设计300t的转炉

辽 宁 科 技 学 院

课 程 设 计 说 明 书

课程设计名称： 设计一座公称容量300吨的转炉

指 导 教 师：

班 级： 姓 名：

2010年7月20日

辽宁科技学院课程设计 第 1 页

目录

绪论 .................................................................................................................................................. 2 1 转炉炉型设计............................................................................................................................... 3

1.1 炉型设计 ............................................................................................................................ 3 1.2 主要参数的确定 ................................................................................................................ 3 1.3底部供气构件的设计 ......................................................................................................... 5 2转炉炉衬设计................................................................................................................................ 6

2.1材质的选择 ......................................................................................................................... 6 2.2炉衬的组成和厚度的确定 ................................................................................................. 6 3转炉炉体金属构件设计 ................................................................................................................ 7

3.1炉壳..................................................................................................................................... 7 3.2、支承装置 .......................................................................................................................... 7 3.3转炉重心计算 ................................................................................................................. 8 3.3.1空炉重心计算 .......................................................................................................... 8 3.3.2铁水重心计算 ........................................................................................................ 12 3.4倾动装置 ........................................................................................................................... 12 4转炉氧设计及相关参数计算 .................................................................................................. 13

4.1氧流量计算 ....................................................................................................................... 13 4.2喷头孔数 ........................................................................................................................... 13 4.3理论计算氧压及喷头出口马赫数M .............................................................................. 13 4.4 300t转炉氧喷头尺寸计算 ........................................................................................... 13 4.5 300t转炉氧身尺寸计算 ........................................................................................... 15 结论 ................................................................................................................................................ 17 参考文献 ........................................................................................................................................ 19 致 谢 .......................................................................................................................................... 20

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绪论

氧气转炉炼钢是当前国内外主要的炼钢方法。氧气转炉炼钢至20世纪40年代初问世以来，在世界各国得到了广泛的应用，技术不断进步，设备不断改进，工艺不断完善。在短短的五十几年里，从顶吹发展到底吹、侧吹和复合吹炼。氧气转炉炼钢的飞速发展，使炼钢生产进入了一个崭新的阶段，炼钢产量不断的增加成本不断下降。从目前看来，转炉炼钢可以说是最佳的炼钢方法。

20世纪50年代，在顶吹转炉发展的同时，欧洲就提出过从炉底吹入底吹气体的方法以改善脱磷反应。并称之为复合吹炼法，但是在实际中未能得到应用。底吹转炉的成熟以及70年代后期的有关顶吹和底吹的一些重要研究成果，推动了复合吹炼的的工业应用。1978年，卢森堡阿尔贝德公司在贝尔瓦厂180t转炉上采用了顶底复合吹炼法，即LBE法。这是工业生产中使用复合吹炼法的开始。

从顶吹或底吹的比较中可以看出，混合吹炼系统具有一些既不同于顶吹，也不同于底吹的特点。与顶吹相比复合吹炼的目的在于：

（1）减少熔池的浓度和温度梯度，以改善吹炼的可控性，从而减少喷溅和提高供氧强度；

（2）减少渣和金属过氧化，从而提高钢水和铁合金的收得率；

使吹炼进行得更接*稳，从而改善脱磷和脱硫率，使炉子更适用于生产低碳钢。 （3）与底吹相比，复合吹炼的主要目的在于增加转炉的灵活性和适应性，如增加转炉熔化废钢的能力，这就可以按市场废钢和铁水的比价的变化而改变入炉的废钢量，从而提高经济效益。

LBE炼钢法具有反应速度快，热效率高，又可以用大量的废钢为原料；并克服了顶、底转炉炼钢质量差，品种少的缺点；因而一经问世就显示出巨大的优越性和生命力。因此为了全面了解顶底复合吹转炉各个部分的基本结构、巩固转炉炼钢知识、加强知识的融会贯通、并为毕业设计打好基础等因素，课程设计安排了300吨顶底复吹转炉的设计。

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1 转炉炉型设计

1.1 炉型设计

氧气顶底复吹转炉呈矮胖型，由于底部要吹气体，故应设置喷口，加之公称容量较大，本设计选用转炉炉型为筒球型。

1.2 主要参数的确定

（1）炉容比：是指新炉时转炉的炉膛有效容积与公称容量之比。转炉的炉容比一般取0.9—1.05m³/t，本设计取炉容比为0.95m³/t，原因是转炉的公称容量越大炉容比越小。

