攀枝花学院本科课程设计（论文） 1 前言
1 前言
1.1 转炉炼钢简介
转炉炼钢（converter steelmaking）是以铁水、废钢、铁合金为主要原料，不借助外加能源，靠铁液本身的物理热和铁液组分间化学反应产生热量而在转炉中完成炼钢过程。转炉按耐火材料分为酸性和碱性，按气体吹入炉内的部位有顶吹、底吹和侧吹；按气体种类为分空气转炉和氧气转炉。碱性氧气顶吹和顶底复吹转炉由于其生产速度快、产量大，单炉产量高、成本低、投资少，为目前使用最普遍的炼钢设备。转炉主要用于生产碳钢、合金钢及铜和镍的冶炼。
1.2 滚珠轴承钢概况
[1]
滚珠轴承钢是指用于制造各种环境中工作的各类滚动轴承圈和滚动体的钢。当轴承高速转动时，滚珠和轴承圈的表面各点都交替地承受载荷，力的变化由零到最大，周期往复地增大和减小。此外，滚珠和轴承圈的表面还会磨损，经受一定的冲击和震动以及润滑介质的腐蚀作用。
根据上述工作条件，对轴承钢的性能提出如下要求： （1） 高的硬度和耐磨性、热处理后不应有软点存在； （2） 高的接触疲劳强度和抗压强度； （3） 良好的韧性； （4） 较高的抗腐蚀性。
为满足这些要求，轴承钢的组织必须非常均匀。用于提高钢的耐磨性的碳化物颗粒应细小而分布均匀。非金属夹杂物的存在，使工件在工作时产生应力集中，对轴承寿命非常不利，因此，对非金属夹杂有非常严格的要求。钢中硫含量应小于0.02%，含磷量应小于0.027%。沿用最久最广泛的轴承钢是高碳铬钢。其中用量最大的是相当于我国GCr15类型的钢种，占滚珠轴承钢总产量的80%以上。
高碳铬钢的含碳量一般为1%左右，铬为0.40~1.7%。为了制造对淬透性要求更高的较大型的轴承，可配加约0.5%的硅和约1%的锰。
我国一般用途的轴承钢，其化学成分如表1-1所示：
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表1-1 轴承钢的化学成分
钢 号 GCr6 GCr9 GCr9SiMn GCr15 GCr15SiMn
C 1.05~1.15 1.00~1.10 1.00~1.10 0.95~1.05 0.95~1.05 Mn 0.20~0.40 0.20~0.40 0.90~1.20 0.20~0.40 0.90~1.20 化学成分（%） Si 0.15~0.35 0.15~0.35 0.40~0.70 0.15~0.35 0.40~0.65 Cr 0.40~0.70 0.90~1.20 0.90~1.20 1.30~1.65 1.30~1.65 ≤0.020 S ≤0.027 P 3
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2.1 原始数据的选取
1．依据国家标准规定的炼钢用生铁化学成分如表2-1[2]，选取铁水、废钢成分如表2-2。
表2-1 国家标准规定的炼钢用生铁化学成分 铁种 铁 号 化 学 成 分 w/% P S Mn 牌号 代号 C Si 一组 二组 三组 一级 二级 特类 一类 二类 ≤0.45 炼04 L04 炼钢用生铁 炼08 L08 ≥3.50 >0.45~0.85 ≤0.30 >0.30~0.50 >0.15 ≤0.15 >0.15~0.25 ≤0.02 >0.02~0.03 >0.03~0.05 >0.85~1.25 炼10 L10 表2-2 铁水、废钢成分（%）
原料 铁水 废钢 C 4.250 0.18 Si 0.85 0.20 Mn 0.580 0.52 P 0.150 0.022 S 0.037 0.025 温度，℃ 1250 25 2．渣料和炉衬成分见表2-3。
表2-3 渣料和炉衬材料成分（%）
种类 石灰 矿石 萤石 CaO 91.0 1.0 SiO2 2.0 5.61 6.0 3.0 2.0 MgO 2.0 0.52 0.58 33.0 38.0 Al2O3 1.5 1.10 1.78 3.0 1.0 S P CaF2 FeO 29.4 Fe2O3 61.8 1.0 烧碱 3.45 5.0 H2O 0.05 2.00 C 5.0 0.05 0.07 0.09 0.55 89.0 白云石 55.0 炉衬 54.0 4
