CN113201624A - 转炉炉底过渡砖的设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转炉炉底过渡砖的设计方法，包括步骤：S1、确定设计参数；S2、圆形炉底区域设计；S3、最下层炉身砖层的下表面相对高度的设计；S4、设计过渡砖为辐射型六面体结构，并根据步骤S2和S3的设计结果，确定过渡砖的尺寸。本发明的转炉炉底过渡砖的设计方法，优化了过渡区了结构，炉底‑熔池、炉身整体性更强，有效分散分解炉底及熔池区热应力，降低炉底及熔池镁碳砖熔损。

Description

转炉炉底过渡砖的设计方法

技术领域

本发明属于冶金行业转炉炉衬技术领域，具体地说，本发明涉及一种转炉炉底过渡砖的设计方法。

背景技术

现有的转炉炉底通常采用“环形设计，返平翻身”，即由炉身镁碳砖、熔池平砌镁碳砖、炉底返平镁碳砖、三角区及圆形炉底镁碳砖组成(结构如图6所示)。圆形炉底与熔池、炉底返平区域结构不严密，存在明显的三角缝区域，增加了钢水渗漏风险；“返平翻身”段对熔钢流的阻力最大，应力集中，镁碳砖熔损快；在后续维护过程中，炉底较难保持“中间凹、边缘凸”的理想状态，复吹搅拌效果不佳，有效复吹比低，且安全生产隐患较大。

而且现有方法设计的过渡砖或砖型单一、整体性不强；或未充分考虑过渡段特点，设计参数单一，单层、层与层间砌筑时切砖、打磨、填充量大。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种转炉炉底过渡砖的设计方法，目的是有效分散分解炉底及熔池区热应力，降低炉底及熔池镁碳砖熔损。

为了实现上述目的，本发明采取的技术方案为：转炉炉底过渡砖的设计方法，包括步骤：

S1、确定设计参数；

S2、圆形炉底区域设计；

S3、最下层炉身砖层的下表面相对高度的设计；

S4、设计过渡砖为辐射型六面体结构，并根据步骤S2和S3的设计结果，确定过渡砖的尺寸。

所述步骤S1中，设置点O为球形炉壳的球心，设置点V、点S、点U、点V’、点S’、点O’、线段VU、线段V’S’、圆锥母线OT、半锥角β和夹角λ，线段VU和线段V’S’与转炉中心线相交且垂直，线段VU为熔池最低液面位置，点V和点S为线段VU与炉身砖的近端所在圆周的两个交点，点U为线段VU与炉身永久层的内壁面的交点，点V’和点S’为线段V’S’与其中一层过渡砖层的两个过渡砖的近端的下边缘分别相交形成的两个交点，点O’为线段V’S’与转炉中心线的交点，点O’位于点V’和点S’中间；点T为半锥角为β的圆锥母线与圆形炉底砖最外环侧面在近端端面上切点，点Q为圆锥母线OT与线段VS的交点，夹角λ为线段VS与圆锥母线OT的夹角。

所述步骤S2中，圆形炉底砖垂直于炉底永久层，所有圆形炉底砖分布在以点O为顶点、半锥角为β的区域内。

所述半锥角β＝5°～30°。

所述步骤S3中，设置最下层炉身砖层的下表面高度为h(以圆形炉底区域最凹处为基准计)，h＝0.5～2.5m。

所述步骤S4包括：

S401、最上层过渡砖层的过渡砖的长度的设计；

S402、过渡砖层的层数和过渡砖的近端的厚度的设计；

S403、过渡砖的远端的厚度、过渡砖的近端及远端上、下边缘长度的设计。

所述步骤S401中，最上层过渡砖层的过渡砖的长度L与炉身砖的长度差值为0-50mm，且使弧线ST与圆形炉底砖的近端端面相切。

所述步骤S402中，以点Q为圆心，以线段QS为半径，则过渡砖层的层数ε＝ST÷AB＝2×π×QS×λ÷360÷AB，其中ST为弧长，AB为过渡砖的近端的厚度；AB在80～150mm范围内进行取值，然后进行初步计算，以过渡砖层的层数ε是整数为原则，对结果进行调整，确定过渡砖近端的厚度AB的最优值。