(2)高径比：（高宽比）高径比取值范围在1.35—1.65之间，本设计取1.35，原因是转炉的公称容量越大，高径比越小。

（3）熔池直径D：熔池处于平静状态时金属液面的直径。 D=KG t D—熔池直径，m;

K—系数,见表1；

G—新炉金属装入量，t，取公称容量；

t—平均每炉钢纯吹氧时间，min，见表2；

表1 系数K的取值

转炉容量/t K ﹤30 30—100 ﹥100 注 1.85—2.10 1.75—1.85 1.50—1.75 大容量取下限， 小容量取上限 表2 平均每炉钢纯吹氧时间

转炉容量/t 吹氧时间/min ﹤30 301—00 ﹥100 注 16-20 大容量取大值，小容量取小值 12-16 14-18 本设计K取1.6；t取16min；G=300t,

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D=1.6*

300=6.9m 16(4)熔池深度h;熔池处于平静状态时金属液面到炉底的深度。

V池=G／ρ

金=300/7=42.86m³

h=(V池+0.046D³)／(0.79D²)=（42.86+0.046×6.9³）／0.79×6.9 ²=1.54m （5）炉帽尺寸的确定：

①炉口直径d0=0.52D=0.52×6.9=3.6m; ②炉帽倾角θ：取θ=68º； ③取H口=400mm，

炉帽高度H帽；H帽=1／2（D－d0）tanθ+H口 =1／2(6.9-3.6) tan680 +0.40=4.48m;

炉帽部分容积为：V帽=（π／24）（D3-d3 ）tan+(π／4)d0²H口

=87.23m ³;

（6）炉身高尺寸确定： ①炉堂直径D膛=D；

②根据选定的炉容比为0.95，可求出炉子的总容积为 V总=0.95×300=285m ³;

V身=V总﹣V池﹣V帽=285﹣42.86-87.23=154.9m ³； ③炉身高度H身=V身／（πD ²／4）=5.145m； 则炉型内高H内=h+H帽+H身=1.54+4.48+5.145=11.65m； （7）熔池其他尺寸确定：球冠的弓形高度：

h冠=0.15D=0.15×6.9=1.035m;

炉底球冠的曲率半径：R=0.91D=0.91×6.9=6.279m; （8）出钢口尺寸的确定：

①出钢口直径dT=631.75T=631.75300=0.24m;

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②出钢口衬砖外径dST=6dT=6×0.24=1.44m; ③出钢口长度：LT=7dT=7×0.24=1.68m;

④出钢口倾角β：为了缩短出钢口长度，以利维修和减少钢液二次氧化及热损失，θ一般取15 º~20 º，本设计取β=18 º；

1.3底部供气构件的设计

（1）底气用量：底部供给惰性气体,吹炼期供N2，后期改换为氩气，供气强度在

0.03 ~0.12m ³／﹙t •min)范围;

(2)供气构件：本设计选择砖型供气元件，弥散型透气砖。

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2转炉炉衬设计

2.1材质的选择

工作层：选具有耐高温、耐渣侵和耐剥落等优良性能的镁碳砖。 永久层：用烧成镁碳砖或高铝砖。 填充层：焦油镁砂。

2.2炉衬的组成和厚度的确定

炉衬一般由永久层，填充层和工作层组成。

①永久层：紧贴炉壳钢板，厚度115~200mm，其作用是保护炉壳钢板，修炉时不拆除。

②填充层：介于永久层和工作层之间，用焦油镁砂捣打而成，厚度一般 ③80~100mm，作用是减轻工作层受热膨胀是对炉壳钢板的挤压作用。 工作层：厚度600~850mm，被侵蚀损坏后（或余厚约100mm左右）就要更换炉衬. 炉帽 炉身 炉底 永久层厚度：120mm 永久层厚度：120mm 永久层厚度：425mm 工作层厚度：600mm 工作层厚度：750mm 工作层厚度：600mm