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3．各原料的热熔见表2-4。
表2-4 各材料的热熔
项目 固态平均热熔KJ/Kg·K 生铁 钢 炉渣 炉气 烟尘 矿石 0.745 0.699 1.000 1.046 217.568 271.96 209.20 209.20 209.20 融化潜热KJ/Kg 液（气）态平均热熔KJ/KgK 0.8368 0.8368 1.247 1.136 4.反应的热效应见表2-5。
表2-5 反应的热效应（25℃）
元素 C C Si P Mn Fe Fe Si P2O5 反应 [C]+1/2O2=CO [C]+O2=CO2 [Si]+O2=SiO2 2[P]+5/2O2=P2O5 [Mn]+1/2O2=MnO [Fe]+1/2O2=FeO [Fe]+3/2O2=Fe2O3 SiO2+2CaO=2CaO·SiO2 P2O5+4CaO=4CaO·SiO2 反应热，KJ/Kg 10950 34520 28314 18923 7020 5020 6670 2070 5020 2.2 假设条件
[3]
根据氧气顶吹转炉生产过程假设： （1）炉渣中铁珠量为渣量的8%； （2）喷溅损失为铁水量的1%； （3）熔池中的碳氧化生成90%，10%CO2;
（4）烟尘量为铁水量的1.6%，其中烟尘中FeO=77%，Fe2O3=20%； （5）炉衬侵蚀量为铁水量的0.5%；
（6）炉气温度取1450℃，炉气中自由氧含量为总炉气量的0.5%；
（7）氧气成分：98.5%O2，1.5%N2。
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2.3 冶炼钢种及规格成分
以GCr15为例，其规格成分如下（%）：C0.95~1.05，Si0.15~0.35，Mn0.20~0.40，
P≤0.027，S≤0.020。
2.4 热平衡计算
为了简化计算，取加入炉内的炉料温度均为25℃。
1. 热收入 热收入主要是铁水的物理热和元素氧化的化学热。 （1） 铁水物理热。根据传热原理，由式
Q物=Tf+Qf+CL(T-Tf)
式中 CL、Cs——分别为液态和固态的热容量，KJ/Kg·K； Tf 、T——分别为冷却剂的熔点和熔池温度，K； Qf——为冷却剂的融化潜热，KJ/Kg。
铁水熔点Tf可用式 Tf=1539-Σ[%i]△Tf 式中 [%i]——钢水中元素的含量；
△Tf——1%的i元素使纯铁凝固温度的降低值。
有 Tf=1539-（100×4.25+8×0.85+5×0.58+30×0.15+25×0.037）-4=1089℃ 铁水物理热=100[0.745（1089-25）+217.568+0.8368（1250-1089）]=114497.30KJ
(2) 铁水中元素氧化放热和成渣热。根据表2-5、铁水中元素氧化耗氧量、氧化产物量、终渣质量及成分。数据可计算如下：
C→CO 3.69×10950=40405.5 KJ
C→CO2 0.41×34520=14153.2 KJ Si→SiO2 0.85×28314=24066.9 KJ Mn→MnO 0.41×7020=2878.2 KJ P→P2O5 0.135×18923=2554.6 KJ
Fe→FeO 0.782×5020=3925.6 KJ Fe→Fe2O3 0.033×6670=220.1 KJ SiO2→2CaO·SiO2 2.11×2070=4367.7 KJ P2O5→4CaO·P2O5 0.314×5020=1576.3 KJ 总计 94148.1 KJ （3）烟尘氧化放热。
1.6×（77%×56/72×5020+20%×112/160×6670）=6304.4 KJ (4) 炉衬中碳氧化放热。
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