3.1 转炉炉型设计3.1.1 转炉炉型设计概述（1）公称容量及其表示方法
公称容量（T），对转炉容量大小的称谓，即平时所说的转炉的吨位。它是转炉生产能力的主要标志和炉型设计的重要依据。目前国内外对公称容量的含义的解释还很不统一，归纳起来，大体上有以下三种表示方法：
1)以平均金属装入量（t）表示；
2)以平均出钢量（t）表示；
3)以平均炉产良坯量（t）表示。
在一个炉役期内，炉役前期和后期的装入量或出钢量不同，随着吹炼的进行，炉衬不断地受到侵蚀，熔池不断扩大，装入量增大，所以三种表示方法都是以其平均容量来表示。
这三种表示方法各有其优缺点，以平均金属装入量表示公称容量，便于进行物料平衡和热平衡计算，换算成新炉装入量时也比较方便。
以平均炉产良坯量表示公称容量，便于车间生产规模和技术经济指标的比较，但是在进行炉型设计时需做较复杂的换算。
以平均出钢量表示公称容量则介于两者之间，其产量不受操作方法和浇铸方法的影响，便于炼钢后步工序的设计，也比教容易换算成平均金属装入量和平均炉产良坯量。设计的公称容量与实际生产的炉产量基本一致。所以在进行炉型设计时采用以平均出钢量表示公称容量比较合理。
（2）炉型的定义：
转炉炉型是指转炉炉膛的几何形状，亦即指由耐火材料砌成的炉衬内形。
（3）炉型设计的意义
转炉是转炉炼钢车间的核心设备，炉型及其主要参数对转炉炼钢的生产率、金属收得率、炉龄等技术经济指标都有着直接的影响，炉型设计的是否合理关系到冶炼工艺能否顺利进行的问题，如喷溅问题，除与操作因素有关外，炉型设计是否合理也是个重要因素，并且车间的主厂房高度以及主要设备，像除尘设备，倾动机构设备等都与炉型尺寸密切相关。而且转炉一旦投产使用，炉型尺寸就很难再作改动，因为不论变动直径还是高度都牵涉到耳轴位置，它是与转炉基础联系在一起的，一般不能随意变动。
所以说，设计一座炉型结构合理，满足工艺要求的转炉是保证车间正常生产的前提。而炉型设计又是整个转炉设计的关键。
设计内容：炉型种类的选择；
炉型主要参数的确定；
炉型尺寸设计计算；
炉衬和炉壳厚度的确定；
顶底复吹转炉设计。
3.1.2炉型种类及其选择
吹炼过程中炉膛内进行着极其复杂而又激烈地物理化学反应和机械运动，因此，转炉的炉型必须适应这些反应特点和运动规律，否则就不能保证冶炼过程的正常进行。那么，什么样的炉型才是比较理想的炉型呢？也就是说，炉型具备什么特点才能适应转炉炼钢反应激烈，吹炼速度快的特点呢？
（1）炉型种类的选择原则
选择炉型时应考虑以下几条基本原则：
①炉型应能适应炉内钢液、炉渣和炉气的循环运动规律，使熔池得到激烈而又均匀的搅拌，从而加快炼钢过程的物理化学反应；
②有利于提高供氧强度（B），缩短冶炼时间，减少喷溅，降低金属损耗；
③新砌好的炉子的炉型要尽量接近于停炉以后残余炉衬的轮廓，减少吹炼过程中钢液、炉渣和炉气对炉衬的冲刷侵蚀及局部侵蚀，提高炉龄，降低耐火材料的消耗；
④炉壳应容易制造，炉衬砖的砌筑和维护要方便，从而改善工人的劳动条件，缩短修炉时间，提高转炉作业率。
总之应能使转炉炼钢获得较好的经济效益，优质、高产、低耗。
（2）炉型种类及其选择
目前国内外氧气顶吹转炉所采用的炉型，依据熔池（容纳金属液的那部分容积）的形状不同来区分，炉帽、炉身部位都相同，大体上归纳为以下三种炉型：筒球型、锥球型和截锥型。
a b c
图3－1 转炉常用炉型示意图
a－筒球型；b－锥球型；c－截锥型
