课程设计180t氧气转炉设计.doc

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1、 冶金工程课程设计说明书180t氧气转炉设计学生姓名 班级 学号 指导老师 冶金工程年 月 日目 录1 转炉物料平衡与热平衡计算-11.1 原始数据选取-11.2 未加废钢和合金的物料平衡计算-31.3 热平衡计算-91.4 加废钢和合金的物料平计算-122 转炉炉型设计-152.1 转炉炉型选择-152.2 转炉炉容比与高宽比-152.3 转炉主要尺寸确定-152.4 转炉炉体结构图-18参考文献-21 转炉物料平衡与热平衡计算物料平衡是计算转炉炼钢过程中加入炉内与参与炼钢的全部物料（如铁水、废钢、氧气、冷却剂、渣料、合金添加剂、被侵蚀的炉衬等）和炼钢过程的产物（如钢水、炉渣、炉气、烟尘等）

2、之间的平衡关系。热平衡是计算转炉炼钢过程的热量收入（如铁水物理热、化学热）和热量支出（如钢水、炉渣、炉气的物理热、冷却剂溶化和分解热）之间的平衡关系。下面我以Q235钢为例，其规格成分为（%）：C 0.140.22，Si 0.120.30，Mn 0.400.65，P0.045,S1.1 原始数据的选取 原材料成分（表1-1表1-5）表1-1 铁水、废钢成分（%）成分含量CSiMnPS钢种Q235设定值0.180.250.55P0.045,S铁水0.70.30.113废钢80.250.553030终点钢水0.10痕迹0.091118注：C和Si按实际上生产选取；MnPS分别按铁水中相应成分的30

3、%，10%，60%留在钢水中设定 表1-2 渣料和炉衬（原材料）材料成分（%）种类CaOSiO2MgOAl2O3SPCaF2FeOFe2O3烧减H2OC石灰90矿石5.0萤石白云石炉衬0.4315 表1-3 铁合金成分（分子）及其回收率（分母）项目CSiMnAlPSFe硅铁-锰铁- 1-4假设条件(工艺参数设定值)名称参数名称参数终渣碱度萤石加入量白云石加入量喷溅铁损炉衬蚀损量矿石加入量炉气中自由氧含量气化去硫量金属中C氧化产物%CaO/%SiO2=3.8为铁水量的5%为铁水量的%铁水量的1%铁水的0.3%，炉龄5000铁水量的0.3%0.5%（体积比）占总的三分之一90%氧化为CO,10%氧

4、化为CO2渣中铁损烟尘量氧气纯度废钢量终渣w（FeO）按w(Fe2O3)=1.35w(FeO)折算为渣量的6%为铁水量的1.5%。其中（FeO75%,Fe2O320%）99.6%，N2为0.4%又热平衡计算确定，结果为铁水量的13.35%，即废钢比为11.78%15%w（FeO）=1/3，而w(Fe2O3)=5%, w(FeO)=8.25%冶炼钢种及规格成分 要求冶炼低碳钢，以Q235钢为例，其规格成分为（%）：C 0.140.22，Si 0.120.30，Mn 0.400.65，P0.045,S1.2 未加废钢和合金的物料平衡计算物料平衡基本项目：（1） 收入项：铁水、废钢、溶剂（石灰、萤石

5、、白云石）、氧气、炉衬蚀损、铁合金。（2） 支出项：钢水、炉渣、烟尘、渣中铁珠、炉气、喷溅。1.2.1 渣量及其成分计算根据铁水、渣料质量及其冶炼钢种的要求，采用单渣法操作。为了简化运算，以100 kg铁水为计算基础。（1） 铁水中元素氧化量（表1-6）氧化量=元素在铁水中的含量 元素在钢水中的含量表1-6 铁水中的元素氧化量 元素/%项目CSiMnPS铁水0.70.30.113钢水000.090.0110.018氧化量0.70.210.09912由表1-6知：脱磷率 = / 100% =90%； 脱硫率 = / 100% =40%； 钢中残锰量 = /100% =30%. (2) 各元素耗氧

