2 炼钢厂铁水脱硫（KR机械搅拌脱硫装置）设计计算表
序号 计算项目 符号表示 参数来源
一、基础参数计算
1 铁水包容量 V_ladle 设计值
2 铁水密度 ρ_iron 设计值
3 铁水包有效容积 V_effective 计算值
4 铁水包内径 D_ladle 设计值
5 铁水包高度 H_ladle 计算值
6 铁水初始硫含量 S_initial 设计值
7 铁水目标硫含量 S_target 设计值
8 铁水初始温度 T_initial 设计值
9 铁水粘度 μ_iron 查表值
10 铁水比热容 c_p_iron 查表值
11 环境温度 T_ambient 设计值
12
大气压力 P_atm 设计值
13 设计寿命 Life_design 设计值
14
年作业炉次 N_year 设计值
15 总作业炉次 N_total 计算值
二、搅拌系统设计计算
16 搅拌桨直径 D_agitator 计算值
17 搅拌桨直径验证 D_verify 计算值
18 搅拌桨长度 L_agitator 计算值
19 搅拌桨桨叶宽度 W_agitator 计算值
20 搅拌桨桨叶数量 n_blade 选用值
21 搅拌雷诺数 Re 计算值
22
功率准数 Np 查表值
23 搅拌功率 P_agitator 计算值
24 搅拌功率验证 P_verify 计算值
25 搅拌桨转速 N_agitator 计算值
26 搅拌转速验证 N_verify 计算值
27 搅拌线速度 v_agitator 计算值
28 搅拌线速度验证 v_verify 计算值
29 搅拌混合时间 t_mix 计算值
30
混合时间验证 t_verify 计算值
31 搅拌桨材质 M_agitator 选用值
32 搅拌桨重量 W_agitator 计算值
33 搅拌轴直径 D_shaft 计算值
34 搅拌轴材质 M_shaft 选用值
35 搅拌轴重量 W_shaft 计算值
三、耐材设计计算
36
耐材类型 Lining_type 选用值
37 耐材密度 ρ_lining 设计值
38
耐材导热系数 λ_lining 查表值
39
耐材许用温度 T_lining_max 设计值
40
耐材侵蚀速率 v_erosion 计算值
41
侵蚀速率验证 v_verify 计算值
42 总侵蚀量 E_total 计算值
43
包衬设计厚度 t_lining 计算值
44
包衬厚度验证 t_verify 计算值
45
包衬工作层厚度 t_working 选用值
46
包衬永久层厚度 t_permanent 选用值
47
包衬总厚度 t_total 计算值
48
包衬重量 W_lining 计算值
49
包衬热损失 Q_lining_loss 计算值
50 热损失验证 Q_verify 计算值
51
包衬使用寿命 Life_lining 计算值
52
使用寿命验证 Life_verify 计算值
53
耐材膨胀系数 α_lining 查表值
54 热膨胀量 ΔL_lining 计算值
55
膨胀量验证 ΔL_verify 计算值
四、脱硫剂用量计算
56 脱硫反应方程式 Reaction 选用值
57
石灰脱硫剂纯度 Purity_CaO 设计值
58 镁粉脱硫剂纯度 Purity_Mg 设计值
59 钙硫比 Ca/S 选用值
60 镁硫比 Mg/S 选用值
61
硫脱除量 ΔS 计算值
62
石灰理论用量 G_CaO_theory 计算值
63
石灰实际用量 G_CaO_actual 计算值
64 镁粉理论用量 G_Mg_theory 计算值
65 镁粉实际用量 G_Mg_actual 计算值
66 脱硫剂总用量 G_total 计算值
67 脱硫剂单耗 Consumption 计算值
68 单耗验证 Consumption_verify 计算值
69 石灰年消耗量 G_CaO_year 计算值
70 镁粉年消耗量 G_Mg_year 计算值
71
脱硫剂年总消耗
量
G_total_year 计算值
72 脱硫反应热 ΔH_reaction 查表值
73 脱硫反应热效应 Q_reaction 计算值
74
反应热验证 Q_verify 计算值
五、铁水温降核算
75 搅拌热损失 Q_stir_loss 计算值
76
包衬热损失 Q_lining_loss_total 计算值
77
反应热损失 Q_reaction_loss 计算值
78 总热损失 Q_total_loss 计算值
79 铁水温降 ΔT 计算值