①筒球型炉型：该炉型的熔池由一个圆筒体和一个球冠体两部分组成，炉帽为截锥型，炉身为圆筒型。其特点是形状简单，砌砖简便，炉壳容易制造。在相同的熔池直径（D）和熔池深度（h）的情况下，与其它两种炉型相比这种炉型熔池的容积大，金属装入量大，其形状接近于金属液的循环运动轨迹，适用于大型转炉。国外，美国、日本采用的较多，我国120吨和50吨转炉也有采用这种炉型的。如太钢50吨、包钢50吨、攀枝花120吨、本溪120吨、鞍钢150吨都采用了筒球型炉型。
②锥球型炉型（国外又叫橄榄型）：该炉型的熔池由一个倒置截锥体和一个球冠体两部分组成，炉帽和炉身与筒球型炉型相同。其特点是，与同容量的其它炉型相比，在相同熔池深度（h）下，其反应面积大，有利于钢、渣之间的反应，适用于吹炼高磷铁水。熔池形状比较符合钢、渣环流的要求，熔池侵蚀均匀，熔池深度h变化小，新炉炉型接近于停炉后残余炉衬的轮廓，炉型上下对称（橄榄形），空炉重心接近于炉体的几何重心位置，使得转炉的倾动力矩小。
我国中型转炉采用锥球型炉型的比较多，并取得了一些经验，特别是20～80吨转炉，尚未发现明显的缺点。我国的宝钢300吨、马鞍山50吨采用的是锥球型炉型。国外说法不一样，有的认为适合大炉子，像奥地利；有的认为适合于小炉子，像前苏联，产生不同看法的原因，可能是各国的铁水条件（[P]）不一样。这种炉型在国外，德国和日本采用的较多。总的来说，生铁含P较高的国家采用的较多。
③截锥型炉型：该炉型的熔池由一个倒置的截锥体组成。其特点是，形状简单，炉底砌筑简便；其形状基本上能满足于炼钢反应的要求，与相同容量的其它炉型相比，在熔池直径相同的情况下，熔池最深，适用于小型转炉。我国30 吨以下的转炉基本上都是采用截锥型的炉型。国外很少采用这种炉型，主要是大型转炉，小炉子较少。
总之，结合我国已建成的转炉的设计经验，在选择炉型时，可以考虑：
100～200t以上的大炉子，采用筒球型，
50～80t的中型炉子，采用锥球型；
30t以下的小炉子，采用截锥型。
但是也不绝对，还要根据当地的铁水条件，主要是[P]、[S]含量，来考虑确定最合适的炉型。对于顶底复吹转炉，可以采用截锥型炉型。
④大炉膛型炉型：国外还有一种用氧气－喷石灰粉法吹炼高磷铁水的大炉膛的炉型。其特点是：上大下小，具有较大的反应空间，适合于脱磷反应产生大量泡沫渣的需要。
3.1.3 炉型主要参数的确定
由于炼钢生产的因素是复杂多变的和进行高温模拟试验研究相当困难，所以尽管国内、外很多人对炉型设计问题进行过研究，但迄今为止还没有形成一套完整的炉型理论计算公式，不能完全从理论上确定一个理想的炉型和炉型的各部分尺寸参数。现有的设计公式都是属于经验公式。
目前国内各厂在进行炉型设计时，一般都是采用“依炉建炉”的设计方法。即通过考察和总结同类转炉的长期生产情
况和较先进的技术经济指标，结合采用经验公式计算和进行可行的模拟试验，再结合当地条件作适当修改，来确定新炉的炉型尺寸。
由此可知，要真正设计一座转炉必须掌握已投产的同类转炉的设计情况和投产后的使用情况，吸取别人的经验教训作设计。
所以说炉型主要参数的确定方法，也是采用推荐的方法：
①直接推荐各参数的数值范围；
②推荐经验计算公式。
公式很多，不能一一介绍，主要介绍由北京钢铁设计研究总院推荐的一套经验公式。
主要参数包括：V/T、H/D、h/D、d0/D、θ，出钢口参数（d T、β、L T）。