6、量及氧化产物量（表1-7）表1-7 铁水中元素氧化量、氧化产物量元素反应元素氧化量/kg耗氧量/kg产物量/kgCC+1/2O2=CO90%=3.54616/12=4.72828/12=CC+O2=CO210%=0.39432/12=1.05144/12=1.445SiSi+O2=SiO20.70.732/28=0.80.760/28=1.5MnMn+1/2O2=MnO116/55=6171/55=0.271P2P+5/2O2=P2O5 80/62=0.128142/62=0.227SS+O2=SO21/3=44464/32=SS+(CaO)=(CaS)+O2/3=88（-16/32）=-(2

7、)872/32=18FeFe+1/2O2=FeO0.80756/72= 0.6280.80716/72= 0.179FeFe+3/2O2=Fe2O3112/16= 48/160= 0.056总计6.891注意*：1.假定炉内气化脱硫1/3；铁的氧化由表1-13得出。 (2)56/32= kg(3) 渣料的加入量 1) 萤石加入量 ：在本设计中，取萤石加入量为：100 kg，其成分质量计算见表1-9. (质量计算中各成分质量百分数见表1-2)表1-9 萤石加入量及成分成分质量/kg成分质量/kgCaF2% = 0.218MgO0.25% = 2SiO20.25% =140.25% = 01Al2

8、O30.25% = 09S0.25%0.000(忽略)H2O2.42% = 11其中： 2P+5/2O2=P2O5(P2O5)生成量 kg 3) 白云石加入量 ：为了提高转炉寿命，采用白云石造渣，根据已投产转炉的经验，在本设计中为：1002.5% kg，其成分质量计算见表1-10。(质量计算中各成分质量百分数见表1-2) 表1-10 生白云石加入量及成分成分质量/kg成分质量/kgCaO53.1% = 1.328MgO% = 0.715SiO2烧减15Al2O3PS0.01%=0.000(忽略)其中：烧减是白云石中分解产生的气体。 4）炉衬侵蚀量：转炉炉衬在炉渣作用下，将被侵蚀和冲刷进入渣中，

9、本设计中取铁水量的%，即100 kg ,其成分质量计算见表1-11. (质量计算中各成分质量百分数见表1-2)表1-11 炉衬侵蚀量及成分成分质量/kg成分质量/kgCaO0.31.19% = 357SiO20.3% = 51MgO0.3% = 0.24174C0.315% = 45Al2O30.30.43% = 0.00129Fe2O30.30.43%= 其中： 炉衬中碳的氧化与金属中氧化生成的CO和CO2比例相同。即：C+1/2O2=CO：氧化产物CO量为：90%kg 耗氧量为：90%4kgC+O2=CO2：氧化产物CO24510%44/12 = kg 耗氧量为：kg共消耗氧量=kg 矿石

10、侵蚀量及成分成分质量/kg成分质量/kgCaO0.33SiO20.315MgO0.3141S0.345Al2O30.33Fe2O30.363.7%=0.1911FeO0.3%=0.0855H2O0.3%1 5) 石灰加入量：根据铁水成分，取终渣碱度，石灰加入量计算如下：(SiO2)=铁水Si生成（SiO2）+ 炉衬、白云石、萤石、矿石带入的（SiO2） = 51 15 =1.545kg(CaO)=白云石、炉衬、矿石带入（CaO） 铁水、矿石中S消耗CaO量 + + -56/32=1.321kg石灰加入量 = w(SiO2)R - w(CaO)/wCaO有效100% = （ ）/(90% 3.8

11、2.3%) 100%= kg注意：wCaO有效=w(CaO石灰)-Rw (SiO2石灰) 其成分质量计算见表1-12. (质量计算中各成分质量百分数见表1-2)表1-12 石灰加入量及成分成分质量/kg成分质量/kgCaO90% = SiO2229MgO90S45Al2O369烧减68其中： S+(CaO)=(CaS)+O生成的(CaS) =4510 kg6) 渣中的铁氧化物：对于冶炼Q235钢，根据已投产转炉渣中含（FeO）量，取（FeO）= %，（Fe2O3）= 5%。7）终渣总量及成分：根据表1-7表1-12中的数据，确定终渣总量及成分，见表1-13，若不计（FeO）、（Fe2O3），由