80 温降验证 ΔT_verify 计算值
81 铁水终温 T_final 计算值
82 终温验证 T_final_verify 计算值
83 环境热损失 Q_env_loss 计算值
84
修正总热损失
Q_total_loss_correc
ted
计算值
85
修正温降 ΔT_corrected 计算值
86
修正终温 T_final_corrected 计算值
87
修正终温验证
T_final_corrected_v
erify
计算值
88 热损失率 Loss_rate 计算值
89 热损失率验证 Loss_rate_verify 计算值
六、强度校核计算
90 搅拌桨应力 σ_agitator 计算值
91 搅拌桨许用应力 [σ]_agitator 查表值
92 搅拌桨安全系数 n_agitator 计算值
93 搅拌桨强度验证 Strength_verify 计算值
94 搅拌轴应力 σ_shaft 计算值
95 搅拌轴许用应力 [σ]_shaft 查表值
96 搅拌轴安全系数 n_shaft 计算值
97 搅拌轴强度验证
Shaft_strength_veri
fy
计算值
98 铁水包壳体应力 σ_ladle 计算值
99 铁水包许用应力 [σ]_ladle 查表值
100 铁水包安全系数 n_ladle 计算值
101 铁水包强度验证
Ladle_strength_veri
fy
计算值
102 钢结构框架应力 σ_frame 计算值
103 钢结构许用应力 [σ]_frame 查表值
104 钢结构安全系数 n_frame 计算值
105 钢结构强度验证
Frame_strength_veri
fy
计算值
七、防腐设计计算
106
腐蚀环境 Environment 选用值
107
腐蚀速率 v_corrosion_steel 查表值
108 设计寿命 Life_design 设计值
109 总腐蚀量 C_total_corrosion 计算值
110
腐蚀余量 C_corrosion 选用值
111 内壁防腐措施 Inner_corrosion 选用值
112 外壁防腐措施 Outer_corrosion 选用值
113
涂料类型 Paint_type 选用值
114 涂料厚度 t_paint 选用值
115
涂料耐温性 Paint_temp 选用值
116
涂料使用寿命 Paint_life 选用值
117
涂料维护周期 Paint_maintenance 选用值
118 搅拌桨防腐措施 Agitator_corrosion 选用值
119 管道防腐措施 Pipe_corrosion 选用值
120
不锈钢材质 Stainless_type 选用值
121
不锈钢使用寿命 Stainless_life 选用值
122
防腐检查周期 Inspection_cycle 选用值
123
腐蚀监测方式 Monitoring 选用值
124
腐蚀监测周期 Monitoring_cycle 选用值
八、性能验证
125 脱硫效率 η_desulfurization 计算值
126 脱硫效率验证 η_verify 计算值
127 搅拌效率 η_mixing 计算值
128 搅拌效率验证 η_mixing_verify 计算值
129
耐材寿命验证 Lining_life_verify 计算值
130 温降验证 ΔT_verify_final 计算值
131 强度验证
Strength_verify_fin
al
计算值
132
防腐验证
Corrosion_verify_fi
nal
计算值
133 设备总重量验证 Weight_verify 计算值
134 综合性能评价 Evaluation 选用值
135 运行成本验证 Cost_verify 计算值
计算公式 国际单位 计算结果
V_ladle=150 t 150
ρ_iron=7000
kg/m³ 7000
V_effective=V_ladle×1000/ρ_iron
m³
D_ladle= m
H_ladle=V_effective/(π×(D_ladle/2)²) m
S_initial= %
S_target= %
T_initial=1350 ℃ 1350
根据温度查铁水性质表 Pa·s
根据温度查铁水性质表 kJ/(kg·℃)
T_ambient=25 ℃ 25
P_atm=101325 Pa 101325
Life_design=15 年 15
N_year=3000 炉/年 3000