对这些参数的确定需要持慎重态度，在进行炉型设计时，要仔细考虑确定这些参数，才能使设计出来的炉型比较合理，满足工艺要求。
图3－2 炉型主要尺寸示意图
H0－熔池深度；H身－炉身高度；H帽－炉帽高度；H总－转炉总高；
H内－转炉有效高度；D－熔池直径； D壳－炉壳直径；d－炉口直径；
h－熔池深度；d出－出钢口直径；θ－炉帽倾角
（1）炉容比（V/T，容积比或容积系数）
炉容比（V/T）：指新炉时转炉的炉膛有效容积（V）与公称容量（T）的比值（m3/T）
意义：单位公称容量所占有的炉膛有效容积（也叫工作容积）的大小。它是炉型参数中一个最重要的参数，它决定了炉子吹炼容积的大小。炉容比对吹炼操作、喷溅、炉衬寿命都有很大的影响。炉容比的大小是由人为确定的。那么，选择多大的炉容比为合适呢？炉容比与哪些因素有关呢？为了说明这个问题，我们先从两个极端来讨论一下炉容比过小、过大的害处。
1）炉容比过小和过大的害处
①炉容比过小（即反应空间小）
A 因为反应空间过小，满足不了冶炼反应所需要的空间，容易喷溅和溢渣，金属收得率 金降低，操作困难，工人的劳动强度增加。
B 加剧钢、渣对炉衬的冲刷侵蚀，使得炉龄降低。
C 不利于提高供氧强度（B），强化冶炼，限制了生产率的提高，因为供氧强度大，炉容比小，易喷溅。
供氧强度
吨钢耗氧量吹氧时间＝ ②炉容比过大：
炉容比大势必增加炉子高度H （H 还受H/D 的影响），增加厂房高度和倾动力矩。实践证明，炉子高度H 增高1m ，厂房增高2m ，将导致投资增大、设备庞大和电耗增加。
因此说炉容比过大过小都不好，怎么确定V/T 呢？有哪些因素影响V/T 呢？
2）影响炉容比大小的因素：
① 炉子吨位本身的影响 小炉子因炉膛小，操作困难，炉容比应适当大些；
大炉子因炉膛大，容易控制，炉容比应适当小些。
② 铁水成分的影响
如果铁水中Si 、P 、S 高，产生的渣量大，炉容比就应大些，反之炉容比小些。
③ 铁水比的影响
铁水比：铁水占钢铁料的比例；
废钢比：废钢占钢铁料的比例。
铁水比大，则铁水多废钢少，渣量大，炉容比应大些。
④ 供氧强度（B ）的影响
供氧强度大，反应激烈，单位时间内从熔池排出的CO 气体量大，炉容比应大些；否则，产生大量的喷溅，金属收得率金 低。
供氧强度小，反应缓和，炉容比可小些。
⑤ 冷却剂的影响
用矿石冷却，渣量大，炉容比大些；
用废钢冷却，渣量小，炉容比小些。
在考虑了上述诸因素之后，炉容比就可以确定了。
“炼钢工艺设计技术规定”要求转炉新砌炉衬的炉容比（V/T ）应在0.9～0.95m 3/t ，小容量转炉取上限，大容量转炉
取下限。
我国设计部门推荐：炉子越大 ，炉容比越小。
表3－1 不同转炉炉容比
炉容量（t ） 小型转炉<30t 中型转炉30～100t 大型转炉 100～200t >200t
炉容比，m 3/t 1.00~1.05 0.95~1.00 0.90~1.0 0.90~0.95
使用条件：90～95％的铁水比，采用废钢矿石法冷却，使用部颁标准P08生铁，供氧强度（B ）在3～4Nm 3/t ·min
这些参数是72年推荐的，后来建设的转炉的V/T 有增大的趋势，主要原因是采用了较大的供氧强度，就是当时设计炉子的V/T 也比推荐值大些，如太钢50吨的V/T 为0.98，包钢50吨的V/T 为0.99，马钢50t 的V/T 为0.975， 武钢50t 的V/T 为0.95，攀钢120t 的V/T 为1.02，20t 定型设计为1.03，15t 定型设计取1.03～1.21。