12、表1-13中可得：CaO+MgO+SiO2+P2O5+MnO+Al2O3+CaF2+CaS=5+1.674+0.229+0.2713338=kg已知（FeO）= % ,(Fe2O3）= 5%，则其余渣应占渣量总数的8%。故总渣量为% = 11.512 kg 由此可知：（FeO）= 8.25% = 0.950 kg, （Fe2O3）= 5% = 0.704kg。 由于矿石和炉衬中带入部分（FeO）和（Fe2O3），其含量参见表1-2和1-10，实际铁氧化物为：（FeO）= = 0.807 kg ；其值列入表1-7.（Fe2O3）= 0.002= 0.383 kg .其值列入表1-7表1-13 终

13、渣总量及成分成分氧化产物/kg石灰/kg矿石/kg白云石/kg炉衬/kg萤石/kg总计/kgCaO34MgO901425SiO21.5291551.674P2O50.2270.229MnO0.2710.271Al2O36930051133CaF218CaS81038FeO807Fe2O3总计11.641 冶炼中的吹损计算1.2.2根据假设条件，渣中铁珠量为渣量的6%，喷溅损失为铁水量的1%，烟尘损失为铁水量的%。故可得到：渣中铁珠量 = 6% = 0.698 kg喷溅损失量 = 100 1% = 1.0 kg烟尘铁损失量 = 100 %（75%56/72 + 20%112/160）= 1.08

14、5 kg元素氧化损失 = kg （见表1-7）吹损总量 = 0. 698 + = 9.665 kg 钢水量 = 100 = 90.335 kg . 氧气消耗量计算1）元素氧化耗氧 = kg（见表1-7）；2）烟尘铁氧化耗氧 =100%（75%16/72 + 20%48/160）= kg；3) 炉衬中碳氧化耗氧kg（见表1-10下）。4）炉气自由氧含量=kg故总耗氧量 = 5 = 7.464 kg.换算为标准体积为： m3 即冶炼100 kg 铁水需要氧气。取氧气利用率为80%，则冶炼1 t 铁水的实际供氧量为：/80%10 = 65.313m3 /t由于氧气不纯，含有%的氮气，故供氧时带入的氮

15、气为： % = 0.028 kg其体积量为：0.028 23 m3，则冶炼 1 t 铁水将会带入0.023 m3的氮气。1.2.4 炉气量及成分计算 炉内产生的炉气由CO、CO2、SO2、H2O、N2和自由 O2 组成。其中：CO来源于铁水和炉衬中的碳氧化；CO2来源于铁水、炉衬中碳氧化，以及白云石和石灰石中的烧减量；SO2来源于铁水中硫氧化；H2O来源于矿石和萤石中；N2来源于供氧时被带入。自由O2约占炉气总量的0.5%，即以上气体占炉气总量的99.5%，则炉气总体积V为：V=Vg+0.5%V+1/99.6(22.4/32Gs+0.5%V-Vx) V= ()/99.1=7.885 m3式中

16、Vg-CO、CO2、SO2 和H2O各组分总体积，m3 。本计算中，其值为22.4/28 +822.4/64+793 m3 Gs-不计自由O2 的消耗量，kg。本计算中，其值为kg(如上) Vx-铁水与石灰中的S与CaO反应还原出的氧量，其质量为2kg。 0.5%-炉气中的自由氧含量。 99.6-由氧气纯度为99.6%转换得来。自由O2量为 9 m386 kg表1-14 炉气量及成分成分质量/kg体积/ m3体积/%CO= 8.3698 =6.69585.23CO21.445+=2.121 = 8013.75SO288 =28H2O122 = 1490.19N20.29O290.50总计10.

17、5947.8551001.2.5 未加废钢和合金时的物料平衡表把以上各种物质的总收入和总支出汇总起来，得到未加合金时的物料平衡表1-15.表1-15 未加废钢和合金时的物料平衡表收入支出项目质量/kg%项目质量/kg%铁水100钢水90.335石灰炉渣白云石2.5炉气10.594萤石烟尘1.085炉衬喷溅氧气铁珠98总计11100总计115.353100计算误差 = （收入项 支出项）/收入项100% = （-）/100% =0.6% 1.3 热平衡计算 计算所需原始数据有：各种入炉料及产物的温度（表1-16）；物料平均热熔（表1-17）；反应热效应（1-18），熔入铁水中的元素对铁熔点的降低