N_total=Life_design×N_year 炉 45000
D_agitator=×D_ladle m
D_agitator≤×D_ladle - 满足
L_agitator=×H_ladle m
W_agitator=×D_agitator m
n_blade=4 - 4
Re=ρ_iron×N_agitator×D_agitator²/(60×μ_iron) - ×10^6
根据Re和桨型查图表 -
P_agitator=Np×ρ_iron×N_agitator³×D_agitator^5/(1000×60³) kW
P_agitator≤200kW - 满足
N_agitator=(P_agitator×1000×60³/(Np×ρ_iron×D_agitator^5))^(1/3) r/min
N_agitator≤50r/min - 满足
v_agitator=π×D_agitator×N_agitator/60 m/s
v_agitator≤3m/s - 满足
t_mix=120×(V_effective^(1/3))/(N_agitator×D_agitator) s
t_mix≤60s - 满足
耐热合金钢 - 耐热合金钢
W_agitator=π×D_agitator×L_agitator×W_agitator×t_agitator×ρ_steel kg 1250
D_shaft=(16×T/(π×[τ]))^(1/3) m
40CrNiMoA - 40CrNiMoA
W_shaft=π×(D_shaft/2)²×L_shaft×ρ_steel kg 850
镁碳砖 - 镁碳砖
ρ_lining=2800
kg/m³ 2800
根据温度查耐材手册 W/(m·℃)
T_lining_max=1700 ℃ 1700
v_erosion=×v_agitator×(T_initial-1300)
mm/炉
v_erosion≤ - 满足
E_total=v_erosion×N_total mm 6390
2 炼钢厂铁水脱硫（KR机械搅拌脱硫装置）设计计算表
一、基础参数计算
二、搅拌系统设计计算
三、耐材设计计算
t_lining=E_total/1000+ m
t_lining≥ - 满足
t_working= m
t_permanent= m
t_total=t_working+t_permanent m
W_lining=π×(D_ladle+t_total)×H_ladle×t_total×ρ_lining kg 14500
Q_lining_loss=2×π×λ_lining×H_ladle×(T_initial-
T_ambient)/ln((D_ladle+2×t_lining)/D_ladle)
kW 125
Q_lining_loss≤150kW - 满足
Life_lining=t_working×1000/v_erosion 炉 1408
Life_lining≥1000炉 - 满足
根据耐材查手册 10^-6/℃ 12
ΔL_lining=α_lining×(T_initial-T_ambient)×H_ladle m
ΔL_lining≤ - 满足
CaO+S→CaS+O，Mg+S→MgS - CaO+S→CaS+O
Purity_CaO=90 % 90
Purity_Mg=95 % 95
Ca/S= -
Mg/S= -
ΔS=V_ladle×1000×(S_initial-S_target)/100 kg
G_CaO_theory=ΔS×(Ca/S)×56/32 kg
G_CaO_actual=G_CaO_theory/(Purity_CaO/100) kg
G_Mg_theory=ΔS×(Mg/S)×24/32 kg
G_Mg_actual=G_Mg_theory/(Purity_Mg/100) kg
G_total=G_CaO_actual+G_Mg_actual kg
Consumption=G_total/V_ladle kg/t
Consumption≤4kg/t - 满足
G_CaO_year=G_CaO_actual×N_year/1000 t/年
G_Mg_year=G_Mg_actual×N_year/1000 t/年
G_total_year=G_total×N_year/1000 t/年
根据反应查热力学手册 kJ/mol -460
Q_reaction=ΔS×1000/32×ΔH_reaction kJ