上述数据与实际比较接近，通常V/T 在0.90～1.05 。V/T 增大的原因是采用了较大的供氧强度，吹氧时间缩短。 表3－2 国内外部分转炉钢厂曾经使用的供氧强度（三孔）
厂名 公称容量t 供氧强度Nm 3/t ?min
首钢 30 3.4～3.6
上一 30 3.4～3.6
太二 50 2.75～3.1
包钢 50 2.75～3.1
武钢二炼 50 2.85～3.3
攀钢 120 2.5
鞍钢 150
2.45 宝钢 300
～4.4 意大利塔兰托 300
3 日本加古川 250
2.6 德国萨尔茨吉特 200
4
国外采用的炉容比，美国较大，日本次之，德国最小。
炉容比还可以采用经验公式计算： ()
()[]06.010015.010012.05.775.0/213131+++=B P Si C T V （3－1） 式中：C －铁水含碳量(%)
Si －铁水含硅量(%)
P －铁水含磷量(%)
B －供氧强度，m 3/t·min
（2）高宽比H/D
定义：炉子的高度与直径之比。
表示方法内膛/，炉型的高宽比；；/，炉壳的高
宽比H D H D ????????两种表示方法相差一个炉衬厚度。 高宽比是反映炉型形状的另一个重要参数，决定了炉型是瘦长型还是矮胖型。
高宽比随着转炉的发展历史经历了一个马鞍型的发展过程。早期的转炉容量都比较小，多为瘦长型（H/D 大），因为再小的炉子也必须具有一个防止喷溅的起码高度。到了六十年代初期，随着炉容量的逐渐增大，考虑到增大高宽比将增加厂房高度，倾动力矩也变大，所以到了1963～1964年大量转炉都采用了三孔喷枪，喷枪孔数的增加，使得氧气流股与熔池接触面积增大，冲击深度（冲h ）降低，从而使喷溅和熔渣都有所改善，促使当时设计的转炉选择的高宽比为1.1～1.3之间，当时似乎认为矮胖型炉子是以后的发展方向，如美国大湖厂1962年设计270t 转炉的高宽比为1.04，实践证明喷溅严重。
随着转炉炼钢法的日臻完善，人们更多的要考虑长期的经济效益，增大高宽比对减少喷溅和溢渣，提高供氧强度（B ）和金属收得率（金η）都有利。所以在六十年代中期以后，在增大V/T 的同时也相应的增加了高宽比。如新日铁1976年340t 转炉高宽比为1.524，扇岛250 t 转炉高宽比为1.54。
高宽比过小过大有什么害处，取多大的合适？可以从两个极端分析，最后找出高宽比的最佳参数。
1）高宽比过小：炉子太矮→ 喷溅严重。
例如美国国家钢铁公司大湖分厂270t 转炉H/D 为1.04，膛内D H 为1.23，由于喷溅严重，不得不把氧压降到0.5～0.7MPa ，导致吹氧时间延长到40分钟。为了减少喷溅，保持一定高度是非常必要的。增加炉子高度是减少喷溅增加钢水收得率的有效措施。
经验证明，若H/D<1.3则得不到防止喷溅的起码高度，国内高宽比不小于1.3。
2）高宽比过大
①炉膛体积V 由高宽比确定，炉膛体积V 一定，H 大则D 小，反应面积小→ 氧气流股冲刷炉墙→ 炉龄低；
②高宽比大，厂房高度大，基建投资大；
③倾动力矩大→ 倾动电机功率大→ 投资、电耗大。
高宽比过大过小都不好，那么多大的高宽比为合适呢？
合适的高宽比应既保证炉渣的喷溅和起泡需要的高度，又不因炉体过高造成不经济的增加厂房高度和增加倾动力矩。 “炼钢工艺设计技术规定”要求炉壳的高宽比（H/D ）应在1.35～1.65范围，小容量转炉取上限，大容量转炉取下限。