18、值（1-19） 入炉料及产物的温度设定值（表1-16）名称入炉物料产物铁水废钢其他原料炉渣炉气烟尘温度/C12502525与铁水相同14501450 注意：纯铁熔点1536 表1-17 各材料的热容（kJ/kg.K）项目固态平均热容熔化潜热液（气）态平均热容生铁218钢272炉渣209炉气烟尘209矿石209 表1-18 反应热效应（25）元素反 应反应热/kJkg-1元素C C+1/2O2=CO-11639C C+O2=CO2-34834Si Si+O2=SiO2-29202P2P+5/2O2=P2O5-18980Mn Mn+1/2O2=MnO-6594Fe Fe+1/2O2=FeO-425

19、0Fe Fe+3/2O2=Fe2O3-6460SiO2SiO2+2CaO=2CaOSiO2-1620P205P2O5+4CaO=4CaO P2O5-4880熔入铁水中的元素对铁熔点的降低值（1-19）元素CSiMnPSAlCrNHO在铁水中极限溶解度/%无限35无限溶入1%元素使铁熔点降低值/6570758085901008530253N，H，O溶入使铁熔点的降低值适用含量范围/%13151181.3.1 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） 铁水物理热铁水凝固温度Tf可用表达式Tf = （1539 %iTi4）计算，即Tf = 1536 （1004.04 + 80.7+

20、 50.3 + 300.11 + 253） 6=1115铁水物理热Q物 = CsTf + Qf + Cl( T Tf ) = 100(1115 25) + 2187（1250 1115） = 114 kJ注：式中%i-铁水中元素含量； Ti - 1%的元素使纯铁凝固温度的降低值，参考高泽平炼钢工艺学表8-20 Cs、Cl - 分别为液态、固态的热容量，kJ/kg K，参考表1-3； Tf、T - 分别为冷却剂（生铁）的熔点和熔池温度，K，Tf见表1-3.（2） 铁水中元素氧化放热和成渣热 根据表1-18、表1-7、表1-12数据计算如下：C+1/2O2=CO 3.546 11639 = kJC

21、+O2=CO2 0.394 34834 = kJSi+O2=SiO2 0.7 29202 = kJMn+1/2O2=MnO 1 6594 = kJ2P+5/2O2=P2O5 99 18980 = 13 kJ Fe+1/2O2=FeO 0.628 4250 = 2669 kJFe+3/2O2=Fe2O3 6460 = kJSiO2+2CaO=2CaOSiO2 1.51620= 2430kJP2O5+4CaO=4CaO P2O5 0.227 4880 =J 总计 89851.13 kJ（3） 烟尘氧化放热 1.5（75%56/724250 + 20%112/1606460）= kJ(4) 炉衬中碳

22、氧化放热 15%（90%11639 + 10%34834）= kJ 因此，炉内热收入总量为： + + + = 20 kJ 热支出（1）钢水物理热钢水熔点Tf = 1536（650 +50.09 +3011 + 2518）6 = 1522 取钢水过热度为70，浇注过程温降为50，出钢、吹氩、运输、镇静过程温降为50。则出钢温度为：T = 1522 + 70 + 50 + 50 = 1692 钢水物理热=935 （1522 25）（16921522）= 13kJ(2) 炉渣物理热计算时取炉渣终点温度与钢水温度相同。炉渣物理热 = 8（1692 - 25）+ 209 = 2kJ(3)生白云石分解热=

23、（%1690 + %1405）= kJ(4) 烟尘物理热 = 1.5(1450 25) + 209 = 2kJ（5）炉气物理热 = 10.594（1450 - 25）= 1kJ(6) 渣中铁珠物理热 = 0.698(1522 - 25) + 2187（1692 - 1522） = kJ(7) 喷溅金属物理热 = 10.699(1522 25) + 2727(1692 - 1522) = 1460.69 kJ(8) 吹炼热损失 吹炼过程热损失包括炉体和炉口的热辐射、对流、和传导传热、冷却水带走热等。在本设计中，取吹炼热损失为热量总收入的5%，所以吹炼过程热损失为： 5% = 10 kJ（9）废钢