所述步骤S403中，每层过渡砖层的过渡砖的数量ε’＝π×V’S’÷BB’，其中BB’为过渡砖的近端的下边缘的长度，BB’在80～150mm范围内进行取值，然后进行初步计算，以每层过渡砖层的过渡砖的数量ε’是整数为原则，对结果进行调整，确定过渡砖近端的下边缘长度BB’的最优值；然后根据过渡砖近端的下边缘长度BB’，确定过渡砖的近端的上边缘的长度AA’、过渡砖的远端的上边缘的长度CC’和过渡砖的远端的下边缘的长度DD’，AA’较BB’短0.2～10mm，CC’和DD’在90～200mm范围内进行取值，CC’较DD’短0.2～10mm。

所述步骤S403中，最上层过渡砖层的过渡砖的远端的厚度CD计算：以Q为圆心，最上层过渡砖层的过渡砖的远端的厚度CD＝2×π×QU×λ÷360÷ε，C’D’＝CD；线段AC与线段CD之间的夹角为θ，θ＝arctg[2×L÷(CD-AB)]，L为最上层过渡砖层的过渡砖的长度；在λ角区域内，除最上层过渡砖层的过渡砖外，其它过渡砖层的过渡砖的远端的厚度CD＝2L’×ctgθ+AB，L’为其它过渡砖层的过渡砖的长度。

本发明的转炉炉底过渡砖的设计方法，优化了过渡区了结构，炉底-熔池、炉身整体性更强，有效分散分解炉底及熔池区热应力，降低炉底及熔池镁碳砖熔损。

附图说明

本说明书包括以下附图，所示内容分别是：

图1是转炉的内部结构示意图；

图2是过渡砖的结构示意图；

图3是过渡砖的俯视图；

图4是过渡砖的侧视图；

图5是转炉炉底过渡砖装配图；

图6是现有技术中的转炉炉底结构示意图；

图中标记为：

11、熔池平砌镁碳砖；12、炉底返平镁碳砖；13、圆形炉底镁碳砖；14、三角区；15、炉身镁碳砖；

21、过渡砖；22、圆形炉底砖；23、球形炉壳；24、炉底永久层；25、熔池永久层；26、炉身永久层；27、炉身砖；

101、前端面；102、后端面；202、左端面；201、右端面；301、下端面；302、上端面；

401、最下层过渡砖层；409、第八中间过渡砖层；416、最上层过渡砖层。

具体实施方式

下面对照附图，通过对实施例的描述，对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，目的是帮助本领域的技术人员对本发明的发明构思、技术方案有更完整、准确和深入的理解，并有助于其实施。

如图1至图5所示，本发明提供了一种转炉炉底过渡砖的设计方法，包括步骤：

S1、确定设计参数；

S2、圆形炉底区域设计；

S3、最下层炉身砖层的下表面相对高度的设计；

S4、设计过渡砖为辐射型六面体结构，并根据步骤S2和S3的设计结果，确定过渡砖的尺寸。

具体地说，如图1、图2所和图5所示，转炉炉底过渡砖21由系列砖型组成，其最上层过渡砖层416与炉身砖27贴连，炉身砖27外侧设有炉身永久层26；过渡砖21最下层过渡砖层401与圆形炉底砖22外环贴连，侧下方设熔池永久层25，圆形炉底砖22下方设有炉底永久层24。过渡砖21为辐射型六面体结构，过渡砖21的外表面包括前端面101、后端面102、左端面202、右端面201、下端面301和上端面302，前端面101和后端面102为相对布置，前端面101为过渡砖21的近端的端面，后端面102为过渡砖21的远端的端面，过渡砖21的近端和远端为过渡砖21的长度方向上的相对两端，过渡砖21的近端为过渡砖21上靠近球形炉壳的球心的一端，过渡砖21的远端为过渡砖21上远离球形炉壳的球心的一端，过渡砖21的近端与球形炉壳的球心距离小于过渡砖21的远端与球形炉壳的球心之间的距离。过渡砖21的下端面301和上端面302为过渡砖21的厚度方向上的相对两端端面，过渡砖21的左端面202和右端面201为过渡砖21的宽度方向上的相对两端端面。前端面101、后端面102为梯形面或弧面，左端面202和右端面201均为梯形面，下端面301和上端面302为梯形面或扇形面。

