)钢包内渣量。出钢时一般将炉内熔渣全部或绝大部分随钢水水倾入钢包。采用留渣出钢操作者除外，但留渣出钢操作时在钢桶中要新加渣料熔融成新渣层覆盖。渣量一般为金属量的3～5％，设计时取较大比例为15％。即渣量为：P×15%＝0.15P(3)钢包的容积。根据钢包实际容纳金属液与熔渣量计算容积。钢液比容取为0.143/mt，熔渣比容取为0.283/mt。因此，钢与渣的总体积即钢包容积应为：V=0.14×1.1P+0.28×0.15P=0.20P(3m)，若采用DH＝1，锥度为15％，则钢包下部内径(钢包内空间尺寸见图1)：15%HDDH=0.85D图1钢包内空间尺寸钢包的容积按圆锥台计算：22()12HHHVDDDD将HD，0.85HDD带入上式得：30.637VD又因为钢和渣体积为V=0.20P，故30.637D=0.20P11330.20()0.6670.673PDP从而可得钢包基本尺寸与容量的关系使如下:130.667DP；130.667HP；130.567HDP上面三个计算式是根据内衬厚度上下一致的情况下推出的。各部设计过程参考（《钢铁厂设计》下册，李传薪主编P128-129）从而得到各部分参数如图2所示。图2钢包各部分尺寸1)0.11.1dHJDDD1外壳内高H2)211.10.0121.112dDDD外壳全高H=H3)120.071.14bJDDD外壳上部内径D=D+24)221.1420.011.16bbJDDD外壳上部外径D=D+25)30.99HbJD外壳下部内径D=D+26)4321.01bD外壳下部外径D=D说明：(1)盛钢桶砖衬厚度。盛钢桶砖衬包含保温层(外层)与耐火工作层(外层)，一般砌筑总厚度100～250mm。工作层砌砖有多种型式，陈列入标准的盛钢桶衬砖砖型外，可针对专用盛钢桶依据其锥度、直径、高度等参数设计专用衬砖，则砌筑工作更为方便顺利，砌筑质量也较高。钢桶桶壁厚度约等于bJ＝0.07D；dJ：包壁厚度（上下一致），mmD：钢包上部内径，mmbJ:钢包底衬厚度，mm（bJ=0.10D）b：钢包壳壁厚，mm(b=0.01D)d：钢包壳底厚，mm(d=0.012D)砖衬部分加厚则须加以扩大修正，亦即增大σ值方能保证实际容积为0.20P表示为:K×30.637D=0.20P。K为093～0.96的一个系数。意义是砖衬部分加厚使容积减小了4～7％，为弥补容积之不足故在式中乘以系数K并得下部内径0.854HDD（一般为30～60mm，取为45mm）。1/31/30.667(0.930.96)PD～1/31/30.6672500.94D=4.289m0.854HDD=3.466m表1钢包各部分尺寸值参数名称数值(mm)参数名称数值(mm)D4289H42891D48891H47182D49752H47693D4246dJ4294D4332bJ300d51b43上述钢包设计的净空高度为300～400mm,为了适应现代真空冶炼的需要通常增大钢包的净空高度。RH要求钢包的净空达400mm以上即可。本设计中取钢包的净空高度为800mm从而得到钢包的各部分尺寸如下表2所示表2改进后钢包各部分的值参数名称数值(mm)参数名称数值(mm)D4289+120H4289+8001D4889+1371H4718+8002D4975+1392H4769+8003D4246+119dJ4294D4332+121bJ300d51b432、钢包质量钢包质量的精确计算须完成外壳、吊挂耳抽、支撑腿及滑动水口等结构计算后，根据详细图纸进行计算，但由上述已经确定的主要尺寸参数与选材亦可以较粗略地算出钢包的质量。(1)包衬质量。砖衬总体积体积与总质量为：桶壁砖衬体积为:222223[(1.14)(0.99)0.991.14(0.85)0.85]0.21912bDVDDDDDDDD桶底砖衬体积为：23(0.99)0.10.0774dDVDD砖衬总体积:3330.219D0.0770.296DVD衬砖衬总质量(现取平均密度约1.813/tm计算)33333W0.219D0.077D1.810.396D0.139D0.535D衬（2）外壳钢板质量桶底钢板体积：23(1.01)0.0120.014DDD桶壁钢板体积:3(1.161.01)1.1150.010.0392DDDDD外壳钢板质量:33W0.0390.01D7.850.384D壳（3）空钢包质量3WW0.919WD1衬壳，将式130.667DP代入得：10.273WP即空盛钢桶质量约为钢桶额定容量值的27～28％。考虑到其它未计入的钢结构件与耐火砖(塞仔砖或滑板)质量，应增加约10％，则空桶质量为额定容量值的30～31％。103031WP（.～.）（取为30%）1W=0.3×250=75（t）（4）装满钢水与熔渣后的总质量。钢包容量按过装10%计算，渣量为金属量15%计算，则装满钢水和渣后的质量为：2W1.1P0.165P0.273P1.538P=1.538×250=384.5t因此，在选用浇注起重机时，其起重容量应大于2W加门形吊钩的质量。门形吊钩有固定在盛钢桶上(与耳铀饺接)和脱钩式两种，均须计入起重总量。3钢包重心计算计算钢包的重心是为了确定钢包耳轴的高低位置，使装满钢水与熔渣的钢包吊运与浇注过程稳定，无倾翻的危险；又要使其在倾倒出残钢与钢水时不需太费力。计算重心是采用力学常规的计算方法。对于盛钢桶而言，如简化不计浇注操作机构(塞杆或滑动铸口)的质量，即忽略它们在盛钢桶上所引起的重心偏移，则可视盛钢桶桶体，内衬及钢水、熔渣是围绕铅垂轴线完全对称的。故计算重心只考虑坚直方向的距离即可以了。(1)钢桶桶壁砖衬的重心点由计算可得桶壁砖衬重心距上口为：010.487yD(2)盛钢桶底砖衬的重心点由计算可得桶底砖衬重心距上口为：021.05yD(3)外壳侧壁之重心点由计算可得外壳侧壁重心距上口为030.537yD(4)底壳的重心点由计算可得底壳重心距上口为041.106yD(5)渣层的重心点由计算可得渣层重心距上口为050.099yD(6)盛钢桶内金属的重心点由计算可得盛钢桶内金属重心距上口为060.581yD(7)总重心。已知盛钢桶各部分重心的所有数据，总重心就可以求出。因盛钢桶是对称的，所有重心都在对称袖上，根据合力静力矩等于合力静力矩之和的原理，可列出下列方程式：0001010202030300......mmWyWyWyWyWy0W=2W1.538P装满钢水的盛钢桶质量：321.5383.365WD钢水量:331.11.13.3653.702PDD化简得：02.795D0.54D5.175y0y=0.54×4.289=2.316m同时，为了使盛钢桶稳定，必须使耳轴中心线与盛钢桶上缘的距离小于0.54D。同样计算方法，可得空盛钢桶之重心位置00.642`yD，亦即空盛钢桶较盛满钢水、熔渣时重心为低，此时更为稳定，无倾覆之危险。表3钢包各部分参数参数名称数值(mm)参数名称数值(mm)D4409H50891D50261H55182D51142H55693D4365dJ4294D4453bJ300d51b430y2.316参考文献:炼钢厂设计原理下册，李传薪主编转炉炼钢新工艺、新技术与质量控制实用手册金铁城，于阳主编