Q_reaction≤0 - 满足
Q_stir_loss=P_agitator×3600 kJ 657000
Q_lining_loss_total=Q_lining_loss×3600 kJ 450000
Q_reaction_loss=abs(Q_reaction) kJ
Q_total_loss=Q_stir_loss+Q_lining_loss_total+Q_reaction_loss kJ
ΔT=Q_total_loss/(V_ladle×1000×c_p_iron) ℃
ΔT≤20℃ - 满足
T_final=T_initial-ΔT ℃
T_final≥1300℃ - 满足
Q_env_loss=×Q_total_loss kJ
Q_total_loss_corrected=Q_total_loss+Q_env_loss kJ
ΔT_corrected=Q_total_loss_corrected/(V_ladle×1000×c_p_iron) ℃
四、脱硫剂用量计算
五、铁水温降核算
T_final_corrected=T_initial-ΔT_corrected ℃
T_final_corrected≥1300℃ - 满足
Loss_rate=Q_total_loss_corrected/(V_ladle×1000×c_p_iron×T_initial)×1
00
%
Loss_rate≤2% - 满足
σ_agitator=M_max/(W_section) MPa
根据材质查手册 MPa 120
n_agitator=[σ]_agitator/σ_agitator -
n_agitator≥ - 满足
σ_shaft=sqrt((32×M/(π×D_shaft³))²+4×(16×T/(π×D_shaft³))²) MPa
根据材质查手册 MPa 110
n_shaft=[σ]_shaft/σ_shaft -
n_shaft≥ - 满足
σ_ladle=P_atm×D_ladle/(2×t_ladle) MPa
根据材质查手册 MPa 100
n_ladle=[σ]_ladle/σ_ladle -
n_ladle≥ - 满足
σ_frame=F_total/A_frame MPa
根据材质查手册 MPa 120
n_frame=[σ]_frame/σ_frame -
n_frame≥ - 满足
高温腐蚀环境 - 高温腐蚀环境
根据材质和环境查腐蚀手册 mm/年
15 年 15
C_total_corrosion=v_corrosion_steel×Life_design mm
2 mm 2
耐高温防腐涂料 -
耐高温防腐涂
料
耐候防腐涂料 - 耐候防腐涂料
有机硅耐高温涂料 -
有机硅耐高温
涂料
300 μm 300
1200 ℃ 1200
10 年 10
10 年 10
耐热合金钢 - 耐热合金钢
不锈钢 - 不锈钢
316L - 316L
30 年 30
1 年 1
挂片法 - 挂片法
1 年 1
六、强度校核计算
七、防腐设计计算
八、性能验证
η_desulfurization=(S_initial-S_target)/S_initial×100 % 90
η_desulfurization≥85% - 满足
η_mixing=(1-t_mix/60)×100 %
η_mixing≥20% - 满足
Life_lining≥1000炉 - 满足
ΔT≤20℃ - 满足
所有部件安全系数≥ - 满足
C_corrosion≥C_total_corrosion - 满足
W_total≤100t - 满足
优秀 - 优秀
运行成本≤50元/t铁水 - 满足
参数说明 规范依据 其他说明
铁水包有效容量 设计任务书 有效容量150t
铁水密度 设计经验 铁水密度7000kg/m³
铁水包有效容积 容积计算 V_effective=V_ladle×1000/ρ_iron
铁水包内径 设计经验 铁水包内径
铁水包高度 高度计算 H_ladle=V_effective/(π×(D_ladle/2)²)
铁水初始硫含量 设计任务书 初始硫含量%
铁水目标硫含量 设计任务书 目标硫含量%
铁水初始温度 设计任务书 初始温度1350℃
1350℃铁水粘度 铁水性质手册 查铁水粘度表
铁水比热容 铁水性质手册 查铁水比热容表
环境温度 设计要求 室内环境温度25℃
大气压力 设计要求 标准大气压
设备设计寿命 设计要求 使用寿命15年