如图2至图4所示，在进行过渡砖21的设计时，过渡砖21的棱长(或弧长)的关系为：BB’＞AA’,DD’＞CC’,CD＞AB，CC’＞AA’，DD’＞BB’；BB’为过渡砖的近端的下边缘的长度(前端面为弧面时，BB’为弧长)，AA’为过渡砖的近端的上边缘的长度(前端面为弧面时，AA’为弧长)，上边缘位于下边缘的上方；CC’为过渡砖的远端的上边缘的长度(后端面为弧面时，CC’为弧长)，DD’为过渡砖的远端的下边缘的长度(后端面为弧面时，DD’为弧长)，上边缘位于下边缘的上方。棱AC和A’C’对称，棱BD和B’D’对称，棱AC和棱CD之间夹角为θ。

作为优选的，在进行过渡砖21的设计时，过渡砖21的长度取值范围为600～1500mm，棱长AB、A’B’的取值范围为80～150mm，棱长AB、A’B’大小相同；棱长CD、C’D’的取值范围为150～250mm，棱长CD、C’D’大小相同；棱长(或弧长)BB’、AA’的取值范围为80～150mm；棱长(或弧长)CC’、DD’的取值范围为90～200mm。

作为优选的，过渡砖21的材质为镁碳材质。

如图1所示，过渡砖层设置多层，所有过渡砖层为从炉身砖最下层开始朝向炉底砖层依次布置，各个过渡砖层设置多个过渡砖，各层的所有过渡砖是以转炉中心线为中心线沿周向布置一圈，最下层过渡砖层的过渡砖与圆形炉底砖最外环侧面贴合，最上层过渡砖层的过渡砖与最下层炉身砖层的炉身砖相接触，炉身砖层也设置多层，所有炉身砖层为沿竖直方向依次布置，位于最下层过渡砖层和最上层过渡砖层之间的为中间过渡砖层。

如图1所示，在上述步骤S1中，设置点O为球形炉壳的球心，设置点V、点S、点U、点V’、点S’、点O’、线段VU、线段V’S’、圆锥母线OT、半锥角β和夹角λ，线段VU和线段V’S’与转炉中心线相交且垂直，线段VU为熔池最低液面位置，点V和点S为线段VU与炉身砖的近端所在圆周的两个交点，点U为线段VU与炉身永久层的内壁面的交点；点V’和点S’为线段V’S’与其中一层过渡砖层的两个过渡砖的近端的下边缘分别相交形成的两个交点，点O’为线段V’S’与转炉中心线的交点，点O’位于点V’和点S’中间；点T为圆形炉底砖的近端端面上的一点，其为半锥角为β的圆锥母线OT与圆形炉底砖最外环侧面在近端端面上切点。圆形炉底砖的近端和远端为圆形炉底砖的长度方向上的相对两端，圆形炉底砖的近端为圆形炉底砖上靠近点O的一端，圆形炉底砖的远端为圆形炉底砖上远离点O的一端，圆形炉底砖的近端与点O之间的距离小于圆形炉底砖的远端与点O之间的距离。点Q为圆锥母线OT与线段VS的交点，夹角λ为线段VS与圆锥母线OT的夹角。半锥角β为圆锥母线OT与转炉中心线之间的夹角。

在上述步骤S2中，圆形炉底砖垂直于炉底永久层，所有圆形炉底砖分布在以点O为顶点、半锥角为β的圆锥形区域内。

作为优选的，半锥角β＝5°～30°，也即半锥角β的角度取值范围为5°～30°，半锥角β的具体大小根据炉型确定。

在上述步骤S3中，设置最下层炉身砖层的下表面高度为h(以圆形炉底区域最凹处为基准计)，h＝0.5～2.5m。也即h的取值范围为0.5～2.5m，h也为转炉熔池最低液面深度。