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3转炉炉体金属构件设计

3.1炉壳

炉身总厚度=120+750+100=970mm=0.970m 炉壳内径为D壳内=6.9+0.97×2=8.84m 炉底砖衬厚度=600+230+195=1025mm=1.025m 故炉壳内型高度H壳内=1.025+11.65=12.675m

炉身部分选75mm厚的钢板，炉帽和炉底部分选65mm厚的钢板 则：H总=12675+65=12.740m D壳=2*75+8840=8.99m

验算高径比：H总／D壳=12.740/8.990=1.42＞1.35，符合高径比推荐值，因此认为所设计的炉子尺寸基本上是合适的，能够保证转炉的正常冶炼进行。

3.2支承装置

转炉支承装置包括托圈部件，炉体和托圈的连接装置，支持托圈部件的轴承和轴承座。

托圈选取大型转炉部分式焊接托圈 断面形状 矩形 断面高度／mm 断面宽度／mm 盖板厚度／mm 腹板厚度／mm 2500 835 150 70 炉体与托圈的连接选用支撑夹持器，它的基本结构是沿炉壳圆周固接着若干组上、下托架，并用它们夹住托圈的顶面和底部，通过接触面把炉体负荷传给托圈，当炉壳和托圈由于温差而出现不同热变形位移量时，可自由地沿其接触面相对位移。

耳轴：转炉和托圈的全部载荷都通过耳轴经轴承座传给地基，故耳轴应有足够的强度和刚度，耳轴选用钢锻件且直径为1200mm。

耳轴轴承：选用抗摩擦球面滚柱轴承。

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3.3转炉重心计算

（1）计算步骤：

建立一个坐标系，把坐标原点设在炉底外壳的表面上，取炉子的垂直中心线为轴，空炉重心分布在轴上，重心的x坐标为零，整个空炉没有对y轴的力矩。如炉型图： 3.3.1空炉重心计算

（1）计算方法：将整个转炉按不同的几何形状分解成若干个单元体，分别计算出它们的体积和重心，然后根据合力矩整理进行合成，计算出整个空炉重心位置。

（2）计算步骤：

①建立一个坐标系，把坐标原点设在炉底外壳的表面上，取炉子的垂直中心线为轴，空炉重心分布在轴上，重心的x坐标为零，整个空炉没有对y轴的力矩。

②内衬重心的计算：炉帽衬砖可以按照大截锥－小截锥－圆柱体的方式分解 在密度相同时可以用V代替G进行重心计算。 炉帽部分 （1）帽衬部分

即：V帽衬=V大锥－V小锥－V柱

炉帽衬砖质量为：G帽衬=G大锥－G小锥－G柱 =V大锥ρ

=ρ

衬大锥－V小锥ρ

小锥小锥－V柱ρ

柱

（V大锥－V-V柱）

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h=4.48 h0=8.26 h2=0.40 h1=4.08

D1=8.84 D=6.9 d0=3.6 d1=3.6+1.44=5.04 D帽=（180+650）×2＋d0=4.36m V大锥=π／12·h（D1²+D1d1+d1²）

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=π／12×4.48×（8.84 ² +8.84×5.04+5.04 ²） =173.614m ³

V小锥=1/12×3.14×4.08×(6.92+3.62+6.9×3.6)=91.18m3 V柱=（

d0）2h2=4.069m3 2y大锥=h0+h／4×（D1²+2D1d1+3d1 ²）／（D1²+d1 ²+

D1d1）

=8.26+4.48／4×（8.84²+2×8.84×5.04+3×5.04 ²）／（8.84 ²+5.04

²+8.84×5.04）

=10.101m

y小锥=h0+h1／4 （D ²+2Dd0+3d0 ²）／(D ²+d0 ²+Dd0)

=8.26+4.08／4×(6.9 ²+2×6.9×3.6+3×3.6 ²)／（6.9 ²+3.6²+6.9

×3.6）

=9.5766m

y柱=h0+h1+0.5h2=8.26+4.08+0.5×0.40=12.54 m Y帽衬=（G大锥y大锥－G小锥y小锥－G柱y柱）／G帽衬 =（V大锥y大锥－V小锥y小锥－V柱y柱）／V帽衬 =