年作业炉次 设计经验 年作业3000炉次
总作业炉次 总炉次计算 N_total=Life_design×N_year
搅拌桨直径 相似理论 D_agitator=×D_ladle
搅拌桨直径验证 YB/T 4183-2009 ≤
搅拌桨长度 设计经验 L_agitator=×H_ladle
搅拌桨桨叶宽度 设计经验 W_agitator=×D_agitator
搅拌桨桨叶数量 设计经验 4叶搅拌桨
搅拌雷诺数 雷诺数公式 Re=ρ×N×D²/(60×μ)
功率准数 搅拌手册 查功率准数表
搅拌驱动功率 功率公式 P_agitator=Np×ρ×N³×D^5/(1000×60³)
搅拌功率验证 设计要求 ≤200kW
搅拌桨转速 转速计算 N_agitator=(P×1000×60³/(Np×ρ×D^5))^(1/3)
搅拌转速验证 YB/T 4183-2009
搅拌桨线速度 线速度计算 v_agitator=π×D×N/60
线速度验证 设计经验
铁水混合时间 混合时间公式 t_mix=120×(V^(1/3))/(N×D)
混合时间验证 设计要求 ≤60s
搅拌桨材质 设计要求 耐热合金钢材质
搅拌桨重量 重量计算 t_agitator=，ρ_steel=7850kg/m³
搅拌轴直径 轴强度计算 T=P_agitator×9550/N_agitator，[τ]=80MPa
搅拌轴材质 设计要求 40CrNiMoA合金钢
搅拌轴重量 重量计算 L_shaft=4m，ρ_steel=7850kg/m³
铁水包衬耐材类型 设计经验 镁碳砖耐侵蚀
镁碳砖密度 耐材手册 镁碳砖密度2800kg/m³
镁碳砖导热系数 耐材手册 查导热系数表
镁碳砖最高使用温度 耐材手册 最高使用温度1700℃
包衬耐材侵蚀速率 侵蚀速率公式 v_erosion=×v×(T-1300)
侵蚀速率验证 设计经验
15年总侵蚀量 总侵蚀量计算 E_total=v_erosion×N_total
2 炼钢厂铁水脱硫（KR机械搅拌脱硫装置）设计计算表
一、基础参数计算
二、搅拌系统设计计算
三、耐材设计计算
铁水包衬设计厚度 厚度计算 t_lining=E_total/1000+余量
厚度验证 设计要求 ≥
工作层厚度 设计要求 工作层厚度
永久层厚度 设计要求 永久层厚度
包衬总厚度 总厚度计算 t_total=t_working+t_permanent
包衬总重量 重量计算 W_lining=π×(D+t)×H×t×ρ
包衬热损失 热损失公式 Q_lining_loss=2×π×λ×H×ΔT/ln(D2/D1)
热损失验证 设计要求 125kW≤150kW
包衬使用寿命 寿命计算 Life_lining=t_working×1000/v_erosion
使用寿命验证 设计要求 1408炉≥1000炉
镁碳砖膨胀系数 耐材手册 查膨胀系数表
包衬热膨胀量 热膨胀计算 ΔL_lining=α×ΔT×H
膨胀量验证 设计要求 ≤
脱硫反应方程式 化学手册 主要脱硫反应
石灰中CaO含量 设计要求 石灰纯度90%
镁粉中Mg含量 设计要求 镁粉纯度95%
钙硫摩尔比 设计经验 钙硫比
镁硫摩尔比 设计经验 镁硫比
每炉硫脱除量 脱除量计算 ΔS=V×1000×(S_initial-S_target)/100
石灰理论用量 化学计量方程 G_CaO_theory=ΔS×(Ca/S)×M_CaO/M_S
石灰实际用量 实际用量计算 G_CaO_actual=G_CaO_theory/(Purity_CaO/100)
镁粉理论用量 化学计量方程 G_Mg_theory=ΔS×(Mg/S)×M_Mg/M_S
镁粉实际用量 实际用量计算 G_Mg_actual=G_Mg_theory/(Purity_Mg/100)
脱硫剂总用量 总用量计算 G_total=G_CaO_actual+G_Mg_actual
每吨铁水脱硫剂单耗 单耗计算 Consumption=G_total/V_ladle
单耗验证 设计要求
石灰年消耗量
年消耗计算 G_CaO_year=G_CaO_actual×N_year/1000
镁粉年消耗量 年消耗计算 G_Mg_year=G_Mg_actual×N_year/1000
脱硫剂年总消耗量 年总消耗计算 G_total_year=G_total×N_year/1000
脱硫反应焓变 热力学手册 ΔH=-460kJ/mol
脱硫反应热效应 热效应计算 Q_reaction=ΔS×1000/32×ΔH_reaction