在上述步骤S4包括：

S401、最上层过渡砖层的过渡砖的长度的设计；

S402、过渡砖层的层数和过渡砖的近端的厚度的设计；

S403、过渡砖的远端的厚度、过渡砖的近端及远端上、下边缘长度的设计。

在上述步骤S401中，最上层过渡砖层的过渡砖的长度L与炉身砖的长度差值为0-50mm，最上层过渡砖层的过渡砖的长度L大于炉身砖的长度，且使弧线ST与圆形炉底砖的近端端面相切为原则确定最上层过渡砖层的过渡砖的长度L，L的取值范围为0.45～1.50m。

在上述步骤S402中，以点Q为圆心，以线段QS为半径，则过渡砖层的总层数ε＝ST÷AB＝2×π×QS×λ÷360÷AB，其中ST为弧长，AB为过渡砖的近端的厚度；AB在80～150mm范围内进行取值，然后进行初步计算，以过渡砖层的层数ε是整数为原则，对结果进行调整，确定过渡砖近端的厚度AB的最优值，也即过渡砖上的棱AB的长度。

在上述步骤S403中，每层过渡砖层的所有过渡砖的数量ε’＝π×V’S’÷BB’，其中BB’为过渡砖的近端的下边缘的长度，BB’在80～150mm范围内进行取值，然后进行初步计算，以每层过渡砖层的过渡砖的数量ε’是整数为原则，对结果进行调整，确定过渡砖近端的下边缘长度BB’的最优值；然后根据过渡砖近端的下边缘的长度BB’，确定过渡砖的近端的上边缘的长度AA’、过渡砖的远端的上边缘的长度CC’和过渡砖的远端的下边缘的长度DD’，AA’较BB’短0.2～10mm，CC’和DD’在90～200mm范围内进行取值，CC’较DD’短0.2～10mm。线段V’S’长度小于VS长度，具体根据炉型尺寸及最上层过渡砖层的过渡砖的长度等决定。

在上述步骤S403中，最上层过渡砖层的过渡砖的远端的厚度CD计算：以Q为圆心，最上层过渡砖层的过渡砖的远端的厚度CD＝2×π×QU×λ÷360÷ε，C’D’＝CD；线段AC与线段CD之间的夹角为θ，θ＝arctg[2×L÷(CD-AB)]，L为最上层过渡砖层的过渡砖的长度；QU的取值由半锥角β及炉型尺寸确定；λ＝90°-β，取值范围为60°～85°。

所有过渡砖层均位于λ角区域内，在λ角区域内，除最上层过渡砖层的过渡砖外，其它过渡砖层的过渡砖的远端的厚度CD＝2L’×ctgθ+AB，L’为其它过渡砖层的过渡砖的长度，L’根据炉型参数决定。

实施例

一种300吨转炉炉底过渡砖结构及设计实例：转炉炉底过渡砖21由系列砖型组成，其最上层过渡砖416与炉身砖27最下层贴连，炉身砖27外侧设有炉身永久层26；过渡砖21系列的最下层过渡砖401与圆形炉底砖22外环贴连，侧下方设熔池永久层25，圆形炉底砖22下方设有炉底永久层24；过渡砖21与炉衬各部分装配见图5。

所述过渡砖21为辐射型六面体结构，前端面101和后端面102为梯形面或弧面AA’向；左端面202和右端面201均为梯形面；下端面301和上端面302为梯形面或扇形面。

所述过渡砖21六面体棱或弧长关系：BB’＞AA’,DD’＞CC’,CD＞AB，CC’＞AA’，DD’＞BB’；棱AC、A’C’，BD、B’D’互相对称，棱AC、CD夹角为θ，具体详见图2至图4。

所述过渡砖21长度为L为600～1500mm，棱AB、A’B’长为80～150mm；棱CD、C’D’长为150～250mm；棱或弧BB’、AA’长为80～150mm；棱或弧CC’、DD’长为90～200mm。

过渡砖21的材质为MT-16A。

转炉炉底过渡砖的设计方法如下：

步骤S1、点O为球形炉壳23球心；水平线段VU为熔池最低液面位置，点V、S为线段VU与最下层炉身砖内侧交点，点U为其与炉身永久层26内侧交点；水平线段V’S’与某层过渡砖21棱或弧BB’交于点V’、S’，与转炉中心线交于O’；圆锥母线OT与线段VS相交于点Q，夹角为λ＝71.33°，点T为圆锥母线OT与圆形炉底砖22最外环侧面在近端端面上切点。