173.61410.10191.189.57664.06912.5410.5845m

173.61491.184.069（2）帽壳部分

d1=5.04+0.15=5.19 D1=8.99 D=6.9 h=4.48 V帽壳=V钢壳－V大锥

22V钢壳=1/12×3.14×h×(D1+d1+D1d1)=181.015m3

222y钢壳=h0+h/4(D1+2×D1×d1+3×d1)/( D1+ d1+ D1 d1)

2 =15.48m

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Y帽壳=

V帽壳y钢壳V大锥y大锥181.01515.48173.61410.101==10.65

V帽壳181.015173.614圆柱部分

h柱=h身+(h池-h弓)=5.145+(1.54-1.035)=5.69m Y柱=1/2 h柱+ h弓+0.45+0.75×2=5.33m V

衬柱

=π（D

衬/2）

2h

柱-π(D/2)

2h

柱=π（8.84/2）

25.69-π

(6.9/2)25.69=112.421m3

V钢柱=π(D钢/2)h柱-V衬柱 =129.147-112.421=16.726m3 G柱=ρ

衬V衬+ρ

钢V钢=112.4212.8+16.737.8=445.273m3

球冠部分

R=6.279m h=6.279-1.035=5.244mm

V小球=4/3×π×6.2793=1036.43m3 V大球=4/3×π7.4793=1749.34m3 V衬壳=(V大球- V小球 ) ×66.6/360+V三角=131.+16.35=148.24m3 V钢球=4/3×π7.553=1779.38m3 V钢壳=(V钢球-V大球)×66.6/360=5.56m3 V锥=1/3πRh=1/3π3.9625.244=86.071m3

V小冠=V小球66.6/360-V锥=1036.4366.6/360-86.071=105.669m3 y小冠=3/86.91/2+0.45+0.75+0.075=2.993m V衬冠=V小冠+V衬=105.669+148.24=253.909mV钢冠=V衬冠+V钢壳=253.909+5.56=259.469m3

y衬冠=1/2D衬3/8+0.075=1/28.843/8+0.075=1.732m y钢冠=1/2D钢3/8=1/28.993/8=1.6857m

3

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Y衬壳=

V衬冠y衬冠V小冠y小冠V衬壳V钢冠ｙｙ钢冠－V衬冠衬冠V钢壳衬=

253.9091.732105.6692.993=0.377m

148.24259.4691.6857253.9091.732=0.26m

5.56衬Y钢壳=

=

Y底=(V衬ρY帽= （y衬+V壳ρ

钢壳y壳) ／(V衬ρY钢）/（衬+V壳ρ

钢壳)=0.922m

衬V衬Y衬+V

V衬+V钢）=10.106m

Y空炉=(G帽Y衬+G柱Y柱+G底Y底)/(G帽+G柱+G底)=5.26

故空炉重心在炉中心线高5.26m处。故根据经验值预设耳轴位置应在空炉重心100mm之内以上，本设计选100mm，即耳轴位置选为高5.36m。

3.3.2铁水重心计算

铁水可分解为圆柱和球冠体两部分 圆柱部分

y圆柱=炉底厚度+h冠+1／2(h－h冠)

=0.45+0.75+0.075+1.035+1/2(1.54-1.035) =2.5625m

V柱=π(D/2)2h=π(6.9/2)2*0.465 =17.379m3 已求得 y冠 与 V冠

Y铁水=(V柱y柱-V冠y冠)/( V柱+ V冠)=2.99 Y=(G空Y空+G铁水Y铁水)/(G空-G铁水)=3.565

3.4倾动装置

倾动装置选用全悬挂式：结构紧凑，质量轻，占地面积小，运转安全可靠，工作性能好。

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4转炉氧设计及相关参数计算

4.1氧流量计算

氧流量qV:指单位时间通过氧的氧量，m ³／min。 氧流量=（吨钢耗氧量×岀钢量）／吹氧时间。

对普通铁水，每吨钢耗氧量为50 ~57m ³／t，对于高磷铁水，每吨钢耗氧量为62 ~69m ³／t。

4.2喷头孔数

中小型孔数大部分使用三孔喷头，大中型转炉也有使用四孔以上喷头的。

4.3理论计算氧压及喷头出口马赫数M

马赫数和出口速度、滞止氧压之间关系 M 1.5 2.0 2.5 3.0 T出／K 200 161 129 104 α出／（m／s） v出／（m／s） 270 242 216 195 405 485 542 582 P0／MPa 0.371 0.790 1.726 3.711 4.4 300t转炉氧喷头尺寸计算