我国设计部门推荐值如表3－3所示： 吨位
25～60 80～130 >130 宝钢300t
膛内D H 2.2～1.85 1.85～1.6 1.6～1.4 1.54
从这些数据可以看出：炉子越小，高宽比越大。有的厂为了减少喷溅，争取较好的操作指标，宁可选用较大的高宽比。 高宽比也可以采用经验公式计算：
H 内/D ＝2.65/T 0.1+0.1B+0.3 （3－2）
式中：H 内/D －炉膛内高直径比
T －公称容量（t ）
B －供氧强度,m 3/t?min
注意：设计时不能用高宽比计算尺寸，而是用高宽比值来校核所设计的炉子是否合理，炉型尺寸另有计算公式。
（3）熔池深度直径比（h/D ）
熔池直径D ：熔池处于平静状态时金属液面的直径。
熔池深度h ：熔池处于平静状态时金属液面到炉底的深度。
h/D 反应了熔池的深浅，讨论h/D 的目的在于确定合适的熔池深度。从吹氧动力学角度考虑，熔池深度应是在一定吹炼条件下，既保证熔池得到良好的搅拌效果，又不致使氧气流股穿透炉底，以达到提高吹炼速度，保护炉底，提高炉龄和安全生产的目的。若熔池过浅，高温反应区接近炉底，钢液对炉底冲刷侵蚀快，易喷溅。熔池过深因搅拌效果差，同样容易喷溅，不利于加快熔池反应。一定容量的转炉应有一个合适的熔池深度，h/D 过大过小都不好。据统计大多数炉子的h/D 在0.23～0.54范围内波动，一般h/D 为0.31～0.33。要根据炉子大小，炉型种类的不同，喷枪类型（单、多孔）原料条件等因素综合考虑来确定h/D 。
熔池深度直径比h/D 也可以用下式计算：
()()31/19.0~17.0/T V K
D h = （3－3）
式中：K －H 内/D
（4）炉口直径比（d 0/D ）
d 0－炉口直径。
炉口直径比的大小决定了炉口的大小，因为在确定炉口直径比之前D 已经确定。
总结已投产的炉子炉口直径比在0.31～0.69范围内波动，多数在0.5左右。
分析：炉口直径比过小，因d 0太小，总铁水加废钢困难，所以从快速装料考虑，希望d 0大些，炉口直径比不小于0.4。但是炉口直径比太大，即炉口直径太大，热损失大，从炉口吸入的冷空气多，喷溅严重，金η低。最不利的还是出钢困难，容易造成钢渣混出。这是转炉出钢最忌讳的一个问题，其危害是钢水回磷和钢流夹渣。
下面结合一个例子来说明为什么说炉口直径比大出钢困难。
美国杨氏顿厂265t 转炉炉口直径比＝0.69，当炉子倾转到90度时炉内的水平容积还剩下19.6m 3，假设渣量按钢水量
的15％计算，则炉渣所占的体积为13.2m 3，还剩下19.6－13.2=4.4m 3盛钢水的容积，约30t 钢水。也就是说，炉内的大部
分钢水是在炉子摇至90度以前流出的，即出钢过程主要是在炉子倾转到90度以前进行的。这样出钢有什么不好呢？
我们知道，为了保证出钢质量，要尽量防止钢、渣混出，为了做到这一点，除了出钢过程应注意外，比如采用挡渣球挡渣出钢，炉型本身应有利于钢渣分离。在出钢过程中，要能够使钢水集中到帽锥处，始终保持出钢口上方的钢水处于最深状态，这样就可以实现钢渣分离，防止钢渣混出。
正确的出钢摇炉过程是：将炉子摇至渣面接近出钢口以后迅速摇过去，直到出钢口处于最低位置停止进炉，即所谓的出钢角。然后保持这个角度至止钢水出净为止。