反应热验证 热力学原理 放热反应，Q<0
搅拌过程热损失 热损失计算 Q_stir_loss=P×3600
包衬总热损失 总热损失计算 Q_lining_loss_total=Q_lining_loss×3600
脱硫反应热损失 反应热损失计算 Q_reaction_loss=abs(Q_reaction)
总热损失 总热损失计算 Q_total_loss=Q_stir+Q_lining+Q_reaction
脱硫过程温降 温降计算 ΔT=Q_total/(V×1000×c_p)
温降验证 设计要求 ℃≤20℃
铁水最终温度 终温计算 T_final=T_initial-ΔT
终温验证 设计要求 ℃≥1300℃
环境热损失 环境热损失计算 Q_env_loss=×Q_total_loss
修正总热损失 修正热损失计算 Q_total_loss_corrected=Q_total_loss+Q_env_loss
修正温降 修正温降计算 ΔT_corrected=Q_total_corrected/(V×1000×c_p)
四、脱硫剂用量计算
五、铁水温降核算
修正铁水终温 修正终温计算 T_final_corrected=T_initial-ΔT_corrected
修正终温验证 设计要求 ℃≥1300℃
热损失率 热损失率计算 Loss_rate=Q_total/(V×1000×c_p×T_initial)×100
热损失率验证 设计要求 %≤2%
搅拌桨最大应力 应力计算 M_max=P_agitator×L_agitator，W_section=³
搅拌桨许用应力 材料手册 查许用应力表
搅拌桨安全系数 安全系数计算 n_agitator=[σ]/σ
搅拌桨强度验证 GB 50017-2017 ≥
搅拌轴合成应力 合成应力计算 σ_shaft=sqrt(σ_b²+4×τ²)
搅拌轴许用应力 材料手册 查许用应力表
搅拌轴安全系数 安全系数计算 n_shaft=[σ]/σ
搅拌轴强度验证 GB 50017-2017 ≥
铁水包壳体应力 壳体应力计算 σ_ladle=P×D/(2×t)
铁水包许用应力 材料手册 查许用应力表
铁水包安全系数 安全系数计算 n_ladle=[σ]/σ
铁水包强度验证 GB 150-2011 ≥
钢结构框架应力 框架应力计算 F_total=W_total×，A_frame=²
钢结构许用应力 材料手册 查许用应力表
钢结构安全系数 安全系数计算 n_frame=[σ]/σ
钢结构强度验证 GB 50017-2017 ≥
设备腐蚀环境 运行环境 高温铁水的腐蚀环境
碳钢在高温环境中的腐蚀速
率
腐蚀手册 查腐蚀速率表
设备设计寿命 设计要求 使用寿命15年
15年总腐蚀量 腐蚀量计算 C_total_corrosion=v_corrosion×Life_design
设备腐蚀余量 设计要求 总腐蚀量，余量2mm
设备内壁防腐措施 设计经验 采用耐高温防腐涂料
设备外壁防腐措施 设计经验 采用耐候防腐涂料
内壁防腐涂料类型 设计经验 有机硅涂料耐高温
防腐涂料厚度 设计要求 三道涂料，总厚度300μm
涂料耐温温度 涂料参数 有机硅涂料耐温1200℃
涂料使用寿命 设计经验 有机硅涂料使用寿命10年
涂料维护周期 设计经验 每10年重新涂刷一次
搅拌桨防腐措施 设计要求 耐热合金钢材质耐腐蚀
烟气管道防腐措施 设计经验 不锈钢管道耐腐蚀
不锈钢材质 设计要求 316L不锈钢
不锈钢使用寿命 设计经验 316L不锈钢使用寿命30年
防腐检查周期 设计要求 每年检查一次防腐情况
腐蚀监测方式 设计经验 采用挂片法监测腐蚀速率
腐蚀监测周期 设计要求 每年更换一次挂片
六、强度校核计算
七、防腐设计计算
八、性能验证
脱硫效率 脱硫效率计算
η_desulfurization=(S_initial-
S_target)/S_initial×100
脱硫效率验证 设计要求 90%≥85%
搅拌混合效率 搅拌效率计算 η_mixing=(1-t_mix/60)×100
搅拌效率验证 设计要求 %≥20%
耐材寿命验证 设计要求 1408炉≥1000炉
温降验证 设计要求 ℃≤20℃
强度验证 相关规范 所有部件安全系数均满足要求
防腐验证 设计要求 2mm≥
总重量验证 设计要求 85t≤100t
综合性能评价 综合评估 设备综合性能优秀
运行成本验证 经济分析 运行成本45元/t铁水≤50元/t