24、耗热总的热收入减去热支出，得到的富余热量用加入废钢来调节。富余热量 =-（+ + +1460.69+）= 1 kJ1千克废钢熔化耗热 = 1(1522 - 25) + 2727(1692 - 1522) = 14 kJ则废钢加入量 = /= 10.55 kg1.3.3 热平衡表把全部热收入和热支出汇总，得到热平衡表1-16热平衡表1-16热收入热支出项目热量/kJ%项目热量/kJ%铁水物理热钢水物理热元素放热和成渣热89851.13 kJ炉渣物理热烟尘氧化放热烟尘物理热炉衬碳放热炉气物理热铁珠物理热喷溅物理热吹炼热损白云石分解热废钢熔化热共计100共计100热效率 =(钢水物理热 + 炉渣物理

25、热 + 废钢熔化热)/热收入100% =（ + + ）/100% = 83.77%若不计算炉渣带走的热量时：热效率1.4 加废钢和合金化后的物料平衡 先根据钢种成分设定值和铁合金成分及其收得率，计算出所加入的锰铁和硅铁的加入量，在计算其元素的烧损量。再将所有结果与表1-15归类合并，即可得到总的物料平衡表。（1） 加废钢 如1.3.2计算得到冶炼100 kg铁水需要加废钢kg。（2） 加合金 锰铁加入量 = 钢水量（W钢种 - W终点）/(锰铁含锰量回收率) =90.335 （0.5% - 0.09%）/(67.8% 80%) = 0.68 kg硅铁加入量 = （WSi钢种 - WSi终点）加

26、锰铁后的钢水量 锰铁中含硅量(硅铁含硅量回收率) = % （90.335+8）- 0.5%875%/73%75% = 0.41 kg铁合金中元素的烧损量和产物量列于表1-17中表1-17 铁合金中元素烧损量及产物量类别元素烧损量/kg脱氧量/kg成渣量/kg炉气量/kg入钢量/kg锰铁C6.6%6.6%40Mn67.8%92254667.8%80%=0.369Si0.5%0.5%3P2SFe24.74% = 0.161合计9760.1480.576硅铁Al2.5%102Mn0.5%60.5%2Si73%756756273%75% = 0.224P0.05% = 0.0002（舍）S（舍）Fe9

27、8合计770.324总计 0.174120.3130.900注：表中脱氧量、成渣量、炉气量的计算方法和前面一样。加合金后钢水成分如下：W(C) =0% + /( + ) 4% ；W(Si) = ( + ) /(90.335 + ) 5% ；W(Mn) = 0.09% + (+ ) /(90.335 + ) 100% = 0.49% =0.5%；11% + /(90.335 + ) % ；18%01/(90.335 + ) 19% .对比冶炼钢种及规格成分，以上结果满足设定要求。根据以上结果作出冶炼100 kg铁水的总物料平衡表，如表1-18所示表1-18 总物料平衡表收入支出项目质量/kg%项

28、目质量/kg%铁水钢水90.335+=91.235废钢炉渣10.681+ = 10.846石灰5.008炉气 = 10.609萤石0.224烟尘白云石喷溅炉衬铁珠氧气锰铁0.68硅铁0.41 矿石合计116.397100合计115.888100计算误差 = （ ）/ 100% = 0.4%金属收得率 = 钢水质量/(铁水+废钢) =92.235%2 转炉炉型设计 转炉是转炉炼钢车间的核心设备。转炉炉型及其主要参数对转炉炼钢的生产率、金属收得率、炉龄等经济指标都有直接的影响，其设计是否合理也关系到冶炼工艺能否顺利进行，车间主厂房高度和转炉配套的其他相关设备的选型。2.1 炉型的选择本设计为180

29、t的中型转炉，选用筒球型转炉。2.2 炉容比与高径比 炉容比（V/T , ）炉容比是转炉有效容积与公容量的比值，主要与供氧强度有关，本设计选取炉容比为1 高径比 高径比是指转炉炉壳总高度与炉壳外径的比值，是作为炉型设计的校核数据。在1.35-1.65之间。2.3 转炉主要尺寸的确定 熔池尺寸（1）熔池直径D熔池直径是指转炉熔池在平静状态时金属液面的直径。可根据公式求得，其中：G 新炉金属装入量，t；（取公称容量）t 吹氧时间，min，取16minK比例系数，取1.60则熔池直径1.6（18016）5.37m熔池深度是指转炉熔池在平静状态时，从金属液面到炉底的深度。对于筒球型熔池，取球缺体半径R

