材料类经典毕业设计2万吨高功率石墨电极工厂整体设计

沈阳理工大学大学学士学位论文I摘 要本设计的任务是年产 2 万吨高功率石墨电极工厂设计，设计重点是生产3002000、 5002200、 6002400 含接头的高功率石墨电极产品，并且各项质量指 标均达标，符合节能减排理念的现代化高功率石墨电极工厂，设计的主要内容有：一、工程总论；二、工厂工艺流程设计及相关计算；三、工程主要设备选型及相关计算；四、工厂总平面设计与布置五、其他专业知识六、工程效益分析及综合评价；七、绘图，包括：工艺流程图、工厂总平面图、物料平衡图关键词: 高功率石墨电极；工厂设计；工艺流程图；设备选型；经济效益分析沈阳理工大学大学学士学位论文IIAbstractThe design task is to produce 20,000 tons of high-power graphite electrode plant design, the design focus is the production of products: 3002000, 5002200, 6002400 with joints, the quality indicators are standard, meet the energy reduction row concept high power graphite electrodes modern factory, the main content design are:First, the project Subjects;Second, the plant process design and related calculations;Third, the engineering major equipment selection and related calculations;Fourth, the plant a total graphic design and layoutFifth ,other expertiseSixth, engineering benefit analysis and comprehensive evaluation;Seventh ,process flow diagrams, plant general layout, material balance diagramKeywords: high-power graphite electrodes; plant design; a process flow diagram; equipment selection; economic analysis沈阳理工大学大学学士学位论文III引 言自上世纪九十年代以来，我国钢铁工业飞速发展，粗钢产量平均以每年 7.95%的速度上升连续 13 年居世界第一。2008 年，中国大陆的钢产量为 50091 万吨，占世界钢产量的 1/3 以上。在中国大陆钢铁生产结构中，转炉流程生产的钢产量占总钢产量的90%以上，电炉流程生产的只占总钢产量的 10%左右。电炉钢比例的调整是重要的节能减排措施，只要将我国的电炉钢比例提高 1%，则年节能总量可超过我国年增长钢(2006 2007 年增长钢 6822 万吨)综合能耗降低的总量；减少的二氧化碳排放量约为我国汽车工业二氧化碳年总排放量的 20%。随着人们对发展现代电炉炼钢对我国钢铁产业调整与振兴的影响及其发展前景的进一步认识和节能减排的要求，我国现代电炉炼钢将迎来一个较大的发展机遇。作为电炉炼钢导电、导热材料的石墨电极需求量也将随着我国钢铁现代电炉炼钢的发展而大大增加。高功率石墨电极作为大型炼钢电弧炉必不可少的导电材料和冶炼消耗材料，在国内逐步得到大批量使用，国内目前有石墨电极生产企业近百家，但工序完备且有一定经济规模的生产企业只有十几家。由于装备水平和技术条件的制约，我国对高档次、高技术含量、高附加值的大规格 HP 石墨电极产品的研发进度严重滞后于钢铁行业的快速发展，难以实现大规模、工业化生产，远远不能满足国内高功率电炉炼钢的急需。我国炭素行业生产及供需现状是，NP 石墨电极的生产能力和产量供大于求，HP石墨电极供需基本平衡，大规格 HP 石墨电极供不应求，尤其是 650mm 以上大规格HP 石墨电极产量十分有限，对国内炭素企业来说，国内石墨电极的主要问题不仅是增加产量，而且要调整产品结构，进行产品的升级换代。预计到 2015 年前，我国将再新投产 100200 吨超高功率大电炉 810 座（包括新建、改造等） 、5070 吨高功率电炉 5-6 座，再加上黄磷电炉消耗增加的石墨电极，共需要石墨电极约 800kt，其中 HP 石墨电极约为 300kt。因此，今后炭素行业面临产品结构调整，即增加 HP 石墨电极产量，尤其增加大规格 HP 石墨电极产量，减少 NP石墨电极产量，以适应市场的需要，此乃大势所趋，势在必行。