（1）计算氧流量

取每吨钢耗氧量为57m ³／min，纯吹氧时间为16min，岀钢量取公称容量300t

则：Q=（每吨钢耗氧量×岀钢量）／吹氧时间=（57×300）／16=1068.8m ³／t (2)出口马赫数与喷孔数

选取马赫数M=2.0 喷孔数选为四孔喷头。

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（3）工况氧压

根据等熵流表，当M=2.0时，喷口滞止氧压为：

P0=10.17105Pa

取工况氧压近似等于滞止氧压。 （4）喉口直径

根据等熵流动导出的喷管流量公式： 氧气质量流量

qm={（K／R）·[2／(K+1)](K+1) ／(K－1)} ½ (ATP0) ／T0 ½ K—比热比，双原子气体K=1.4；

R—气体常数，氧气R=259.78J／(kg·K)； P0—氧气的滞止压力，Pa； AT—喉口面积，m ²；

将K=1.4 R=259.78J／(kg·K) P0=1.017MPa T0=290K代入公式： 1068.8／4=1.784×（AT·1.017×106）／267 ½ ① AT=0.25πdT ² ② 将②代入①得：dT=59mm (5)喷孔出口直径

查等熵流表得：A／A0=1.688 则A出=(A／A0) ·AT d处=

4*A出π

d出=

A·dT=1.688×59=76.7mm A0(6)喷孔扩张段长度

扩张半角在4º~6º，可保证气流不脱离孔壁，本设计选用5º。则扩张段长度为

L

扩=（d出－dT）／（2tanα）=(70-54) ／[2tan(5º)]=100.7mm

(7)喷孔喉口直线段长度

取喉口长度LT=5mm

(8)喷孔收缩段长度与其进口直径

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却收缩角α收=50º，则收缩半角为25º； 收缩段长度由作图法确定 L收=118mm。 （9）喷孔倾角β