步骤S2、圆形炉底区域设计：圆形炉底砖22垂直于炉底永久层24，分布在以O为顶点、半锥角为β区域内，β＝18.67°。

步骤S3、炉身砖最下层下表面高度设计：熔池最低液面位置，液面深度为h；根据300吨转炉炉型，h＝1582.57mm。

过渡砖21最上层416的长度设计：炉身砖27长900mm，过渡砖21最上层的长度950mm，则QT＝1324.92mm，具体见图5。

过渡砖21系列层数及棱AB设计：以Q为圆心，线段QS为半径，则过渡砖21层数ε＝ST÷AB＝2×π×QS×λ÷360÷AB，其中ST为弧长，AB＝A’B’为棱长，棱长80～150mm，取100mm进行初步计算，ε＝16.48，取过渡砖21系列层数为16，对结果进行调整，最优棱长为103mm。

过渡砖21棱长BB’、AA’、CC’、DD’设计：过渡砖21圆周向块数ε’＝π×V’S’÷BB’，某中间层409处，V’S’＝5885.18mm，其中BB’棱长80～150mm，取104mm进行初步计算，ε’＝177.68，以过渡砖21系列圆周向块数是整数为原则，取176对结果进行调整，确定特定条件下的最优BB’＝104.9mm，同理AA’＝102.9，CC’＝131.3mm，DD’＝134.8mm。

过渡砖21最上层416棱长CD(C’D’)设计：以Q为圆心，过渡砖21最上层棱CD(C’D’)长＝2×π×QU×λ÷360÷ε；QU＝2275.36mm，ε＝16，CD＝176.9mm。

棱AC、CD夹角为θ设计：θ＝arctg[2×950÷(176.9-103)]＝1.53。

过渡砖21棱长CD、C’D’设计：在λ角区域内过渡砖21中间层409棱CD、C’D’长＝2L×ctgθ+AB，其中θ＝1.53，AB＝103mm，当L＝1000mm时，则CD＝180.7mm；过渡砖21最下层401棱CD、C’D’长＝2L×ctgθ+AB，其中θ＝1.53，AB＝103mm，当L＝1100mm，则CD＝188.6mm。

上述300吨转炉炉底过渡砖结构的相关尺寸见表1。

表1一种300吨转炉炉底过渡砖结构θ＝1.53

编号	L	AB	CD	AA’	BB’	CC’	DD’
								401	1100.0	103.0	188.6	103.0	107.3	118.8	126.7
402	1100.0	103.0	188.6	101.5	105.4	119.9	127.1
								403	1120.0	103.0	190.1	101.4	105.0	122.6	129.3
404	1140.0	103.0	191.7	98.7	101.9	121.9	127.9
								405	1185.0	103.0	195.2	90.7	93.4	114.8	120.0
406	1160.0	103.0	193.2	93.6	96.2	119.6	124.4
								407	1090.0	103.0	187.8	98.4	100.8	125.6	130.0
408	1035.0	103.0	183.5	99.1	101.3	126.3	130.2
								409	1000.0	103.0	180.7	102.9	104.9	131.3	134.8
410	980.0	103.0	179.2	103.8	105.5	132.8	135.8
								411	975.0	103.0	178.9	104.3	105.7	134.1	136.6
412	975.0	103.0	178.9	104.2	105.4	134.6	136.6
								413	980.0	103.0	179.2	103.6	104.5	134.4	136.0
414	980.0	103.0	179.2	103.6	104.2	134.9	136.0
								415	960.0	103.0	177.7	105.7	106.1	137.3	138.0
416	950.0	103.0	176.9	104.5	104.6	135.6	135.8

以上结合附图对本发明进行了示例性描述。显然，本发明具体实现并不受上述方式的限制。只要是采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进；或未经改进，将本发明的上述构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.转炉炉底过渡砖的设计方法，其特征在于，包括步骤：