为了实现这一正确的出钢过程，就必须使炉子倾转到水平角度以前大部分（80％）钢水仍然留在炉内，继续摇炉，炉内钢水全部集中到帽锥处。这样在整个出钢过程中始终保持出钢口上方的钢水最深。因此说炉口直径不那太大（d
/D<0.6），若炉口直径过大，钢水尚未集中到帽锥处以前，渣面就已达到炉口，无法再往前摇炉，再摇，则渣子从炉口流入钢包沾污钢水、只好边出钢边进炉，出钢过程中不能保持出钢口上方的钢水始终处于最深，必然增加了钢渣混出的程度（因钢水流出时有漩涡，钢水容易夹渣）
设计部门推荐d 0/D ＝0.43～0.53；大炉子取下限，小炉子取上限。 炉口直径比也可以用下式计算： ()75.05.0/65.25.0/31
.00++=S T K D d （3－4） 式中：K －H 内/D ；
T －公称容量（t ）；
S －按月最大废钢比。
在具体确定炉口直径大小时，要从快速装料，炉气的顺利逸出，减少喷溅，防止钢渣混出，减少热损失等几个因素综合考虑确定（应能使钢水集中到帽锥处，便于钢渣分离，又不至于窩存钢水过多引起铁水负力距增大）。采用计算机自动控制的转炉还要考虑布置副枪的需要。一般在满足兑铁水加废钢操作顺利的前提下尽量减少炉口直径，以减少热损失。
（5）帽锥角（θ）
指炉帽锥与炉身交接处，炉帽与炉子水平线之间的夹角，如图3－2所示。
确定θ值的原则：
1） 便于炉气逐渐收缩逸出，减少炉气对炉帽衬砖的冲刷侵蚀。
2） 使帽锥段各层砌砖逐渐收缩，缩短砌砖的错台长度，增加砌砖的牢固性。如果θ值太小，砌砖错台太长容易塌落。
从上述两条原则考虑希望θ值大些。但是如果θ太大，势必总增加炉帽长度，因为θtg d D l ?-=2)(0，θ大些炉帽长度会增大，而膛V 一定，炉帽长炉身就短，使得拖圈不好布置。因为拖圈的重心与炉子重心重合，若炉帽太长，重心靠近炉帽，拖圈与炉子难以固定连接。θ太大出钢时还容易从炉口下渣，所以要从几个因素综合考虑确定。
推荐值θ＝60～68o 。大炉子取下限，小炉子取上限。
一般炉帽部分的体积占炉膛体积的30％。
（6）出钢口参数（位置、大小、长度和角度β）
转炉设置出钢口的目的是为了便于出钢时实现钢、渣分离，使炉内钢水以一定的速度和角度流入钢包，阻止炉渣流入钢包内沾污钢水，钢流对包内钢水的冲击搅拌作用有利于在钢包内进行脱氧合金化操作，改善了脱氧效果，促进了夹杂和脱氧产物的上浮，提高了钢水质量，减少了炉渣对包衬的侵蚀提高了钢包的连续使用寿命。
1）出钢口位置
出钢口位置通常设在炉身与炉帽耐火材料的交界处（如图3－3中a ），这样
出钢时钢水能集中到帽锥处，保证了出钢时出钢口上方的钢水始终处于最深状
态，钢水能在一定压力下以较快的流速流出流净，若出钢口设在炉帽或炉身段部
位（如图3－3中b 、c ）①出钢时在出钢口见渣时，炉内还有部分钢水没有流净；
②钢水夹渣。
2）出钢口倾角（β）
定义：炉子处于直立位置时，出钢口中心线与炉子水平线之间的夹角。
出钢口倾角β值的大小，原则上讲应在开堵出钢口方便的情况下尽量减少
β角。国内已建成的炉子一般多数在15～20o 之间，如太钢50t 为19o ，鞍钢150t
为20o ，攀钢150t 为20o 。近几年新建大、中型转炉有些采用0°角。国外也有
不少转炉采用0o 角，如日本新日铁君津厂的220t 、300t ，福山的180t 、250t 、
280t 、300t 都采用了0o 角。
减少出钢口倾角的好处：