按经验喷头倾角β=12.8º~15.4º为宜，综合考虑取β=15º。 （10）喷头与喷孔中心分布圆直径d=120mm。

4.5 300t转炉氧身尺寸计算

（1）中心氧管管径：v0取值在40~50m／s,本设计取v0=50m／s,

计算公式：A0=qv工／v0

qv工=P标／P0·T0／T标·qv

P标—标准大气压，1kgf∕cm²；

P0—管内氧气的实际压力，kgf／cm²,用P≈p0； T标—标准温度，273K； T0—管内氧气的实际温度，K； A0—中心氧管的内截面积，m²；

qv工—管内氧气的工况体积流量，m³／s； v0—管内氧气的流速，m／s。 qv工=1068.81290=1.87m³／s

10.17273A0=qv工/v0

4qv工4A0d1===0.219m

πv0π中心氧管壁厚取：24512mm。 验算氧气在钢管内的实际流速

v0=qv工/A0=1.874/（π0.372）=37.6m………………………符合要求 （2）中层套管管径的确定

计算公式： Aj=qvW／vj

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Aj=[π(d22－d1′2)] ／4

Aj—内套间隙面积，m²； qvW—冷却水流量，m³／s；

vj—冷却水进水速度，一般为5~6m／s，本设计取6 m／s。 转炉容量／t qvW／(m³／h) 取qvw=300mAj=

30 60 /h

250 70 120 120 150 150 200 200 250 250 300 250 ~ 300 300=0.013m

63600

中层管的内径

d2=(d1)4Aj/3.14=320mm 中层套管壁厚选34510mm 验算实际流速 Vj=

3004=5.93m ………………………符合要求

36003.14(0.32020.2452)'（3）外层套管管径的确定

AP=qvW／vP d3=d2取qvw=250m3/h AP—外套间隙面积；

vP—回水速度，一般取6 ~7m／s,本设计取7m／s。 Ap=

250=0.00922=99.2cm2

73600'24APπ

外管内径d3=0.3202取3458mm 实际流速

Vp=

40.0099=0.314m=314mm

3.142504=5.92m ……………………………符合要求

3600(0.34520.3142)3.14辽宁科技学院课程设计 第 17 页

结论

通过设计所得转炉各部分结构和数据的结论如下表：

熔池形状 炉容比 圆筒形 0.95 炉口高度 炉口倾角 炉口直径 0.4m 炉帽 总高度 12.74m 熔池深度 炉身 耐火材料厚度 炉膛直径 钢板厚度 耐火材料宽度 出钢口衬砖外径 出钢口长度 出钢口直径 出钢口倾角 内径 断面高度 断面宽度 托圈外径 上、下盖板厚度 内、外腹板厚度 采用正负力矩 =68º 3.6 m 1.54m 5.145m 0.15m 6.90m 0.15m 1.83m 1.14m 1.668m 0.240m 转炉主要参数 总宽度 8.99m 出钢口参数 =18° 7.967m 3.23m 0.753m 10.253 m 0.169m 0.251m 托圈参数 耳轴的力矩 耐火材料 永久层 镁炭砖或高铝砖侧砌而成 炉身厚度 炉底厚度 炉帽厚度 120mm 425mm 120mm 辽宁科技学院课程设计 第 18 页

填充层 焦油镁砂捣打而成 厚度 炉身厚度 炉底厚度 炉帽厚度 100mm 750mm 600mm 600mm 工作层 镁炭砖砌成 冷却设备 耳轴、托圈 炉帽 轴承直径 耳轴轴承 炉壳厚度 采用铸铁盘管水冷炉口 空心通水冷却 1200mm 液压静压轴承 炉帽 炉底厚度 炉身厚度 材质 65mm 75mm 耳轴 金属构件 炉壳 低合金钢如Q235 16Mn 16MnTi 等 托圈 倾动机构 氧身尺寸 内层管直径d1 中层管内径d2 外层管内径d3 中层管下沿到喷头面间隙h 氧喷头主要尺寸 喉口直径 出口直径d出 扩张段长度 收缩段长度 喉口长度的确定 重 心 转炉整体重心 箱形钢板焊接结构中间焊接带孔直立筋板 采用液压传动的倾动机构 219mm 320mm 314mm 5.160mm 59mm 76.7mm 108.7mm 118mm 5mm 5260mm 辽宁科技学院课程设计 第 19 页

参考文献

[1] 金焱．冶金工程专业英语[M]．北京：化学工业出版社，2007,76—． [2] 冯捷，张红文．转炉炼钢生产[M]．北京：冶金工业出版社，2006，1—3,135—161,343—356．

[3] 冯聚和．炼钢设计原理[M]．北京，化学工业出版社，2005,34—80． [4] 王雅贞,张岩,张红文．氧气顶吹转炉炼钢工艺与设备[M]．北京：冶金工业出版社.2007,150—200，202—214．

[5] 吴勉华等．转炉炼钢500问[M]．北京：中国计量出版社，1992，76—88. [6] 李楠．耐火材料与钢铁的反应及对钢质量的影响[M]．北京：冶金工业出版社，2005，32—137．

[7] 干勇等．炼钢—连铸新技术800问[M]．北京：冶金工业出版社，2004． [8] 冯捷,贾艳．转炉炼钢实训[M]．北京：冶金工业出版社，2004 ，1—10． [9] 刘兴中．氧气顶吹转炉炼钢工艺与设备[M]．北京：冶金工业工人视听教材编辑部，1995，50—60．

[10] 郑沛然．炼钢设备与车间设计[M]．北京：冶金工业出版社，1996

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致 谢

通过这次课程设计，让我对转炉有了进一步的了解。这次课程设计可以顺利完成，不是我一个人能够做到的，是所有指导过我的老师，帮助过我的同学和一直关心支持着我的家人对我的教诲、帮助和鼓励的结果。我要在这里对他们表示深深的谢意！

感谢我的指导老师—杜成武老师以及彭可武老师和马贺利老师对我的帮助，没有您的悉心指导就没有这篇论文的顺利完成。在这次课程设计中，耐心的一次次纠正我的不足，帮助我改进，让我可以顺利的完成这次设计。

感谢身边所有的朋友与同学，谢谢你们关照与宽容，与你们一起走过的缤纷时代，将会是我一生最珍贵的回忆。