30、 = 1.1D = 6272mm，此时熔池体积与熔池直径存在如下关系：，即。熔池体积 = 装入量/比重 =180/6.8 =（假设钢水比重6.8）则熔池深度（+3）/（0.6652）m2.3.2 炉帽尺寸（1） 炉帽倾角倾角过小，炉帽内衬不稳定，容易倒塌；过大则出钢时容易钢渣混出和从炉口大量流渣。在本设计中取 = 60.（2） 炉口直径d0本设计中取炉口直径为熔池直径的48%，即d0 = 5.3748% = 2.578m (3) 炉帽高度H帽取炉口上部直线段高度H口 = 350 mm，则炉帽高度为：H帽 = = 1/2（ ）tan60+ 0.35 = 2.768m2.3.3 炉身尺寸（1） 炉

31、身直径转炉炉帽以下，熔池面以上的圆柱体部分称为炉身。其直径与熔池直径一致，即为D。（2） 炉身高度H身H身 = 式中 、 、分别为炉身、炉帽、熔池的容积。其中： = 转炉有效容积，为、 、三者之和，取决于容量和炉容比。 = 炉容比G。根据已得的数据，则有： = 炉容比G = 1180 =180 =0.262（68）（2 +2.578+22.5782 0.35 = 由此，则有炉身高度为：H身 = = m 出钢口尺寸出钢口内口一般设在炉帽与炉身交界处，以使转炉出钢时其位置最低，便于钢水全部出净。（1） 出钢口中心线水平倾角 为了缩短出钢口长度，以利于维修和减少钢液二次氧化及热损失，大型转炉出钢口中

32、心线水平倾角趋于减小，本设计中取 = 20.(2) 出钢口直径d出出钢口直径决定出钢时间，因此随炉子容量而定。可用如下经验公式确定： = = cm式中 G转炉公称容量，t 。则在本设计中，出钢口直径为： 9m (3) 出钢口衬砖外径和出钢口长度取出钢口衬砖外径为出钢口直径的6倍，即为：96 = 1.14m取出钢口长度为其直径的7倍，即为：97 =1.53m(4)验算高径比 经计算： 炉身高熔池深度炉帽高度底部炉衬厚度底部炉壳钢板+1.65+2.768+0.62+熔池直径炉身加料侧炉衬厚度炉身出钢侧炉衬厚度炉身钢板厚度22所以m /= 因1.35 1.47 1.65所以符合要求的范围。由上述数据

33、可画出转炉炉型图。2.3.4 炉衬炉衬材质的选择目前常用的工作层衬砖有：沥青结合镁砖，含碳量为56%；烧成浸渍镁砖，含碳量为2%左右；焦油或沥青结合的白云石砖，含碳量约2%；沥青或树脂结合的白云石碳砖，含碳量为715%；沥青或树脂结合的镁碳砖（加入或不加防氧化剂），含碳量通常为1025%。 现在，氧气转炉炉衬材质普遍使用镁碳砖，炉龄有明显提高。但由于镁碳砖成本较高，因此一般只将其用在诸如耳轴区、渣线等炉衬易损部位，即炉衬工作层采用均衡炉衬，综合砌炉。炉衬的组成和厚度的确定通常炉衬由永久层、填充层和工作层组成，也有的转炉不设填充层。在本设计中不设填充层。永久层紧贴炉壳，修炉时不予拆除。其主要作用

34、是保护炉壳，用镁砖砌筑。工作层是与金属、熔渣和炉气接触的内层炉衬，工作条件苛刻，设计中用镁碳砖砌筑。各层厚度参考高泽平炼钢设备及车间设计表3-1，设计中取值见表2-1：表2-1 转炉炉衬厚度取值炉衬各部分名称厚度取值/mm炉 帽永久层140工作层600 炉身（加料侧）永久层130工作层750炉身（出钢侧）永久层130工作层650炉 底永久层400工作层6202.3.6 炉壳炉壳通常由炉帽、炉身和炉底三部分组成，常用材质有16Mn 、15MnTi 、14MnNb等，炉壳的材质力求抗蠕变强度高、焊接性能又好的材料。本设计采用锅炉钢板制作炉壳。选用16Mn制作炉壳。表3-3炉壳钢板厚度的确定炉子容量/t / mm / mm / mm 30