沈阳理工大学大学学士学位论文IV目录摘 要 .IAbstract .II引 言 .III1 工程总论 .11.1 设计任务 .11.2 工程项目背景 .11.3 工程项目建设意义 .11.4 项目建设条件 .31.4.1 厂址 .31.4.2 供电 .31.4.3 原料的提供 .31.4.4 矿产资源 .31.4.5 技术支持 .41.4.6 供水 .41.5 建设规模和产品方案 .41.5.1 设计规模 .41.5.2 产品方案 .41.6 设计原则 .42 工厂工艺流程设计 .52.1 工艺设计主要任务和基本原则 .52.1.1 工艺设计的主要任务和基本原则 .52.1.2 工艺设计的基本原则 .52.2 工艺流程设计 .62.2.1 工艺流程图 .62.3 生产主要影响因素与原料制备 .72.3.1 原料制备 .72.4 高功率石墨电极制造 .82.4.1 原料及返回料处理: .82.4.2 配料计算及配料过程 .82.4.3 成型、冷却及贮存 .11沈阳理工大学大学学士学位论文V2.4.4 一次焙烧 .122.4.5 浸渍及二次焙烧 .132.4.6 石墨化 .142.4.7 产品加工 .162.4.8 化验 .162.5 物料平衡计算 .173 主要设备选型与计算 .183.1 粉碎设备的选型与计算 .183.1.1 粉碎选择原则 .183.1.2 破碎设备选型 .183.1.3 磨粉设备的选择 .193.2 成型设备的选择 .203.2.1 挤压设备的选择原则 .203.2.2 成型设备的选择 .203.3 焙烧设备的选择 .213.3.1 一次焙烧炉子的选型 .223.3. 2 二次焙烧炉型选择 .223.4 浸渍设备的选型 .233.5 石墨化设备的选型 .233.5.1 艾奇逊石墨化炉特点 .243.5.2 内串石墨化工艺的主要特点 .244 工厂总平面设计及布置 .264.1 工厂总平面设计的主要任务和基本原则 .264.1.1 总平面设计的主要任务 .264.1.2 总平面设计的基本原则 .264.2 总平面布置 .274.2.1 石墨电极厂总平面布置特点 .274.2.1 厂区总平面布置 .274.2.2 竖向布置 .284.2.3 总图运输主要技术经济指标 .285 其他专业知识 .29沈阳理工大学大学学士学位论文VI5.1 土建建筑 .295.1.1 生产车间与辅助车间 .295.1.2 厂房建筑的通道要求 .295.1.3 采光与通风 .295.2 给水与排水 .295.2.1 给水系统 .295.2.2 排水系统 .305.3 电气 .305.3.1 工厂用电特点 .305.3.2 照明 .305.4 自动化 .305.5 采暖通风 .305.5.1 采暖 .305.5.2 通风 .315.6 环境保护 .315.6.1 大气污染控制 .315.6.2 噪声污染控制 .315.7 消防 .316 经济效益分析及结论 .326.1 经济效益分析 .326.1.2 项目年收入 .326.2.2 项目总投资 .326.2.3 项目总成本预算 .336.3 损益估算 .346.3.1 税收 .346.3.2 利润总额 .346.4 经济效益综合评价 .34致 谢 .35参考文献 .36附录 A 英文文献 .37附录 B 中文翻译 .48沈阳理工大学大学学士学位论文11 工程总论1.1 设计任务根据沈阳理工大学材料科学与工程学院粉体材料科学与工程专业下达的 2015 届毕业设计任务书为依据，进行“年产 2 万吨高功率石墨电极工厂设计” 。生产规模：年产 2 万吨产品品质：高功率石墨电极产品规格： 3002000、 5002200、 6002400 含接头 表 1.1 产品质量国家标准电阻率/.m 抗折强度/ MPa 弹性模量/ GPa 体积密度/ g.cm -3 热膨胀系数/ 灰分/%7 10.5 12 1.62 2.4 31.2 工程项目背景 公司所在地阜新市位于辽宁西北部，处于东北亚和环渤海地区的中心地带，与环渤海的黄金海岸山水相依，地理位置十分优越。境内交通便利。铁路大郑线、新义线，公路101国道、304国道、沈阜公路、阜锦公路、沟奈线贯穿全境；距锦州港110公里，营口港200公里；阜新至锦州的高速公路，2002年10月份全线通车；阜新到沈阳的高速公路，已经列入十五计划，交通十分便利。丰富的煤炭资源和天然气资源也是阜新市的一大重要优势。便捷的交通条件和得天独厚的区位优势，为公司的发展提供了广阔的空间。市场调研预计 300700mm 规格高功率石墨电极 2015 年国内需求量 510万吨左右。国内钢铁企业生产所需 300700mm 规格高功率石墨电极一部分依靠进口来满足，南通扬子、开封炭素、方大炭素和广汉士达等大型炭素企业提供部分大规格高功率石墨电极供应。对于矿热炉所需要大规格电极，生产厂家很少。本项目建设针对目前炭素材料市场的发展方向，紧盯国家淘汰小型矿热炉的产业政策，规划建设 20kt/a300 600mm 规格高功率石墨电极生产线，以满足不断大型化的电弧炉、环保节能的大型电石炉、铁合金炉、黄磷炉、工业硅炉等矿热炉的需求。