S1、确定设计参数；

S2、圆形炉底区域设计；

S3、最下层炉身砖层的下表面相对高度的设计；

S4、设计过渡砖为辐射型六面体结构，并根据步骤S2和S3的设计结果，确定过渡砖的尺寸。

2.根据权利要求1所述的转炉炉底过渡砖的设计方法，其特征在于，所述步骤S1中，设置点O为球形炉壳的球心，设置点V、点S、点U、点V’、点S’、点O’、线段VU、线段V’S’、圆锥母线OT、半锥角β和夹角λ，线段VU和线段V’S’与转炉中心线相交且垂直，线段VU为熔池最低液面位置，点V和点S为线段VU与炉身砖的近端所在圆周的两个交点，点U为线段VU与炉身永久层的内壁面的交点，点V’和点S’为线段V’S’与其中一层过渡砖层的两个过渡砖的近端的下边缘分别相交形成的两个交点，点O’为线段V’S’与转炉中心线的交点，点O’位于点V’和点S’中间；点T为半锥角为β的圆锥母线与圆形炉底砖最外环侧面在近端端面上切点，点Q为圆锥母线OT与线段VS的交点，夹角λ为线段VS与圆锥母线OT的夹角。

3.根据权利要求2所述的转炉炉底过渡砖的设计方法，其特征在于，所述步骤S2中，圆形炉底砖垂直于炉底永久层，所有圆形炉底砖分布在以点O为顶点、半锥角为β的区域内。

4.根据权利要求3所述的转炉炉底过渡砖的设计方法，其特征在于，所述半锥角β＝5°～30°。

5.根据权利要求2至4任一所述的转炉炉底过渡砖的设计方法，其特征在于，所述步骤S3中，设置最下层炉身砖层的下表面高度为h，h＝0.5～2.5m。

6.根据权利要求2至5任一所述的转炉炉底过渡砖的设计方法，其特征在于，所述步骤S4包括：

S401、最上层过渡砖层的过渡砖的长度的设计；

S402、过渡砖层的层数和过渡砖的近端的厚度的设计；

S403、过渡砖的远端的厚度、过渡砖的近端及远端上、下边缘长度的设计。

7.根据权利要求6所述的转炉炉底过渡砖的设计方法，其特征在于，所述步骤S401中，最上层过渡砖层的过渡砖的长度L与炉身砖的长度差值为0-50mm，且使弧线ST与圆形炉底砖的近端端面相切。

8.根据权利要求7所述的转炉炉底过渡砖的设计方法，其特征在于，所述步骤S402中，以点Q为圆心，以线段QS为半径，则过渡砖层的层数ε＝ST÷AB＝2×π×QS×λ÷360÷AB，其中ST为弧长，AB为过渡砖的近端的厚度；AB在80～150mm范围内进行取值，然后进行初步计算，以过渡砖层的层数ε是整数为原则，对结果进行调整，确定过渡砖近端的厚度AB的最优值。

9.根据权利要求8所述的转炉炉底过渡砖的设计方法，其特征在于，所述步骤S403中，每层过渡砖层的过渡砖的数量ε’＝π×V’S’÷BB’，其中BB’为过渡砖的近端的下边缘的长度，BB’在80～150mm范围内进行取值，然后进行初步计算，以每层过渡砖层的过渡砖的数量ε’是整数为原则，对结果进行调整，确定过渡砖近端的下边缘长度BB’的最优值；然后根据过渡砖近端的下边缘长度BB’，确定过渡砖的近端的上边缘的长度AA’、过渡砖的远端的上边缘的长度CC’和过渡砖的远端的下边缘的长度DD’，AA’较BB’短0.2～10mm，CC’和DD’在90～200mm范围内进行取值，CC’较DD’短0.2～10mm。

10.根据权利要求9所述的转炉炉底过渡砖的设计方法，其特征在于，所述步骤S403中，最上层过渡砖层的过渡砖的远端的厚度CD计算：以Q为圆心，最上层过渡砖层的过渡砖的远端的厚度CD＝2×π×QU×λ÷360÷ε，C’D’＝CD；线段AC与线段CD之间的夹角为θ，θ＝arctg[2×L÷(CD-AB)]，L为最上层过渡砖层的过渡砖的长度；在λ角区域内，除最上层过渡砖层的过渡砖外，其它过渡砖层的过渡砖的远端的厚度CD＝2L’×ctgθ+AB，L’为其它过渡砖层的过渡砖的长度。

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