1.3 工程项目建设意义国内市场分析: 我国在册登记的炭素企业有近 400 家，但由于炭素工艺流程长的特点，建设一座工序齐全的炭素厂投资巨大，因此具有一定规模，工艺设备比较齐全的沈阳理工大学大学学士学位论文2炭素企业仅有 50 多家。整个行业大型企业少。小型企业多，产业集中度较低。全国炭素企业的石墨生产能力达 45 万吨。 2015 年我国钢产量达到 27280 万吨，同比增长22.7%，进口钢材 2930 万吨，同比下降 21.2%；出口钢材 423 万吨，同比增加104.6%。2015 年我国电炉钢产量 1600 万吨。钢铁行业的快速发展，直接带动了我国炭素工业的高度发展。2010 年石墨电极产量第一次突破 30 万吨，达到 36.83 万吨，同比上年增长 23.08%，实现工业总产值 44.2 亿元。同比上年增长 20.02%，实现工业增长加值 10.4 亿元，同比上年增 35.89%，销售收入 45.68 亿元，同比上年增长 23.17%。加入 WTO 以后，中国经济融入世界经济中。我国炭素行业的骨干企业在提高产品质量的同时不断扩宽国际市场的销售渠道。2014 年石墨电极出口第一次突破 10 万吨大关，达到了 10.88 万吨，同比上年增长了 7.51%.因此，石墨电极的需求量增加，特别是低容量电炉的逐渐淘汰，高功率和超高功率电炉的普及，超高功率石墨电极的需求迎来了又一个黄金时期。预计到 2015 年，国内超高功率电极需求量 7.86 万吨，高功率电极需求量 12.36 万吨，普通功率电极需求量 15.23 万吨。近年中国进口（大直径 450mm以上）高功率石墨电极每年估计为 2.5 万吨，今后将逐年减少，预计到 2015 年中国的高功率石墨电极不仅能够实现自给自足而且出口量将增加到 617 万吨，但特大规格（直径 550mm 以上）的电极仍需少量进口。 国际市场 1964 年美国 W.E.Schwabe 提议采用超高功率（VHP ）石墨电极进行电炉炼钢。美国大湖炭素公司首先开发了针状焦，以其为原料制成的石墨制品耐热冲击性抗氧化性好，强度和密实电流密度高。1966 年 VHP 石墨电极开发成功并被实际应用。随着高功率和超高功率电极的研制成功，生产一吨钢材的电极消耗量由原来普通石墨电极的 618kg 降为高功率电极的 476kg。超高功率电极的 2.5kg 左右。上世纪 80 年代开发的大型超高功率直流电弧炉用单根 VHP 石墨电极进一步降为 1.0kg 以下。随着电弧炼钢炉容量的逐渐增大，每吨容量的变化且输入功率也不断增加。新建电炉多为80?150 吨的超高功率电炉，输入功率以提高到 800KW/t 甚至 10001200KW/t。目前,全国石墨电极年生产能力为 150 万吨，实际产量约为 120 万吨。产能的大体结构为：美国 20 万吨，德国 21 万吨，中国 45 万吨，日本 16 万吨，印度 6 万吨，其它国家，23?25 万吨。由于炼钢技术的进步，所以石墨电极的消耗大大下降。同时，受到本国能源政策的限制或资源储量的约束，以及环境保护的要求，炭素企业在发达国家的基建投资和运行成本比发展中国家要高的多，其价格竞争也相对较低，所以发达国家的石沈阳理工大学大学学士学位论文3墨电极产量逐年降低，并且多余的生产能力也被关闭。这就给发展中国家的炭素行业的发展提供了机遇。市场竞争能力分析：随着我国社会主义市场经济体制的逐步建立和完善，市场配墨资源的基础性作用正不断得到加强，优胜劣汰的市场竞争环境正在逐步形成。由于地方小炭素企业本身难以克服的弱点，激烈的市场竞争将有力地促进他们退出市场。只有那些产品竞争力强，经营管理完善的大型炭素企业才能在激烈的市场竞争中立于不败之地并不断发展。本工程建设投产的超高功率石墨电极是国家鼓励发展的机电类产品，产品用途广泛，国内和国际市场需求量大，其高端产品炼钢用高功率石墨电极，近年来在国际国内市场，一直畅销不衰，预计今年几年将延续供不应求的局面。本项目由于达到了经济规模，建设投资者，采用先进工艺，原材料价低质优，因而使产品有极强的价格优势。石墨电极是电冶炼工业中重要的导电、导热材料，其中电炉炼钢用量最大，约占50%以上。随着下一轮钢铁工业的发展，熔化周期短、能耗低、容量大的高及超高功率电炉炼钢必将成为现代炼钢工业的发展方向。我国现已从国外引进或自行建设高功率电炉逾 100 座，我国大多数碳素厂生产的普通电极难以应用在大电炉之中，取而代之的必然是 HP 和 UHP 石墨电极。本项目对改变目前我国钢铁冶炼所用大规格 HP 和UHP 石墨电极大部分依赖进口的现状，将是非常有利的。1.4 项目建设条件1.4.1 厂址拟建厂地位于阜新市经济技术开发区工业园区内。全厂总占地面积为 200000 平方米，电力供应充足，距市区 3 公里，厂区周围均为荒地，远离居民区，生产环境好，地下水丰富，且水质较好，具有优越的交通运输条件。1.4.2 供电本工程电源引某市经济技术开发区变电站，动力用电采用 10kV 电源线路由当地供电部门送至厂配电所，石墨化整流机组电源由该地技术开发区变电站 35kV 侧供给，可满足厂内用电负荷的供电需要。1.4.3 原料的提供东北